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MRI基础知识 -- MR性能参数基本含义

回到正题,上一篇文章老王开始给大家介绍MR参数指标中的基础参数,给大家展开介绍了参数的一些含义以及隐含的技术。本篇文章我们继续,来看看梯度系统的参数含义。再开始梯度系统参数分析之前,我们先来看看一个基础的概念,什么是梯度。

梯度我们从事MR的人都整天听,但是到底什么是梯度呢?我们从梯度的定义来分析:

梯度是一个矢量的概念,表示某一函数在该点处的方向导数沿着该方向取得最大值,即函数在该点处沿着此梯度的方向变化最快,变化率最大(为该梯度的模)。

对于线性函数来说,梯度就是线的斜率。

对于MR的梯度系统来说,梯度的斜率取决于放大器输出电流,为了方便描述一般示意图上都用电流的梯形波形来描述梯度场。

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     从以上的分析我们可以很清晰的看出梯度实际上是一个线性变化的磁场。有了这些概念,我们具体看梯度系统性能指标里面的各项参数是什么意思。

还是以某型MR设备为例,梯度系统的参数如下:

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Peak Amplitude: 梯度峰值强度,也就是我们常说的梯度强度。从指标看出这个系统的最大梯度强度是80mT/m,也就是说梯度场线性斜率是80mT/m。

Peak Slew-rate:梯度切换率,描述梯度场从0到最大的爬升速度。

Rise Time:梯度爬升时间,描述梯度场从0到最大所需要的时间。

要具体理解梯度切换率需要结合梯度强度与梯度爬升时间一起说明,具体参考下面这张图:

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   图中的梯形可以理解为用施加在梯度线圈上的电流表征了梯度强度,由此就可以把梯度强度,爬升时间以及切换率用公式进行描述:

 

值得注意的是有时某些型号的指标说明中关于梯度强度和切换率有以下指标:

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   Vector Gradient Performance:矢量梯度指标,看上去这个指标明显大了很多,但实际上它是一个空间矢量和的含义,简单来说就是数值等于3个方向梯度场全部加到最大,得到的空间梯度强度

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简单来计算就是矢量梯度强度的计算为:

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同理矢量切换率的计算为:

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由于实际扫描的时候基本不可能把三个方向梯度全部开到最大实现一个矢量最大强度,因此这个指标有参考意义,对不代表梯度强度和切换率的大小以这个值为准。

Maximum FOV:最大扫描范围。结合前一篇文章就会发现一个小问题,明明这台设备的孔径是70cm的呀,为什么扫描范围中每一个方向只有50cm呢?为了解释这个问题就要从梯度线圈产生梯度场的原理来说明了。

老王在介绍梯度线圈的时候讲过,X,Y,Z三个方向的梯度线圈分别使用了麦克斯韦线圈排列(Z方向)和高莱线圈排列(X,Y方向)组成的,每组线圈都分为正向和负向成对组成,而线圈实际产生的磁场是SIN(X)函数的波形:

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    而MR梯度系统所需要的线性梯度场其实是SIN(X)中间线性的那一段,因此限于物理结构影响,梯度线性部分的尺寸基本只可能小于孔径尺寸,并且有效FOV越大,说明线圈设计制造的越难,效果越好。

 

Duty Cycle:占空比,在控制领域经常遇见的参数,指在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所占的比例。对于MR梯度系统来说,意思是梯度打开的时间相对于系统运行总时间可以最大占用的比例,100%表示梯度场可以一直存在。不同比例的占空比如下图所示:

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    占空比的大小取决于梯度放大器的能力以及梯度系统的冷却能力,这也是为什么梯度线圈和梯度放大器都需要用水冷进行冷却的原因。

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性能指标中还有以上的描述:

Gradient Waveform Optimization:说明这个梯度系统可以选择不同的模式的方法后期用来进行降噪。通过描述可以知道本系统的梯度降噪采用的是改变梯度波形的方式进行了,具体情况指标中并没有详细描述。

High Order Shim:高阶匀场,指标中描述了梯度系统采用了梯度线圈和另外5组二阶匀场线圈一起进行匀场。具体匀场方法请参考老王对于高阶匀场的描述。

     MR技术博大精深,本篇文章老王介绍了MR梯度系统的几个主要的性能指标以及其背后的理论基础。梯度系统是MR里面非常重要的分系统,梯度系统的性能直接决定了MR系统的成像质量与高级应用,因此在分析指标的时候需要着重关注。

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文章名称:《MRI基础知识 -- MR性能参数基本含义》
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