CN101017195B - 稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置，属永磁成像技术，为使成像系统免受磁体由于梯度线圈发热而产生温漂的影响。以事先由预置升温的温度预调，将梯度线圈升温过程提前到成像开始之前，并阻止其在成像完成后的温度回降，消除了此后在工作与非工作温度之间，再次发生变化的前提与基础，以工作温度或接近工作温度的状态，保持或基本保持了梯度线圈，对磁体温度稳定或比较稳定的影响。以梯度线圈成像工作等效电流对自身加热，避免调节的重复设置，简化预置电流控制。依据热量差额的反馈修正，可以维持稳定的预调状态。简单增加的可控电压装置(7)即可制成本方法的实施装置。方案构思合理巧妙独到、方法简便易行、效果显著可靠。

Description

稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置

技术领域

稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置，属永磁成像技术，主要涉及成像设备中防止其磁体产生温漂的方法及所用装置。

背景技术

公知永磁核磁共振(MRI)系统是由永久磁性材料提供磁共振成像所需的静磁场(B₀)，静磁场的不稳定对核磁共振(MRI)成像系统的成像质量有较大的影响，磁共振成像对静磁场的稳定性要求比较严，低场一般要求4ppm/h左右。但是，目前的磁性材料随温度变化比较大，对于经常使用的铷铁硼材料，大约是1000ppm/℃。这样就要求磁体的温度稳定性要非常好。在MRI成像过程中，梯度线圈中会有很大的电流流过，由于梯度线圈中的电阻存在，因而会发热。如果假定扫描过程中梯度线圈中的平均电流为15A，梯度线圈的电阻为0.4Ω，则此梯度线圈的发热功率为：P＝I²×R＝15²×0.4＝90(W)，由于成像过程中有三个梯度线圈，因此总的发热功率为3×90＝270瓦。这就是说，在成像过程中有一个270瓦的加热器在工作，因而会使磁体产生温漂。

目前主要采用散热来解决这个问题，方法有多种，比如风冷法、水冷法、油冷法，既可以密闭内部循环，也可以在外部循环并加入制冷设备。但是这许多方法中都存在一个比较难解决的问题，这个问题就是：梯度线圈的发热量与成像过程中的脉冲序列有关，并且梯度线圈发热对磁体的影响有滞后效应。这样就要求散热量的大小应可以灵活控制并与运行的脉冲序列相关，这种控制在实际操作中是很难实现的。如果控制不好，这种方式的效果就要差很多了。

电加热是在磁体上附加热源，用提高磁体温度控制磁体成像工作中的温度变化，也是目前应用较多的一种方法，有多个加热带和多个传感器，根据传感器探测到的磁体温度来控制加热带，使加热带发出的热量不同。这是另一途径对磁体热交换关系的调节，可以很好的解决环境温度对磁体温度的影响，也收到一定效果，但对解决梯度线圈发热对磁体温度的影响效果不是很好，原因是加热带/传感器和梯度线圈不可能在同一位置，热的传导需要一定的时间(整个磁体十几吨至二十几吨)，而梯度线圈在成像过程中是一会儿加热一会儿不加热，加热带/传感器很难跟上这个步伐，有时还会起一定的反作用。而且需要附加多种设施以及相应有控制手段。

发明内容

本发明的目的是，提供稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置，使成像系统避免磁体由于梯度线圈发热而产生的温漂。要解决的技术问题是提出稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置的技术方案。

本发明方法部分的具体内容是，稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法包括，以附加温度调节介入永磁成像中磁体的热交换系统，其中，所述附加温度调节是，在成像工作之前、梯度线圈中，附加以成像工作电流的等效电流为准的预置电流，对梯度线圈进行升温预调，使梯度线圈处于或接近、并保持大多数、正常成像、且不采取其它温度调节措施、正常工况条件下的线圈温度，即，使工作准备状态的线圈提前适度升温，直到呈现、并保持与工作线圈在无人工温度调节、正常工况条件下的工作温度，等待成像工作的开始；在成像工作开始后的整个成像过程，停止预调，线圈中仅有成像的工作电流，且无其它人工热调节因素介入；成像完成后，恢复预调，进入线圈后续成像的待工作状态.

这样，以附加的预调提前介入永磁成像中线圈的热交换系统，使其已处于应有的工作温度或其临近状态，就有可能在梯度线圈因成像升温之前已经完成升温，使其处于应有的工作温度或其临近状态，在工作之中，成像工作是处于工作升温后的稳定状态。由于梯度线圈此前的温度与其一致或接近，所以尽管处于工作与非工作的两种状态，但其温度在成像过程中却没有或少有变化；在梯度线圈有温度变化的升温阶段，磁体并不处于工作状态。也就是说，本方法并未简单追求梯度线圈本身的温度稳定，而是改变了不稳定温度发生的时间段，并且阻止梯度线圈在成像工作停止之后的温度回降，消除了温度再次变化的前提与基础，保持或基本保持了对磁体温度稳定或比较稳定的影响。

电流是使电导线圈产生热能的一种简单方便的能源型式，就在原工作电路、通入与工作电流等效的电流，是使梯度线圈达到、或接近工作状态正确合理与直接的方法。其维持的温度也自然是、或接近成像的工作温度，也就不会再有温度变化，或不会再有显著的温度变化；直接由产生温升的梯度线圈实现自身的升温预调，其结果更贴近梯度线圈的实际成像温升，也就是，更贴近磁体的工作状态，使预置的温升更准确、更有效，其模拟的过程也应该更加简捷。从而实现了本发明目的中方法部分的内容，解决了为减少梯度线圈发热致使磁体产生温漂影响所提出的技术问题。

本发明所述成像工作过程中，应当记录与计算成像全过程的梯度线圈工作电流发热量，比较此发热量与预置电流同期产生的供热量，以其差值对温度预调进行纠正或补偿。

供热量与实时发热量的比较是对预置与实时之间差异较为准确的反应，纠正与补偿是反馈理应发生的结果。

本发明所述补偿是按所述差额、以恢复预置状态为目标所进行的恢复性补偿，即将成像完成时的线圈状态恢复为预置状态。以纠正后的补偿预置电流、在补偿时间段进行补偿。补偿预置电流补偿了供、发热量间的差额，使磁体又重新回到预置完成后的状态，梯度线圈进入待工作状态。

本发明方法的工作程序如下，1开机启动软件；2发送指令使“提供可控电压装置”输出一个固定电压V₀，等待成像指令；3接收到输入设备发出的成像指令；4发送指令使“提供可控电压的装置”输出电压为零电压；5调用正常成像程序进行扫描成像；6计算在扫描过程中梯度线圈的发热量和需要补偿的电压V₁及时间T₁；7发送指令使“提供可控电压的装置”输出补偿电压V₁并持续时间间隔T₁；8重复前述第2步程序，发送指令使“提供可控电压的装置“输出固定电压V₀；等待第3步程序启动。这是具体执行上述方法的工作程序与具体步骤。

实现本发明方法的设备是，稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的装置包括，计算机主机，与主机相联、接受计算机指令的核磁共振成像谱仪，接受成像谱仪输出的梯度放大器，对梯度放大器输出进行滤波的穿透板，与穿透板相连、紧挨磁体的梯度线圈.同时，还设有接受并执行计算机指令、输出端与梯度放大器相联、控制梯度放大器电流输出的可控电压装置.

控制梯度放大器电流输出的可控电压装置，可以执行本发明中的对非扫描时间时的梯度线圈中流过电流的控制，经梯度放大器为梯度线圈提供预置电流与补偿预置电流，计算机的输出指令则可以依需要控制可控电压装置的输出。从而实现本发明方法对永磁成像系统中磁体温度的稳定调节，实现了发明目的中关于设备部分的内容，解决了为此所提出的技术问题。

本发明所述可控电压装置包括，与计算机相联的通信串口，与串口相联的微处理器，与微处理器输出端相联的D/A转换器，与转换器输出端相联的模拟放大器。这是一种可控电路，以实现按接收的指令，最终实现对梯度线圈内的电流的控制。

本发明以事先由预置升温的温度预调，转移了梯度线圈升温与成像的时间关系，并进一步阻止了梯度线圈在成像完成后的温度回降，自预调开始之后，就消除了梯度线圈在工作与非工作温度之间，再次发生变化的前提与基础，以工作温度或接近工作温度的状态，保持或基本保持了梯度线圈，对磁体温度稳定或比较稳定的影响。以梯度线圈成像工作等效电流对自身加热，用工作温升的同样途径介入了梯度线圈的热交换过程，避免另外附加温度调节系统的重复设置，也简化了对温度预置电流的控制。先预设或先依据统计分析预置电流，并辅以实时记录后的比较、与按比较后的差额对预置进行修正，可使预置趋向准确，与实时成像最频繁出现的过程相一致。对预置进行恢复性补偿可以简便地维持梯度线圈的预置温度的稳定。在永磁核磁共振成像梯度线圈相关设备中，简单增加的可控电压装置，则将实施该方法的装置变为现实。方案构思合理巧妙独到、方法简便易行、效果显著可靠。

附图说明

图1为稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法及装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1的测试结果对比图；

图3是提供可控电压的装置(7)的原理框图，可以比较容易的现；

图4是与预置电流法相关的计算机软件的流程图。

图中：1-磁体2-梯度线圈3-射频线圈4-梯度放大器5-MRI成像谱仪6-计算机主机7-提供可控电压的装置8-穿透板

工作原理

1.工作时，首先依据统计资料，选取梯度线圈中流过的电流为I₀，由计算机控制在成像之前，对梯度线圈和磁体预先加热，待磁体停止升温时仍以该电流维持之，并进入梯度线圈的待工作状态，成像开始时(t1时刻)，由计算机控制切断预置升温电流，开始成像部分的工作。

2.成像完成后，记录此时的时间为t2，根据成像使用的脉冲序列计算出梯度线圈中流过的电流I(t)，进而根据：

$W={\∫}_{t1}^{t2}{I}^2\left(t\right)\mathrm{Rdt}$

计算出梯度线圈在成像过程中的发热量；

3.计算热量差：

$\mathrm{\ΔW}={\∫}_{t1}^{t2}{I}^2\left(t\right)\mathrm{Rdt}-I_0^2\×R\×(t2-t1)$

4.给梯度放大器加一个恒定电压，使梯度线圈中流过恒定电流为I₁，使I₁的值满足如下关系：

$(I_1^2-I_0^2)\×R\×(t3-t2)=-\mathrm{\ΔW}$

5.过了时刻t 3，使梯度线圈中的电流为I₀，准备进行下一次的成像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

第一实施例是一台常规的MPF3000-I永磁核磁共振成像设备，只是在常规设备中加入接受计算机输出指令、提供控制梯度放大器电流输出的可控电压装置。如图1-图4。该装置的结构原理框图如图三所示，它通过串口与计算机主机相连，接受计算机的指令，翻译该指令并输出一个数据，该数据经过D/A转换器转换成模拟电压，再通过模拟放大器将此电压值放大到合适的电平值，该电平值直接输入到梯度放大器的输入端，就可以在梯度放大器的输出端提供梯度线圈所需要的电流输出。

本例设备的工作过程如下：

1.首先，在没有对梯度线圈加热的状态下进行模拟成像扫描，记录每个时间段的核磁共振系统频率值；

2.其次，在对梯度线圈加热的状态下进行模拟成像扫描；

3.系统开机后，依据统计资料，计算机主机6控制提供可控电压的装置7产生一个恒定电压3.4V，该电压经过梯度放大器4给梯度线圈2提供一个11A的恒定电流，温度稳定后随时准备扫描；

4.接受到开始成像扫描的指令；

5.计算机主机6控制提供可控电压的装置7输出电压为零；

6.开始成像，成像过程中计算机主机6控制核磁共振成像谱仪5产生需要的脉冲序列；

7.成像完成后，核磁共振成像谱仪5不再产生脉冲序列，计算机主机6控制提供可控电压的装置7产生3.4V的恒定电压使梯度线圈2中产生的电流为11A；

8.模拟医院的实际运行周而复始的重复3至7，记录每个时间段的核磁共振系统频率值。

图2为两种情况下测试结果的对比，曲线1是没有对梯度线圈加热的状态下进行模拟成像扫描时纪录的系统频率值数据，曲线2是有梯度线圈加热的状态下进行模拟成像扫描时纪录的数据。从图中可以看出，进行梯度线圈控制加热时，MRI系统的频率漂移峰值从3300Hz下降到1800Hz。

本例中只是以预置电流对梯度线圈进行了预置升温，没有进行成像之后的补偿，但已可从图2中看到频率的变化在明显减小的效果。

第二实施例

1.实施例二是在实施例一的基础上对梯度线圈中的预置电流进行动态调整，也就是进行补偿。下面对工作过程进行描述：系统开机，启动软件；

2.计算机主机(6)控制提供可控电压的装置(7)产生一个恒定电压3.4V，该电压经过梯度放大器(4)给梯度线圈(2)提供一个11A的恒定电流，温度稳定后等待成像指令；

3.接受到开始扫描成像的指令，记录此刻时间t1；

4.主机发送指令使提供可控电压的装置(7)产生零电压；

5.开始进行扫描成像，假设成像的脉冲序列为SE2D，成像时间为t2-t1＝180秒，梯度线圈的电阻为R＝1.5Ω；

6.成像完成后，记录此时的时间为t2，根据成像使用的SE2D脉冲序列计算出梯度线圈中流过的电流I(t)，进而根据：

$W={\∫}_{t1}^{t2}{I}^2\left(t\right)\mathrm{Rdt}$

计算出梯度线圈在成像过程中的发热量；

7.计算热量差：

$\mathrm{\ΔW}={\∫}_{t1}^{t2}{I}^2\left(t\right)\mathrm{Rdt}-I_0^2\×R\×(t2-t1)$

8.可以计算出：

ΔW＝27070-32670＝-5600(焦耳)

按 $(I_1^2-I_0^2)\×R\×(t3-t2)=-\mathrm{\ΔW}$ 的关系，给梯度放大器加一个恒定电压，使梯度线圈中流过恒定电流I₁：

其中设定：t3-t2＝40秒

由 $(I_1^2-I_0^2)\×R\×(t3-t2)=-\mathrm{\ΔW}$ 计算出：I₁＝14.64A

9.计算机主机(6)控制提供可控电压的装置(7)产生一个恒定电压4.52V，该电压经过梯度放大器(4)给梯度线圈(2)提供一个14.64A的恒定电流，经过40秒后；

10.再使梯度线圈中流过的电流为11A。此后随时可以进行下一次的成像。

11.再次接受到开始进行扫描成像的指令；

12.主机(6)发送指令使提供可控电压的装置(7)产生零电压；

13.开始进行扫描成像，假设成像序列是FSE2D，成像时间是248秒；

14.根据FSE2D脉冲序列可以计算出：

ΔW＝53568-45012＝8556(焦耳)

设定：t3-t2＝60秒

由 $(I_1^2-I_0^2)\×R\×(t3-t2)=-\mathrm{\ΔW}$ 计算出：I₁＝5.1A

15.计算机主机(6)控制提供可控电压的装置(7)产生一个恒定电压1.58V，该电压经过梯度放大器(4)给梯度线圈(2)提供一个5.1A的恒定电流，经过60秒后；

16.再使梯度线圈中流过的电流为11A。此后随时可以进行下一次的成像。

可以看出：运行SE2D脉冲序列时，梯度线圈的发热量要少于预置的发热量，因而需要正向补偿(14.64A＞11A)。运行FSE2D脉冲序列时，梯度线圈的发热量要多于预置的发热量，需要进行反向补偿(5.1A＜11A)。

运行不同的脉冲序列时梯度线圈的发热量确实不同，实施例2针对不同的脉冲序列进行了不同的补偿，在上面的例子中根据脉冲序列的不同施加了11A、14.64A、5.1A三种电流.而实施例1不管运行什么样的脉冲序列，只是在不成像时间段加一个固定11A的恒定电流，但已经有明显的效果.本例的14.64A是由于热量比较为负号，表明此前具体成像工作电流偏小，因而未能维持初始磁体的工作温度，以较预置的11A更大的电流14.64A补偿加热，使温度重新回到预置状态；第二次比较结果为正，表示此前工作电流较预置值大，会提升磁体温度，因此以较小的5.1A反向补偿，在其经过60秒后，温度回归，再接续初始预置的待工作状态.这样做的结果会使磁体以恒定的初始状态，进入待工作阶段，控制了磁体的温度波动.可以预见，实施例2的效果显然要比实施例1好很多.

Claims (6)

1.稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法，包括：以附加温度调节介入永磁成像中磁体的热交换系统，其特征在于：所述附加温度调节是，在成像工作之前，在梯度线圈中，附加以成像工作电流的等效电流为准的预置电流进行升温预调，使梯度线圈处于、并保持正常成像、且不采取其它温度调节措施、正常工况条件下的线圈温度，即，使工作准备状态的线圈提前适度升温，直到呈现、并保持与工作线圈在无人工温度调节、正常工况条件下的工作温度，等待成像工作的开始；在成像工作开始后的整个成像过程，停止预调，线圈中仅有成像的工作电流，且无其它人工热调节因素介入；成像完成后，恢复预调，进入线圈后续成像的待工作状态。

2.如权利要求1所述稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法，其特征在于：所述成像工作过程中，应当记录与计算成像全过程的梯度线圈工作电流发热量，比较此发热量与预置电流同期产生的供热量，以其差值对温度预调进行纠正或补偿。

3.如权利要求2所述稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法，其特征在于：所述补偿是按所述差值、以恢复预置状态为目标所进行的恢复性补偿，即将成像完成时的线圈状态恢复为预置状态的补偿。

4.如权利要求1、2或3所述稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法，其特征在于：所述方法的工作程序如下，①开机启动软件；②发送指令使“提供可控电压装置”输出一个固定电压V0，等待成像指令；③接收到输入设备发出的成像指令；④发送指令使“提供可控电压的装置”输出电压为零电压；⑤调用正常成像程序进行扫描成像；⑥计算在扫描过程中梯度线圈的发热量和需要补偿的电压V1及时间T1；⑦发送指令使“提供可控电压的装置”输出补偿电压V1并持续时间间隔T1；⑧重复前述第2步程序，发送指令使“提供可控电压的装置”输出固定电压V0；等待第3步程序启动。

5.实现如权利要求1所述稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的方法的稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的装置，包括计算机主机，与主机相联、接受计算机指令的核磁共振成像谱仪，接受成像谱仪输出的梯度放大器，对梯度放大器输出进行滤波的穿透板，与穿透板相连、紧挨磁体的梯度线圈；其特征在于，还设有接受并执行计算机指令、输出端与梯度放大器相联、控制梯度放大器电流输出的可控电压装置(7)，并且所述计算机主机设置为：

在成像工作之前控制所述可控电压装置产生以成像工作电流的等效电流为准的预置电流，该预置电流由所述梯度放大器通过所述穿透板提供给所述梯度线圈，进行升温预调，以使工作准备状态的梯度线圈提前适度升温，直到呈现、并保持与工作线圈在无人工温度调节、正常工况条件下的工作温度；

在成像工作开始后的整个成像过程，停止所述预调，以使线圈中仅有成像的工作电流，且无其它人工热调节因素介入；

成像完成后，恢复所述预调，以进入线圈后续成像的待工作状态。

6.如权利要求5所述稳定永磁核磁共振成像梯度线圈温度的装置，其特征在于：所述可控电压装置包括，与计算机相联的通信串口，与串口相联的微处理器，与微处理器输出端相联的D/A转换器，与转换器输出端相联的模拟放大器。

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