第一节　磁　　体

磁体（magnet）是MRI系统的核心设备。一个可以产生稳定而均匀磁场的高性能磁体，始终是所有生产厂家极力追求的目标。磁体产生静磁场（B0）的场强越强，成像信噪比（SNR）越好，磁体的造价也就越高。所以，在考察和购买磁共振设备时，用户往往需在图像质量和价格之间进行选择，磁体是重要考察指标之一。

提高磁场最有效的途径是选择超导磁体。虽然，超导磁体的价格和低温维护费用很高，但为满足不同用户的需求，各个厂商推出了不同类型的超导MRI系统，成为中高场强MRI系统的主流配置。在低场强方面，永磁型开放式MRI系统具有较好的性价比，维护费用低廉，深受一些用户的欢迎。

根据结构不同，磁体可分为永磁磁体和电磁磁体，后者又分为常导磁体和超导磁体。现分述如下：

一、常导型磁体

有电流通过的线圈与磁铁相似，存在磁场。单独一个线圈产生的磁场极不均匀，但将不同大小的线圈有序排列，就可以形成均匀的磁场。常导型磁体（resistive magnet）利用了这一原理，其基本结构是能承受较大电流通过的线圈组件（图2-1-1-1），又称阻抗型磁体。这些线圈通常由铜线绕成，线圈会有一定电阻值。当有电流通过线圈时，会有热损耗并产生较大的热量，导致线圈温度上升。加大电流可以提高常导型磁体的磁场场强，场强越高热损耗越大，线圈温度相应越高。因此须装配大容量冷却系统，以冷却线圈。当线圈温度达到一定高度时，冷却系统无法承担。所以，大多数常导型磁体的磁感应强度不会很高，通常在 0.3T左右，最高不超过0.7T。常导型磁体的场强即使不高，消耗的电能还是很大。对于磁感应强度为0.2T的四线圈常导型磁体，耗电功率达80kW。

常导型磁体在所有MRI系统中重量最轻，一般小于5吨。由于制造工艺简单，所以造价便宜。最大的优点是在紧急状况下，可以切断电源，关闭磁场。常导型磁体的缺点是，需要一套冷却系统为线圈降温，使其价格及运行成本较高。如果线圈电源（为线圈提供电力）输出的电流波动，将直接影响磁场的稳定性。生产大功率、高质量的电源本身也非常困难。相比于永磁型磁体，磁场强弱虽然相差不多，但前者的维护费用相对较高，而应用性价比较低。因此，逐步被市场淘汰。

二、永磁型磁体

永磁型磁体（permanent magnet）内部由多块永磁砖（永磁合金材料）拼接而成，用以产生恒定的磁场；外部由导磁材料构成，起支撑整个磁体的作用，并形成磁力线回路，减少磁体周围的杂散磁场，增强磁场的强度（图2-1-2-1）。永磁型磁体最大的优点是不用电流产生磁场，所以不消耗电力，也不需要配套冷却系统。其结构简单，能设计成不同的形状，可以采用开放式结构（图2-1-2-2），相对于其他类型的MRI系统，造价和运行费用较低。

永磁型磁体大量使用合金材料，磁体较重。早期磁体重量在100吨左右。通过采用新型合金材料，目前减到20吨左右。永磁型磁体的磁场较低，大部分永磁型MRI系统的场强在0.2～0.35T。近几年，由于磁共振厂商采用磁性更强的永磁合金材料，永磁型磁体的磁场已从0.35T提高到0.7T，图像质量和扫描速度也有较大提高。但是，永磁型磁体对外界温度敏感，温度变化会影响其磁体稳定性。所以，放置永磁型磁体的房间在工作中需保持室内温度恒定。

三、超导型磁体

有电流通过的线圈可产生磁场。超导型磁体（superconducting magnet）利用了这一原理。超导磁体技术利用了超导现象，即超导磁体产生静磁场的线圈是由超导体绕制而成，这是超导磁体有别于电磁型磁体的最大特征。

超导现象是荷兰莱顿大学的昂内斯在1911年意外发现的。当汞（水银）被冷却至液氦温度（-269℃或4.2K；0K=-273.15°C，K为开尔文温标，0K为绝对零度）时，其电阻值突然消失。随后，又发现其他金属和合金导体也有在低温下电阻值消失的超导特性。昂内斯由于这一巨大发现，获得了1913年的诺贝尔物理学奖。在这之后，人们把处于超导状态的导体称为超导体。超导体的电阻值在极低温度下突然为零，因此电流通过超导体时没有热损耗。在超导体中可以毫无阻力地形成强大的电流，产生极强的磁场。并且，一旦在回路中激励起电流，电流可以不衰减，长时间存在。

在超导型磁体中（图2-1-3-1），超导线圈被绕制在特制骨架上。骨架采用非磁性材料制成，多为铝、不锈钢、碳纤维和玻璃纤维。在超导状态下，超导线圈可以产生稳定而强大的磁场，前提条件是超导线圈处在绝对低温环境中。实际上，整个超导线圈需浸泡在装有制冷剂（液氦）的杜瓦容器中。但是，液氦在常温状态下会大量挥发。为了减少液氦挥发，需要在液氦杜瓦容器的外层套有隔温保护层，称为冷屏。冷屏是液氮或低温氦气屏蔽层，冷屏连接磁体上方的冷头，利用冷头为其降温。

液氮是一种无色、无味的液体，与液氦相比，是一种廉价的制冷剂。早期超导磁体的低温容器由外层的液氮冷屏和内层的液氦杜瓦组成。液氮冷屏为液氦磁体提供一个初步的低温环境，减少内层液氦的挥发。现在的超导磁体多应用低温氦气冷屏，其优点是只填充单一制冷剂（液氦），并且制冷效率更高。

目前，超导型磁体还没有场强限制，是各种类型磁体中最先进、应用最为广泛的磁体。高场及超高场MRI系统都应用超导型磁体。由于磁场的强度高，活体的磁共振频谱分析和功能成像只能应用超导型MRI系统。超导型磁体的均匀度和稳定性也是其他类型磁体不能比拟的。

虽然超导磁体的优势明显，但是超导线圈必须浸泡在液氦中。而液氦温度非常低，常温状态下大量挥发（10～30L/d）。因此需要使用冷却系统，以减少液氦的消耗。即便如此，仍会有少量液氦挥发。一台超导型磁体可以存有液氦的最大容量在2000L左右。当液氦减少到一定程度时，就很容易失超（quench）。失超是一种事故，是指超导线圈一旦失去了超导特性，巨大的电流在线圈中会迅速产生极大的热量，导致线圈的温度急速升高，作为制冷剂的液氦将被汽化，致使大量氦气膨胀、泄流。失超只发生在超导磁体。

超导磁体的工艺复杂，造价和运输费用高。并且，需要定期补充液氦，使得超导型MRI系统的日常维护费用较高，工作程序烦琐。磁体的开放程度也不高。这些缺点是其不能完全替代上述几种磁体的原因。

四、磁体的组成

上面介绍了三种类型的磁体，它们的作用是为MRI系统提供一个理想的磁场环境。磁体内部除了产生静磁场的线圈（永磁型磁体为永磁砖），还安装了梯度线圈（解决空间分辨率问题）、射频体部线圈、匀场线圈（进一步提高磁场均匀度）、无源磁屏蔽、射频屏蔽、被动匀场等部件（图2-1-4-1）。超导磁体还包含液氦杜瓦、冷屏、冷头、制冷剂液面计等部件。以上这些单元使得磁体设计和制造越来越复杂，也使得扫描孔径被进一步压缩、变小。

磁体中产生静磁场的线圈、梯度线圈、射频体线圈、主动匀场线圈都连接各自独立的控制单元和电源系统，为其提供稳定的电流。永磁型磁体不需要产生静磁场的线圈及电源。超导型磁体只是在励磁和退磁一次性使用励磁电源。这是因为一旦励磁完毕，超导线圈中的电流可长时间保持磁场稳定。

五、磁体的评价

磁体是MRI系统的核心部件，它的性能指标包括静磁场的强度、磁场均匀度、磁体稳定性、扫描孔径（成像开放程度）等，分述如下：

（一）磁场的强度

磁场的强度是评价磁体性能最重要的指标。这是因为在一定范围内，磁场的强度与SNR呈线性关系。磁场的强度越高，扫描层面内沿静磁场方向排列的质子数越多，纵向磁化矢量越大，MR信号强度越强，图像质量越好。

但是高场强也会产生不利的因素。①磁场的强度越高，射频脉冲的频率（共振频率）越高，人体吸收射的频脉冲能量越多。因此，在高场及超高场MRI系统中，需要严格控制人体组织吸收过多射频能量，避免热过载和局部热损害（详见第十五章）。而且，射频脉冲频率越高，射频脉冲的波长越小，穿透人体的能力也就越小，故在超高场MRI系统中极易产生各种伪影（详见第十四章）。②磁场的强度越高，MRI中的化学位移伪影越明显（详见第十四章）。③超高磁场对人体的生物效应尚未明确，目前应用于临床诊断的超导MRI系统，最高场强为3.0T。

（二）磁场均匀度

磁场均匀度（magnetic field homogeneity）是指特定容积内磁场的同一性，指在成像范围内两点之间磁感应强度的最大偏差（ΔB）与静磁场（B0）的比值，一般为百万分之几，用ppm表示。ppm值越小，磁场均匀度越好。MRI进行空间定位时，需要在B0上附加一个梯度磁场。如果梯度磁场小于ΔB，将会破坏定位信号，降低成像质量。ΔB越大，图像质量越差。因此，磁场均匀度不仅影响MRI的空间分辨力和信噪比，还决定 MRI系统梯度磁场的最小强度。

磁场均匀度由磁体的设计和周围环境决定，与磁体的类型有关。在各种类型的MRI系统中，超导MRI系统的磁场均匀度最好。

磁共振设备在出厂前，厂家都会对磁体进行匀场，使其磁场均匀度达到标准。但是，当磁体安装后，由于磁体周围环境（如附近的设备、房屋钢结构、屏蔽等）影响，磁体均匀度会有所变化。因此，磁体均匀度测试和被动匀场是MRI系统安装过程的必要步骤。当测试发现磁场不够均匀时，会在磁体内外适当位置安装金属片（块），调整磁场均匀度，使磁体产生的磁场较为均匀。这些金属片会一直存在于磁体中，并作用于静磁场。

在高场及超高场MRI系统（超导MRI系统）中，还采用了主动匀场技术。将超导匀场线圈安置在磁体内，通过已知的几何方向进一步补偿和校正，使磁场均匀度达标。目前采用被动+主动匀场技术，可以使局部磁场均匀度达到1ppm以下。

需要注意，如有金属异物（如硬币、发夹、金属别针等）被吸入磁体内，局部磁场均匀度将被破坏，需及时处理。

（三）磁体稳定性

磁场均匀度和磁场的强度会随时间和温度的影响发生漂移。磁体稳定性（magnet stability）是衡量磁场漂移的指标。磁体稳定性下降，使单位时间内磁场变化率升高。磁共振成像时，序列周期内磁场的强度变化影响重复测量回波信号，导致图像失真，信噪比降低。

磁体稳定性与磁体类型的相关设计和制造质量有关。常导磁体的磁体稳定性主要由线圈供电的电源性能决定。永磁型磁体对周围环境温度变化比较敏感，温度变化可导致磁体几何参数发生改变，导致磁场漂移。因此，装有永磁型磁体的扫描室需有恒温系统。在各种类型的磁体中，超导磁体的稳定性最好，不存在时间和温度稳定性问题。

（四）扫描孔径

扫描孔径是指实际扫描的有效孔径，是磁体孔径安装匀场线圈、梯度线圈、射频线圈和护板后的实际孔径。对于全身多功能型MRI系统，扫描孔径大小应该足以容纳人体和工作线圈，一般在65cm左右。过小的扫描孔径不仅影响患者舒适度，更容易引起患者的幽闭恐惧症（详见第十五章）。较大的扫描孔径可以减少幽闭恐惧症发生，让患者更加舒适。但是磁体设计和制造的复杂程度，限制了扫描孔径进一步增大。

扫描孔径开放程度最大的是永磁开放式MRI系统（见图2-1-2-2）。这种磁体开放程度大，可有效减少患者幽闭感，增加患者舒适度，并适合开展MRI引导的介入治疗。目前，在中、低场强MRI系统中广泛应用。

磁体的重量、长度、体积、液氦消耗量（超导磁体）等因素也是衡量磁体性能的重要指标，详见表2-1-5-1。