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3.1引言

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術(shù)是利用人體內(nèi)原子核在磁場內(nèi)與外加射頻磁場發(fā)生共振，而產(chǎn)生影像的成像技術(shù)。MRI是隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及在X線CT的臨床應(yīng)用基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型醫(yī)學(xué)數(shù)字成像技術(shù)。由于它既能顯示形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，又能顯示原子核水平上的生化信息，還能顯示某些器官的功能狀況，以及無輻射等諸多優(yōu)點，已越來越廣泛地應(yīng)用于臨床各系統(tǒng)的檢查診療中。隨著MRI技術(shù)的不斷改進，其功能日趨完善，應(yīng)用范圍不斷拓寬，是當今醫(yī)學(xué)影像學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快、最具潛力的一種成像技術(shù)。

磁共振成像設(shè)備（簡稱為“MRI設(shè)備”）在我國衛(wèi)生部被列為乙類大型醫(yī)用影像設(shè)備，醫(yī)院需要特別申請配置許可證。MRI設(shè)備在臨床上的應(yīng)用日益廣泛，在各系統(tǒng)疾病的診斷中扮演著越來越重要的角色，對于疾病的診斷有不可替代的作用。該設(shè)備的配置集中體現(xiàn)著醫(yī)院臨床診療、以及科研工作的水平。

磁共振成像設(shè)備（簡稱MRI設(shè)備）主要由以下四部分構(gòu)成：磁體系統(tǒng)、梯度磁場系統(tǒng)、射頻系統(tǒng)、計算機及圖像處理等系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)間相互連接，由計算機控制、協(xié)調(diào)。對于超導(dǎo)MRI設(shè)備，低溫保障冷卻系統(tǒng)也是其重要組成部分。實際的磁共振成像系統(tǒng)為了加快圖像處理速度，一般都配備專用的圖像處理陣列單元；為了實施特殊成像（如心臟門控、腦功能研究等），還要有對生理信號（心電、脈搏、（無創(chuàng)、有創(chuàng)）血壓、血氧飽和度、氧分壓、二氧化碳分壓等）進行采集、處理、分析的單元。為了實現(xiàn)實時腦功能成像，需要配置特殊的高性能計算機柜，射頻脈沖實時跟蹤，試驗刺激的產(chǎn)生、傳輸（可通過波導(dǎo)孔）及控制，數(shù)據(jù)的全自動后處理系統(tǒng)等。圖像的硬拷貝輸出設(shè)備（如激光相機）、軟拷貝輸出設(shè)備（如CD±R/RW、DVD±R/RW、MOD等光盤驅(qū)動器）也是必備的。

3.2磁體系統(tǒng)

磁體系統(tǒng)是MRI設(shè)備產(chǎn)生成像所必需的靜磁場（static magnetic field）的關(guān)鍵部件。磁體的主要性能指標是其產(chǎn)生的磁場強度、均勻度、穩(wěn)定性及孔徑大小等，這些性能指標直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的信噪比和成像質(zhì)量。幾乎所有的廠家都在努力追求能夠制造出高質(zhì)量、盡可能高的磁場強度、優(yōu)良的磁場均勻度、穩(wěn)定可靠、盡可能大的開放孔徑、以及盡可能短的磁體。

3.2.1磁體系統(tǒng)的組成

磁體系統(tǒng)的基本功能是為MRI設(shè)備提供滿足特定要求的靜磁場，除了磁體之外，還包括勻場線圈、梯度線圈、以及射頻發(fā)射和接收體線圈（又稱為內(nèi)置體線圈，Build-in Body Coil）等組件。上述三個線圈依次套疊在磁體內(nèi)腔中，使磁體孔徑進一步變小。勻場線圈可進一步提高磁場的均勻性；梯度線圈解決被檢測體的空間分辨率、空間定位、層面選擇等成像問題；射頻發(fā)射和接收體線圈用于發(fā)射射頻脈沖以激發(fā)被檢測體產(chǎn)生MR信號，同時負責接收MR信號。對于超導(dǎo)磁體還必須擁有高真空、超低溫的杜瓦容器，以維持超導(dǎo)線圈的超低溫環(huán)境。與磁體、勻場線圈和梯度線圈相連接的是它們各自的電源，即磁體電源、勻場電源及梯度電源（永磁體不需磁體電源）。上述三種電源在控制單元的作用下提供高質(zhì)量的電流，以保證整個系統(tǒng)磁場的均勻和穩(wěn)定。

3.2.2磁體的性能指標

磁體系統(tǒng)對于MRI設(shè)備的重要性不亞于魚對水的依賴性，由磁體系統(tǒng)產(chǎn)生、均勻穩(wěn)定的靜磁場是磁共振成像的“基石”，“基石”的性能決定著MRI設(shè)備“大廈”的品質(zhì)。

3.2.2.1主磁場強度

MRI設(shè)備的磁體在其掃描檢查孔徑內(nèi)、Z軸（沿磁體孔洞方向）一定長度范圍內(nèi)（1.5T超導(dǎo)MRI 設(shè)備通?！?0厘米）產(chǎn)生磁場強度（即主磁場強度）均勻分布的靜磁場，即主磁場B0。增加主磁場強度，可提高圖像的信噪比（SNR）。MRI圖像質(zhì)量與主磁場強度、主磁場均勻性、梯度線圈、射頻接收線圈等諸多因素相關(guān)。

目前應(yīng)用于臨床的MRI設(shè)備主磁場強度大多為0.15 ~3.0T（特斯拉，tesla，為磁場強度單位，1特斯拉=10000高斯），磁場強度越高，組織的磁化強度越高，產(chǎn)生的磁共振信號強度越強。在一定范圍內(nèi)，磁場強度越高，影像的信噪比越大，信噪比近似與磁場強度成線性關(guān)系。但高場強也有一些不利因素，例如在高場強中化學(xué)位移偽影較明顯，對運動較敏感而更易產(chǎn)生偽影。

主磁場強度的高低與磁體以及整機的造價成正比，目前0.35TMRI設(shè)備市場價格一般在600萬元人民幣左右，而進口一臺3.0TMRI設(shè)備則需花費2000萬元人民幣。因此用戶需要在整機價格、主磁場強度、圖像質(zhì)量三者中進行比較、平衡、選擇。

提高場強的唯一途徑就是采用超導(dǎo)磁體。隨著超導(dǎo)材料價格和低溫制冷費用的下降，超導(dǎo)MRI設(shè)備的性能價格比不斷提升。發(fā)達國家中1.5T以上的超導(dǎo)MRI設(shè)備已經(jīng)相當普及；3.0TMRI設(shè)備從2005年起，開始大規(guī)模進入臨床；美國通用電氣（GE）、德國西門子（SIEMENS）、荷蘭飛利浦（PHILIP）均已開發(fā)并向市場推出7.0T的超高場MRI設(shè)備，用于人體成像的實驗研究；與此同時在美國芝加哥9.4TMRI設(shè)備正在用于人體成像研究。但是由于超高磁場強度靜磁場對人體的生物效應(yīng)尚不肯定，超高場MRI設(shè)備產(chǎn)品尚不成熟，以及相關(guān)國家的有關(guān)法律或規(guī)則對其應(yīng)用還有限制等原因，7.0T及以上的超高場系統(tǒng)至今未能廣泛用于臨床，但應(yīng)用研究的文獻已有很多發(fā)表。

與高磁場強度MRI設(shè)備的發(fā)展相反，近年來高性能的低場開放型永磁MRI設(shè)備備受市場和用戶的青睞、厚愛。這不僅與它所具有的優(yōu)良的性能價格比有關(guān)，也與設(shè)備制造商在竭盡努力將中高場磁共振系統(tǒng)的部件和技術(shù)移植、“下嫁”到低場平臺，使其整機性能、圖像質(zhì)量大大改善直接相關(guān)。

3.2.2.2磁場均勻度

磁場均勻度（homogeneity），又稱磁場均勻性，是指在特定容積限度內(nèi)磁場的同一性，即穿過單位面積的磁力線是否相同。這里的特定容積通常取一球形空間。磁場均勻度的單位為ppm（part per million），即特定空間中磁場最大場強與最小場強之差除以平均場強再乘以一百萬。

MRI對磁場的均勻度要求很高，在成像范圍內(nèi)的磁場均勻度決定圖像的空間分辨力和信噪比。磁場均勻度差將會使圖像模糊和失真。磁場均勻度由磁體本身的設(shè)計和外部環(huán)境決定，磁體的成像區(qū)域越大，其所能達到的磁場均勻度越低。磁場的穩(wěn)定性是衡量磁場強度隨著時間而漂移程度的指標，在成像序列周期內(nèi)磁場強度的漂移對重復(fù)測量的回波信號的相位產(chǎn)生影響，引起圖像失真、信噪比下降。磁場的穩(wěn)定性與磁體的類型和設(shè)計的質(zhì)量密切相關(guān)。

磁場均勻度標準的規(guī)定與所取測量空間的大小和形狀有關(guān)，一般采用與磁體中心同心的、直徑一定的球體空間做為測量范圍。通常磁場均勻度的表示方法是在測量空間一定的情況下，磁場強度在該給定空間的變化范圍（ppm值），即以主磁場強度的百萬分之一（ppm）作為一個偏差單位來定量表示的，通常將這個偏差單位稱為ppm，這稱為絕對值表示法。例如整個掃描檢查孔徑圓柱體范圍內(nèi)的磁場均勻度為5ppm；而與磁體中心同心的、直徑為40cm和50cm的球體空間內(nèi)的磁場均勻度分別是1ppm和2ppm；還可表示為：被測標本區(qū)每立方厘米的立方體空間內(nèi)磁場均勻度為0.01ppm。無論何種標準，在所取測量球大小相同的前提下，ppm值越小表明磁場均勻度越好。

以1.5TMRI設(shè)備為例，一個偏差單位（1ppm）所代表的磁場強度的漂移波動為1.5×10-6T。也就是說，在1.5T的系統(tǒng)中，1ppm的磁場均勻度意味著：該主磁場在1.5T磁場強度的本底基礎(chǔ)上存在1.5×10-6T（0.0015mT）的漂移波動。顯然，在不同場強的MRI設(shè)備中，每個偏差單位或ppm所代表的磁場強度的變化是不同的，從這個角度講，低場系統(tǒng)對于磁場的均勻度要求可以低一些（見表3-1）。有了這樣的規(guī)定之后，人們就能夠用均勻度標準對不同場強的系統(tǒng)，或同一場強的不同系統(tǒng)方便地進行比較，以便客觀評價磁體的性能。

在實際測量磁場均勻度之前首先需要精確定出磁體中心，然后在一定半徑的空間球體上布置場強測量儀（高斯計）探頭，并逐點（24平面法、12平面法）測量其磁場強度，最后處理數(shù)據(jù)、計算整個容積內(nèi)的磁場均勻度。

磁場均勻度是會伴隨周圍環(huán)境變化的。即使一個磁體在出廠前已達到了某一標準（工廠保證值），但是安裝后由于磁（自）屏蔽、射頻屏蔽（門窗）、波導(dǎo)板（管）、磁體間和支持物中的鋼結(jié)構(gòu)、裝修裝飾材料、照明燈具、通風管道、消防管道、緊急排風扇、樓上樓下樓旁的移動設(shè)備（甚至汽車、電梯）等環(huán)境因素的影響，其均勻度會改變。因此，均勻度是否達到磁共振成像要求，應(yīng)以最后驗收時的實際測量結(jié)果為標準。磁共振生產(chǎn)廠家安裝工程師在工廠或醫(yī)院現(xiàn)場所做的被動勻場和超導(dǎo)勻場線圈主動勻場工作是提高磁場均勻度的關(guān)鍵措施。

MRI設(shè)備為了在掃描過程中對所采集的信號進行空間定位，在主磁場B0基礎(chǔ)上還需疊加連續(xù)遞增變化的梯度磁場△B。可想而知，在單個體素上疊加的這個選層面梯度場△B必須大于主磁場B0所產(chǎn)生的磁場偏差、或漂移波動，否則將會改變、甚至湮沒上述的空間定位信號，產(chǎn)生偽影，降低成像質(zhì)量。

主磁場B0所產(chǎn)生的磁場的偏差和漂移波動越大，表示該磁場的均勻度越差，圖像質(zhì)量也會越低，更會直接關(guān)系到壓脂序列（人體中水和脂肪的共振頻率僅相差200Hz）、磁共振波譜（MRS）檢查的成功與否。因此，磁場均勻度是衡量MRI設(shè)備性能高低的關(guān)鍵指標之一。

3.2.2.3磁場穩(wěn)定性

受MRI設(shè)備磁體附近散布的鐵磁性物質(zhì)、磁體間環(huán)境溫度和濕度、超導(dǎo)勻場線圈電流漂移、主磁場超導(dǎo)線圈電流漂移、進入磁體檢查孔徑的人體以及人體攜帶的體內(nèi)植入物、體外攜帶物（例如曲別針、硬幣、鋼筆、釘子）等客觀因素的影響，磁場的均勻性和/或磁場強度值會發(fā)生變化，這就是磁場漂移。磁場穩(wěn)定性就是定量評價、衡量這種漂移變化的技術(shù)指標。穩(wěn)定性下降，意味著單位時間內(nèi)磁場的變化率增高，如果在一次磁共振掃描檢查時間段內(nèi)，磁場強度值和/或磁場均勻性發(fā)生了漂移，就會影響到圖像質(zhì)量。

磁場的穩(wěn)定性分為時間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性兩種。時間穩(wěn)定性指的是磁體所建立的靜磁場B0隨時間而變化的程度。磁場強度值還會隨溫度變化而漂移，其漂移的程度是用熱穩(wěn)定性來表述的。永磁體和常導(dǎo)磁體的熱穩(wěn)定性比較差，因而對環(huán)境溫度的恒定能力要求很高。超導(dǎo)磁體的時間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性則表現(xiàn)優(yōu)異。

磁場的漂移通常以1h或數(shù)小時作為限度。一般說來，磁場的短期（1～2h）漂移不能大于5ppm，而長期（以8h為周期）漂移量須小于10ppm。主磁場超導(dǎo)線圈電流或超導(dǎo)勻場線圈電流波動時，會直接導(dǎo)致磁場的時間穩(wěn)定性變差。

3.2.2.4磁體有效孔徑

磁體的孔徑大小限制著被檢查者的體型尺寸大小，延伸到磁體外部的磁場的范圍亦與孔徑大小及磁場強度有關(guān)。在磁場的延伸范圍內(nèi)，電子儀器對磁場均勻度及其本身的磁場產(chǎn)生破壞作用，為限制磁場向外部延伸及外部磁場的影響，需要采用各種屏蔽措施。

磁體有效孔徑是指梯度線圈、勻場線圈、射頻體線圈、襯墊、內(nèi)護板、隔音腔、和外殼等部件均在磁體檢查孔道內(nèi)安裝完畢后，所剩余柱形空間的有效內(nèi)徑。因此，實際的磁體孔徑即磁體的凈孔徑要大得多。例如，牛津公司UNISTAT磁體本身的凈孔徑為1050mm，但裝入勻場線圈后成為920mm，安裝梯度線圈后其內(nèi)徑進一步減小為750mm。

對于全身MRI設(shè)備，磁體的有效孔徑以足夠容納受檢者人體為宜。一般來說其有效孔徑尺寸必須至少達到60cm。有效孔徑過小容易使被檢者產(chǎn)生壓抑感，誘發(fā)受檢者潛在的“幽閉恐懼癥”。有效孔徑大些可使受檢者感到舒適、輕松，同時也能滿足肥胖者的檢查需要。然而，增加磁體的孔徑在一定程度上比提高磁場強度更難，因為孔徑的增大勢必導(dǎo)致磁場均勻性的破壞和失衡，而校正這種失衡的技術(shù)難度很大，因此大孔徑（一般指內(nèi)徑凈空尺寸大于70cm）MRI設(shè)備是當前研發(fā)的熱點之一。

3.2.2.5邊緣場空間范圍

磁體產(chǎn)生的靜磁場向空間各個方向散布，發(fā)散到磁體周圍的空間中，稱為邊緣場。它的強弱與空間位置有關(guān)，隨著空間點與磁體距離的增大，邊緣場的場強逐漸降低。邊緣場是以磁體原點為中心向周圍空間發(fā)散的，因而具有對稱性，邊緣場會對候診的受檢者、工作人員、路過附近的人員、分布在磁體周圍空間的電子設(shè)備造成可能的傷害和損壞。邊緣場的空間分布通常以磁體邊緣場的等高斯線在空間分布的三視圖（俯視圖、前視圖、側(cè)視圖），即等高斯線圖來表示。等高斯線圖是由一簇接近于橢圓的同心閉環(huán)曲線表示的邊緣場分布圖。

圖中每一橢圓上的點都有相同的磁場強度值（一般用高斯表示），故稱為等高斯線。由于不同場強磁體的雜散磁場強弱不同，對應(yīng)的等高斯線也就不同。其中以5高斯（0.5mT）“安全線”的空間分布最為重要，在磁場強度一定的前提下，5高斯線邊緣場空間范圍越小，說明磁體的自屏蔽系統(tǒng)性能更好，該磁體的環(huán)境安全性能也更好。通常的安全原則是：5高斯線空間范圍以內(nèi)禁止無關(guān)人員進入；5高斯線空間范圍盡可能局限在磁體間內(nèi)。因此需要采取措施抑制、屏蔽磁體的邊緣場，縮小邊緣場的空間范圍，保證周圍環(huán)境的安全。

對磁體進行自屏蔽的方法有兩種。一種是無源屏蔽法，即給磁體披上非常厚的軟鐵，但是磁體的重量會急劇增加。另一種是現(xiàn)在常用的有源屏蔽法，使用一組或者幾組有源線圈，仔細計算和測量邊緣場的分布后，設(shè)計成與邊緣場大小相等、方向相反的電磁場分布，從而抵消和反射磁體引起的向外發(fā)散的磁力線，以此達到縮小邊緣場空間范圍的目的。除此之外，對磁體間也可以采用特種硅鋼材料包繞覆蓋的磁屏蔽法，將邊緣場空間范圍強制壓縮在磁屏蔽空間之內(nèi)。

除了上述五項性能指標外，致冷劑（液氦）的揮發(fā)率（升/小時）、磁體低溫容器（杜瓦）的容積（升）、液氦的補充周期（年）、磁體長度（厘米）和磁體重量（噸）等同樣是衡量超導(dǎo)型磁體的重要技術(shù)指標。

3.2.3MRI設(shè)備磁體類型

MRI設(shè)備的類型繁多。按照使用用途分類有動物MRI專用設(shè)備、藥物分析MRI專用設(shè)備、礦物和工業(yè)探傷MRI專用設(shè)備、以及醫(yī)用人體MRI設(shè)備等。本書討論的范圍僅限于應(yīng)用于人體磁共振成像的MRI設(shè)備。按照磁體類型分類有永磁型MRI設(shè)備、常導(dǎo)型MRI設(shè)備、超導(dǎo)型MRI設(shè)備以及混合型MRI設(shè)備。按照磁體產(chǎn)生靜磁場的磁場強度大小分類可分為低場（0.1T～0.5T）MRI設(shè)備、中場（0.6T～1T）MRI設(shè)備、高場（1.5T～2T）MRI設(shè)備、以及超高場（3T及以上）MRI設(shè)備。

3.2.3.1永磁型磁體

永磁型磁體（permanent magnet）是最早應(yīng)用于MRI全身成像系統(tǒng)的磁體，由具有鐵磁性的永磁材料構(gòu)成，可用于永磁體的磁性材料主要有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土鈷三種類型。我國有豐富的稀土元素，也能大量生產(chǎn)高性能的稀土永磁材料（如釹鐵硼）。這些材料都是生產(chǎn)永磁磁體的優(yōu)質(zhì)原料資源。

永磁型磁體磁場強度衰減極慢，幾乎永久不變，且運行維護簡單，無水電消耗，磁力線閉合，磁體漏磁少，磁力線方向與人體長軸垂直。射頻線圈制作簡便，線圈效率高。但是，磁場強度較低，目前永磁型磁體最大場強已能達到0.5T，但是磁體龐大、笨重，同時其磁場均勻度受環(huán)境溫度影響大，磁場穩(wěn)定性較差。其周圍環(huán)境發(fā)生變化（例如地鐵線路、變電設(shè)施、供電電纜、過往機動車輛等）就會導(dǎo)致磁場均勻度被破壞，使圖像質(zhì)量下降，甚至造成圖像偽影。

永磁體一般由多塊永磁材料堆積或拼接而成，磁鐵塊的排布既要滿足構(gòu)成一定成像空間的要求，又要使其磁場均勻性盡可能高。另外，磁體的兩個極面須用導(dǎo)磁材料連接起來，以提供磁力線的返回通路，從而減少磁體周圍的雜散磁場，縮小邊緣場的空間范圍。

除磁場強度較低外，永磁型磁體的磁場均勻性通常也受到一定限制，與超導(dǎo)磁體MRI設(shè)備相比較，磁場均勻性指標參數(shù)要低很多。其原因一是拼接成完整磁體的每塊永磁材料的性能不可能完全一致；二是受磁極平面加工精度的限制；三是磁極本身的邊緣效應(yīng)（磁極軸線與邊緣磁場的不均勻性）。此外，永磁型磁體的溫度系數(shù)較大即它對溫度變化非常敏感，這使其磁場穩(wěn)定性變差。因此，需要恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)將磁體間內(nèi)的溫度或磁體本身的溫度變化嚴格控制在±1℃之內(nèi)。

永磁型MRI設(shè)備雖然有上述缺點，但是其優(yōu)異的開放性能、低造價、低運行成本、整機故障率低、磁場發(fā)散少、對周圍環(huán)境影響小、檢查舒適等特點，使得永磁MRI設(shè)備不僅在中國，在全世界也得到認可和廣泛應(yīng)用。此外，日益興起的磁共振介入診斷和治療，以及磁共振導(dǎo)引的介入手術(shù)，正在為永磁開放型MRI設(shè)備開拓新的用武之地。

3.2.3.2常導(dǎo)型（阻抗型）磁體

由丹麥物理學(xué)家奧斯特(Hans Christian Oersted，1777—1851) 于1820年發(fā)現(xiàn)的電流磁效應(yīng)可知，載流導(dǎo)線周圍存在磁場，其磁場強度與導(dǎo)體中的電流強度、導(dǎo)線形狀和磁介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。常導(dǎo)型磁體（conventional magnet）正是根據(jù)這一原理，由電流通過導(dǎo)線產(chǎn)生磁場，即用線圈導(dǎo)線中的恒定電流來產(chǎn)生MRI設(shè)備中的靜磁場B0，其磁力線與受檢人體長軸平行。

因此，常導(dǎo)型磁體實際上是某種類型的空芯電磁鐵，其線圈通常用銅線繞成。由于銅有一定的電阻率，故又有人將由這種線圈制成的磁體稱為阻抗型磁體（resistive magnet）。此型磁體大致可分為三種：空心磁體、鐵心磁體和電磁永磁混合型磁體。

為了產(chǎn)生較高的磁場強度和足夠的中空（有效檢查孔徑）直徑，往往數(shù)個線圈并用，例如常見的四線圈常導(dǎo)磁體（下圖）。該磁體由兩對大小不同的線圈組成，其中內(nèi)側(cè)的大線圈對、外側(cè)的小線圈對，四個線圈排布在一個球形空間上。圖中的箭頭代表磁場方向?！?/span>

常導(dǎo)型磁體優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、重量較輕、制造安裝容易，造價低廉，可隨時建立或卸掉靜磁場。但其磁場均勻性和穩(wěn)定性較差，受室溫影響大，開機后耗電量大（典型值80kW）并使磁體產(chǎn)生較多熱量，必須使用大量的循環(huán)水冷卻維持其運行，故運行費用較高，且其磁場強度亦較低（典型值0．23T），另外，線圈供電電源的波動將會直接影響磁場的穩(wěn)定，因而高質(zhì)量的大功率恒流電源是常導(dǎo)型MRI設(shè)備整機系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，目前僅有少數(shù)廠家還在生產(chǎn)常導(dǎo)型MRI設(shè)備。在我國電力資源豐富的地區(qū)，如產(chǎn)煤區(qū)的火力發(fā)電廠較多，配置常導(dǎo)型MRI設(shè)備比較適用。新研制的鐵芯（混合）阻抗磁體具有永久磁體和阻抗磁體的特征，綜合了它們的優(yōu)點。

3.2.3.3超導(dǎo)型磁體

在普通的導(dǎo)體中，大部分通過導(dǎo)體的電流由于電阻的原因變?yōu)闊崮埽蚨弧跋摹钡袅?，而由超?dǎo)材料制成的超導(dǎo)體最重要的特點是在特定條件下電流通過時其電阻為零。有一些類型的金屬（特別是鈦、釩、鉻、鐵、鎳），當將其置于接近絕對零度（零下273.2 攝氏度，標為0K）的超低溫時，其電阻為零，即處于超導(dǎo)工作狀態(tài)，這些具有超導(dǎo)性的物質(zhì)可稱其為超導(dǎo)體。以超導(dǎo)體為線圈材料制造的磁體稱為超導(dǎo)型磁體。

超導(dǎo)型磁體（super conducting magnet）是由電流通過超導(dǎo)體導(dǎo)線產(chǎn)生磁場，與常導(dǎo)型磁體的主要差別在于其導(dǎo)線由超導(dǎo)材料制成并將其置于液氦之中。超導(dǎo)體線圈的工作溫度在絕對溫標4.2K的液氦中獲得的超低溫環(huán)境，達到絕對零度（–273°C），此時線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，沒有電阻。當超導(dǎo)線圈在8K溫度下其電阻即等于零，液氦的沸點為77K。超導(dǎo)磁體配有一個勵磁電源，勵磁電流從勵磁電源發(fā)出通過超導(dǎo)磁體線圈循環(huán)流動，當電流上升到使磁場建立起預(yù)定的場強時，超導(dǎo)磁體開關(guān)閉合，勵磁電源斷開，電流在閉合的超導(dǎo)線圈內(nèi)幾乎無衰減地循環(huán)流動，產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、高場強的磁場。

3.2.3.4混合型磁體

混合型磁體（hybrid magnet）是利用上述兩種或兩種以上的磁體技術(shù)構(gòu)造而成的磁體。常見的是永磁型和常導(dǎo)型兩種磁體的組合。在永磁型磁體的兩個磁極上繞以銅質(zhì)線圈（繞線方向應(yīng)使其產(chǎn)生的磁場與固有的永磁場方向一致并疊加）便得到混合型磁體。

當線圈中通過激勵電流時，它所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場便會與原磁場相疊加、融合，使其倍增。極片的兩端仍以鐵磁材料相連，以提供磁力線的返回通路，減少雜散磁場。

無論哪一類型磁體，其共同點都是要產(chǎn)生盡可能強的、均勻的靜磁場。而它們的區(qū)別主要體現(xiàn)在各自的場強大小、磁場方向、磁場均勻性、整機功率和生產(chǎn)造價等方面。

3.2.4 MRI超導(dǎo)型磁體性能及其相關(guān)性

3.2.4.1絕對零度和超導(dǎo)電性

1908年荷蘭實驗物理學(xué)家昂內(nèi)斯成功地液化了地球上最后一種“永久氣體”——氦氣，并且獲得了接近絕對零度（零下273攝氏度，標為0K）的低溫：4.25K～1.15K（相當于零下攝氏度）。這樣低的溫度為超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供了有力保證。經(jīng)過多次實驗，1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K左右的低溫度時急劇下降，以致完全消失（即零電阻）。1913年他在一篇論文中首次以“超導(dǎo)電性”一詞來表達這一現(xiàn)象。由于“對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)獎。

3.2.4.2超導(dǎo)體的基本性質(zhì)及其性能指標

具有超導(dǎo)性的物質(zhì)就是超導(dǎo)體。

⑴完全導(dǎo)電性

物理學(xué)上把物質(zhì)進入超導(dǎo)狀態(tài)后電阻為零的性質(zhì)稱為完全導(dǎo)電性。完全導(dǎo)電性是對直流而言的，在交流情況下，超導(dǎo)體不再具有超導(dǎo)電性，它將出現(xiàn)能量損耗。

⑵完全抗磁性

給處于超導(dǎo)態(tài)的某物體外加一磁場，磁感線將無法穿透該物體，即保持超導(dǎo)體內(nèi)的磁通為零，稱為完全抗磁性，又稱為邁斯納效應(yīng)。

⑶超導(dǎo)體的性能指標

·臨界溫度（Tc）∶超導(dǎo)體從呈現(xiàn)一定電阻的正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮铻榱愕某瑢?dǎo)態(tài)時所處的溫度，稱為臨界溫度（Tc），又稱轉(zhuǎn)變溫度。臨界溫度是物質(zhì)的本征參量。物質(zhì)不同，其Tc值也不同。一般金屬的Tc極低。如水銀的Tc為4.2K，錫的Tc僅3.7K。

·臨界磁場（Hc）∶當外加磁場達到一定數(shù)值時，超導(dǎo)體的超導(dǎo)性即被破壞，物質(zhì)從超導(dǎo)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，這一磁場值即稱為臨界磁場。由此可見，超導(dǎo)體只有在臨界溫度和臨界磁場下才具有完全抗磁性和完全導(dǎo)電性。

·臨界電流（Ic）∶在一定的溫度和磁場下，當超導(dǎo)金屬中的電流達到某一數(shù)值后超導(dǎo)性會遭到破壞，這一數(shù)值就是臨界電流。超導(dǎo)物理中還把每平方厘米截面上可通過的最大電流值叫做臨界電流密度，用Ic表示。

⑷超導(dǎo)材料的應(yīng)用

具有低臨界轉(zhuǎn)變溫度（Tc＜30K），在液氦溫度條件下工作的超導(dǎo)材料，稱為低溫超導(dǎo)材料（low temperature superconducting material）。超導(dǎo)材料大致可分為純金屬，合金和化合物三類。目前，已發(fā)現(xiàn)近30種元素的單質(zhì)，8000多種化合物和合金具有超導(dǎo)性能。低溫超導(dǎo)材料由于Tc低，必須在液氦溫度下使用，運轉(zhuǎn)費用昂貴。

由于具有實用價值的低溫超導(dǎo)金屬NbTi（鈮鈦）合金優(yōu)良的超導(dǎo)電性和加工性能，其Tc 為9.3K，其使用已占低溫超導(dǎo)合金的95%左右。NbTi 合金可用多芯復(fù)合加工法加工成以銅（或鋁）為基體的多芯復(fù)合NbTi/Cu（鈮-鈦與銅）超導(dǎo)線材（其Tc為4.2K，即-268.80C），可用于制造MRI設(shè)備的超導(dǎo)磁體。

3.2.4.3超導(dǎo)磁體的構(gòu)成

超導(dǎo)磁體主要由超導(dǎo)螺線管線圈（簡稱超導(dǎo)線圈）、高真空超低溫杜瓦容器、以及附屬部件構(gòu)成。

⑴超導(dǎo)線圈

同常導(dǎo)型磁體一樣，超導(dǎo)磁體也由線圈中的電流產(chǎn)生磁場。超導(dǎo)磁體采用超導(dǎo)材料螺線管線圈、以及勻場線圈設(shè)計可達到MRI設(shè)備對靜磁場的磁場強度和均勻性的高標準要求，因此通常0.5T以上磁場強度的醫(yī)用人體MRI設(shè)備均采用超導(dǎo)磁體。

超導(dǎo)螺線管內(nèi)軸線上的磁感強度是勻強的；在磁介質(zhì)一定的前提下，其場強僅與線圈的匝數(shù)和流經(jīng)線圈的電流強度有關(guān)。因此，改變超導(dǎo)磁體螺線管線圈的匝數(shù)或電流均可使其所產(chǎn)生磁場的磁場強度發(fā)生變化。

為了固定超導(dǎo)線圈繞組的線匝，并防止其滑動，要用低溫特性優(yōu)良的環(huán)氧樹脂澆灌、固定、封裝繞好的超導(dǎo)線圈繞組，環(huán)氧樹脂封裝超導(dǎo)線圈繞組的強度需要確保其能夠抵抗并承受勵磁過程中線圈整體受到的徑向和軸向的擠壓力，而不發(fā)生位移。

超導(dǎo)螺線管線圈繞組前后兩個端點處，場強將減小為其最大值即線圈中心磁場強度值的50%。因此需要進行場強校正，即在線圈繞組前后兩端適當增加匝數(shù)以補償兩端的磁場強度，確保螺線管內(nèi)部軸線方向上、盡可能長的范圍內(nèi)的縱向磁場的磁場強度能夠做到處處相等。超導(dǎo)線圈正常工作后，就獲得了穩(wěn)定的主磁場（B0），它是質(zhì)子發(fā)生磁共振的基本條件。

⑵杜瓦容器

超導(dǎo)線圈須浸泡在高真空、全密封、超低溫、液氦杜瓦容器中方能工作，其磁體制造工藝比較復(fù)雜，定期補充液氦也給用戶帶來一定的消耗成本。

⑶附屬部件

為確保杜瓦容器和超導(dǎo)線圈安全穩(wěn)定地運行，設(shè)置有致冷劑（液氮和液氦）液面計、超導(dǎo)開關(guān)、勵磁和退磁電路、失超控制和安全保護電路等附屬部件。

3.2.4.4超導(dǎo)環(huán)境的建立

超導(dǎo)線圈的材料鈮-鈦與銅的多芯復(fù)合超導(dǎo)線材的Tc為4.2K (-268.80C)，因此必須將其浸泡在液氦里才能保證其以超導(dǎo)體方式正常工作。MRI磁體超導(dǎo)環(huán)境的建立需要經(jīng)歷下述三個步驟：

⑴抽真空

環(huán)形真空絕熱層是超導(dǎo)磁體的重要保冷屏障，其保冷性能主要決定于它的真空度。由分子泵和機械泵組成的真空泵組，能使超導(dǎo)磁體內(nèi)的真空度達到10-6~10-7mbar，以保證超導(dǎo)磁體的真空絕熱性能。

⑵磁體預(yù)冷

磁體預(yù)冷是指用致冷劑將杜瓦容器（磁體）內(nèi)的溫度分別降至其工作溫度的過程。磁體預(yù)冷過程分為兩個階段，需要消耗大量的液氮和部分液氦。第一階段將價格相對便宜的液氮直接導(dǎo)入磁體內(nèi)部預(yù)冷至77K（-196℃）。液氮預(yù)冷完成后，第二階段再改用價格相對昂貴的液氦，將其不間斷地導(dǎo)入磁體內(nèi)部，用液氦氣化產(chǎn)生的壓力將磁體內(nèi)部的液氮全部“吹走”、“吹”干凈，同時將磁體內(nèi)部溫度從77K進一步預(yù)冷到液氦的沸點溫度4.2K（-268.8℃，與室溫相差近300℃）。

⑶灌滿液氦

磁體預(yù)冷到4.2K后，液氦氣化減弱，液氦開始駐留在磁體內(nèi)部，直至將磁體灌滿，一般可罐充到滿容量的95％左右，剩余空間屬于液氣兩相的平衡面和氦氣的空間。在4.2K這一臨界溫度下，超導(dǎo)線圈將實現(xiàn)從正常態(tài)至超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)環(huán)境從而建立起來。

3.2.4.5勵磁

勵磁又叫充磁，是指超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在磁體勵磁電源的控制下逐漸給超導(dǎo)線圈施加電流，從而建立預(yù)定靜磁場的過程。勵磁一旦成功，超導(dǎo)磁體就將在不消耗能量的情況下，提供強大的、高度穩(wěn)定的勻強磁場。典型的超導(dǎo)勵磁電源為10V，4000A，要求優(yōu)質(zhì)的電流穩(wěn)定度。勵磁電流沿著一對銅制電流輸送排從勵磁電源系統(tǒng)被送往位于磁體上方的超導(dǎo)線圈頸管聯(lián)接處為超導(dǎo)線圈“充電”、充磁。

3.2.4.6失超

⑴失超

所謂失超，即超導(dǎo)體變?yōu)閷?dǎo)體，溫度急劇升高，液氦大量揮發(fā)，磁場強度迅速下降，不過，現(xiàn)代磁體設(shè)計相應(yīng)的防范監(jiān)控系統(tǒng)，以使運行中失超的可能性降低。

在勵磁或工作過程中，一旦超導(dǎo)體因某種原因突然失去超導(dǎo)特性而進入正常態(tài)，即失超。引起失超的因素很多：磁體結(jié)構(gòu)和線圈組份、超導(dǎo)材料性能不穩(wěn)定、磁體超低溫環(huán)境被破壞、以及人為因素等。常見的失超有如下五類情況：

第一類：勵磁時充磁電流超過額定值或者充磁電流增加速度過快均會導(dǎo)致超導(dǎo)線圈整體受到徑向和軸向的電磁擠壓力使得浸漬于線圈繞組之間的環(huán)氧樹脂局部開裂，此變形能的釋放會轉(zhuǎn)化為熱能，從而引發(fā)失超。

第二類：灌注液氦速度過快以及輸液管尚未完全冷卻到4.2K溫度時就將其插入磁體輸液孔內(nèi)，會引起杜瓦容器內(nèi)液氦沸騰，迅速氣化并噴發(fā)而出，導(dǎo)致超導(dǎo)環(huán)境遭到破壞，從而引發(fā)失超。

第三類：磁體杜瓦容器中的液氦液面降到一定限度(各廠家規(guī)定的液氦低限容量不等，一般極限經(jīng)驗值是滿容量的30％)時，如果仍未按規(guī)定及時補充，則會導(dǎo)致失超。

第四類：磁體的真空隔溫層真空環(huán)境破壞后，發(fā)生失超是肯定無疑的。

第五類：誤操作緊急失超開關(guān)造成“意外”失超。

⑵失超與和去磁

失超和磁體去磁是兩個完全不同的概念。去磁只是通過磁體特殊設(shè)計的超導(dǎo)線開關(guān)電路慢慢泄去其儲存的巨大能量（一個1.5T的磁體在勵磁后所儲存的磁場能量高達5MJ），使線圈電流逐漸減小為零，但線圈仍然浸泡在磁體杜瓦容器的液氦中，因此仍處于超導(dǎo)態(tài)。去磁一般是需要將MRI設(shè)備移機、拆除、或遇緊急情況時所主動做的工作。失超則是被動的，并且后果很嚴重，失超后不僅磁場消失，而且線圈失去超導(dǎo)性，會將電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能。失超開始點總要經(jīng)受最高溫升，此局部溫升既可能破壞磁體超導(dǎo)螺線管線圈繞組的絕緣，又可能熔化超導(dǎo)體，并且引起液氦急劇氣化，嚴重時甚至引發(fā)接口爆裂、磁體“爆炸”而破壞整個磁體，并威脅磁體間中人員和財產(chǎn)的安全。

3.2.4.7失超的預(yù)防保護措施

失超后的線圈不可能從磁體中取出更換，只能重建其超導(dǎo)環(huán)境、勵磁后繼續(xù)使用，但是因為失超過后的線圈已經(jīng)遭到某種程度的破壞，其再次發(fā)生失超的可能性增加，甚至形成“習(xí)慣性”失超的惡果，因此建立失超的預(yù)防和保護系統(tǒng)是十分重要的，首先通過傳感器、探測器實時監(jiān)控磁體的狀態(tài)，同時建立勵磁時的失超保護、以及超導(dǎo)建立并運行后的失超保護等防范措施。

⑴磁體監(jiān)控和保護措施

磁體監(jiān)控裝置實時監(jiān)控測量磁體線圈溫度、應(yīng)力、液氦液位、真空度、流量、杜瓦容器壓力等參數(shù)值的變化。在磁體杜瓦容器里，安裝液位計和加熱器，用于測量和控制液氦液位高度，鉑－鈷合金溫度計用于檢測液氦溫度；碳玻璃纖維溫度計用于檢測從液氮至室溫段的溫度。將應(yīng)變片安裝在超導(dǎo)線圈的徑向和軸向支撐桿上，用于監(jiān)測線圈的偏移和受力情況；超導(dǎo)線圈上下各安裝一個失超探測器。為了診斷失超部位及研究其傳播速度，還需要引出若干電壓抽頭引線，實時監(jiān)測超導(dǎo)螺線管線圈繞組各個節(jié)段的失超電壓。在杜瓦容器的真空抽口附近還要安裝檢驗滲漏的氦傳感器，以及真空計、壓力表等。

⑵失超管（quench tube）

失超管是超導(dǎo)磁體不可缺少的一部分。它匯集了磁體的所有氣體揮發(fā)管口，從磁體上端直通磁體間建筑外大氣中。平時，失超管的作用就是排除廢氣。一旦失超，磁體杜瓦容器中近2000升液氦揮發(fā)的全部氦氣（每升液氦可氣化為1.25m3氦氣）將從失超管噴出。如果失超管設(shè)計尺寸不足、鋪設(shè)路徑不合理、不通暢、甚至堵塞，磁體因內(nèi)部壓力快速增高而被損壞的可能性將增大。

⑶氧監(jiān)測器和應(yīng)急排風機

氦氣的比重小于空氣，而氮氣又重于空氣，所以補充致冷劑或失超后上述兩種氣體的泄漏有可能充滿磁體間的所有空間，使人窒息。因此，要求在磁體間安裝氧監(jiān)測裝置和應(yīng)急排風機。并且應(yīng)急排風機的開關(guān)可由氧監(jiān)測裝置自動控制，當磁體間氧含量低于設(shè)定濃度值時，應(yīng)急排風機將自動打開，當發(fā)生磁體失超或氦氣泄漏時，可保障仍然滯留在磁體間內(nèi)人員的安全。

⑷緊急失超開關(guān)

緊急失超開關(guān)又稱為磁體急停單元（Emergency Run-Down Unit ，ERDU），是人工強制主動失超的控制開關(guān)，裝于磁體間內(nèi)靠近門口的墻上，其作用是在緊急和危險情況下迅速使靜磁場削減為零。該開關(guān)僅用于地震、火災(zāi)和危及受檢者生命等突發(fā)事件時使用。出于安全考慮，可在失超按鈕上加裝隔離罩。需要嚴格控制進出磁體間的人員對該開關(guān)的非正常操作。

⑸除須具備上述失超保護電路和措施之外，每位MRI技師和工程師還必須每日例行如下工作：第一：觀察和記錄液氦水平和磁體壓力，液面下降到一定數(shù)值（例如60%）時要立即通知液氦供應(yīng)商前來灌裝。第二：例行磁體各對外管口的常規(guī)檢查。磁體上方各排氣管路應(yīng)保持暢通，以免容器內(nèi)壓力升高而導(dǎo)致失超。各輸液口應(yīng)密封完好，發(fā)現(xiàn)結(jié)冰要立即處理。通向室外的失超管應(yīng)有防塵措施，并定期清理，防止堵塞。

⑹失超后需要重新抽真空、液氮預(yù)冷、灌注液氦、勵磁等過程重建超導(dǎo)環(huán)境，其直接經(jīng)濟損失約50－70萬元人民幣。

超導(dǎo)型磁體的出現(xiàn)，既滿足磁共振成像對高磁場強度的追求和需要，顯著提升磁共振成像的質(zhì)量，又使磁場在均勻性和穩(wěn)定性等方面的性能得以改善。超導(dǎo)磁體的優(yōu)點：磁場強度高（動物成像可高達17.6T，臨床成像常用的一般為0.15T～3.0T，人體成像目前可高達9.4T），超導(dǎo)磁體的磁場穩(wěn)定（磁場強度漂移小于0.1ppm/h），磁場均勻度高，幾乎不受環(huán)境溫度的波動影響，超導(dǎo)線圈不持續(xù)消耗電能，容易獲得高分辨率、高信噪比、高質(zhì)量的MR影像，能進行磁共振波譜分析及功能性磁共振成像等一些研究項目。當然超導(dǎo)磁體也有一些缺點：如維持運行費用較高，需要持續(xù)消耗一定量的液氦（近年來，隨著冷頭技術(shù)的不斷進步超導(dǎo)磁體液氦消耗水平呈不斷下降趨勢）；磁體的構(gòu)造和工藝復(fù)雜，整機價格昂貴；對操作者和管理者技術(shù)水平的要求很高；特殊情況下當線圈溫度超過8K時可能發(fā)生失超的危險。