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,而为了能够尽可能的排除干扰,就要保持在所要求范围内的所有氢质子的运动情况尽可能相同,这就要求被扫描物体所在的区域磁场必须是均匀的。
而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。所谓MR系统的匀场就是保证在磁体中心的扫描区域内磁场是均匀的。
60CM孔径磁体:X,Y,Z方向分别50X50X45CM椭球体
70CM孔径磁体:X,Y,Z方向分别55X55X50CM椭球体
匀场分为:
被动匀场(Passive shim),通过一次性变量的修改从而改变磁场均匀度
主动匀场(Active shim),通过测试磁场均匀度数值,有针对性的通过主动手段实时修正磁场
被动匀场的贴铁片老王之前已经介绍过了,接下来我们就重点介绍一下主动匀场。
首先我们先来看一种特别的主动匀场,GE励磁阶段的高阶主动匀场。由于老王不是GE的工程师,对GE的磁体了解有限,这里只按照我个人看法介绍,如果有认识错误的地方还希望有熟悉的老师能帮忙指正。
首先老王认为GE的这种“高阶主动匀场”严格来说应该归结于被动匀场,我们先来看作用。对于GE磁体来说,磁体在出厂前已经完成了使用贴铁片方式的被动匀场,这个过程称作预匀场,飞家磁体生产也是使用同样的方法。
磁体实际到场地之后,在励磁阶段需要对磁体内部的超导主线圈及”主动”匀场线圈充入不同的电流,因此可以发现GE的励磁电源和飞利浦和西门子的电源有一些不一样,它相对来说比较巨大,而且有多个可调模块。
另外就像我前面对主动匀场的定义,可以实时的改变磁场从而改变均匀度,GE的6阶主动匀场是一次性在励磁阶段给匀场线圈充电,后期如果要改变需要重新励磁。因此老王个人认为这种方式应该归于被动匀场一类。
我们继续介绍主动匀场。刚才已经涉及了一个6阶主动匀场的名词,主动匀场实际上就是主动的修改磁场的分布,这里就要引入一个阶的概念。
匀场过程的数学含义实际上是空间的曲线拟合,将磁场的空间分布拟合成函数,那么通过修改相应的函数变量进行函数反向修正,也就能够将磁场变得均匀。
套用二维坐标的曲线拟合进行说明,对于离散点的曲线拟合可以用不同阶的函数进行说明。下图是用Matlab拟合的一系列离散点的结果
由于空间离散点一般不会线性分布,另外可以清晰地看到,使用更高阶的函数可以更加准确的拟合离散点。我们先来讨论一下最简单的一阶函数。
这里一阶曲线拟合的三维展开式为:
可以看到函数中包含了4个常数:a,b,c,d和3个变量X,Y,Z。
我们很容易会联想到,这三个变量X,Y,Z不就是梯度场的三个方向么?简而言之通过改变梯度场的三个方向的强度也就是改变了曲线拟合的X,Y,Z三个值,如果再加上各自的权重,那么可以很容易的实现一阶主动匀场。
因此实际上梯度场的一个重要作用就是完成一阶主动匀场,方法是通过软件改变梯度柜里面三个梯度轴的offset数值,从而分别在3个方向使用梯度线圈产生一个小的磁场,对主磁场进行了线性补偿,从而消除微小的主磁场不均匀性。
这里之所以要强调微小的不均匀性,主要是因为梯度场的强度一般大的也就是80mT左右,但是主磁场的强度是1.5T或者3.0T,他们之间存在量级的差距,因此梯度系统只能小范围的进行线性主动补偿。这也从另一方面说明了梯度强度越大,梯度系统的主动匀场的能力也就越强。
老王个人认为:对于本身磁场均匀性一般的磁体来说,大的梯度强度可以更好的进行磁场补偿,提高磁场均匀度,但对于本身均匀性已经能够做的很好的磁体来说,更大的梯度强度在单纯匀场这方面的意义并不那么明显。关于梯度系统强度及切换率的相关知识老王会在以后的文章中在进行讲解。