磁共振系統(tǒng)技術(shù)之勻場

磁共振成像系統(tǒng)﹡重要的就是磁體，其作用是提供一個穩(wěn)定的磁場環(huán)境。為了保證磁場均勻度，MRI調(diào)試中﹡重要的一個步驟就是：勻場。

勻場，顧名思義就是要使磁場的強度均勻。

為什么需要勻場？

首先回顧MR的基本理論：在一定磁場方向的前提下，施加垂直于主磁場方向的射頻場將會使氫質(zhì)子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的恢復(fù)過程產(chǎn)生有用的MR信號。這個偏轉(zhuǎn)，其實就是我們磁共振中的“共振”二字產(chǎn)生的。

什么是共振？

籠統(tǒng)來講就是具有相同的頻率。那么要產(chǎn)生磁共振，就需要主磁場下氫質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動頻率（前面有講到過）等于射頻場的頻率。

射頻場的發(fā)射頻率我們是可以輕易地實時控制的，但磁場的頻率，下面會講到，是被磁體的先天構(gòu)造所影響的，在一定范圍內(nèi)并不非常均勻，因此我們需要勻場這一操作，讓磁場盡可能均勻。磁場的均勻性是衡量MR設(shè)備好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。

下面我們會具體講解一般磁場的性狀

和幾個勻場的手段及原理。

回顧前面講過的超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)，在超導(dǎo)電磁鐵的中心圓孔中，如果不加任何約束，磁感線不是一直保持平行分布的，而形成一個磁體兩端發(fā)散，中間近似平行的分布狀態(tài)。

圖1

因此這里有一個基本概念，勻場并不是要求磁體洞內(nèi)所有區(qū)域都保持均勻，而是能夠確保被掃描的區(qū)域保持均勻就可以了。均勻區(qū)域越大，勻場的難度也就越大，這在一方面也解釋了為什么超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)想要把磁體洞口的直徑做大哪怕一點都是相當(dāng)難得的技術(shù)突破。飛利浦傳統(tǒng)的M*設(shè)備磁體洞口直徑為60cm，而目前高*的Ingenia機(jī)型可以做到70cm孔徑（更新：現(xiàn)已有孔徑為75cm的超導(dǎo)磁共振了）。常規(guī)的將磁場均勻范圍設(shè)定為以磁體中心為球心X,Y,Z方向分別50x50x45cm的一個橢球體。

圖2

超導(dǎo)磁共振的勻場分為2種類型，分別是：

被動勻場(Passive shim)

主動勻場(Active shim)

被動勻場

利用在磁體洞內(nèi)部特定的位置增加逆磁性物質(zhì)的硅鋼片，吸引磁感線向需要的方向移動，從而保持磁感線水平分布。被動勻場的過程非常繁瑣及復(fù)雜，在磁體孔中放置定制的勻場架及磁場探測器。

圖3

通過測試設(shè)定點位的磁場強度，利用有限元或者差分的方式計算出要求勻場區(qū)域內(nèi)部的磁場均勻度分布，從而計算出鐵片添加的位置和數(shù)量。

然后將計算得到的鐵片貼入勻場條的固定位置內(nèi)，﹡終將勻場條插入磁體相應(yīng)位置。

圖4

圖5

主動勻場

利用電磁線圈產(chǎn)生的磁場對主磁場進(jìn)行補償。

由于人體也是一個逆磁性物質(zhì)，在磁體內(nèi)的病人同樣會改變磁場的分布，并且不同的人對磁場的改變還是不一樣的，因此就需要引入能夠針對每一個病人適時進(jìn)行改變的主動勻場。

主動勻場大體又分為兩種：

一階主動勻場。

高階主動勻場。

首先介紹勻場中‘階’的概念，‘階’就是數(shù)學(xué)中線性方程中的階數(shù)，由于MR系統(tǒng)的空間坐標(biāo)系中有X，Y，Z三個方向，所以可以得到以下推導(dǎo)：

一階：線性方程：T=（X+Y+Z）²

對應(yīng)空間坐標(biāo)就是一個二階曲線。明顯二階曲線具有更好的曲線擬合能力，但是實現(xiàn)起來也更加復(fù)雜。

圖6

將二階方程分解：T=X²+Y²+Z²+2XY+2XZ+2YZ     

從分解可以看出，需要使用6個可控的線圈才能夠?qū)崿F(xiàn)2階主動勻場。一般高階主動勻場的線圈制作在梯度線圈內(nèi)，在實際使用時與1階主動勻場的梯度場共同作用，使磁場更加均勻，同時在設(shè)計時會根據(jù)磁場分布規(guī)律將分解方程進(jìn)行簡化從而減少主動控制線圈數(shù)量以及放大器數(shù)量。

由于成本較高，因此高階主動勻場一般高*的3T核磁共振系統(tǒng)才會使用。

同理，有興趣的話大家可以計算如果要實現(xiàn)三階主動勻場需要付出的代價，由于磁場均勻的邊界效應(yīng)是逐漸降低的，因此已經(jīng)沒有必要去花費極大的代價實現(xiàn)二階以上的主動勻場了。