医学影像专业课程-核磁共振硬件系统结构详细介绍.ppt
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参见附件(10496KB)。
核磁共振硬件系统结构详细介绍
§12.1 Introduction
§12.2主磁体
I永磁体 ~
Permanent magnet
* 永磁体使用磁性材料产生磁场~高剩磁
* 稀土合金，如 SmCo5,Nd-Fe-B.
- ALNICO (铁、钴合金)
- SmCo5 ALNICO(钐钴 铁钴合金)
- Nd-Fe-B (钕、硼、铁合金)
*0.2T
- ALNICO 23 吨
- Nd-Fe-B4 吨
HITACH
* AIRIS-mate (0.2T) 7.8吨
* AIRIS-2 (0.3T) 10吨
* APERTO (0.4T) 13吨
2. 影响因素
* 剩磁 (Remanence)
* 矫顽力 (Coercive force)
- 指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度
- 矫顽力大~硬磁材料
- 矫顽力小~软磁材料
* 磁路结构 (Magnetic circuitstructure)
* ......
* 一般永磁体场强不大于0.5T
* 开放(孩子、幽闭症、介入)
* 系统构造简单
* 不产生热
* 运行成本低
* 维护费用低
* 寿命长
* 永磁体场强对温度非常敏感 (?0.1 ? C)。
例如， Nd-Fe-B磁体温度升高1? C ，磁场降低约1000ppm；
II 常导体~ Resistive magnet
1.电磁理论(Electromagnetism theory):
* 线圈中有电流时会产生磁场，并会导致线圈温升。
Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.
* 2. 材料的选择
- 铜(Copper)：电导率大、密度大、价格高、产热少；
- 铝(Aluminum)：电导率小、密度小、价格低、产热多；
线圈产生的热量由去离子水带走
* 3. 稳定性 ~不太好
* 4. 均匀性 ~ 不太好
III.超导磁体~ Superconducting magnet
* 1.超导理论:当温度T降低到临界温度(critical temperature),电阻突然变为0(测量不出)。电流可永无休止的流动。
* 超导磁体可产生强磁场
* 超导材料临界温度：
- 普通铅(Plumbum): 7.4K
- 铌钛合金(Niobium-Titanium): 20K
- 稀土陶瓷(Ceramic) :100K
2.超导材料类型:
* II: Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝)alloy or compound
* I: other
MR: Type II
Mullity NbTi alloy filaments complexlead (铌钛合金多芯复合超导线~位于铜基中) is very popular, and it can load 700A.
3. 超导材料的选择：
* 可负载大电流
* 可保持超导状态(>4.2K He)
* MR 系统提供的低温制冷装置系统可使所选超导材料保持超导状态；
* 超导材料要有合适的物理特性：可塑性(plasticity) 和柔韧性(pliability)
4. 构造
* NbTi纤维包埋在铜材中
* 铜材在失超时保护超导线圈
5.磁体特性
* 场强
* 均匀性
* 稳定性
高场MR的优缺点
* 信噪比
* 图像细节
* 速度
* 功能成像
* ......
* But!
更高的梯度要求
* 梯度场随场强成比例地增强
* 要求驱动放大器的功率增加
* 噪音更大
价格
* 一般情况场强高，价格高。
对人群的影响
* 更易对其他病人和设备产生影响，更应考虑杂散场。
§12.3低温系统和制冷剂~Low temperature system and cryogen
I.低温系统
* 维持低温使超导线圈处于超导状态；
* 低温容器 (Dewar)
- 磁体线圈位于Dewar中；
- Dewar必须有好的绝热性能(adiabatic)
II制冷剂
* 液氮(Liquid Nitrogen) ~77K
* 液氦(Liquid Helium )~4 K
Helium level
? 励磁( Excitation) 、退磁(Demagnetization)
1励磁过程(Excitation process)
A.冷却磁体(Cooling magnet)：主磁体线圈处于超导状态
B.线圈加载(Windings are loaded current)：注入电流
电流注入过程(Loading process)：
2.Demagnetization
* Turn on S switch
* UH-? turn off
* Adjust I of MPS
* I and S
* -UL
* IL = 0, UL= 0
* Turn off ? and UH
* Energy = 0
3.失超(Quench)
* 超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的能量部分变成热能散出 ；
* 热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发生失超；
* 失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化，使原有有源、无源匀场失效。
* 失超原因：
- Flux jump(磁通跳跃) ~ 释放能量
- Friction resulting heat(摩擦生热)~ 线圈的微小运动
* 失超导致：
- B0 的崩溃瓦解
- 液氦迅速沸腾
(boiling-off)
* 爆破膜( Bursting-disks)在高压下爆破，使得大量的气氦溢出低温保持器。
* 自发的失超( Spontaneous quenches )很少发生!
* 如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负荷(dummy load )避免损伤磁体(这是一个耗费昂贵的过程)。
§12.4屏蔽和匀场
Shielding and Shimming
I. 屏蔽(Shielding )
* 边缘场(Fringe field )
* 杂散场(Stray field)
* 杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方向上会伸出磁体，对外围产生影响
* FDA ~ 5G
* 无源屏蔽、被动屏蔽 (Passive shielding)
- 房间屏蔽(Room shielding) : 铁磁性材料~对建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材料厚度小、面积大；
- 自屏蔽( Self-shielding ) : 在磁体孔径内放置铁磁性材料(Iron plates)；有可能给匀场增加困难；
* 有源屏蔽、主动屏蔽(Active shielding):
载有反向电流的线圈绕组降低杂散场；
有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B0被抵消一些，需多用超导线、杜瓦体积大些)；
- 常导有源屏蔽(Resistive)
- 超导有源屏蔽(SC)
II.匀场~ Shimming
* 优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高要求；
* 匀场方法 :
- 无源匀场(被动匀场) (Passive ， 后进行)
- 有源匀场(主动匀场) (Active ， 先进行)
- Combination of both
1.无源匀场(Passivelyshimming)
* 在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量和位置经过特殊的匀场程序计算出来；
* 可校正高次磁场不均匀性；
* 材料价格便宜；
* 不需要昂贵的高精度电源；
* 当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用有源匀场；
2.有源匀场(Actively shimming)
* 一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上，每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式的一个系数近似；
* 必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互影响；
* 线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不变，直到有工程师进行再匀场时才改变；
GE : SII , SIII magnet
* 1.5T
* 18 个超导匀场线圈(高阶)
* 隔热屏散热系统(压缩机和冷头)
* 排气系统和电流探头直插式
* 低温容器流速表和压力表便于观察
* 液氦侧罐口，易于补充
Main coil
* 主线圈电流为734.5A
* 主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接- 无阻通路
* 开关的超导状态：持久模式(persistent)
* 开关的有阻状态：有阻模式(resistive)
* 紧急失超：主线圈放置有另外的加热器，使主磁场快速退磁(rundown).
* 失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退磁时保护主线圈。
Shimming coils
* 18个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节；
* 匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得；
* Z2、Z4、Z6：容积内各处的磁场；
* Z1、Z3、Z5：磁体后端的磁场；
* C11+、C11-、C22-、C31、C33)：横向偶数线圈
* S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：横向奇数线圈
Subsystem element(子系统组件)
* 磁体低温容器(Magnet cryostat) ：
包含6个超导主线圈、18个超导匀场线圈、18个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅二极管、超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液氦液面和压力；
* 制冷剂监视器 (Cryogen monitor) ：装在机架上与液氦液面传感器相连；
* 隔热屏散热压缩机(Heat insulation screen radiator compressor): 位于机柜间与MR的冷头相连，对气氦进行压缩。
* 磁体紧急退磁装置(Magnet emergency demagnetization device)：装在墙壁上，与一组主线圈的加热器相连。按下按钮，给主线圈加热器供电，磁场快速降落(2分钟内, 20%以下)
* 液氦挥发率(Volatilization velocity of liquid He) 应小于0.2l/h
* 励磁/退磁、超导匀场：严格遵守手册中的步骤；
* 磁体维护/部件更换：挥发增加
* 挥发长期超标：
- 隔热屏散热器工作不正常
- 热-声振荡
- 真空受损
- 低温容器内部热短路
低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路
传感器
* 温度检测二极管：
- 硅二极管，位于磁体支持物的上部和底部，监视内部支持物温度；
- 还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和第二极接口点，用于温度检测和故障查找；
* 超导液氦液面传感器：位于低温容器内，* 低温容器压力传感器
* 梯度场:随位置线性变化
I. 主要部件 :
* 梯度波形发生器
* 梯度驱动级
* 梯度功率放大器
*梯度线圈
* others
II 梯度线圈
1.结构
* Gz :一对环形线圈(Maxwell pair coils)流有反向电流
* Gy: Golay configuration, 4 个线圈位于圆柱体外部
*Gx: Golay coils (rotate 90o)
* 梯度线圈设计方法一般采用目标场方法的逆向设计方法
* 根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电流密度分布；
* 已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈。
2.梯度脉冲波形:
* 梯形(trapezoidal)
* 一个上升沿(sloping rise)后跟一个平台(flat plateau )和一个下降沿(sloping fall)。
3. 梯度线圈充电特性:
* 响应时间? : ?=L/R
* 假定300V,L=1mH,R=100mΩ
* 如果给梯度线圈的供电时间达到5τ。序列所需要的电流值一般最大在200A的范围内，这时可看成是线性，电流上升的速率也最快(大约0.6 ms内达到160A的电流)。......（后略) ......
核磁共振硬件系统结构详细介绍
§12.1 Introduction
§12.2主磁体
I永磁体 ~
Permanent magnet
* 永磁体使用磁性材料产生磁场~高剩磁
* 稀土合金，如 SmCo5,Nd-Fe-B.
- ALNICO (铁、钴合金)
- SmCo5 ALNICO(钐钴 铁钴合金)
- Nd-Fe-B (钕、硼、铁合金)
*0.2T
- ALNICO 23 吨
- Nd-Fe-B4 吨
HITACH
* AIRIS-mate (0.2T) 7.8吨
* AIRIS-2 (0.3T) 10吨
* APERTO (0.4T) 13吨
2. 影响因素
* 剩磁 (Remanence)
* 矫顽力 (Coercive force)
- 指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度
- 矫顽力大~硬磁材料
- 矫顽力小~软磁材料
* 磁路结构 (Magnetic circuitstructure)
* ......
* 一般永磁体场强不大于0.5T
* 开放(孩子、幽闭症、介入)
* 系统构造简单
* 不产生热
* 运行成本低
* 维护费用低
* 寿命长
* 永磁体场强对温度非常敏感 (?0.1 ? C)。
例如， Nd-Fe-B磁体温度升高1? C ，磁场降低约1000ppm；
II 常导体~ Resistive magnet
1.电磁理论(Electromagnetism theory):
* 线圈中有电流时会产生磁场，并会导致线圈温升。
Air-cored resistive magnet constructed using four coils arranged either horizontally or vertically.
* 2. 材料的选择
- 铜(Copper)：电导率大、密度大、价格高、产热少；
- 铝(Aluminum)：电导率小、密度小、价格低、产热多；
线圈产生的热量由去离子水带走
* 3. 稳定性 ~不太好
* 4. 均匀性 ~ 不太好
III.超导磁体~ Superconducting magnet
* 1.超导理论:当温度T降低到临界温度(critical temperature),电阻突然变为0(测量不出)。电流可永无休止的流动。
* 超导磁体可产生强磁场
* 超导材料临界温度：
- 普通铅(Plumbum): 7.4K
- 铌钛合金(Niobium-Titanium): 20K
- 稀土陶瓷(Ceramic) :100K
2.超导材料类型:
* II: Ni(铌)、V(钒)、Tc(锝)alloy or compound
* I: other
MR: Type II
Mullity NbTi alloy filaments complexlead (铌钛合金多芯复合超导线~位于铜基中) is very popular, and it can load 700A.
3. 超导材料的选择：
* 可负载大电流
* 可保持超导状态(>4.2K He)
* MR 系统提供的低温制冷装置系统可使所选超导材料保持超导状态；
* 超导材料要有合适的物理特性：可塑性(plasticity) 和柔韧性(pliability)
4. 构造
* NbTi纤维包埋在铜材中
* 铜材在失超时保护超导线圈
5.磁体特性
* 场强
* 均匀性
* 稳定性
高场MR的优缺点
* 信噪比
* 图像细节
* 速度
* 功能成像
* ......
* But!
更高的梯度要求
* 梯度场随场强成比例地增强
* 要求驱动放大器的功率增加
* 噪音更大
价格
* 一般情况场强高，价格高。
对人群的影响
* 更易对其他病人和设备产生影响，更应考虑杂散场。
§12.3低温系统和制冷剂~Low temperature system and cryogen
I.低温系统
* 维持低温使超导线圈处于超导状态；
* 低温容器 (Dewar)
- 磁体线圈位于Dewar中；
- Dewar必须有好的绝热性能(adiabatic)
II制冷剂
* 液氮(Liquid Nitrogen) ~77K
* 液氦(Liquid Helium )~4 K
Helium level
? 励磁( Excitation) 、退磁(Demagnetization)
1励磁过程(Excitation process)
A.冷却磁体(Cooling magnet)：主磁体线圈处于超导状态
B.线圈加载(Windings are loaded current)：注入电流
电流注入过程(Loading process)：
2.Demagnetization
* Turn on S switch
* UH-? turn off
* Adjust I of MPS
* I and S
* -UL
* IL = 0, UL= 0
* Turn off ? and UH
* Energy = 0
3.失超(Quench)
* 超导线圈的部分不再是超导状态，线圈储存的能量部分变成热能散出 ；
* 热能使线圈其他部分加热继而失去超导状态产生更多的热量，恶性循环直至遍及整个磁体发生失超；
* 失超使设备经历剧烈的热胀冷缩和磁力变化，使原有有源、无源匀场失效。
* 失超原因：
- Flux jump(磁通跳跃) ~ 释放能量
- Friction resulting heat(摩擦生热)~ 线圈的微小运动
* 失超导致：
- B0 的崩溃瓦解
- 液氦迅速沸腾
(boiling-off)
* 爆破膜( Bursting-disks)在高压下爆破，使得大量的气氦溢出低温保持器。
* 自发的失超( Spontaneous quenches )很少发生!
* 如果需要失超，线圈储存的电能沉积在假负荷(dummy load )避免损伤磁体(这是一个耗费昂贵的过程)。
§12.4屏蔽和匀场
Shielding and Shimming
I. 屏蔽(Shielding )
* 边缘场(Fringe field )
* 杂散场(Stray field)
* 杂散场，特别是超导磁体的杂散场在各个方向上会伸出磁体，对外围产生影响
* FDA ~ 5G
* 无源屏蔽、被动屏蔽 (Passive shielding)
- 房间屏蔽(Room shielding) : 铁磁性材料~对建筑结构有依赖性，分场地设计；屏蔽材料厚度小、面积大；
- 自屏蔽( Self-shielding ) : 在磁体孔径内放置铁磁性材料(Iron plates)；有可能给匀场增加困难；
* 有源屏蔽、主动屏蔽(Active shielding):
载有反向电流的线圈绕组降低杂散场；
有源屏蔽的磁体重量轻，但由于B0被抵消一些，需多用超导线、杜瓦体积大些)；
- 常导有源屏蔽(Resistive)
- 超导有源屏蔽(SC)
II.匀场~ Shimming
* 优质的MR图像对B0的均匀性和稳定性有高要求；
* 匀场方法 :
- 无源匀场(被动匀场) (Passive ， 后进行)
- 有源匀场(主动匀场) (Active ， 先进行)
- Combination of both
1.无源匀场(Passivelyshimming)
* 在磁体周围放置铁片校正；铁片放置的数量和位置经过特殊的匀场程序计算出来；
* 可校正高次磁场不均匀性；
* 材料价格便宜；
* 不需要昂贵的高精度电源；
* 当需要更高度的均匀度或均匀性可调时必须用有源匀场；
2.有源匀场(Actively shimming)
* 一系列载流绕组排列在磁体孔径的柱形管上，每个绕组产生的校正磁场与球形谐波展开式的一个系数近似；
* 必须避免这些绕组与磁体和梯度线圈的相互影响；
* 线圈中的电流在系统安装期间确定并保持不变，直到有工程师进行再匀场时才改变；
GE : SII , SIII magnet
* 1.5T
* 18 个超导匀场线圈(高阶)
* 隔热屏散热系统(压缩机和冷头)
* 排气系统和电流探头直插式
* 低温容器流速表和压力表便于观察
* 液氦侧罐口，易于补充
Main coil
* 主线圈电流为734.5A
* 主超导开关与主线圈和串联电阻并行连接- 无阻通路
* 开关的超导状态：持久模式(persistent)
* 开关的有阻状态：有阻模式(resistive)
* 紧急失超：主线圈放置有另外的加热器，使主磁场快速退磁(rundown).
* 失超保护装置与主线圈并联，在失超或紧急退磁时保护主线圈。
Shimming coils
* 18个超导匀场线圈位于液氦容器内用于磁体匀场调节；
* 匀场调节程序需要的数据通过测绘装置和探头获得；
* Z2、Z4、Z6：容积内各处的磁场；
* Z1、Z3、Z5：磁体后端的磁场；
* C11+、C11-、C22-、C31、C33)：横向偶数线圈
* S11+、S11-、X22+、S22-、S31、S33：横向奇数线圈
Subsystem element(子系统组件)
* 磁体低温容器(Magnet cryostat) ：
包含6个超导主线圈、18个超导匀场线圈、18个超导开关和开关加热器、失超保护装置；硅二极管、超导液氦液面探测器和压力传感器位于低温容器内，分别监视低温容器的温度、液氦液面和压力；
* 制冷剂监视器 (Cryogen monitor) ：装在机架上与液氦液面传感器相连；
* 隔热屏散热压缩机(Heat insulation screen radiator compressor): 位于机柜间与MR的冷头相连，对气氦进行压缩。
* 磁体紧急退磁装置(Magnet emergency demagnetization device)：装在墙壁上，与一组主线圈的加热器相连。按下按钮，给主线圈加热器供电，磁场快速降落(2分钟内, 20%以下)
* 液氦挥发率(Volatilization velocity of liquid He) 应小于0.2l/h
* 励磁/退磁、超导匀场：严格遵守手册中的步骤；
* 磁体维护/部件更换：挥发增加
* 挥发长期超标：
- 隔热屏散热器工作不正常
- 热-声振荡
- 真空受损
- 低温容器内部热短路
低温容器外部结冰通常是真空问题或热短路
传感器
* 温度检测二极管：
- 硅二极管，位于磁体支持物的上部和底部，监视内部支持物温度；
- 还有位于隔热屏散热器安装套管的第一级和第二极接口点，用于温度检测和故障查找；
* 超导液氦液面传感器：位于低温容器内，* 低温容器压力传感器
* 梯度场:随位置线性变化
I. 主要部件 :
* 梯度波形发生器
* 梯度驱动级
* 梯度功率放大器
*梯度线圈
* others
II 梯度线圈
1.结构
* Gz :一对环形线圈(Maxwell pair coils)流有反向电流
* Gy: Golay configuration, 4 个线圈位于圆柱体外部
*Gx: Golay coils (rotate 90o)
* 梯度线圈设计方法一般采用目标场方法的逆向设计方法
* 根据期望的梯度场用傅立叶变化倒推电流密度分布；
* 已应用于设计涡流自屏蔽梯度线圈。
2.梯度脉冲波形:
* 梯形(trapezoidal)
* 一个上升沿(sloping rise)后跟一个平台(flat plateau )和一个下降沿(sloping fall)。
3. 梯度线圈充电特性:
* 响应时间? : ?=L/R
* 假定300V,L=1mH,R=100mΩ
* 如果给梯度线圈的供电时间达到5τ。序列所需要的电流值一般最大在200A的范围内，这时可看成是线性，电流上升的速率也最快(大约0.6 ms内达到160A的电流)。......（后略) ......
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