CN100454035C - 磁场控制的填隙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对MR成像系统(10)的磁体组件(52)填隙(88)的方法，以便可以使用其中的最小不均匀性来建立期望的B0场(74)强。利用这个方法，可以获得磁体组件(52)的足够的填隙(shim)，而不需要在已装配好磁体组件(52)后对磁体组件(52)进行机械变动。本发明分析来自期望的B0场(74)的变动和沿着磁体组件或B0场(74)的多个目标点的不均匀性。然后在每个点进行比较以确定填隙或加权系数，以便获得期望的整体B0场(74)强和目标场均匀性。然后，有源和/或无源的填隙元件可以在每个目标点并入磁体组件(52)，以便实现期望的整体场强和最小的整体场均匀性。

Description

磁场控制的填隙的方法

本申请要求2003年3月21日提交的美国专利第60/320,037的优先权。

技术领域

本发明一般地涉及一种MR系统的磁体组件的B0受控的填隙的方法，具体涉及这样的一种填隙MR系统的磁体组件的方法，它用于一旦磁体组件被装配好且不需要机械调整，以实现具有必要信号强度的接近均匀的磁场。

背景技术

通常知道，当诸如人体组织的物质在均匀的磁场(极化场B0)中时，在所述组织中的自旋的单个磁力矩试图沿着这个极化域排列，而且以它们的特征Larmor频率以随机的顺序围绕其旋进。如果所述物质或组织进入在x-y平面中并且接近Larmor频率的磁场(激励磁场B1)，则净对齐力矩或“纵向磁化”M_Z可以被旋转或“插入”到x-y平面中以产生净横向磁力矩M_t。在激励信号B1被终止后受激自旋发出信号，并且可以接收和处理这个信号以形成图像。

当利用这些信号来产生图像时，使用磁场梯度(G_x、G_y和G_z)。通常，要成像的区域被测量周期的序列扫描，其中这些梯度按照所使用的特定定位方法来改变。结果产生的一组所接收的NMR信号组被数字化并被处理，以使用许多公知的重建技术之一来重建图像。

在建立和构造MR组件的磁体组件期间，在磁体组件的材料构成中的制造容差和偏差导致通过无磁体组件的填隙建立的不均匀的B0场。作为磁制造处理的结果，磁体产生从每百万(ppm)几百个到几千ppm的很不均匀的场和大大超出范围的非准确的中心磁场不是罕见的。如果MR系统要求强均匀磁场和准确的中心磁场值，则这些变化的重要性是很显然的，其中所述强均匀磁场通常在40-50cm球形体积内小于10ppm的变化，所述准确的中心磁场值通常小于0.5％的变化。

填隙是用于从B0场去除不均匀性的通常处理。填隙对于MR系统是重要的，因为平均B0场强度必须在系统的RF硬件的某个窗口内。图1中以图形示出了填隙效果的简单示例。如图所示，没有填隙的磁体组件产生由曲线2表示的磁场。磁场的变化是很清楚的。如所广泛公知的，这些变化负面地影响MR图像的数据获取和重建。因此，确定产生由曲线4表示的填隙场，它抵消或补偿在磁场中的变化。填隙场4与磁场2的组合理想上获得由曲线6表示的均匀和均衡的B0场。

填隙处理包括在磁体组件内的填隙元件的精确布置，以便产生多个小磁场来补偿在B0场中的变化。填隙元件包括诸如填隙线圈或永久磁体的有源填隙件以及诸如铁芯的无源填隙件。在超导磁体组件中的填隙线圈是普通的，可以通过调整其上的电流来控制填隙。可以通过调整磁体的质量(mass)和极性来控制永久磁体的填隙特征，并且可以通过调整并入到磁体组件中的铁的质量来控制铁芯的填隙效果。

不论所使用的填隙元件的类型如何，通常的制造和填隙过程测量磁体组件的B0场，然后通过精确地布置填隙元件来填隙磁体组件。但是，填隙元件的布置不考虑填隙对中心B0场的平均场强度的影响。即，填隙关注场中的均匀性，并且对磁体组件的机械调整随后进行，而与处理关于平均场强度的问题无关。例如，在永久的磁MRI系统中，机械调整可以包括改变在磁体组件的磁轭之间的空隙。但是，这些机械调整可以充分地偏离磁体设计，以便反作用诸如散射场的性能特征。而且，对磁体组件的机械改变或调整是耗时的，并花成本来处理，它在足够的填隙之前经常需要重复几次。事实上，填隙处理花几天来完成不是罕见的。其他的手段包括在磁体组件内机械器件的实现以提高或降低B0场。这个器件一般被称为“B0插头(B0 plug)”，它提高到磁体组件的整体重量、大小和成本。

因此期望具有一种系统和方法，它们能够规定MR磁体组件的填隙，以便避免对磁体组件耗时和大的成本机械变化。也期望设计一个模型，其中同时处理峰值到峰值的均匀性和中央场的问题。

发明内容

本发明通过下列方式克服了上述的缺陷：提供一种对MR成像系统的磁体组件的填隙的方法，以便可以使用其中最小的不均匀性来建立期望的B0场强。利用这种方法，可以实现磁体组件的足够的填隙而不需要在已经装配好磁体组件后对磁体组件的机械改变。所述方法可以由一个或多个计算机执行一组计算机程序的指令，所述方法分析来自期望B0场的改变和沿着磁体组件或B0场的多个目标点的不均匀性。然后在每个点进行比较以确定填隙或加权系数，以便在数据获取期间获得期望的B0场强度和目标场均匀性。有源和/或无源的填隙元件可以随后在每个目标点被并入磁体组件，以便实现期望的整体场强和最小的整体场均匀性。所述填隙或加权系数用于确定在每个目标点使用的“填隙材料”的数量。

“填隙材料”按照填隙元件的类型而改变。例如，对于有源填隙元件，即填隙线圈，填隙材料对应于施加到线圈的电流的数量。通过改变施加到线圈的电流的数量，可以改变对于磁场有贡献的数量。结果，可以独立地控制填隙线圈，以便精确地控制场贡献。对于无源填隙元件，即，铁填隙件或永久磁体，填隙材料对应于被加到磁体组件的磁元件的数量。

因此，按照本发明的一个方面，一种填隙MR成像系统的磁体的方法包括步骤：确定具有多个目标点的B0场的期望B0场强；确定B0场的最小可接受场不均匀性。所述方法也包括步骤：在每个目标点确定来自期望B0场强的场强改变和来自最小可接受场不均匀性的不均匀改变的至少一个。B0场的每个目标点然后被填隙，以便至少一个实际B0场强至少接近期望的B0场强，并且实际的场不均匀性不超过最小可接受场不均匀性。

按照本发明的另一个方面，一种计算机可读存储介质，其上存储了计算机程序，用于开发用于MR成像系统的磁体组件的填隙模型，所述计算机程序表示一组指令，它们当被计算机执行时使得计算机映射由组装的磁体组件产生的B0场。从所述映射，识别在B0场内的多个目标点或一组谐波(harmonic)。所述指令组然后使得计算机确定在每个目标点需要的填隙量，以便B0场的期望场强被保持，并且同时实质地删除在B0场内的不均匀性。

按照本发明的另一个方面，提供了一种制造MR成像系统的磁体组件的方法。所述方法包括步骤：构造永久磁体组件，它被设计来产生具有大约所感兴趣范围内的期望场强的B0场。然后确定沿着B0场的场强的变化。然后最小化场强的变化而不要求对永久磁体组件进行机械调整。

通过下面的详细说明和附图，本发明的各个其他特征、目的和优点将变得明显。

附图说明

附图图解当前考虑来用于执行本发明的一个优选实施例。

图1是一系列曲线，用于图解由磁体组件产生的磁场、通过并入到磁体组件的填隙元件产生的填隙场、以及当磁场与填隙场组合时期望的均匀B0场；

图2是用于本发明的MR成像系统的示意方框图；

图3是一个流程图，给出填隙MR成像系统的磁体组件以便最小化对组装的磁体组件的机械调整的步骤；和

图4是一个流程图，用于由一个或多个计算机执行的高级行为，以确定按照本发明的MR磁体组件的最小填隙。

具体实施方式

参见图2，其中示出了并入本发明的优选的磁共振成像(MRI)系统10的主要部件。系统的操作是由操作员控制台12控制的，操作员控制台12包括键盘或其他输入器件13、控制板14和显示屏幕16。控制台12通过链路18与独立的计算机系统20通信，计算机系统20使得操作员能够控制在显示屏幕16上的图像的产生和显示。计算机系统20包括多个模块。它们彼此通过底板20a通信。这些包括图像处理器模块22、CPU模块24和存储器模块26，所述存储器模块26在本领域内被称为帧缓冲器，用于存储图像数据阵列。计算机系统20链接到用于存储图像数据和程序的盘存储器28和磁带驱动器30，并且通过高速串行链路34与独立的系统控制32通信。输入器件13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸启动屏幕、光条形码读入器、语音控制或任何类似或等同的输入器件，并且可以用于交互的几何规定。

系统控制32包括与底板32a连接在一起的一组模块。这些包括CPU模块36和脉冲产生器模块38，脉冲产生器模块38通过串行链路40连接到操作员控制台12。系统控制32通过链路40从操作员接收指示要执行的扫描序列的命令。脉冲产生器模块38操作系统部件以执行期望的扫描序列，并且产生数据，所述数据指示所产生的RF脉冲的定时、强度和形状以及接收获取窗口的定时和长度。脉冲产生器模块38连接到一组梯度放大器42，用于指示在扫描期间产生的梯度脉冲的定时和形状。脉冲产生器模块38也可以从生理获取控制器44接收病人数据，所述生理获取控制器44从多个连接到病人的不同传感器接收信号，诸如来自附接到病人的电极的ECG信号。并且最后，脉冲产生器模块38连接到扫描室接口电路46，扫描室接口电路46从与病人的条件和磁体系统相关联的各个传感器接收信号。病人定位系统48通过扫描室接口电路46接收命令以将病人移动到期望的位置来扫描。

由脉冲产生器模块38产生的梯度波形被应用到具有G_x、G_y和G_z放大器的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激励在一般地指定为50的梯度线圈组件中的对应物理梯度线圈，以产生用于空间编码所获取的信号的磁场梯度。梯度线圈组件50形成磁体组件52的一部分，所述磁体组件52包括极化磁体54和整体RF线圈56。在系统控制32中的收发器模块58产生脉冲。所述脉冲被RF放大器60放大并且被发送/接收开关62耦合到RF线圈56。由病人中被激励的原子核发出的结果信号可以被同一RF线圈56检测到，并且通过发送/接收开关62耦合到前置放大器64。被放大的MR信号在收发机58的接收机部分中被解调、滤波和数字化。发送/接收开关62被来自脉冲产生器模块38的信号控制，以便在发送模式期间将RF放大器60连接到线圈56，并且在接收模式期间将前置放大器64连接到线圈56。发送/接收开关62也可以使得独立的RF线圈(例如表面线圈)能够用于发送或接收模式中。

由RF线圈56拾取的MR信号中收发器模块58数字化，并且被传送到系统控制32中的存储器模块66。当在存储器模块66中已经获取了原始的k空间数据的阵列时完成扫描。这个原始k空间数据被重新布置到用于每个要重建的图像的独立k空间数据阵列，并且其中每个被输入到阵列处理器68，阵列处理器68操作来将数据傅立叶变换为图像数据的阵列。这个图像数据通过串行链路34被传送到计算机系统20，其中它被存储在诸如盘存储器28的存储器中。响应于从操作员控制台12接收的命令，这个图像数据可以在长期存储器中被归档，例如在磁带驱动器30上，或者它可以被图像处理器22进一步处理，并且被传送到操作员控制台12和在显示器16上显示。

本发明将被描述为控制通过MR成像系统的磁体组件产生的B0场的填隙方法。虽然本发明将被描述为通过处理或技术操作的系列步骤，但是本发明可以按照计算机程序的可执行指令由一个或多个计算机或处理器等同地执行。另外，将描述本发明将相对于永久磁体的填隙，但是本发明可以等同地应用到其他磁体类型，其中包括但不限于超导磁体。而且，以下的填隙处理可以在工厂、在安装地点或其组合中被执行。

现在参见图3，用于填隙MR磁体组件的制造处理70的步骤伴随着构造和组装磁体组件在72开始。在构造磁体组件时，测试B0场在74产生，并且进行分析，以便在B0场中的变化或不均匀性以及场强可以被处理，并且如果可能的话可以被校正。如上所述，作为材料属性的偏差和制造处理中的容限的结果，组装的磁体组件的磁场经常不均匀。而且，与磁体组件较近布置的铁磁体物体可能负面地影响场均匀性，因此必须被考虑。

从在74产生的场映射，B0场可以被分析以确定是否场强和均匀性在指定的限制76内。如果两者在限制76、78内，则完成填隙处理70并且在80结束，并且磁体组件并入MR组件和进行后续的向下处理。但是，如果场强或场均匀性在可接受的限制76、82之外，则填隙处理70继续，并且在84系统和填隙限定被输入一个或多个被编程来确定填隙参数的计算机。

所述限定输入包括期望的B0场强和最小可接受的场均匀性。其他输入包括磁体系统几何限定以及填隙限定。所述填隙限定包括对于每种潜在的填隙件的物理限制和在磁体内的填隙件的布置。例如，对于有源填隙件，限定可以包括可以施加到填隙以控制场贡献的最大或最小的可接受电流。在另一个示例中，可能对于诸如铁芯的无源填隙件输入质量限定。如下更详细而言，在86，这些限定被填隙算法利用来确定填隙件布置、填隙件类型和填隙件数量。

因为场强和期望的场均匀性被输入作为填隙限定，因此在86的填隙件布置、类型和数量的确定，使得按照算法的输出的填隙件的实现不导致对B0场强的实质改变或者在考虑到场均匀性的同时实现期望的B0场强。因此，对于磁体进行机械变化或改变以提高或降低场强是不必的。因此，在步骤86识别的每个位置或目标点在88安装填隙件，并且在每个填隙位置应用的“填隙材料”的数量同样从在86的算法或模型之外所知的。如上所述，使得“填隙材料”的数量作为整体，获得期望的场强，并且实质地实现均匀性。

B0场的验证随后在74进行，并且重新产生B0场映射。然后再次在步骤76进行分析以确定是否场强和不均匀性在可接受的限制内。如果这样，则填隙处理在80完成和结束。如果不是这样，则填隙处理继续，并且对所应用的填隙件重新运行填隙算法和调整。但是，避免了对磁体组件的机械调整，如上所述。

现在参见图4，其中示出了参照图3上述的填隙算法的行为的高级图解。由一个或多个计算机执行的所述算法或技术在92开始，并且在94接受系统和填隙限定输入。从系统和填隙限定，在96配成目标函数。定义可以采取许多形式之一的所述目标函数来确定在磁体组件中需要的填隙的最小数量，以便去除场不均匀性和获得场强，或者合适的话保持期望的场强。下面更详细地说明目标函数的两个示例。

在配成适当的目标函数之后，在98应用在94的限定输入。从对于目标函数的限定，在100确定理想的方案。所述理想的方案给出了在磁体组件内的多个位置或目标点需要的填隙数量。但是必须考虑到可能在每个位置识别的精确填隙的量是不可能的。例如，铁填隙件被制造为具有改变的质量程度。因此，不可能存在具有被识别为“理想的”精确特定填隙值的铁填隙件。因此，在102必须离散化理想的方案以处理在“理想的”填隙值和可用的填隙值之间的变化。从所述离散化处理，填隙位置和填隙数量被输出，以便可以执行参照图3所述的填隙处理。

如上所述，填隙算法可以利用多个被设计用于同时处理场不均匀性和场强的目标函数之一。例如，可以使用线性编程(LP)手段或实现方式或最小二方法。在一种LP手段中，目标函数可以被定义为：

Minimize Obj＝∑V_i(I_i ⁺-I_i ^-)+∑Wj*Yj    (方程1)。

所述函数被限制或具有下述限定：

-I_max≤I_i ^-≤0                          (方程2)；

0≤I_i ⁺≤I_max                           (方程3)；

Y_L≤Yj≤Y_U                             (方程4)；

B_L≤AX≤B_U                             (方程5)；

其中：

I_i ^-、I_i ⁺是用于有源填隙件的状态变量，诸如电阻、超导或永久磁体填隙件。对于填隙线圈，这些是在线圈中需要的适当符号的电流的数量。对于永久磁体填隙件，这些是适当极性的永久磁体材料的数量。

Yj是用于无源填隙件的状态变量。这些是位于每个位置的无源填隙件的数量。

V_i是有源填隙件的加权系数；

W_i是用于无源填隙件的加权系数；

A是在每个填隙位置的有源和无源的填隙强度矩阵，或者以对于每个填隙点的场贡献的形式或者以包括B0贡献的球谐函数(spherical harmonic)的形式；

X是所有的状态变量的向量；

B_L和B_U是以场(高斯、Tesla)或谐波(ppm)的形式的限定下和上边界向量。这些是定义场均匀性和期望的中心场(B0)的实际限定。

应当注意，方程5可以被特征化为|AX-B_目标|≤ε，其中B_目标是目标场或谐波，ε是可允许的容差向量。

在另一种LP手段中，下面的目标函数可以被定义和用于确定或计算有用的方案。

Minimize Obj＝∑a_iX_i+T+βQ    (方程6)；

所述函数受到下述限定：

(方程7)；

(方程8)；

(方程9)；

(方程10)；

0≤X_i≤t_i                     (方程11)；

Q、T、B_平均≥0                (方程12)；

其中：

X_i是用于有源填隙的状态变量，诸如电阻、超导或永久磁体填隙件。对于填隙线圈，这些是在线圈中需要的适当符号的电流的量。对于永久磁体填隙件，这些是适当极性的永久磁体材料的数量。

a_i是用于填隙的加权系数，并且可以对于所有的填隙是恒定的，或按照类型或甚至独立的填隙件而改变。

ΔB_ij是在每个填隙位置的有源和无源元件的填隙强度矩阵，或者以对于每个填隙点的场贡献的形式，或者以球谐函数的形式。

B_下和B_上是以场形式的限定下和上有界向量。这些是实际的限定，它限定场均匀性和期望的中心场(B0)。

B_平均、Q和T是解算器(solver)变量，它们分别表示平均场、在B0目标窗口上或下的数量、以及在PPM目标上或下的数量。

t_i表示每个填隙的最大值限定，可以是例如最大电流、质量或体积。

β是在均匀性和B0目标之间的加权系数；以及

B^输入是在每个点测量的场值。

LP手段是优选的，因为它得到快速和最佳的解。而且，LP手段使得可以灵活地设置在期望的B0级上的窗口以及B0场级对均匀性的重要性的相对加权。对于谐波的限定可以类似地被加上，或取代方程(7)和(8)而被使用。

另一种手段是实现最小二乘解。利用这种手段，得到的解不必然是最佳的。因此，可能不能获得期望的场特征和中心场强。这个手段的具体情况如下：

Minimize Obj＝∑V_i*(B_i-B_{i_目标})²+∑Wj*Yj²        (方程13)；

受到下列限定：

Y_L≤Yj≤Y_U                                       (方程14)；

其中：

B_i是在目标点的预测场或预测谐波和B0(第0阶谐波是B0)；

B_{i_目标}是在目标点的期望场或期望的谐波和B0(第0阶谐波是B0)；

Yj是用于填隙的状态变量。这些是在每个位置的无源或永久磁体填隙材料的数量或每个填隙线圈需要的电流量。

V_i是用于场或谐波要求的加权系数；

W_j是用于填隙材料的加权系数。

每种手段识别期望的场强和期望的均匀性来作为对填隙解的限定。而且，每个手段从对于场强和场不均匀性的限定以及对于填隙的类型和可用的填隙材料的数量的限定来确定解。因此，可以得到解，它获得适当的均匀性和期望的中心场，因此避免了对于磁体组件的机械调整。另外，利用上述手段，在多个目标点或位置确定与期望场强或均匀性的偏离。从这个偏离或误差，在每个填隙位置需要的填隙材料的数量可以被最小化。而且，可以根据在每个确定位置的每个填隙件的场贡献量或根据在每个确定位置的包括每个填隙件的B0贡献的球谐函数来求得填隙解。这些手段分别被考虑为“目标场手段”和“目标谐波手段”。

因此，按照本发明的一个实施例，一种填隙MR成像系统的磁体的方法包括步骤：确定具有多个目标点的B0场的期望B0场强；确定B0场的最小可接受场不均匀性。所述方法也包括步骤：确定在每个目标点的来自期望B0场强的场强变化和来自最小可接受场不均匀性的不均匀性变化的至少一个。B0场的每个目标点随后被填隙，以便实际B0场强的至少一个至少接近期望的B0场强，并且实际的场不均匀性不超过最小可接受场不均匀性。

按照本发明的另一个实施例，一种计算机可读存储介质，其上存储了计算机程序，用于开发用于MR成像系统的磁体组件的填隙模型，所述计算机程序表示一组指令，它们当被计算机执行时，使得计算机映射由组装的磁体组件产生的B0场。从所述映射，识别在B0场内的多个目标点或一组谐波。所述指令组然后使得计算机确定在每个目标点需要的填隙量，以便B0场的期望场强被保持，并且同时实质地删除在B0场内的不均匀性。

按照本发明的另一个实施例，提供了一种制造MR成像系统的磁体组件的方法。所述方法包括步骤：构造永久磁体组件，它被设计来产生具有大约所感兴趣范围内的期望场强的B0场。然后确定沿着B0场的场强的变化。然后最小化场强的变化而不要求对永久磁体组件进行机械调整。

本发明已经参照优选实施例进行了说明，并且可以识别除了明确表达的那些之外，多种等同物、替代或修改是可能的，并且在所附的权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种对MR成像系统(10)的磁体进行填隙的方法，所述方法包括步骤：

使用被设计来以预定场强产生B0场的磁体组件来创建有关成像空间的B0场；

确定用于B0场的最小可接受场不均匀性；

在沿着B0场的多个目标点处确定从最小可接受场不均匀性开始的不均匀性变化和从预定B0场强开始的场强变化中的至少一个；和

在多个目标点的至少一部分处进行填隙，以便实际的场不均匀性不超过最小可接受场不均匀性和实际的B0场强至少基本接近填隙后的预定场强。

2.按照权利要求1的方法，其中填隙的步骤包括：向对应于所述多个目标点的至少一部分的磁体组件添加无源填隙元件和/或有源填隙元件中的一个之

。按照权利要求2的方法，其中所述添加步骤包括：在所述多个目标点的至少一个处、在向磁体组件中并入填隙线圈，并且确定要施加到填隙线圈的电流量，以便控制填隙线圈对B0场的磁场贡献。

4.按照权利要求3的方法，还包括步骤：构造填隙线圈，以便填隙线圈贡献的磁场的谐波补偿B0场中的不均匀性。

5.按照权利要求2的方法，其中所述添加步骤包括：在所述多个目标点的至少一个处将永久磁体和铁芯之一并入磁体组件中，其中永久磁体和铁芯之一具有一质量，所述质量被确定为最小地满足对B0场强的贡献和补偿B0场中的不均匀性。

6.按照权利要求2的方法，还包括步骤：根据在每个目标点处的从预定B0场强开始的场强改变和从最小可接受场不均匀性的不均匀改变中的至少一个来确定用于多个目标点的每个目标点的填隙系数。

7.按照权利要求6的方法，其中，确定填隙系数的步骤包括：确定下有界向量和上有界向量，所述下有界向量和上有界向量表示预定B0场强和最小可接受场不均匀性的至少一个的最小和最大限制。

8.按照权利要求7的方法，还包括步骤：确定在多个目标点的每个处的场贡献和/或在多个目标点的每个目标点处的球谐函数的至少一个，并且确定每个目标点的收敛向量，以便所述收敛向量乘以在多个目标点的每个目标点处的场贡献和球谐函数之一，而得到落入下有界向量和上有界向量之间的积。

9.按照权利要求9的方法，其中确定收敛向量的步骤包括：确定在每个目标点处需要的填隙总量，以获得至少接近预定B0场强的实际的B0场强和不超过最小可接受场不均匀性的实际场的不均匀性。

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