放射医学丨【相关专业知识】MRI设备：梯度系统构造及其特性

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       梯度系统构造及其特性

       梯度系统(gradient system)是为MRI设备提供快速切换的梯度场，对MR信号进行空间编码，实现成像体素的空间定位和层面的选择。在梯度回波和其他一些快速成像序列中，梯度场对激发后自旋质子进行聚相、扰相等特殊作用，在成像系统没有独立匀场线圈的磁体系统，梯度线圈还用于对磁场的非均匀性校正。

       (一)梯度磁场的性能指标

       1.梯度场强度 梯度场强度是指梯度变化时可以达到的最大梯度场强，用单位长度内梯度磁场强度的最大差表示，单位为mT/m。在梯度线圈一定时，梯度场的强度由梯度电流所决定，而梯度电流又受梯度放大器功率的限制。梯度场强度越高，可得到的扫描层面越薄，图像的空间分辨率就越高。

       2.梯度切换率和梯度爬升时间 梯度切换率和梯度爬升时间从不同角度反映了梯度场达到某一预定值的速度。梯度爬升时间指梯度由零上升到预设梯度强度所需的时间，单位ms。梯度切换率是单位时间内梯度磁场的变化率，定义为梯度场强度除以爬升时间，单位为mT/m/ms或T/m/s。梯度切换率越高，梯度的开启时间越短，梯度磁场强度爬升越快，扫描速度越快，从而实现快速或超快速成像。

       3.梯度线性 梯度线性是衡量梯度场平稳性的指标，线性越好，表明梯度场越精确，图像质量越好，距离磁场中心越远，线性度越差，梯度线性不佳，图像的边缘可能产生变形。

       4.梯度有效容积 梯度有效容积又叫均匀容积，是指梯度线圈所包容的能够满足一定线性要求的空间区域。这一区域一般位于磁体中心，并与主磁场的有效容积同心。

       5.梯度工作周期 在一个成像周期（TR）内梯度场工作时间所占的百分比。梯度工作周期与成像层数有关，在多层面成像中，成像层面越多则梯度磁场的工作周期百分数越高。

       (二)梯度系统的组成及工作原理

       梯度系统由梯度线圈、梯度控制器（GCU）、数模转换器（DAC）、梯度功率放大器（GPA）和梯度冷却系统等部分组成。

       1.梯度线圈 MRI设备需要三个互相正交（X、Y、Z方向）的梯度磁场进行空间编码，这三个梯度场分别由X、Y、Z三个方向的梯度线圈提供，产生Z向梯度场的线圈是一对（几对）半径相同的环形线圈，每对线圈中对应的两个线圈中通以大小相同方向相反的电流，可产生均匀的线性梯度场，X向和Y向梯度线圈分别用成对的鞍形线圈，对称线圈中流过大小相同方向相反的电流，增加线圈对数可提高梯度磁场线性度。

       2.梯度控制器和数模转换器 梯度控制器按系统主控单元的指令，发出全数字化的控制信号，该控制信号包含有梯度电流大小的代码，由数模转换器接收后，立即转换成相应的模拟电压控制信号，产生梯度放大器输出的梯度电流。

       3.梯度放大器 梯度放大器是工作在开关状态的电流放大器，为了使三个梯度线圈的工作互不影响，安装三个相同的电流驱动放大器，在各自梯度控制单元控制下，分别输出系统所需的梯度电流。梯度场快速变化所产生的力使梯度线圈发生机械振动，其声音在扫描过程中清晰可闻。

       4.梯度冷却系统 梯度系统是大功率系统，梯度线圈的电流往往超出100A，电流将在线圈中产生大量的焦耳热，梯度线圈封装固定在绝缘材料中，没有依赖环境自然散热和风冷散热的客观条件。常用的冷却方式是水冷，将梯度线圈经绝缘处理后浸于封闭的蒸馏水中散热，水再由冷水交换机将热量带出。

       5.涡流及涡流补偿 变化的磁场在其周围的导体内会产生感应电流，这种电流的流线在导体内自行闭合，称涡电流，简称涡流。涡流的强度与磁场的变化率成正比，其影响程度与这些导体部件的几何配置和它们与梯度线圈的距离有关。涡流可引起MR影像伪影，并能引起MR频谱基线伪影和频谱失真。由于梯度电流的快速切换，使涡流急剧增大，大大影响梯度场的变化，使梯度波形严重畸变。为了克服涡流造成的负面影响，在梯度电流输出单元中加入RC涡流补偿电路，预先对梯度电流进行补偿；还可以在梯度线圈与磁体之间增加一个用于屏蔽梯度磁场的辅助梯度线圈，从而避免了涡流的形成；另外可以使用特殊的磁体结构，用高电阻材料来制造磁体，以阻断涡流通路，从而使涡流减小。

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