下列為梯度磁場隨時間的變化圖（由左至右），何者在梯度磁場結束後（箭號處），產生的渦電流強度最小？

本題觀念：

本題探討磁振造影（MRI）中「梯度磁場（Gradient magnetic field）」切換所引發的渦電流（Eddy current）效應與其補償機制。 根據法拉第電磁感應定律，梯度磁場的快速切換（變化率 $dB/dt$）會在掃描儀周圍的導體（如主磁體腔壁、射頻線圈等）產生渦電流。渦電流會產生與原梯度磁場方向相反的感應磁場，進而干擾主磁場的均勻度與影像品質。 渦電流隨時間呈指數衰減。要減少梯度磁場結束後的殘餘渦電流，梯度波形的設計是關鍵。其中，梯度波形的「零階動差（淨面積）」與「一階動差（時間與振幅乘積的積分）」決定了殘留渦電流的強度。

影像分析：

題目給出四種梯度磁場隨時間變化的波形圖。箭頭處標示了梯度磁場結束的時間點。我們可將梯度的強度視為振幅（如 +1, -1），持續時間視為寬度（如寬度 1, 2）：

• 圖 A：由三個相同寬度的脈衝組成（一負、一正、一負），其波形並未相互對稱抵銷，總淨面積（零階動差）不為 $0$（淨面積 = -1 + 1 - 1 = -1）。
• 圖 B：一個負向脈衝，緊接著一個正向脈衝，為典型的「雙極性梯度波形（Bipolar gradient）」。正負面積相等，淨面積為 $0$。
• 圖 C：一個負向脈衝（寬度1），接續一個兩倍寬的正向脈衝。淨面積不為 $0$（淨面積 = -1 + 2 = +1）。
• 圖 D：一個正向脈衝，間隔一段無磁場的空白期（gap）後，再接續一個負向脈衝。正負面積相等，淨面積為 $0$。

選項分析

在梯度磁場結束後殘留的渦電流，主要受梯度波形的淨面積（零階動差）主導；若淨面積為 $0$，則取決於一階動差：

• 選項 A 與 選項 C：兩者的波形淨面積皆不為 $0$。非平衡式的梯度波形將會在結束後殘留極強的零階渦電流，因此產生的渦電流強度非常大。
• 選項 D：雖然正負波形淨面積為 $0$，但由於中間存在時間間隔（gap），導致第一段正向脈衝激發的渦電流有較多時間衰減。當第二段負向脈衝出現時，兩段脈衝產生的反向渦電流由於時間差較大，無法達到完美的對稱抵銷（即一階動差較大），因此會留下一定程度的殘餘渦電流。
• 選項 B：此為標準的雙極性梯度波形（Bipolar gradient）。其淨面積為 $0$，且正負脈衝緊密相連（gap = 0），這使得正負脈衝所誘發的反向渦電流能在極短的時間內互相疊加並抵銷。由於衰減的時間差最小，其一階動差效應最低，因而在梯度磁場結束後殘留的渦電流強度最小。

答案解析

正確答案為 B。 MRI 序列設計中，為了消除強大梯度切換帶來的渦電流效應，常會使用雙極性梯度（Bipolar gradients）來取代單極性梯度（Unipolar gradients）。其中，正負脈衝越緊密（如圖 B 所示），反向激發的渦電流互相抵銷的效率就越高。相較於帶有間隔的對稱波形（圖 D）以及淨面積不為 $0$ 的波形（圖 A 與圖 C），圖 B 產生的殘餘渦電流強度絕對最小。

核心知識點

1. 渦電流（Eddy Current）：由快速變化的梯度磁場（高 slew rate）所誘發。其強度與變化率成正比，並呈指數衰減。
2. 雙極性梯度（Bipolar Gradient）：透過一正一負、緊密相連的波形設計，使總淨面積為零，能最高效率地利用相反極性的渦電流互相抵銷（Self-compensating），達到「渦電流補償」的目的。

臨床重要性

殘留的渦電流在臨床上最常造成**擴散加權影像（DWI）與擴散張量影像（DTI）使用 Echo Planar Imaging (EPI) 讀取技術時的影像扭曲（Geometric distortion）**及錯位假影（Misregistration artifacts）。在這些序列中，常利用圖 B 這樣的「雙極性擴散梯度（Bipolar diffusion gradients）」來大幅減少渦電流導致的空間扭曲假影。

參考資料

1. Alexander AL, Tsuruda JS, Parker DL. Elimination of eddy current artifacts in diffusion-weighted echo-planar images: the use of bipolar gradients. Magn Reson Med. 1997 Dec;38(6):1016-21.