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梯度是MRI中的重要系统，其性能直接影响成像过程和图像质量。梯度性能指标的描述主要以单轴最大梯度场强Gmax和最大梯度切换率SR为主。要注意区分不同梯度场强的物理意义，避免混淆。说起磁共振设备的硬件，有经验的老师最先想到的就是：磁体、梯度系统、射频系统。注：懋式百科全书原创文章并未在搜狐、网易、新浪、趣头条、360个人图书馆、百家号、东方头条发表，也未授权他们转载，如果读者发现很大可能性是机器自动抓取或者人工搬运，也就是说如果这些平台有同样的文章，就是未经授权的非法盗取，如果发现请举报。
毕竟这个是MRI系统的三大硬件，俗称“三大件”。类比于买汽车，汽车基本质量好不好，大家都知道要看（比）三大件：发动机、变速箱、底盘。
同样，对于磁共振成像系统，一个价格在几百万~三千万的设备（不考虑5T和7T，那个价格可能超过4500万），价格的制定和档次的区别主要还是看硬件系统的区别。
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图1：MRI的三大件系统
MRI的三大件主要是：主磁体系统、梯度系统、射频系统。而大家一般讨论最多的是梯度系统的性能指标参数。
主磁体系统是MRI的基础，临床扫描使用的MRI一个最重要的指标就是磁场强度（场强），比如：1.5T、3.0T或超高的7.0T。实际上主磁体的性能参数很多，只不过一般以场强为主。而场强又比较简单，是多少T（特斯拉）的大家都知道。
射频系统也很重要，这个部分大家主要关心的是射频接收系统，也就是接收线圈。讨论比较多的是线圈的单元数（elements）和通道数（channels）。这两个是比较好量化的，大家很少有歧义。而线圈的外形设计，重量也很重要，但是这个用户一般很少纠结，因为厂家给什么线圈，咱们就用什么。
梯度系统对于MRI图像非常重要，梯度系统主要由梯度线圈（Gradient Coil）、梯度放大器、模数转换器、梯度控制器等组成，主要的作用是产生成像所需要的梯度磁场。另外，梯度磁场的变化也会产生磁共振信号，这种信号也就是梯度回波信号。![]()
图2：MRI中的三对梯度线圈
梯度系统对于图像影响非常重要，关于梯度系统的性能指标参数也非常重要，它可以直接决定梯度系统性能优劣和设备的档次。一般评价梯度系统性能的参数主要包括：（最大）梯度场强、梯度切换率。在这里很多老师就有疑问了，因为最大梯度场强和梯度切换率目前是不能通过扫描体模去测量或者验证的。梯度的这些性能是设备出厂前，厂家测试的。这里就需要注意，对于梯度性能参数的描述很重要。先给大家看一个案例。![]()
如图3所示，这是某个MRI设备的白皮书里写的，关于梯度性能（Performance）的描述。
大家可以发现关于梯度性能参数的解释有几个。首先大家看到了Max amplitude per aixs：45mT/m。还有一个Vector amplitude for each aixs：78mT/m。![]()
为了让大家看得清楚，我再把图片发一下，把两个不同的反映最大梯度场强的参数给大家分别标示出来。下面我们来解析，为什么都是最大梯度场强，两个值不同。实际上英文的描述还是比较准确的，第一个：Max amplitude per aixs是指单轴最大梯度场强。现在好多中文的招标参数里面也写的很清楚：最大梯度场强（单轴）。就是怕有些人在这里故意混淆概念或者做文章。
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可以在一个方向施加梯度，也就是开启一对梯度线圈，产生某一个方向的梯度场。也可以同时在两个或者三个方向开启梯度，同时在三个方向产生梯度场。MRI选层，之所以能够任意方向成像，斜断面成像，就是因为梯度线圈可以组合使用。![]()
图7：X、Y、Z三个方向梯度可以进行三个方向选层，组合使用则可以进行任意方向选层对于一个方向来讲，也就是单轴per aix，描述梯度性能的参数主要就是最大梯度场强和梯度切换率。![]()
梯度场强的产生是通过在梯度线圈上通电流产生的。而通电肯定有一个时间，也就是梯度场强的上升阶段，这个时间叫做梯度爬升时间。当梯度场强达到最大值（稳定的最大值）并且保持一个平台，此时的梯度场强叫做最大梯度场强，Maximum Amplitude，代表梯度稳定输出的最大平台值。最大梯度场强（默认是单轴），Gmax，它的单位是mT/m，前面的mT代表毫特斯拉，后面的m表示长度单位米。它的计算公式为：梯度场强（mT/m）=梯度场两端的磁场强度之差÷梯度场有效长度。
梯度爬升时间Rise Time表示梯度场从0到达最大平台值所需要的时间。梯度线圈通电后就会产生梯度磁场，但是这至少需要一点时间，这个时间就是梯度爬升时间。
梯度切换率Slew Rate（SR）是描述梯度场变化快慢的一个指标，表示单位时间内梯度场强的变化量，它的单位是T/m/s。梯度切换率的计算公式为：梯度切换率=最大梯度场强（mT/m）÷爬升时间（ms），理论上得到的单位是mT/m/ms，但是为了方便，一般单位换算为T/m/s。
梯度切换率越高，则达到最大梯度场强所需要的爬升时间越短，梯度所占据的时间窗则越小。
图9：梯度切换率变大，梯度作用时间缩短，成像速度提高
梯度系统性能越好，则爬升时间越短，梯度切换率越大，达到作用梯度所需要的时间越短，成像速度也就越快。这一点对于需要大量使用梯度场的序列尤为重要，比如EPI序列或者3D序列。通过增大梯度切换率可以显著地缩短扫描时间。好了，讲了这个大家清楚，为什么还有一个梯度场强叫做Vector amplitude for each aixs。实际上英文写得很清楚，per echa aixs，也就是三个方向的梯度共同作用，达到的一个综合矢量梯度场强。这是三个方向最大梯度场强的综合作用。
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图10：矢量的概念
梯度线圈有三对，三个正交方向， 分别是X、Y、Z。那么大家学过几何，假设一个几何立方体，其三个边长分别为x、y、z，那么根据力的矢量合力，三个方向作用后的合矢量A。根据矢量计算原则、三角函数和勾股定律，A和x、y、z的关系为：![]()
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三个方向的最大梯度场强值都相同Gmax，所以根据公式2，可以得到：
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这里Gvector代表所谓的最大矢量梯度场强，实际上是三个方向梯度共同作用，都在最大梯度场强综合作用的合矢量效果。由于根号3约等于1.732，所以Gvector≈1.732×Gmax。![]()
图11：最大梯度场强和矢量梯度场强概念辨析
那么我们来计算一下，Gmax=45mT/m，Gvector=45mT/m×1.732≈77.94mT/m。这个结果和显示的Gvector=78mT/m是符合的。验证了科学的说法。
所以，大家在看梯度性能参数的时候，要知道这个梯度场强的值代表什么含义。一般来讲国际白皮书公认的标准是最大梯度强度（Max Amplitude）（这里特指单轴），而计算的最大梯度切换率也是基于最大梯度场强除以梯度爬升时间。而矢量梯度场强，则是把三个方向梯度场叠加综合作用的等效效果。所以，在计算矢量梯度场强的时候，一般值会更大，会大根号3倍。英文描述实际上比较准确，在写矢量梯度值的时候，写的是：Vector amplitude for each aixs，实际上就代表了三个轴同时作用的等效效果。而有些中文则直接简写矢量梯度场强或者直接写个Vector amplitude，不知道的老师可能以为这个就是等于单轴梯度场强Maximum amplitude，容易造成混淆。![]()
如图12，这个描述就比较清楚了，特别说明了是最大的单轴梯度场强，避免和矢量梯度场强混淆。除了矢量梯度场强的概念，还有一个所谓的峰值梯度场强，这个和我们经常讨论的最大梯度场强也是不同的。
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图13、14：梯度场强的辨析
如图13和14所示，理想的梯度是通电后，很快到达最大梯度值并且保持一个平台。而实际上，通电后，由于感生磁场方向和梯度作用方向相反，会有一个涡流产生，所以为了补偿这个涡流，需要额外增加电流。梯度爬升阶段（爬升沿），由于磁场是一个正值，产生的感应磁场是个负值，阻碍梯度场的爬升。反之亦然，下降阶段（下降沿），产生的感应磁场是正值，延缓梯度场的下降。为了补偿涡流的影响，所以在进行梯度场的爬升或者下降阶段，就会考虑到涡流的影响，会对涡流进行补偿。峰值梯度场强一般比最大梯度场强大15%~20%，因为是包含额外预留涡流补偿梯度及为保证功放稳定输出预留15%余量的情况下测得参数。涡流补偿后的梯度，实际上在某个时间点的值是高于最大梯度场强的。这个值被称为所谓的峰值梯度Peak Amplitude。既然叫峰值，就是某一个时间点的值，峰值时间很短，并不能使得梯度场一直保持在这个值。所以理论上峰值梯度场强这个值并没有实际意义和临床意义。![]()
图15：梯度性能参数描述（仅作举例展示）
所以，大家在看梯度场强性能参数的时候，一般以（单轴）最大梯度场强Maximum Amplitude为主，而其他一些所谓的峰值梯度场强Peak Amplitude或者有些描述的Amplitude Performance*临床等效值这些是不太好比较的。比较参数性能一定要在同一个标准，同一个概念来比较。矢量梯度场强是三个梯度（三轴）共同作用的，其值肯定比最大梯度场强（单轴）的值高了不少。所以有些时候如果不清楚，两个梯度性能不是一个概念，去比较是没有意义的。![]()
如果不清楚也可以通过计算来参考值的前后一致性。比如，图14，有两个梯度场强，一个是36mT/m（红色箭头），一个是打了星号的45mT/m（黄色箭头），那么哪个是最大梯度场强呢？实际上可以计算知道，因为这里给了梯度爬升时间Trise=240ms（绿色箭头），而文件里的梯度切换率SR=150T/m/s（蓝色箭头），所以我们就计算嘛。36mT/m÷150T/m/s=0.24s=240ms 符合45mT/m÷150T/m/s=0.3s=300ms 不符合
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上面的公式中，是体素大小（尺寸）的公式，其中和梯度呈反比。梯度场强G越大，其作用时间越长（编码越长），则体素尺寸越小，图像的空间分辨率越高。另外，梯度线性度也是非常重要的，它代表梯度的线性情况。梯度线性部分越大，则成像的最大FOV也就越大；超过了梯度线性部分，则梯度变得不均匀，得到的图像可能会变形或者扭曲。![]()
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MRI的空间定位是靠梯度，梯度如果非线性，则不能准备的定位质子的位置和体素空间一一对应，图像则会形变扭曲。综合以上，一般在描述MRI梯度性能参数的时候，多采用（单轴）最大梯度场强Max Amplitude和梯度切换率SR，描述方式多为“Gmax/SRmax”，其中Gmax的单位一般为mT/m，SRmax的单位一般为T/m/s。所以，一般大家讨论梯度，口语都简化了单位，比如“45/200”，指的是最大梯度场强45mT/m和最大梯度切换率200T/m/s。
还有一个性能参数叫做Gradient Performance，简称GP，不是太常用，反映综合梯度性能的，其公式为：在MRI硬件的发展过程中，梯度性能提高很多，我记得早期我们读书的时候，教材都写的，为了保证安全，梯度性能一般不要同时达到80/200，也就是最大梯度场强80mT/m，最大梯度切换率200T/m/s。当时觉得80/200就是梯度的极限。实际上最近几年，特别是高场和超高场的，梯度性能越来越高。梯度切换率受限主要是考虑控制PNS（周围神经刺激）。而现在最新的一些MRI介观等级的研究，用到的超高场MRI的梯度都非常高了。总结一下本期内容，梯度是MRI非常重要的系统，而梯度性能直接影响MRI的成像过程和图像质量。描述梯度性能的参数比较多，大家要注意不同指标参数的意义，避免混淆。.......................................................................................................
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