看一下射频脉冲的特点及形状分类

今天和大家看一下射频脉冲的特点，射频脉冲中对磁共振起作用的是RF波的磁场分量B1,即射频场，且施加的RF波只持续很短的时间，B1是个振荡的磁场,它是由振荡电磁波的磁场分量激励的,而且射频场B1的磁场强度比主磁场B0小很多，产生磁共振的条件中,RF波的频率必须等于处于主磁场磁场B0中磁性原子核，如氢核的进动频率ω(即拉莫尔频率),但同时对RF波的施加方向也有所要求,即电磁波(RF波)中磁化矢量B1必须垂直于B0,而且由于旋磁比不同的原子核,其拉莫尔频率ω的方向可能与静磁场B0方向相同或者相反,这就决定了用如何旋转的射频磁场,比如质子,拉莫尔频率方向与B0相反,即质子将绕着主磁场B0顺时针方向旋进,应该加左旋RF磁场,而氦原子核(He)拉莫尔频率方向与B0相同,应该加右旋RF磁场，在磁共振成像中,磁性原子核位于z轴方向静磁场B0时,射频脉冲的作用是翻转纵向磁化矢量Mz,使之偏离z轴方向并在xy平面内产生分量Mxy,磁共振信号就是通过检测Mxy得到的，这过程中翻转角就是在射频场B1施加后，纵向磁化矢量偏离z轴方向至xy平面的角度，例如90°射频脉冲会使纵向磁化矢量完全翻转到xy平面内,而小于90°射频脉冲会使纵向磁化矢量部分翻转到xy平面内。

在射频脉冲中还有射频脉冲的形状，下面就是一些脉冲形状的分类：

01

矩形脉冲

矩形脉冲又称硬脉冲( Hard Pulse),时域上形为RECT函数(下图)。幅度随时间变化的或具有一定形状的脉冲则称为软脉冲。在不需要空间或频率选择性的情况下,硬脉冲很适用因为其脉宽可以很短。硬脉冲一般不需要梯度配合,且带宽很大,可以覆盖很宽的共振频率。

因为通常的成像序列都需要频率或空间选择性,硬脉冲实际很少使用。但在3D成像中如果成像体积包括整个线圈敏感区域,可以使用硬脉冲，因为最大特点就是持续时间短。几个硬脉冲联在一起可组成有频率选择性的“组合脉冲”。硬脉冲也可用于磁化传递( Magnetization Transfer,MT)但通常也要适当加窗,实际应用中,由于硬脉冲波形在边沿不连续,会使RF放大器产生的波形失真。此时可在硬脉冲上加窗,比如用半正弦形或梯形波形效果更好。

02

SINC脉冲

SINC脉冲广泛用于选择性激发脉冲,饱和脉冲和重聚脉冲。SINC脉冲由中心主瓣和若干旁瓣组成,主瓣幅度最高,宽度是旁瓣两倍。旁瓣幅度向两侧依次递减,且正负交错。

【SINC脉冲示意与层面轮廓】

通过对RF波形做傅立叶变换,可近似得到RF的频率响应。而无限长的SINC函数的傅立叶变换正是RECT函数,它具有很好的选层特性。实际应用中,SINC脉冲只截取主瓣和两边几个旁瓣。通常旁瓣越多,越接近理想频响。但同时也増加脉冲时长,进而增加回波时间(TE)和重复时间(TR),也会增加流动和偏共振( off-resonance)的影响。通常SINC脉冲上加窗可减小截短产生的影响并能使选层边缘更平滑。

左右边瓣数量留取的不一样可形成非对称SINC脉冲。如要减小TE时间,可减少甚至不要右侧的边瓣。

在MRI上,SLR脉冲因其具有更好的选层特性,常用来取代SINC脉冲，但SINC脉冲易于实现,且用于小角度激发时与SLR脉冲所差无几,所以也很常用。

SINC重聚脉冲，bloch方程在翻转角大于90度时表现很不线性,但SINC脉冲确能产生有效的重聚效果。其中一个原因是180脉冲两边常伴有”损毁梯度”，这样它产生的选层轮廓是小角度激发轮廓的平方,下图是120度SINC脉冲分别作为激发脉冲和重聚脉冲(有损毁梯度)时的选层轮廓。

两者皆用前向SLR变换得到。图中可以看到重聚脉冲选层轮廓没有边瓣,只要损毁梯度存在的情况下,即使翻转角大到180度,也仍无边瓣。一般平方后得到的轮廓宽度更尖更窄,边瓣更小。因此如果在自旋回波序列中用两个形状一样的SINC脉冲分别作为激发和重聚脉冲,重聚脉冲的选层梯度要减小25-40%,以补偿脉冲选层轮廓变窄的影响，因此当SINC作为重聚脉冲时，带宽变小，选层梯度必须相应减小以保持预定层厚。

03

SLR脉冲

给定选层RF脉冲和磁化向量初始方向,解 bloch方程就可得到MxMy和Mz，这个过程比较直观,且解是确定的。但反过来,给定选层轮廓和初始条件,如何求RF波形就不那么直观了。对于小角度激发,对选层轮廓进行傅立叶逆变换,就能近似的得到RF波形。但由于 bloch方程的非线性性,这一方法不适用于超过30°-90°的大角度激发。这时,虽可用一些数值优化算法来求RF波形(如优化控制理论),但计算时间很长,指定脉冲参数也不方便。Shinnar- Le Roux(SLR)算法可以不用迭代计算而直接有效的解决这一问题。亦可轻松指定RF参数,如射频带宽,射频时长,翻转角,通带阻带纹波大小等。在RF波形生成前设计者可以权衡不同参数,找出方案。SLR方法在设计非绝热脉冲方法应用广泛。小角度硬脉冲近似是说任何软脉冲(有一定形状的脉冲)B1可以用一系列小角度硬脉冲来近似，硬脉冲数量越多,近似越精确。从RF脉冲变换成两个复多项式的过程叫前向SLR变换。而给定两个复多项式求RF脉冲的过程叫逆向SLR变换.SLR脉冲设计过程简要的说就是,根据理想选层轮廓找到两个复多项式,再通过逆向SLR变换得到RF波形。

这里面可以看出来虽然一个射频脉冲，它还是及其复杂的，3D时是什么射频脉冲，MT时是什么射频脉冲以及在非绝热脉冲中是何脉冲。