[发明专利]一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振成像的超导磁体系统的设计方法。 

背景技术

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）是根据生物体磁性核（氢核）在磁场中的表现特性成像的高新技术，其具有无电磁辐射、图像对比度高以及可以任意方向断层成像等优点，使得其跻身于医学影像设备之首。 

1946年斯坦福大学的弗莱利克斯·布洛赫（Flelix Bloch）和哈佛大学的爱德华·珀塞尔（Edward Purcell）各自独立发现了核磁共振现象。在恒定磁场中的具有自旋的原子核受射频幅射照射，当射频频率等于原子核在恒定磁场中的进动频率时产生的共振吸收现象。美国人雷蒙·达曼迪安（Raymond Damadian）于1972年3月17日提出了专利申请，并在1974年2月5日获得了美国第3789832号专利，将核磁共振用于医学临床检测，发明了磁共振成像技术。它利用核磁共振激发所选择的人体组织原子核处于高能状态，当高频电磁场去除后，其返回平衡状态时就会产生射频脉冲信号，用探测器检测这些信号，并将其输入计算机，经过处理转换，在屏幕上显示重建图像。他的巨大贡献为今天磁共振成像的迅速发展奠定了基础。 

MRI系统核心部件主要由磁体系统、谱仪系统、计算机系统以及图像显示系统组成，其中磁体系统是磁共振成像系统最重要、造价最高的部件。磁体系统的作用是在一个成像区域（通常是球形）产生一个高场强、高均匀度以及高稳定性的空间磁场分布，使得处于磁场中人体内部的氢原子核被磁化，再通过射频线圈产生射频信号，使得氢原子发生共振吸引，再停止射频激发，使得氢原子所被吸收的能量释放出来以被信号接收器件捕捉，最后通过图像处理后显示的成像过程，所成图像分辨率和磁场强度成正比关系。 

MRI技术经过30多年发展，超导磁体系统的设计技术有了较大的发展，由早期的“被动屏蔽、磁场低、均匀度差和磁体系统长度过长”发展到现今的“主动屏蔽、磁场高、均匀度高且磁体系统长度较短”，这得益于超导技术和低温技术的迅猛发展。MRI超导磁体系统设计的发展趋势朝着短腔、高磁场、自屏蔽的方向发展。 

MRI磁体设计人员一直追求通过长度较短的磁体系统在一个较大的球形成像区域(Diameter of Spherical Volume,DSV)产生高场强和高均匀度的磁场分布。峰峰值磁场均匀度(peak-to-peak homogeneity，Hpp)一般表征为高均匀度磁体系统的性能，定义为DSV内最高和 最低磁场值的差值与平均值的比值，即：Hpp=(B_max-B_min)/mean(B)×10⁶，单位为ppm(parts per million,ppm)。对于磁共振成像系统来说，一般DSV要求在直径为40~50cm的成像球形区域产生磁场峰峰值不均匀度优于10ppm的高均匀度磁场分布。早期的MRI系统，其磁体系统达两米多长，病人在做磁共振检测普遍表现出紧张和担心，临床上把这种现象称之为幽闭症。为了降低幽闭症这种现象，MRI磁体系统设计一直朝着如何使得磁体系统长度降低且不降低成像区域大小和磁场均匀度的方向发展，如：1989年一台1.5T MRI系统，长度高达2.4m，重量为13t；而2009年，同样是1.5T系统，长度锐减至1.37m，重量为3.2t。然而磁体系统过短，会带来其他一些问题，如均匀度难实现、电磁应力较大以及由线圈结构紧凑所带来的建造困难等问题，因此MRI磁体系统设计是对多个参数均衡考虑的过程。 

MRI超导磁体系统的设计参数主要包括：①欲布置线圈的空间尺寸；②成像区域大小、形状、中心磁场强度和磁场峰峰值不均匀度；③屏蔽技术和5高斯杂散场范围；④线圈中最高磁场强度和电流安全裕度。这些参数成为决定MRI超导磁体性能优劣的主要指标。 

①欲布置线圈的空间尺寸：一般为具有矩形截面的空间螺线管形空间，空间尺寸主要由内径r_min、外径r_max以及长度L限制。空间内径决定了磁体系统的最小内径，决定了最终磁体系统的室温孔径大小和和病人诊断过程中的舒适程度；外径相应地决定了磁体系统的外径，磁体系统外径的大小决定了整个系统造价和占地空间；而空间长度则决定了磁体系统的最终长度，是降低幽闭症现象的决定因素。