一種磁共振成像系統中減小梯度線圈渦流的方法

2023-07-09 07:12:31 1

專利名稱：一種磁共振成像系統中減小梯度線圈渦流的方法
技術領域：
本發明涉及核磁共振成像(MRI)系統，具體地說是一種MRI系統中減小梯度線圈渦流的方法。
背景技術：
目前MRI系統的發展方向是提高成像速度，以最短的時間獲得具有優良解析度、信噪比和所需特徵對比度的圖像。在MRI系統中，對樣品空間定位的過程是通過在成像序列中施加頻率編碼和相位編碼的梯度磁場來實現的。理論上為了使空間位置與頻率和相位之間有良好的對應關係，要求梯度磁場的波形必須是已知的。可是由於系統中有金屬部件，例如超導磁體外殼、永磁體極板、線圈和框架等(圖1)。這類部件在梯度磁場(例如矩形波形)的上升沿和下降沿的突變過程中，均會在其金屬內部產生渦流。渦流的存在使成像區的實際梯度場變為激發梯度磁場和渦流產生磁場的合成，導致上升沿變緩、下降沿拖長。用這樣的梯度場進行編碼，會使樣品空間定位線性變差，使系統產生的圖像發生畸變和偽影等失真現象。而且渦流的影響使得系統很難縮短回波時間，同時渦流的衰減需要較長的時間，因此，即使採用很耗時的增加累加次數的方法，也難以獲得好的解析度和信噪比，更難以獲得好的特徵對比度。因此，MRI系統要想獲得高質量的圖像，必須解決好渦流問題。
為了消除或減小渦流的影響，通常採用三種方法抗渦流板、梯度波形預加重和自屏蔽梯度線圈的方法。這三種方法雖然在一定程度上減小了渦流的影響，有些效果還不錯，但是它們都在其它方面付出較大的代價。
抗渦流板是由高電阻率材料製成的，可以在一定程度上減小渦流，若在板上刻槽可以進一步阻礙渦流的形成。但是渦流板有一定厚度，即佔用一定的磁極空間，致使成像時留給病人使用的空間減小。換句話說，為了保證病人成像時的空間(一般在永磁體成像儀中，該空間的高度為40釐米左右)，磁極的間距要加大，整個磁體的體積也要相應增大，從而導致磁體的製作成本上升。而且由於加工工藝的限制，抗渦流板不能將主磁體與梯度線圈完全隔離，因此板的邊緣(永磁體的勻場環)附近和覆蓋不到的地方渦流很大。
梯度波形預加重是通過電流過驅動的方法來減小渦流所產生的影響的。梯度場的上升/下降沿由於受到渦流的影響而變緩，若線圈所通電流比需要的大一些，待梯度場達到要求後電流再減小，這樣就可以縮短上升/下降沿所佔的時間。但是這種方法只能在一定程度上補償與原梯度場具有相同空間特徵的渦流磁場(即渦流場的線性項)，而對於非線性項則不能處理。預加重的另一個缺點是對梯度功放的要求高。電流過驅動時所需電流比正常工作時所需電流大許多，因此要求梯度功放有能力提供更大的電流，同樣會導致整個成像系統的成本上升。
自屏蔽線圈是在梯度線圈的外面加一組電流方向與其相反的線圈，使成像區域的梯度場滿足設計需要，而屏蔽線圈以外的區域梯度為零。儘管自屏蔽線圈具有許多優點，然而其缺點也是非常明顯的。首先，由於屏蔽線圈與主線圈的電流方向相反，要在成像區域產生同樣的梯度，所需的電流要比非屏蔽線圈大許多，對梯度功放的電流輸出要求較高。其次，由於自屏蔽線圈是由主線圈和屏蔽線圈兩組線圈組成，佔用了更多的磁極空間。實際使用中要保證一定的磁極空間，就必須採用更大的主磁體，從而導致磁體製作成本增加。最後，因為它由兩個線圈來代替常規的單線圈，其直流電阻比較大，所以在成像過程中梯度線圈本身的溫升比較顯著。對於永磁體系統來說，溫度的恆定是獲得高質量圖像的前提條件。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足，為MRI系統提供一種減小渦流的方法，它通過減小梯度線圈的直徑來減小線圈產生的渦流，並可保證其線性區域即成像空間基本不變。
本發明的目的是這樣實現的一種磁共振成像系統中減小梯度線圈渦流的方法，它是通過減小Z梯度線圈的直徑來減小梯度線圈產生的渦流並通過改變Z梯度線圈繞線方式保證成像空間不變，具體要求是Z梯度線圈的直徑至少縮減到抗渦流板直徑的0.77倍，且又要大於抗渦流板直徑的0.65倍；Z梯度線圈繞線方式是線圈繞線8-16圈，分內圈和外圈，內圈繞一圈，外圈最裡圈與內圈之間的間隔較大。
本發明的優點在於有效減小梯度線圈產生的渦流，成像系統空間定位更加精確，避免圖像發生畸變。克服上升、下降沿拖長的問題，縮短切換時間，提高解析度和信噪比，獲得好的特徵對比度。不需要加屏蔽線圈，節省磁極空間，因此降低對主磁體的要求，從而降低成本；靈敏度高，因而驅動電流小，降低對梯度功放的要求，線圈發熱問題得到緩解。


圖1(a)為現有技術帶有抗渦流板的永磁體結構示意1(b)為本發明帶有抗渦流板的永磁體結構示意2為梯度線圈與渦流區域的等效模型3為圓形電流沿其直徑方向的Z分量磁場大小分布4為本發明Z梯度線圈的繞線方式圖具體實施方式
參閱圖1，用於成像的磁體主要包括梯度線圈1、抗渦流板2、磁極3、立柱4、勻場環5，中間圍成的區域成為成像區6。梯度線圈1和抗渦流板2由勻場環5圍繞。抗渦流板2將梯度線圈1和磁極3隔離開，梯度線圈1引起的感應電流直接作用於抗渦流板2上，在磁極3上不產生渦流。但是在抗渦流板2的邊緣區域由勻場環5覆蓋著，而勻場環5又是由金屬材料製成的，因此梯度線圈1還會在勻場環5區域引起渦流。
在帶抗渦流板的磁體中，渦流主要產生在磁體邊緣的圓環金屬區域，如果能減小梯度線圈在該處產生的磁場，那麼就能減小渦流。
參閱圖2，圖中(a)是橫向梯度線圈即X、Y梯度線圈與渦流區域的等效模型圖，渦流區域等效為一個圓環，圖中陰影部分所示，橫向梯度線圈一般有兩個半圓區域組成，這兩個半圓區域產生的磁場方向是相反的，因此這兩個半圓區域在磁體邊沿的圓環金屬中產生的渦流方向也相反，這樣正好使圓環金屬中的渦流相互抵消，所以橫向梯度線圈產生的渦流比較小。圖中(b)是縱向梯度線圈即Z梯度線圈與渦流區域的等效模型圖，縱向梯度線圈一般為圓形結構，它在磁體邊沿的圓環金屬中產生的渦流無法抵消，因此縱向梯度線圈產生的渦流比較大。實驗結果也表明，在低場永磁MRI系統中，渦流的影響主要來自縱向梯度線圈，因此我們只需要考慮縱向梯度線圈引起的渦流。
參閱圖3，縱向梯度線圈一般是圓形結構的，根據畢奧-薩伐爾定律，我們用數值方法模擬了一個圓形電流沿其直徑方向的z分量磁場大小Bz，對於一個半徑為R的圓電流，在R±0.3R內的區域，z分量磁場Bz較大，而在R±1.5R以外區域z分量磁場就變得非常小了。常規縱向梯度線圈中最大的圓接近抗渦流板尺寸，可以說這就是縱向梯度線圈在磁體邊沿的圓環金屬中產生比較大渦流的原因。為了減小縱向梯度線圈引起的渦流，我們可以通過減小縱向梯度線圈的半徑來達到減小渦流的目的。
根據畢奧-薩伐爾定律，近似的認為載流圓線圈所產生磁場強度與線圈半徑成反比，與電流大小成正比。由此可以推出，要產生等強度的梯度場，線圈半徑越小所需電流越小。
線圈的半徑減小，其電感也隨之減小，電路暫態過程的特徵時間會縮短，即電流切換的等待時間縮短。
但是減小梯度線圈的半徑，其線性區域也會隨之減小。因此如何設計梯度線圈、即在縮小梯度線圈半徑的同時，使其還可滿足成像所要求的梯度線性區域，這是本發明要解決的又一問題。
本發明採用目標場方法，利用逆比奧一薩法爾定律，將線圈的半徑和線圈通電流後產生的磁場強度的空間分布，作為約束條件。由於工程上是用導線或在連續導體上切割來加工梯度線圈的，而電流密度分布是連續的，因此需要將其離散化，並採用流函數方法，將連續的電流密度離散化。流函數描述的是電流密度的空間積分，將積分總量分成N等份，則可以得到N條等高線，即每兩條等高線之間的流量相等。因此等高線的位置就是布線或切割的位置。
實施例以下結合實例對本發明特徵作進一步詳細說明，以便於同行業技術人員的理解參閱圖4，它是本發明中Z梯度線圈的繞線方式圖，該繞線方式是經過目標場方法求解，然後採用流函數方法，將連續的電流密度離散化並優化後得到的。這樣的繞線方式可以保持原有的線性區域幾乎不變。具體的線圈數據見下表

表中，R1到R12是指圖4中從最內圈到最外圈的半徑。考慮到線圈電阻不能太大，線圈一般採用8到16圈，線圈分為內圈和外圈，內圈只繞一圈，內圈與外圈最裡圈之間的間隔較大(但隨著線圈的縮小，內圈會逐漸靠近外圈)。
本實例中，磁體中的上下兩個抗渦流板之間的間距為＝0.47m，抗渦流板的半徑為0.5m，Z梯度線圈的半徑縮減到抗渦流板半徑的0.70倍，因此我們設計的Z梯度線圈的半徑(指的是最外圈)為0.35m。經過測量後得到的數據如下表所示

在實驗中兩者的梯度大小都為8.5mT/m，可見，半徑縮減以後的Z梯度線圈引起的渦流明顯減少了。
權利要求
1.一種磁共振成像系統中減小梯度線圈渦流的方法，其特徵在於它是通過減小Z梯度線圈的直徑來減小梯度線圈產生的渦流並通過改變Z梯度線圈繞線方式保證成像空間不變，具體要求是Z梯度線圈的直徑至少縮減到抗渦流板直徑的0.77倍，且又要大於抗渦流板直徑的0.65倍；Z梯度線圈繞線方式是線圈繞線8-16圈，分內圈和外圈，內圈繞一圈，外圈最裡圈與內圈之間的間隔較大。
全文摘要
本發明公開了一種磁共振成像系統中減小梯度線圈渦流的方法，它是通過減小Z梯度線圈的直徑來減小梯度線圈產生的渦流並通過改變Z梯度線圈繞線方式保證成像空間不變，具體要求是Z梯度線圈的直徑至少縮減到抗渦流板直徑的0.77倍，且又要大於抗渦流板直徑的0.65倍；Z梯度線圈繞線方式是線圈繞線8－16圈，分內圈和外圈，內圈繞一圈，外圈最裡圈與內圈之間的間隔較大。本發明的優點在於有效減小梯度線圈產生的渦流，成像系統空間定位更加精確。克服上升、下降沿拖長的問題，縮短切換時間，提高解析度和信噪比，獲得好的特徵對比度。不需要加屏蔽線圈，節省磁極空間，因此降低對主磁體的要求，從而降低成本。
文檔編號G01R33/34GK1742674SQ200510029810
公開日2006年3月8日 申請日期2005年9月20日 優先權日2005年9月20日
發明者王鶴, 寧瑞鵬, 李鯁穎 申請人:華東師範大學