磁共振成像硬件设备--梯度系统相关基本概念

pppsss 2021-11-09

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在前文分享中我们讨论了磁共振运行中磁体系统相关的安全与防护常识。在扫描工作中梯度系统是另一个重要的成像组成部分，也是实际工作中常见发生故障和导致停机的原因。今天和大家分享有关梯度系统的相关基本概念。

一

梯度系统：梯度系统在磁共振成像过程中不仅用于空间定位，也是形成回波信号的前提和基础。其性能决定一台设备的某些极限成像参数，如最短TR、最短TE、最小FOV、最薄层厚等。充分理解梯度系统的构成及其性能，有助于在工作中判断扫描故障或者排查梯度系统的故障。

1.梯度系统性能评估指标：其两大指标是最大梯度场强和最大梯度切换率，两者共同决定了成像中很多极限参数，如最小FOV或者最薄层厚等，除了这些极限参数还需要注意成像中的其他参数，才能更客观的反映改成像系统的梯度性能。如讨论最短TR或者最短TE时需要保持相同的频率编码矩阵、相同的FOV以及相同的层面厚度等进行对比。因为在其成像过程中需要几个不同作用的梯度相互协同作用。除了梯度场强和梯度切换率，梯度系统的稳定性和线性范围等也是衡量梯度系统性能的重要因素。

1）最大梯度场强：该梯度系统能够产生的最大梯度场强，最大梯度场强在采用EPI信号读取的成像序列具有重要意义，它是决定最短回波间隔的因素之一。对于扩散加权成像最大梯度场强也是决定获得相同b值所需要的最短时间，它会影响最后的TE时间。梯度场强的单位是mT/m。在不同的成像序列所需要的梯度场强有所不同。以读出梯度为例，在进行FSE序列成像时通常只需要10mT/m左右，而进行EPI类信号读取或者某些快速梯度回波序列时则需要比较大的梯度场强。所需要的梯度场强越大，梯度系统的负荷相对也越重，其序列对于梯度系统性能的依赖性更高。这可能是在进行扩散加权等成像时容易发生梯度系统性能故障的原因。若长时间的进行扩散加权成像或者基于EPI信号读取的成像更容易带来梯度系统故障发生。

2)最大梯度切换率：也称为最大梯度爬升率。虽然在梯度线圈内施加的是直流电流，但在建立相应梯度场强过程中梯度线圈的电流变化相当剧烈，几乎是方波式变化。这个变化决定梯度磁场从无到有并逐渐达到该序列所需要的梯度场强值。通常信号读取都是在达到了相应的梯度场强值才进行的，达到这个梯度场强所需要的时间越短那么就可能使得成像速度越快。在临床工作中，最大梯度场强和最大梯度切换率需要协同相互作用。假如一台设备具有非常高的梯度场强，但与其配合的最大梯度切换率很低，那达到该梯度场强所需要的时间就很长。这段梯度爬升时间系统是不进行信号采集，这就影响了所能实现的极限参数。

图片说明：梯度场强与扫描层厚以及频率偏移所导致的层面偏移关系。梯度场强越大，相同的射频激发带宽所产生的层面厚度越薄；化学位移等所导致的频率偏移使用更大的梯度场强时所导致的层面偏移越小。

2.梯度系统的基本组成：梯度系统包括梯度电源、梯度放大器和梯度线圈几个组成部分，这些是产生梯度磁场的基础，梯度电源、梯度放大器的功率也是决定最大梯度场强和最大梯度切换率的物质基础。同时，它本身还配备一套独立的制冷系统，把梯度线圈工作中产生的热量及时排走。

图片说明：梯度电源、梯度放大器、梯度线圈三个部分构成梯度系统。共同决定梯度系统的临床性能。1）梯度电源：是梯度系统的供电装置。上图所显示的梯度系统中具有三个独立的梯度电源，分别供电给各自的梯度放大器。在有些成像设备上梯度电源也可能集成为一个。在高场强设备因为通常配备比较强大的梯度性能，采用三个梯度电源独立供电对于保证高的梯度性能有一定意义。从功能上看，梯度电源也可以理解为一个把交流电转化为直流电的装置，从梯度电源供给到梯度放大器的电流是直流电。2）梯度放大器：完成梯度电流的放大过程。它会根据脉冲序列的梯度波形和所需要的梯度场强等对相应电流进行放大调制，最后把电流供给到梯度线圈。梯度线圈有X、Y、Z三个不同的轴，相应的梯度放大器也分为X、Y、Z三个轴。在扫描过程中可能会报梯度放大器错误，这时都会报出是哪个轴梯度放大器错误。梯度电源、梯度放大器的稳定性和保真度对于实现更优异的梯度系统性能是一个重要的基础保证。在很多序列扫描中高保真和稳定的梯度性能是获得优异图像质量的基础，对于梯度电源、梯度放大器提出了较高的要求，它的性能也是决定梯度系统最大梯度场强和最大梯度切换率的基础。

3）梯度线圈：是磁体腔内产生实际成像梯度场的部分。当给梯度线圈施加电流后就会产生相应的梯度磁场。毕奥--萨伐尔定律表明梯度线圈内的电流越大，在同一空间点上产生的梯度磁场就越高。当成像序列需要较高的梯度场强时梯度放大器就会给出更高的梯度电流。在梯度线圈内的电流爬升和回落过程中所产生的梯度磁场也在变化，这种变化可能在梯度线圈周围感应出涡流磁场。当给梯度线圈施加电流时梯度线圈会感受到安培力，而在梯度场切换过程中是梯度电流的方向在切换，这时梯度线圈感受到的力的方向也在不断快速切换着，导致梯度线圈剧烈的振动。成像过程中所听到的扫描声音就是梯度线圈振动所产生的声音。成像过程中由于梯度电流、梯度线圈振动等都会导致梯度线圈发热，因此梯度线圈需要单独的制冷系统。

二

梯度线圈的基本构造：在磁共振成像过程中梯度场的一个重要功能是进行空间标记，包括层面选定、层面内频率和相位编码。为了实现三维空间定位，配备了三个不同物理轴的梯度线圈，通常称为X、Y、Z三个轴，与主磁场方向相同的纵向轴被称为Z轴，磁体孔径的前后方向称为Y轴，左右方向称为X轴。三个不同方向的梯度线圈是通过不同的线圈绕制组合形成。

图片说明：梯度线圈镶嵌到在磁体腔内，在射频发射线圈的外侧。三个不同方向的梯度线圈通过三组不同绕制的线圈对构成。

三

主动屏蔽梯度线圈设计理念：梯度线圈在工作过程中会产生相应的梯度磁场，该梯度磁场是磁共振成像过程中空间定位、信号读取等所必须的，在梯度线圈的外侧也会感应出相应的梯度磁场，该梯度磁场如不加处理就会在周围结构中感应出相应的电流，形成涡流。为了避免涡流的产生，采用主动屏蔽梯度线圈设计，就是在主梯度线圈外侧绕制与主梯度线圈相互平行的一组线圈，但该线圈内会施加与主梯度线圈方向相反的电流。这样主梯度线圈和屏蔽梯度线圈在空间上同一点所感应出的磁场方向刚好是相反的，达到相互抵消的作用。根据毕奥--萨伐尔定律，主梯度线圈与屏蔽梯度线圈之间的距离越远，需要施加的电流就可以更小，对主梯度线圈所产生的成像磁场消耗也越小。大孔径磁共振为了实现更大的有效孔径通常会缩小主梯度线圈和屏蔽梯度线圈之间的距离，降低了主梯度线圈的工作效率。要达到相同的最大梯度场强，大孔径磁共振需要更大功率的梯度电源、梯度放大器来提供更大的梯度电流。