磁共振成像基本原理及臨床應用

蔣秉梁 王曉堂

1 磁共振成像概述

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是一種物理現(xiàn)象，又稱為核磁共振(MR)。MR是生物磁自旋成像技術，它是利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內，經射頻脈沖激發(fā)后產生信號，經過數(shù)模轉換后輸入計算機，最后經過圖像處理轉換方能在屏幕上看到圖像。MRI所提供的信息量大于目前醫(yī)學影像學中的其他成像技術，且其成像方式不同于已有的成像技術，因此，MR檢查對疾病的診斷具有極大的優(yōu)越性。MRI圖像可以直接作出患者的橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，不會產生例如CT檢測中的偽影；不需注射造影劑；無電離輻射，對人體沒有不良影響。

2 MRI的磁體按照硬件分類

MRI的磁體分為永磁型磁體、常導型磁體和超導型磁體3種，不同的磁體直接關系到磁場強度、均勻度和穩(wěn)定性，并影響MRI的圖像質量。通常是用磁體類型來說明MRI設備的類型，比如永磁MR、常導MR、超導MR。

(1)永磁型主磁體由多個永磁材料制成的磁塊按照設計的空間分布拼接而成，目前絕大多數(shù)永磁型MRI為低場強開放式，永磁型主磁體通常采用U形臂或C形臂或雙立柱來支撐，一般由上下2組磁體構成，2組磁體之間的空間距離成為患者的檢查空間。

(2)常導型磁體的線圈導線采用普通導電性材料(通常是銅線)，由于耗能大，對電源穩(wěn)定性要求較高，目前已經被永磁性磁體和超導型磁體取代。

(3)超導磁體，其線圈采用超導材料制成，將其置于接近絕對0度的超低溫環(huán)境中，因此，導線內的電阻抗幾乎為0。線圈一旦通電后在無需繼續(xù)供電的情況下導線內的電流一直存在，并產生穩(wěn)定的磁場，目前超導磁體幾乎為中高場強的MRI。在磁介質不變的前提下，其磁場強度主要取決于線圈的匝數(shù)和電流，超導磁體多采用螺線管線圈，在磁體的兩端增加線圈匝數(shù)來增減磁場強度。最常見的磁體為圓筒型磁體，圓筒型磁體產生的磁場通常為水平磁場，磁力線與人體長軸平行。按照場強大小，MRI可分為4類，0.5 T以下的MRI儀稱為低場機；0.5～1.0 T的稱為中場機；1.0～2.0 T的稱為高場機(1.5 T為代表)；＞2.0 T的稱為超高場機(3.0 T為代表)。MRI設備基本結構如圖1所示。

圖1 MRI設備基本結構示意圖

3 MRI設備的主要系統(tǒng)

3.1 MRI的梯度系統(tǒng)

梯度系統(tǒng)作為核磁共振的一個非常重要的硬件，是由梯度線圈、梯度放大器、梯度控制器、數(shù)模轉換器、梯度冷卻系統(tǒng)組成。梯度系統(tǒng)是產生線性變化的梯度磁場，梯度磁場的作用主要有施加擴散敏感梯度場，用于水分子擴散加權成像；進行MRI信號的空間定位編碼；進行流動補償；產生MRI回波，磁共振回波信號是由梯度場切換產生的；進行流動液體的流速相位編碼等。

GE signa 1.5 T磁共振在使用過程中曾出現(xiàn)梯度線圈磁場報錯等掃描無法進行的故障。檢索錯誤信息日志，提示的錯誤信息是X軸，檢查梯度電源柜，X軸電源柜有紅燈報警，懷疑為軟故障，大關機后重新啟動系統(tǒng)，自檢程序提示X軸報錯，無法進入掃描程序。打開X軸電源柜后，檢查發(fā)現(xiàn)是X軸的電源控制部分故障，拆下電路控制板后經過維修、更換了元器件，梯度工作和掃描均正常。類似同樣故障在Y軸和Z軸上也出現(xiàn)過。采用同樣的方法均得以解決。在Philips gyroscan 1.5 T的使用過程中也出現(xiàn)過梯度報錯，掃描無法進行的故障。該設備采用雙梯度技術，有一套梯度線圈(X、Y、Z軸上各有一個線圈)，而梯度放大器確有2套。檢查梯度電源柜，發(fā)現(xiàn)X軸的一個梯度電源柜error燈亮，采用替換法，將Z軸的2號梯度柜置換到X軸報錯的梯度柜，選定好撥碼開關的位置開機，定位相能掃描。T1能掃描而T2無法掃描，無法達到臨床的使用要求。拆卸X軸梯度電源柜檢查發(fā)現(xiàn)，并非控制部分故障而是電源部分故障，將懷疑損壞的元器件更換后，電源柜正常工作，掃描正常。

3.2 MRI的射頻系統(tǒng)

MRI的射頻系統(tǒng)是由射頻發(fā)生器、射頻放大器和射頻線圈等構成，射頻發(fā)射器與MR信號接收器為射頻系統(tǒng)，射頻發(fā)射器是為了產生臨床檢查目的不同的脈沖序列，以激發(fā)人體內氫原子核產生MR信號。脈沖序列發(fā)射完全在計算機控制之下。在所有的射頻線圈中只有一個線圈即安裝在主磁體內的體線圈(body coil)，其他的線圈需要操作者擺放于不同的檢查部位，理論上所有的線圈均可以作為發(fā)射線圈和接收線圈，但是絕大多數(shù)表面線圈發(fā)射的磁場很不均勻，通常不用作發(fā)射線圈，只作為接收線圈，發(fā)射線圈的工作是由安裝于主磁體內的體線圈來承擔。體線圈和頭顱正交線圈發(fā)射的射頻場及接收的穿透力在整個線圈容積內非常均勻，因此既可作為發(fā)射線圈又可同時作為接收線圈。

MRI在使用過程中出現(xiàn)的射頻線圈故障，多數(shù)是由于線圈的插頭和主線長時間的頻繁使用，插針松動或者主線斷的故障，經過測量則可查出故障所在并可解決其問題。射頻電源柜的故障是出現(xiàn)在Philips gyroscan 1.5 T這臺機器上的，掃描定位相出現(xiàn)提示射頻放大器故障錯誤。檢查error log后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)一共報了以下故障；Fault 97 AVerage Power Trip；Fault 26 IPA Bias Low。大關機后重啟系統(tǒng)。排除軟故障后，確定是射頻電源柜的問題，經過仔細的檢查發(fā)現(xiàn)射頻電源柜內部的升壓電容出現(xiàn)故障，更換配件后，恢復正常。

3.3 MRI的計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)屬于MRI儀的大腦，控制著MRI儀的射頻脈沖激發(fā)、信號采集、數(shù)據(jù)運算和圖像顯示等功能。其中主要系統(tǒng)順序分別為：①掃描控制系統(tǒng)(scan control processor，SCP)，產生序列脈沖的全部硬件開關信號，控制全部硬件(射頻、梯度、采樣、重建)的開始及結束時間點；②定位引起的坐標旋轉變換，對應梯度的控制，以及對序列相關調試系統(tǒng)(sequence related function，SRF)的觸發(fā)控制。③SRF負責序列中梯度系統(tǒng)渦流校正補償及對梯度的觸發(fā)控制；④發(fā)射射頻控制器(interface related function，IRF)負責主時鐘的同步，控制發(fā)射射頻系統(tǒng)中心頻率、起始中止時間、相位調制以及信號強度；⑤數(shù)字濾波器(digital receiver filter，DRF)，對由IRF發(fā)送來的采集數(shù)據(jù)，進行頻率解調，去除掉載波頻率，同時還進行一定的降噪處理；⑥采樣處理子系統(tǒng)(acquisition processing subsystem，APS)，根據(jù)主機序列所對應的掃描參數(shù)，負責對采集的數(shù)據(jù)按空間順序、層面關系及平均次數(shù)排列組合，并把排好的空間發(fā)給重建處理器；⑦Reflex AP重建處理器。專門負責對原始數(shù)據(jù)進行傅立葉變換。

3.4 MRI的主控計算機系統(tǒng)

主控計算機系統(tǒng)的故障率一般很低，只要注意平時的保養(yǎng)和除塵即可。GE signa 1.5 T主控計算機出現(xiàn)過主機開機后報警，一長兩短的報警聲音，判斷是顯卡不啟動的故障，更換了同型號的顯卡后，工作正常。Philips gyroscan 1.5 T曾經在掃描過程中出現(xiàn)軟件故障，系統(tǒng)提示內部錯誤，重新安裝軟件后恢復正常。注意在恢復軟件的安裝過程中，首先要做好患者資料的備份，并確保主機的光驅和MO均屬正常。根據(jù)提示，在主控計算機內部有2個硬盤，數(shù)據(jù)盤和系統(tǒng)盤，選擇好系統(tǒng)盤安裝即可。Philips gyroscan 1.5 T還出現(xiàn)過一次傳輸患者信息至PACS時穿一半就報錯，經查是數(shù)據(jù)盤有壞道，更換數(shù)據(jù)盤，進入軟件做reinstall，等待750 s后進入系統(tǒng)，一切正常。當系統(tǒng)出現(xiàn)重建圖像不完全報錯的時候，重新格式化數(shù)據(jù)盤是一種比較有效的方法。

除了本文前面介紹的4大系統(tǒng)外，MRI儀還需要一些輔助設施方能構成一個完全的系統(tǒng)，MRI儀輔助設施主要包括：①檢查床及定位系統(tǒng)，用于檢查時承載患者，并進行患者的精確定位；②液氦及水冷系統(tǒng)，超導磁體需要浸泡在超低溫的液氦密封罐中，本院的2臺MRI均為1～2年更換1次液氦。梯度系統(tǒng)等則需要水冷卻系統(tǒng)進行降溫；③圖像傳輸、存儲及膠片處理系統(tǒng)，MRI主設備能夠存儲的圖像是有限的，因此患者的圖像資料需要存儲到其他設備上，圖像的存儲可以在主機上進行光盤的刻錄或者傳輸?shù)絇ACS等其他存儲設備上。圖像需要用相機打印出來膠片，以便于臨床診斷的需要。

4 結語

醫(yī)院的維修工程師應掌握MRI系統(tǒng)的日常維護與發(fā)生故障的相關性。MR系統(tǒng)的任何部分出現(xiàn)故障都能導致不掃描，造成停機后無法掃描患者。目前做的最多的保養(yǎng)大多數(shù)是系統(tǒng)的外圍部分，如制冷機組、系統(tǒng)電源是巡視和維護的重點。對于MR系統(tǒng)任何部分所出現(xiàn)的不正?，F(xiàn)象，查看系統(tǒng)的ERROR LOG,認真分析錯誤代碼所提示的內容，防止釀成大的故障和損壞。做好認真全面的日常保養(yǎng)對減少故障性停機是一種非常有效的方法。

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