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磁共振系统技术之匀场

发布时间:2021-02-23 10:35:44      发布人:上海天端  浏览量:

磁共振成像系统最重要的就是磁体,其作用是提供一个稳定的磁场环境。为了保证磁场均匀度,MRI调试中最重要的一个步骤就是:匀场。




匀场,顾名思义就是要使磁场的强度均匀


为什么需要匀场?

首先回顾MR的基本理论:在一定磁场方向的前提下,施加垂直于主磁场方向的射频场将会使氢质子产生偏转,偏转后的恢复过程产生有用的MR信号。这个偏转,其实就是我们磁共振中的“共振”二字产生的。


什么是共振?

笼统来讲就是具有相同的频率。那么要产生磁共振,就需要主磁场下氢质子的拉莫尔进动频率(前面有讲到过)等于射频场的频率。


假设一下,若磁场在一定范围内不均匀/大小不一,那么处于这个范围内的完全相同的一块物质所包含氢质子的拉莫尔进动频率则不相同。那么此物质接收到一确定频率的射频场时,有的区域的氢质子就不能产生共振/发生偏转,不能偏转就无法产生MR信号,那么最后的结果可能就是:一块相同的均匀的物质,却产生了明暗不一的图像。这当然是不能被接受的。
再假设一下,我们前面讲到过梯度场的选层的作用。那么若主磁场不均匀,选层时就会受到附近相同场强下发生偏转氢质子产生的信号的干扰。


射频场的发射频率我们是可以轻易地实时控制的,但磁场的频率,下面会讲到,是被磁体的先天构造所影响的,在一定范围内并不非常均匀,因此我们需要匀场这一操作,让磁场尽可能均匀。
磁场的均匀性是衡量MR设备好坏的重要标准。


  下面我们会具体讲解一般磁场的性状

    和几个匀场的手段及原理。

   

回顾前面讲过的超导磁体的结构,在超导电磁铁的中心圆孔中,如果不加任何约束,磁感线不是一直保持平行分布的,而形成一个磁体两端发散,中间近似平行的分布状态。


磁共振系统技术之匀场(图1)


因此这里有一个基本概念,匀场并不是要求磁体洞内所有区域都保持均匀,而是能够确保被扫描的区域保持均匀就可以了。
均匀区域越大,匀场的难度也就越大,这在一方面也解释了为什么超导磁共振系统想要把磁体洞口的直径做大哪怕一点都是相当难得的技术突破。飞利浦传统的Multiva设备磁体洞口直径为60cm,而目前高端的Ingenia机型可以做到70cm孔径(更新:现已有孔径为75cm的超导磁共振了)。
常规的将磁场均匀范围设定为以磁体中心为球心X,Y,Z方向分别50x50x45cm的一个椭球体。


磁共振系统技术之匀场(图2)


超导磁共振的匀场分为2种类型,分别是:

被动匀场(Passive shim)

主动匀场(Active shim)


 



被动匀场

    

利用在磁体洞内部特定的位置增加逆磁性物质的硅钢片,吸引磁感线向需要的方向移动,从而保持磁感线水平分布。
被动匀场的过程非常繁琐及复杂,在磁体孔中放置定制的匀场架及磁场探测器


磁共振系统技术之匀场(图3)


通过测试设定点位的磁场强度,利用有限元或者差分的方式计算出要求匀场区域内部的磁场均匀度分布,从而计算出铁片添加的位置和数量。

然后将计算得到的铁片贴入匀场条的固定位置内,最终将匀场条插入磁体相应位置。


磁共振系统技术之匀场(图4)

磁共振系统技术之匀场(图5)


被动匀场的特点是匀场方式非常直接有效,可以在均匀度很差的情况下将磁感线拉回,但是缺点是程序非常复杂,一般需要1天到1周的时间进行匀场,同时如果日后周围环境发生了变化导致磁场均匀度变差,必须要重新进行被动匀场操作。


 



主动匀场


利用电磁线圈产生的磁场对主磁场进行补偿。

由于人体也是一个逆磁性物质,在磁体内的病人同样会改变磁场的分布,并且不同的人对磁场的改变还是不一样的,因此就需要引入能够针对每一个病人适时进行改变的主动匀场。


主动匀场大体又分为两种:

一阶主动匀场。

高阶主动匀场。


首先介绍匀场中‘’的概念,‘阶’就是数学中线性方程中的阶数,由于MR系统的空间坐标系中有X,Y,Z三个方向,所以可以得到以下推导:


一阶:线性方程:

T=X+Y+Z


磁共振系统技术之匀场(图6)


对应空间坐标就是一条线性的直线,因此一阶主动匀场就是在原有主磁场叠加一个线性磁场用来补偿磁场的不均匀,可以直接用梯度线圈实现此功能,方法就是在X,Y,Z轴线圈上施加适当的电流。

一阶主动匀场的好处是实现起来比较简单,有现成的梯度线圈和梯度放大器可以直接实现,并且补偿速度很快。同时每一次扫描之前都可以通过进行适当的扫描分析得到补偿的参数从而使磁场均匀。

一阶主动匀场的缺点是拟合精度不够,空间磁场的均匀度不可能是线性的,所以线性补偿只能在一定区域和一定程度上进行补偿,因此对磁场均匀度的提升效果有限。


高阶:一般使用二阶线性方程:

T=(X+Y+Z)2


对应空间坐标就是一个二阶曲线。明显二阶曲线具有更好的曲线拟合能力,但是实现起来也更加复杂。


磁共振系统技术之匀场(图7)


将二阶方程分解:


T=X2+Y2+Z2+2XY+2XZ+2YZ


           

从分解可以看出,需要使用6个可控的线圈才能够实现2阶主动匀场。一般高阶主动匀场的线圈制作在梯度线圈内,在实际使用时与1阶主动匀场的梯度场共同作用,使磁场更加均匀,同时在设计时会根据磁场分布规律将分解方程进行简化从而减少主动控制线圈数量以及放大器数量。

由于成本较高,因此高阶主动匀场一般高端的3T核磁共振系统才会使用。

同理,有兴趣的话大家可以计算如果要实现三阶主动匀场需要付出的代价,由于磁场均匀的边界效应是逐渐降低的,因此已经没有必要去花费极大的代价实现二阶以上的主动匀场了。