移动核磁共振虽然在可移动性方面有别于传统设备,但其构成原理本质上与传统核磁共振一致。

  移动核磁共振虽然在可移动性方面有别于传统设备,但其构成原理本质上与传统核磁共振一致。以下从构成部件及其原理分别进行介绍:

  主要构成部件

  磁体系统

  主磁体:是产生强大静磁场的核心部件,使人体组织中的氢原子核(质子)在磁场中发生自旋取向排列,形成宏观磁化矢量。常见的主磁体类型有永磁体、常导磁体和超导磁体。永磁体由磁性材料制成,结构简单、成本低,但磁场强度有限;常导磁体通过电流产生磁场,能耗大、磁场稳定性较差;超导磁体则利用超导材料在极低温度下电阻为零的特性,能产生高场强且稳定的磁场,是目前大多数临床MRI设备采用的磁体类型。

  匀场线圈:用于补偿主磁场的不均匀性,使成像区域内的磁场尽可能均匀。通过调整匀场线圈中的电流,可以微调磁场分布,提高图像质量。

  梯度线圈:梯度线圈在主磁场基础上产生线性变化的磁场梯度,用于空间定位编码。它由三组相互垂直的线圈组成,分别对应x、y、z三个方向。通过控制梯度线圈的电流,可以改变磁场在不同方向上的强度变化,从而确定信号的空间位置,实现图像的层面选择、频率编码和相位编码。

  射频系统

  射频发射器:负责产生射频脉冲,并将其通过射频线圈发射到人体成像区域。射频脉冲的频率与氢原子核的进动频率相同(即共振频率),当射频脉冲作用于人体时,会激发氢原子核吸收能量,使其从低能级跃迁到高能级,产生磁共振现象。

  射频接收器:用于接收氢原子核在弛豫过程中释放出的射频信号。这些信号非常微弱,需要经过射频接收器放大、滤波等处理后,才能传输到计算机图像处理系统进行后续分析。

  射频线圈:既是发射射频脉冲的天线,也是接收磁共振信号的探测器。根据其功能和应用场景不同,可分为体线圈、表面线圈、相控阵线圈等多种类型。体线圈一般用于大范围成像,覆盖人体较大部位;表面线圈则靠近成像部位放置,能获得较高分辨率的局部图像;相控阵线圈由多个小线圈单元组成,可以组合使用,提高图像的信噪比和覆盖范围。

  计算机图像处理系统

  数据采集单元:负责采集来自射频接收器的模拟信号,并将其转换为数字信号,以便计算机进行处理。采集到的数据包含了人体组织的磁共振信息,这些数据以原始数据矩阵的形式存储。

  计算机:对采集到的原始数据进行复杂的运算和处理,运用各种成像算法,如傅里叶变换等,将原始数据重建为人体内部结构的图像。计算机还可以对图像进行各种后处理操作,如图像增强、滤波、测量、三维重建等,以满足不同的诊断需求。

  显示终端:将计算机重建后的图像显示出来,供医生观察和分析。现代的显示终端通常具有高分辨率、高对比度的特点,能够清晰地呈现出人体组织的细微结构和病变特征。

  辅助系统

  制冷系统:对于超导磁体,需要维持极低的温度(通常为液氦的沸点,约 -269℃)以保持超导状态。制冷系统通过液氦循环冷却磁体,同时采用低温绝热技术减少热量传入,确保磁体稳定运行。

  电源系统:为设备的各个部件提供稳定的电力供应。由于核磁共振设备功率较大,电源系统需要具备可靠的稳压、滤波和不间断供电能力,以防止设备因电源波动而出现故障。

  成像原理

  原子核的磁共振现象:人体组织中含有大量的氢原子核,这些氢原子核带有正电荷,会像小磁针一样绕自身轴进行自旋运动。在没有外加磁场时,氢原子核的自旋方向是随机分布的,宏观上不产生磁场。当人体置于主磁场中时,氢原子核的自旋轴会趋向于与主磁场方向平行排列,一部分氢原子核处于低能级的平行状态,另一部分处于高能级的反平行状态,两者数量略有差异,形成一个沿主磁场方向的宏观磁化矢量。

  射频脉冲激发:当向人体发射特定频率(与氢原子核共振频率相同)的射频脉冲时,氢原子核会吸收射频脉冲的能量,从低能级跃迁到高能级,宏观磁化矢量偏离主磁场方向。此时,氢原子核的自旋相位变得一致,产生一个横向的磁化分量。

  磁共振信号产生与接收:射频脉冲停止后,氢原子核会逐渐恢复到初始的平衡状态,这个过程称为弛豫。在弛豫过程中,氢原子核将吸收的能量以射频信号的形式释放出来,被射频接收器接收。氢原子核的弛豫过程包括纵向弛豫(T1弛豫)和横向弛豫(T2弛豫),不同组织的T1和T2值不同,因此释放出的射频信号强度和衰减速度也不同,这就为区分不同组织提供了基础。

  空间定位编码:通过梯度线圈在x、y、z三个方向上施加不同的磁场梯度,对磁共振信号进行空间定位编码。层面选择梯度用于确定成像的层面,频率编码梯度和相位编码梯度则分别在频率和相位维度上对信号进行编码,使得计算机能够根据接收到的信号确定其在空间中的具体位置。

  图像重建:计算机图像处理系统收集经过空间定位编码的磁共振信号数据,并运用特定的算法(如二维或三维傅里叶变换)对这些数据进行处理和重建,最终生成反映人体内部结构的断层图像。医生通过观察这些图像,就可以对人体的健康状况进行诊断和评估。

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