核磁共振成像超導磁體設計方法研究

王軼楠

（上海東軟醫療科技有限公司，上海 200241）

核磁共振成像關鍵部分磁體部分，主磁體使用最為廣泛的為超導磁體，當在超導情況下，導體流過的電流沒有電阻損耗，也不會導致導體溫度升高。超導體因為具有在通入強大電流時而產生強大磁場，同時在當外部電流切斷后，超導體內部任然保持電流，所以超導磁場具有極為穩定的性能，所以超導磁體在核磁共振系統中應用極為廣泛。

1 超導磁體

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

2 超導磁體在MRI 中的影響因素

MRI 超導磁體是核磁共振成像的基礎磁場，成像區域、磁場均勻度、中心磁場強度以及雜散場四個技術要求為其MRI 磁導體磁場的基本要求。

2.1 成像區域

成像區域為核磁磁體內部的均勻的磁場區域，主要表現為一個球形區域，但又可根據檢測物件的大小、形狀，從而磁場區域的形狀也可進行改變。在用于人體成像的MRI 設備中，成像區域一般要求與磁體中心同心。

2.2 中心磁場強度

MRI 中心磁場強度指成像空間區域中心位置的靜磁感應強度，基礎磁場的磁感應強度直接關系到MRI 圖像的信噪比，如感應強度值過低將直接導致核磁的成像。現今的人體成像超導基礎磁場強度一般為1.5T、5T，更高的7T、8T 多用于實驗室的研究使用。

2.3 磁場均勻度

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

2.4 雜散場范圍

雜散場為磁體向空間各個方向散布的磁場，雜散場會對周圍的磁敏感設備產生干涉，使其不能夠正常進行工作，而這種影響在5 高斯線內表現最明顯，當超出5 高斯線外后影響逐漸減弱。所以，MRI 的超導磁體常常采用屏蔽結構，因為超導磁場擁有強大的電流密度和高磁場強度特點，其雜散場的影響范圍非常大。

3 MRI 超導磁體設計方法

MRI 超導磁體的設計要綜合考慮磁體線圈的最大外徑、最小外徑、最大軸向長度、雜散場影響范圍、磁場均勻度以及電流運行和磁場應力。其設計主要方法為兩種，直接擇優法和線性規劃算法設計，直接擇優法是通過預先選定的超導磁體線圈結構和工作電流，對磁體線圈結構的初始值不進行設定，然后進行擇優選擇。線性規劃算法設計主要是將磁體結構簡化，在可行載流區內劃分規則規矩網格，最后進行等效模型求解。

3.1 磁體系統的組成

MRI 設備的磁體系統包含有磁體、勻場線圈、梯度線圈以及發射和接受線圈組成。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的均勻性，梯度線圈主要是提高檢測物體空間分辨率、空間定位、層面選擇成像問題，發射和接收線圈主要用于發射射頻脈沖以激發被檢測體產生的MR 信號。

3.2 超導線圈設計

超導磁體是用超導材料螺旋管線圈，可使MRI 設備靜磁場強度和均勻性要求的磁場，一般醫學用MRI 設備采用的超導磁體為0.5 以上。磁場的強度直接與線圈的匝數以及流經線圈的電流強度有關。所以，線圈對超導磁場具有重大關系，為防止超導線圈滑動，可以使用具有極強耐低溫的環氧樹脂進行澆灌固定，同時要保證環氧樹脂固定的線圈能夠抗擊磁場中線圈產生的各種擠壓力。超導線圈的兩個端點位置其磁場強度只有線圈中心的一般強度，為保證磁場的強度，必須對場強進行校正，通過增加線圈兩端的匝數，進行對線圈兩端磁場強度進行補償，使其螺旋管內部縱向磁場強度均勻相等，從而獲得穩定的磁場環境。

3.3 超導環境的建立

MRI 超導磁體因為材料的特殊性，建立超導環境需要進行特殊的手段進行保證。高真空環境，一般要求MRI 超導磁體的真空度要求10-6mbar，以保證形成覺得的保冷屏障，進而能夠保證超導的真空絕熱性能；預冷磁體，超導磁場因為其特殊性，必須在深冷溫度下進行工作，所以磁體的預冷至關重要，首先將磁體侵入77K 的液氮中，將磁體預冷到77K左右。然后再將磁體侵入到4.2K 的液氦中，將磁體內部近一步的預冷到4.2K；深冷介質浸泡，磁體進行預冷后，磁體需要在4.2K 溫度下的液氦進行浸泡，使其超導線圈能夠從正常狀態轉為超導狀態。

3.4 磁場均勻度

MRI 的磁場均勻度要求極高，因為磁場的均勻度直接影響圖像的空間分辨率，如均勻度較差將導致圖紙成像模糊。磁場的均勻度由磁體本身與外部環境決定，其穩定性與磁體類型和設計質量密切相關，磁場的均勻度越低磁體成像區域越大，磁場強度的穩定是衡量著時間漂移程度。磁場的均勻度強度的漂移對重復測量的回波信號的相位產生影響，直接關系圖像失真、信噪比下降。

磁場均勻度的表示方法ppm 值，以1.5TMRI 為例，一個偏差單位的1ppm 所代表的磁場強度為1.5×10-6T,其測量標準是采用磁體中心同心的、直徑一定的球體空間作為測量范圍，與其測量空間大小和形狀有關。

3.5 磁場的穩定性能

磁場的穩定特性受外部環境中的磁體性質、外界環境溫度及濕度、超導線圈電流等客觀因素的影響，磁場的穩定性是衡量磁場強度值變化的技術指標，如果磁場的穩定性下降，即磁場內部的變化率上升，進而直接影響圖像成像的質量。

磁場的穩定性有熱穩定性和時間穩定性兩種，因為磁場的穩定性會隨時間的變化而受影響，同時還受溫度的變化而進行變化。受其影響最大的是常規磁體或者永磁體，而超導磁體在熱穩定與時間穩定性上表現優異。磁場的變化專業術語為漂移，其一般設定為1 小時或者數小時內限度的磁場變化，MRI 磁場的漂移值不一般要求在2 小時內的短期漂移小于5ppm，在8 小時內長期的漂移值不得大于10mmp。

3.6 磁場邊緣場

邊緣磁場是指發散到外部周圍的磁場，其強度值主要受空間位置影響，當磁體與空間點的距離逐漸增大時，邊緣場的場強度值逐漸降低，同時因為邊緣場是磁體從原點中心向外部空間散發，所以邊緣場具有對稱性。邊緣場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曲線，又因不同磁體的雜散場強度不同，即對應的高斯線圈也不同。邊緣場的強度大小常常限制在5 高斯線空間內，5 高斯線邊緣內嚴禁其他人員進入，研究表明邊緣場對外部人員及電子設備可能具有傷害或者破壞，所以一般對邊緣場采取磁體屏蔽和抑制措施，用以縮小邊緣場的空間范圍。邊緣場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；有源屏蔽法是對邊緣場進行仔細核算后，然后在使用幾組有源線圈形成與邊緣場大小相等、方向相反的場強，從而有效地抵消磁體向外發散的磁力線，從而抑制邊緣場的范圍。

4 結語

本文簡要地分析了MRI 中超導磁體的設計方法與要求，而超導磁體是MRI 設備中核心的硬件設備，而影響MRI 超導磁體設計的因素包含超導線圈的設計、磁場的均勻度、磁場的穩定性以及磁場的邊緣場等，超導磁體的出現，滿足了核磁共振成像的高磁場強度要求，同時還極大地改善了磁場的均勻性能與磁場的穩定性能，使核磁成像的質量得到了顯著的提高。