一種磁共振成像系統的陣列梯度線圈驅動裝置的製作方法

2023-04-25 19:03:46 1

本發明涉及一種磁共振成像(mri)系統的陣列梯度線圈的驅動裝置。

背景技術：

磁共振成像系統工作時，將人體置於一個強的靜磁場中，通過向人體發射射頻脈衝使人體部分區域的原子核受到激發。射頻場撤除後，這些被激發的原子核輻射出射頻信號由天線接收。當在這一過程中加入梯度磁場後，便可以通過射頻信號獲得人體的空間分布信息，從而重建出人體的二維或三維圖像。

磁共振成像系統工作時，通常如圖1所示，將人體放入磁體101中，梯度線圈(包含勻場線圈)102產生一個線性度良好的梯度磁場，該梯度磁場疊加在主磁場上，對信號進行空間編碼。同時，該梯度線圈還對主磁場的不均勻性進行校正。射頻線圈103對人體照射，激發人體成像區域的原子核，譜儀系統106運行脈衝序列，控制各子系統的工作，並採集磁共振信號進行圖像重建。其中，勻場電源105用於向勻場線圈提供驅動電流，控制勻場線圈所產生磁場的幅度。

一般地，磁共振成像設備中的梯度系統是由梯度線圈，梯度功率放大器和相應的控制和冷卻裝置構成，現代磁共振成像要求梯度系統的性能非常高，目前梯度系統中梯度磁場的強度可以達到40—60mt/m，梯度磁場的切換率達到150—200t/m/s。由於對成像回波時間的要求，擴散成像的要求，以及多核成像的要求等，對未來梯度磁場強度和切換率要求越來越高。然而現有的梯度磁場產生方法對於提高梯度磁場強度和切換率存在很大的問題，目前的梯度系統中，梯度線圈多採用線圈對產生三個方向的梯度磁場，線圈的結構均為多繞組線圈，為容納人體的進入，線圈均具有較大的尺寸，儲能很高。若為了增大梯度磁場，有效的方法是增加梯度線圈的匝數，或者是增加梯度線圈的電流。增大匝數會增加線圈的感抗，從而與提高切換率矛盾。為克服感抗的影響，一般都採用提高梯度功率放大器輸出電壓的手段來增大梯度磁場的切換率，目前，梯度功率放大器的輸出電壓和電流達到了3000v/900a的水平，增大線圈的電流會帶來嚴重的發熱問題，提高梯度功率放大器的輸出電壓使得線圈的絕緣問題的解決更加困難，因為絕緣和散熱是相互矛盾的工藝問題。更嚴重的問題是，在現有技術下，若增大梯度磁場的強度和切換率，可能會使局部梯度磁場的變化率(db/dt)超出標準，引起對人的刺激等不良反應。為此，人們採用了其他一些辦法，比如增加一個小的梯度線圈，插入到標準梯度線圈中，可以有效解決這個問題，不過小的梯度線圈的使用受到一定的限制，比如只能進行局部的成像，使用也不方便。

陣列梯度線圈可解決上述問題，分布在梯度線圈電流面上的梯度線圈陣列，根據成像的要求，通過調節各線圈的電流大小和方向，改變梯度線圈所產生的磁場空間分布，產生滿足特定成像所需要的梯度磁場，在不改變梯度線圈繞組分布的前提下，改變梯度磁場的空間分布。由於陣列梯度線圈中包含大量的線圈，每個線圈的電流大小和方向都存在不一致的可能，因此，驅動陣列梯度線圈的方法則與傳統的梯度線圈的方法完全不同。

技術實現要素：

本發明提出一種磁共振成像系統陣列梯度線圈驅動裝置。本發明的陣列梯度線圈驅動裝置可以獨立調整各個線圈的電流大小和方向，使得陣列梯度線圈的性能變得靈活。

本發明梯度磁場驅動裝置的結構如下：

所述的陣列梯度線圈驅動裝置，包括譜儀控制臺、梯度功率放大器、梯度磁場控制器和數據存儲器。所述的譜儀控制臺和數據存儲器的輸入端連接，數據存儲器的輸出端連接梯度磁場控制器的輸入端，梯度磁場控制器的輸出端連接梯度功率放大器的輸入端，梯度功率放大器的輸出端和陣列梯度線圈連接。譜儀控制臺的輸出端也和梯度磁場控制器輸入端的連接，輸出標準梯度脈衝波形信號至梯度磁場控制器，數據存儲器用來存儲陣列梯度線圈的電流大小和方向數據，並向梯度磁場控制器輸出每個線圈驅動電壓數據。梯度磁場控制器將電壓數據轉換成驅動電壓，並輸出到梯度功率放大器。梯度功率放大器驅動陣列梯度線圈，產生所需要的梯度磁場。

梯度功率放大器包含有多個相互獨立的功率單元，每個功率單元的輸入端分別連接梯度磁場控制器輸出端，梯度磁場控制器輸出端控制信號接口的數量與梯度功率放大器中的功率單元的數量相同，梯度磁場控制器輸出的每一路控制信號接口與梯度功率放大器中的每一個功率單元相連，各功率單元的控制信號相互獨立。陣列梯度線圈由並列的多個線圈組成，由梯度功率放大器驅動。陣列梯度線圈的每一個線圈與梯度功率放大器的每一個功率單元的輸出端相連，因此，分別改變各個功率單元的電流大小和方向，便可分別調整陣列梯度線圈的每一個線圈的電流大小和方向。梯度磁場控制器的控制參數：線圈電流大小和方向，則由與梯度磁場控制器相連的數據存儲器提供。其中，所述的譜儀控制臺輸出標準梯度脈衝波形至梯度磁場控制器，同時，數據存儲器通過接口將所保存的陣列梯度線圈的線圈電流大小和方向的數據傳遞到梯度磁場控制器中，梯度磁場控制器根據數據存儲器中的數據和譜儀控制臺傳送的脈衝信號，解算出每個陣列線圈的控制電壓，並將控制電壓信號輸出到梯度功率放大器的功率單元，用以驅動陣列梯度線圈，產生梯度磁場。

所述的數據存儲器包括一個與外部的數據接口，一個內部數據緩存器，以及與梯度磁場控制器的接口。所述的外部的數據接口與譜儀控制臺或者上位機連接，從譜儀控制臺或者上位機獲取陣列梯度線圈中各線圈的電流大小和方向的數據；所述的內部數據緩存器保存陣列梯度線圈中各線圈的電流大小和方向數據；所述與梯度磁場控制器的接口包括控制信號線和數據線，梯度磁場控制器通過控制信號線向數據存儲器發出查詢指令，若數據存儲器的數據已經加載完成，則向梯度磁場控制器返回使能信號，梯度磁場控制器則通過數據線獲得數據存儲器中的電流大小和方向的數據。

所述的梯度磁場控制器的輸入端和譜儀控制臺的輸出端連接，接收譜儀控制臺發出的脈衝信號。梯度磁場控制器主要包含多路信號放大電路、數字增益控制電路和數據鎖存器。其中，信號放大電路用來產生陣列梯度線圈的驅動電壓，數字增益控制電路連接在信號放大電路的反饋控制端，用來調節信號放大電路的增益，數據鎖存器的輸入與數據存儲器的輸出連接，用來鎖存數據存儲器輸出的電壓控制數據，數據鎖存器將鎖存的電壓控制數據輸出到數字增益控制電路，控制數字增益控制電路的實際增益。因此，梯度磁場控制器可以根據獲取的陣列梯度線圈每個線圈的電流大小和方向數據，控制每一路信號放大電路的增益和輸出極性。從譜儀控制臺傳遞過來的脈衝信號為每路信號放大電路的輸入信號，所述信號放大電路最終輸出模擬電壓信號到所連接的功率放大器。顯然，梯度磁場控制器包含的信號放大電路的數量，必須大於等於與其相連的功率放大器的數量，因此，每個與其相連的功率放大器都可以得到一個電壓信號，梯度磁場控制器的信號放大電路相互獨立，均可以單獨控制其增益和輸出極性。

梯度磁場控制器的信號放大電路的增益和極性控制中，包括有數據鎖存器和數字增益控制電路，數據鎖存器可將獲得的電流大小和方向數據鎖存，並根據鎖存的數據控制數字增益控制電路的增益，數字增益控制電路接入到信號放大電路的增益控制電路，從而控制信號放大電路的增益。

陣列梯度線圈的梯度磁場是由梯度線圈陣列中各個線圈所產生磁場合成的。由於陣列梯度線圈的線圈由梯度功率放大器中的功率單元驅動，每一個線圈對應一個功率單元，多個功率單元相互獨立，因此陣列梯度線圈中每個線圈的電流大小和方向可以獨立調節。陣列梯度線圈每一個線圈的一組電流大小和方向參數對應一個梯度磁場的空間分布，因此，陣列梯度線圈每個線圈在梯度功率放大器的功率單元驅動下，其產生的磁場在成像區合成為所需要的梯度磁場。

陣列梯度線圈各線圈的電流大小和方向可以不相同，因此，改變每個線圈的電流大小和方向，則會改變所合成的梯度磁場的空間分布。

本發明的陣列梯度線圈驅動裝置，可以通過如網格化的目標場方法，計算獲得不同的梯度磁場空間分布所對應的各線圈的電流大小和方向，形成包含這些電流大小和方向的數據，將這些數據存儲在數據存儲器中。磁共振系統掃描時，根據所需要掃描的部位和序列對應的梯度磁場的空間分布，調出對應的電流大小和方向數據，用這些數據來控制梯度線圈陣列中各線圈的電流大小和方向，獲得所需的梯度磁場。

由於梯度磁場在成像區域內有特定的分布要求，比如其分布在一個方向上有較好的線性，對於超導磁共振成像系統，一般要求在50cm球形區域內非線性不超過5％。同時，在成像區域內要求梯度磁場有一定的強度，比如30mt/m。並且，梯度系統工作在脈衝狀態，因此需要梯度磁場有一定的切換率，比如150t/m/s。其中，梯度磁場的空間分布是由線圈的分布決定的，若線圈的分布固定，每個線圈通過的電流也相同，則該線圈所產生的梯度磁場的空間分布則固定不變，僅僅是其強度隨電流的大小改變，切換率隨驅動電壓和爬升時間的變化而改變。

因此，本發明陣列梯度線圈的驅動裝置不再是傳統的梯度線圈的單一脈衝信號的驅動，需要預先確定每個線圈的電流大小和方向，形成一組數據，通過該組數據來控制每一路驅動信號的大小和方向，從而保證每個線圈有獨立的電流調節能力。基於該驅動方法的陣列梯度線圈的驅動裝置包括有存儲每個線圈電流大小和方向數據的數據存儲器，產生每個線圈驅動信號的梯度磁場控制器等。

本發明的陣列梯度線圈驅動裝置的工作原理和工作過程如下：

譜儀控制臺輸出標準梯度脈衝波形至梯度磁場控制器，同時譜儀控制臺或者上位機將每個陣列線圈的電流大小和方向數據，通過接口加載到數據存儲器。梯度磁場控制器接收譜儀控制臺發出的控制信號，並通過控制信號獲取數據存儲器的狀態。當數據存儲器完成數據的加載後，梯度磁場控制器從數據存儲器獲取陣列梯度線圈中每個線圈的電流大小和方向數據，用該數據來調節梯度磁場控制器中每個信號放大電路的增益和輸出極性。譜儀控制臺輸出的標準梯度脈衝波形作為每路信號放大電路的輸入信號。如此，梯度磁場控制器根據上述輸入信號和電流大小和方向數據，解算出每個線圈所連接的梯度功率放大器功率單元的控制電壓，並輸出相應的模擬控制信號至梯度功率放大器的功率單元，使得陣列梯度線圈的每個線圈能夠獲得所需要的電流大小和極性。梯度磁場控制器輸出的每一路控制信號對應一組線圈的電流參數，因此梯度磁場控制器輸出的每一路控制信號都與梯度功率放大器中的每個小功率單元的輸入端連接，控制每個單元的電流輸出，實現對每個線圈的電流調節。

梯度功率放大器由直流供電電源和多個功率單元組成，多個功率單元由一個或多個直流供電電源驅動。

本發明裝置可以實現對陣列梯度線圈中的每個小線圈電流的單獨控制，這樣，在形成梯度磁場時，陣列梯度線圈就可以有極大的靈活性，在保持陣列線圈結構不變的前提下，僅通過改變每個小線圈電流的大小和方向，便可以形成特定的梯度磁場。該裝置具有極大的優越性。

附圖說明

圖1現有的磁共振成像系統的結構示意圖，圖中：101磁體，102射頻線圈，103梯度放大器，104譜儀系統；

圖2本發明驅動裝置結構框圖，圖中：201陣列梯度線圈，202梯度功率放大器，203梯度磁場控制器，204數據存儲器，205譜儀控制臺；

圖3為本發明驅動裝置的工作過程；

圖4為本發明驅動裝置的數據存儲器結構框圖；

圖5為本發明驅動裝置的梯度磁場控制器的框圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。

本發明陣列梯度線圈驅動裝置包括譜儀控制臺205、梯度功率放大器202、梯度磁場控制器203和數據存儲器204。所述的譜儀控制臺205和數據存儲器204的輸入端及梯度磁場控制器203的輸入端連接，數據存儲器204的輸出端連接梯度磁場控制器203的輸入端。數據存儲器204用來保存陣列梯度線圈的電流大小和方向數據，並向梯度磁場控制器203輸出每個線圈驅動電壓數據。梯度磁場控制器203將電壓數據轉換成驅動電壓信號，輸出到梯度功率放大器202。梯度功率放大器202驅動陣列梯度線圈201，產生所需要的梯度磁場，如圖2所示。

所述的梯度功率放大器202包含有多個相互獨立的功率單元，每個功率單元的輸入端分別連接梯度磁場控制器203的輸出端，梯度磁場控制器203輸出端控制信號接口的數量與梯度功率放大器中的功率單元的數量相同，梯度磁場控制器203輸出的每一路控制信號接口與梯度功率放大器202中的每一個功率單元相連，各功率單元的控制信號相互獨立。陣列梯度線圈201由並列的多個線圈組成，由梯度功率放大器202驅動。陣列梯度線圈201的每一個線圈與梯度功率放大器202的每一個功率單元的輸出端相連，因此，分別改變梯度功率放大器202各個功率單元的電流大小和方向，便可分別調整陣列梯度線圈201的每一個線圈的電流大小和方向。

陣列梯度線圈201產生的梯度磁場由梯度線圈陣列所有線圈產生的磁場合成形成。梯度磁場控制器203控制梯度功率放大器202中每個功率單元的電流，梯度磁場控制器203的控制參數：線圈電流大小和方向，則由與梯度磁場控制器203相連的數據存儲器204產生。其中，所述的譜儀控制臺205的輸出端和梯度磁場控制器203的輸入端連接，輸出標準梯度脈衝波形信號至梯度磁場控制器203。同時，數據存儲器204通過接口將所保存的陣列梯度線圈的各線圈電流大小和方向的數據傳遞到梯度磁場控制器203中，梯度磁場控制器203根據數據存儲器204中的數據和譜儀控制臺傳送的脈衝信號，解算出每個線圈的控制電壓，並將控制電壓信號輸出到梯度功率放大器202的功率單元，用以驅動陣列梯度線圈201，產生梯度磁場。

數據存儲器204存儲有不同梯度磁場空間分布所對應的梯度線圈陣列201中每個線圈的電流參數，因此，本發明可以調用數據存儲器204中存儲的不同參數，實現在不改變梯度線圈結構的前提下，改變梯度線圈所產生磁場的空間分布的功能。

如圖3所示，譜儀控制臺205的輸出端和梯度磁場控制器203的輸入端連接，輸出標準梯度脈衝波形信號至梯度磁場控制器203，同時譜儀控制臺205或者上位機將陣列梯度線圈中每個線圈的電流大小和方向數據，通過接口加載到數據存儲器204；梯度磁場控制器203通過控制信號線獲取數據存儲器204的狀態，當數據存儲器204完成數據的加載後，梯度磁場控制器203從數據存儲器204獲取每個陣列線圈的電流大小和方向數據，該數據用來調節梯度磁場控制器203中每個信號放大電路的增益和輸出極性。譜儀控制臺205輸出的標準梯度脈衝波形信號作為每路信號放大電路的輸入信號，梯度磁場控制器203根據上述信號和數據，解算出每個線圈所連接的功率放大器202每個功率單元的控制電壓，並輸出相應的模擬控制電壓給、功率放大器的功率單元，使得每個線圈能夠獲得所需要的電流大小和極性。

圖4所示為數據存儲器結構的實施例。所述的數據存儲器204包括一個與外部的數據接口，一個內部數據緩存器，以及與梯度磁場控制器的接口。與外部的數據接口可以是rs232/iee488接口，也可以是usb接口。與外部的數據接口與上位機或者譜儀控制臺連接，從上位機或者譜儀控制臺獲取陣列梯度線圈201中每個線圈的電流大小和方向的數據。內部數據緩存器保存陣列梯度線圈201中每個線圈的電流大小和方向的數據。與梯度磁場控制器202的接口則包括控制信號線和數據線，梯度磁場控制器203通過控制信號線，向數據存儲器204發出查詢指令，若數據存儲器204的數據已經加載完成，則向梯度磁場控制器203返回使能信號，梯度磁場控制器203則通過數據線獲得數據存儲器204中的電流大小和方向的數據。

圖5所示為所述梯度磁場控制器203的實施例。梯度磁場控制器203主要包含多路信號放大電路、數字增益控制電路和數據鎖存器。其中，信號放大電路用來產生陣列梯度線圈的驅動電壓，數字增益控制電路連接在信號放大電路的反饋控制端，用來調節信號放大電路的增益，數據鎖存器的輸入與數據存儲器的輸出連接，用來鎖存數據存儲器輸出的電壓控制數據，數據鎖存器將鎖存的電壓控制數據輸出到數字增益控制電路，控制數字增益控制電路的實際增益。因此，梯度磁場控制器203就可以根據獲取的陣列梯度線圈201的每個電流大小和方向的數據，控制每一路信號放大電路的增益和輸出極性。從譜儀控制臺205傳遞過來的脈衝信號作為每路信號放大電路的輸入信號，梯度磁場控制器203的信號放大電路將最終輸出模擬電壓信號到所連接的功率放大器。顯然，梯度磁場控制器包含的信號放大電路的數量，必須大於等於與其相連的功率放大器的數量，因此，每個與其相連的梯度功率放大器202的功率單元都可以得到一個電壓信號，梯度磁場控制器203的信號放大電路相互獨立，均可以單獨控制其增益和輸出極性。