专利名称：磁体一阶匀场方法
技术领域：
本发明涉及一种用于核磁共振测量(NMR)和磁共振成像(MRI)系统中主磁体的一阶有源匀场的新技术。
背景技术：
磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)是在主磁场对样品的极化、射频场对样品的激发和梯度场对成像位置精确定位的基础上实现的。磁共振成像过程中测量的信号来自特定频率的频脉冲和自旋核磁矩之间的共振，由于主磁场的不均匀性对自由衰减信号(FIDFree Induction Decay)的共振峰宽度影响极大，而共振峰的宽度又非常影响成像的质量，因此，所有MRI系统以及核磁共振频谱当中都涉及主磁场的匀场问题。
匀场技术分为有源匀场(也称为主动匀场)和无源匀场(也称为被动匀场)方法。无源匀场技术用顺磁性材料(例如钕铁硼材料等)或者铁磁性材料等贴附在主磁体的一定部位，改善最初设计主磁体存在的不均匀性，这种方法解决主磁场不均匀性的幅度最大，结果相对稳定，但是不易经常调整和改变；而有源匀场用直流线圈产生的磁场来弥补主磁场的不均匀性，通常在空间坐标互相正交的轴方向上，根据电磁场理论设计线圈并确定其通过的电流大小，在磁场测量和成像的空间(Field of ViewFOV)内，对主磁场的不均匀性进行补偿，这些线圈的电流都可以用逆向优化的方法自动设定。因此，有源匀场可以方便地在系统中所用的脉冲序列运行前后或者同时进行，可以比较方便地用于MRI系统或者核磁共振(NMR)系统。
以MRI为例，梯度功率源和梯度线圈是一套现成的、功率强大的直流电流功率源和直流线圈。通常用梯度线圈内的直流电流部分(称为直流偏置)实现匀场，这是有源匀场中最方便和最省钱的办法，只有当梯度功率源和梯度线圈无法满足工作需要时，才设计独立的有源线圈并设定每个线圈的电流值，完成主磁场的非均匀性的进一步补偿。对其它NMR装置来说，因为对主磁场的均匀性要求更高，因此必须独立设计一套线圈，每个线圈都提供单独的直流稳流源电流的情况下，可以满足主动有源匀场的要求，形成更高均匀性的主磁场要求。
因此，有源的主动匀场，常常在测量或成像运行特定的脉冲序列之前，对均匀性要求特别高的情况下，在特定的FOV范围内实施的匀场技术。例如谱测量、谱成像以及各种需要主磁场非常均匀的各种应用场合。
以匀场为目的，需要在由主磁体、射频发射脉冲线圈、匀场线圈和/梯度线圈、射频接收线圈等构成的硬件系统中，在FOV范围内放置供匀场扫描的匀场样品。这该系统中，主磁体产生主磁场，实现对样品的极化，射频发射脉冲线圈产生的射频脉冲对样品进行激发，梯度线圈产生包含散相和聚相梯度脉冲形成的梯度场，射频接收线圈接收退激时形成的回波信号。特定频率的发射射频脉冲、一定幅值和脉宽的梯度脉冲在时序上的排列构成上述匀场需要的脉冲序列，梯度线圈和/匀场线圈中均可通入匀场直流电流用于匀场。
提供可以用于匀场的正交线圈和能够独立调节它们各自的电流值的环境之后，快速地设定每个匀场线圈的直流电流值是匀场技术的关键。常见的优化方法有最大信号法(signal maximization method)、相位图法(phase mapping method)和化学位移法(chemical shiftimaging method)等，目前使用较多的是最大信号法和相位图法。
有源匀场中的最大信号法的优点是直观，容易实现，缺点是需要优化迭代多次才能得到最佳匀场效果，耗时长，最终结果还往往不理想。其它方法，例如相位图法、化学位移法等，耗时更长，往往不适合永磁MRI系统。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种用于核磁共振测量(NMR)和磁共振成像(MRI)系统中主磁体的一阶有源匀场的新方法，该方法迭代次数少，因此计算速度快，而且适用于各种类型的主磁场的匀场，因而具有普遍意义和价值。
本发明所采用的技术方案是 分别在空间正交的三个方向上进行匀场，在每个方向上施加可产生至少一个梯度回波的匀场脉冲序列至匀场样品，采集一个或多个回波，当采集一个回波时，该回波为梯度回波，当采集多个回波时，所述多个回波中至少包括一个梯度回波，用回波偏离时间作为主磁场一阶不均匀性的度量，从而进行主磁场一阶不均匀性的计算，所述回波偏离时间为实际回波时间偏离理想情况下的回波时间的值，所述理想情况为假设需要匀场的主磁场在FOV内完全均匀的情况。
所述匀场脉冲序列为在其作用下至少可产生两个在理想情况下回波时间互不相等的回波且其中至少一个回波为梯度回波的脉冲序列，采集的回波包括两个在理想情况下回波时间不等的回波，其中至少一个回波为梯度回波，所述两回波的回波偏离时间分别为t1、t2，利用所述两回波的回波偏离时间的差值Δt＝t2-t1与相应方向上主磁场一阶不均匀梯度ΔG在一定近似条件下的线性关系，由所述回波偏离时间的差值Δt确定所述主磁场一阶不均匀性。
在一定近似条件下不考虑涡流影响，其相应方向上所述主磁场一阶不均匀梯度可通过下列公式计算Δt＝At·ΔG，式中，ΔG为所述主磁场一阶不均匀梯度， Δt为所述回波偏离时间的差值， At为所述比例系数， 在所述两回波均为梯度回波的情况下，其中TE1、TE2分别为两个所述回波在理想情况下的回波时间，Gr1、Gr2分别为与两个所述回波相对应的读梯度的幅值。
在所述两回波前一回波是非梯度回波、后一回波是梯度回波的情况下，在所述两回波前一回波是梯度回波、后一回波是非梯度回波的情况下，其中TEi、TEj分别为其中的非梯度回波和梯度回波在理想情况下的回波时间，Gri、Grj分别为与所述非梯度回波和梯度回波相对应的读梯度的幅值。
在所述近似条件下考虑涡流影响，在每个方向上施加参考脉冲序列至所述匀场样品，采集两个参考回波的参数，其回波偏离时间分别为t1′、t2′，相应的回波偏离时间的差值为Δt′＝t2′-t1′，计算所述两回波的回波偏离时间的差值Δt和所述两参考回波的回波偏离时间的差值Δt′的算术平均值，即为涡流影响的大小，并在所述主磁场一阶不均匀梯度的计算中消除所述涡流影响，所述参考脉冲序列为将所述匀场脉冲序列的梯度脉冲反向后形成的脉冲序列，所述参考回波为施加所述参考脉冲序列时采集的与施加所述匀场脉冲序列时采集的各回波相对应的回波。
通过对所述回波和所述参考回波的参数的傅里叶变换，将变换前依据时间确定主磁场不均匀性的计算转换成傅里叶变换后依据相位确定主磁场不均匀性的计算。
对所述两回波和两参考回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个回波和每个参考回波的频率位相关系进行线性拟合，获得两回波的两条拟合直线和两参考回波的两条拟合直线，分别计算所述两回波和两参考回波的两条直线的斜率差，利用两回波和两参考回波的拟合直线的斜率差与相应的回波偏离时间的差值之间的线性关系将所述依据时间确定主磁场不均匀性的计算转换成依据相位确定主磁场不均匀性的计算。
任一方向上的所述主磁场一阶不均匀梯度可以通过下列频域公式计算ΔS＝As·ΔG+Bes，在忽略涡流影响的情况下，则通过公式ΔS＝As·ΔG计算，式中，ΔS为所述两回波对应的拟合直线斜率差， As为与所述比例系数At相对应的频域上的比例系数，Bes为频域上的涡流项， 在所述两回波均为梯度回波的情况下，其中τ1，τ2分别为各回波采样时间的二分之一， 或 其中，Be1(t)、Be2(t)分别为与两个所述回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度； 在所述两回波前一回波是非梯度回波，后一回波是梯度回波的情况下，其中τi、τj分别为其中的非梯度回波和梯度回波采样时间的二分之一， 或其中，Bei(t)、Bej(t)分别为与所述非梯度回波和梯度回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度； 在所述两回波前一回波是梯度回波、后一回波是非梯度回波的情况下，其中τi、τj分别为其中的非梯度回波和梯度回波采样时间的二分之一， 或其中，Bei(t)、Bej(t)分别为与所述非梯度回波和梯度回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度， 上述各公式中的ΔS′均为将所述两参考回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个参考回波的频率位相关系进行线性拟合，所获得的两条拟合直线的斜率差。
所述频域上的比例系数As的测量方法为 通过调整梯度线圈中的直流电流改变梯度场大小，对应不同的梯度场施加一次所述匀场脉冲序列并采集一对回波，确定每对回波对应的拟合后直线的斜率差，在以梯度大小的相对变化值为横坐标、斜率差为纵坐标的坐标平面内经线性拟合得到一条直线，其斜率即为所述频域上的比例系数As。
将梯度线圈作为匀场线圈或者设置独立的相互正交的多个/多组匀场线圈，在各方向上的所述匀场线圈中通入恰好消除该方向上所述主磁场一阶不均匀梯度的匀场电流，以所述匀场电流产生的梯度场来补偿所述主磁场的一阶不均匀性。
本方法用较少的迭代次数即可获得较好的匀场效果，匀场耗时短，满足了实际应用的需要，对于MRI系统不需增加额外的硬件就可实施该方法进行匀场，且匀场过程中还可获得涡流的定量数据，为消除匀场提供了解决办法，此外该方法对各种类型的主磁场都具有普遍适用性。
本发明相比原有方法的优越性为 1)用回波峰值的时间偏离于完全均匀磁体在相同条件下的回波时间的值作为主磁场不均匀性的度量，把绝对测量变成相对测量，减少了相对误差，提高测量精度； 2)通过对回波的傅里叶变换，把对时间的测量变成对傅里叶变换后相位的测量，提高了测量精度； 3)在比例系数的测量中用多点测量线性拟合后直线的斜率代替对单点数据的计算，减少了系统误差，提高了定位精度； 4)在匀场过程中可以获得涡流的定量数据，为消除涡流提供了解决办法。
图1为第一个实施例中用的匀场脉冲序列及其回波示意图； 图2为第一个实施例中用的参考脉冲序列及其回波示意图； 图3为每个欲匀场方向上的匀场流程图； 图4为第一个实施例中计算X方向上比例系数As时的线性拟合直线图； 图5为第一个实施例的匀场结果； 图6为第二个实施例的匀场脉冲序列。
具体实施例方式 有源匀场技术的关键是快速设定每个匀场线圈的直流电流值，利用该直流电流产生的补偿梯度场来抵消主磁场的不均匀梯度，而获得主磁场的空间不均匀分布情况是匀场的前提。无论是利用已有梯度线圈还是设计独立的匀场线圈，其匀场原理是一致的。
本方法已经在0.5T永磁MRI系统的永磁体有源匀场中实施，其中匀场用的直流电流是加在梯度线圈上的。下面以上述0.5T永磁MRI系统中主磁体的匀场为第一个实施例说明本发明的原理和实施方法，其中采用的是两个回波都是梯度回波的方法 根据电磁场理论，MRI设备射野FOV内的主磁场的磁场强度分布函数可展开为 ，(1) 其中，A1、A2、A3、B2、B3是常数比例系数；X、Y、Z分别是空间三个正交方向的坐标。
其中的一阶及以上各阶分量造成了主磁场的实际上的不均匀，是匀场要抵消的目标分量。由于一阶分量比零阶分量小很多，二阶分量又比一阶分量小很多，阶数越高其分量越小，因此一定程度上可将主磁场的磁场强度分布函数近似为只含有零阶分量和一阶分量，即 针对式(2)若抵消一阶分量即可达到匀场目的，即所谓的一阶匀场。
匀场是一个空间概念，在空间相互正交的三个方向上都需要进行匀场。下文结合本实施例介绍在任意一个方向上的匀场原理和方法。
在MRI设备射野FOV内放置匀场样品，所有扫描都针对该样品进行。以下以欲对X轴方向进行匀场为例进行说明。为了缩短脉冲运行时间，加快匀场速度，本例中设定两个小角度激发的梯度回波脉冲序列作为匀场脉冲序列，如图1所示，所设定的两个梯度回波脉冲序列的相关参数如下Gr1、Gr2分别为第一、第二两个梯度脉冲序列的梯度脉冲的幅值，即读梯度的幅值，2τ1、2τ2分别为第一、第二两个梯度脉冲序列的梯度脉冲的脉冲宽度，即读梯度的脉冲宽度，同时也是第一、第二两个梯度回波信号的采样时间。之所以还采集第二个回波信号，是为了减少匀场过程中的系统误差如梯度波形不精确等因素的干扰。第一、第二两个梯度回波信号在理想情况下的回波时间分别为TE1、TE2(TE1≠TE2)，实际回波时间偏离理想情况下的回波时间的值即为回波偏离时间，第一、第二两个梯度回波信号的回波偏离时间分别为t1、t2，其回波偏离时间的差值Δt＝t2-t1反映了主磁场在X轴方向上的一阶不均匀梯度ΔG的大小，结合公式(2)可知系数3A21即为ΔG。如果可以通过回波偏离时间的差值Δt反推出一阶不均匀梯度ΔG的大小，并在相应方向的梯度线圈中通入一个直流电流使该直流电流产生的磁场的梯度与ΔG大小相等方向相反，即达到了该方向的匀场目的，该电流即为匀场电流。
回波偏离时间的差值Δt除了反映了主磁场一阶不均匀梯度ΔG的大小，还包含了因梯度场变化而产生的涡流所造成的效应，是主磁场不均匀性与涡流效应共同作用的结果，为了获得主磁场的空间不均匀性分布情况，需要去除涡流的影响。
为了计算并去除涡流对Δt的影响，需要在欲匀场方向上施加图2所示的参考脉冲序列并对样品进行再次扫描，所述参考脉冲序列与所述匀场脉冲序列的区别仅在于其读梯度方向相反，因此在其他扫描条件不变的情况下，所采集到的两个回波在理想情况下的回波时间仍然为TE1和TE2，此处将这两个回波称为参考回波，两个参考回波的回波偏离时间分别为t1′、t2′，其回波偏离时间的差值Δt′＝t2′-t1′(参见图2)。
通过比较施加匀场脉冲序列和参考脉冲序列所对应的这两次扫描结果，即可算出涡流对Δt的影响，其计算方法如下 设Be1(t)、Be2(t)分别为施加匀场脉冲序列时与第一、第二两个梯度回波信号相对应的涡流影响所产生的磁场的梯度，此处简称涡流。由于参考脉冲序列和匀场脉冲序列的区别仅在于其读梯度方向相反，因此施加参考脉冲序列时与第一、第二两个参考回波信号相对应的涡流分别为-Be1(t)和-Be2(t)。按照回波的聚相条件，可对脉冲序列及其回波列出方程组 考虑到Gr1＞＞ΔG且Gr2＞＞ΔG等条件对方程组进行简化，由方程组(3)(4)可近似推得 Δt＝At·ΔG+Bet，(5) 其中，比例系数 涡流项 当匀场脉冲序列设定好后，TE1、TE2、Gr1、Gr2即确定，代入公式(6)相当于比例系数At已知；施加参考脉冲序列并经二次扫描后获得参考回波，通过测得的Δt和Δt′代入公式(7)即可求得涡流项Bet。因此两个回波的回波偏离时间的差值Δt与相应方向上主磁场一阶不均匀梯度ΔG为线性关系，可将At、Bet、Δt代入公式(5)，反推出一阶不均匀梯度ΔG的大小，同时获得涡流项Bet的大小。
在某些情况下可以忽略涡流影响，因此公式(5)近似为Δt＝At·ΔG，主磁场一阶不均匀梯度ΔG与回波偏离时间的差值Δt成比例关系，ΔG可通过上式直接求得。
实践中常常因为Δt值和采集回波时的最小采样间隔大小相当，得到结果误差很大，对匀场的精确度和速度都有影响。为了解决这个问题，用每次扫描得到的两个回波信号进行傅里叶变换，在以频率为横坐标，相位为纵坐标的坐标平面内经线性拟合各得到两条直线，从而可获得两个斜率值，用这两个斜率值的差值即斜率差ΔS来代替回波偏离时间的差值Δt。根据傅里叶变换的性质可知上述拟合直线的斜率与时域上回波偏离时间成正比，因此可知Δt＝(Acqtime/2π)ΔS，其中Acqtime为傅里叶变换的采样时间，ΔS为上述斜率差。由于采样点数相对较多，用多点线性拟合所获得的斜率差ΔS相比实测时间差Δt更为准确。将(5)～(7)式中的Δt用ΔS代替，可推出在两个回波都是梯度回波的情况下的计算公式 ΔS＝As·ΔG+Bes，(8) 其中，比例系数 涡流项 ΔS′是施加参考脉冲序列所采集的两个回波经傅里叶变换后的相位拟合直线的斜率差，与时域上的Δt′相对应。
式(8)～(10)就是本匀场方法的具体实施过程的理论依据，即需要事先测定比例系数As和涡流项Bes，再通过斜率差ΔS反推出一阶不均匀梯度ΔG的大小。
在梯度线圈中输入用于匀场的直线电流，使得所述直流电流产生的磁场的梯度g＝-ΔG，用以抵消主磁场的一阶不均匀梯度，从而实现主磁场在读梯度方向上的匀场。
每个读梯度方向上的匀场技术流程如图3所示，依次在三个正交方向上执行图3所示流程，则实现了空间的一阶有源匀场。
本例中比例系数As的测算过程及结果为 通过调整梯度线圈中的直流电流改变梯度场的大小，对应各个不同的梯度场施加一次所述匀场脉冲序列并采集一对回波，确定每对回波经傅里叶变换所对应的拟合后直线的斜率差，在以梯度大小的相对变化值为横坐标、斜率差为纵坐标的坐标平面内经线性拟合得到一条直线，其斜率即为所述频域上的比例系数As。
由于是用多点测量线性拟合后直线的斜率代替对单点数据的计算，减少了系统误差，所用的拟合点数以满足拟合精度为准。本例中梯度场的梯度的大小为相对数值，拟合点数为5，所求的比例系数的结果如下表所示。
依据上表数据，X方向的相应拟合结果见图4，相应的比例系数As分别为-4.969。
本例中涡流项Bes的测算过程及结果为 分别在X、Y、Z三个方向上施加匀场脉冲序列并扫描，获得与匀场脉冲序列相对应的各个频域拟合直线的斜率差ΔS，再分别施加参考脉冲序列并扫描，获得与参考脉冲序列相对应的各个频域拟合直线的斜率差ΔS′，计算同一方向上两个斜率差的算术平均值即为涡流项Bes的大小，实施例的结果参见下表
在匀场过程中可以通过上述方法获得涡流的定量数据，因此为消除涡流影响提供了切实可行的解决方法。
第一个实施例的匀场结果见图5，在0.5T永磁系统上实施了上述匀场技术，整个过程只迭代2次。图中横轴为频率，纵轴为信号强度的大小，虚线为未匀场前的信号；点线为最大信号法匀场结果；实线为本方法匀场结果。可见，采用本方法的匀场结果与采用最大信号法的匀场结果非常接近，但因迭代次数少，匀场时间短，较最大信号法更优。
由比例系数As和涡流项Bes的公式可知，As只与所施加的脉冲序列有关，对于MRI系统，当成像用脉冲序列不改变的情况下，可仅测算一次As，例如可一天测量一次。Bes与所施加的脉冲序列以及系统硬件例如射频发射脉冲线圈有关，因此可当脉冲序列和硬件其中之一改变时，才测算一次Bes。
实施例二，施加如图6所示的匀场脉冲序列，所采集的第一个回波为受激回波(属非梯度回波)，第二个回波为梯度回波，其匀场脉冲序列的相关参数如下Gri、Grj分别为与第一、第二两个脉冲序列相对应的梯度脉冲的幅值，即读梯度的幅值，2τi、2τj分别为第一、第二两个脉冲序列的梯度脉冲的脉冲宽度，同时也是第一、第二两个回波信号的采样时间。第一、第二两个回波信号在理想情况下的回波时间分别为TEi、TEj(TEi≠TEj)，第一、第二两个回波信号的回波偏离时间分别为ti、tj，相对应的参考回波偏离时间分别为t′i、t′j，时间差Δt＝tj-ti、Δt′＝t′j-t′i。
设Bei(t)、Bej(t)分别为与第一、第二两个回波信号相对应的涡流影响所产生的磁场的梯度，与实施例同理，按照回波的聚相条件，可对匀场脉冲序列对应的回波以及参考脉冲序列对应的参考回波列出如下方程组 同样考虑到Gri＞＞ΔG且Grj＞＞ΔG，由方程组(11)(12)可近似推得Δt＝At·ΔG+Bet，(13) 其中，比例系数 涡流项 与实施例一同理，为获得比测量时间差更高的准确性和精度，采用傅里叶变换并多点线性拟合，根据时频变换的性质将含有时域特征参数Δt、Δt′的(13)～(15)式分别转换成含有频域特征参数的ΔS、ΔS′的(16)～(17)式，可得当前一回波是非梯度回波，后一回波是梯度回波的情况下， ΔS＝As·ΔG+Bes，(16) 其中，比例系数 涡流项 可见，两回波对应的拟合直线斜率差ΔS与主磁场一阶不均匀梯度ΔG之间仍然呈线性关系，其实质反映了两个回波的回波偏离时间的差值与相应方向上主磁场一阶不均匀梯度ΔG的线性关系，其测量原理与实施例一本质上相同。
本例中每个方向上的比例系数As的测量与计算方法为通过调整梯度线圈中的直流电流改变梯度场的大小，对应各个不同的梯度场施加一次所述匀场脉冲序列并采集一对回波，确定每对回波经傅里叶变换所对应的拟合后直线的斜率差，在以梯度大小的相对变化值为横坐标、斜率差为纵坐标的坐标平面内经线性拟合得到一条直线，其斜率即为所述频域上的比例系数As。
本例中每个方向上的涡流项Bes的测量与计算方法为将采集的两回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个回波的频率位相关系进行线性拟合，获得两条拟合直线的斜率差。再施加参考脉冲序列，相应采集两参考回波，将两参考回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个参考回波的频率位相关系进行线性拟合，又获得两条拟合直线的斜率差。计算回波与参考回波各自相对应的斜率差的算术平均值，即为涡流项Bes。
再将测得的比例系数As、涡流项Bes以及求解涡流项Bes时获得的与回波相对应的斜率差ΔS代入公式(16)可求解出所述主磁场一阶不均匀梯度ΔG。
当所采集的两回波前一回波是梯度回波、后一回波是非梯度回波时，按照回波的聚相条件，可对匀场脉冲序列对应的回波以及参考脉冲序列对应的参考回波列出如下方程组 推导过程同前，可得频域比例系数 其中τi、τj分别为其中的非梯度回波和梯度回波采样时间的二分之一， 其中，Bei(t)、Bej(t)分别为与所述非梯度回波和梯度回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度。
根据申请人的实验结果，将通过上述各测量方法获得的主磁场一阶不均匀梯度ΔG作为补偿目标完全可以达到预期的匀场效果。出于减小回波间误差影响的目的，且当两回波是采自一个时间轴上的前后两个回波时，通过匀场脉冲序列的设定使前一回波为非梯度回波，后一回波是梯度回波其效果更好。
以上测量与计算方法同实施例一一样均体现了本发明的解决问题的思路。在每个匀场方向上通过分别施加匀场脉冲序列和参考脉冲序列所获得的数据求解涡流项Bes，通过改变梯度场的直流分量值并分别施加匀场脉冲序列所获得的数据求解比例系数As，结合求解涡流项Bes过程中获得的斜率差ΔS反推出主磁场在各个匀场方向上的一阶不均匀梯度，最终在相应方向上的匀场线圈和/梯度线圈中通入恰好消除该方向上所述主磁场一阶不均匀梯度的匀场电流，以所述匀场电流产生的梯度场来补偿所述主磁场的一阶不均匀性。
由于本方法的核心要测定主磁场一阶不均匀梯度，因此所采集的回波中必须包含含有主磁场不均匀性信息的梯度回波，在此前提下并不限定另一个回波的类型，可以是自旋回波或受激回波等，只要满足两回波在理想情况下的回波时间不等即可。
事实上，本方法可以用于NMR和MRI系统中任何种类的主磁体的一阶有源匀场，所述主磁体是指所有需要通过共振测量获得信号的磁体，包括永磁体、电磁体和超导磁体等。
由于本方法含有比例系数A和涡流项Be的测定环节，从减小误差角度出发，不限定所设定的脉冲序列的个数以及所采集的回波的个数，只要满足所采集的至少两个回波在理想情况下的回波时间互不相等，且至少有一个是梯度回波即可。当采集了多个回波，分别经傅里叶变换得到了多个拟合直线的斜率，仍不限定为减小测量误差而选用的计算点数和所采用的数据处理方法。
权利要求
1、一种磁体一阶匀场方法，其特征在于分别在空间正交的三个方向上进行匀场，在每个方向上施加可产生至少一个梯度回波的匀场脉冲序列至匀场样品，采集一个或多个回波，当采集一个回波时，该回波为梯度回波，当采集多个回波时，所述多个回波中至少包括一个梯度回波，用回波偏离时间作为主磁场一阶不均匀性的度量，从而进行主磁场一阶不均匀性的计算，所述回波偏离时间为实际回波时间偏离理想情况下的回波时间的值，所述理想情况为假设需要匀场的主磁场在FOV内完全均匀的情况。
2、根据权利要求1所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于所述匀场脉冲序列为在其作用下至少可产生两个在理想情况下回波时间互不相等的回波且其中至少一个回波为梯度回波的脉冲序列，采集的回波包括两个在理想情况下回波时间不等的回波，其中至少一个回波为梯度回波，所述两回波的回波偏离时间分别为t1、t2，利用所述两回波的回波偏离时间的差值Δt＝t2-t1与相应方向上主磁场一阶不均匀梯度ΔG在一定近似条件下的线性关系，由所述回波偏离时间的差值Δt确定所述主磁场一阶不均匀性。
3、根据权利要求2所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于在一定近似条件下不考虑涡流影响，其相应方向上所述主磁场一阶不均匀梯度通过下列公式计算Δt＝At·ΔG，
式中，ΔG为所述主磁场一阶不均匀梯度，
Δt为所述回波偏离时间的差值，
At为所述比例系数，
在所述两回波均为梯度回波的情况下，其中TE1、TE2分别为两个所述回波在理想情况下的回波时间，Gr1、Gr2分别为与两个所述回波相对应的读梯度的幅值。
在所述两回波前一回波是非梯度回波、后一回波是梯度回波的情况下，在所述两回波前一回波是梯度回波、后一回波是非梯度回波的情况下，其中TEi、TEj分别为其中的非梯度回波和梯度回波在理想情况下的回波时间，Gri、Grj分别为与所述非梯度回波和梯度回波相对应的读梯度的幅值。
4、根据权利要求3所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于在所述近似条件下考虑涡流影响，在每个方向上施加参考脉冲序列至所述匀场样品，采集两个参考回波的参数，其回波偏离时间分别为t1′、t2′，相应的回波偏离时间的差值为Δt′＝t2′-t1′，计算所述两回波的回波偏离时间的差值Δt和所述两参考回波的回波偏离时间的差值Δt′的算术平均值，即为涡流影响的大小，并在所述主磁场一阶不均匀梯度的计算中消除所述涡流影响，所述参考脉冲序列为将所述匀场脉冲序列的梯度脉冲反向后形成的脉冲序列，所述参考回波为施加所述参考脉冲序列时采集的与施加所述匀场脉冲序列时采集的各回波相对应的回波。
5、根据权利要求4所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于通过对所述回波和所述参考回波的参数的傅里叶变换，将变换前依据时间确定主磁场不均匀性的计算转换成傅里叶变换后依据相位确定主磁场不均匀性的计算。
6、根据权利要求5所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于对所述两回波和两参考回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个回波和每个参考回波的频率位相关系进行线性拟合，获得两回波的两条拟合直线和两参考回波的两条拟合直线，分别计算所述两回波和两参考回波的两条直线的斜率差，利用两回波和两参考回波的拟合直线的斜率差与相应的回波偏离时间的差值之间的线性关系将所述依据时间确定主磁场不均匀性的计算转换成依据相位确定主磁场不均匀性的计算。
7、根据权利要求6所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于任一方向上的所述主磁场一阶不均匀梯度通过下列频域公式计算
ΔS＝As·ΔG+Bes，在忽略涡流影响的情况下，则通过公式ΔS＝As·ΔG计算，
式中，ΔS为所述两回波对应的拟合直线斜率差，
As为与所述比例系数At相对应的频域上的比例系数，Bes为频域上的涡流项，
在所述两回波均为梯度回波的情况下，其中τ1，τ2分别为各回波采样时间的二分之一，
或
其中，Be1(t)、Be2(t)分别为与两个所述回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度；
在所述两回波前一回波是非梯度回波，后一回波是梯度回波的情况下，其中τi、τj分别为其中的非梯度回波和梯度回波采样时间的二分之一，
或其中，Bei(t)、Bej(t)分别为与所述非梯度回波和梯度回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度；
在所述两回波前一回波是梯度回波、后一回波是非梯度回波的情况下，其中τi、τj分别为其中的非梯度回波和梯度回波采样时间的二分之一，
或其中，Bei(t)、Bej(t)分别为与所述非梯度回波和梯度回波对应的涡流影响所产生的磁场的梯度，
上述各公式中的ΔS′均为将所述两参考回波的参数进行傅里叶变换，在以频率为横坐标、相位为纵坐标的坐标系中对每个参考回波的频率位相关系进行线性拟合，所获得的两条拟合直线的斜率差。
8、根据权利要求7所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于所述频域上的比例系数As的测量方法为
通过调整梯度线圈中的直流电流改变梯度场大小，对应不同的梯度场施加一次所述匀场脉冲序列并采集一对回波，确定每对回波对应的拟合后直线的斜率差，在以梯度大小的相对变化值为横坐标、斜率差为纵坐标的坐标平面内经线性拟合得到一条直线，其斜率即为所述频域上的比例系数As。
9、根据权利要求1-8中任一权利要求所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于将梯度线圈作为匀场线圈，在各方向上的所述匀场线圈中通入恰好消除该方向上所述主磁场一阶不均匀梯度的匀场电流，以所述匀场电流产生的梯度场来补偿所述主磁场的一阶不均匀性。
10、根据权利要求1-8中任一权利要求所述的磁体一阶匀场方法，其特征在于设置独立的相互正交的多个/多组匀场线圈，在各方向上的所述匀场线圈中通入恰好消除该方向上所述主磁场一阶不均匀梯度的匀场电流，以所述匀场电流产生的梯度场来补偿所述主磁场的一阶不均匀性。
全文摘要
本发明涉及一种用于核磁共振测量(NMR)和磁共振成像(MRI)系统中主磁体的一阶有源匀场方法，分别在空间正交的三个方向上进行匀场，用回波偏离时间作为主磁场一阶不均匀性的度量，用两个回波偏离时间的差值与相应方向上主磁场一阶不均匀梯度在一定近似条件下的线性关系确定主磁场一阶不均匀梯度，把绝对测量变成相对测量，通过对回波的傅里叶变换，把对依据时间确定主磁场不均匀性的计算转换成依据相位确定主磁场不均匀性的计算，用多点测量线性拟合后直线的斜率代替对单点数据的计算，同时本方法可以获得涡流的定量数据，为消除涡流提供了解决办法。本方法显著提高了测量精度，减少了迭代次数，加快了匀场的速度，且可以用于NMR和MRI系统中任何磁体。
文档编号G01R33/38GK101604008SQ20091008855
公开日2009年12月16日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者包尚联, 群 何, 堃 周 申请人:北京海思威科技有限公司