永磁磁共振成像系统磁体的梯度匀场方法研究

 唐晓英1,　刘志文2,　赵微2

(1 .北京理工大学生命科学与技术学院,北京　100081 ; 2 .北京理工大学信息科学技术学院电子工程系,北京　100081)

磁共振成像(magnetic resonance imaging:MRI)技术已成为临床不可或缺的影像诊断设备.获得优良成像质量的前提是具有高均匀度的主磁场场强B0,主磁场场强均匀性是MRI系统的重要性能指标之一[1 2].影响主磁体均匀性的主要原因是磁体本身的不均匀性、周围铁磁物质的影响、被成像物体的磁化率突变等.通过对主磁体被动匀场,可使前两种因素的影响降低,但由于永磁磁体本身原因,直接获得高度均匀场非常困难,必须通过匀场技术实现磁场均匀[3 5].实现主动匀场,必须要实时得到主磁场的空间不均匀性分布.磁场分布的自动获取方法可分为投影法和容积法两类.目前主动匀场技术主要在超导系统中获得了广泛应用,在永磁系统中,由于技术原因只在少数系统中得到初步应用.主动匀场过程一般需要反复进行,耗时长且难以消除人为经验因素的影响,不能满足临床的需要[6],作者采用了永磁系统上已有的梯度线圈进行主磁体主动匀场研究,确定了一种简单实用的磁场均匀性判断标准,缩短了匀场时间,且不需添加硬件,即能实现一定范围的一阶匀场.

1　梯度主动匀场方法

1·1　梯度主动匀场原理

沿Z轴方向的主磁场在空间的球谐函数展开式,在笛卡尔坐标系中表示为

式中Aji为系数.从式(1 )可见,主磁场的不均匀性可被其空间分布函数的非常数项表述.主动匀场就是通过特别设计的匀场线圈在空间产生反向的磁场分布,在一定程度上消除主磁场的非常数项分布,达到提高主磁场均匀性,改善磁共振信号和图像质量的目的.梯度匀场,即利用现有的梯度线圈进行磁体匀场,属于主动匀场方法.梯度匀场尝试利用梯度线圈在产生梯度的同时起到匀场的作用,以抵消磁场分布表达式中的3个一阶项,在不添加多余线圈的条件下实现匀场的目的.

在永磁磁体系统中,存在着产生磁场梯度的梯度线圈,其作用是使得在不同空间位置的原子具有不同的共振频率ω0,表达式为

式中γ为旋磁比.由此可以根据共振频率分布得到样品的位置分布.

根据式(2),如果在静磁场B0上叠加一个线性梯度场Gx(Gx=aBz/ax),蜕化静磁场的均匀性,那么在样品中沿梯度方向不同位置的共振频率ω′0为

式中Δωx为静磁场不均匀造成的共振频率位移,把空间位移变换为频率位移.目前所有MR成像方法都是使用磁场梯度来区分空间坐标,所用的三维梯度在空间上是线性的,在时间上是以脉冲调制的.磁场梯度,一般为二阶张量,在直角坐标系中有9个分量,当主磁场为Bz时,梯度简化为