（机械工程专业论文）医用设备项目规划研究——mri项目规划.pdf

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c tp l a n n i n g a b s t r a c t m a g l l 酣cr e s o n 锄c ei n l a g i n gs c a 皿e ri san e wt y p e0 fe q u i p m e mf o rm c d i c a l d i 雒皿o s i s 锄di tb e c o m e sm o r c 锄dm o r ep o p u l a rf 1 0 rb e i n gl e s sh a m l f u lt oh u m 吼b o d y a l m o u g i lt t l et l l e o r ) ，o fm i sb 骶l yl m o w n t om o s to f p e o p l e ，t l l ep o p u l 撕t yo fm r ii s 蓼o w i n gy e 盯b yy e a r 雒ar e s u l to ft l l es u p p o n i v ep o l i c yo ft h eg o v e r m n e n ti nh o s p i t a l s 锄dt i l er o d u c e dp r i c e so fl o w 嘲帕m e q u i p m e n t s e v e r yy e 甜t l l e r ea r eh u n d r e d so fp a p e 璐t l l et l l e 0 巧0 fn u c i e 缸m a g l l e t i c r e s o n 卸c e 白o m t l l e 锄g i eo fq u 觚t l l mm e c h 砌c sw m c hb e l o n g st ot l l e o r 既i c a lp h y s i c s f i e l d ，鲫da l s ot l l o u s 觚d s0 fr e s e a r c h e sa b o u tm m e d i c 址i m a g i n ga r em a 砌y p a t l l o l o 西c a l 觚a j y s i sw h i c hb e l o n g st 0m e d i c a ld i a g n o s t i c sf i e l d w ea t t e m p tt 0d i s c u s s m r i c q u i p m e n t sf - r o mp r o j e c tp l 锄血i g 觚g l ei n i i sp a p e rw l l i c hi sd i f j f 色r e n tf r o mt h e s e f e s e a i h e s f i r s t0 fa u ，w eb r i e n yi i l 仃) d u c e dt l l ed e v e l o p m e n t0 fm e d i c a ld i a g i l o s i se q u i p m e n t s 锄dt l l e a d v a n t a g e so fn m ri n l a 西n ge q u i p m e n t sc o i n p 删 t o x m yi i i l a 舀n g e q u i p m e n t s s e c d ，b yi n 仃o d u c i n gt h et h e o r yo fn m rw ee x p l a i n e dw h yt l l em ms y s t e mi ss o s u s c 印t i b l et 0t l l ei i l t e l l f e r e n c eo fm a g n e t i cf i e l d a n dt t l e nw ed i s c u s s e dh o wt 0p 陀v e n t t l i em a g n 撕cd i s 胁锄c ei nt 量l es i t es e l e c t i o np 似翳sw l l i c hi sv e 叮岫p o r t 锄ti n 觚m 对 p f o j e c tp l 枷n g a r e rt l l a t ，b yt a l 【i n g 觚m r ip 删e c tp l 枷n gi nah o s p i t a if 0 re x 锄p l e ，w e 觚甜y z e d t l l ew h o l e 印c 懿si n c l u d i n gt 量l es i t es e l e c t i o n ，t e c l l n o l o g yc h e c l d n g 觚do t l l 盯p r o b l e 眦 w es h o u l dp a ya n e n t i o nt o f i n a l l y w ec 0 n c l u d e dt l l ek e yp o i l l t so f 锄m r jp r o j e c tp l 枷n g 柚da n e m p t e dt 0 d e s 嘶b et l l eg r o u n dm l e so fm m p 删e c tp l a n i l i n g k e y w o 咄：m e d i c a li i n a g i n ge q u i p m e m ，n u c l 掰m a 印鲥cr 懿o n 锄c e ，p r o j e c tp l 锄l i n g w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： w 色i w e i 办 k 锄g m i n 压o n g 第一章绪论 目录 1 1 传统诊断方法1 1 1 1 中医概述1 1 1 2 西医( 现代医学) 概述。2 1 1 3 中医与西医的比较3 1 2 现代医学诊断设备4 1 2 1 伦琴和x 射线4 1 2 2 普放( 普通放射) 设备及其发展5 1 3x 射线的危害9 1 3 1 电离辐射9 1 3 2 电离辐射的危害l o 1 4 本课题的意义l l 1 4 1 课题研究的背景和提出1 1 1 4 2 课题研究的内容l l 第二章核磁共振 1 3 2 1 核磁共振的原理1 4 2 1 1 基本粒子的自旋。1 4 2 1 2 核磁共振的理论模型。l6 2 2 核磁共振成像2 l 2 2 1 核磁共振波谱2 l 2 2 2 核磁共振成像2 2 2 3 核磁共振的应用2 3 第三章医用核磁共振设备 2 5 3 1 核磁共振与诺贝尔奖2 5 3 2 医用核磁共振设备简介2 6 3 2 1 早期核磁共振设备2 6 3 2 2 现代核磁共振设备2 8 第四章医用核磁共振设备项目规划 2 9 4 1 项目的进行2 9 4 1 1 设备选型2 9 4 1 2 设备布局3 0 4 1 3 布局的检验3 7 4 1 3 1 静态铁磁性物体3 8 4 1 3 2 移动铁磁性物体3 8 4 1 3 3 电力轨道交通系统3 9 4 1 3 4 电磁】历3 9 4 1 3 5 磁体间干扰3 9 4 1 3 6 振动干扰4 0 4 1 3 7 小结4 0 4 2 常见注意事项4 l 4 2 1 信号屏蔽4 l 4 2 2 失超管4 2 4 2 3 磁信号屏蔽4 3 4 2 4 承重和配电。4 4 第五章总结与展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表的学术论文 致谢 4 6 4 7 5 0 5 l 医用设备项目规划研究枷i 项目规划第一章绪论 第一章绪论 1 1 传统诊断方法 1 1 1 中医概述 中医在我国有已有数千年的历史，是一种起源于中国，以古代中国汉民族的医 学实践为主体的传统医学。按照中国全国科学技术名词审定委员会审定的名词， 中医学是“以中医药理论与实践经验为主体，研究人类生命活动中健康与疾病转化 规律及其预防、诊断、治疗、康复和保健的综合性科学”。 广义的中医包涵中国境内所有民族医学和宗教医学：如汉医、藏医、蒙医和苗 医等。狭义的中医，指的则是汉医。在1 9 4 9 年之前，汉医一词比较普遍。清朝之 后的民国时期，也用“国医”来称呼。汉医，一是来自日本对中医的称呼，一是来自 清代的称呼。 中医在诊断治疗疾病时，采取辨证论治的方法，即将“望、闻、问、切”四诊。 收集到的资料、症状和体征，通过分析、综合，辨清疾病的原因、性质、部位，以 及邪正之间的关系，概括、判定为某种性质的“证”，以探求疾病的本质，从而得 出结论，并在此基础上确定治疗原则与具体治法。这种方法既不同于简单的局部对 症治疗，又有别于不分主次、不分阶段、不分性质、一方一药治一病的辨病治疗方 法。 o o 匿 0 一o o 第一章绪论医用设备项日规划研究m r i 项目规划 五行生克，图中表示的1 心”、“脾”等名词在中医学中表示的是相关的一个系统， 而不仅仅指的是现代医学的“器官”。 中医对病人的检测更加依赖于医生的经验和能力，传统的中医学思维模式又与 源于欧洲的现代科学并不相容。然而，当今之科学期刊已多有论文研究之，并试图 用现代医学的角度分析中医中的部分现象和治疗机理，但是至今未有成功完成整套 理论者。 “美国食品药品监督管理局”在定义“完整医药体系”这个概念时提到中医学： n c c a m ( 美国国家补充与另类医学中心) 把完整医药体系描述为涉及完整医药 体系是与对抗疗法( 常规) 医学独立地或平行地演变的完整的理论和实践体系。这 些可能反映了独特的文化体系，比如中医学和印度的阿输吠陀医学。完整医药体系 都有一些共同的元素，相信机体有自愈的能力，这种自愈可能涉及到了应用情绪、 身体和精神的治疗方法。” 虽然对中医是否是伪科学还在争论中，但是无论最终结果如何中医诊断依赖于： 望，指观气色；闻，指听声息；问，指询问症状；切，指摸脉象；合称四诊的方法 终究不会改变，中医对疾病的诊断与设备无关而与人的能力相关这个属性当然也不 会从本质产生变化。 谚语“需要乃发明之母”更好的诠释了为什么中医发展了几千年，却到现在也没 有专用的大型检测设备。 1 1 2西医( 现代医学) 概述 医学，是处理健康相关问题的一种科学，以治疗和预防生理和心理疾病和提高 人体自身素质为目的。狭义的医学只是疾病的治疗，但也有说法称：预防医学为第 一医学，临床医学为第二医学，康复医学为第三医学。医学的科学面是应用基础医 学的理论与发现，例如生化、生理、微生物学、解剖、病理学、药理学、统计学、 流行病学等，来治疗疾病与促进健康。然而，医学也具有人文与艺术的一面，它 关注的不仅是人体的器官和疾病，而是人( 身体和心理) 的健康和生命。“生理、 心理、社会模式”是广为接受的理论，而其他如“生理心理灵性社会的照顾”、“全人、 全队、全程、全家的医疗”也都是现代医学的重要理论。随着医学模式的转变，医 学的人文性受到越来越多的重视。医学伦理目前最广为人知的是四初确原则方法论： “自主、行善、不伤害、正义”。 2 医用设备项目规划研究m 刚项目规划第一章绪论 现代医学是现代科学的一部分，起源于1 7 世纪的欧洲，它不从属于某一个民族 或国家。把现代医学称为西医，即西方国家的医学，本意是用来更加直观的区分中 国古代的医学与现代医学，但却很容易被人误解为“西方”的医学和“中国”的医学。 根据实验，英国医生威廉哈维( 、i l l i 锄h a r v e y ，1 5 7 8 年1 6 5 7 年) 证实了动 物体内的血液循环现象，并阐明了心脏在循环过程中的作用，指出血液受心脏推动， 沿着动脉血管流向全身各部，再沿着静脉血管返回心脏，环流不息。他还测定过心 脏每博的输出量。 在1 6 2 8 年哈维发表关于动物心脏与血液运动的解剖研究( e x e r c 蛔t i o a n a t o m i c ad em o t uc o r d i se ts 柚g u i l l i si na 皿i m l i b u s ) ，1 6 5 1 年发表动物的生殖( d e g e n e m t i o n e ) 等。这些成就对生理学和胚胎学的发展起了很大作用，哈维也被认为是 实验生理学的创始人之一，而血液循环的发现被标志为现代医学的开端。 现代医学的研究领域大方向包括基础医学、临床医学、检验医学、预防医学、 保健医学、康复医学等等。 1 1 3 中医与西医的比较 中医学以阴阳五行作为理论基础，将人体看成是气、形、神的统一体，通过： “望、闻、问、切”，四诊合参的方法，探求病因、病性、病位、分析病机及人体内 五脏六腑、经络关节、气血津液的变化、判断邪正消长，进而得出病名，归纳出证 型，以辨证论治原则，制定“汗、吐、下、和、温、清、补、消”等治法，使用中药、 针灸、推拿、按摩、拔罐、气功、食疗等多种治疗手段，使人体达到阴阳调和而康 复。中医治疗的积极面在于希望可以协助恢复人体的阴阳平衡，而消极面则是希望 当必须使用药物来减缓疾病的恶化时，还能兼顾生命与生活的品质。此外，中医学 的最终目标并不仅止于治病，更进一步是帮助人类达到如同在黄帝内经中所提 出的四种典范人物，即真人、至人、圣人、贤人的境界。 中医诊断疾病是依：望闻问切的结果来辨病及辨证，但也有只辨病不辨证( 例 如急症或有专病专方时) ，或只辨证不辨病( 例如遇到不知名的疾病、疑难杂症、 或调理体质等) 的情况。与西医在诊断上注重“病”的方式不同的是，中医常会强调 “辨证( 症) ”。 由于理论体系的不同两种医学的诊断从源头起就没有相似性。 以感冒为例，西医师会分辨究竟是病毒性或是细菌性的感染，会鉴别是上呼吸 3 第一章绪论医用设备项目规划研究枷i 项目规划 道感染或是合并肺炎；但这些诊断对中医师而言，却不是最重要的。以中医的观点， 需要分辨的是，这是属于风寒或风热；若属风寒则又辨属于太阳病、阳明病或少阳 病；属风热则辨别病邪在卫气营血的哪个阶段等。 针灸是在中医学中采用针刺或火灸人体穴位来治疗疾病的方法，是联合国教科 文组织认定的人类非物质文化遗产之一。但是由于文化差异和理论体系的差异等， 中医的针灸疗法在西方一度不被承认，在某些对比试验中甚至得出针灸组和非针灸 组疗效无明显区别的结论。2 0 0 7 年9 月内医档案杂志刊登，德国雷根斯堡大学 的迈克尔哈克博士主持的实验使用1 1 6 2 名腰痛病患者分3 组分别进行针灸、假针 灸和常规治疗对比试验。发现腰痛情况好转的人，针灸组有4 7 6 ，假针灸组有 4 4 2 ，常规治疗组有2 7 4 。针灸组和假针灸组没有统计学意义的差别。据此结 果分析，针灸似乎更像是一种心理疗法，也类似于某些宗教宣传中常见的“心诚则 灵”，但是，即使在这个试验中，对比常规治疗，针灸效果还是比较显著。 与中医的诊断方法不同，现代医学更注重于定量的分析问题。所以现代医学更 加借助于医疗设备。例如，如果没有显微镜的发明，肉眼不可能观察到微小的细菌， 当然也就无法辨别其种类，然后使用有效的抗生素治疗，并且选择治疗方法。又如， 体检中经常使用的血液化验主要根据各种成分的容量来判断是否忠有某种疾病。在 现代医学中“贫血”指各种原因导致的外周血红细胞容量低于正常的临床综合征。因 红细胞容量测定复杂，临床常以血红蛋白浓度( h b ) 、红细胞计数( r b c ) 、血细胞压 积( h c t ) 等指标替代。这些指标都需要依靠特定的设备和方法来测量。而现代医学诊 断的过程，甚至包括在这之后的治疗方案的确定都和这些数据息息相关。想要获取 更加精确的数据，就需要不断发展出新型的医疗检测设备和与之配套的检测方法。 1 2 现代医学诊断设备 在医用x 光放射设备出现之前，现代医学的诊断设备几乎没有任何跨越式的发 展，走过了漫长的显微镜的时代。现代医学诊断设备，有四个重要分支，就是超声、 放射、核磁共振和核医学。但是目前来说应用最广的还是首推放射即x 光。 1 2 1 伦琴和x 射线 1 8 9 5 年1 1 月8 日时为德国维尔茨堡大学校长的威廉康拉德伦琴( w i m e l m c o n 砌r 6 n 蟾e n ，1 8 4 5 年3 月2 7 日一1 9 2 3 年2 月1 0 日) 开始进行阴极射线的研究。 4 医用设备项目规划研究枷i 项目规划 第一章绪论 1 8 9 5 年1 2 月2 8 日他完成了初步的实验报告一种新的x 射线为了表明这是一 种新的射线，伦琴采用表示未知数的x 来命名。虽然很多科学家主张将之命名为伦 琴射线，伦琴自己却坚决反对，但是这一名称直至今日仍然被广泛使用，尤其在德 语国家。1 9 0 1 年伦琴因为此发现而获得第一届诺贝尔物理学奖。 伦琴发现x 射线后仅仅几个月时间内，它就被应用于医学影像。1 8 9 6 年2 月， 苏格兰医生约翰麦金泰尔在格拉斯哥皇家医院设立了世界上第一个放射科。 从此医学诊断进入一个新时代，使得人们可不用通过手术而检查身体的内部构 造。在此之前，医生想要了解病患身体内部的情况时，除了直接剖开以外，就只能 靠触诊，但这两种方法都存在一定的风险。对于骨折的病人更是如此，在没有明确 的诊断信息，对骨折部位及严重程度不了解的情况下，利用触诊或是直接手术都是 非常危险的。 絮一越莴矜 图】一2 戴戒指的手 世界上第一张医学x 光照片，拍摄于1 8 9 5 年1 2 月2 2 日，拍摄者即是伦琴本 人，而照片中则是伦琴妻子安妮的手，无名指上的黑色部分是安妮的戒指。这张珍贵 的照片也被叫做“戴戒指的手”( h a n dm i tr i n g e n ) 。 1 2 2 普放( 普通放射) 设备及其发展 x 光机是产生x 光的设备，主要由x 光管和x 光机电源组成，而x 光管又由 第一章绪论 医用设各项目规划研究m e u 项目规划 阴极灯丝( c a t l l o d ) 和阳极靶( a n o d e ) 以及真空玻璃管组成。x 光机电源又可分 为高压电源和灯丝电源两部分，其中灯丝电源用于为灯丝加热，高压电源的高压输 出端分别加在阴极灯丝和阳极靶两端，提供一个高压电场使灯丝上活跃的电子加速 流向阳极靶，形成一个高速的电子流。 + 。 ”， 志o - - 弋彰。 x 光机的主要设备之一是球管，而另一主要设备就是高压发生器。以目前常见 的飞利浦公司的d i 百t a m i a g n o s tt hx 光拍片机为例，球管的最大电流为9 0 0 m a ， 最大管电压1 5 0 k v ( 高压发射器功率为6 5 l 。与早期的x 光机使用胶片不同的是 当前的x 光机都采用了数字化，即直接通过探测器处理穿透人体的x 射线，根据 不同的衰减程度，反推出内部构造。 图l 一4 西门子数字拍片机 6 医用设备项目规划研究m r i 项目规划第一章绪论 经过这么多年的发展，x 光设备已经从以前单一的拍片机发展成个庞大的家 族，除了数字化拍片机即俗称的胸片机外，按照功能的不同还有：消化科手术使用 的数字化胃肠机，妇科使用的数字化钼靶机，介入科使用的心血管机( d s a ) ，以 及目前应用最广的检查手段，计算机断层扫描仪( c t ) 等。 图l 一5 飞利浦公司数字胃肠机 介入手术是一种常见的微创手术，一般通过导管直接在血栓处安放支架。达到 迅速疏通血管的目的，而实施这样的手术即必须使用可以实时观察导管位置的设备。 第一章绪论 医用设各项目规划研究枷i 项目规划 1 枣 目囹 姜，| 1 j i 喾萱酥 、，_ l 亳 图1 6 飞利浦心血管机x p 盯m 2 0 c 随着电子计算机的科技的发展使得短时间内处理大量数据成为可能，通过扫描 得到的数据，在经过特殊处理后三维重建，就得到了立体的图像。一种新的设备应 运而生，他的诞生以及全新争端方法，带来了医学影像的一场革命。 计算机断层成像( c o m p u t e d r 衄。蓼a p h y ，又称为计算机断层扫描，简称c t ) ， 是一种影像诊断学的检查。他也曾被称为计算机轴向断层成像( c o m p u t e da x i a l t o m o 铲a p h y ) 。x 射线计算机断层成像( x r a yc o m p u “甜t 0 哪o g r a p h y ，简称x c t ) 是一种利用数位几何处理后重建的三维放射线医学影像。该技术主要通过单一轴面 的x 射线旋转照射人体，由于不同的组织对x 射线的吸收能力( 或称阻射率 r a d i o d e i l s 时) 不同，可以用电脑的三维技术重建出断层面影像。经由窗宽、窗位处 理，可以得到相应组织的断层影像。将断层影像层层堆栈，即可形成立体影像。 c t 发展至今已经经历了5 代技术，目前荷兰飞利浦公司最先进的b r i l l i 觚c ei c t 以急速c t 著称，每圈扫描仅需0 2 7 秒，8 秒内可一次性完成从头到足的全身检查； 螺旋检查范围最大。根据i 晦床需要，可以一次性完成全身多部位检查成像，图像质 量更加清晰；扫描方式由以往的层面成像演变为容积成像，可以多方位地显示人体 内的细微结构和细小病灶；放射剂量低，相当于以往检查剂量的1 0 2 0 ，由于 在扫描速度和探测器宽度上的优势，让这款c t 克服了心脏检测这个难关，尤其在 心脏冠心病检查方面尤为突出，并且将射线对人体的损伤程度降至最低。 固 医用设备项目规划研究m 刚项目规划第一章绪论 图1 7 心脏及通过减影处理后独立出来的血管 虽然x 射线设备在医学上取得了巨大的成功，并且已经取得了不可取代的成就。 但是x 射线对人体有害却是无法回避的事实，而且由于x 射线和可以见光一样， 存在散射和反射。所以每个机房都需要对墙壁、门窗、房顶等部位进行射线的防护。 1 3射线的危害 1 3 1 电离辐射 电离辐射是指波长短、频率高、能量高的射线( 粒子或波的双重形式) 。辐射 可分为电离辐射和非电离辐射两大类，电离辐射可以从原子或分子里面电离( i o i l i z e ) 出至少一个电子。反之，非电离辐射则不行。电离能力，决定于射线( 粒子或波) 所带的能量，而不是射线的数量。如果射线没有带有足够电离能量的话，大量的射 线并不能够导致电离。 图1 8 电离辐射标志 电离辐射包含：0 l 射线( 0 【粒子) 、p 射线( p 粒子) 、中子等高能粒子流与丫射 线、x 射线等高能电磁波，而被称为宇宙射线的高能粒子射线则两者皆有。电磁波 ( 光子) 的电离能力，随着电磁波谱( s p e c t l l l m ) 变化，电磁波谱中的丫射线、x 9 第一章绪论医用设备项目规划研究m r j 项目规划 射线几乎可以电离任何原子或分子。电磁波的频率愈高，能量愈强，电离能力愈强。 在电磁波谱上，远紫外线( 衙u l 缸矾i o l e t ，频率大于紫外线很多) ，电离能力较 强。 一 图1 9 非电离辐射标志 非电离辐射是指与x 射线相比之下波长较长的电磁波，由于其能量低，不能引 起物质的电离，故称为非电离辐射。如紫外线或近紫外线( n e a r u l 脚i o l e t ，频率接 近紫外线) 与可见光、红外线、微波和无线电波等电离能力较弱的电磁波。 手机使用的无线电信号就是一种典型的非电离辐射，另外现在的无线设备广泛 使用的蓝牙( b l u e t o o m ) 也是一种非电离辐射。 1 3 2 电离辐射的危害 电离辐射对人体的危害性极大，因为一般电离辐射是看不到的，而具有放射性 的微尘极其细小不易被察觉，因而人们常会在不知不觉中被过量照射或吸入大量放 射微尘，在短时间内过量照射或吸入大量放射微尘会引起急性放射病；而放射性元 素长期超量蓄积在体内，可引起慢性放射病。 对于介入手术，一般都需要由医生和护士在整个手术中都在手术室内，虽然有 铅板等防护措施，但是由于x 射线在墙壁的反射和灰尘造成的散射，不可避免的会 对医生的身体造成影响，常见的就是白细胞减少，抵抗力下降。一般的医院中，介 入手术都是排队的，一个做完接着就是下一个，所以介入科的医生和护士都有奉献 自我的牺牲精神。 急性照射是在很短的时间内受到大剂量的照射。大剂量的照射一般由事故或是 特别的医疗过程。在大多数情况下，大剂量的急性受照能引起立即性损伤，并产生 慢性损伤。对于人体，大剂量照射能引起急性放射病，如大面积出血，细菌感染，贫 血，内分泌失调等后期效应可能引起白内障，癌症，d n a 变异，极端剂量能在很 l o 医用设备项目j j i ! 划研究m 刚项目规划第一章绪论 短的时间内导致死亡。 自从2 0 世纪7 0 年代被发明后，x 射线计算机断层成像在医学影像上已经变成 一个重要的工具，虽然价格昂贵，它至今依然是诊断多种疾病的黄金准则。x 射线 计算机断层成像技术的优点之一是它可以提供很高的空间分辨率( o 5 n u n ) 而它的 一个弱点是软组织对比度较差。 这也就需要一种新的检测手段和检测方法来弥补x 射线设备的不足。核磁共振 检测设备以及与之配套的一整套检测、分析诊断方法完满的解决了这个问题。 1 4 本课题的意义 1 4 1 课题研究的背景和提出 核磁共振设备是一种比较先进现在检测设备，但是由于其造价的高昂，使用条 件的苛刻，以及特有的神秘感，一直都是各大医院的医学影像科的核心设备。在1 0 年前核磁共振还是只有市级重点医院才能拥有。现在，由于国内医疗条件的改善， 特别是国家对各级医院的投入增加，许多县级医院也都有能力购买核磁共振设备。 但是，现在大多数的建筑设计院对普通的x 光医疗设备的场地规划要求并不了 解，更不用说核磁共振设备。更有甚者，机房必须考虑的操作间在图纸上都不留出， 给后期的设备安装带来极大的困扰。 本论文案例研究的对象是某医院新大楼建设过程中的放射科及其主要设备核 磁共振的规划过程。 1 4 2 课题研究的内容 本文第四章中提供了某医院机房布局设计院原始设计图( 局部) ，许多机房都 没有考虑国标中要求的房间参考面积，还有一些机房没有留操作间。 由于核磁共振设备这样的重点设备必须招标( 核磁共振设备价格一般都超过 8 0 0 万，d r 超过2 0 0 万，c t 超过4 0 0 万，国家规定3 0 万元以上项目必须招标公 示) ，但是对设备情况最了解，场地规划最熟悉的无疑是各大设备厂商的项目工程 师，矛盾的是在项目没有中标前，不可能对医院做如此大规模的全影像科设计技术 支持。 原因主要有以下几点： 第一章绪论医用设备项目规划研究枷i 项日规划 ( 1 ) 买合同签订前，就按照某厂家特定机型设计机房有干扰合同嫌疑。而要 避免此种情况就必须要找到一个至少对西门子、通用、飞利浦3 大厂商相关设备的 场地要求都精通的人来设计出一个满足任意一家设备的机房。显然，这样的人几乎 不存在。当然，只要是有第四家来投标，还必须考虑而不能歧视。 ( 2 ) 设计需要各个厂商的投标设备的配置和特性参数，但是在开标之前这些 都是机密的。互相之间不可能共享。 ( 3 ) 即使不考虑以上两点，也不可能有任何一家设备厂商会因为客户购买某 一台设备的合同而设计整个放射科。显然，作为厂家考虑，这不符合商业利益。 由于以上提到原因，此设计过程只得由医院设备科和影像科主持，建筑设计院 完成，因此错漏百出也就难免，常常造成因不合设备安装要求而频繁改造，造成人 力物力的极大浪费。 本文对项目规划一般流程进行了简单的介绍，并且通过对布局过程的分析，以 某医院影像科实际布局为例，指出其中典型的设计缺陷，并且给出了一套可行的参 考设计方案，以及介绍了如何对方案进行复核。 最后，本文也对核磁设备的项目规划做了简单总结，试图对这个复杂的问题进 行简化，并且把一些重要原则做了概括。 1 2 医用设备项目规划研究m 刚项目规划 第二章核磁共振 第二章核磁共振 核磁共振成像( n u c l e a rm a 驴e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，简称n m r j ) ，又称自 旋成像( s p i ni m a g i n g ) ，也称为磁共振成像( m a 印e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ， 简称 m 对) ，是利用核磁共振( n u c l e 盯m a 鲈鲥cr e s o n a n c e ，简称n m r ) 依据所释放的 能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减情况，通过外加梯度磁场检测所发射出 的电磁波，从而得到构成物体此种原子核的位置和种类的信息，并根据此信息绘制 物体内部结构图像。之所以后来不称作核磁共振而改称磁共振，是因为日本科学家 提出其国家备受核武器伤害，为表示尊重，就把核字去掉了。 图2 一l3 0 0 m h z 磁振频谱仪 磁性原子核，比如1 h 和1 3 c 在恒定磁场中，只和特定频率的射频场作用。共 振频率、原予核吸收的能量以及信号强度与磁场强度成正比。在场强为2 l 特斯拉 的磁场中，质子的共振频率为9 0 0 m h z 。尽管其他磁性核在此场强下拥有不同的共 振频率，但人们通常把21 特斯拉和9 0 0 m h z 频率进行直接对应。 第二章核磁共振医用设备项目规划研究枷i 项目规划 图2 2 伯明翰h w b - n 枷r 中心9 0 0 枷眩核磁频谱仪 核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学生物等领 域，但是一直到1 9 7 3 年才将它用于医学临床检测。而且为了避免与核医学中放射 成像混淆，把它称为“核磁共振成像术”。 下表为氢核在常见磁场强度下的共振频率。可见明显的正比关系。 表2 1 氢核( 质子) 在不同磁场强度下的共振频率 粒子种类磁场强度t共振频率m h z h y d m g 瞰( h ) 0 52 1 3 h y d r o g 衄( h ) 1 04 2 6 h y d r o g e n 1 5 6 3 9 h y d r o g e n ( h ) 2 08 5 2 h y d r o g e n ( h ) 2 51 0 6 5 h y d r o g e n ( h ) 3 01 2 7 8 h y d r o g e n ( h ) 3 51 4 9 1 h y d r o g e n ( h ) 4 o1 7 0 4 2 1 核磁共振的原理 2 1 1 基本粒子的自旋 在量子力学中，自旋( s p i n ) 是粒子所具有的内在性质。其运算规则类似于经 1 4 医用设备项目规划研究m 砌项目规划第- 二章核磁兆振 典力学的角动量，并因此产生一个磁场。虽然有时会与经典力学中的自转( 例如行 星公转时同时进行的自转) 相类比，但实际上本质是迥异的。经典概念中的自转， 是物体对于其质心的旋转，比如地球自转，是顺着一个通过地心的极轴所作的转动。 而对于自旋来说，却是不同的。可以这样理解自旋：简单的说，实验员可以从任意 方向上测量粒子的自旋，但是无论取什么样的轴线，测量的结果无非是“上旋”或者 “下旋”。我们不知道粒子是向哪个方向自旋，根据量子论的不确定性原理，粒子的 自旋未被测量( 或者以别的方式描述) 时不是一个确定的物理性质。 对基本粒子提出自转与相应角动量概念，首先的是在1 9 2 5 年由r a l p h n i g 、 g e o r g eu 啊l e n b e c k 与s 锄u e lg o u d s r n i t 三人所开创。他们在处理电子的磁场理论时， 想象电子是一个带电的球体，自转因而产生磁场。然而尔后在量子力学中，透过理 论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子，是故物体自转无法直接 套用到自旋角动量上来，因此仅能将自旋视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有 的一种角动量，并且其量值是量子化的，无法被改变( 但自旋角动量的指向可以透 过操作来改变，核磁共振就是利用此特点) 。 自旋对原子尺度的系统格外重要，诸如单一原子、质子、电子甚至是光子，都 带有正半奇数( 1 2 、3 2 等等) 或含零正整数( 0 、l 、2 ) 的自旋；半整数自旋的粒 子被称为费米子( 如电子) ，整数的则称为玻色子( 如光子) 。复合粒子也带有自 旋，其由组成粒子( 可能是基本粒子) 之自旋透过加法所得；例如质子的自旋可以 从夸克自旋得到。自旋为1 2 的粒子组成宇宙的一切，而自旋为o 、1 、2 的粒子产 生物质粒子间的力。且物质粒子服从泡利不相容原理。 对于像质子、中子及原子核这样的亚原子粒子，自旋通常是指总的角动量，即 亚原子粒子的自旋角动量和轨道角动量的总和。亚原子粒子的自旋与其它角动量都 遵循同样的量子化条件。 亚原子粒子与基本粒子一样具有确定的自旋，例如，质子是自旋为l 2 的粒子， 可以理解为这是该亚原子粒子能量量低的自旋态，该自旋态由亚原子粒子内部自旋 角动量和轨道角动量的结构决定。 氢原子核( 质子) 的自旋在医学上有广泛且极其重要的应用，几乎所有的医用 核磁共振设备都基于此性质构建模型。 1 5 第二章核磁共振医用设备项目规划研究m 砌项目规划 2 1 2 核磁共振的理论模型 核磁共振现象是由美国科学家柏塞尔( e m n u e 1 1 ) 和瑞士科学家布洛赫 ( e b l o c h ) 于1 9 4 5 年1 2 月和1 9 4 6 年1 月分别独立发现的。他们共享了1 9 5 2 年诺贝 尔物理学奖。 核磁共振( 肌c l e 盯m a 印e t i cr c s o n 舳c e ) 是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同 时作用，且满足一定条件时所发生的共振吸收现象，是一种利用原子核在磁场中的 能量变化来获得关于核信息的技术。6 0 多年来，由核磁共振转化为探索物质微观结 构和性质的高新技术已取得了惊人的进展。目前，核磁共振已在物理学、化学、材 料科学、生命科学等领域得到广泛应用。 如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样，核也具有自旋角动量和自旋磁矩。 核自旋p i 即是原子核内所有核子的自旋角动量m i 与轨道角动量的矢量和，其大 小 p ，= 危j ( ，+ 1 ) ( 1 ) 其中i 为核自旋量子数， 为狄拉克常数或者约化普朗克常数。 p i 在外磁场方向( 设磁场沿z 方向) 的投影为 p ，z = ，l 仇j ( 2 ) 其中m i 称为核自旋磁量子数，i 一定时，m i 有( 2 i + 1 ) 个取值。 自旋不为零的原子核有磁矩，它与核自旋的关系为 j l l = 喜跏毋 ( 3 ) j l l = 丽跏毋 ( 3 ) 式中e 为质子的电量，m p 为质子的质量，g n 称为核的朗德因子，它取决于核 的内部结构与特性，且是一个无量纲的量。 旋磁比定义为原子在磁场中进行拉莫尔进动时的角频率与磁感应强度之比，符 号用丫表示，单位为m d s 一1 t _ 1 常见原子原子核的旋磁比见下表。旋磁比： y = 酱 ( 4 ) 常见粒子旋磁比如下表： 1 6 医用设各项目规划研究m r i 项目规划 第二章核磁共振 表2 2 常见粒子旋磁比 2 6 7 5 1 3 4 1 0 6 5 2 0 3 7 8 9 1 0 3 9 6 2 6 7 2 6 2 1 9 3 3 1 2 7 1 1 6 3 6 2 6 4 2 5 1 6 6 2 7 0 7 6 1 1 0 8 2 9 1 7 3 9 9 7 核磁子p 在外磁场( 沿z 轴) 方向的投影 肛z2 赤肌p ，z = 赤鼬危m ， 一般来说核磁子也是个常量 整理后代入可得 4 2 5 7 6 6 5 3 6 3 2 4 3 4 1 6 5 4 6 l o 7 0 5 3 0 7 7 _ 4 3 1 6 5 7 7 2 4 0 0 5 3 1 1 2 6 2 1 7 2 3 5 一1 1 7 7 7 弘= 南危= 5 0 5 啪8 6 1 。屯7 j t p z29 n 弘n m l 通常将m i 取最大值i 时的“称为核的磁矩，记作 睢= g n p n l 1 7 ( s ) ( 6 ) ( 7 ) 第二章核磁共振医用设各项目规划研究枷i 项目规划 图2 1 核磁矩空间量子化 磁矩在空间的可能取向如图2 1 所示，它位于核磁矩“在外磁场( 沿z 轴) 进 动的锥面上。磁矩与磁场的相互作用能为 f = 一肛b = 比b = y m ，危曰 ( 8 ) 对于同一i 有( 2 i + 1 ) 个m i 值，因而原来得一个核能级附加上相互作用能，将 会有( 2 i + 1 ) 个能量值，称为为子能级。相邻两个子能级的能量差( 因其m i 值相差 为1 ) 为 4 e = y 危j 5 f 例如，m i = 1 2 氢核的基态核能级，在恒定磁场中的分裂情况如图2 2 所示。 医用设备项目规划研究m 刚项目规划第- 二章核磁萸振 已知核磁矩在外磁场的作用下进动，可以求得其进动角速度为= 1 ，b o ，若再 在垂直于b o 的方向加一个频率在射频范围的交变磁场b ( 如图2 3 所示) ，当其 频率与核磁矩进动频率一致时，便产生共振吸收；当射频场被撤去后，磁场又把这 部分能量以辐射形式释放出来，这就是共振发射。共振吸收和共振发射的过程称为 核磁共振。 由于相邻两个能级对应的核自旋磁量子数m i 的改变量m i = l ，因而只有在 相邻两个能级间的跃迁才是允许的。于是，交变磁场的频率v 所对应的能量h v 应等 于相邻子能级的能量差，即 h v = y 危日。 所以发生核磁共振的条件应是 或者也可以写成 y 日o v = 萧 = y b o 1 9 ( 9 ) ( 1 0 ) ( 1 1 ) 第二章核磁共振医用设备项目规划研究枷i 项目规划 利用量子力学的理论不仅能够算出共振频率，而且能够算出对于不同频率的净 吸收能量，从而