【作 者】薛廷強，陳進軍

西門子（深圳）磁共振有限公司，深圳市，518057

永磁MRI系統(tǒng)機械勻場方法及實現

【作 者】薛廷強，陳進軍

西門子（深圳）磁共振有限公司，深圳市，518057

該文提出了一種用于永磁磁共振成像（MRI）系統(tǒng)的機械勻場方法及實現裝置，避免了在客戶安裝場地進行困難和耗時的無源勻場工作，提高了裝機調試效率。

磁共振成像；勻場

由于具有軟組織分辨率高、多方位和多參數成像的特點，以及對良惡性病變鑒別診斷價值高且無輻射損傷等優(yōu)勢，磁共振成像（MRI）已成為臨床診斷日益重要的手段之一。對MRI系統(tǒng)而言，其磁體在成像區(qū)域（FOV）的磁場均勻性決定著MRI 系統(tǒng)的成像質量，因而對其有嚴格的要求。由于制造和材料偏差、邊緣效應等問題，使得磁體初始磁場均勻度難以滿足成像要求，必須對磁場進行均勻性校正，這一過程稱為勻場。

勻場方法主要分為有源勻場和無源勻場兩種[1]，對于永磁MRI系統(tǒng)，廣泛采用無源勻場方法，即在磁極表面粘貼小磁片，通過磁片產生的附加磁場來消除主磁場FOV的不均勻諧波分量。

目前已有多項研究致力于開發(fā)各種無源勻場方法以提高勻場精度和效率。文獻[2] 將整數線性規(guī)劃方法引入MRI 磁體的勻場，尋求以最少的勻場磁片達到最小的勻場偏差。文獻[3] 研究了用神經網絡的方法構建勻場算法，即用以往的勻場紀錄作為樣本，通過BP網絡的訓練得到一個模型。文獻[4]提出極值定位方法計算勻場半徑，規(guī)范勻場貼片位置。采用極值優(yōu)先校正原則設計了逐次逼近算法進行勻場計算。文獻[5] 將人工的勻場過程與整數線性規(guī)劃理論相結合，提出了基于中心磁場參照的勻場方法。文獻[6]提出一種將勻場分布作為一系列幅度不同的正交的球諧波函數的和，并采用線性規(guī)劃來對永磁型MRI磁體勻場的方法。據文獻[7]介紹，采用了計算機輔助勻場軟件后，勻場時間從原來的每臺2人勻場20 d左右，縮短到每臺1人勻場4 d。由于必須在客戶安裝場地完成，困難和耗時的無源勻場工作會產生巨大的人力和時間成本，延長系統(tǒng)安裝及交付時間。

將困難和耗時的無源勻場工作在工廠內的磁體生產過程中完成，而在客戶安裝場地只需作簡單的調整就可使磁體的勻場指標滿足成像要求，這就是機械勻場方法和裝置的目的。

1 機械勻場原理

如圖1所示，假設一體積元為dv 的小鐵磁棒dm被

放置在磁體腔內的Q點，則其在空間P點產生的磁標勢可表示為[8]：

圖1 放置于Q點鐵磁材料在P 點產生磁場的標勢dΦFig.1 Scalar potential dΦ produced at point Pby piece of ferromagnetic material placed at point Q

其中χ是鐵磁材料的磁化系數，當磁體主磁場強度較高時達到磁飽和的鐵磁材料磁化系數為常數。Hz是Q處磁場強度，k是Z方向單位矢量，表示P點與Q點間的距離。

基于上述原理可知，通過設計磁性元件，使其在一定的磁場環(huán)境下產生確定的磁場，當其處在不同的位置時，可以對特定點的磁場產生不同的影響。如果原來的基礎磁場不均勻，通過一定的算法預測鐵磁性元件在磁場中的位置，并通過適當的方法將其移動到位以改善原基礎磁場的不均勻性，使成像區(qū)域的磁場達到預期的均勻度。

2 機械勻場方法及實現

用于永磁MRI系統(tǒng)的機械勻場裝置設計成如圖2所示[9]，若干個機械勻場裝置呈軸對稱形式均布在MRI永磁體上下極面的周邊。每個機械勻場裝置包含一鐵磁性元件，以滑塊形式分別設置在導槽中，并可通過轉動其各自的驅動絲桿來方便地實現徑向移動，從而實現調整磁場均勻性的功能。

圖2 永磁MRI系統(tǒng)的機械勻場裝置Fig.2 Mechanical shimming device for permanent magnet of MRI System

在無電流和磁場源的區(qū)域，磁場感應強度滿足拉氏方程，因此，MRI 成像區(qū)磁場強度可以表示為一系列正交的球諧波函數之和[10]

在磁場的Z向分量的球諧波展開式中，對于理想的均勻磁場，除外，其余各階諧波均應為零，因此，和決定了磁場的均勻度。對于一臺實際的MRI 磁體，為滿足成像要求，和必須通過勻場控制在指標之內。

在工廠內完成被動勻場的磁體，經過運輸過程并安裝在客戶現場后，由于環(huán)境變化的影響，會導致各低階和增大而超出勻場指標要求。機械勻場裝置的任務就是基于一定的算法，通過調整各滑塊使其重新滿足指標要求。

在圖2所示的裝置中，將某滑塊移動特定的位置并分別測量磁場，即可得到相應的磁場變化，再按式(1)球諧波展開后，可得到相應的各階諧波和，為書寫方便，均以A(m, n), B(m, n)來表示。如將上下極面所有滑塊分別置于向內向外的極限位置，A(1, 0)得到最大值，且其余諧波均為零。類似地，將上下極面各滑塊至于特定的位置即可得到各階純諧波。

絲桿螺距t一定，則滑塊i移動距離Si可精確地通過絲桿的轉動圈數Xi來控制：

設絲桿轉動一圈（滑塊的徑向移動）所產生的各階純諧波為 △Ai(m, n), △Bi(m, n)。

通過建立以下基于線性規(guī)劃算法（LP）的優(yōu)化模型，可確定各個滑塊的最小位移（絲桿轉動的最少圈數）以使各階諧波A(n, m)和B(n, m)控制在一定指標之內，亦即成像區(qū)域的磁場非均勻性降至一定范圍，滿足成像要求。

該模型由一目標函數和若干約束條件構成。

式中：

Xi-- i處滑塊驅動絲桿轉動圈數；

X--各處滑塊驅動絲桿允許的最大轉動圈數；

△Ai(m, n ) ， △Bi(m, n ) - i處絲桿轉動一圈（滑塊的徑向移動）所產生的各階純諧波；

ε-- 通過機械勻場應滿足的各階諧波；

N--滑塊總數。

具體勻場流程按圖3所示框圖進行。

圖3 機械勻場流程圖Fig.3 Workflow of mechanical shimming

表1 機械勻場效果Tab.1 Result of mechanical shimming

表1 列出了某臺永磁型 MRI系統(tǒng)在客戶安裝場地進行機械勻場達到指標要求后，相應的機械勻場調整量△(ppm)。

3 結論

該機械勻場方法在實際磁共振產品的應用中被證明是方便有效的。應用了機械勻場方法的西門子MAGNETOM C! 型永磁開放型MRI系統(tǒng)勻場指標為[11]：

典型值：＜±2.5 ppm(FWHM)

保證值：＜±4 ppm(FWHM)，

（36 cm DSV，15 層，每層 24 測量點）

該系統(tǒng)目前在全球裝機近千臺，大部分系統(tǒng)在客戶安裝現場當天即可通過機械勻場達到勻場指標，避免了困難和耗時的無源勻場工作，大大提高了裝機效率，保證了系統(tǒng)盡早投入應用。

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[11] Siemens Shenzhen Magnetic Resonance Ltd., Datasheet of MAGNETOM C! [R].

Mechanical Shimming Method and Implementation for Permanent Magnet of MRI System

【Writers】XUE Tingqiang, CHEN Jinjun Siemens Shenzhen Magnetic Resonance Ltd., Shenzhen, 518057

A mechanical shimming method and device for permanent magnet of MRI system has been developed to meet its stringent homogeneity requirement without time-consuming passive shimming on site, installation and adjustment efficiency has been increased.

MRI , shimming

TM273

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.03.004

1671-7104(2015)03-0170-03

2014-12-11

薛廷強，E-mail: tingqiang.xue@siemens.com