磁體、梯度場線圈和射頻線圈是ＭＲ成像設備的重要物理部件。它們的主要技術性能參數(shù)是磁感應強度、磁場均勻度、磁場穩(wěn)定性、邊緣場的空間范圍、梯度場的磁感應強度和線性度、射頻線圈的靈敏度等。成像系統(tǒng)的主要用戶功能是數(shù)據(jù)采集、影像顯示和影像分析等。
磁共振成像設備有以下基本組成部分：①產(chǎn)生磁場的磁體和磁體電源；②梯度場線圈和梯度場電源；③射頻發(fā)射/接收機；④系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理計算機；⑤成像操作和影像分析工作臺；⑥活動檢查床。
這些部分之間通過控制線和數(shù)據(jù)線及接口電路聯(lián)接起來組成完整的設備。這里著重討論對磁共振成像和影像質(zhì)量有決定性作用的物理部件，介紹它們的工作原理、特性和技術指標。這些物理部件包括產(chǎn)生磁場的磁體、產(chǎn)生梯度場的梯度場線圈、用于射頻發(fā)射和信號接收的射頻線圈。另外，ＭＲ成像設備必須有為用戶提供的軟件程序。用戶通過操作系統(tǒng)的終端利用這些程序，根據(jù)需要進行影像采集、影像顯示和影像分析。
一、磁體
1.磁體的性能參數(shù)
產(chǎn)生磁場的磁體是ＭＲ成像系統(tǒng)的核心。磁場的主要技術指標是磁感應強度、磁場均勻度、磁場的時間穩(wěn)定性和邊緣場的空間范圍等，它們對影像質(zhì)量有重要影響。
(1)磁場磁感應強度 ＭＲＩ所用的磁場磁感應強度從0.02T到4T，范圍相當寬。因為生物組織中含有大量質(zhì)子，而且，質(zhì)子的旋磁比大，所以，即使磁感 應強度很低的磁場也能實現(xiàn)質(zhì)子磁共振成像。但是，磁感應強度越高，組織的磁化程度越大，產(chǎn)生的磁共振信號越強。在一定范圍內(nèi)，磁感應強度越高，影像的信噪比越大，因信噪比近似與磁感應強度成線性關系。磁共振頻譜分析和化學位移成像要求的頻譜分辨率很高，只能用磁感應強度很高的系統(tǒng)進行。高磁場也有不利因素，主要是在高磁場條件下，射頻頻率高，人體對射頻能量的吸收增加，射頻對人體的穿透能力減小，同時因水和脂肪之間不同的化學位移引起的偽影的影響也不可忽略。
磁共振成像用的磁體有永久磁體、常導磁體和超導磁體3種。目前，大多數(shù)ＭＲ成像系統(tǒng)采用超導磁體，磁感應強度低的工作在0.3T，高的工作在2.0T，甚至4.0T或更高。
(２)磁場的均勻度 磁共振成像需要均勻度很高的磁場。非均勻磁場引起一個體素內(nèi)質(zhì)子共振頻率范圍加寬。在成像區(qū)域范圍內(nèi)的磁場均勻度是決定影像的空間分辨率和信噪比的基本因素。磁場均勻度還決定系統(tǒng)最小可用的梯度場強度。
磁場均勻度的定義是：成像范圍內(nèi)兩點之間磁感應強度的最大偏差ΔＢ與標稱磁感應強度Ｂ０之比，一般要求為百萬分之幾。根據(jù)拉莫爾方程，磁場均勻度也可等價地用兩點之間的最大頻率差Δｆ與中心頻率ｆ０之比定義。例如，如果1.0T的磁場在40ｃｍ直徑球體范圍內(nèi)測量的最高和最低頻率分別為42.580426兆赫和42.579824兆赫，那么，該磁場的均勻度為602 Ｈｚ/42.58 ＭＨｚ≈14×10－6＝14／1 000000(14ppm)。
磁場均勻度由磁體本身的設計和具體的外部環(huán)境決定。磁場均勻度與磁體類型有關。一般要 求磁體的成像區(qū)域越大，所能達到的磁場均勻度越低。
兼有化學位移頻譜分析和成像功能的ＭＲ系統(tǒng)，要求能鑒別不同原子位置上極小的頻率偏移，即能夠分辨非?？拷目臻g譜線，需要的磁場均勻度更高。
(３)磁場穩(wěn)定性 磁場穩(wěn)定性是衡量磁場磁感應強度隨時間而漂移的程度的指標。在成像序列周期內(nèi)磁感應強度的漂移對重復測量的回波信號的相位有影響，并引起影像失真和信噪比降低。磁場穩(wěn)定性與磁體類型和設計質(zhì)量有關。需要磁體電源的常導磁體，磁場穩(wěn)定性取決于電源的穩(wěn)定性。永久磁體的穩(wěn)定性主要受環(huán)境溫度變化的影響，因為溫度變化會引起磁體幾何參數(shù)的改變。超導磁體不存在上述問題，在3種磁體中穩(wěn)定性最好。1.0T的超導磁體的穩(wěn)定性在0.1ppm/h以上。
鐵磁性物體或金屬物體在磁體周圍的邊緣場中移動會對磁體內(nèi)部的磁感應強度產(chǎn)生擾動，從而破壞磁場的穩(wěn)定性，破壞的程度同這些物體的質(zhì)量大小及它們離磁體的遠近有關，要根據(jù)邊緣場延伸的范圍大小對這些物體允許接近磁體的距離加以限制。
(４)邊緣場的空間范圍 邊緣場指延伸到磁體外部的磁場。邊緣場延伸的空間范圍與磁場磁感應強度和磁體孔徑大小有關。邊緣場有可能對在它范圍內(nèi)的電子儀器產(chǎn)生干擾，這些電子儀器也通過邊緣場對內(nèi)部磁場的均勻度產(chǎn)生破壞作用。減小邊緣場的途徑是采用有源或無源屏蔽措施。有源屏蔽是在磁體線圈中加一組線圈，用它產(chǎn)生的磁場抵消掉磁體線圈產(chǎn)生的外部磁場。無源屏蔽是在磁體周圍用鐵磁性材料建一個圍墻，限制外部磁場的延伸。即使采取了屏蔽措施，
圖5-26 無限長螺線管內(nèi)的磁場
仍然要限制移動的金屬物體與磁體接近的距離。
2.常導（電阻）磁體
(1)常導磁體線圈 電流從中流過的普通導體周圍存在磁場，電流的強度、電流流通路徑的幾何特性決定所建立的磁場的強度、方向和空間均勻度。從理論上說，將載流導體沿圓筒表面繞成無限長螺線管，
圖5-27 球體內(nèi)部的磁場
螺線管內(nèi)就建立起高度均勻的磁場，如圖5-26所示。
將載流導體緊密安排在一個球形表面上形成均勻分布的電流密度，球形表面內(nèi)部的磁場也是高度均勻的，如圖5-27所示。因為磁體實際只能采用有限的幾何尺寸，而且，必須有供人體進出的進出口，所以，實際磁體線圈只能采用與理想結(jié)構(gòu)近似的形式。
無限長螺線管的近似結(jié)構(gòu)是有限長度的螺線管，它靠圓柱對稱的幾何形狀建立螺線管內(nèi)部的均勻磁場。實際上，均勻磁場只能建立在螺線管中一個長度有限的區(qū)域。增加螺線管兩端導線的匝數(shù)可以擴大這個均勻區(qū)域的范圍。也可以在螺線兩端與它同軸地各附設一個半徑稍大的薄線圈，
圖5-28 補正線圈示意圖
利用這兩個輔助線圈電流的磁場抵消螺線管兩端磁場隨軸向位置的變化，如圖5-28所示。
球形磁體線圈的最簡陋的近似形式是霍爾姆茲（Helmboltz）線圈。這是一對半 徑相等的同軸線圈，軸向距離等于線圈半徑，兩個線圈的導線沿相同方向流過相等的恒定電流。這種線圈只能在線圈對中心一個小體積范圍建立均勻磁場。
圖5-29 球型分布的磁體線圈
擴大均勻磁場范圍的途徑是增加線 圈對數(shù)目。 雙線圈對結(jié)構(gòu)將4個線圈同軸地安排在一個球形表面內(nèi)，中心2個線圈的半徑 比兩邊2個線圈的半徑大。場強為1.5T的四線圈結(jié)構(gòu)，在35cm直徑球體內(nèi)的磁場均 勻度可達100ppm，再增加1對線圈可以在更大范圍獲得均勻度更高的磁場。一個由 6個線圈組成的磁體線圈的結(jié)構(gòu)如圖5-29所示。
(２)常導磁體的勻場線圈 制造磁體線圈的幾何誤差往往使產(chǎn)生的磁場達不到要求的均勻度。如有限長螺線管建立的磁場，其均勻性受非圓柱對稱因素的影響。線圈繞線的加工誤差和線圈在幾何上的不同軸性，均有損于螺線管的圓柱對稱性。消除磁場非均勻性的方法稱為勻場。勻場通常利用附加的磁場校正線圈，通過機械或電氣調(diào)節(jié)建立與磁場的非均勻分量相反的磁場，以將它們完全抵消掉。勻場線圈安裝在磁體線圈內(nèi)部或者外部。有一種勻場線圈是與磁場線圈串聯(lián)的，兩者的相對位置可以調(diào)節(jié)，這種勻場線圈也叫平衡線圈。有一種勻場線圈是與磁場線圈分開單獨驅(qū)動的，位置固定，這種勻場線圈也叫補償線圈。平衡線圈能夠修正場的軸向非均勻性。補償線圈是正交的鞍型線圈，既可修正軸向非均勻性，也能修正橫向非均勻性。
除了利用專門附設的線圈勻場外，勻場還可利用其他方法。例如，通過給梯度線圈引入電流以補償磁場的非均勻性。
(３)常導磁體的特性 制造常導磁體的銅或鋁導線有一定電阻，所以，常導磁體也稱為電阻磁體，磁體線圈中的電流需要驅(qū)動電源來維持，電源輸出的功率與場強的平方成正比。常導磁體導線的過大的功率損耗使它被限于用在磁感應強度低于2.0T的場合。另外，為了消除線圈電阻上的功率消耗產(chǎn)生的熱量，以避免磁體升溫對磁場穩(wěn)定性的影響，常導磁體需要給磁體線圈散熱或冷卻的機構(gòu)。電阻磁體激磁后要經(jīng)過20min到幾個小時的時間磁場才能維持穩(wěn)定。為了減少每個工作日投入使用前的等待時間需要采取某些措施，這使常導磁體的運行和維護頗不方便。
直徑80cm的螺線管磁體，如果周圍環(huán)境沒有鐵磁性材料，未經(jīng)勻場可達到50cm直徑球體范圍內(nèi)120ppm的均勻度和40cm直徑球體范圍內(nèi)30ppm的均勻度。采用勻場措施后，在直徑20cm的球體范圍內(nèi)的磁場均勻度可優(yōu)于10ppm。磁體溫度變化在成像期間可以控制在±０.２℃，這個溫度變化引起的磁場變化相當于400ppm的非均勻性。
常導磁體的優(yōu)點是造價低。但是，工作磁場強度比較低，磁場均勻度差，限制了常導磁體的推廣應用。
3.超導磁體
超導磁體的磁場線圈和勻場線圈的設計原理與電阻磁體的基本相同。不過，超導磁體的線圈是用超導體導線繞制的。因超導體的超導電性在接近絕對零度的低溫條件下才能表現(xiàn)出來，所以，超導線圈周圍需要液氦為它提供低溫環(huán)境。
(1)超導性和超導材料 所謂超導性是指在低溫下某些導體完全沒有電阻，導電性超過常溫下的優(yōu)良導體。只有某些金屬具有這種特殊的導電性。材料出現(xiàn)超導性的最高溫度叫臨界溫度。已知的超導材料的臨界溫度非常低，最高的為20Ｋ。超導性是在臨界溫度以下，電子被冷凍到這樣一種狀態(tài)，它們組成電子對而不再是自由電子。所有電子對的運動速度低于金屬中的聲速。因這樣的速度電子和晶格之間沒有動量和能量傳遞，所以，電子對在晶格中的運動不受任何阻力，這就是說，材料的電阻完全喪失。
在超導狀態(tài)，微弱的外部磁場只能穿透超導體表面一個薄層，這個表層的厚度叫穿透深度，小于10－6cm。超導體內(nèi)部的磁化率等于零，這是由于磁場與電子對相互作用，在超導體表面產(chǎn)生電流。這種表面電流起屏蔽外磁場的作用。這導致超導體中存在超導和常導兩個區(qū)域，兩個區(qū)域之間的分界的最小厚度叫相關長度。根據(jù)相關長度和穿透深度的關系，超導體被分為Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超導體的相關長度大于穿透深度，通常是單質(zhì)金屬材料；Ⅱ型超導體的相關長度小于穿透深度，通常是合金材料。
(2)超導磁體的基本結(jié)構(gòu) 超導線圈的超導線繞在特制的線圈支架上，支架采用非磁性材料，一般是鋁合金，其機械強度可承受洛侖茲電磁力的作用而不致發(fā)生變形 。支架上均勻分布著精密加工出來的導線溝槽以裝嵌螺旋線圈。也可以將精密繞制的超導線 圈組安裝在一個鋁制圓筒內(nèi)，線圈位置允許作適當調(diào)節(jié)。線圈的制作精度要求相當高，因為，如果導線線徑有１/5的誤差，磁場均勻度會降低10ppm；線圈中心部分少一匝導線會引起40ppm的誤差。線圈的設計還要考慮便于采取勻場措施和減小邊緣場的措施。
超導線圈的低溫環(huán)境由低溫恒溫器保障。超導線圈整個浸沒在液氦中。為了維持恒溫并減少液氦蒸發(fā)，盛液氦的杜瓦嵌套在盛液氮的杜瓦之內(nèi)，或者置于由低溫氦氣形成的屏蔽室內(nèi)，以盡可能減小熱量通過傳導、對流或輻射途徑向液氦的傳輸。通過輻射途徑傳輸?shù)臒崮芤鹨汉さ恼舭l(fā)量最大，這要求制造恒溫器有非常高的工藝水平。有氦氣屏蔽室的低溫恒溫器內(nèi)可安裝致冷頭，
圖5-30超導磁體的電路原理
利用外部的氦壓縮機進行致冷。
低溫恒溫器的頂部（已安裝的磁體上方）有液氦和液氮的加注口和排放孔，以及供線圈激磁、液面顯示和緊急退磁裝置用的引線，這些引線用高絕熱材料支持和封固起來進入恒溫器，它們向恒溫器的熱傳導被降到最低限度。
(3)超導磁體的永久工作方式 圖5-30是超導磁體的電原理圖，圖中表示出了超導線圈、開關元件、超導線的焊接點和超導線圈的分流電阻。
圖5-30 超導磁體的電路原理
在超導磁體激磁期間，加熱器接通，使作開關元件用的一段超導體處于常導狀態(tài)，對超導體線圈起分流作用。激磁電流從激磁電源出發(fā)通過超導磁體線圈循環(huán)流動，當電流逐漸上升到能使線圈建立起要求的工作場強時，加熱器斷開，作開關元件的一段超導線在低溫下失去電阻，整個超導線構(gòu)成一零電阻閉合回路。此時，激磁電源即使被切斷，超導線回路中的電流仍將沿回路繼續(xù)不斷循環(huán)流動。
超導磁體在工作場強建立之后，將超導線圈與激磁電源脫離，超導線圈中電流仍能永久性地循環(huán)流動，并且，工作場強能夠維持不變，這就是超導磁體的永久工作方式。
超導磁體的磁場一旦建立就不需要維持磁場的外部電源，這是超導磁體的優(yōu)點之一。由于有這種特性，激磁完成之后，超導線圈和激磁電源之間的引線便可拔掉，這有利于減少周圍環(huán)境中的熱量向低溫恒溫器的傳導。
理論上，超導體導線沒有電阻，超導線圈中的電流和建立的磁場可以無限制地維持不變。但由于線圈導線的總長度達20～30km，它必須用多段超導線焊接而成，焊接處避免不了出現(xiàn)電阻。而電流渡過電阻導致能量的消耗。所以，實際上超導磁體的磁場將指數(shù)式地緩慢衰減（時間常數(shù)τ是線圈的總電感與總電阻之比）。
(4)失超和限制失超的措施 Ⅱ型超導體能在很高磁場下維持超導性。但是，當電流密度達到允許的最大值時，Ⅱ型超導體將處在不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)，即可能變?yōu)殡娮鑼w。為說明這一點，假設磁體線圈是用單股線繞制的，因?qū)Ь€的走向與磁場方向垂直，超導線一側(cè)的屏蔽電流與激磁電流方向相同，相反一側(cè)的屏蔽電流與激磁電流方向相反。在臨界狀態(tài)，屏蔽電流與激磁電流同向的一側(cè)的總電流要超過允許的最大值。另外，因磁場的任何變化伴隨有磁通量（磁通在與電流和磁場軸線垂直的方向）的改變，磁通量變化產(chǎn)生的熱使允許的最大電流強度下降，這引起更大的磁通量變化和更多的熱產(chǎn)生。這是個正反饋過程，它最終導致超導體迅速向電阻導體轉(zhuǎn)變，蓄積的能量在電阻中迅速消耗，磁場迅速消失。
超導體轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮鑼w稱為失超。為了避免失超發(fā)生，需要使超導體允許的臨界電流值盡量高。就具體措施來說，可以將超導合金纖維（直徑10μm）導線嵌埋在銅基底中，讓銅在通量突變期間對超導線起分流作用和限制熱量的產(chǎn)生，并使熱量不向超導體其他部分蔓延。另外，要從工藝上保證超導線的焊接點引入的電阻極小。
磁通量突變產(chǎn)生的熱絕大部分被銅基底傳導給液氦，液氦蒸發(fā)使熱量散失而不致引起很大溫升，為了使激磁期間磁通量突變產(chǎn)生的熱能充分被液氦吸收，激磁過程應逐步緩慢進行。這期間液氦的揮發(fā)量相當大，必須隨時大量地補充。
已經(jīng)建立磁場的超導線圈有可能通過上述機制返回常阻狀態(tài)而發(fā)生失超。在失超發(fā)生時，磁場能量將迅速耗散，線圈中產(chǎn)生的熱引起液氦急劇蒸發(fā)，低溫氦氣從排放管猛烈向外噴發(fā)。超導線的失超部分可出現(xiàn)由幾千伏高電壓引起的強大電弧，它可能使線圈被燒毀。不過，現(xiàn)代磁體的設計使磁體在運行中出現(xiàn)失超的可能性極小，即使發(fā)生，也能保證經(jīng)受失超而不會造成永久性毀壞。
(5)超導磁體的技術參數(shù) 磁共振成像系統(tǒng)的超導磁體有以下主要技 術參數(shù)：
磁感應強度0.1～4.0T，最常用0.35～2.0T的磁體；
磁場均勻度10～15ppm（50cm直徑球體）；
瞬時穩(wěn)定度≤0.1ppm/h；
磁體孔徑0.9～1.0m２；
充磁時間0.2～0.5h；
液氦蒸發(fā)率0.1～0.4L/h；
液氮蒸發(fā)率０～１L/h。
4.永久磁體
(1)永久磁體的結(jié)構(gòu) 永久磁體用具有鐵磁性的永磁材料構(gòu)成。鐵磁性材料在外加磁場作用下易被磁化，磁感應強度比外磁場強得多，而且，外磁場被除去之后仍能保持永久性磁化強度。最常見的鐵磁性材料是鐵、鈷、鎳，以及由這些材料制成的合金。
圖5-31是永久磁體的2種結(jié)構(gòu)形式，圖5-31ａ是環(huán)形耦極結(jié)構(gòu)，圖5-31ｂ是Ｈ形框架結(jié)構(gòu)。環(huán)形耦極結(jié)構(gòu)由8個大永磁體塊組成，圖5-31ａ中的箭號所指為磁化方向，孔徑內(nèi)的
圖5-31 永久磁體的2種結(jié)構(gòu)
磁場是橫向的。Ｈ形框架結(jié)構(gòu)由鐵磁性材料框架和永久磁體塊組成一個Ｈ形空間，框架提供磁通量回路。永磁體塊上的極靴決定磁場分布的形狀和磁場的均勻性。Ｈ形框架結(jié)構(gòu)比環(huán)形耦極結(jié)構(gòu)更笨重，但邊緣場的延伸范圍小，便于安裝和勻場。
(2)永久磁體的性能 永久磁體的最大磁感應強度為0.3T。因磁體的幾何參數(shù)易受環(huán)境溫度影響，磁場的溫度穩(wěn)定性差。為保證磁體按要求的穩(wěn)定性工作，必須采用自動溫控裝置和配備自動頻率溫控裝置。
常導磁場線圈和永磁體相結(jié)合組成的混合型磁體便于從電氣上進行勻場調(diào)節(jié)；永久磁體的橫向磁場適于和螺線管形射頻線圈配合起來成像，并有利于改善信噪比。
(3)永久磁體有以下主要技術參數(shù)
磁感應強度0.1～0.3T；
磁場均勻度≤10ppm；
瞬時穩(wěn)定性±0.5％；
孔徑１×0.5m2；
５高斯線范圍橫向2.5m，縱向2m；
磁體重量約10t。
5. 3種磁體的比較
從制造工藝、磁場特性、能源和其他消耗以及價格方面進行比較，3種類型的磁體的優(yōu)點和缺點見表5-1。
表5-1 3種磁體優(yōu)、缺點比較
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磁體類型 |
優(yōu) 點 |
缺 點 |
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電阻磁體 |
易制造 |
磁場均勻度有限（40 cm直徑球體３０ppm） |
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價格低 |
場強有限（＜0.5 T） |
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磁場可關閉 |
功率消耗大（３０～９０ k W） |
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需高穩(wěn)定度電源 |
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磁場進出口受限制 |
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超導磁體 |
場強可達4 T |
價格高 |
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磁場均勻度高（５０ cm直徑球體１０ ｐｐ ｍ） |
需要低溫環(huán)境 |
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瞬時穩(wěn)定性好 |
邊緣場范圍大 |
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有失超可能 |
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進出口受限制 |
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永久磁體 |
不要磁場電源 |
磁場均勻度有限（20 cm直徑球體１０ ｐｐｍ） |
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不消耗電功率 |
場強有限 （小于0.3 T） |
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邊緣場有限 |
對環(huán)境溫度敏感 |
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橫向磁場 |
重量大 |
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價格低 |
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進出方便 |
通過比較，在價格、能源和各種消耗方面，永久磁體略具優(yōu)勢，在性能方面，超導磁體最理想。目前，超導磁體ＭＲ成像系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應用，常導磁體系統(tǒng)正在被淘汰。
二、梯度場線圈
1.梯度場的功能和梯度場的強度
(1)梯度場的功能 磁共振成像系統(tǒng)的梯度場線圈用來產(chǎn)生比較弱的在空間上規(guī)律變化的磁場。這個隨空間位置變化的磁場疊加在主磁場上，其作用是對ＭＲ信號進行空間編碼，決定成像層面位置和成像層面厚度。在某些快速成像中利用梯度場的作用產(chǎn)生回波信號，如成像系統(tǒng)沒有獨立的勻場線圈，梯度線圈可兼用于對磁場的非均勻性進行校正。
通常，ＭＲ成像需要3個相互正交的線性梯度場實現(xiàn)空間編碼，因此，需要3個獨立的梯度場線圈和它們各自的驅(qū)動電源。設計梯度場線圈要考慮主磁場的非均勻性程度和磁體的幾何形狀，主要是進出磁體空間的通道垂直于還是平行于主磁場； 梯度場驅(qū)動電源的設計要與成像技術及脈沖序列結(jié)合起來考慮， 因為不同成像技術和脈沖序列對梯度場的開關速度有不同要求。
(2)梯度場磁感應強度 實現(xiàn)空間編碼要求成像空間每一特定位置由該點的總磁場磁感應強度唯一確定，線性梯度場的最低梯度必須大于主磁場的非均勻性。否則，磁場的非均勻性將嚴重影響空間編碼，在２ＤＦＴ成像中引起影像的幾何失真，在投影重建成像中不僅引起幾何失真，還導致空間分辨率降低。確定梯度場梯度大小的原則是：將任一像素位置上由磁場的非均勻性引起的影像模糊限制在這個像素范圍內(nèi)。這要求梯度強度Ｇｍ滿足如下關系：
Ｇｍ>ΔＢ（Ｎ/Ｄ）
上式中,Ｇｍ是最小梯度場磁感應強度，ΔＢ是磁場在成像層面視野內(nèi)與中心正常值的最大偏移，Ｎ是影像的像素數(shù)，Ｄ是視野ＦＯＶ的直徑。
假設，磁感應強度為0.15T，磁場均勻度為50ppm，影像矩陣為128×128。那么，在直徑0.4m球體視野內(nèi)成像，要求梯度場強度最小為：
Gm＞0.15×50×10－６×128/0.4＝0.24×10－4T/cm
另一方面，為使每個像素產(chǎn)生充分大的信號，要求各組織體素的Ｔ*2比取樣時間長得多 ，這等效于要求梯度磁場在一個像素上分配的大小比體素上的磁場非均勻性大得多。在上面的例子中，像素大小為３mm，若場的非均勻性為每像素0.2μT，梯度場在 一個像素上產(chǎn)生的磁場變化為２μT。那么，要求最小梯度場磁感應強度為0.7mT/m＝ 0.7×10－5T/cm。
成像要求的梯度場強度還受信噪比和射頻帶寬等因素制約。從這方面說，一般不希望梯度場強度大于實際需要的值。因為，成像要求的頻帶寬度與梯度場強度成正比，如果梯度場強度較大，對應的頻帶寬度也較大，但較寬頻帶引入較大噪聲，并且，給品質(zhì)因數(shù)高的窄頻帶射頻線圈的調(diào)諧和匹配增加困難.
臨床成像所用的梯度場磁感應強度一般為0.01～1.0×10－4T/cm，取上限時，在40cm視野內(nèi)磁場的變化僅4×10－3T，遠小于主磁場磁感應強度（0.1～2.0T ）。要求較大梯度場的場合，如快速發(fā)射回波平面成像和擴散成像的梯度磁感應強度可達(２～10)×10－4T/cm。這些應用中,對梯度電源也相應地有更高要求。
2.梯度線圈的性能和結(jié)構(gòu)
(1)性能要求 ＭＲ成像的梯度場線圈應滿足以下幾方面的要求:
①建立的梯度場在成像視野內(nèi)有良好線性特性 如果梯度線圈產(chǎn)生的梯度場的線性范圍 小于成像視野，將會導致影像發(fā)生空間畸變。所以，設計梯度線圈要求在給定的幾何尺寸限制下，梯度場的線性范圍至少大于成像視野。
②響應時間短 梯度場從零上升到所需穩(wěn)定值的時間稱為梯度場的響應時間。響應時間應盡可能地短，因為響應時間決定或限制著成像系統(tǒng)最小可用的回波時間。最小回波時間的長短在梯度回波成像、回波平面成像、彌散成像、超薄層面成像、ＭＲ血管成像和ＭＲ頻譜分析中有重要意義。
③功率損耗小 梯度場線圈建立梯度場需要很大驅(qū)動電流。所以，驅(qū)動電源的電路中一般有高功率器件，并且，要為這些高功率器件采取有效散熱措施。為了降低對這方面的要求，希望驅(qū)動電源在能建立需要的梯度強度的同時，電源的功率損耗盡量小。
④最低程度的渦流效應 渦流指梯度場從零上升和從穩(wěn)定值下降過程中在臨近梯度線圈的 金屬結(jié)構(gòu)中感應的電流。渦流可能出現(xiàn)在其他線圈或超導磁體的低溫恒溫器的金屬構(gòu)件中。由這種感應電流產(chǎn)生的磁場對梯度場起干擾作用，使梯度場的線性度受到影響，這稱為渦流效應。渦流效應導致偽影，表現(xiàn)為影像的區(qū)域性失真。ＭＲ成像系統(tǒng)設計中必須盡量避免梯度場的渦流效應，至少將渦流效應減小到最低程度。
(２)梯度場線圈的結(jié)構(gòu) ＭＲ成像需要3個正交的梯度磁場，因而需用3個梯度場線圈。設計線性梯度場線圈的關鍵在于確定適當?shù)木€圈幾何形
圖5-32建立軸向梯度磁場的扁平線圈對
狀和載流導線的空間分布，使建立的梯度場的大小、方向和線性度在整個成像范圍內(nèi)滿足要求。
建立Ｚ向梯度的線圈，載流導體一般繞制在能包圍成像區(qū)域的圓筒上，圓筒的軸與磁場的Ｚ方向一致，一種常見結(jié)構(gòu)如圖5-32所示。這是半徑為ｒ０的２個扁平線圈，間隔3r０的距離，同軸地安裝起來。2個線圈中的電流大小相等、方向相反。扁平線圈的厚度根據(jù)經(jīng)驗設計，再通過實驗調(diào)整確定。
圖5-33 建立軸向梯度磁場的螺旋線圈
為消除磁場的高次非線性分量，還需另加修正線圈，以得到更大的線性梯度場范圍。
另一種Ｚ向梯度線圈，是將一根長導線由中心折轉(zhuǎn)，在一個圓筒表面向兩邊對稱地繞制成螺旋線，線匝密度在中間最低，沿軸線向兩端去，線匝密度線性增加，如圖5-33所示。為了補償線圈長度有限引起的梯度線性度誤差，需要在螺旋線兩端額外增加線匝數(shù)。與扁平線圈對相比，螺旋線圈結(jié)構(gòu)具有更大的Ｚ向梯度線性范圍。Ｘ向梯度磁場和Ｙ向梯度磁場方向相互垂直，將產(chǎn)生Ｘ向梯度的線圈在ＸＹ平面扭轉(zhuǎn)90°便可產(chǎn)生Ｙ向梯度。這就是說，用于建立Ｘ向梯度和Ｙ向梯度的線圈結(jié)構(gòu)完全相同。
產(chǎn)生橫向梯度磁場的一種方案是給4根位于一個四棱柱形的4個角上的平行直導線通過相等的同向電流。若用于產(chǎn)生Ｙ向梯度，4根導線平行于Ｘ軸，如圖5-34所示。
圖5-34建立縱向梯度的平行直導線斷面
ｒ０為直線導體與磁場軸向中心的距離。實際線圈當然要構(gòu)成電流的閉合回路，４根直線導體的電流返回路徑也是4根直線導體，分布在半徑比ｒ０更大的圓周上。返回電流產(chǎn)生幅度較小的Ｚ向梯度分量，并且與正程電流產(chǎn)生的Ｙ向梯度方向相反，所以它使Ｙ向梯度的幅度有所減小。但是，由于正程電流與返程電流產(chǎn)生的雜散分量可以基本抵消，對Ｙ向梯度的線性度有所改善。
圖5-35是建立橫向梯度磁場的弧形線圈結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5-35 建立橫向梯度磁場的鞍形線圈
它用了4個鞍形線圈組成的線圈陣。在相對的弧形線圈中電流的方向相反。使弧形所對的圓心角為120°，并且，使一對鞍形線圈與另一對鞍形線圈軸向間隔的距離Ｚ０ 適當，可以消除梯度場的非均勻分量，改善梯度場的線性度。
(3)渦流效應及補償方法 在ＭＲ成像中，驅(qū)動梯度線圈的輸入電流波型是矩形脈沖， 響應這個矩形脈沖的梯度場的上升時間τ是輸入電流Ｉ和電壓及線圈電感Ｌ的函數(shù)（τ＝ＩＬ/Ｖ）。大多數(shù)成像序列要求約等于1ｍｓ的上升時間。 回波時間ＴＥ越短，要求梯度場的上升時間越短。
但是，由于可能出現(xiàn)渦流效應，即開、關梯度場時在鄰近梯度線圈的導體（磁場線圈、勻場線圈、射頻屏蔽和低溫恒溫器支架的金屬）中產(chǎn)生出變化的感應電流。
圖5-36 渦流的影響反補償
感應電流反過來又產(chǎn)生出隨時間變化的磁場疊加在梯度場上。這樣，梯度磁場的上升和下降時間被延長，如圖5-36所示。
渦流效應的影響程度與這些金屬部件的幾何配置和它們與梯度線圈的距離有關。超導磁體的梯度場的上升和下降時間相對比較長。渦流在ＭＲ影像上引起偽影有2種途徑。一種是施加180°脈沖時讀出梯度脈沖未充分衰減，從而引起偏離共振效應；一種是梯度場的空間變化引起信號的相位偏移。在ＭＲ頻譜分析中，渦流效應的影響可引起基線偽影和頻譜失真。
減小渦流效應的電補償技術是給梯度線圈加一個補償脈沖，它的前沿有一個上沖而后沿拖長,如圖5-36所示。
它減小渦流效應的原理為：用d所示校正電流脈沖建立的梯度磁場來抵消受渦流感應磁 場b影響后的梯度磁場c，得到理想梯度場a。消除渦流效應的理想方法是采用自屏蔽梯度線圈，將梯度場完全限制在梯度線圈之內(nèi)。
三、射頻線圈
1.關于射頻線圈的一般概念
ＭＲ成像系統(tǒng)通過射頻線圈發(fā)射電磁波對人體組織進行激發(fā)，人體組織中的ＭＲ信號通過射頻線圈被檢測。射頻線圈被用于建立射頻場的叫發(fā)射線圈，被用于檢測ＭＲ信號的叫接收線圈。在ＭＲＩ中，同一射頻線圈可以在序列周期內(nèi)不同的時間分別執(zhí)行發(fā)射和接收兩種任務 ，在這種情況下，它既是發(fā)射線圈又是接收線圈。
磁共振成像的磁感應強度低的約為0.02 T，高場可達4.0 T，相應的工作頻率處在0.85 MHz 到170.3MHz的射頻波段。磁共振成像用的發(fā)射/接收線圈相當于廣播、電視用的發(fā)射/接收天線。不同的是，廣播、電視的發(fā)射地點和接收地點相距可達千百公里，接收天線處在發(fā)射的電磁波的遠場中，發(fā)射天線和接收天線之間是行波耦合；行波的波長比收、發(fā)兩地的距離小得多，行波的電場和磁場特性具有對等的意義。在ＭＲＩ中，射頻線圈和人體組織之間的距離遠遠小于波長，接收線圈處在被接收的ＭＲ信號的近場區(qū)域，發(fā)射和接收之間不是行波耦合而是駐波耦合，駐波的電磁能量幾乎全部為磁場能量。正因為這樣，ＭＲ信號的接收和射頻激勵不能采用電耦合的線狀天線，而必須采用磁耦合的環(huán)狀天線，也就是射頻線圈。線圈的傳統(tǒng)定義是一系列連接起來的同心圓環(huán)或螺旋形導線。ＭＲ成像的射頻線圈有多種變體，但任何一種線圈的功能不外乎建立射頻場激發(fā)自旋系統(tǒng)的磁共振，或者接 收自旋系統(tǒng)在弛豫過程中產(chǎn)生的ＭＲ信號。
射頻線圈發(fā)射電磁波的性能和接收電磁波的性能完全相同，這就是說，激發(fā)某位置的質(zhì)子而發(fā)生磁共振的線圈，同樣可以有效接收這個位置的ＭＲ信號。這種特性可以用一個矢量Ｃ來統(tǒng)一描述，它是線圈的幾何參數(shù)和線圈環(huán)路上的電流以及線圈到一定位置的體素的距離的函數(shù)。Ｃ是線圈的靈敏度函數(shù)。因為能在線圈中產(chǎn)生感應電壓的是被激發(fā)的磁化矢量的橫向分量，所以，作為接收線圈，也是Ｃ的橫向分量Ｃｘｙ決定接收信號的有效性。線圈可以設計成不同形式，然而有的射頻線圈內(nèi)可能有一些Ｃ＝０或Ｃ與磁場方向平行的位置，這些位置的Ｃｘｙ＝０。無論發(fā)射功率有多大，發(fā)射線圈不能激發(fā)這些位置的質(zhì)子發(fā)生磁共振，接收線圈中不存在由這些位置發(fā)出的ＭＲ信號。設計射頻線圈要避免在成像視野內(nèi)存在Ｃｘｙ＝０的區(qū)域，并且要使Ｃｘｙ在成像視野內(nèi)盡量大和盡量與位置無關。
2.射頻線圈的基本類型
(1)圓筒狀線圈 大腦成像用的圓筒線圈使用時套在頭部。一般線圈直徑 28cm，長度30 cm。胸腔、腹部或盆腔部位成像用的圓筒線圈尺寸較大，一般直徑57cm，長度65cm。對圓筒線圈最重要的要求是成像視野內(nèi)的靈敏度盡可能大并且均勻一致。否則，射頻場強度隨位置變化，使磁化矢量的翻轉(zhuǎn)角和自旋進動相位與位置有關，這導致不均勻的激勵和ＭＲ信號帶有隨位置而異的不同附加相位。不過，對射頻場均勻性的要求不像對靜磁場均勻性的要求那么苛刻��在成像視野內(nèi)僅允許百萬分之幾的磁場非均勻性，而射頻場的非均勻性可以在百分之幾。目前，大多數(shù)ＭＲ成像技術只利用射頻信號的幅度而不利用其相位，所以，附加相位變化一般不十分重要。在常規(guī)成像技術中，翻轉(zhuǎn)角有幾度誤差不至于對影像質(zhì)量產(chǎn)生多大影響。但是，在多回波成像中，隨回波序號增大，累計的誤差增大，影像質(zhì)量有所下降。
圓筒狀線圈按其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有幾種形式，下面只介紹其中的霍爾姆茲線圈和鞍形線圈。
霍爾姆茲線圈嚴格地講是半徑相等的一對同軸線圈，線圈平面相互平行，相間等于線圈半徑的距離，兩線圈并聯(lián)，線圈電流相等。但是，
圖5-37 鞍形射頻線圈
人們普遍都把有類似結(jié)構(gòu)的線圈對稱為霍爾姆茲線圈，而不管它們之間的距離。由于在ＭＲＩ中需要產(chǎn)生垂直于磁場的射頻場，被成像部位要處在線圈對的兩個線圈之間，這對線圈就不可能離得太近，所以，霍爾姆茲線圈的這一對線圈的距離實際大于線圈半徑。
鞍形線圈的幾何結(jié)構(gòu)示于圖5-37。
鞍形線圈是繞制在圓筒表面的一對弧形線圈，面對面對稱地處于半徑為ａ的圓筒表面，沿圓筒軸線方向的長度為2ｄ，與圓筒軸線的張角為２φ，2個弧形線圈接成電流并聯(lián)電路。這種射頻線圈是化學分析中的標準射頻線圈，在中心附近 射頻場相當均勻。線圈的弧形段和直線段都對中心的射頻場產(chǎn)生作用，直線段的作用隨參數(shù)ｄ增大而增加。
(2)表面線圈 簡單的表面線圈由圓形或者矩形導線環(huán)組成，用于眼睛或脊柱等靠近體表的組織或器官的ＭＲ成像。在成像視野內(nèi)表面線圈的靈敏度不是常數(shù)。在線圈表面附近靈敏度最大，遠離線圈表面靈敏度逐漸減少。表面線圈的有效成像區(qū)域一般比圓筒狀線圈的有效成像區(qū)域小
圖5-38各種線圈接收靈敏度比較
原則上講，表面線圈既可用于射頻發(fā)射，也可用于ＭＲ信號接收。但是，因為作發(fā)射線圈產(chǎn)生的射頻場在垂直于線圈平面的方向上存在梯度，不符合對成像區(qū)域進行等強度激勵的要求。所以，表面線圈通常只用于進行信號接收，激勵磁共振的射頻波通過圓筒狀線圈發(fā)射。表面線圈與體線圈配合起來應用在脊柱成像中最為普遍?？拷砻婢€圈的射頻場邊緣有矢量Ｃ平行于磁場的小區(qū)域，這里的信號檢測靈敏度等于零，在ＭＲ影像上引起沒有信號的暗區(qū)。
圖5-38 各種線圈接受靈敏度比較
圖5-38繪出了表面線圈軸線上的靈敏度曲線和鞍形頭部及體部線圈的靈敏度曲線.頭線圈和體線圈的靈敏度的變化比較平緩，在遠離體表的深度上比表面線圈的靈敏度高。
(3)射頻線圈的等效電路 射頻線圈的特性可用集中參數(shù)的電阻、電感和電容元件組成的等效電路分析。對較低頻率，線圈可等效成一個串聯(lián)小電阻的電感。線圈的電感是線圈的幾何參數(shù)的函數(shù)，可以計算或者測量出來。電感量隨線圈的幾何參數(shù)線性變化，例如，圓環(huán)線圈的半徑加倍或?qū)Ь€的線徑加倍，線圈的電感量成倍增加。
線圈的電阻是線圈損耗的電磁能量大小的度量?？蛰d（未被人體組織填充）線圈的電阻就是線圈的導線的總電阻，通常非常小。在成像時有人體填充的有載狀態(tài)下，由于交變電磁場在人體介質(zhì)內(nèi)引起渦流，與渦流有關的能量損耗也等效于一個電阻，大小與人體的電阻率和介電常數(shù)有關，與射頻頻率的平方成正比。人體組織的射頻損耗比線圈本身的大得多。射頻激勵期間人體的等效電阻損耗的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊帷Ｔ谛盘柦邮掌陂g，
圖5-39 射頻線圈的諧振和阻抗匹配
這個等效電阻決定人體組織生的噪聲的大小。人體噪聲隨頻率線性增大。但是，因為信號強度與頻率平方成正比，所以，信噪比隨頻率升高而線性增大。這是磁場強度越高，成像系統(tǒng)的信噪比越高的一個原因。
射頻線圈必須與發(fā)射電路和接收電路有效地耦合起來。這要求射頻線圈諧振在磁共振頻率上，并且與發(fā)射機和接收機有良好阻抗匹配。匹配與接收機的噪聲特性有關。不過，
圖5-40 射頻線圈的諧振曲線
通常的匹配標準是將線圈的諧振阻抗調(diào)整到等于一固定電阻，一般是50Ω電阻。
為了線圈諧振和阻抗匹配的目的，需要給線圈加上串聯(lián)電容和并聯(lián)電容，如圖5-39所示。在要求較高的情況下，線圈與發(fā)射機和接收機之間的耦合通過匹配網(wǎng)絡實現(xiàn)。
匹配良好的線圈諧振在要求的工作頻率上，諧振點信號強度最大，如圖5-40所示。
諧振曲線的尖銳程度用線圈的品質(zhì)因數(shù)Ｑ＝ω０Ｌ/Ｒ表征，Ｌ為線圈的電感，Ｒ為線圈的串聯(lián)等效電阻。Ｒ越小品質(zhì)因數(shù)Ｑ越高。線圈有負載時，等效串聯(lián)電阻Ｒ增大，Ｑ值下降。在線圈的導線電阻可以忽略、等效電阻完全由人體組織的損耗決定的情況下，減小導線電阻來改善線圈特性沒有多大意義。在工作頻率高、線圈尺寸大的條件下會出現(xiàn)這種情況。在工作頻率低、且線圈尺寸小的情況下，可以通過減小導線電阻改善線圈性能。
四、用戶操作系統(tǒng)
1. 用戶操作系統(tǒng)的組成
磁共振成像設備可允許用戶介入的系統(tǒng)是成像操作系統(tǒng)和影像分析系統(tǒng)，成像操作系統(tǒng)也叫操作員系統(tǒng)，影像分析系統(tǒng)也叫醫(yī)生系統(tǒng)。這2個系統(tǒng)由計算機和計算機終端組成。成像操作系統(tǒng)的計算機可用ＰＤＰ１１/２４，影像分析系統(tǒng)的計算機可用ＶＡＸ１１/７３０，或者與它們類似的計算機，計算機終端包括影像顯示器和文件顯示器、操作鍵盤、灰度 電位器和標尺移動裝置?，F(xiàn)階段，大多數(shù)操作系統(tǒng)均采用鼠標來替代繁瑣的鍵盤操作，具有良好的操作界面和快捷的操作方式。
成像操作系統(tǒng)的主要功能是數(shù)據(jù)采集和影像重建，影像重建通過指令在專用的陣列處理器中進行。
影像分析系統(tǒng)的主要功能是影像顯示和診斷分析。通過字母鍵、特殊功能鍵輸入指令和信息進行系統(tǒng)操作。使用不同的功能鍵顯示不同的菜單，按照文本顯示器的文字提示輸入要求的信息，能夠完成擬定的各種影像顯示和影像分析任務。
成像操作和影像分析這兩方面的功能，在有的ＭＲ成像設備中合并在一個系統(tǒng)里。我們按兩個系統(tǒng)分開的情況介紹。
2.ＭＲ成像系統(tǒng)的用戶軟件功能
ＭＲ成像系統(tǒng)提供的用戶軟件程序執(zhí)行如下主要任務：
(1)硬件控制 控制程序用來確定射頻發(fā)射機和射頻接收機及梯度脈沖發(fā)生器等的工作參數(shù)，如射頻脈沖和梯度脈沖的幅度、持續(xù)時間和脈沖時序，心臟射頻接收機的選通時間和取樣率等。這些硬件工作參數(shù)是根據(jù)操作員輸入的成像序列參數(shù)具體確定的。輸入的數(shù)據(jù)采集條件被裝入序列控制器，它們被譯成微程序指令對硬件進行驅(qū)動和控制。采集的數(shù)字化數(shù)據(jù)存入硬盤。硬盤空間的地址分配、數(shù)據(jù)文件名稱的指定、數(shù)據(jù)向這些文件地址的傳送，都由控制計算機自動處理完成。
控制計算機是成像系統(tǒng)的中央控制單元，它協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)的工作，對梯度場系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)的硬件工作參數(shù)提供全面的軟件控制，梯度場脈沖的幅度和時序、射頻激勵脈沖的幅度和時序、ＭＲ信號的取樣都在控制計算機的管理下有條不紊地進行?？刂朴嬎銠C的微程序由定義明確的指令組成，執(zhí)行特定的明確規(guī)定的任務。進行數(shù)據(jù)采集的每個成像序列都是由計算機適當選擇這些指令組付諸實施。
(2)系統(tǒng)調(diào)整 系統(tǒng)調(diào)整程序在數(shù)據(jù)采集之前執(zhí)行。系統(tǒng)調(diào)整的內(nèi)容包括：①測量磁場中心質(zhì)子的共振頻率，并把射頻發(fā)射機和接收機的工作頻率設置在這個頻率上；②針對被成像的人體部位進行射頻線圈的調(diào)諧，使它諧振于質(zhì)子的共振頻率；③確定發(fā)射機射頻輸出功率，在這個發(fā)射電平上能產(chǎn)生最大ＭＲ信號，并根據(jù)這個ＭＲ信號的幅度確定接收機對信號的放大倍數(shù)或增益。
進行系統(tǒng)調(diào)整的目的在于使系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，然后開始成像過程，以期以盡可能高 的信噪比獲?。停倚盘?。
(3)影像采集、重建、分析 信號采集獲得的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過陣列處理器進行傅里葉變換成為影像數(shù)據(jù)。在一個成像序列的數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，系統(tǒng)自動或按操作員的命令執(zhí)行影像重建程序。經(jīng)過重建處理的影像數(shù)據(jù)可以在成像操作系統(tǒng)的顯示器上以影像形式顯示。這里，影像顯示的目的在于觀察影像的質(zhì)量效果，或者，根據(jù)顯示的影像確定下個成像序列數(shù)據(jù)采集的中心層面位置。
一個運行號（受檢者人數(shù)的累計順序編號）下的全部成像序列的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過重建處理 后，通過執(zhí)行影像傳輸指令將處理過的影像數(shù)據(jù)傳送到醫(yī)生系統(tǒng)。影像的診斷和分析主要在這個系統(tǒng)進行。概括地說，影像分析就是從重建的影像數(shù)據(jù)中盡可能多地攝取有用的信息和使影像的描繪更適于觀察、診斷。例如，利用采集的影像數(shù)據(jù)進行影像計算，可以得到并沒有實際采集的回波的影像，獲得顯示單一組織參數(shù)的Ｔ１影像、Ｔ２影像和質(zhì)子密度影像等。這些影像數(shù)據(jù)需要占用大量的存儲空間。所以，影像分析系統(tǒng)應當有存儲容量很大的磁盤。當然，并不是所有層面都要進行廣泛地分析，著重進行分析的是對診斷有價值的層面。
(4)文件管理 文件操作程序執(zhí)行磁盤文件存檔、磁帶文件裝入和磁盤文件刪除等操作。文件存檔是指將數(shù)據(jù)從磁盤寫入磁帶或光盤，目的在于長期保存影像數(shù)據(jù)，或者保存成像系統(tǒng)的軟件。當要重新啟用被存檔的數(shù)據(jù)時，反過來需要將影像數(shù)據(jù)從磁帶或光盤寫入分析系統(tǒng)的磁盤。
磁盤文件刪除是從磁盤刪掉不必要存儲在磁盤中的影像數(shù)據(jù)，讓出更大空間，以便存儲從成像操作系統(tǒng)將傳輸來的新獲得的影像數(shù)據(jù)。
3.成像操作過程
如前所述，影像數(shù)據(jù)是在計算機控制下自動采集的。這里所說的成像操作過程是指數(shù)據(jù)采集之前，操作人員要求系統(tǒng)所做的工作包括系統(tǒng)調(diào)整和輸入數(shù)據(jù)采集條件兩方面內(nèi)容。
系統(tǒng)調(diào)整包括測量中心頻率、確定發(fā)射功率電平和接收機增益，數(shù)據(jù)采集條件包括關于被檢者的認證信息和組成數(shù)據(jù)采集方案的各種參數(shù)。
(1)測量中心頻率 每個工作日開始時，在執(zhí)行第1個數(shù)據(jù)采集序列之前，操作人員向系統(tǒng)輸入當日的日期，接著測量確定磁場中心的共振頻率。因為共振頻率依賴于磁感應強度，但磁感應強度每天可能有不同于前一天的輕微改變。所以，每個工作日開始對共振頻率進行搜索，以便有關系統(tǒng)按這個由測量確定的頻率工作。測量中心頻率時用一個特制的磁共振樣品模型進行系統(tǒng)調(diào)整。在超導磁共振設備中，勵磁時，需對磁共振中心頻率進行精確校正。每次掃描前，系統(tǒng)會自動執(zhí)行準備過程，確定最佳共振頻率。
(2)輸入數(shù)據(jù)采集的條件信息 中心頻率確定之后，系統(tǒng)處于待調(diào)整狀態(tài)。操作員通過計算機終端同計算機對話，輸入被檢查對象的認證信息、數(shù)據(jù)采集的序列方案和方案的具體參數(shù)。這些工作由新的運行編號開始。在某一次運行中，被檢者的認證信息包括姓名、年齡、性別、體重、成像部位以及ＭＲ影像編號等。為了成像層面的解剖方位與磁場座標方向符合規(guī)定關系，必須告訴計算機被檢者進入磁體是頭還是腳朝前，在檢查時處于仰臥還是俯臥或者側(cè)臥的姿勢。
數(shù)據(jù)采集的序列方案可能包括以下信息：接收線圈類型（頭、頸、胸、腰、體、四肢、表面 ）、脈沖序列類型（ＳＥ、ＩＲ、ＧＲＥ）、層面方位（矢狀、冠狀、橫斷）、像素大小或空間分辨率、成像視野（像素大小×影像矩陣）、影像矩陣（128、256、512）、序列周期 （ＴＲ）、反轉(zhuǎn)時間（ＴＩ）、回波時間（ＴＥ）、磁化矢量翻轉(zhuǎn)角（θ）、層面厚度、層面數(shù)、層面間隙、中心層面位置或成像區(qū)域偏移、采集次數(shù)（１、２、４、８、１６）。
具體輸入哪些條件或參數(shù)根據(jù)實際情況決定。例如，梯度回波序列要輸入磁化矢量的翻轉(zhuǎn)角，ＳＥ序列和ＩＲ序列不要；ＩＲ序列要輸入反轉(zhuǎn)時間ＴＩ，其他序列不要。有制約關系的參數(shù)不必全部輸入，如成像視野＝像素尺寸×影像矩陣，3個參數(shù)中只要輸入任意2個，第 3個便被限定。
層面之間的間隙是相鄰層面間隔的距離，層面之間間隙是為了消除多層成像相鄰層面信號的相互干擾。對一個成像體域進行連續(xù)的多層面成像時，層面間隙為零。連續(xù)層面的影像存在偏體積效應或部分體積效應的影響。
中心層面位置或成像區(qū)域中心偏移是指被成像的組織區(qū)域中心與磁場中心在某個方向上的座標偏移。為了準確確定成像體域中心的位置，一般快速掃描序列產(chǎn)生定位影像，這里的快速掃描序列指ＴＲ很短、采集次數(shù)用最少的信號采集序列。定位影像有時是層面很厚的單層面影像。已經(jīng)獲得的某一方位的影像當然也可以用來確定其他方位成像區(qū)域中心。如果在定位影像上發(fā)現(xiàn)成像范圍的中心偏離磁場中心太多，就要適當變動被檢查的人體在磁體中的 位置。
需要注意，成像區(qū)域中心與中心層面位置并不重合，兩者相差一個層面厚度的尺寸。另外，成像系統(tǒng)定義不同成像方位中心層面的方式有區(qū)別。所以，中心層面位置偏移量要按系統(tǒng)操作手冊的規(guī)定辦法確定，往往是定位像上確定的成像區(qū)域中心加上或減去一個層面的厚度。
在成像序列需要用心電信號進行觸發(fā)的情況下，序列周期ＴＲ等于被檢查被檢者心臟搏動周期的整數(shù)倍。用心電信號控制數(shù)據(jù)采集的周期時間，目的是消除心臟運動引起的偽影。采用心電門控方法需要有獲取心電信號并且把它與成像系統(tǒng)同步起來的裝置。
輸入需要的序列參數(shù)后，計算機要自動核實有無足夠存儲空間存放執(zhí)行該序列將獲得的原始數(shù)據(jù)或影像重建后產(chǎn)生的處理過的數(shù)據(jù)。若有足夠空間，計算機便將成像序列及有關信息裝入序列控制器，準備讓系統(tǒng)按參數(shù)工作并進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集在完成系統(tǒng)調(diào)整步驟后開始。
(3)系統(tǒng)調(diào)整過程 被檢者在磁體外仰臥或俯臥在檢查床上，床板可沿磁場軸線方向平行移動，借助激光或普通光學裝置使被檢者進入磁體后被檢查部位中心和磁場中心及射頻線圈中心重合。直徑大的體線圈在被檢者被推入磁體前就安置在磁體中央。頭 、頸、四肢和表面線圈等在磁體外與被檢查部位配合安置，然后和被檢者一起推入磁場空間。
為了有效地向人體發(fā)射電磁波和接收ＭＲ信號，射頻線圈的阻抗必須和射頻系統(tǒng)的發(fā)射機、接收機及連接線圈的電纜的阻抗相匹配，線圈的諧振頻率必須和磁場中心的共振頻率調(diào)諧一致。由于不同人體的個體差異或同一人體不同部位徑圍大小不同和組織成分不同等原因，人體組織作為線圈的填充介質(zhì)呈現(xiàn)不同等效電容。這引起線圈被不同人體或部位加載后阻抗和 諧振頻率不同的變化。因此，即使用同一線圈，對不同被檢者或同一被檢者的不同部位成像，線圈都需要重新進行調(diào)諧，以保證上述兩方面的匹配要求。
成像線圈實際上是電感線圈和電容組成的并聯(lián)諧振回路?；芈氛{(diào)諧通過自動或手動方式改變電容器容量大小來實現(xiàn)。手動調(diào)諧的系統(tǒng)，系統(tǒng)偏離諧振的程度通常由一系列發(fā)光二極管顯示出來，調(diào)諧時借助調(diào)諧桿改變電容量大小，直到這些發(fā)光二極管熄滅。
線圈調(diào)諧結(jié)束后，射頻系統(tǒng)處于等待發(fā)射狀態(tài)。操作人員繼續(xù)通過與計算機對話，進行發(fā)射功率電平和接收機增益確定。發(fā)射機功率和接收機增益因線圈類型而異、因人而異。執(zhí)行一個運行的第1個數(shù)據(jù)采集序列前，必須進行發(fā)射機功率電平和接收機增益兩項調(diào)節(jié)，執(zhí)行了一個數(shù)據(jù)采集序列后，如果下個序列的參數(shù)中，成像方位、中心層面位置、回波時間ＴＥ和序列周期ＴＲ之一與上一序列的不同，系統(tǒng)一般將只對接收機增益重新進行調(diào)節(jié)。如果成像方位和中心層面位置或?qū)用婧穸扰c前一序列不同，或者被檢查的部位有變動，系統(tǒng)仍要進行發(fā)射機功率電平調(diào)節(jié)，從而接收機增益也要重新調(diào)節(jié)。這兩項調(diào)節(jié)目的在于獲得幅度在適當范圍的較大ＭＲ信號，并且有盡可能高的信噪比。
系統(tǒng)調(diào)整過程在計算機控制下進行，在射頻電平調(diào)節(jié)過程中，隨發(fā)射機輸出功率逐步增加，ＭＲ信號也相應地逐步增大。但是，接收的ＭＲ信號在達到某個最大值之后，又隨發(fā)射電平繼續(xù)增加而減小下來。成像系統(tǒng)就是根據(jù)這種信號響應曲線將峰值信號對應的發(fā)射電平確定下來，作為激勵磁共振的射頻脈沖幅度。射頻脈沖以這個幅度能使 縱向磁化強度按成像序列要求的翻轉(zhuǎn)角偏離主磁場方向。ＳＥ序列和ＩＲ序列分別要求90°和180°射頻激勵脈沖，梯度回波序列要求翻轉(zhuǎn)角小于90°的射頻激勵脈沖。在接收機增益調(diào)節(jié)過程中，計算機從所有被成像的組織層面進行數(shù)據(jù)取樣，由這些數(shù)據(jù)來確定接收機對影像信號的最佳增益或放大倍數(shù)，按這個增益放大接收的信號，接收機的輸出電平比引起模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器飽和的電平?。砫B。
系統(tǒng)調(diào)整過程的具體步驟和允許操作人員參與的程度取決于成像系統(tǒng)的有關軟件設計，不同 成像系統(tǒng)實現(xiàn)這些操作的方法和繁簡程度可能完全不同。
系統(tǒng)調(diào)整完成之后開始影像信號的數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集過程完全在計算機控制下進行。
(4)影像數(shù)據(jù)文件 采集的原始數(shù)據(jù)存放在計算機的硬盤中，操作員鍵入影像重建的指令，影像重建程序?qū)⑦@些原始數(shù)據(jù)變?yōu)榭娠@示的影像數(shù)據(jù)。進行影像重建的的數(shù)學運算的硬件電路是陣列處理器。它將各個層面的原始數(shù)據(jù)變換為空間的位置函數(shù)，對應于不同成像層面和各層面影像的像素陣列。
數(shù)據(jù)文件只包括影像數(shù)據(jù)和它的說明之間的對應關系隱含在影像文件的每一個順序位置中。 處理過的文件包含來自每個體素的信號幅度，最終的影像以像素值被顯示。一幅層面影像的 數(shù)據(jù)包含在一個文件中，各層面的影像數(shù)據(jù)順序放在被指定的相鄰磁盤區(qū)域。
一個被檢者所有的影像被重建后，如果原始數(shù)據(jù)文件不必存檔，就可將它從存儲器中刪 除，因為原始文件所占的內(nèi)存空間2倍于對應的影像文件。為了有足夠內(nèi)存空間存放下個運 行號下的原始數(shù)據(jù)，已經(jīng)過重建處理的前一運行號的原始文件應從操作員計算機內(nèi)存中及時 刪去。同樣，已經(jīng)傳輸?shù)接跋穹治鱿到y(tǒng)中的影像文件也要被及時刪除。
4.影像分析系統(tǒng)
(1)影像分析系統(tǒng)的功能 影像系統(tǒng)的用戶應用程序用于進行影像顯示和影像分析。醫(yī)生可以通過計算機鍵盤或鼠標以菜單方式或者命令方式進行操作。除標準的字母鍵盤外，影像分析系統(tǒng)的終端還設有一些特殊的功能鍵。有的功能鍵有對應的菜單，通過菜單的選擇項進入所要求的功能。不同成像系統(tǒng)的功能鍵多少、名稱可能不同，但不管怎樣，它們一般有以下基本功用：
①查找磁盤上存有數(shù)據(jù)的被檢者信息（姓名、年齡、ＭＲ編號、檢查部位）；②查找某個被檢者的全部影像資料加以顯示并進行分析；③顯示選出的被檢者的某個方位（矢狀、冠狀或橫斷）的一幅影像；④顯示與當前影像相鄰的前/后層面的影像；⑤顯示當前影像前一個序列（或回波）或后一個序列（或回波）的影像；⑥選擇顯示幅面格式；⑦顯示灰度標尺；⑧調(diào)整全屏灰度或單幅影像灰度；⑨調(diào)節(jié)飽和度；⑩改變影像放大倍數(shù)；0調(diào)節(jié)影像中心在顯示屏上的位置；0影像在顯示器屏上的平移、旋轉(zhuǎn)和反像；0影像的內(nèi)插顯示；0影像的像素顯示；0顯示指定的研究區(qū)域（矩形或圓形ＲＯＩ）；0影像文字和標識的顯示；0統(tǒng)計ＲＯＩ內(nèi)的灰度值、像素數(shù)；0測量ＲＯＩ內(nèi)的信號強度；0影像計算，如由采集的影像計算Ｔ１值影像、Ｔ２值影像和質(zhì)子密度影像；0測量角度、距離或面積；0自磁盤讀出影像數(shù)據(jù)寫入外存儲器；0將存檔的影像數(shù)據(jù)重新寫入磁盤；0從磁盤刪除不必要繼續(xù)占用磁盤空間的數(shù)據(jù)。
(2)與影像顯示和影像分析有關的一些概念
①影像的灰度范圍影像的灰度標尺描繪影像的最小像素和最大像素之間的亮度 分布比例。實際在屏幕上顯示的影像灰度范圍稱為影像的窗。窗可以用窗的上限灰度值和窗 的下限灰度值定義，或者用窗中心灰度值和窗的灰度值范圍寬度定義，這兩種定義是一致的 ，它們之間存在以下關系：
窗上限＝窗中心＋１/２窗寬
窗下限＝窗中心－１/２窗寬
用第一種定義時，灰度標尺上顯示出2條水平線，它們分別與灰度值上限和灰度值下限對應 。這2條水平線之間的灰度范圍代表顯示在屏幕上的影像的灰度值范圍，也就是窗寬?；叶壬舷蘅赏ㄟ^亮度滑塊調(diào)節(jié)，灰度下限可通過背景減除滑塊調(diào)節(jié)。在有的磁共振儀器中， 窗寬、窗位以及影像大小的調(diào)節(jié)通過專門定義的三鍵鼠標實現(xiàn)。調(diào)節(jié)窗的上限和下限，或者通過改變窗的大小和窗中心位置，可以將影像的亮度和對比度調(diào)節(jié)到最適合于觀察狀態(tài)。
灰度尺的最大灰度值可以根據(jù)需要改變，這一切功能稱為飽和度設定。通常，灰度尺的最大灰度值是信號強度最大的像素值。在影像上有金屬引起的高強度信號，或以多幅顯示強度相差懸殊的幾幅影像時，通過飽和度設定來衰減高強度信號，以便能以灰度尺的較大亮度范圍 描繪信號強度低的區(qū)域。
②影像顯示方式內(nèi)插顯示方式中，影像的每個像素值是相鄰像素值和放大倍數(shù)的函數(shù)。像素顯示方式中影像的每個像素按它的實際灰度值顯示。放大倍數(shù)大于１時，像素尺寸按放大倍數(shù)成倍復制。
③影像標識影像上的文字標記或標識扼要表示檢查日期、醫(yī)院名稱、被檢者的認證信息 、影像采集條件和影像文件等信息，以及說明解剖方位的字符。這些信息中的某些可以利用有關菜單項獲知，也能以文字形式與影像一起顯示出來。有的文字標識出現(xiàn)在影像的周邊，有的可能列在圖旁的說明欄中。圖旁說明可提供被檢者的認證信息和有關影像的許多參數(shù)，如層面厚度、矩陣大小、空間分辨率、采集次數(shù)、放大倍數(shù)、最大和最小相對像素值等。用戶也可根據(jù)需要通過鍵盤操作對影像進行注釋。
④影像統(tǒng)計ＲＯＩ內(nèi)的統(tǒng)計功能是對一幅影像或指定的ＲＯＩ進行多種統(tǒng)計計算，如求框定的區(qū)域的絕對像素強度，計算和顯示一個ＲＯＩ的直方圖，直方圖的水平軸代表相對像素強度，垂直軸代表不同強度的像素數(shù)。
⑤影像計算影像計算利用存在磁盤內(nèi)的采集的影像數(shù)據(jù)計算新的影像。計算產(chǎn)生的影像有以下幾種：
a.Ｔ１值影像 Ｔ１值影像是組織Ｔ１值的平面分布圖，用同一層面的ＴＲ不同的2 幅影像計算出來。這2幅影像的采集條件除ＴＲ不同外，ＴＥ、空間分辨率和接收機增益完全相同。計算時要 求正確輸入這2幅影像的文件/影像序號。
b.Ｔ２值影像 Ｔ２值影像是組織Ｔ２值的平面分布圖，用ＴＥ不同的2幅影像計算出來。這2幅不同ＴＥ的采集影像必須是同一組織層面的影像，在相同的ＴＲ、接收機增益和空間分辨條件下獲得。
c.計算的強度影像 這是用內(nèi)插法或外插法計算的與采集的影像有不同ＴＲ或ＴＥ的強度 影像。計算時要輸入的數(shù)據(jù)是Ｔ１值影像和Ｔ２值影像，所以，計算強度影像先要獲得Ｔ１影像和Ｔ２影像。
d.回波影像 輸入影像用2幅ＴＥ不同的同一層面的影像，計算出的影像與輸入影像有不同的回波延時ＴＥ。
e.質(zhì)子密度影像 這是質(zhì)子密度相對值的平面分布圖，輸入影像是同一層面的1幅Ｔ１影像和1幅Ｔ２影像。
f.加權(quán)平均影像加權(quán)平均影像是對幾幅不同ＴＥ或不同ＴＲ的影像以不同的加權(quán)因子逐 個像素進行強度平均，目的是產(chǎn)生信噪比得到改善的影像。也可以對相鄰層面的影像進行等 權(quán)重的加權(quán)平均，利用偏體積效應幫助描繪某些組織結(jié)構(gòu)或病理組織。
g.絕對差影像絕對差影像通過逐個像素計算2幅影像強度之差，對像素值之差的絕對值 的空間進行描繪，反映2幅影像的信息中的差異。
h.對比度曲線對比度曲線用于研究ＳＥ序列和ＩＲ序列影像兩種組織之間的對比度關系 。對比度曲線的縱座標為ＴＥ，橫座標為ＴＲ。