👩‍💼 🐏 📙 我们拆解磁共振成像仪 😆 😰 🌂

量子物理学，数学，生物学，低温学，化学和电子学交织成一个单一的模式，以铁的形式体现出来，并显示出一个人的真实内心世界，甚至也不少人读了他的思想。就可靠性和复杂性而言，此类设备的电子设备只能与太空设备进行比较。本文致力于磁共振成像的设备和原理。

在现代层析成像领域中，电子世界的轻敲棒处于领先地位：西门子，通用电气，飞利浦和日立。只有这么大的公司才能负担得起这种复杂设备的开发，而这些设备的成本通常高达数千万（几乎几亿）卢布。当然，从官方代表那里维修这种昂贵的设备，对设备的所有者来说是一笔巨款（顺便说一下，它们大部分是私人的，而不是国家的）。但是不要绝望！除笔记本电脑，电话，cnc机器以及实际上任何电子产品的维修服务中心外，还有一些公司参与医疗设备的维修。我在其中一家公司工作，所以我将向您展示有趣的电子产品，并尝试用清晰的文字描述其功能。

具有1.5特斯拉磁场的GE Healthcare磁共振成像扫描仪。 桌子是从断层扫描仪上拆下来的，可以用作普通轮椅。

MRI的所有魔力始于量子物理学，该术语起源于术语“自旋”，并应用于基本粒子。您可以找到关于什么是自旋的定义，这些自旋通常被接受-无论是什么意思，这就是粒子动量的时刻。据我了解，粒子似乎不断旋转（简化），同时在磁场中产生干扰。由于基本粒子又形成原子核，因此人们认为它们的自旋加在一起，并且原子核也有自己的自旋。此外，如果我们想通过磁场与原子核相互作用，那么对我们来说非常重要的是，核的自旋为非零。是否重合，但它是我们宇宙中最常见的元素-氢具有一个单个质子形式的核，其自旋等于1/2。

顺便说一句

自旋只能采用某些值，例如整数（例如0,1,2）和半整数（例如质子的1/2）。对于那些不熟悉量子物理学的人来说，这似乎是不自然的，但是在量子水平上，所有事物都被分成几部分，并且变得有些离散。

并且这意味着，简单地说，氢核可以被认为是具有北极和南极的非常小的磁体。值得一提的是，在人体中，氢原子只是海洋（大约10 ^ 27），但是由于我们没有吸引腺体，因此很明显，所有这些小“磁铁”在它们自身与其他粒子以及普通的磁性之间是平衡的身体力矩几乎为零。

Evert Blink的书“ MRI基础知识”中的插图。 带有黑色箭头的质子表示罗盘针向蓝色箭头方向旋转。

通过施加外部磁场，可以使该系统失去平衡，并且质子（当然不是全部）将根据力场线的方向更改其空间方向。

Lars G. Hanson的插图磁共振导论
成像技术。 人体中的质子自旋显示为箭头矢量。 左侧是所有质子处于磁平衡状态的情况。 右-施加外部磁场时。 如果您从一个点构建所有矢量，则下部的可视化效果将在三维版本中显示相同的内容。 所有这一切，围绕着磁力线有一个旋转（进动），用红色的圆形箭头表示。

在质子根据外部磁场定向之前，它们将在平衡位置附近振荡（进动）一段时间，例如罗盘针，如果制造商谨慎地未在表盘内部添加阻尼液，则该罗盘针会在北标附近振荡。值得注意的是，这种振动的频率对于不同的原子是变化的。基于该频率的测量，例如，基于用于确定测试物质的组成的共振方法。

顺便说一句

这个频率不是匿名的，并以爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔的名字命名，分别称为拉莫尔频率。它取决于所施加磁场的大小和一个特殊常数-旋磁比，取决于物质的类型。

对于1特斯拉场中的氢原子核，该频率为42.58 MHz，或者简而言之，这种强度场的场线周围的质子振动每秒发生约4200万次。如果我们用适当频率的无线电波照射质子，则将发生共振并且振荡将放大，一般磁化矢量将相对于外部磁场线发生一定程度的偏移。

Lars G. Hanson的插图磁共振成像技术简介。 示出了在暴露于具有引起系统谐振的频率的无线电波之后，一般磁化矢量如何移动。 不要忘记，所有这些继续相对于磁力线旋转（在图中，它垂直放置）。

此处最有趣的部分开始-在无线电波与质子相互作用以及振荡的共振放大之后，粒子再次趋于达到平衡状态，同时发射光子（由无线电波组成）。这称为核磁共振效应。实际上，正在研究的整个人体变成了许多微型无线电发射器，您可以从中捕获，定位并构建物质中氢原子分布的图像。因此，您可能已经猜到了，本质上MRI显示的是体内水的分布图。场强越强，可用于接收信号的质子数量越多，因此扫描仪的分辨率直接取决于此。

这种效应不仅在强磁场中得到体现-每天，即使在去面包的路上，我们身体的质子也受到地球磁场的影响。例如，来自斯洛文尼亚的研究人员已经建立了一个仅使用我们星球磁场的实验性MRI系统。

科学文章“基于核磁共振成像系统”的插图
地球磁场»作者：Ales Mohoric，Gorazd Planins等人演示了使用实验系统拍摄的图像。 左边是一个苹果，右边是一个橙色。 重要的是，没有获得质量差的图像，而是在弱场中使用MR的基本可能性。

当然，在商用医疗扫描仪中，磁场要比地球高很多倍。大多数情况下，使用的扫描仪的场强分别为1、1.5和3特斯拉，尽管它们既弱（0.2、0.35特斯拉），又有7甚至10特斯拉的严重怪兽。后者主要用于研究活动，据我所知，在我国尚无。

从结构上讲，扫描仪中的磁场可以通过不同方式创建-这些是永磁体，电磁体以及浸入沸腾氦气中的超导体，大电流流过。后者是广泛使用的，并且引起了极大的兴趣，因为与其他选择相比，它们可以实现无与伦比的更大的场强。

MRI装置的典型设计，其中的磁场是由流过超导体的电流产生的。 来源是互联网。

由于制冷剂-液氦的逐渐蒸发，超导绕组的温度得以保持。此外，系统中还运行有一个低温冷却器，在医学术语中称为“冷头”。它会发出典型的砰砰声，如果您在附近看到设备，可能会听到这种声音。超导体中的电流持续不断地流动，不仅在设备运行期间，始终存在磁场。没有意识到这一事实的电影制片人经常会遇到（例如，在《黑镜》系列的最后一个季中，也有类似的错误）。

在此类设备的控制面板上，有一个大红色按钮，可让您关闭磁场（减速磁铁）。并非没有讽刺意味的被称为“按钮解雇”。

西门子层析成像控制面板之一

按下此按钮可打开装有制冷剂的容器中的应急加热器，该应急加热器将绕组的温度升高至临界点，此后的过程就像雪崩一样：在绕组获得阻力后，流过绕组的电流会立即加热绕组及其周围的所有物体，并通过专用管道排放氦气。此过程称为“淬灭”，这可能是设备可能发生的最可悲的事情，因为在此之后进行恢复将花费大量时间和金钱。

西门子Espree层析成像仪，视野1.5。 特斯拉，请注意安静地放在桌子上的金属钥匙-此处不再有磁场。 它是从西门子的一些政府诊所购买的。 它具有相对较小的容器尺寸和较大的孔径。 有人认为，这样的设计缩短导致他喜欢经常自己将氦放到风中（至少照片中的设备以令人羡慕的规律性这样做）。

同时，在简短地论述之后，让我们再次回到理论上。如果仅接收人体的质子响应共振无线电脉冲而发出的无线电波，则无法建立图像。如何定位来自身体各个部位的信号？一次，研究人员保罗·劳特伯（ Paul Lauterbur）和彼得·曼斯菲尔德（ Peter Mansfield）因解决这一问题而获得了诺贝尔医学奖。简而言之，他们的解决方案是在设备中使用其他绕组，从而沿所选方向在磁场中产生几乎线性的变化-磁场梯度。由于我们的空间似乎是三维的，因此使用了三个绕组-X，Y和Z轴。

Evert Blink的书“ MRI基础知识”中的插图。 这就是设备内部其他梯度绕组的样子-实际绕组当然具有更复杂的结构。

如果磁场强度线性变化，那么当激活其中一个梯度时，沿该方向的质子将具有不同的共振频率。

插图来自howequipmentworks.com。 分别绘制了渐变绕组（蓝色）和射频绕组（绿色）。 结果表明，当沿表在点A处创建场梯度时，质子的共振频率将不同于点B处的频率。

使用渐变允许您操纵场，以便信号仅来自特定区域。根据接收信号的幅度，选择图片中像素的亮度。该区域中质子的浓度越高，结果越亮。

当然...

这样的描述当然被大大地夸大了。实际上，信号是通过同时组合所有三个梯度来定位的，图片不是像您从本说明中可能想到的那样逐像素构建的，而是立即由整条线构建的。众所周知的傅里叶变换在其中起着不小的作用。可以在Lars G. Hanson的“磁共振成像技术简介”一书中找到详细的说明。 a，本文并不适合所有情况。

要创建磁场梯度，必须使大电流流经梯度绕组，并且脉冲应是相当短的，具有陡峭的前沿，对于某些程序，要求梯度绕组中的电流方向立即变为相反的方向才能磁化反转。强大的脉冲转换器可以做到这一点，它们占据了机房的整个机架。

梯度放大器设备Siemens Harmony 1T。 性能-使用六个模块时，最高300安培和800伏特-该照片显示了三个模块。

西门子设备传统上使用水冷却功率组件-在照片中可以看到灯管。这通常会导致（一个有趣的双关语）在任何泄漏中表现出良好的敬意。尽管德国人吹牛，但没有人愿意安装泄漏传感器（在这方面，他们应该向通用电气学习）。但是公平地讲，特别是渐变块很少流动，更常见的是它们没有明显的原因而失败。

Siemens Harmony的梯度模块的内部是旧式的。

像照片中所示的模块很难维修-晶体管被粘到铜管上进行冷焊之类的东西，它们立即在那里烧成数十个。要卸下该板，您需要同时焊接几十个支脚！最好不要忘记这场噩梦，而要看一下德国制造商提供的最新解决方案。

西门子和谐公司的梯度放大器。 较新的版本。 两个对称板用螺栓固定在功能强大的场效应晶体管上。 晶体管以六个为一组并联工作，当然，它们一次也不燃烧。 照片中的模型已经被“折断”了，铜板代替了板子之间的原始连接器。 注意照片的右上角-这些是打开按键的信号所通过的光缆。 如果混淆了它们的连接-设备立即被大声烧毁，则此技术没有提供“免于傻瓜”的保护。

维修过程中的主要问题之一是缺少任何文档，尤其是由于设备非常专业。因此，有时您必须填充大量的锥体并燃烧很多昂贵的组件，才能了解问题所在。当然，您可以花钱购买服务手册，但通常来说，它们是肤浅的。很酷的公司会保守秘密。

设备中的磁场越强，梯度传感器应相应地更强大。在场强为1.5 T和3 T的设备中，需要拨出并联的场效应晶体管以提供必需的功率的束变得太大，IGBT组件开始发挥作用，类似于工业变频器中用于电机控制的组件。

分析中的量子级联梯度放大器，电流高达500安培，输出电压高达2000V。它包含20个强大的IGBT组件。 这里有一个有趣的地方-组件本身不能承受2千伏，该电压是通过使用五个各自为400V的独立电源获得的。 我的梦想是用这个单元组装一个特斯拉线圈。

考虑到梯度绕组也处于弱磁场中的事实，当梯度绕组流过梯度绕组时会发生什么情况？当然，安培的强度会使它们变形，但是它们被树脂牢牢地淹没到了不可能的程度。但是，即使这样也无法保存-由于渐变会在声音频率范围内起作用，因此产生的振动可能会产生很大的声音，其音量类似于钉子上的锤击（伴随着您听到约5,000次敲击的警告）每秒）。因此，几乎在任何MRI设备中都有耳机或耳塞。软件和硬件会不断监视扫描仪室内的声音水平，以使分贝不会超出可接受的范围。在梯度操作过程中，磁场快速变化，再加上产生共振的射频脉冲，会在扫描仪附近的任何金属表面感应出涡流，从而导致金属振动和轻微发热，即使是小的金属印章也会在图像中出现特征性伪影。因此，在进行MRI检查之前，他们需要去除所有金属（不需要去除密封件）。

合成器单元（在Siemens设备中）或激励器（在GE设备中）负责产生所需频率的射频脉冲。尽管名称不同，但它们的功能大致相同。这些设备通常是可靠的，如果小心处理，几乎不需要维修。该信号是通过数模合成形成的，并且是Sinc函数。

左侧显示了两种类型的射频脉冲-高斯和正弦，也称为基数正弦。 右侧显示了用作射频激励信号时的激励曲线，也就是说，质子进入共振的区域的形状大约在侧视图中显示。 当然，较低版本的图像更适合于创建图像（切片），尤其是当它们彼此靠近时，以减少所选扫描区域之外的信号的影响。

最后，我们毫不夸张地介绍了整个断层扫描仪中最有趣的部分-射频功率放大器，它将来自合成器的微弱信号转换为馈送到设备中发射天线的强大信号。

顺便说一句

在国外文献中，与断层扫描仪相关的所有天线都称为“线圈”，“线圈”这个名称在俄罗斯已经扎根。 - «» . Body coil — «-» — - , , — .

1 10, 1.5 15 , . , . — .
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General Electric Hitachi , Analogic. , — , , , , .