磁共振系統技術之勻場

磁共振成像系統﹡重要的就是磁體，其作用是提供一個穩定的磁場環境。為了保證磁場均勻度，MRI調試中﹡重要的一個步驟就是：勻場。

勻場，顧名思義就是要使磁場的強度均勻。

為什么需要勻場？

首先回顧MR的基本理論：在一定磁場方向的前提下，施加垂直于主磁場方向的射頻場將會使氫質子產生偏轉，偏轉后的恢復過程產生有用的MR信號。這個偏轉，其實就是我們磁共振中的“共振”二字產生的。

什么是共振？

籠統來講就是具有相同的頻率。那么要產生磁共振，就需要主磁場下氫質子的拉莫爾進動頻率（前面有講到過）等于射頻場的頻率。

射頻場的發射頻率我們是可以輕易地實時控制的，但磁場的頻率，下面會講到，是被磁體的先天構造所影響的，在一定范圍內并不非常均勻，因此我們需要勻場這一操作，讓磁場盡可能均勻。磁場的均勻性是衡量MR設備好壞的重要標準。

下面我們會具體講解一般磁場的性狀

和幾個勻場的手段及原理。

回顧前面講過的超導磁體的結構，在超導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，而形成一個磁體兩端發散，中間近似平行的分布狀態。

圖1

因此這里有一個基本概念，勻場并不是要求磁體洞內所有區域都保持均勻，而是能夠確保被掃描的區域保持均勻就可以了。均勻區域越大，勻場的難度也就越大，這在一方面也解釋了為什么超導磁共振系統想要把磁體洞口的直徑做大哪怕一點都是相當難得的技術突破。飛利浦傳統的M*設備磁體洞口直徑為60cm，而目前高*的Ingenia機型可以做到70cm孔徑（更新：現已有孔徑為75cm的超導磁共振了）。常規的將磁場均勻范圍設定為以磁體中心為球心X,Y,Z方向分別50x50x45cm的一個橢球體。

圖2

超導磁共振的勻場分為2種類型，分別是：

被動勻場(Passive shim)

主動勻場(Active shim)

被動勻場

利用在磁體洞內部特定的位置增加逆磁性物質的硅鋼片，吸引磁感線向需要的方向移動，從而保持磁感線水平分布。被動勻場的過程非常繁瑣及復雜，在磁體孔中放置定制的勻場架及磁場探測器。

圖3

通過測試設定點位的磁場強度，利用有限元或者差分的方式計算出要求勻場區域內部的磁場均勻度分布，從而計算出鐵片添加的位置和數量。

然后將計算得到的鐵片貼入勻場條的固定位置內，﹡終將勻場條插入磁體相應位置。

圖4

圖5

主動勻場

利用電磁線圈產生的磁場對主磁場進行補償。

由于人體也是一個逆磁性物質，在磁體內的病人同樣會改變磁場的分布，并且不同的人對磁場的改變還是不一樣的，因此就需要引入能夠針對每一個病人適時進行改變的主動勻場。

主動勻場大體又分為兩種：

一階主動勻場。

高階主動勻場。

首先介紹勻場中‘階’的概念，‘階’就是數學中線性方程中的階數，由于MR系統的空間坐標系中有X，Y，Z三個方向，所以可以得到以下推導：

一階：線性方程：T=（X+Y+Z）²

對應空間坐標就是一個二階曲線。明顯二階曲線具有更好的曲線擬合能力，但是實現起來也更加復雜。

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個可控的線圈才能夠實現2階主動勻場。一般高階主動勻場的線圈制作在梯度線圈內，在實際使用時與1階主動勻場的梯度場共同作用，使磁場更加均勻，同時在設計時會根據磁場分布規律將分解方程進行簡化從而減少主動控制線圈數量以及放大器數量。

由于成本較高，因此高階主動勻場一般高*的3T核磁共振系統才會使用。

同理，有興趣的話大家可以計算如果要實現三階主動勻場需要付出的代價，由于磁場均勻的邊界效應是逐漸降低的，因此已經沒有必要去花費極大的代價實現二階以上的主動勻場了。