CN101315417A - 用于确定磁共振装置的主磁铁的设计的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确定带有至少一个梯度线圈系统的磁共振装置的主磁铁的设计的方法，其中，在考虑由于梯度线圈在主磁铁的场中的通断过程而作用在至少一个梯度线圈系统上的并且可能导致梯度线圈系统振动的力(19)的条件下，确定主磁铁的设计。

Description

用于确定磁共振装置的主磁铁的设计的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定带有至少一个梯度线圈系统的磁共振装置的主磁铁的设计的方法。

背景技术

在用于建立物体内部结构的图像拍摄的磁共振装置中，为主磁场叠加梯度磁场系统以便对图像信息进行位置编码。为此，在用于生成磁场的梯度线圈内在最短的时间内建立且再次去除高电流。通过梯度线圈在主磁铁的强磁场内的快速通断，梯度线圈的导体受到强的力。

作用在磁场中的电荷上的洛仑兹力相加为大的净力。因此而作用在梯度线圈上的力产生了梯度线圈系统的振动。该振动自身又可能导致噪声，以及图像伪影和在由超导线圈形成的磁铁的结构或者致冷器内结构内的涡流损失，其结果是蒸发了用于生成低温的氦。

因此，在梯度线圈系统的设计中已尝试如果梯度线圈位于主磁铁磁场内则对作用在此系统上的净力的最小化作为待考虑的附加的条件。该附加的限制以及强制条件导致在对于梯度线圈系统决定性的以及使其可能的规格上的折衷。例如，必须在线性度、上升时间、梯度幅值和散射场中给出折衷。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于对此给出改进的方法。

为了解决该技术问题，在根据本发明的前述类型的方法中建议，在确定主磁铁的设计时考虑由于梯度线圈系统在主磁铁的场中的通断过程而作用在至少一个梯度线圈系统上的并可能导致梯度线圈系统振动的力。

因此，为了进行设计(必要时另外地)考虑由于位于主磁铁的场中的梯度线圈系统的通断过程而作用在梯度线圈系统上的力。

这意味着，使用根据本发明的方法在磁共振装置的主磁铁的设计开始阶段即考虑到在梯度线圈系统的通断过程中由于主磁铁的强磁场的存在而作用在梯度线圈系统上的力。通过将主磁铁磁场内的梯度线圈系统的梯度线圈的力和因其导致的振动包括在主磁铁设计中，可有效地最小化噪声以及由于振动或震动所导致的图像伪影和涡流损失。

因此，与当前情况不同，不再要求在规定梯度线圈时满足所描述的关于作用力的折衷，而是在主磁铁的设计阶段已考虑到振动的产生，例如关于由主磁铁磁场所激励的共振模式，使得可以总体上为带有主磁铁和梯度线圈的磁共振装置的整个系统选择更有利的设计。因此，主动地处理了共振模式以及由于通断过程而形成的作用在梯度线圈结构上的力。主磁铁的设计，也就是说磁铁构造以及绕组包的布置因此被优化，使得作用在梯度线圈系统上的力不过大。因此，可以更好地实现关于整个磁共振系统的希望的规格。

可以通过确定梯度线圈系统的或至少一个梯度线圈系统的振动模式来考虑作用在梯度线圈系统上的力。已知的磁共振装置具有在x、y和z方向上的梯度线圈系统。为优化主磁铁设计，有意义的是考虑作用在所有这些系统上的力。不过，必要时也可以提供对于特定的子系统的优化。通过对于该梯度线圈系统或多个梯度线圈系统计算振动模式来考虑作用力。这通过对于梯度线圈的机械系统求解可描述线圈的振动方程来进行。

根据本发明，合适的是，将振动模式确定为至少一个梯度线圈系统的机械固有模式(Eigenmode)的线性组合。因此描述了一个以及多个或全部的梯度线圈系统的固有模式的多重的总和，以便表达振动模式。

通过对于至少一个梯度线圈系统进行模式分析来确定固有模式并且必要时确定其所属的本征频率。这意味着，对于机械系统求解如下形式的方程组：

$M\·\stackrel{\·\·}{u}+K\·u+D\·\stackrel{\·}{u}=0$

在该振动方程中，M是质量矩阵，K是刚度矩阵，且D是阻尼矩阵。偏移幅值通过u描述。所述的方程具有如下形式的解：

u(x，t)＝exp(iωt)·φ(x)

解中具有固有模式φ(x)和本征频率ω；x给出了位置，t给出了时间。

合适的是，在使用至少一种有限元方法的条件下进行模式分析。在有限元方法中，将计算区域划分为大量的更小但有限的区域。对于这些区域限定起始函数，其中通过偏微分方程在考虑边界条件的情况下得到了等式系统。从该等式系统最终得到希望的结果。

在此，可以使用一个或多个数值有限元包进行模式分析。其中，可能地可以运用已存在的有限元方法包(FEM包)。对于这样的软件的一个例子是商业上销售的软件ANSYS(“Analysis System”的缩写)。

在考虑作用力的范围内，合适的是，确定洛仑兹力的分布。由此得到了特定的固有模式对于梯度线圈的振动运动的相关性。该分布是从梯度线圈的设计以及在梯度线圈的导体位置上的主磁铁的磁场得出的。

有利地使用参与因子(Patizipationsfaktor)确定洛仑兹力的分布。这些由情况决定的参与因子给出了特定固有模式的偏移强度。

优选地，通过基于至少一个梯度线圈系统的机械固有模式表示洛仑兹力来确定参与因子，其中参与因子作为傅立叶系数得到。

因此，将洛仑兹力基于所提及的固有模式φ(x)表达，可以按照离散形式作为向量描述所述的洛仑兹力，该向量描述了在每个单一的质量点上的力。此系列的傅立叶系数即为洛仑兹力关于第i阶固有模式的参与因子Pi，即：

P_i＝φ_i·F

其中，规一化因子设定为1。

在横向线圈中，通过在纵向方向上带有奇数个振动腹的模式确定振动谱(Vibrationsspectrum)。在非对称线圈中必须考虑另外的振动模式。这意味着，在这种情况下仅那些与所述的模式相关联的参与因子具有不消失的值。

洛仑兹力为：

F＝I×B

它是磁场B的线性函数，且参与因子Pi是磁场B的线性函数。

根据本发明，将作用力和/或必要时的参与因子确定为并且考虑为主磁铁的电流密度分布的线性函数。也就是说，可以利用的是，在梯度线圈系统的导体上的磁场B是主磁铁内的电流密度分布的线性函数。这同样地适用于参与因子，该参与因子在需要时被考虑以便用于确定或描述洛仑兹力。磁场B自身是电流密度分布J的函数。

合适的是，在优化方法的范围内作为条件给出作用力和/或参与因子。函数F(J)和φ_i(J)因此作为用于磁铁优化的附加的(线性的)条件给出。因此，如已经说明的那样，参与因子P_i由固有模式φ_i和力得到：

P_i＝φ_i·F

此外，可以在优化方法的范围内在考虑至少一个用于主磁铁设计的参数的条件下来确定主磁铁的电流密度分布，特别是考虑均匀性和/或作为超导体的能力和/或机械张力和/或刚体力。电流密度分布因此有利地被确定为多目标优化方法的结果。因此，将多个设计参数(必要时所有前述的设计参数或附加的设计参数)相互平衡以便获得对于主磁铁的最优设计。

此外，特别地有利的是，在磁共振装置的至少一个梯度线圈系统的设计中，考虑到由于在主磁铁的场内的梯度线圈系统的通断过程而作用在该至少一个梯度线圈系统上的力，并且必要时考虑到导致梯度线圈系统振动的力。即，在这种情况下，不仅只将主磁铁设计为适用于最小化梯度线圈系统或多个梯度线圈系统上的洛仑兹力，而且此外将梯度线圈为此例如关于其导体位置进行优化。在这种情况下，可以同时地或并行地进行梯度线圈系统设计和主磁铁设计，该设计构造为使得以梯度线圈系统的设计和主磁铁设计的组合可最优地实现希望的规格。两个系统部件因此优化地组合。因此，对于整个系统，通过相互考虑分别对梯度线圈系统和主磁铁提出的要求而实现了最优的设计。

通过在主磁铁设计时已考虑到梯度线圈上的力以及梯度线圈的振动，可以有效地最小化由此导致的噪声、图像伪影和涡流损失。特别是在梯度线圈系统自身的设计中附加地考虑到作用力时，实现了对磁铁和梯度线圈的组合优化，由此可以设定系统的全局优化。因此，整个系统本身被优化，这点与仅涉及梯度线圈设计的已知的解决方案中的用于优化子系统的解决方案不同。

因此，本发明首先涉及一种在梯度线圈系统的确定的设计中的解决方案，该解决方案关于作用在梯度线圈系统上的尽可能小的力来优化主磁铁的设计。此外，本发明的对象也是给出关于实现用于磁共振拍摄的最优总体系统而对梯度线圈系统和主磁铁(或者主磁铁的线圈)的交互优化。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节根据如下的实施例并且从附图中得到。在此，附图中：

图1示出了用于在根据本发明的方法中进行设计确定的原理图；

图2示出了磁共振装置的主磁铁的绕组的可能布置的图；

图3示出了磁共振装置的主磁铁的磁场的强度的图示；

图4示出了次级梯度线圈层的磁场的强度的图示；

图5和图6示出了典型的电流路径以及作为结果的在主磁铁的场中的梯度线圈上的力；和

图7至图14示出了在根据本发明的方法中考虑的横向梯度线圈的固有模式。

具体实施方式

图1中示出了用于在根据本发明的方法中确定设计的原理图。该原理图涉及了其中确定了主磁铁设计和梯度线圈设计的方法。

在此，方框a表示磁共振装置的梯度线圈系统处于快速地通断过程。

方框b指示了带有根据方框a的快速通断过程的梯度线圈系统位于主磁铁的强磁场中。由此产生了作用在梯度线圈系统上并且将其激励振动的洛仑兹力，如通过方框c指示。在根据本发明的用于主磁铁设计的方法中现在考虑根据方框c的该洛仑兹力或振动，如通过方框d指示。此外，根据步骤d，在梯度线圈系统以及多个梯度线圈系统的设计中，在此处所描述的根据本发明的方法的变体中也考虑到该洛仑兹力或振动。

因此，在优化设计过程的范围内实现了对于带有主磁铁和梯度线圈系统的磁共振装置的优化的整体设计。

因此，在此的措施是，从特定的(例如在迄今为止的磁铁中所产生的)主磁铁磁场或者从特定的梯度线圈布置出发，进行逐步的(迭代的)优化，该优化从主磁铁或者梯度线圈系统的初始设计进行，直至最优的最终设计。

在此，也可以在其他的方法实现中使用变态的优化方法。

在图2中图示了磁共振装置的主磁铁中的可能的绕组布置的图。在此，横坐标描述了磁共振断层造影仪的z方向，即纵向方向。在纵坐标上绘出了半径r，即绘出了磁共振装置断层造影仪的横向方向。两个示出的轴的交点给出了线圈系统的中心M。整个磁共振断层造影仪因此具有绕组系统，该绕组系统需与在此图示的绕组类似地向左并向下补充。

一方面图示并表示了屏蔽线圈的绕组1，另一方面图示并表示了磁铁线圈的绕组2、3和4。作用在在此未图示的梯度线圈系统的绕组的位置上的磁场，分别在主磁铁的绕组包或者说绕组2、3、4的位置上表现出最大值。

在图3中图示了磁共振装置的主磁铁的磁场的强度。图中仅对于磁共振断层造影仪的上面部分还示出了在此标识为5、6的屏蔽线圈的绕组。此外，示出了主磁铁的绕组7至12。横坐标给出了z方向，纵坐标给出了对于半径r的径向方向。此外，在图示中，梯度线圈的布置以及位置通过参考标记13指示。方格图(Balken)14分别给出了以特斯拉为单位的磁场的强度。

从图示中可见，主磁铁的场在梯度线圈的位置处起这样作用，使得在绕组7至12的范围内的磁场的各自最大值也在梯度线圈的导体的布置以及位置的范围内具有影响，见参考标记13。相应地，在梯度线圈系统在主磁铁的强磁场内的快速通断过程中在梯度线圈上施加了力，该力可使梯度线圈处于振动。根据本发明，为优化主磁铁的设计，在用于确定主磁铁的计算中考虑到此力。

图4示出了在磁共振装置的次级梯度线圈层上的磁场的强度。在此，在横坐标上绘出了磁共振断层造影仪的纵向方向。在纵坐标上绘出了以特斯拉为单位的磁场B。

曲线15示出了磁场Br，即示出了径向变化或径向磁场分量。与此相对地，曲线16图示了纵向分量Bz。其中z＝0给出了线圈中心的位置，z＝0.8给出了线圈端部的位置。

在曲线15以及16的变化中可以看出，这些曲线呈现出一系列最大值和最小值，这些最大值和最小值相应地与在梯度线圈系统的通断过程中的梯度线圈系统上的较高的和较低的力相关。在次级(横向)梯度线圈层的范围内作用的磁场的强度在此处图示的情况中直至3特斯拉，因此具有相当大的强度。相应的大的力作用在梯度线圈上。

在图5和图6中示出了典型的电流路径以及作为结果的在主磁铁磁场内的梯度线圈上的力。

在图5中，电流路径通过箭头18指示。图示分别涉及横向线圈。

从图5中以箭头18表示的电流路径得到了在主磁铁的场内在梯度线圈17上的力，该力在图6中通过箭头19表示。相应地，在梯度线圈17的中心作用了向上的力，而在端部作用了向下的力。这些力是洛仑兹力，它们由各电荷的速度与作用的磁场的叉积得出。因此，例如对于根据箭头19的作用力，电流路径分别在梯度线圈17的中心和端部。通过将洛仑兹力基于固有模式进行表示，可以将梯度线圈17的振动模式与这些力相关联。这样的系列的傅立叶系数则给出了关于各固有模式的洛仑兹力的参与因子。对于横向梯度线圈17，通过带有奇数个振动腹的模式支配振动谱。

在图7至图14中示出了横向梯度线圈的相应的固有模式21a至21h，它们带有根据方格图20a至20h的值，它们在根据本发明的用于确定主磁铁的设计以及必要时用于确定梯度线圈系统的设计的方法中被考虑到。

根据图7至图14，根据方格图20a至20h对于固有模式21a至21h的各值沿方格图20a至20h从左向后升高。因此，图7至图14示出了对于固有模式21a至21h(φ(x))的不同的解，这些解由如下的方程得到：

$M\·\stackrel{\·\·}{u}+K\·u+D\·\stackrel{\·}{u}=0$

其中，M是质量矩阵，K是刚度矩阵，且D是阻尼矩阵，而u是偏移幅值。各解具有如下形式：

u(x，t)＝exp(iωt)·φ(x)

由此得到固有模式21a至21h(φ(x))。对于梯度线圈的固有模式21a至21h以及必要时对于另外的模式的考虑实现了将主磁铁的设计以及如果希望也将梯度线圈的设计分别进行匹配，使得能导致梯度线圈振动的作用力尽可能小。因此，可以降低整个系统内的噪声、图像伪影和涡流损失。

噪声、图像伪影和涡流损失的降低也可以已经使用这样一种方法实现，在该方法中根据固有模式21a至21h的力以及振动仅在确定的梯度线圈设计中的用于主磁场磁铁的设计。

总之，根据本发明，可通过额外地考虑到作用在梯度线圈上的力而实现磁铁的优化设计以及必要时还有梯度线圈的优化设计。通过磁场内的力引起的梯度线圈结构的共振模式在设计中被主动地引入。

参考标记列表

1    绕组屏蔽线圈

2    绕组磁铁线圈

3    绕组磁铁线圈

4    绕组磁铁线圈

5      绕组屏蔽线圈

6      绕组屏蔽线圈

7      绕组主磁铁

8      绕组主磁铁

9      绕组主磁铁

10     绕组主磁铁

11     绕组主磁铁

12     绕组主磁铁

13     梯度线圈布置/位置

14     方格图

15     曲线

16     曲线

17     梯度线圈

18     电流路径箭头

19     力箭头

20a    方格图

20b    方格图

20c    方格图

20d    方格图

20e    方格图

20f    方格图

20g    方格图

20h    方格图

21a    固有模式

21b    固有模式

21c    固有模式

21d    固有模式

21e    固有模式

21f    固有模式

21g    固有模式

21h    固有模式

a    方框

b    方框

c    方框

d    方框

Claims (12)

1.一种用于确定带有至少一个梯度线圈系统的磁共振装置的主磁铁的设计的方法，其特征在于：在考虑由于梯度线圈在主磁铁的场中的通断过程而作用在至少一个梯度线圈系统上的并且可能导致梯度线圈系统振动的力(19)的条件下，确定主磁铁的设计。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过确定至少一个梯度线圈系统的振动模式来考虑作用力。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：将所述振动模式确定为至少一个梯度线圈系统的机械固有模式(21a至21h)的线性组合。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：通过对至少一个梯度线圈系统进行模式分析来确定所述固有模式(21a至21h)以及必要时确定所属的本征频率。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在使用至少一种有限元方法的条件下进行所述模式分析。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在考虑所述作用力的范围内确定作用的洛仑兹力的分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：在使用参与因子的条件下确定所述洛仑兹力的分布。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：通过基于至少一个梯度线圈系统的机械固有模式(21a至21h)表示洛仑兹力来确定所述参与因子，其中作为傅立叶系数得到所述参与因子。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：将所述作用力(19)和/或必要时的参与因子确定并且考虑为主磁铁的电流密度分布的线性函数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：将所述作用力(19)和/或参与因子作为电流密度分布的线性函数在优化方法的范围内作为条件预先给出。

11.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：在优化方法的范围内在考虑至少一个用于主磁铁设计的参数的条件下确定主磁铁的电流密度分布，特别是考虑到均匀性和/或作为超导体的能力和/或机械张力和/或刚体力。

12.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：此外在磁共振装置的至少一个梯度线圈系统的设计中，考虑由于在主磁铁的场内的梯度线圈系统的通断过程而作用在该至少一个梯度线圈系统上的力，并且必要时考虑导致该梯度线圈系统振动的力。

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