看一下射頻脈沖的特點及形狀分類

今天和大家看一下射頻脈沖的特點，射頻脈沖中對磁共振起作用的是RF波的磁場分量B1,即射頻場，且施加的RF波只持續(xù)很短的時間，B1是個振蕩的磁場,它是由振蕩電磁波的磁場分量激勵的,而且射頻場B1的磁場強(qiáng)度比主磁場B0小很多，產(chǎn)生磁共振的條件中,RF波的頻率必須等于處于主磁場磁場B0中磁性原子核，如氫核的進(jìn)動頻率ω(即拉莫爾頻率),但同時對RF波的施加方向也有所要求,即電磁波(RF波)中磁化矢量B1必須垂直于B0,而且由于旋磁比不同的原子核,其拉莫爾頻率ω的方向可能與靜磁場B0方向相同或者相反,這就決定了用如何旋轉(zhuǎn)的射頻磁場,比如質(zhì)子,拉莫爾頻率方向與B0相反,即質(zhì)子將繞著主磁場B0順時針方向旋進(jìn),應(yīng)該加左旋RF磁場,而氦原子核(He)拉莫爾頻率方向與B0相同,應(yīng)該加右旋RF磁場，在磁共振成像中,磁性原子核位于z軸方向靜磁場B0時,射頻脈沖的作用是翻轉(zhuǎn)縱向磁化矢量Mz,使之偏離z軸方向并在xy平面內(nèi)產(chǎn)生分量Mxy,磁共振信號就是通過檢測Mxy得到的，這過程中翻轉(zhuǎn)角就是在射頻場B1施加后，縱向磁化矢量偏離z軸方向至xy平面的角度，例如90°射頻脈沖會使縱向磁化矢量完全翻轉(zhuǎn)到xy平面內(nèi),而小于90°射頻脈沖會使縱向磁化矢量部分翻轉(zhuǎn)到xy平面內(nèi)。

在射頻脈沖中還有射頻脈沖的形狀，下面就是一些脈沖形狀的分類：

01

矩形脈沖

矩形脈沖又稱硬脈沖( Hard Pulse),時域上形為RECT函數(shù)(下圖)。幅度隨時間變化的或具有一定形狀的脈沖則稱為軟脈沖。在不需要空間或頻率選擇性的情況下,硬脈沖很適用因為其脈寬可以很短。硬脈沖一般不需要梯度配合,且?guī)捄艽?可以覆蓋很寬的共振頻率。

因為通常的成像序列都需要頻率或空間選擇性,硬脈沖實際很少使用。但在3D成像中如果成像體積包括整個線圈敏感區(qū)域,可以使用硬脈沖，因為最大特點就是持續(xù)時間短。幾個硬脈沖聯(lián)在一起可組成有頻率選擇性的“組合脈沖”。硬脈沖也可用于磁化傳遞( Magnetization Transfer,MT)但通常也要適當(dāng)加窗,實際應(yīng)用中,由于硬脈沖波形在邊沿不連續(xù),會使RF放大器產(chǎn)生的波形失真。此時可在硬脈沖上加窗,比如用半正弦形或梯形波形效果更好。

02

SINC脈沖

SINC脈沖廣泛用于選擇性激發(fā)脈沖,飽和脈沖和重聚脈沖。SINC脈沖由中心主瓣和若干旁瓣組成,主瓣幅度最高,寬度是旁瓣兩倍。旁瓣幅度向兩側(cè)依次遞減,且正負(fù)交錯。

【SINC脈沖示意與層面輪廓】

通過對RF波形做傅立葉變換,可近似得到RF的頻率響應(yīng)。而無限長的SINC函數(shù)的傅立葉變換正是RECT函數(shù),它具有很好的選層特性。實際應(yīng)用中,SINC脈沖只截取主瓣和兩邊幾個旁瓣。通常旁瓣越多,越接近理想頻響。但同時也増加脈沖時長,進(jìn)而增加回波時間(TE)和重復(fù)時間(TR),也會增加流動和偏共振( off-resonance)的影響。通常SINC脈沖上加窗可減小截短產(chǎn)生的影響并能使選層邊緣更平滑。

左右邊瓣數(shù)量留取的不一樣可形成非對稱SINC脈沖。如要減小TE時間,可減少甚至不要右側(cè)的邊瓣。

在MRI上,SLR脈沖因其具有更好的選層特性,常用來取代SINC脈沖，但SINC脈沖易于實現(xiàn),且用于小角度激發(fā)時與SLR脈沖所差無幾,所以也很常用。

SINC重聚脈沖，bloch方程在翻轉(zhuǎn)角大于90度時表現(xiàn)很不線性,但SINC脈沖確能產(chǎn)生有效的重聚效果。其中一個原因是180脈沖兩邊常伴有”損毀梯度”，這樣它產(chǎn)生的選層輪廓是小角度激發(fā)輪廓的平方,下圖是120度SINC脈沖分別作為激發(fā)脈沖和重聚脈沖(有損毀梯度)時的選層輪廓。

兩者皆用前向SLR變換得到。圖中可以看到重聚脈沖選層輪廓沒有邊瓣,只要損毀梯度存在的情況下,即使翻轉(zhuǎn)角大到180度,也仍無邊瓣。一般平方后得到的輪廓寬度更尖更窄,邊瓣更小。因此如果在自旋回波序列中用兩個形狀一樣的SINC脈沖分別作為激發(fā)和重聚脈沖,重聚脈沖的選層梯度要減小25-40%,以補(bǔ)償脈沖選層輪廓變窄的影響，因此當(dāng)SINC作為重聚脈沖時，帶寬變小，選層梯度必須相應(yīng)減小以保持預(yù)定層厚。

03

SLR脈沖

給定選層RF脈沖和磁化向量初始方向,解 bloch方程就可得到MxMy和Mz，這個過程比較直觀,且解是確定的。但反過來,給定選層輪廓和初始條件,如何求RF波形就不那么直觀了。對于小角度激發(fā),對選層輪廓進(jìn)行傅立葉逆變換,就能近似的得到RF波形。但由于 bloch方程的非線性性,這一方法不適用于超過30°-90°的大角度激發(fā)。這時,雖可用一些數(shù)值優(yōu)化算法來求RF波形(如優(yōu)化控制理論),但計算時間很長,指定脈沖參數(shù)也不方便。Shinnar- Le Roux(SLR)算法可以不用迭代計算而直接有效的解決這一問題。亦可輕松指定RF參數(shù),如射頻帶寬,射頻時長,翻轉(zhuǎn)角,通帶阻帶紋波大小等。在RF波形生成前設(shè)計者可以權(quán)衡不同參數(shù),找出方案。SLR方法在設(shè)計非絕熱脈沖方法應(yīng)用廣泛。小角度硬脈沖近似是說任何軟脈沖(有一定形狀的脈沖)B1可以用一系列小角度硬脈沖來近似，硬脈沖數(shù)量越多,近似越精確。從RF脈沖變換成兩個復(fù)多項式的過程叫前向SLR變換。而給定兩個復(fù)多項式求RF脈沖的過程叫逆向SLR變換.SLR脈沖設(shè)計過程簡要的說就是,根據(jù)理想選層輪廓找到兩個復(fù)多項式,再通過逆向SLR變換得到RF波形。

這里面可以看出來雖然一個射頻脈沖，它還是及其復(fù)雜的，3D時是什么射頻脈沖，MT時是什么射頻脈沖以及在非絕熱脈沖中是何脈沖。