磁共振成像仪原理及故障排除探讨

杨 军 肖海燕 何贤国 曾宪华

1 磁共振成像仪的原理

磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生的信号经重建后成像的技术。核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)是核物理现象。早在1946年Block与Purcell就报道了这种现象并应用于波谱学。Lauterbur1973年发表了MR成像技术，使核磁共振不仅用于物理学和化学，同时也应用于临床医学领域。近年来，核磁共振成像技术发展十分迅速，已日臻成熟完善。诊断检查范围覆盖了全身各个器官，并在世界范围内推广应用。为了准确反映其成像基础，避免与核素成像混淆，现改称为磁共振成象(MRI)。参与MRI的因素较多，信息量大而且不同于现有各种医学影像学成像，在诊断疾病中有很大优越性和应用潜力。

1.1 MRI技术的基本原理

地球自转产生磁场，原子核总是不停地按照一定的频率绕着自身的轴发生自旋，含单数质子的原子核带正电，其自旋产生的磁场称为核磁。因而将磁共振成像也称为核磁共振成像。不是所有的原子核都会产生核磁，地磁、磁铁、核磁示意图(见图1)。当原子核中质子数为偶数，中子数为偶数时，原子核将不会产生核磁；当原子核中质子数为奇数，中子数为奇数或者为偶数时，原子核就会产生核磁。

通常采用氢原子作为人体磁共振成像的元素，是因为1H占人体原子的比例较大，而且1H的磁化率很高。人体元素、摩尔浓度和人体磁化率如图2所示。人体内每毫升水中含氢质子数为3×1022个。

图2 人体元素、摩尔浓度和人体磁化率

正常情况下，人体内氢质子处于杂乱无章的排列状态，质子自旋轴的排列无一定规律，如图3(a)所示。尽管每个氢质子自旋都会产生一个小磁场，但它们处于随机无序的排列状态，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观的磁化矢量。当人体置于一个强的外磁场中，人体中氢质子的自旋轴将按照外磁场方向重新排列，它们仅在平行或反平行于外磁场两个方向上排列，如图3(b)所示。

图3 无强磁场和有强磁场下氢质子在人体中自旋示意图

人体处在强的匀强磁场中，将会产生宏观的磁化现象，如图4所示。

图4 人体处在强的匀强磁场中产生宏观磁化示意图

人体中每个体素内的氢质子将处于两种能量状态，处于低能级的质子数比处于高能级的质子数稍微多一点点，在主磁场作用下氢质子所处的能级状态如图5所示。在温度为300 K时，主磁场为0.2 T，低能级质子比高能级质子多1.3 PPM(PPM为百万分之一)；主磁场为0.5 T，低能级质子比高能级质子多4.1 PPM；主磁场1.0 T，低能级质子比高能级质子多7.0 PPM；主磁场1.5 T，低能级质子比高能级质子多9.6 PPM。在主磁场中质子自旋产生的核磁与主磁场相互作用产生进动，进动使每个质子的核磁存在方向稳定的纵向磁化分矢量和旋转的横向磁化分矢量。

图5 在主磁场下氢质子所处的能级状态

图6 质子进动示意图

由于质子运动相位不同，只有宏观的纵向磁化矢量产生，没有宏观的横向磁化矢量产生。质子在主磁场中发生进动如图6所示。质子进动角频率(ω)、主磁场磁感应强度(B)和磁旋比(γ)的关系为∶ω=γB。式中ω也称为Larmor频率。进入主磁场后人体被磁化了，人体不同的组织由于氢质子含量不同，因此产生的宏观磁化矢量也不相同。磁共振仪不能检测出纵向磁化矢量。但能检测到旋转的横向磁化矢量。要产生宏观的横向磁化矢量，必须要给低能的氢质子能量，氢质子获得能量后进入高能状态，产生磁共振。磁共振现象是通过射频线圈发射无线电波(射频脉冲)激发人体氢质子来产生的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动的频率相同，才会使低能的质子获能进入高能状态。射频脉冲激发后的效应使得宏观磁化矢量发生偏转，射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲发射后的效应，如图7所示。例如射频线圈发射90o角射频脉冲后，低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能质子数与低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消为0。质子运动处于同相位，它们的微观横向磁化矢量相加，产生宏观的横向磁化矢量。如图8所示，90o角射频脉冲激发使质子发生共振，产生最大的旋转横向磁化矢量，这种横向磁化矢量切割接收线圈，将产生MR信号。氢质子含量高的组织纵向磁化矢量大，经90o角射频脉冲激发后偏转使得横向磁场大，MR信号大。因此MR图像可以区分质子密度不同的两种组织。这样检测到得仅仅是不同组织氢质子的含量的差别，对于临床诊断永远不够。因此，在90o角射频脉冲激发关闭后一定时间才进行MR信号的采集。90o角射频脉冲关闭后，在主磁场的作用下，宏观横向磁化矢量由最大逐渐变为0，宏观纵向磁化矢量由0逐渐恢复到射频激发前的平衡状态。这一过程称为核磁弛豫(relaxation process)，如图9所示。核磁弛豫可以分为两个部分，即横向弛豫和纵向弛豫。恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间(relaxation time)，有两种弛豫时间，一种是自旋-晶格(spin-lattice relaxation time)弛豫时间，又称纵向弛豫时间(longitudinal relaxation time)，反映自旋核把吸收的能传给周围晶格所需要的时间，也是90o角射频脉冲使纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前状态所需时间，称为T1；另一种是自旋-自旋(spin-spin relaxation time)弛豫时间，又称横向弛豫时间(transverse relaxation time)，反映横向磁化衰减、丧失的过程，也是横向磁化所维持的时间，称为T2。T2衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引起，与T1不同，它引起相位的变化。T1和T2的定义如图10(a)和(b)所示。

图7 不同能量的射频脉冲使宏观磁化矢量产生不同的偏转

图8 90 o角射频脉冲作用前后磁化矢量的状态

图9 90 o角射频脉冲激发前、后纵向磁化矢量的变化状态

图10 T1和T2的定义

当宏观纵向磁化矢量从零恢复到平衡前的63%所需要的时间称为T1时间；当宏观横向磁化矢量由最大衰减到其最大的37%所经历的时间称为T2。组织的T1和T2值各有不同，纵向磁化恢复快，T1短，为高信号；恢复慢，T1长，为低信号。横向磁化消失快，T2短，为低信号；消失慢，T2长，为高信号。人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的，而且它们之间有一定的差别，T2也是如此。不同组织的T1和T2见表1和表2。

表1 不同组织和主磁体磁感应强度的T1(ms)值

这种组织间弛豫时间上的差别，是MRI的成像基础。有如CT成像一样，组织间吸收系数(CT值)的差别是CT成像基础的道理。但MRI不像CT只有一个参数吸收系数，而是有T1、T2和自旋核密度(P)等几个参数，其中T1与 T2尤为重要。因此，组织密度、纵向弛豫速度(T1)和横向弛豫速度(T2)是磁共振成像仪显示人体解剖结构和病变的基础。获得选定层面中各种组织的T1/T2值，就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。

表2 不同组织的T2(ms)值

超导型磁体内有三套线圈∶磁体线圈、梯度线圈和射频(RF)线圈(具有发射和接收能)。磁体线圈提供均匀的高磁场。梯度磁场Gz指自上而下场强不同的梯度磁场，Gx指自右至左的梯度磁场，Gy指自后至前的梯度磁场，在z、x、y轴上放置与Bo垂直电流方向相反的环形线圈而产生。在主磁场中再附加一个具有梯度的磁场，质子旋进频率因磁场强度的不同而不同，MRI空间定位靠的是梯度磁场附加梯度磁场后，不同层面将处于不同的磁场强度，单一频率的RF激发特定层面，达到选层的目的。RF脉冲的频率范围称为射频信号带宽，RF脉冲持续时间越短信号频带越宽，脉冲持续时间越长带宽越窄。断层面厚度与带宽成正比增加梯度磁场的强度可减薄层的厚度。频率和相位编码目的是确定质子信号的位置，不同的质子群的共振频率和相位各不相同，判定质子的位置进行空间定位。MRI的成像方法也与CT相似。有如把检查层面分成Nx，Ny，Nz……一定数量的小体积，即体素，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，获得每个体素的T1/T2值，进行空间编码。用转换器将每个T值转为模拟灰度，而重建图像。

1.2 磁共振仪的分类

(1)根据磁场产生方式分类

(2)根据磁体外可以分为开放式磁体、封闭式磁体和特殊外形磁体。

(3)根据主磁场的场强分类MRI图像信噪比与主磁场场强成正比①低场∶＜0.5 T；②中场∶0.5 T～1.0T；③高场∶1.0 T～2.0 T(1.0 T、1.5 T、2.0 T)；④超高场强∶＞2.0 T(3.0 T、4.7 T、7 T).

1.3 磁共振仪的组成

磁共振仪由以下5部分组成∶①主磁体；②梯度线圈；③脉冲线圈；④计算机系统；⑤其他辅助设备。

MRI的成像系统包括MR信号产生、数据采集和处理以及图像显示两部分。MR信号是来自大孔径、具有三维空间编码的MR波谱仪，而数据处理及图像显示部分，则与CT扫描装置相似。MRI设备包括磁体、梯度线圈、供电部分、射频发射器及MR信号接收器，这些部分负责MR信号产生、探测与编码；模拟转换器、计算机、磁盘与磁带机等，则负责数据处理、图像重建、显示与存储。磁体有常导型、超导型和永磁型三种，直接关系到磁场强度、均匀度和稳定性，并影响MRI的图像质量。因此非常重要。磁体类型代表MRI设备的类型。常导型的线圈用铜、铝线绕成，磁场强度最高可达0.15～0.3 T，超导型的线圈用铌-钛合金线绕成，磁场强度为0.35～2.0 T，用液氦及液氮冷却；永磁型的磁体由用磁性物质制成的磁砖组成，体质量较重而磁场强度偏低，最高为0.3 T。梯度线圈修改主磁场产生梯度磁场，其磁场强度虽只有主磁场的数百分之一。但梯度磁场为人体MR信号提供了空间定位的三维编码，梯度场由X、Y、Z三个梯度磁场线圈组成，并有驱动器以便在扫描过程中快速改变磁场的方向与强度，迅速完成三维编码。射频发射器和MR信号接收器为射频系统，射频发射器可产生临床检查目的不同的脉冲序列，以激发人体内氢原子核产生MR信号。射频发射器及射频线圈象“短波发射台”及“发射天线”，向人体发射脉冲，人体内氢原子核相当于“收音机”接收脉冲。脉冲停止发射后，人体氢原子核则变为短波发射台，而MR信号接受器则成为“收音机”接收MR信号。脉冲序列发射完全在计算机控制之下。MRI设备中的数据采集、处理和图像显示，除图像重建由Fourier变换代替反投影外其他与CT设备相似。

2 西门子磁共振成像仪故障排除探讨

2.1 故障现象一

扫描头部和腰部扫描时，偶尔出现图像信噪比非常差，有时候一个序列单数层图像好，偶数层不好.

故障分析与检修∶ 做RFPA test tools见表3。

表3 RFPA功率测试(直接耦合)

DICO偏差比较大，做Tune up中的TX tuning和RF characteristic，连续做数次发现，RFPA最大输出电压一直在620～650 V之间来回变化，RFPA不稳定，更换RFPA则ok。

2.2 故障现象二

图像Head_neck和head的t1_fl_2d_tra，t2_fl_2d_ tra序列伪影严重， 更改相位编码方向后，伪影跟随着变化如图11、图12、图13所示∶

图11 t1_fl_2d_tra相位编码方向:A-P

图12 t2_fl2d_tra相位编码方向:A-P

图13 t2_fl2d_tra相位编码方向:R-L

经检测头部其余常规序列都正常(如t2_tse_tra和t1_se_tra以及fl3d)，只有t2_tim_cor_dark_fluid和腰椎的t2_tse_sag序列有轻微伪影，腰椎图像勉强可看而颈部图像则很差。

2.2.1 维修过程

(1)从图像上来看，可以判定是梯度伪影，由于上次出现过同样问题更换过GPA后正常了，所以先查GPA，发现Y轴GPA对地电阻不正确，在10 k～几M之间变化，更换Y轴梯度功放后，问题还没有解决!

(2)做spike check，ok。(3)做stability check，Calc_Artifacts，均为not ok。(4)查线，拆开外壳，把梯度线圈上的接头全部拔出，用绝缘胶布处理，处理接头，重新拧紧，故障依旧。

(5)继续查线，磁体侧面的接头，传导板上所有的梯度线接头处全部重新处理，故障依旧。

(6)查看loadmatch，用示波器查看fl2d扫描时的梯度波形，均没有发现异常。

(7)做test tools中的grad.linearity， 发现Z轴not ok，如图14所示。而正常情况下的波形应该如图15所示。

图14 Z轴异常波形

(8)进一步排查问题。交换X Z轴G P A，做linearity check，还是在Z轴，说明GPA是好的；在设备室传导板上交换XZ的接线头，还是Z轴有问题，说明Z的线圈部分是没有问题的；在机柜顶端交换XZ的接线，还是在Z轴上，说明线也没有问题；在磁体间交换XZ的接线端，仍然是Z轴有问题；交换XZ小信号驱动单元(光纤和驱动线)，还是Z轴；说明后级驱动以及负载都没有问题， GSSU来的梯度波形信号有问题，问题应该是出在前级信号输入，难道是GSSU？或者GCTX？亦或是序列参数？重装软件.Tune up.故障依然；订GSSU和GCTX.；更换GSSU，故障一样.更换GCTX后，问题解决! tune up.QA.扫描患者一切正常。

图15 Z轴正常波形

2.2.2 故障分析

梯度线圈出现问题的可能性极小，这样，问题就出现在梯度放大器。梯度放大器由X轴、Y轴、Z轴3轴组成。根据磁共振的坐标系，(水平场磁共振)水平右左(RL)是Y轴，上下(AP)是X轴，水平沿磁体长轴(FH)是Z轴。冠状位正常说明YOZ平面内定位是正常的，则横断位(XOY平面)RL方向正常而AP方向变短、矢状位(XOZ平面)FH方向正常AP方向变短存在异常，由此推断X 轴梯度出了问题，进而验证冠状位图像正常，而冠状位的这一面的空间定位是错的。再次分析，在矢状位和横断位上的距离变短，而不是变长，由此推断是X轴梯度电流变小。

2.2.3 排除方法

打开X轴梯度，发现T5-NT X轴梯度上有2块板，1块是PROCESSOR，块是POWER CONVERTER。除此以外还有3块电源块，但是排除电源块故障，因为它们的指示灯正常，若电源块损坏，则不能扫描。仔细用放大器观察PROCESSOR 板和POWER CONVERTER板，都没有发现2块板有任何问题，因为后者是整流块、大电流，所以判断为POWER CONVERTER损坏，又因为磁共振的X轴、Y轴、Z轴三者相同，所以用替换法将X轴和Y轴的POWERCONVERTER 板互换，扫描发现前后(AP)方向正常，而左右(RL)方向变形变短，说明X轴正常，Y轴存在问题，由此断定POWER CONVERTER板损坏，更换后故障排除。

3 结语

磁共振成像仪是一个由多学科构成的十分复杂的系统，对于磁共振成像仪操作者和医院工程技术人员的理论知识和实践能力要求很高，因此磁共振成像仪操作者和医院工程技术人员只有努力学习磁共振理论知识，勤于动手、动脑，多实践和多操作磁共振成像仪，才能熟练掌握磁共振成像仪的各种性能特点，充分发挥磁共振成像仪的各种功能，迅速解决仪器使用过程中出现的各种问题。

[1]徐跃，梁碧玲.医学影像设备学[M].北京∶人民卫生出版社，2005.

[2]刘朝晖，刘志明，韩金路.核磁共振仪射频系统故障分析[J].医疗装备，2009.22(8)∶22-23.

[3]韩丰谈，朱险峰.医学影像设备学[M].北京∶人民卫生出版社.2004.

[4]胡军武.临床医学工程技术[M].北京∶科学出版社，2002.

[5]王建坤.浅谈GE 0.2 T核磁共振维护和维修[J].北京生物医学工程，2009，28(1)∶111.

[6]彭兆祥，高玉伟，侯秀芬，等.大型医疗设备的维修与保养[J].实用医技杂志，2005，12(2A)∶343.

[7]赵喜平.磁共振成像[M].北京∶科学出版社，2004∶997-1010.

[8]万华军，黄政权.Siemens Symphony MRI维护及故障排除[J].医疗卫生装备，2008，29(2)∶116. [9]吴恩慧.医学影像诊断学[M].北京∶人民卫生出版社，2002∶6.

[10]何贤国.电路原理[M].长沙∶湖南科学技术出版社，2011∶4.

[11]刘正琦.核磁共振操作及维护保养[J].中国实用医药，2007，2(35)∶155.

[12]郭文力，贾中文.超导磁共振的日常维护[J].中国医疗器械杂志，2001，25(6)∶369.