CN100339050C - 一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法，它是通过减小Z梯度线圈的直径来减小梯度线圈产生的涡流并通过改变Z梯度线圈绕线方式保证成像空间不变，具体要求是：Z梯度线圈的直径至少缩减到抗涡流板直径的0.77倍，且又要大于抗涡流板直径的0.65倍；Z梯度线圈绕线方式是：线圈绕线8-16圈，分内圈和外圈，内圈绕一圈，外圈最里圈与内圈之间的间隔较大。本发明的优点在于有效减小梯度线圈产生的涡流，成像系统空间定位更加精确。克服上升、下降沿拖长的问题，缩短切换时间，提高分辨率和信噪比，获得好的特征对比度。不需要加屏蔽线圈，节省磁极空间，因此降低对主磁体的要求，从而降低成本。

Description

一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法
技术领域
本发明涉及核磁共振成像(MRI)系统，具体地说是一种MRI系统中减小梯度线圈涡流的方法。
背景技术
目前MRI系统的发展方向是提高成像速度，以最短的时间获得具有优良分辨率、信噪比和所需特征对比度的图像。在MRI系统中，对样品空间定位的过程是通过在成像序列中施加频率编码和相位编码的梯度磁场来实现的。理论上为了使空间位置与频率和相位之间有良好的对应关系，要求梯度磁场的波形必须是已知的。可是由于系统中有金属部件，例如：超导磁体外壳、永磁体极板、线圈和框架等(图1)。这类部件在梯度磁场(例如矩形波形)的上升沿和下降沿的突变过程中，均会在其金属内部产生涡流。涡流的存在使成像区的实际梯度场变为激发梯度磁场和涡流产生磁场的合成，导致上升沿变缓、下降沿拖长。用这样的梯度场进行编码，会使样品空间定位线性变差，使系统产生的图像发生畸变和伪影等失真现象。而且涡流的影响使得系统很难缩短回波时间，同时涡流的衰减需要较长的时间，因此，即使采用很耗时的增加累加次数的方法，也难以获得好的分辨率和信噪比，更难以获得好的特征对比度。因此，MRI系统要想获得高质量的图像，必须解决好涡流问题。
为了消除或减小涡流的影响，通常采用三种方法：抗涡流板、梯度波形预加重和自屏蔽梯度线圈的方法。这三种方法虽然在一定程度上减小了涡流的影响，有些效果还不错，但是它们都在其它方面付出较大的代价。
抗涡流板是由高电阻率材料制成的，可以在一定程度上减小涡流，若在板上刻槽可以进一步阻碍涡流的形成。但是涡流板有一定厚度，即占用一定的磁极空间，致使成像时留给病人使用的空间减小。换句话说，为了保证病人成像时的空间(一般在永磁体成像仪中，该空间的高度为40厘米左右)，磁极的间距要加大，整个磁体的体积也要相应增大，从而导致磁体的制作成本上升。而且由于加工工艺的限制，抗涡流板不能将主磁体与梯度线圈完全隔离，因此板的边缘(永磁体的匀场环)附近和覆盖不到的地方涡流很大。
梯度波形预加重是通过电流过驱动的方法来减小涡流所产生的影响的。梯度场的上升/下降沿由于受到涡流的影响而变缓，若线圈所通电流比需要的大一些，待梯度场达到要求后电流再减小，这样就可以缩短上升/下降沿所占的时间。但是这种方法只能在一定程度上补偿与原梯度场具有相同空间特征的涡流磁场(即涡流场的线性项)，而对于非线性项则不能处理。预加重的另一个缺点是对梯度功放的要求高。电流过驱动时所需电流比正常工作时所需电流大许多，因此要求梯度功放有能力提供更大的电流，同样会导致整个成像系统的成本上升。
自屏蔽线圈是在梯度线圈的外面加一组电流方向与其相反的线圈，使成像区域的梯度场满足设计需要，而屏蔽线圈以外的区域梯度为零。尽管自屏蔽线圈具有许多优点，然而其缺点也是非常明显的。首先，由于屏蔽线圈与主线圈的电流方向相反，要在成像区域产生同样的梯度，所需的电流要比非屏蔽线圈大许多，对梯度功放的电流输出要求较高。其次，由于自屏蔽线圈是由主线圈和屏蔽线圈两组线圈组成，占用了更多的磁极空间。实际使用中要保证一定的磁极空间，就必须采用更大的主磁体，从而导致磁体制作成本增加。最后，因为它由两个线圈来代替常规的单线圈，其直流电阻比较大，所以在成像过程中梯度线圈本身的温升比较显著。对于永磁体系统来说，温度的恒定是获得高质量图像的前提条件。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的不足，为MRI系统提供一种减小涡流的方法，它通过减小梯度线圈的直径来减小线圈产生的涡流，并可保证其线性区域即成像空间基本不变。
本发明的目的是这样实现的：
一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法，它是通过减小Z梯度线圈的直径来减小梯度线圈产生的涡流并通过改变Z梯度线圈绕线方式保证成像空间不变，具体要求是：Z梯度线圈的直径至少缩减到抗涡流板直径的0.77倍，且又要大于抗涡流板直径的0.65倍；Z梯度线圈绕线方式是：线圈绕线8-16圈，分内圈和外圈，内圈绕一圈，外圈最里圈与内圈之间的间隔较大。
本发明的优点在于有效减小梯度线圈产生的涡流，成像系统空间定位更加精确，避免图像发生畸变。克服上升、下降沿拖长的问题，缩短切换时间，提高分辨率和信噪比，获得好的特征对比度。不需要加屏蔽线圈，节省磁极空间，因此降低对主磁体的要求，从而降低成本；灵敏度高，因而驱动电流小，降低对梯度功放的要求，线圈发热问题得到缓解。
附图说明
图1(a)为现有技术带有抗涡流板的永磁体结构示意图
图1(b)为本发明带有抗涡流板的永磁体结构示意图
图2为梯度线圈与涡流区域的等效模型图
图3为圆形电流沿其直径方向的Z分量磁场大小分布图
图4为本发明Z梯度线圈的绕线方式图
具体实施方式
参阅图1，用于成像的磁体主要包括梯度线圈1、抗涡流板2、磁极3、立柱4、匀场环5，中间围成的区域成为成像区6。梯度线圈1和抗涡流板2由匀场环5围绕。抗涡流板2将梯度线圈1和磁极3隔离开，梯度线圈1引起的感应电流直接作用于抗涡流板2上，在磁极3上不产生涡流。但是在抗涡流板2的边缘区域由匀场环5覆盖着，而匀场环5又是由金属材料制成的，因此梯度线圈1还会在匀场环5区域引起涡流。
在带抗涡流板的磁体中，涡流主要产生在磁体边缘的圆环金属区域，如果能减小梯度线圈在该处产生的磁场，那么就能减小涡流。
参阅图2，图中(a)是横向梯度线圈即X、Y梯度线圈与涡流区域的等效模型图，涡流区域等效为一个圆环，图中阴影部分所示，横向梯度线圈一般有两个半圆区域组成，这两个半圆区域产生的磁场方向是相反的，因此这两个半圆区域在磁体边沿的圆环金属中产生的涡流方向也相反，这样正好使圆环金属中的涡流相互抵消，所以横向梯度线圈产生的涡流比较小。图中(b)是纵向梯度线圈即Z梯度线圈与涡流区域的等效模型图，纵向梯度线圈一般为圆形结构，它在磁体边沿的圆环金属中产生的涡流无法抵消，因此纵向梯度线圈产生的涡流比较大。实验结果也表明，在低场永磁MRI系统中，涡流的影响主要来自纵向梯度线圈，因此我们只需要考虑纵向梯度线圈引起的涡流。
参阅图3，纵向梯度线圈一般是圆形结构的，根据毕奥-萨伐尔定律，我们用数值方法模拟了一个圆形电流沿其直径方向的z分量磁场大小Bz，对于一个半径为R的圆电流，在R±0.3R内的区域，z分量磁场Bz较大，而在R±1.5R以外区域z分量磁场就变得非常小了。常规纵向梯度线圈中最大的圆接近抗涡流板尺寸，可以说这就是纵向梯度线圈在磁体边沿的圆环金属中产生比较大涡流的原因。为了减小纵向梯度线圈引起的涡流，我们可以通过减小纵向梯度线圈的半径来达到减小涡流的目的。
根据毕奥-萨伐尔定律，近似的认为载流圆线圈所产生磁场强度与线圈半径成反比，与电流大小成正比。由此可以推出，要产生等强度的梯度场，线圈半径越小所需电流越小。
线圈的半径减小，其电感也随之减小，电路暂态过程的特征时间会缩短，即电流切换的等待时间缩短。
但是减小梯度线圈的半径，其线性区域也会随之减小。因此如何设计梯度线圈、即在缩小梯度线圈半径的同时，使其还可满足成像所要求的梯度线性区域，这是本发明要解决的又一问题。
本发明采用目标场方法，利用逆比奥-萨法尔定律，将线圈的半径和线圈通电流后产生的磁场强度的空间分布，作为约束条件。由于工程上是用导线或在连续导体上切割来加工梯度线圈的，而电流密度分布是连续的，因此需要将其离散化，并采用流函数方法，将连续的电流密度离散化。流函数描述的是电流密度的空间积分，将积分总量分成N等份，则可以得到N条等高线，即每两条等高线之间的流量相等。因此等高线的位置就是布线或切割的位置。
实施例
以下结合实例对本发明特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
参阅图4，它是本发明中Z梯度线圈的绕线方式图，该绕线方式是经过目标场方法求解，然后采用流函数方法，将连续的电流密度离散化并优化后得到的。这样的绕线方式可以保持原有的线性区域几乎不变。具体的线圈数据见下表：
  Ri   单位：m
  R1   0.1092
  R2   0.2958
  R3   0.3008
  R4   0.3057
  R5   0.3107
  R6   0.3156
  R7   0.3206
  R8   0.3255
  R9   0.3305
  R10   0.3354
  R11   0.3404
  R12   0.3453
表中，R1到R12是指图4中从最内圈到最外圈的半径。考虑到线圈电阻不能太大，线圈一般采用8到16圈，线圈分为内圈和外圈，内圈只绕一圈，内圈与外圈最里圈之间的间隔较大(但随着线圈的缩小，内圈会逐渐靠近外圈)。
本实例中，磁体中的上下两个抗涡流板之间的间距为＝0.47m，抗涡流板的半径为0.5m，Z梯度线圈的半径缩减到抗涡流板半径的0.70倍，因此我们设计的Z梯度线圈的半径(指的是最外圈)为0.35m。经过测量后得到的数据如下表所示：
  原Z梯度线圈引起的涡流   半径缩减以后的Z梯度线圈引起的涡流
  Delay(sec)   Offset(Hz)Z(+4cm)   Offset(Hz)Z(-4cm)   Offset(Hz)Z(+4cm)   Offset(Hz)Z(-4cm)
  0.0005   212   -280   48   -79
  0.001   202   -266   48   -78
  0.003   177   -236   47   -75
  0.005   163   -211   45   -67
  0.008   145   -188   43   -60
  0.010   133   -176   39   -58
  0.015   113   -148   36   -53
  0.020   97   -129   33   -49
  0.050   46   -64   12   -34
  0.080   31   -41   -1   -12
  0.1   20   -29   -1   -8
  0.15   12   -16   0   -6
  0.20   5   -11   0   -6
  0.25   1   -5   0   -4
  0.30   1   -2   0   -1
在实验中两者的梯度大小都为8.5mT/m，可见，半径缩减以后的Z梯度线圈引起的涡流明显减少了。

Claims (1)

1、一种磁共振成像系统中减小梯度线圈涡流的方法，其特征在于它是通过减小Z梯度线圈的直径来减小梯度线圈产生的涡流并通过改变所述Z梯度线圈绕线方式保证成像空间不变，具体要求是：所述Z梯度线圈的直径至少缩减到抗涡流板直径的0.77倍，且又要大于所述抗涡流板直径的0.65倍；所述Z梯度线圈绕线方式是：线圈绕线8-16圈，分内圈和外圈，其内圈绕一圈，其外圈最里圈与所述内圈之间的间隔较大。
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