磁共振系統(tǒng)技術(shù)之勻場(chǎng)

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

勻場(chǎng)，顧名思義就是要使磁場(chǎng)的強(qiáng)度均勻。

為什么需要?jiǎng)驁?chǎng)？

首先回顧MR的基本理論：在一定磁場(chǎng)方向的前提下，施加垂直于主磁場(chǎng)方向的射頻場(chǎng)將會(huì)使氫質(zhì)子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后的恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生有用的MR信號(hào)。這個(gè)偏轉(zhuǎn)，其實(shí)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(lái)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(chǎng)下氫質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動(dòng)頻率（前面有講到過(guò)）等于射頻場(chǎng)的頻率。

射頻場(chǎng)的發(fā)射頻率我們是可以輕易地實(shí)時(shí)控制的，但磁場(chǎng)的頻率，下面會(huì)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?jiǎng)驁?chǎng)這一操作，讓磁場(chǎng)盡可能均勻。磁場(chǎng)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(huì)具體講解一般磁場(chǎng)的性狀

和幾個(gè)勻場(chǎng)的手段及原理。

回顧前面講過(guò)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(gè)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(gè)基本概念，勻場(chǎng)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(chǎng)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(diǎn)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(chǎng)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(gè)橢球體。

圖2

超導(dǎo)磁共振的勻場(chǎng)分為2種類型，分別是：

被動(dòng)勻場(chǎng)(Passive shim)

主動(dòng)勻場(chǎng)(Active shim)

被動(dòng)勻場(chǎng)

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(dòng)，從而保持磁感線水平分布。被動(dòng)勻場(chǎng)的過(guò)程非常繁瑣及復(fù)雜，在磁體孔中放置定制的勻場(chǎng)架及磁場(chǎng)探測(cè)器。

圖3

通過(guò)測(cè)試設(shè)定點(diǎn)位的磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用有限元或者差分的方式計(jì)算出要求勻場(chǎng)區(qū)域內(nèi)部的磁場(chǎng)均勻度分布，從而計(jì)算出鐵片添加的位置和數(shù)量。

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

圖4

圖5

主動(dòng)勻場(chǎng)

利用電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。

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

主動(dòng)勻場(chǎng)大體又分為兩種：

一階主動(dòng)勻場(chǎng)。

高階主動(dòng)勻場(chǎng)。

首先介紹勻場(chǎng)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(gè)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(duì)應(yīng)空間坐標(biāo)就是一個(gè)二階曲線。明顯二階曲線具有更好的曲線擬合能力，但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(gè)可控的線圈才能夠?qū)崿F(xiàn)2階主動(dòng)勻場(chǎng)。一般高階主動(dòng)勻場(chǎng)的線圈制作在梯度線圈內(nèi)，在實(shí)際使用時(shí)與1階主動(dòng)勻場(chǎng)的梯度場(chǎng)共同作用，使磁場(chǎng)更加均勻，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)磁場(chǎng)分布規(guī)律將分解方程進(jìn)行簡(jiǎn)化從而減少主動(dòng)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(dòng)勻場(chǎng)一般高*的3T核磁共振系統(tǒng)才會(huì)使用。

同理，有興趣的話大家可以計(jì)算如果要實(shí)現(xiàn)三階主動(dòng)勻場(chǎng)需要付出的代價(jià)，由于磁場(chǎng)均勻的邊界效應(yīng)是逐漸降低的，因此已經(jīng)沒(méi)有必要去花費(fèi)極大的代價(jià)實(shí)現(xiàn)二階以上的主動(dòng)勻場(chǎng)了。