磁共振成像基本原理及临床应用

蒋秉梁 王晓堂

1 磁共振成像概述

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是一种物理现象，又称为核磁共振(MR)。MR是生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过数模转换后输入计算机，最后经过图像处理转换方能在屏幕上看到图像。MRI所提供的信息量大于目前医学影像学中的其他成像技术，且其成像方式不同于已有的成像技术，因此，MR检查对疾病的诊断具有极大的优越性。MRI图像可以直接作出患者的横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生例如CT检测中的伪影；不需注射造影剂；无电离辐射，对人体没有不良影响。

2 MRI的磁体按照硬件分类

MRI的磁体分为永磁型磁体、常导型磁体和超导型磁体3种，不同的磁体直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，并影响MRI的图像质量。通常是用磁体类型来说明MRI设备的类型，比如永磁MR、常导MR、超导MR。

(1)永磁型主磁体由多个永磁材料制成的磁块按照设计的空间分布拼接而成，目前绝大多数永磁型MRI为低场强开放式，永磁型主磁体通常采用U形臂或C形臂或双立柱来支撑，一般由上下2组磁体构成，2组磁体之间的空间距离成为患者的检查空间。

(2)常导型磁体的线圈导线采用普通导电性材料(通常是铜线)，由于耗能大，对电源稳定性要求较高，目前已经被永磁性磁体和超导型磁体取代。

(3)超导磁体，其线圈采用超导材料制成，将其置于接近绝对0度的超低温环境中，因此，导线内的电阻抗几乎为0。线圈一旦通电后在无需继续供电的情况下导线内的电流一直存在，并产生稳定的磁场，目前超导磁体几乎为中高场强的MRI。在磁介质不变的前提下，其磁场强度主要取决于线圈的匝数和电流，超导磁体多采用螺线管线圈，在磁体的两端增加线圈匝数来增减磁场强度。最常见的磁体为圆筒型磁体，圆筒型磁体产生的磁场通常为水平磁场，磁力线与人体长轴平行。按照场强大小，MRI可分为4类，0.5 T以下的MRI仪称为低场机；0.5～1.0 T的称为中场机；1.0～2.0 T的称为高场机(1.5 T为代表)；＞2.0 T的称为超高场机(3.0 T为代表)。MRI设备基本结构如图1所示。

图1 MRI设备基本结构示意图

3 MRI设备的主要系统

3.1 MRI的梯度系统

梯度系统作为核磁共振的一个非常重要的硬件，是由梯度线圈、梯度放大器、梯度控制器、数模转换器、梯度冷却系统组成。梯度系统是产生线性变化的梯度磁场，梯度磁场的作用主要有施加扩散敏感梯度场，用于水分子扩散加权成像；进行MRI信号的空间定位编码；进行流动补偿；产生MRI回波，磁共振回波信号是由梯度场切换产生的；进行流动液体的流速相位编码等。

GE signa 1.5 T磁共振在使用过程中曾出现梯度线圈磁场报错等扫描无法进行的故障。检索错误信息日志，提示的错误信息是X轴，检查梯度电源柜，X轴电源柜有红灯报警，怀疑为软故障，大关机后重新启动系统，自检程序提示X轴报错，无法进入扫描程序。打开X轴电源柜后，检查发现是X轴的电源控制部分故障，拆下电路控制板后经过维修、更换了元器件，梯度工作和扫描均正常。类似同样故障在Y轴和Z轴上也出现过。采用同样的方法均得以解决。在Philips gyroscan 1.5 T的使用过程中也出现过梯度报错，扫描无法进行的故障。该设备采用双梯度技术，有一套梯度线圈(X、Y、Z轴上各有一个线圈)，而梯度放大器确有2套。检查梯度电源柜，发现X轴的一个梯度电源柜error灯亮，采用替换法，将Z轴的2号梯度柜置换到X轴报错的梯度柜，选定好拨码开关的位置开机，定位相能扫描。T1能扫描而T2无法扫描，无法达到临床的使用要求。拆卸X轴梯度电源柜检查发现，并非控制部分故障而是电源部分故障，将怀疑损坏的元器件更换后，电源柜正常工作，扫描正常。

3.2 MRI的射频系统

MRI的射频系统是由射频发生器、射频放大器和射频线圈等构成，射频发射器与MR信号接收器为射频系统，射频发射器是为了产生临床检查目的不同的脉冲序列，以激发人体内氢原子核产生MR信号。脉冲序列发射完全在计算机控制之下。在所有的射频线圈中只有一个线圈即安装在主磁体内的体线圈(body coil)，其他的线圈需要操作者摆放于不同的检查部位，理论上所有的线圈均可以作为发射线圈和接收线圈，但是绝大多数表面线圈发射的磁场很不均匀，通常不用作发射线圈，只作为接收线圈，发射线圈的工作是由安装于主磁体内的体线圈来承担。体线圈和头颅正交线圈发射的射频场及接收的穿透力在整个线圈容积内非常均匀，因此既可作为发射线圈又可同时作为接收线圈。

MRI在使用过程中出现的射频线圈故障，多数是由于线圈的插头和主线长时间的频繁使用，插针松动或者主线断的故障，经过测量则可查出故障所在并可解决其问题。射频电源柜的故障是出现在Philips gyroscan 1.5 T这台机器上的，扫描定位相出现提示射频放大器故障错误。检查error log后发现系统一共报了以下故障；Fault 97 AVerage Power Trip；Fault 26 IPA Bias Low。大关机后重启系统。排除软故障后，确定是射频电源柜的问题，经过仔细的检查发现射频电源柜内部的升压电容出现故障，更换配件后，恢复正常。

3.3 MRI的计算机系统

计算机系统属于MRI仪的大脑，控制着MRI仪的射频脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示等功能。其中主要系统顺序分别为：①扫描控制系统(scan control processor，SCP)，产生序列脉冲的全部硬件开关信号，控制全部硬件(射频、梯度、采样、重建)的开始及结束时间点；②定位引起的坐标旋转变换，对应梯度的控制，以及对序列相关调试系统(sequence related function，SRF)的触发控制。③SRF负责序列中梯度系统涡流校正补偿及对梯度的触发控制；④发射射频控制器(interface related function，IRF)负责主时钟的同步，控制发射射频系统中心频率、起始中止时间、相位调制以及信号强度；⑤数字滤波器(digital receiver filter，DRF)，对由IRF发送来的采集数据，进行频率解调，去除掉载波频率，同时还进行一定的降噪处理；⑥采样处理子系统(acquisition processing subsystem，APS)，根据主机序列所对应的扫描参数，负责对采集的数据按空间顺序、层面关系及平均次数排列组合，并把排好的空间发给重建处理器；⑦Reflex AP重建处理器。专门负责对原始数据进行傅立叶变换。

3.4 MRI的主控计算机系统

主控计算机系统的故障率一般很低，只要注意平时的保养和除尘即可。GE signa 1.5 T主控计算机出现过主机开机后报警，一长两短的报警声音，判断是显卡不启动的故障，更换了同型号的显卡后，工作正常。Philips gyroscan 1.5 T曾经在扫描过程中出现软件故障，系统提示内部错误，重新安装软件后恢复正常。注意在恢复软件的安装过程中，首先要做好患者资料的备份，并确保主机的光驱和MO均属正常。根据提示，在主控计算机内部有2个硬盘，数据盘和系统盘，选择好系统盘安装即可。Philips gyroscan 1.5 T还出现过一次传输患者信息至PACS时穿一半就报错，经查是数据盘有坏道，更换数据盘，进入软件做reinstall，等待750 s后进入系统，一切正常。当系统出现重建图像不完全报错的时候，重新格式化数据盘是一种比较有效的方法。

除了本文前面介绍的4大系统外，MRI仪还需要一些辅助设施方能构成一个完全的系统，MRI仪辅助设施主要包括：①检查床及定位系统，用于检查时承载患者，并进行患者的精确定位；②液氦及水冷系统，超导磁体需要浸泡在超低温的液氦密封罐中，本院的2台MRI均为1～2年更换1次液氦。梯度系统等则需要水冷却系统进行降温；③图像传输、存储及胶片处理系统，MRI主设备能够存储的图像是有限的，因此患者的图像资料需要存储到其他设备上，图像的存储可以在主机上进行光盘的刻录或者传输到PACS等其他存储设备上。图像需要用相机打印出来胶片，以便于临床诊断的需要。

4 结语

医院的维修工程师应掌握MRI系统的日常维护与发生故障的相关性。MR系统的任何部分出现故障都能导致不扫描，造成停机后无法扫描患者。目前做的最多的保养大多数是系统的外围部分，如制冷机组、系统电源是巡视和维护的重点。对于MR系统任何部分所出现的不正常现象，查看系统的ERROR LOG,认真分析错误代码所提示的内容，防止酿成大的故障和损坏。做好认真全面的日常保养对减少故障性停机是一种非常有效的方法。

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