基于目标场磁约束的永磁MRI谐波无源匀场方法

《Physics Open》：Harmonic Passive Shimming Method for Permanent Magnet MRI Based on Target Field Magnetic Constraints

　　

在永磁磁共振成像（MRI）的无源匀场中，谐波抑制对于避免未校正谐波场导致的均匀性显著下降（这会直接损害图像质量和空间精度）至关重要。然而，传统的无源匀场方法尽管能够部分消除杂散谐波，但在处理高阶谐波分量时存在困难，且无法同时满足谐波抑制和改善磁场均匀性的双重目标。此外，永磁MRI匀场中的垫片厚度必须受到约束，以适应磁体间隙的空间限制，同时实现材料效率和系统轻量化。为解决这些局限性，研究人员提出了一种具有目标场磁约束的谐波无源匀场方法（HPS-TMFC），该方法将目标场约束整合到谐波优化模型中，建立了一个包含最大垫片厚度限制、磁场不均匀性边界以及目标谐波抑制的约束框架，从而增强了对场均匀性和高阶谐波的控制。结果表明，HPS-TMFC实现了42.1 ppm的场不均匀性（初始场不均匀性为4367.214 ppm），相比谐波方法改善了约50%，相比场方法改善了13%。上述结果表明，本文提出的方法能够有效抑制谐波分量，同时显著降低磁场不均匀性，并减少垫片消耗。

**论文解读：基于目标场磁约束的永磁MRI谐波无源匀场方法**

**研究背景与问题**
永磁磁共振成像（MRI）因无需低温冷却、采用开放式结构，适用于快速扫描和便携式应用，在基层医疗、术中实时成像和特殊人群检查中具有广泛前景。然而，其低场强特性需要通过人工智能图像增强和匀场技术突破场强限制。为实现高质量成像，主磁体的场均匀性必须满足严格指标；但主磁体磁场常因装配误差、铁磁干扰或磁体形变偏离标称场，需要通过匀场过程进行校正。匀场包括主动和被动两种方式，两者协同优化场均匀性。主动匀场通过动态调整线圈电流实现实时优化，灵活性高但需复杂电子设备、电源和维护；被动匀场则利用永磁化片通过策略性物理放置产生持久场，具有免维护稳定性和低成本，但校正轮廓固定，安装后适应性差。被动匀场主要分为基于场的方法和基于谐波的方法，后者通过约束目标场谐波与测量场谐波之间的差异来优化垫片分布，从而在控制特定谐波分量方面具有高精度。

然而，传统谐波无源匀场方法在处理高阶谐波时变得复杂，且消除谐波分量并不总能改善整体磁场均匀性。基于场的方法虽能获得满意的均匀性，但缺乏对谐波分量的灵活控制。此外，在永磁MRI匀场中，必须限制垫片厚度以适应磁体间隙的空间限制，同时实现材料效率和系统轻量化。因此，需要一种既能有效抑制谐波又能显著改善场均匀性且减少垫片消耗的综合方法。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一种基于目标场磁约束的谐波无源匀场方法（HPS-TMFC），其创新在于将目标场约束整合到传统谐波优化模型中，建立统一约束框架，包含最大垫片厚度限制、磁场不均匀性边界和目标谐波抑制，从而增强对场均匀性和高阶谐波分量的精确控制。实验在课题组自研的0.2T永磁MRI系统上进行，采用三种方法（基于动态目标场的场驱动无源匀场（DTMF）、基于谐波的无源匀场、HPS-TMFC）进行对比。结果表明，HPS-TMFC实现场不均匀性42.1 ppm（初始值4367.214 ppm），相比谐波方法改善约50%，相比场方法改善13%；所有目标谐波分量均被抑制至2 ppm以下，而场方法存在超过4 ppm的残余谐波；垫片总质量2.7 kg，较谐波方法减少25%，与场方法持平。该研究发表在《Physics Open》上。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术：1）磁场谐波分析：通过球谐函数展开分离谐波分量，确定需要校正的目标谐波（径向阶数1–4、方位角阶数0–4）；2）磁化厚度函数建模：将磁化强度与物理厚度的乘积定义为磁化厚度函数，并展开为正交基函数求和；3）优化模型设计：构建以最小化垫片总质量为优化目标，包含目标场约束、目标谐波约束和垫片厚度范围约束的优化模型，采用增量修正单纯形法求解；4）垫片拓扑离散化：根据优化后的磁化厚度函数生成连续匀场拓扑图，再离散化为可执行的垫片配置。实验样本为课题组自研0.2T永磁MRI系统，磁极面设有11×24个垫片位置，每个位置最大垫片厚度6 mm，采样点共264个（DSV表面11层×24个方位角点）。

**研究结果**
**6.1 被动匀场过程与初始磁场数据**
研究人员在0.2T双平面永磁体上进行被动匀场实验，采用三种方法校正原始磁场。匀场前原始磁场不均匀性为4367.214 ppm，目标谐波分量（如A₁⁰、A₂⁰、B₁¹等）的系数值见表6。

**6.2 HPS-TMFC方法场均匀化结果**
经HPS-TMFC方法匀场后，磁场不均匀性降至42.1 ppm，满足优化目标（50 ppm以内）；所有目标谐波分量均被抑制至2 ppm以下；总垫片质量2.7 kg。

**6.3 方法对比**
通过场驱动匀场、谐波匀场和HPS-TMFC三种方法的对比（图10、表8、表9）：谐波匀场实现谐波抑制但整体不均匀性达84.3 ppm，未达标，垫片消耗3.6 kg（比HPS-TMFC多34%）；场驱动匀场达到48.8 ppm的不均匀性（满足<50 ppm），但部分谐波残余超过4 ppm，垫片消耗2.8 kg；HPS-TMFC综合性能最优。

**6.4 结果分析与讨论**
HPS-TMFC在均匀性、谐波抑制和垫片经济性方面均优于传统方法。被动匀场优化是一个病态问题，不存在唯一解，需在全局场质量、谐波分量和垫片配置之间权衡。HPS-TMFC通过将场约束整合到谐波优化中，建立了包含最大垫片厚度、磁场目标和指定谐波抑制的全面框架，具有可配置性，能针对特定磁体设计要求调整约束，并可在任意形状体积内精确调节场。

**结论**
本研究全面评估了HPS-TMFC方法。实验证实HPS-TMFC实现了42.1 ppm的不均匀性——比谐波方法低50%，比场方法改善13%；所有目标谐波均抑制至2 ppm以下，而场方法存在超过4 ppm的残余谐波；垫片质量较谐波方法减少25%（总计2.7 kg），与场方法持平，这得益于约束优化模型与实际磁场误差分布的精确匹配，有效消除了无效区域的垫片过度布置。此外，HPS-TMFC更稀疏的垫片分布简化了实施并增强了场调谐可控性。综上所述，HPS-TMFC提供了一种全面、高度自适应的解决方案，能精确调节场均匀性和目标谐波，同时最小化垫片部署。