核磁共振成像超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)方法研究

王軼楠

（上海東軟醫(yī)療科技有限公司，上海 200241）

核磁共振成像關(guān)鍵部分磁體部分，主磁體使用最為廣泛的為超導(dǎo)磁體，當(dāng)在超導(dǎo)情況下，導(dǎo)體流過的電流沒有電阻損耗，也不會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體溫度升高。超導(dǎo)體因?yàn)榫哂性谕ㄈ霃?qiáng)大電流時(shí)而產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)，同時(shí)在當(dāng)外部電流切斷后，超導(dǎo)體內(nèi)部任然保持電流，所以超導(dǎo)磁場(chǎng)具有極為穩(wěn)定的性能，所以超導(dǎo)磁體在核磁共振系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛。

1 超導(dǎo)磁體

超導(dǎo)磁體是一種使用超導(dǎo)材料制成在低溫狀態(tài)下具有高溫度轉(zhuǎn)變線圈的電磁體，其具有無電阻損耗和磁損耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)超導(dǎo)材料還具有較高的電流密度，從而使其超導(dǎo)磁體具有體積小、重量輕的特點(diǎn)。

2 超導(dǎo)磁體在MRI 中的影響因素

MRI 超導(dǎo)磁體是核磁共振成像的基礎(chǔ)磁場(chǎng)，成像區(qū)域、磁場(chǎng)均勻度、中心磁場(chǎng)強(qiáng)度以及雜散場(chǎng)四個(gè)技術(shù)要求為其MRI 磁導(dǎo)體磁場(chǎng)的基本要求。

2.1 成像區(qū)域

成像區(qū)域?yàn)楹舜糯朋w內(nèi)部的均勻的磁場(chǎng)區(qū)域，主要表現(xiàn)為一個(gè)球形區(qū)域，但又可根據(jù)檢測(cè)物件的大小、形狀，從而磁場(chǎng)區(qū)域的形狀也可進(jìn)行改變。在用于人體成像的MRI 設(shè)備中，成像區(qū)域一般要求與磁體中心同心。

2.2 中心磁場(chǎng)強(qiáng)度

MRI 中心磁場(chǎng)強(qiáng)度指成像空間區(qū)域中心位置的靜磁感應(yīng)強(qiáng)度，基礎(chǔ)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度直接關(guān)系到MRI 圖像的信噪比，如感應(yīng)強(qiáng)度值過低將直接導(dǎo)致核磁的成像?，F(xiàn)今的人體成像超導(dǎo)基礎(chǔ)磁場(chǎng)強(qiáng)度一般為1.5T、5T，更高的7T、8T 多用于實(shí)驗(yàn)室的研究使用。

2.3 磁場(chǎng)均勻度

磁場(chǎng)均勻度為磁體成像空間磁場(chǎng)的同一性，MRI 成像區(qū)域中的磁場(chǎng)均勻度越好，核磁成像的質(zhì)量就越高，磁場(chǎng)的均勻度主要表示單位為ppm，該單位是以主磁場(chǎng)的一個(gè)偏差單位定量。MRI 一般的成像磁場(chǎng)均勻度不得小于10ppm。

2.4 雜散場(chǎng)范圍

雜散場(chǎng)為磁體向空間各個(gè)方向散布的磁場(chǎng)，雜散場(chǎng)會(huì)對(duì)周圍的磁敏感設(shè)備產(chǎn)生干涉，使其不能夠正常進(jìn)行工作，而這種影響在5 高斯線內(nèi)表現(xiàn)最明顯，當(dāng)超出5 高斯線外后影響逐漸減弱。所以，MRI 的超導(dǎo)磁體常常采用屏蔽結(jié)構(gòu)，因?yàn)槌瑢?dǎo)磁場(chǎng)擁有強(qiáng)大的電流密度和高磁場(chǎng)強(qiáng)度特點(diǎn)，其雜散場(chǎng)的影響范圍非常大。

3 MRI 超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)方法

MRI 超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)要綜合考慮磁體線圈的最大外徑、最小外徑、最大軸向長(zhǎng)度、雜散場(chǎng)影響范圍、磁場(chǎng)均勻度以及電流運(yùn)行和磁場(chǎng)應(yīng)力。其設(shè)計(jì)主要方法為兩種，直接擇優(yōu)法和線性規(guī)劃算法設(shè)計(jì)，直接擇優(yōu)法是通過預(yù)先選定的超導(dǎo)磁體線圈結(jié)構(gòu)和工作電流，對(duì)磁體線圈結(jié)構(gòu)的初始值不進(jìn)行設(shè)定，然后進(jìn)行擇優(yōu)選擇。線性規(guī)劃算法設(shè)計(jì)主要是將磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，在可行載流區(qū)內(nèi)劃分規(guī)則規(guī)矩網(wǎng)格，最后進(jìn)行等效模型求解。

3.1 磁體系統(tǒng)的組成

MRI 設(shè)備的磁體系統(tǒng)包含有磁體、勻場(chǎng)線圈、梯度線圈以及發(fā)射和接受線圈組成。磁體、勻速線圈、梯度線圈各自連接自己電源，形成磁體電源。勻速線圈主要是提高磁場(chǎng)的均勻性，梯度線圈主要是提高檢測(cè)物體空間分辨率、空間定位、層面選擇成像問題，發(fā)射和接收線圈主要用于發(fā)射射頻脈沖以激發(fā)被檢測(cè)體產(chǎn)生的MR 信號(hào)。

3.2 超導(dǎo)線圈設(shè)計(jì)

超導(dǎo)磁體是用超導(dǎo)材料螺旋管線圈，可使MRI 設(shè)備靜磁場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性要求的磁場(chǎng)，一般醫(yī)學(xué)用MRI 設(shè)備采用的超導(dǎo)磁體為0.5 以上。磁場(chǎng)的強(qiáng)度直接與線圈的匝數(shù)以及流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度有關(guān)。所以，線圈對(duì)超導(dǎo)磁場(chǎng)具有重大關(guān)系，為防止超導(dǎo)線圈滑動(dòng)，可以使用具有極強(qiáng)耐低溫的環(huán)氧樹脂進(jìn)行澆灌固定，同時(shí)要保證環(huán)氧樹脂固定的線圈能夠抗擊磁場(chǎng)中線圈產(chǎn)生的各種擠壓力。超導(dǎo)線圈的兩個(gè)端點(diǎn)位置其磁場(chǎng)強(qiáng)度只有線圈中心的一般強(qiáng)度，為保證磁場(chǎng)的強(qiáng)度，必須對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行校正，通過增加線圈兩端的匝數(shù)，進(jìn)行對(duì)線圈兩端磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償，使其螺旋管內(nèi)部縱向磁場(chǎng)強(qiáng)度均勻相等，從而獲得穩(wěn)定的磁場(chǎng)環(huán)境。

3.3 超導(dǎo)環(huán)境的建立

MRI 超導(dǎo)磁體因?yàn)椴牧系奶厥庑?，建立超?dǎo)環(huán)境需要進(jìn)行特殊的手段進(jìn)行保證。高真空環(huán)境，一般要求MRI 超導(dǎo)磁體的真空度要求10-6mbar，以保證形成覺得的保冷屏障，進(jìn)而能夠保證超導(dǎo)的真空絕熱性能；預(yù)冷磁體，超導(dǎo)磁場(chǎng)因?yàn)槠涮厥庑?，必須在深冷溫度下進(jìn)行工作，所以磁體的預(yù)冷至關(guān)重要，首先將磁體侵入77K 的液氮中，將磁體預(yù)冷到77K左右。然后再將磁體侵入到4.2K 的液氦中，將磁體內(nèi)部近一步的預(yù)冷到4.2K；深冷介質(zhì)浸泡，磁體進(jìn)行預(yù)冷后，磁體需要在4.2K 溫度下的液氦進(jìn)行浸泡，使其超導(dǎo)線圈能夠從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)為超導(dǎo)狀態(tài)。

3.4 磁場(chǎng)均勻度

MRI 的磁場(chǎng)均勻度要求極高，因?yàn)榇艌?chǎng)的均勻度直接影響圖像的空間分辨率，如均勻度較差將導(dǎo)致圖紙成像模糊。磁場(chǎng)的均勻度由磁體本身與外部環(huán)境決定，其穩(wěn)定性與磁體類型和設(shè)計(jì)質(zhì)量密切相關(guān)，磁場(chǎng)的均勻度越低磁體成像區(qū)域越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度的穩(wěn)定是衡量著時(shí)間漂移程度。磁場(chǎng)的均勻度強(qiáng)度的漂移對(duì)重復(fù)測(cè)量的回波信號(hào)的相位產(chǎn)生影響，直接關(guān)系圖像失真、信噪比下降。

磁場(chǎng)均勻度的表示方法ppm 值，以1.5TMRI 為例，一個(gè)偏差單位的1ppm 所代表的磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.5×10-6T,其測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是采用磁體中心同心的、直徑一定的球體空間作為測(cè)量范圍，與其測(cè)量空間大小和形狀有關(guān)。

3.5 磁場(chǎng)的穩(wěn)定性能

磁場(chǎng)的穩(wěn)定特性受外部環(huán)境中的磁體性質(zhì)、外界環(huán)境溫度及濕度、超導(dǎo)線圈電流等客觀因素的影響，磁場(chǎng)的穩(wěn)定性是衡量磁場(chǎng)強(qiáng)度值變化的技術(shù)指標(biāo)，如果磁場(chǎng)的穩(wěn)定性下降，即磁場(chǎng)內(nèi)部的變化率上升，進(jìn)而直接影響圖像成像的質(zhì)量。

磁場(chǎng)的穩(wěn)定性有熱穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性兩種，因?yàn)榇艌?chǎng)的穩(wěn)定性會(huì)隨時(shí)間的變化而受影響，同時(shí)還受溫度的變化而進(jìn)行變化。受其影響最大的是常規(guī)磁體或者永磁體，而超導(dǎo)磁體在熱穩(wěn)定與時(shí)間穩(wěn)定性上表現(xiàn)優(yōu)異。磁場(chǎng)的變化專業(yè)術(shù)語為漂移，其一般設(shè)定為1 小時(shí)或者數(shù)小時(shí)內(nèi)限度的磁場(chǎng)變化，MRI 磁場(chǎng)的漂移值不一般要求在2 小時(shí)內(nèi)的短期漂移小于5ppm，在8 小時(shí)內(nèi)長(zhǎng)期的漂移值不得大于10mmp。

3.6 磁場(chǎng)邊緣場(chǎng)

邊緣磁場(chǎng)是指發(fā)散到外部周圍的磁場(chǎng)，其強(qiáng)度值主要受空間位置影響，當(dāng)磁體與空間點(diǎn)的距離逐漸增大時(shí)，邊緣場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)度值逐漸降低，同時(shí)因?yàn)檫吘増?chǎng)是磁體從原點(diǎn)中心向外部空間散發(fā)，所以邊緣場(chǎng)具有對(duì)稱性。邊緣場(chǎng)的分布常常使用等高斯線圖表示，等高斯線圖是一種接近于橢圓的同心閉環(huán)曲線，又因不同磁體的雜散場(chǎng)強(qiáng)度不同，即對(duì)應(yīng)的高斯線圈也不同。邊緣場(chǎng)的強(qiáng)度大小常常限制在5 高斯線空間內(nèi)，5 高斯線邊緣內(nèi)嚴(yán)禁其他人員進(jìn)入，研究表明邊緣場(chǎng)對(duì)外部人員及電子設(shè)備可能具有傷害或者破壞，所以一般對(duì)邊緣場(chǎng)采取磁體屏蔽和抑制措施，用以縮小邊緣場(chǎng)的空間范圍。邊緣場(chǎng)的抑制措施通常采用無源屏蔽與有源屏蔽兩種方法，無源屏蔽是通過給磁體外部增加一層后密度的材料（軟鐵）從而屏蔽外部磁場(chǎng)；有源屏蔽法是對(duì)邊緣場(chǎng)進(jìn)行仔細(xì)核算后，然后在使用幾組有源線圈形成與邊緣場(chǎng)大小相等、方向相反的場(chǎng)強(qiáng)，從而有效地抵消磁體向外發(fā)散的磁力線，從而抑制邊緣場(chǎng)的范圍。

4 結(jié)語

本文簡(jiǎn)要地分析了MRI 中超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)方法與要求，而超導(dǎo)磁體是MRI 設(shè)備中核心的硬件設(shè)備，而影響MRI 超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)的因素包含超導(dǎo)線圈的設(shè)計(jì)、磁場(chǎng)的均勻度、磁場(chǎng)的穩(wěn)定性以及磁場(chǎng)的邊緣場(chǎng)等，超導(dǎo)磁體的出現(xiàn)，滿足了核磁共振成像的高磁場(chǎng)強(qiáng)度要求，同時(shí)還極大地改善了磁場(chǎng)的均勻性能與磁場(chǎng)的穩(wěn)定性能，使核磁成像的質(zhì)量得到了顯著的提高。