穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的製作方法

2023-10-05 19:52:29 2

專利名稱：穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的製作方法
技術領域：
穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，屬永磁成像技術，主要涉及成像設備中防止其磁體產生溫漂的方法及所用裝置。
背景技術：
公知永磁核磁共振(MRI)系統是由永久磁性材料提供磁共振成像所需的靜磁場(B0)，靜磁場的不穩定對核磁共振(MRI)成像系統的成像質量有較大的影響，磁共振成像對靜磁場的穩定性要求比較嚴，低場一般要求4ppm/h左右。但是，目前的磁性材料隨溫度變化比較大，對於經常使用的銣鐵硼材料，大約是1000ppm/℃。這樣就要求磁體的溫度穩定性要非常好。在MRI成像過程中，梯度線圈中會有很大的電流流過，由於梯度線圈中的電阻存在，因而會發熱。如果假定掃描過程中梯度線圈中的平均電流為15A，梯度線圈的電阻為0.4Ω，則此梯度線圈的發熱功率為P＝I2×R＝152×0.4＝90(W)，由於成像過程中有三個梯度線圈，因此總的發熱功率為3×90＝270瓦。這就是說，在成像過程中有一個270瓦的加熱器在工作，因而會使磁體產生溫漂。
目前主要採用散熱來解決這個問題，方法有多種，比如風冷法、水冷法、油冷法，既可以密閉內部循環，也可以在外部循環並加入製冷設備。但是這許多方法中都存在一個比較難解決的問題，這個問題就是梯度線圈的發熱量與成像過程中的脈衝序列有關，並且梯度線圈發熱對磁體的影響有滯後效應。這樣就要求散熱量的大小應可以靈活控制並與運行的脈衝序列相關，這種控制在實際操作中是很難實現的。如果控制不好，這種方式的效果就要差很多了。
電加熱是在磁體上附加熱源，用提高磁體溫度控制磁體成像工作中的溫度變化，也是目前應用較多的一種方法，有多個加熱帶和多個傳感器，根據傳感器探測到的磁體溫度來控制加熱帶，使加熱帶發出的熱量不同。這是另一途徑對磁體熱交換關係的調節，可以很好的解決環境溫度對磁體溫度的影響，也收到一定效果，但對解決梯度線圈發熱對磁體溫度的影響效果不是很好，原因是加熱帶/傳感器和梯度線圈不可能在同一位置，熱的傳導需要一定的時間(整個磁體十幾噸至二十幾噸)，而梯度線圈在成像過程中是一會兒加熱一會兒不加熱，加熱帶/傳感器很難跟上這個步伐，有時還會起一定的反作用。而且需要附加多種設施以及相應有控制手段。

發明內容
本發明的目的是，提供穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，使成像系統避免磁體由於梯度線圈發熱而產生的溫漂。要解決的技術問題是提出穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的技術方案。
本發明方法部分的具體內容是，穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法包括，以附加溫度調節介入永磁成像中磁體的熱交換系統，其中，所述附加溫度調節是，在成像工作之前、梯度線圈中，附加以成像工作電流的等效電流為準的預置電流，對梯度線圈進行升溫預調，使梯度線圈處於或接近、並保持大多數、正常成像、且不採取其它溫度調節措施、正常工況條件下的線圈溫度，即，使工作準備狀態的線圈提前適度升溫，直到呈現、並保持與工作線圈在無人工溫度調節、正常工況條件下的工作溫度，等待成像工作的開始；在成像工作開始後的整個成像過程，停止預調，線圈中僅有成像的工作電流，且無其它人工熱調節因素介入；成像完成後，恢復預調，進入線圈後續成像的待工作狀態。
這樣，以附加的預調提前介入永磁成像中線圈的熱交換系統，使其已處於應有的工作溫度或其臨近狀態，就有可能在梯度線圈因成像升溫之前已經完成升溫，使其處於應有的工作溫度或其臨近狀態，在工作之中，成像工作是處於工作升溫後的穩定狀態。由於梯度線圈此前的溫度與其一致或接近，所以儘管處於工作與非工作的兩種狀態，但其溫度在成像過程中卻沒有或少有變化；在梯度線圈有溫度變化的升溫階段，磁體並不處於工作狀態。也就是說，本方法並未簡單追求梯度線圈本身的溫度穩定，而是改變了不穩定溫度發生的時間段，並且阻止梯度線圈在成像工作停止之後的溫度回降，消除了溫度再次變化的前提與基礎，保持或基本保持了對磁體溫度穩定或比較穩定的影響。
電流是使電導線圈產生熱能的一種簡單方便的能源型式，就在原工作電路、通入與工作電流等效的電流，是使梯度線圈達到、或接近工作狀態正確合理與直接的方法。其維持的溫度也自然是、或接近成像的工作溫度，也就不會再有溫度變化，或不會再有顯著的溫度變化；直接由產生溫升的梯度線圈實現自身的升溫預調，其結果更貼近梯度線圈的實際成像溫升，也就是，更貼近磁體的工作狀態，使預置的溫升更準確、更有效，其模擬的過程也應該更加簡捷。從而實現了本發明目的中方法部分的內容，解決了為減少梯度線圈發熱致使磁體產生溫漂影響所提出的技術問題。
本發明所述成像工作過程中，應當記錄與計算成像全過程的梯度線圈工作電流發熱量，比較此發熱量與預置電流同期產生的供熱量，以其差值對溫度預調進行糾正或補償。
供熱量與實時發熱量的比較是對預置與實時之間差異較為準確的反應，糾正與補償是反饋理應發生的結果。
本發明所述補償是按所述差額、以恢復預置狀態為目標所進行的恢復性補償，即將成像完成時的線圈狀態恢復為預置狀態。以糾正後的補償預置電流、在補償時間段進行補償。補償預置電流補償了供、發熱量間的差額，使磁體又重新回到預置完成後的狀態，梯度線圈進入待工作狀態。
本發明方法的工作程序如下，1開機啟動軟體；2發送指令使「提供可控電壓裝置」輸出一個固定電壓V0，等待成像指令；3接收到輸入設備發出的成像指令；4發送指令使「提供可控電壓的裝置」輸出電壓為零電壓；5調用正常成像程序進行掃描成像；6計算在掃描過程中梯度線圈的發熱量和需要補償的電壓V1及時間T1；7發送指令使「提供可控電壓的裝置」輸出補償電壓V1並持續時間間隔T1；8重複前述第2步程序，發送指令使「提供可控電壓的裝置「輸出固定電壓V0；等待第3步程序啟動。這是具體執行上述方法的工作程序與具體步驟。
實現本發明方法的設備是，穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置包括，計算機主機，與主機相聯、接受計算機指令的核磁共振成像譜儀，接受成像譜儀輸出的梯度放大器，對梯度放大器輸出進行濾波的穿透板，與穿透板相連、緊挨磁體的梯度線圈。同時，還設有接受並執行計算機指令、輸出端與梯度放大器相聯、控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置。
控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置，可以執行本發明中的對非掃描時間時的梯度線圈中流過電流的控制，經梯度放大器為梯度線圈提供預置電流與補償預置電流，計算機的輸出指令則可以依需要控制可控電壓裝置的輸出。從而實現本發明方法對永磁成像系統中磁體溫度的穩定調節，實現了發明目的中關於設備部分的內容，解決了為此所提出的技術問題。
本發明所述可控電壓裝置包括，與計算機相聯的通信串口，與串口相聯的微處理器，與微處理器輸出端相聯的D/A轉換器，與轉換器輸出端相聯的模擬放大器。這是一種可控電路，以實現按接收的指令，最終實現對梯度線圈內的電流的控制。
本發明以事先由預置升溫的溫度預調，轉移了梯度線圈升溫與成像的時間關係，並進一步阻止了梯度線圈在成像完成後的溫度回降，自預調開始之後，就消除了梯度線圈在工作與非工作溫度之間，再次發生變化的前提與基礎，以工作溫度或接近工作溫度的狀態，保持或基本保持了梯度線圈，對磁體溫度穩定或比較穩定的影響。以梯度線圈成像工作等效電流對自身加熱，用工作溫升的同樣途徑介入了梯度線圈的熱交換過程，避免另外附加溫度調節系統的重複設置，也簡化了對溫度預置電流的控制。先預設或先依據統計分析預置電流，並輔以實時記錄後的比較、與按比較後的差額對預置進行修正，可使預置趨向準確，與實時成像最頻繁出現的過程相一致。對預置進行恢復性補償可以簡便地維持梯度線圈的預置溫度的穩定。在永磁核磁共振成像梯度線圈相關設備中，簡單增加的可控電壓裝置，則將實施該方法的裝置變為現實。方案構思合理巧妙獨到、方法簡便易行、效果顯著可靠。


圖1為穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的結構示意圖；圖2為本發明實施例1的測試結果對比圖；圖3是提供可控電壓的裝置(7)的原理框圖，可以比較容易的現；圖4是與預置電流法相關的計算機軟體的流程圖。
圖中1-磁體 2-梯度線圈 3-射頻線圈 4-梯度放大器 5-MRI成像譜儀 6-計算機主機 7-提供可控電壓的裝置 8-穿透板工作原理1.工作時，首先依據統計資料，選取梯度線圈中流過的電流為I0，由計算機控制在成像之前，對梯度線圈和磁體預先加熱，待磁體停止升溫時仍以該電流維持之，並進入梯度線圈的待工作狀態，成像開始時(t1時刻)，由計算機控制切斷預置升溫電流，開始成像部分的工作。
2.成像完成後，記錄此時的時間為t2，根據成像使用的脈衝序列計算出梯度線圈中流過的電流I(t)，進而根據W=t1t2I2(t)Rdt]]>計算出梯度線圈在成像過程中的發熱量；3.計算熱量差W=t1t2I2(t)Rdt-I02R(t2-t1)]]>4.給梯度放大器加一個恆定電壓，使梯度線圈中流過恆定電流為I1，使I1的值滿足如下關係(I12-I02)R(t3-t2)=-W]]>5.過了時刻t3，使梯度線圈中的電流為I0，準備進行下一次的成像。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
第一實施例是一臺常規的MPF3000-I永磁核磁共振成像設備，只是在常規設備中加入接受計算機輸出指令、提供控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置。如圖1-圖4。該裝置的結構原理框圖如圖三所示，它通過串口與計算機主機相連，接受計算機的指令，翻譯該指令並輸出一個數據，該數據經過D/A轉換器轉換成模擬電壓，再通過模擬放大器將此電壓值放大到合適的電平值，該電平值直接輸入到梯度放大器的輸入端，就可以在梯度放大器的輸出端提供梯度線圈所需要的電流輸出。
本例設備的工作過程如下1.首先，在沒有對梯度線圈加熱的狀態下進行模擬成像掃描，記錄每個時間段的核磁共振系統頻率值；2.其次，在對梯度線圈加熱的狀態下進行模擬成像掃描；3.系統開機後，依據統計資料，計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7產生一個恆定電壓3.4V，該電壓經過梯度放大器4給梯度線圈2提供一個11A的恆定電流，溫度穩定後隨時準備掃描；4.接受到開始成像掃描的指令；5.計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7輸出電壓為零；6.開始成像，成像過程中計算機主機6控制核磁共振成像譜儀5產生需要的脈衝序列；7.成像完成後，核磁共振成像譜儀5不再產生脈衝序列，計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7產生3.4V的恆定電壓使梯度線圈2中產生的電流為11A；8.模擬醫院的實際運行周而復始的重複3至7，記錄每個時間段的核磁共振系統頻率值。
圖2為兩種情況下測試結果的對比，曲線1是沒有對梯度線圈加熱的狀態下進行模擬成像掃描時紀錄的系統頻率值數據，曲線2是有梯度線圈加熱的狀態下進行模擬成像掃描時紀錄的數據。從圖中可以看出，進行梯度線圈控制加熱時，MRI系統的頻率漂移峰值從3300Hz下降到1800Hz。
本例中只是以預置電流對梯度線圈進行了預置升溫，沒有進行成像之後的補償，但已可從圖2中看到頻率的變化在明顯減小的效果。
第二實施例1.實施例二是在實施例一的基礎上對梯度線圈中的預置電流進行動態調整，也就是進行補償。下面對工作過程進行描述系統開機，啟動軟體；2.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產生一個恆定電壓3.4V，該電壓經過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個11 A的恆定電流，溫度穩定後等待成像指令；3.接受到開始掃描成像的指令，記錄此刻時間t1；4.主機發送指令使提供可控電壓的裝置(7)產生零電壓；5.開始進行掃描成像，假設成像的脈衝序列為SE2D，成像時間為t2-t1＝180秒，梯度線圈的電阻為R＝1.5Ω；6.成像完成後，記錄此時的時間為t2，根據成像使用的SE2D脈衝序列計算出梯度線圈中流過的電流I(t)，進而根據W=t1t2I2(t)Rdt]]>計算出梯度線圈在成像過程中的發熱量；7.計算熱量差W=t1t2I2(t)Rdt-I02R(t2-t1)]]>
8.可以計算出ΔW＝27070-32670＝-5600(焦耳)按(I12-I02)R(t3-t2)=-W]]>的關係，給梯度放大器加一個恆定電壓，使梯度線圈中流過恆定電流I1其中設定t3-t2＝40秒由(I12-I02)R(t3-t2)=-W]]>計算出I1＝14.64A9.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產生一個恆定電壓4.52V，該電壓經過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個14.64A的恆定電流，經過40秒後；10.再使梯度線圈中流過的電流為11A。此後隨時可以進行下一次的成像。
11.再次接受到開始進行掃描成像的指令；12.主機(6)發送指令使提供可控電壓的裝置(7)產生零電壓；13.開始進行掃描成像，假設成像序列是FSE2D，成像時間是248秒；14.根據FSE2D脈衝序列可以計算出ΔW＝53568-45012＝8556(焦耳)設定t3-t2＝60秒由(I12-I02)R(t3-t2)=-W]]>計算出I1＝5.1A15.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產生一個恆定電壓1.58V，該電壓經過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個5.1A的恆定電流，經過60秒後；16.再使梯度線圈中流過的電流為11A。此後隨時可以進行下一次的成像。
可以看出運行SE2D脈衝序列時，梯度線圈的發熱量要少於預置的發熱量，因而需要正向補償(14.64A＞11A)。運行FSE2D脈衝序列時，梯度線圈的發熱量要多於預置的發熱量，需要進行反向補償(5.1A＜11A)。
運行不同的脈衝序列時梯度線圈的發熱量確實不同，實施例2針對不同的脈衝序列進行了不同的補償，在上面的例子中根據脈衝序列的不同施加了11A、14.64A、5.1A三種電流。而實施例1不管運行什麼樣的脈衝序列，只是在不成像時間段加一個固定11A的恆定電流，但已經有明顯的效果。本例的14.64A是由於熱量比較為負號，表明此前具體成像工作電流偏小，因而未能維持初始磁體的工作溫度，以較預置的11A更大的電流14.64A補償加熱，使溫度重新回到預置狀態；第二次比較結果為正，表示此前工作電流較預置值大，會提升磁體溫度，因此以較小的5.1A反向補償，在其經過60秒後，溫度回歸，再接續初始預置的待工作狀態。這樣做的結果會使磁體以恆定的初始狀態，進入待工作階段，控制了磁體的溫度波動。可以預見，實施例2的效果顯然要比實施例1好很多。
權利要求
1.穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，包括以附加溫度調節介入永磁成像中磁體的熱交換系統，其特徵在於所述附加溫度調節是，在成像工作之前，在梯度線圈中，附加以成像工作電流的等效電流為準的預置電流進行升溫預調，使梯度線圈處於或接近、並保持大多數、正常成像、且不採取其它溫度調節措施、正常工況條件下的線圈溫度，即，使工作準備狀態的線圈提前適度升溫，直到呈現、並保持與工作線圈在無人工溫度調節、正常工況條件下的工作溫度，等待成像工作的開始；在成像工作開始後的整個成像過程，停止預調，線圈中僅有成像的工作電流，且無其它人工熱調節因素介入；成像完成後，恢復預調，進入線圈後續成像的待工作狀態。
2.如權利要求1所述穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特徵在於所述成像工作過程中，應當記錄與計算成像全過程的梯度線圈工作電流發熱量，比較此發熱量與預置電流同期產生的供熱量，以其差值對溫度預調進行糾正或補償。
3.如權利要求2所述穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特徵在於所述補償是按所述差額、以恢復預置狀態為目標所進行的恢復性補償，即將成像完成時的線圈狀態恢復為預置狀態的補償。
4.如權利要求1、2或3所述穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特徵在於所述方法的工作程序如下，①開機啟動軟體；②發送指令使「提供可控電壓裝置」輸出一個固定電壓V0，等待成像指令；③接收到輸入設備發出的成像指令；④發送指令使「提供可控電壓的裝置」輸出電壓為零電壓；⑤調用正常成像程序進行掃描成像；⑥計算在掃描過程中梯度線圈的發熱量和需要補償的電壓V1及時間T1；⑦發送指令使「提供可控電壓的裝置」輸出補償電壓V1並持續時間間隔T1；⑧重複前述第2步程序，發送指令使「提供可控電壓的裝置」輸出固定電壓V0；等待第3步程序啟動。
5.實現如權利要求1所述穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法的裝置是，穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置，包括計算機主機，與主機相聯、接受計算機指令的核磁共振成像譜儀，接受成像譜儀輸出的梯度放大器，對梯度放大器輸出進行濾波的穿透板，與穿透板相連、緊挨磁體的梯度線圈；其特徵在於還設有接受並執行計算機指令、輸出端與梯度放大器相聯、控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置(7)。
6.如權利要求5所述穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置，其特徵在於所述可控電壓裝置包括，與計算機相聯的通信串口，與串口相聯的微處理器，與微處理器輸出端相聯的D/A轉換器，與轉換器輸出端相聯的模擬放大器。
全文摘要
穩定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，屬永磁成像技術，為使成像系統免受磁體由於梯度線圈發熱而產生溫度的影響。以事先由預置升溫的溫度預調，將梯度線圈升溫過程提前到成像開始之前，並阻止其在成像完成後的溫度回降，消除了此後在工作與非工作溫度之間，再次發生變化的前提與基礎，以工作溫度或接近工作溫度的狀態，保持或基本保持了梯度線圈，對磁體溫度穩定或比較穩定的影響。以梯度線圈成像工作等效電流對自身加熱，避免調節的重複設置，簡化預置電流控制。依據熱量差額的反饋修正，可以維持穩定的預調狀態。簡單增加的可控電壓裝置(7)即可製成本方法的實施裝置。方案構思合理巧妙獨到、方法簡便易行、效果顯著可靠。
文檔編號G01R33/38GK101017195SQ20061013971
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月22日 優先權日2006年9月22日
發明者劉景順, 吳葛銘, 連建宇 申請人:新奧博為技術有限公司