优化磁共振成像图像

作者：Claude Gude    来源：Today’s Medical Developments

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 双轴磁通门闭环传感器技术不仅适应且改善了磁共振成像（MRI）技术。 MRI，即磁共振成像，是一项强大而具有革命性的医疗技术，它能够诊断出非常广泛范围的疾病与损伤，大大减少或者在许多情况下消除了探索性手术的需要。它为医生提供患者内部结构和器官的二维或者三维图像，以及高精确度的横截面。 支撑着这项由MRI 扫描所取得的成果的是一系列先进技术，包括了精密测量技术：MRI 之所以生成具有几乎令人难以置信清晰度的图像，直接有赖于基本电参数的测量。 MRI 经常与计算机断层扫描（CT）牵扯在一起， 而在某些方面，它们也是相辅相成的。CT 扫描是基于X 射线运作，且最擅长高密度结构（如骨骼）成像， 而MRI 扫描则擅长展示软组织结构的细节。 MRI 的工作原理是基于核磁共振。事实上，MRI 实际检测的是人体中占据了总体重70% 的水所含有的氢原子质子。更确切而言，MRI 是观察氢原子核暴露在磁场和电磁场所产生的刺激中的反应。 每个体积元（体素）所收集的能量依赖于分布在被分析部分的水，所以，MRI 能够提供人体中水分布的三维图像。因为每种类型的人体组织中都有一个特定比例的水在里面，所以能够通过查看水分布的变化来观察那些组织以及任何恶化。 工作原理 首先，了解核磁共振（NMR）的工作原理是非常有必要的。当受到磁场刺激的时候，原子核的原子会具备与磁偶极子和磁铁相同的性质（见图1）。原子的原子核有自旋矩或磁矩，我们通常是用沿着旋转轴的矢量代表它。 在没有任何外部影响下，这种微小的磁铁不会取向任何特定方向。只要这个磁铁是受一个恒定和均匀的静磁场（简称 H0）影响，它就会两个方向均对准 H0：平行和反平行于磁场。核磁矩是微小的，并且需要强烈的外加磁场来实现对准；相关的磁感应强度 B0 通常在0.2 特斯拉至3 特斯拉之间。下面为了简化说明， 只提及了平行方向的对准。 对准过程比沿着磁场线的自旋轴的一个简单设置还要更加微妙。如果我们把Z 轴（见图3）视为平行于应用磁场，自旋会绕着Z 轴以角速度ω0 沿着锥角进动或者旋转，相关的频率称为拉莫尔频率： ω0=yB0 因此，进动速度是和静磁场是成正比例的；例如， 一个B0=1 特斯拉的磁场给出一个 f0= 42.5MHz 的频率。 原子核的共振 为了观察原子核的共振，必须提供一些能量使原子核从稳定状态转向兴奋状态。这是通过施加高频磁场H1 实现的。当H1 的频率等于拉莫尔频率时，共振就会发生，原子核会移到一个更高的能量状态。 在应用H1 的过程中，原子核的自旋轴不再与 H0（Z 轴）对齐，而是移到了XY 平面上。当H1 的刺激消除后，自旋轴会再一次与H0 对齐，它们在H1 刺激中所获得的额外能量会以阻尼电磁波（也称为弛豫）的形式放射出去。天线检测阻尼波，产生的感应电压称为自由感应衰减（FID）。 核磁共振的计算机正是把FID 的信号处理成一个3D 图像或者剖面图像。 应用磁场 正如上文所述，静磁场H0 必须是非常强烈的，病人所躺的地方，即MRI 扫描仪窗口内部，需要具备极高稳定性和均匀性。 当今的大多数MRI 都是通过围绕扫描仪圆筒的超导磁体生成静磁场。磁体的线圈是由浸在4 °K 温度的液态氦中的铌- 钛导线做成的。 梯度线圈把磁梯度叠加到H0 以提供图像的空间编码。每一次，成像仅发生在一个平面或者切片中，且为了确保仅从那一个平面中的原子核中获取信号，只有那里的原子核会被导致共振。 共振的出现强烈地依赖于H0 的磁场值：梯度线圈叠加磁场以确保所需平面内的最终磁场正好相等于H0。 梯度线圈运作原理 要创建一个沿轴的梯度需要一对线圈。每一对线圈中的电流均沿相反方向流动（其原理示于图6）。 事实上，有3 对梯度线圈处于MRI 设备圆筒周围来产生3 个正交磁场。因此，任何时候想要在圆筒内调整磁场都是有可能的。在一个封闭的伺服式回路中运行的梯度放大器驱动梯度线圈中的电流（图7）。因此，每一个MRI 都需要3 个这样的电流控制回路。 我们可以从上面所展示的MRI 工作原理中看出，图像的质量、清晰度和分辨率都与应用磁场有直接关系，因此也与注入梯度线圈中的电流有直接关联。电流控制回路中的其中一个关键要素是电流变换器的整体精度。 特别是，电流变换器的以下几个参数是至关重要： ● 极低的非线性误差（<3ppm 的测量范围） ● 非常低的随机噪声（从0.1Hz 到1kHz 的低频噪声） ● 在整个温度范围内极低的偏移和灵敏度渐变（<0.3ppm / °K） ● 时间偏差的高稳定性（这一点之所以重要是因为有一些MRI 扫描的持续时间可能长达数十分钟） ● 测量范围（最大约1,000 A） ● 带宽（200 kHz -3 dB） 为了达到这些性能水平，之前几代磁共振成像扫描仪中使用的霍尔效应电流变换器已经不再满足需求。LEM 开发主要用于这个应用领域的解决方案具有霍尔效应技术的相似之处，但是体现出更显著的优势。它被称之为双轴磁通门闭环传感器，型号为ITL 900。虽然磁通门技术已经发展了有一段时间，但是LEM 充分利用了这一技术，适应且完善了这一技术。 该技术在它目前的形式中仅限制于一个相对狭窄的工作温度（一般为+10℃ 至+50℃）。然而，LEM 相信该技术能够进一步发展以及ITL 900 传感器对MRI 扫描的未来是意义重大的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/21/2014)