MRI设备的现状与发展趋势

MRI设备的现状与发展趋势

目录

0 引言 (2)

1 MRI设备构造 (3)

2 MR成像基本原理 (4)

2.1 实现人体磁共振成像的条件: (4)

2.2 基本原理 (4)

2.2.1 薄层选择激发 (4)

2.2.2空间编码 (5)

3 现状 (6)

3.1 国内现状 (7)

3.2 国外现状 (8)

4 发展趋势 (8)

4.1 核的种类 (9)

4.2 核的浓度 (9)

4.3 自旋点阵驰豫时间T1 (9)

4.4 自旋一自旋弛豫时间T2 (10)

摘要：核从共振(NMR)为近年发展的新的、很有前途的影像学技术，目时已达临床试用阶段，在诊断医学成像和生物化学研究中，已取得的重大突破之一是核磁共振成像。核磁共振是能够深入到物质内部而不破坏被测量对象的一种分析物质构造的现代技术，它通过利用原子核在磁场中的能量变化来获得关于原子核的信息，具有迅速、准确、分辨率高等优点。

关键词：MRI设备构造原理现状发展趋势

0 引言

自从1946年美国哈佛大学的E.M.Pur一cell和斯坦福大学的F.Bloch发现核磁共振(NMR)至今已过去了四十二个年头。自从R.Damadian提出将NMR应用于医学诊断的可能性和uterbur提出核磁共振成像(MRI)原理以来，也已看十五年的历史。自七十年代以来，随着核技术、图像重建理论和现代化的计算机及信息处理技术的飞速发展，许多活体内部医学成像技术相继问世，使诊断医学和生物化学研究出现了质的飞跃。X射线CT的历史功绩在于为人类首次提供人体内部脏器的清晰的医学成象。八十年代迅速兴起的孩磁共振成像，才成功地实现了第二次飞跃，那就是突破了影像技术以人体组织解剖面为丛础的传统框架，把研究推进展宽到获取人休分子结构水平的生化病理信息。

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)设备是通过被成像物体在静磁场、梯度场和射频场共同作用下产生的电磁脉冲的共振发射和共振接收采集数据、通过图像重建实现对被成像物体可视化的高新技术产品，是20世纪多学科发展和交叉的结晶。从20世纪80年代初第一台磁共振扫描仪问世至今，全世界都有MRI设备应用于医学影像诊断、医学基础研究，甚至应用于医学治疗(MRI介入治疗)等，MRI设备已成为世界上使用最为成功的医疗装备之一。近年来，受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展，随着各种硬件和高级临床应用软件层出不穷的创新，磁共振扫描的技术和临床应用都呈现加速发展的态势，各国在该领域的研发投入也快速增长，近年已形成年产值达千亿美元的市场。目前，该领域的研究和产

业化仍在高速发展，应用领域不断拓展。当前，多源发射技术代表了最新最尖端的射频发射技术，是高场磁共振的发展方向，其本质如同CT经历了单排到双排、多排一般，磁共振的发射源也完成了单源到多源的进程。

1 MRI设备构造

MRI设备包括磁体、射频系统、梯度系统、以及控制系统和冷却系统等，这些部分负责MR信号产生、探测与编码。模数转换部分、计算机部分等负责数据处理、图像重建、显示与存储。主磁体用以提供强大的静磁场，保持高度均匀的磁场强度。磁体部分的重要指标是场强、时间稳定性和磁场均匀度。目前临床上所用的场强为1．5T。磁体的类型分为永磁、常导和超导三类：永磁材料经外部激励电源一次充磁后，去掉激励电源仍长期保持磁性，场强易保持稳定，但磁体较重，场强较低，目前限制在0．5T以下；常导磁场强度也较低，耗电比较大，一般要通电数小时后，磁场才能达到稳定状态；超导是目前用的比较多的，高场强(>0．5T)都用超导磁体，静场均匀度和稳定性好，但为了维持超导状态，必须要将超导线圈浸人液氮，使用过程也要定时补充液氦，运行费用较高，但由于磁体冷却系统的改进以及液氦价格的下跌，运行费用也在下降。射频系统负责发射、放大、接受。射频小信号单元，射频放大器，发射线圈，接收线圈(又叫表面线圈，是MRI检查时置于受检部位或器官表面的较小的射频线圈)与信号接收后处理单元组成了射频系统。射频系统是为了激发人体内氢原子核产生MR信号并接受。MRI的射频线圈已发展到第四代。第一代是线性极化表面线圈；第二代是圆形极化表面线圈；第三代是圆形极化相控阵线圈，提高了灵敏度，显著增加了图像的信噪比；1997年再进一步推出第四代相控阵线圈，称为一体化全景相控阵线圈。梯度系统是对因为射频而产生的共振信号做空间编码(定位)。它用于产生在主磁场中瞬时的有方向的磁场，该磁场沿一定方向其强度会呈线性梯度变化，其磁场强度为主磁场的几百分之一，对人体放射的MR信号提供了选层和空间定位的三维编码。梯度场由x、y、z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。梯度系统最重要指标是梯度强度和梯度切换率。前者代表磁场随空间的变化，后者反映磁场随时间的变化率，梯度线圈对快速和超快速成像至关重要。

2 MR成像基本原理

2.1 实现人体磁共振成像的条件:

➢人体内氢原子核作为磁共振中的靶子，它是人体内最多的物质。H核只含一个质子不含中子，最不稳定，最易受外加磁场的影响而发生磁共振现象；

➢有一个稳定的静磁场(磁体):常导型、永磁型、超导型。0.15-3.0T

➢梯度场和射频场：前者用于空间编码和选层，后者施加特定频率的射频脉冲，使之形成磁共振现象；

➢信号接收装置：各种线圈；

➢计算机系统：完成信号采集、传输、图像重建、后处理等。

2.2 基本原理

2.2.1 薄层选择激发

在静磁场上叠加一个梯度磁场、并且可以任意改变这个梯度磁场的梯度方向，从而成功

进行薄层选择激发和共振频率空间编码。这就是核磁共振成像的基本原理。

根据Larmour方程ω=γB，共振频率ω与场强B成正比。在普通NMR谱仪中，磁场是极其均匀的，B的变化只能是这些核的化学环境引起的，这就是常规NMR谱。核磁共振成像的不同之处在于，对样品施加一个相当强的线性梯度△G，并且可以控制改变其方向。显然此时的。就与这些核相对于梯度的空间位置有关。现代计算机及信息处理技术可以把频率转换成位置信号。当频率确定时，信号仍然只决定于这些核的浓度和它们的驰豫时间T1和T2。获取样品成像的实际过程，最通常的形式分为两个步骤。首先是薄层选择激发和空间编码，然后是确定编码容量内所含的有用信息。

最简单的成像即单个薄层成像需要两步。首先只使待研究薄层中的核选择激发，然后把由该薄层得到的信息进行二维编码。通过梯度斜率和rf脉冲的宽度，可以测定薄层厚度。因为¹H的γ是4250Hz/gauss， 0.1 gauss/cm的梯度就是每经过lcm产生425Hz的变化。受激rf的脉冲宽度PW对载波调制，致使频带宽度为l/PW。当PW为2ms时，带宽是500Hz。只有在约1.lcm厚的薄层中的核会聚在共振点附近。如果把梯度断开同时把收码器转向该共振点，那末由激发区的这些核就观测到单个信号。对梯度施加dc补偿，就能够改变薄层的位置。用改变梯度斜率或者改变rf脉冲宽度的方法，都能够改变待研究薄层的厚度。薄层相对于样品坐标或磁场坐标的起点，与薄层选择无关，只决定于X, Y或Z梯度线圈所施加的梯度。

2.2.2空间编码

单个薄层中的空间编码，通常用二维高分辨频谱学来进行。某薄层中的空间编码方法为先施加相位编码梯度、然后再施加频率编码或“读出”梯度，施加对象为该薄层中的一系列极化自旋。具体做法是首先断开薄层选择梯度，并在固定时间周期t，内施加第二个正交梯度Gy。在不同频率时的核过程，也就同时决定于它l们相对于这第二个梯度的位置。相位编码的最终结果，就得到了沿Y方向的距离信息。在相位编码后把上述梯度断开，然后施加与前二个梯度都正交的第三个梯度Gx，并且只在选定的适当时间t x二时施加并进行编码。只要适当不断改变频率数值，就能够最终提供出沿X轴的空间编码。只要逐渐增加相位编码梯度的数值，这个过程就可以反复进行。对于每组128个不同的相位编码梯度，典型的实验或许得到256或512个数据点。这种结果就是二维数据集。

在普通的高分辨实验中，原始数据是位置变换时间t e和探侧时间t d这两个时间周期的函