核磁共振成像超导磁体设计方法研究

王轶楠

（上海东软医疗科技有限公司，上海 200241）

核磁共振成像关键部分磁体部分，主磁体使用最为广泛的为超导磁体，当在超导情况下，导体流过的电流没有电阻损耗，也不会导致导体温度升高。超导体因为具有在通入强大电流时而产生强大磁场，同时在当外部电流切断后，超导体内部任然保持电流，所以超导磁场具有极为稳定的性能，所以超导磁体在核磁共振系统中应用极为广泛。

1 超导磁体

超导磁体是一种使用超导材料制成在低温状态下具有高温度转变线圈的电磁体，其具有无电阻损耗和磁损耗的优点，同时超导材料还具有较高的电流密度，从而使其超导磁体具有体积小、重量轻的特点。

2 超导磁体在MRI 中的影响因素

MRI 超导磁体是核磁共振成像的基础磁场，成像区域、磁场均匀度、中心磁场强度以及杂散场四个技术要求为其MRI 磁导体磁场的基本要求。

2.1 成像区域

成像区域为核磁磁体内部的均匀的磁场区域，主要表现为一个球形区域，但又可根据检测物件的大小、形状，从而磁场区域的形状也可进行改变。在用于人体成像的MRI 设备中，成像区域一般要求与磁体中心同心。

2.2 中心磁场强度

MRI 中心磁场强度指成像空间区域中心位置的静磁感应强度，基础磁场的磁感应强度直接关系到MRI 图像的信噪比，如感应强度值过低将直接导致核磁的成像。现今的人体成像超导基础磁场强度一般为1.5T、5T，更高的7T、8T 多用于实验室的研究使用。

2.3 磁场均匀度

磁场均匀度为磁体成像空间磁场的同一性，MRI 成像区域中的磁场均匀度越好，核磁成像的质量就越高，磁场的均匀度主要表示单位为ppm，该单位是以主磁场的一个偏差单位定量。MRI 一般的成像磁场均匀度不得小于10ppm。

2.4 杂散场范围

杂散场为磁体向空间各个方向散布的磁场，杂散场会对周围的磁敏感设备产生干涉，使其不能够正常进行工作，而这种影响在5 高斯线内表现最明显，当超出5 高斯线外后影响逐渐减弱。所以，MRI 的超导磁体常常采用屏蔽结构，因为超导磁场拥有强大的电流密度和高磁场强度特点，其杂散场的影响范围非常大。

3 MRI 超导磁体设计方法

MRI 超导磁体的设计要综合考虑磁体线圈的最大外径、最小外径、最大轴向长度、杂散场影响范围、磁场均匀度以及电流运行和磁场应力。其设计主要方法为两种，直接择优法和线性规划算法设计，直接择优法是通过预先选定的超导磁体线圈结构和工作电流，对磁体线圈结构的初始值不进行设定，然后进行择优选择。线性规划算法设计主要是将磁体结构简化，在可行载流区内划分规则规矩网格，最后进行等效模型求解。

3.1 磁体系统的组成

MRI 设备的磁体系统包含有磁体、匀场线圈、梯度线圈以及发射和接受线圈组成。磁体、匀速线圈、梯度线圈各自连接自己电源，形成磁体电源。匀速线圈主要是提高磁场的均匀性，梯度线圈主要是提高检测物体空间分辨率、空间定位、层面选择成像问题，发射和接收线圈主要用于发射射频脉冲以激发被检测体产生的MR 信号。

3.2 超导线圈设计

超导磁体是用超导材料螺旋管线圈，可使MRI 设备静磁场强度和均匀性要求的磁场，一般医学用MRI 设备采用的超导磁体为0.5 以上。磁场的强度直接与线圈的匝数以及流经线圈的电流强度有关。所以，线圈对超导磁场具有重大关系，为防止超导线圈滑动，可以使用具有极强耐低温的环氧树脂进行浇灌固定，同时要保证环氧树脂固定的线圈能够抗击磁场中线圈产生的各种挤压力。超导线圈的两个端点位置其磁场强度只有线圈中心的一般强度，为保证磁场的强度，必须对场强进行校正，通过增加线圈两端的匝数，进行对线圈两端磁场强度进行补偿，使其螺旋管内部纵向磁场强度均匀相等，从而获得稳定的磁场环境。

3.3 超导环境的建立

MRI 超导磁体因为材料的特殊性，建立超导环境需要进行特殊的手段进行保证。高真空环境，一般要求MRI 超导磁体的真空度要求10-6mbar，以保证形成觉得的保冷屏障，进而能够保证超导的真空绝热性能；预冷磁体，超导磁场因为其特殊性，必须在深冷温度下进行工作，所以磁体的预冷至关重要，首先将磁体侵入77K 的液氮中，将磁体预冷到77K左右。然后再将磁体侵入到4.2K 的液氦中，将磁体内部近一步的预冷到4.2K；深冷介质浸泡，磁体进行预冷后，磁体需要在4.2K 温度下的液氦进行浸泡，使其超导线圈能够从正常状态转为超导状态。

3.4 磁场均匀度

MRI 的磁场均匀度要求极高，因为磁场的均匀度直接影响图像的空间分辨率，如均匀度较差将导致图纸成像模糊。磁场的均匀度由磁体本身与外部环境决定，其稳定性与磁体类型和设计质量密切相关，磁场的均匀度越低磁体成像区域越大，磁场强度的稳定是衡量着时间漂移程度。磁场的均匀度强度的漂移对重复测量的回波信号的相位产生影响，直接关系图像失真、信噪比下降。

磁场均匀度的表示方法ppm 值，以1.5TMRI 为例，一个偏差单位的1ppm 所代表的磁场强度为1.5×10-6T,其测量标准是采用磁体中心同心的、直径一定的球体空间作为测量范围，与其测量空间大小和形状有关。

3.5 磁场的稳定性能

磁场的稳定特性受外部环境中的磁体性质、外界环境温度及湿度、超导线圈电流等客观因素的影响，磁场的稳定性是衡量磁场强度值变化的技术指标，如果磁场的稳定性下降，即磁场内部的变化率上升，进而直接影响图像成像的质量。

磁场的稳定性有热稳定性和时间稳定性两种，因为磁场的稳定性会随时间的变化而受影响，同时还受温度的变化而进行变化。受其影响最大的是常规磁体或者永磁体，而超导磁体在热稳定与时间稳定性上表现优异。磁场的变化专业术语为漂移，其一般设定为1 小时或者数小时内限度的磁场变化，MRI 磁场的漂移值不一般要求在2 小时内的短期漂移小于5ppm，在8 小时内长期的漂移值不得大于10mmp。

3.6 磁场边缘场

边缘磁场是指发散到外部周围的磁场，其强度值主要受空间位置影响，当磁体与空间点的距离逐渐增大时，边缘场的场强度值逐渐降低，同时因为边缘场是磁体从原点中心向外部空间散发，所以边缘场具有对称性。边缘场的分布常常使用等高斯线图表示，等高斯线图是一种接近于椭圆的同心闭环曲线，又因不同磁体的杂散场强度不同，即对应的高斯线圈也不同。边缘场的强度大小常常限制在5 高斯线空间内，5 高斯线边缘内严禁其他人员进入，研究表明边缘场对外部人员及电子设备可能具有伤害或者破坏，所以一般对边缘场采取磁体屏蔽和抑制措施，用以缩小边缘场的空间范围。边缘场的抑制措施通常采用无源屏蔽与有源屏蔽两种方法，无源屏蔽是通过给磁体外部增加一层后密度的材料（软铁）从而屏蔽外部磁场；有源屏蔽法是对边缘场进行仔细核算后，然后在使用几组有源线圈形成与边缘场大小相等、方向相反的场强，从而有效地抵消磁体向外发散的磁力线，从而抑制边缘场的范围。

4 结语

本文简要地分析了MRI 中超导磁体的设计方法与要求，而超导磁体是MRI 设备中核心的硬件设备，而影响MRI 超导磁体设计的因素包含超导线圈的设计、磁场的均匀度、磁场的稳定性以及磁场的边缘场等，超导磁体的出现，满足了核磁共振成像的高磁场强度要求，同时还极大地改善了磁场的均匀性能与磁场的稳定性能，使核磁成像的质量得到了显著的提高。