一種磁共振成像系統的磁場穩定方法和裝置製造方法

2023-04-24 00:13:51 3

一種磁共振成像系統的磁場穩定方法和裝置製造方法
【專利摘要】一種磁共振成像系統的磁場穩定方法和裝置，所述的磁場穩定方法是利用磁體中增設的一組主動補償線圈，通過獲取實時的磁場頻率漂移量，設定主動補償線圈的電流大小和變化率，用其產生的磁場實時補償主磁體的磁場變化，使得總的磁場保持穩定，消除磁場的漂移。所說的磁場穩定裝置包括：用於產生補償磁場的一組主動補償線圈(201)，驅動主動補償線圈的恆流源(205)，控制恆流源電流大小和方向的恆流源控制器(204)。該方法可以使磁共振成像系統的主磁場在掃描過程中保持穩定，大大提高圖像的質量。
【專利說明】一種磁共振成像系統的磁場穩定方法和裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種磁共振成像(MRI)系統，特別涉及一種磁共振成像系統的磁場穩定方法和磁場穩定裝置。

【背景技術】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]磁共振成像要求主磁場的穩定性非常高,一般對於主磁場的穩定性用每小時磁場的漂移量來表示，比如lppm/h表示每小時主磁場的漂移量為主磁場強度的百萬分之一。通常超導磁體的磁場穩定性可以達到0.02ppm/ho然而對於永磁體或者電磁體，由於永磁材料的溫度效應或者是電源的不穩定性，這兩種磁體的磁場漂移量通常都比較大，比如可以達到10ppm/h或者更高。磁場強度的漂移對磁共振成像有嚴重的影響，它將引起磁共振信號的相位變化，導致偽影的產生，引起掃描層面定位的錯誤，引入層間幹擾，導致圖像偽影或者影響圖像的清晰度等。為此，必須對磁場的穩定性加以控制。對於永磁體通常的做法是通過溫度控制系統來控制磁體的溫度，使其保持比較高的穩定度，對於電磁體則是通過提高電源的穩定性來保持磁場的穩定。即使採用了這些方法，磁體的磁場穩定性依然達不到較高的水平，有些系統的磁場漂移換算成頻率的話，依然可以達到每小時數百赫茲。
[0005]專利CN1374069A公開了一種用於磁共振成像裝置的磁場變化測量和補償辦法，其採用跟蹤磁場變化並通過程序改變射頻脈衝發射頻率和信號接收頻率的辦法來解決磁場漂移的問題。然而在多數情況下，在掃描過程中改變射頻脈衝發射頻率和信號接收頻率並不容易，而且會引起系統相位的變化，造成額外的偽影。


【發明內容】

[0006]本發明的目的在於解決現有磁共振成像系統磁場漂移問題，減小和消除主磁場的波動，提高磁共振成像系統的成像水平。為此，本發明提出一種磁共振成像系統的磁場穩定方法及裝置。本發明在磁共振成像系統掃描時實時測量主磁場漂移量，通過主動線圈補償主磁場漂移。
[0007]本發明磁場穩定方法的基本原理是:在磁體中設置主動補償線圈，該主動補償線圈產生一個非常均勻的磁場，通過控制該主動補償線圈電流的大小和方向的變化來改變該主動補償線圈所產生磁場的大小和方向；另外，在靠近成像體附近設置磁共振探頭，該探頭內置的工作物質產生的自由感應衰減(FID)信號，通過該磁共振信號獲取主磁場的強度信息。在磁共振成像系統掃描時獲取主磁場的變化規律，同時,根據主磁場的變化實時計算並改變主動補償線圈的電流，使主動補償線圈產生的磁場補償主磁場的變化，保持總的磁場恆定不變，消除磁場的漂移。
[0008]本發明採用以下方法:
[0009]方法一:在磁共振成像系統開始掃描前，磁共振成像系統採集成像體的自由感應衰減(FID)信號，測量磁場的頻率，換算成主磁場的強度。然後磁共振成像系統開始掃描，在磁共振成像系統一次掃描過程結束，下一次掃描開始前再次測量磁場的頻率，換算成主磁場的強度。通過前後兩次掃描之前所測量的成像體的FID信號對應的主磁場強度的值，計算主磁場的漂移率，並設定主動補償線圈的電流變化率和方向，實時補償主磁場的漂移。
[0010]通常磁體的磁場變化是一個大慣性系統，其漂移率的變化是非常緩慢的，在一個掃描過程中可以認為是一個線性變化。
[0011]本發明採用的方法基於磁場的線性漂移的特性。在磁共振成像系統每次掃描前，採集成像體的FID信號，並計算出該信號所對應的磁場強度。由前後兩次掃描前採集的FID信號，得到兩個磁場強度的值。記錄兩次採集FID信號的時間，計算得到磁體的磁場漂移率ΔΒ如下:
[0012]ΔΒ = —

12 ~1\
[0013]其中B2和BI分別是第二次掃描前和第一次掃描前所獲得的磁場強度值,t2和tl則分別對應兩次掃描的採集時刻。
[0014]在磁體中設置的主動補償線圈的電流變化率I可由此計算得到:
[0015]I = -KX ABXt
[0016]該式表示掃描開始以後不同的時間主動補償線圈電流的大小，其中K為線圈係數，t表示時間。
[0017]主動補償線圈所產生的磁場始終疊加在主磁場上。主動補償線圈的電流變化與共振成像系統的掃描過程同步進行。根據磁共振成像系統掃描過程不同時刻的磁體磁場漂移率改變主動補償線圈的電流大小，如此，在掃描過程中的任一時刻，主動補償線圈所產生的磁場大小正好與此刻主磁場的漂移量相同，方向相反，兩個磁場的疊加使得總磁場保持不變。
[0018]方法二:磁共振成像系統掃描過程中，在採集FID信號的間隙，將主動補償線圈的電流設為零。並運行一個消磁脈衝序列，消除梯度磁場對於磁體的磁化。該消磁過程可以是獨立的程序，也可以是脈衝序列中的一段消磁脈衝序列。之後，關閉三個方向的梯度脈衝。然後通過設置在成像區內的磁共振探頭獲取每一時刻磁場的頻率，將此磁場頻率換算成主磁場的強度，計算主磁場的漂移，改變主動補償線圈的電流，使主動補償線圈所產生的磁場補償主磁場的漂移。
[0019]通常掃描過程需要經歷多次重複，以完成所有K空間數據的採集。一般地，在每次重複採集K空間數據時，存在一個短暫的間歇。方法二利用這個間隙，通過設置在成像區內的磁共振探頭採集FID信號並轉換成磁場的頻率，計算出此時的主磁場強度。同時，在掃描開始時預先通過磁共振探頭採集一次FID信號，並計算當時的主磁場強度，作為參考磁場強度。將實時測量的磁場強度與該參考磁場強度比較，計算出主動補償線圈所需要的電流。
[0020]I = -KX (Bt-Br)
[0021]其中K為線圈係數，Br為參考磁場強度，Bt為測量磁場強度。
[0022]方法二的主動補償線圈所產生的磁場依然是疊加在主磁場上的。在掃描過程中的某一時刻，主動補償線圈所產生的磁場大小正好與此刻主磁場的漂移量相同，方向相反，兩磁場的疊加使得總磁場保持不變。
[0023]在磁共振成像系統採集成像體自由感應衰減信號前，或磁共振探頭內置工作物質的自由感應衰減信號前均進行消磁，消除梯度磁場對於磁體的磁化。
[0024]採用本發明方法的裝置結構如下:
[0025]本發明裝置包括:用於產生補償磁場的一組主動補償線圈、驅動主動補償線圈的恆流源、磁共振探頭，以及控制恆流源電流大小和方向的恆流源控制器。
[0026]一種磁共振成像系統的磁場穩定裝置，其特徵在於，所述的磁場穩定裝置包括:用於產生補償磁場的一組主動補償線圈、磁共振探頭、計算機、恆流源和恆流源控制器。所述的恆流源與主動補償線圈連接，驅動主動補償線圈產生磁場，用以補償主磁場的漂移。所述的恆流源控制器與恆流源連接，產生控制恆流源電流大小和方向的控制信號。所述的磁共振探頭位於成像體附近，磁共振探頭通過其內部所包含的工作物質獲得磁共振信號，該磁共振信號用來獲取主磁場的強度信息。
[0027]本發明的磁場穩定方法要求主動補償線圈所產生的磁場具有高度的均勻性，以避免影響磁共振信號的相位。所述的主動補償線圈由兩組分立的環形線圈組成，兩組線圈中的電流方向相同，在兩組線圈之間的空間中形成均勻磁場。由於主動補償線圈的尺寸受磁體尺寸的限制，其直徑不可能很大，為保證主動補償線圈所產生的磁場具有高的均勻度，兩組線圈的距離為所能達到的最小距離。主動補償線圈安裝在磁共振成像系統的磁體上或梯度板上。
[0028]主動補償線圈和恆流源連接，通過恆流源驅動。恆流源提供主動補償線圈足夠的電流，以便產生所需要的磁場。一個由程序控制的恆流源控制器與恆流源連接，用來控制恆流源電流的大小和方向。
[0029]本發明裝置的另一種結構是:在磁共振成像系統磁體的成像區內僅需要放置一個磁共振探頭，該磁共振探頭可以接收其內部所包含工作物質的FID信號，通過FID信號獲得探頭所在位置的磁場強度，因為探頭在成像體附近，因此所測得的磁場強度可以代表主磁場的強度。由於磁共振探頭與射頻線圈在同一區域，為了不使其相互幹擾，磁共振探頭的工作頻率與射頻線圈的工作頻率不同，磁共振探頭內部所包含的工作物質也與成像體中的原子核，比如氫核不同，比如採用鋰離子作為工作物質。該磁共振探頭測得主磁場強度後，與系統設定的主磁場值比較，計算出主磁場的漂移，改變主動補償線圈的電流，使主動補償線圈所產生的磁場補償主磁場的漂移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1現有技術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；
[0031]圖2本發明裝置結構原理圖，圖中:101磁體，201主動補償線圈，202磁共振探頭，203計算機，204恆流源控制器，205恆流源，206射頻線圈；
[0032]圖3為本發明方法一的實施例流程圖；
[0033]圖4為本發明方法二的實施例流程圖。

【具體實施方式】
[0034]以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0035]圖2所示為本發明裝置的基本結構。如圖2所示，磁體101為磁共振成像系統的主磁場磁體。在磁體101中設置有一組主動補償線圈201，主動補償線圈201產生的磁場用來補償主磁體的磁場漂移，使得總磁場強度保持穩定。主動補償線圈201和電流恆流源205連接，主動補償線圈201的電流由恆流源205提供。恆流源控制器204和電流恆流源205連接，恆流源控制器204控制恆流源205的電流大小和方向。計算機203根據所採集的FID信號，通過快速傅立葉變換生成頻率信號，並轉換為磁場強度，將磁場強度數據輸出給恆流源控制器204。磁共振探頭202採集該探頭內置的工作物質的FID信號，並輸出到計算機。磁共振探頭202內置的工作物質有別於成像體中的原子核，比如氫核，可採用比如含有鋰離子的材料作為工作物質，使得磁共振探頭與射頻線圈206之間的工作頻率不同，相互之間不影響。
[0036]圖3所示為本發明磁場穩定方法一的一個實施例。如圖3所示，將成像體放入磁體中，在磁共振成像系統開始掃描前，先運行一個消磁程序，消除梯度磁場對於磁體的磁化；然後通過射頻線圈206採集一次成像體的FID信號，並將此信號輸入到計算機203中，通過快速傅立葉變換計算得到該信號的頻率。此頻率即為成像體所在磁體空間處的中心磁場所對應的磁共振頻率，根據拉莫爾頻率可以計算出所對應的磁場強度。磁共振成像系統每次掃描之前重複上述過程，通過相鄰的兩次測量的磁場強度，結合這兩次測量的時間間隔，可以計算出磁場強度的漂移率，比如每S秒鐘磁場變化了 G高斯。由於在設計時可以預先知道主動補償線圈所產生的磁場強度與其所輸入的電流的關係，據此計算並生成一組用於驅動恆流源的隨時間變化的電流數據，時間間隔為S秒。在掃描開始後，後臺程序自動每隔S秒讀入恆流源數據，並輸出到恆流源控制器204，恆流源控制器204輸出控制電壓，直接控制恆流源205的輸出電流，驅動主動補償線圈201改變其所產生的磁場，該磁場疊加在主磁場上，使得總磁場在掃描時保持恆定不變。
[0037]圖4所示為本發明磁場穩定方法二的一個實施例。將成像體放入磁體中，在磁共振成像系統開始掃描前，先在序列中設定一個重複採集的時間間隔，這個時間間隔可以是數毫秒到數十毫秒。在此時間間隔到來前的採集FID信號的間隙需要將主動補償線圈的電流設為零，以免幹擾隨後的FID信號採集。然後運行所設置的一個消磁過程，消除梯度磁場對於磁體的磁化。隨後關閉三個方向的梯度脈衝。通過磁共振探頭202採集一次其內部工作物質的FID信號，並將此信號輸入到恆流源控制器204中，經過處理後計算得到該信號的頻率，此頻率即代表成像體所在磁體空間處的中心磁場所對應的磁共振頻率。根據拉莫爾頻率可以計算出所對應的磁場強度。若掃描的重複採集時間較短，可以取若干次的頻率數據，對這些頻率數據進行疊加，求其平均值。疊加次數可在在掃描前設定。未到達疊加點時，打開恆流源，繼續正常的掃描。達到疊加點後，根據程序設定的初始磁場強度和疊加次數，得到磁場強度的變化數據。由於在設計時可以預先知道主動補償線圈所產生的磁場強度與其所輸入的電流的關係，因此可以進一步得到恆流源的電流數據。恆流源控制器204通過該電流數據控制其輸出控制電壓，從而控制恆流源205的輸出電流，驅動主動補償線圈201改變其所產生的磁場，該磁場疊加在主磁場上，使得總磁場在掃描時保持恆定不變。
[0038]這兩個實施例的特徵均是通過獲得實時的磁場變化數據來改變補償線圈的電流，通過實時改變主動補償線圈的磁場來補償主磁場的變化。在此前提下，當然也可能存在其他的方法獲得實時的主磁場的變化的方法，這些方法均不超出本發明的權利要求範圍。
【權利要求】
1.一種磁共振成像系統的磁場穩定方法，其特徵在於，所述的磁場穩定方法通過在磁共振成像系統的磁體中設置一組主動補償線圈，主動補償線圈產生一個均勻磁場；控制所述主動補償線圈電流的大小和方向的變化來改變該主動補償線圈所產生磁場的大小和方向；所述的磁場穩定方法還在成像區域內設置磁共振探頭，通過該探頭內置工作物質產生的自由感應衰減(FID)信號，獲取主磁場的強度信息；在磁共振成像系統掃描時通過磁共振信號獲取實時的磁場頻率漂移量，並根據磁場頻率漂移量設定主動補償線圈的電流大小，用主動補償線圈產生的磁場補償主磁體的磁場變化，使得總的磁場保持穩定，消除磁場的漂移。
2.如權利要求1所述的磁共振成像系統的磁場穩定方法，其特徵在於，在磁共振成像系統開始掃描前，磁共振成像系統採集成像體的自由感應衰減(FID)信號，測量磁場的頻率，換算成主磁場的強度；然後磁共振成像系統開始掃描，在磁共振成像系統一次掃描過程結束，下一次掃描開始前再次測量磁場的頻率，換算成主磁場的強度；通過前後兩次掃描之前所測量的成像體的自由感應衰減信號對應的主磁場強度的值，計算主磁場的漂移率，並設定主動補償線圈的電流變化率和方向，實時補償主磁場的漂移。
3.如權利要求2所述的磁共振成像系統的磁場穩定方法，其特徵在於，主動補償線圈電流的變化與掃描過程同步進行，實時補償主磁體磁場隨時間的漂移。
4.如權利要求1所述的磁共振成像系統的磁場穩定方法，其特徵在於，在磁共振成像系統掃描重複時間的間隙，將主動補償線圈的電流設為零；運行消磁脈衝序列後，關閉三個方向的梯度脈衝；然後通過設置在成像區內的磁共振探頭，採集該磁共振探頭內工作物質的自由感應衰減信號，獲取每一時刻磁場的頻率，將此磁場頻率換算成主磁場的強度，計算主磁場的漂移，改變主動補償線圈的電流，使主動補償線圈所產生的磁場補償主磁場的漂移。
5.如權利要求1或4所述的磁共振成像系統的磁場穩定方法，其特徵在於，在磁共振成像系統採集成像體或磁共振探頭內工作物質的自由感應衰減信號前進行消磁。
6.一種磁共振成像系統的磁場穩定裝置，其特徵在於，所述的磁場穩定裝置包括:用於產生補償磁場的一組主動補償線圈(201)、磁共振探頭(202)、計算機(203)、恆流源(205)和恆流源控制器(204);所述的恆流源(205)與主動補償線圈(201)連接，驅動主動補償線圈(201)產生磁場，用以補償主磁場的漂移；所述的恆流源控制器(204)與恆流源(205)連接，產生控制恆流源(205)電流大小和方向的控制信號；所述的磁共振探頭(202)位於成像體附近，磁共振探頭(202)通過其內部所包含的工作物質獲得磁共振信號，該磁共振信號用來獲取主磁場的強度信息。
7.如權利要求6所述的磁共振成像系統的磁場穩定裝置，其特徵在於，所述的磁共振探頭內置工作物質的拉莫爾頻率與成像體中原子核的拉莫爾頻率不相同。
8.如權利要求6所述的磁共振成像系統的磁場穩定裝置，其特徵在於，所述的磁場穩定裝置包括一個主動補償線圈(201);所述的主動補償線圈(201)在成像區內產生均勻的磁場，用以補償主磁場的漂移。
9.如權利要求6所述的磁共振成像系統的磁場穩定裝置，其特徵在於，所述的磁場穩定裝置僅包括一個磁共振探頭(202)。
【文檔編號】A61B5/055GK104224179SQ201410459417
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】楊文暉 申請人:中國科學院電工研究所