MRI——磁体与系统（下）

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3.2.5磁屏蔽

3.2.5.1概述

MRI设备产生强大磁场，明显影响周围环境。磁屏蔽可防止磁场影响附近的电子设备，如CT机、X光机、影像增强器、监示器、心电图仪、脑电图仪等，并可防止影响到扫描室外携带心脏起搏器的病人。另外，较大金属物品如汽车、钢瓶等从附近经过，会影响磁场的均匀性，磁屏蔽可防止这种影响。通常磁屏蔽采用足够厚度的铁组成，铁像海绵样吸收磁力线，目前磁体均采用自屏蔽方式，简化了机房的磁屏蔽要求，磁场屏蔽效果的评价标准一般使用5高斯（Gs）， 即0.5MT磁力线的分布范围来表示。

磁屏蔽不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响，还能大大削减磁体外部杂散磁场的空间分布范围。磁屏蔽是最有效的磁场隔离措施,首先需要采取磁体自屏蔽措施将磁体产生的边缘杂散磁场缩减到尽可能小的空间区域内；其次可以通过增加磁体间的面积和高度，将其自然、被动地包容在磁体间内；此外也可以采用磁屏蔽的方法将其完全彻底、主动地屏蔽于磁体间内。

3.2.5.2磁屏蔽的分类

⑴有源屏蔽

有源屏蔽由一个磁屏蔽线圈或线圈系统组成。与产生静磁场的工作线圈（内线圈）相比，磁屏蔽线圈可称为外线圈。这种磁体的内线圈中通以正向电流，以产生所需的工作磁场；外线圈中则通以反向电流，以产生反向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场，从而达到屏蔽的目的。如果线圈排列合理或电流控制准确，屏蔽线圈所产生的磁场就有可能抵消杂散磁场。有源屏蔽可应用于磁体的主动屏蔽。

⑵无源屏蔽

无源屏蔽使用的是铁磁性屏蔽体，即一种铁磁性材料（类似硅钢片）罩壳，它因不使用电流源而得名。根据屏蔽范围的不同，无源屏蔽又分为下述三种。

·房屋屏蔽：即在磁体间的四周墙壁、地基和天花板等六面体中镶入4～8mm厚的磁屏蔽专用特制硅钢板，构成封闭的磁屏蔽间。用材数量多，费用高。

·定向屏蔽：若杂散磁场的分布仅在某个方向超出了规定的限度（如5高斯磁力线空间分布范围超出了磁体间），可只在对应方向的墙壁中安装磁屏蔽，形成针对边缘杂散磁场的定向屏蔽。既达到屏蔽效果，又节省费用。

·铁轭屏蔽：是指直接在磁体外面周围安装铁轭（导磁材料），作磁力线磁通的返回路径的屏蔽方法，也称为自屏蔽。自屏蔽可以有板式、圆柱式、立柱式及圆顶罩式等多种结构形式。各种结构的设计都应以主磁场的均匀度不受影响或少受影响为目的。用这种方法能得到非常理想的屏蔽效果，再加定向屏蔽，那么无论磁体间面积多小，都可使主磁场的5高斯磁力线完全限制在磁体间所处楼层高度之内以及磁体间内。自屏蔽的缺点是其屏蔽体重量多达数十吨。

随着超导技术和磁共振技术的不断发展，目前投入临床使用的人体成像MR设备的场强已达到7T......但是由于广泛采用磁体自屏蔽、定向屏蔽、直至房屋屏蔽的设计，磁共振磁体所产生的强磁场空间分布范围已得到极大缩减。

3.2.6匀场及匀场线圈

MRI设备安装励磁结束后，获得的磁场叫基础磁场，也就是说未经任何匀场处理的，此时磁场的匀场度较差，为进步补偿磁场的非均匀性，需要进行匀场（shimming）。匀场分被动（无源）和主动（有源）两种。

磁场均匀性是影响磁共振成像质量的重要技术指标之一。MRI设备依靠匀场技术提高磁场均匀性。

3.2.6.1匀场的概念

受磁体设计、制造工艺、以及原材料物理性质之间的差异等多方面因素的影响和限制，任何磁体出厂后都不可能使整个有效孔径内的磁场完全同一。此外，磁体的安装环境对磁场也有影响，如磁体间的屏蔽物、磁体附近固定或可移动的铁磁性物体以及金属等。因此，磁体安装就位后还要在现场对磁场进行物理调整，称为匀场（shim）。常用的匀场方法有被动匀场和主动匀场。

3.2.6.2被动匀场

被动匀场（passive shiming）是指在磁体孔洞内壁上贴补一定形状和尺寸、专用小铁片（又称为匀场片），用以提高磁场均匀性的方法。这种方法在匀场过程中使用的是无源器件，因而也称为无源匀场。被动匀场作为一种匀场初步手段一直被广泛采用，一般由设备安装工程师进行被动匀场的调整。

⑴匀场片材质规格

匀场所用的小铁片(上图中的“Ps”)一般用磁化率很高的软磁材料压制。匀场片的几何尺寸分为1/1、1/2、1/4、1/10和1/20等规格。

⑵被动匀场原理

匀场用的匀场片本来没有磁性，一旦将它贴补到磁体内壁，就会立刻被主磁场磁化而成为条形磁铁。条形磁铁内部的磁场与主磁场同向，但在其外部靠近磁体中心一侧的磁力线正好与主磁场反向从而削弱了匀场片周围特定小区域内的磁场强度，这就是匀场片影响局部磁场并有效调整磁场的原理。匀场操作时，何处磁场均匀性达不到要求，就在何处贴补这种匀场片，其大小根据需要扭转的场强差来决定。匀场片的位置和几何尺寸选择得当，就可提高磁场均匀性。

⑶被动匀场过程

·磁体励磁；

·将工厂特制的测量模体和专用支架安装在磁体孔洞中，依次测量磁体有效孔径内空间各点的磁场强度数据；

·使用工厂提供的专用匀场软件依次输入空间各点的场强测量数值，计算匀场参数，软件会输出匀场片尺寸选择以及空间放置位置的具体方案；

·安装工程师依据上述方案，在软件指定的专用卡槽的位置上插入指定尺寸的匀场片，并用无磁螺钉固定，进行匀场操作；

·匀场操作过程需要反复进行多次，为了达到理想的磁场均匀性，一般需贴补数十个匀场片才能达到设计和应用要求。一般1.5TMRI设备的被动匀场工作需要一个工作日，而3.0TMRI设备则可能需要数天才能完成。

⑷被动匀场安全规范

匀场片在场强为2.0T的磁体孔洞内，磁体对它的作用力将会增至其自身质量的200倍，即重100g的匀场片在磁体中将承受20kg的磁力作用。因此，匀场操作前后，应严格遵守安全规范。例如，匀场时磁体附近只留一人操作；匀场人员必须戴厚手套，穿专用工作服和工作鞋，佩戴防护眼镜等；每次只处理一小块铁片；匀场过程当中以及前后要彻底清理现场等。

3.2.6.3主动匀场和匀场线圈

任何磁体都不会产生绝对均匀的磁场，而磁场的不均匀性会降低MRI系统的性能，因此可使用均匀线圈以补偿因不可控制的环境因素及其他不可避免的因素所引起的主磁场的非均匀性和缺陷，以使主磁场更均匀。

主动匀场（active shimming）又称为有源匀场，是指利用匀场线圈（shimming coils）通以电流，产生小磁场，并通过适当调整匀场线圈阵列中各线圈的电流强度，使其周围的局部磁场发生变化来调节改善静磁场的不均匀性，以提高静磁场整体均匀性的过程。在每次MRI扫描前还可主动调整，以进一步提高磁场的均匀性。

匀场线圈的制作非常精细，其作用范围也比较局限。因此，通过主动匀场可获得磁场高度均匀的成像空间。主动匀场是对磁场均匀性进行精细调节的方法。在下表中可看到0.35T、1.5T和3.0TMRI设备磁场均匀性的典型数值。

⑴匀场线圈

匀场线圈一般位于磁体中心，梯度线圈之外，多由铌钛（NbTi）合金制成。匀场线圈分为超导型和常导型。超导型匀场线圈与主磁场线圈置于同一低温容器中，其电流高度稳定，且不消耗电能，属于高品质匀场手段。常导型匀场线圈使用广泛，但要消耗能量，其匀场效果受匀场电源质量的限制。

匀场线圈由若干个小线圈所组成。这些小线圈分布在柱状匀场线圈骨架表面，构成以磁体中心为调节对象的线圈阵列。由于线圈的大小不同，通电时产生的磁场也不同，因而对主磁场的影响程度就不一样。反映匀场线圈性能的主要参数有电流调节能力（ppm/A）、最大场强调节范围（ppm）、以及匀场线圈数量。

⑵匀场电源

匀场电源质量对于主动匀场的效果起着至关重要的作用。匀场电源波动时，不仅匀场目的达不到，主磁场的稳定性也会被破坏。因此，在MRI设备中匀场线圈的电流均由高精度、高稳定度的专用电源提供。这种电源不仅可通过设备控制面板进行调控，也可通过标准硬件接口，由系统软件进行精细的调整，并可设定远程监控和控制。

3.2.6.4磁场测量

磁场测量是MRI设备安装阶段的重要工作之一。所得数据不仅是励磁和匀场工作的重要依据，也是帮助现场安装工程师监测新磁体运行状况的重要手段之一。磁场测量需要专门的设备和方法。

⑴磁场测量仪器

匀强磁场测量最常用的两种方法是霍尔探头法和磁共振法。高斯计（Gaussmeter）是专门用于磁感应强度（B）测量的仪器，按照测量方法可分为霍尔探头高斯计和磁共振法高斯计。在磁共振成像系统的磁场测量中，磁共振法高斯计的使用最为广泛。

⑵磁场测量方案

磁场测量在励磁结束2～3小时，磁场强度达到稳定值后再进行。磁场测量常以一定直径的、与磁体同心的球形空间为基准或参照范围。球体表面任意一点至磁体中心的距离相等，有利于布置高斯计探头，并容易建立相关数学模型进行计算和表达。上述球形空间的直径常用DSV（diameter of spherical volume）表示，并将上述球体直接称为DSV。常用的DSV有10cm、20cm、30cm、40cm和50cm等几种。在MRI微成像和波谱分析中，会用到更小的DSV。

在磁场均匀性的测量中，高斯计探头布置在不同直径DSV的表面，以反映该DSV所在空间的磁场状况。在DSV确定的前提下，测量点的选取方法常用的有9平面法（每圆周8点测量）、11平面法（每圆周12点测量）、23平面法（每圆周24点测量）等。磁场的基础测量采用11平面法，这样可为将要进行的被动匀场提供更多更准确的匀场信息。

⑶高斯计使用注意事项

磁场测量使用的仪器主要是高斯计或场强仪，其次是与之配套的探头固定架和前置放大器等。磁场测量的结果直接关系到MRI磁场匀场后最终的均匀程度。因此，仅有先进的测量方法和测量仪器是不够的，还必须正确使用磁场测量仪器。需要注意的事项有：①探头固定架用胶木等非磁材料制成，起固定、旋转和伸缩高斯计探头的作用，使用时须紧固在与磁体相连接的检查床面上。②高斯计主机箱不可置于磁体旁边，应至少远离磁体3m以上，最安全的方法是移至磁体间外。③高斯计主机箱与前置放大器、测量探头间用带屏蔽功能的50同轴电缆相连。④高斯计使用前预热15分钟以上，否则有可能产生10-6G左右的测量偏差。

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