3T MRI系统中被动匀场技术的性能：不同磁场分布下匀场参数的影响

《Journal of Magnetic Resonance》：Passive shimming performance in 3 T MRI systems: Influence of shim parameters under varying magnet field distributions

被动屏蔽槽结构优化方法研究

　　在当今的医疗与工业应用中，磁共振成像（MRI）技术因其无创性、高软组织对比度以及功能成像能力而得到了广泛应用。然而，MRI图像的质量在很大程度上依赖于主磁场的均匀性。为了应对磁场不均匀的问题，通常采用两种主要的校准方法：主动校准（active shimming）和被动校准（passive shimming）。主动校准利用电磁线圈，通过调节电流来动态补偿残余磁场不均匀，特别是在处理第一和第二阶谐波时具有显著优势。相比之下，被动校准依赖于铁磁材料的放置，如铁片或铁环，其优势在于结构简单、成本低廉，并且不需要电源或产生热量，这使得它在永久磁体或超导磁体中尤为受欢迎。

然而，被动校准的效果高度依赖于磁铁参数的精确选择，包括磁片的几何形状、尺寸、位置以及材料配置。现有的研究大多集中在单一目标或特定磁场模式上，忽视了不同性能指标之间的权衡，例如磁场均匀性与铁磁材料用量之间的关系。此外，由于制造和装配过程中不可避免的误差，如线圈绕制公差、装配偏移、焊接不精确以及冷却引起的机械应力，超导磁体产生的磁场可能会在不同系统之间产生显著差异。这些差异会导致初始磁场分布的不一致，从而影响最终的磁片优化配置。因此，有必要开发一种更加系统和全面的优化方法，以适应不同磁体的特性并提高磁场均匀性。

本研究提出了一种简单且计算高效的优化方法，用于调整被动磁片槽的结构设计参数，从而提升无液氦3T/200mm超导磁体的磁场均匀性。该方法结合了拉丁超立方抽样（LHS）和基于线性规划（LP）的优化框架，以高效地探索高维设计空间，并满足结构约束条件。通过这种方法，我们对四种不同的磁体进行了分析和优化，每种磁体由于制造和装配过程中的差异，表现出独特的磁场不均匀模式。在实际应用中，这种优化策略被证明是可行的，其中一种磁体系统已经成功用于高分辨率的小动物体内成像，展示了该方法的实用价值和应用潜力。

为了实现更精确的磁场校准，我们采用了一种基于谐波分解的方法，识别出每个磁体系统特有的敏感性，并通过定制化的被动磁片策略加以有效抑制。这一过程不仅提高了磁场均匀性，还显著降低了所有谐波项的幅度，降幅超过了一个数量级。与此同时，我们尽量减少铁磁材料的使用，以降低成本并提高系统的整体效率。在优化过程中，我们对超过300种不同的参数配置进行了全面的敏感性分析，从而识别出对磁场均匀性具有关键影响的结构参数。这些分析结果帮助我们提炼出具有普遍适用性的设计模式和实用指南，使得被动磁片策略能够更有效地针对特定的结构参数配置进行优化，从而显著提升磁场均匀性。

通过这一研究，我们不仅为未来磁体的设计、定制和部署提供了宝贵的指导，还为生物医学和工业应用中的磁场优化问题提供了一种新的解决方案。这一方法在多个实际案例中得到了验证，证明了其在提升磁场均匀性方面的有效性。同时，这种方法的计算效率和灵活性也使其适用于更广泛的应用场景，包括不同类型的超导磁体和不同的成像需求。通过将统计相关性分析与优化算法相结合，我们能够更全面地理解磁场参数之间的相互作用，并在实际应用中做出更加科学和合理的决策。这种跨学科的方法不仅推动了MRI技术的发展，也为其他依赖于高均匀磁场的应用领域提供了新的思路和工具。