CN101995560B - 对磁场均匀性不足进行补偿的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对磁场均匀性不足进行补偿的方法，其包括：确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；根据所述优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。本发明还公开了一种实现上述方法的装置。采用本发明的方案，在主磁场区域和附加磁场区域形成均匀磁场，从而在局部扩展了均匀磁场，而非向各方向扩展均匀磁场。具有容易实现、更为经济的特点。而且，本发明不需要改变现有磁体的结构，不需要添加额外部件，使磁体设计具有更大的自由度；不需要改变局部线圈来布置局部匀场，也不用添加额外的物理结构来保持局部匀场。

Description

对磁场均匀性不足进行补偿的方法和装置

技术领域

本发明磁共振成像(MRI)的匀场技术，特别是涉及一种通过匀场技术对MRI磁场的均匀性不足进行补偿的方法和装置。

背景技术

对于医用MRI系统，需要将病人置于均匀的磁场中，使体内水分子的质子磁矩趋于一个方向，成像区域经可被质子吸收的射频信号照射，通过施加射频序列和梯度序列，然后接收返回的共振信号，进行信号处理后得到区域内组织的灰度图像。根据核磁共振条件，成像磁体的主磁场需要达到较高的均匀度。主磁场越均匀，信噪比也会越高。

随着MRI场强的不断提高，对信噪比的要求也在提高，因此匀场技术变得更加重要。实际生产过程中，磁体的磁场无法达到核磁共振成像要求的均匀度水平，因此磁体装配完成后必须进行匀场。一般医学全身成像的MRI磁体需要在磁场中心30到40厘米直径的球域(DSV：diameter spherical volume)内形成均匀的净磁场。

虽然磁场中心的球域内会形成均匀磁场，该均匀磁场可覆盖大部分的身体部位，但是一些身体部位，比如肩部，仍有可能暴露在均匀磁场之外，而暴露在均匀磁场之外的身体部位的成像质量会受到很大影响。

针对这个问题，现有解决方案主要有以下几种：

(1)设计能够形成较大均匀磁场的磁体，以覆盖诸如肩部等身体部位，例如均匀磁场达到50厘米以上直径的球域，然而这种方法是很非常昂贵的。

(2)将病人在磁铁中合理布置，使诸如肩部等与诊断相关的身体部位位于均匀的磁场区域内。这种方法所基于的条件是磁隙(magnet gap)有足够的空间，使得可以对病人诸如肩部等身体部位成像。

(3)采用局部匀场的方法，以在诸如肩部等身体部位处获得局部的均匀磁场，这方面的技术公开在专利DE29805903/US6291998中。该方法存在一些缺点：首先，局部布置的匀场会产生磁力；其次，局部布置的匀场需要一定的空间和定位精度；第三，金属匀场会产生涡电流，影响成像质量。

发明内容

本发明提供了一种对磁场不均匀性的不足进行补偿的方法，可局部扩展均匀磁场区域，且具有便于实施、经济、无需更改现有磁体等特点。

本发明提供了一种对磁场不均匀性的不足进行补偿的装置，可局部扩展均匀磁场区域，且具有便于实施、经济、无需更改现有磁体等特点。

因此，本发明提出了一种对磁场均匀性不足进行补偿的方法，包括：

确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；

对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；

根据所述优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。

其中，所述对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算包括：计算在主磁场和至少一个附加磁场中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

其中，所述计算在主磁场区域和至少一个附加磁场区域中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布包括：

对于主磁场区域和至少一个附加磁场区域，分别求拉普拉斯方程 ${\▿}^{2}B=0$ 的解，其中为期望在所述主磁场区域和至少一个附加区域中形成的匀场的磁感应强度；

使所述拉普拉斯方程求解得到的所有谐波趋近于零，以获得最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

其中，所述根据优化计算的结果在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场包括：根据计算出的最优化的匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流；或者，

根据计算出的最优化的匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片。

其中，所述主磁场区域与至少一个附加磁场区域中的所有区域在空间上相互独立，或者其中一个或多个区域与其他区域有部分重叠。

本发明还提供了一种对磁场均匀性不足进行补偿的装置，包括：

一个磁场区域确定单元，用于确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；

一个磁场优化单元，用于对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；

一个磁场输出单元，用于根据所述优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。

优选地，所述磁场优化单元计算在主磁场和至少一个附加磁场中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

优选地，所述磁场输出单元包括匀场电流控制单元和匀场片控制单元中的全部或任一个，其中：匀场电流控制单元，用于根据所述最优化的匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流；匀场片控制单元，用于根据所述最优化的匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片。

由以上技术方案可以看出，本发明对待匀场的主磁场区域和附加磁场区域进行优化计算，在主磁场区域和附加磁场区域形成均匀磁场，从而在局部扩展了均匀磁场，而非向各方向扩展均匀磁场。由于无需全方向扩展均匀磁场，本发明容易实现，更为经济。本发明不需要改变现有磁体的结构，不需要添加额外部件，使磁体设计具有更大的自由度。本发明不需要改变局部线圈来布置局部匀场，也不用添加额外的物理结构来保持局部匀场。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，相同的标号表示相同的部件，附图中：

图1是现有的通过匀场技术来扩展均匀磁场容积的示意图；

图2是本发明的通过匀场技术来扩展均匀磁场容积的示意图；

图3是本发明实施例的对磁场均匀性不足进行补偿的方法流程图；

图4是三个待匀场的磁场区域；

图5是本发明实施例的对磁场均匀性不足进行补偿的装置结构图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是现有的通过匀场技术来扩展均匀磁场容积的示意图。在图1中，匀场片盘(shimtray)11中容纳有匀场片12，中间是一个球域的均匀磁场。从图1可以看出，目前的技术在考虑解决现有技术的问题时，都是立足于向各方向扩展均匀磁场的容积。其所希望达到的目的是在一个更大的球域内形成均匀磁场，以满足对诸如肩部等身体部位成像的要求。

图2是本发明的通过匀场技术来扩展均匀磁场容积的示意图。本发明的发明人在面对现有技术的问题时，同时也考虑到了现有解决方案上的一些缺陷和问题，提出了一个创新性的思路，局部扩展均匀磁场的容积，而非向各方向扩展均匀磁场的容积。如图2所示，根据本发明的一个实施例，在原有的均匀磁场的球域之外的两个区域内，形成两个附加磁场区域21，这两个附加的磁场区域和原有的磁场区域内形成一个均匀磁场，覆盖诸如肩部等身体部位，从而达到成像要求。

在具体的实施例中，如图3所示，可以采用如下的步骤实现上述发明的思路：

步骤301，确定待匀场的磁场区域在空间中的位置和大小，待匀场磁场区域一般包括原有的主磁场区域，以及至少一个附加磁场，在本实施例中有两个附加磁场区域。在主磁场区域和两个附加区域内需要形成均匀磁场。此处主磁场区域和附加磁场区域通常为球域，因此优选地，各磁场区域的大小以球的半径来表示。

步骤302，对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算。

在介绍具体的优化计算方法之前，需要介绍本发明可以采用的两种匀场方法。本发明可以采用主动匀场(安装匀场线圈)，也可以采用被动匀场。

主动匀场方式就是通过匀场线圈来匀场，计算不同阶数的匀场线圈应通多大的电流使磁场在指定的区域满足一定的均匀性要求。

被动匀场方式则是利用现有的匀场片(shim)来匀场。优化匀场片在匀场片固定器(shimholder)中的分布，使匀场片产生的磁场尽可能地弥补指定的区域的磁场使之均匀。

不论使用主动匀场方式还是被动匀场方式，都要对指定区域的磁场进行优化计算。下面介绍具体的优化计算方法。

在匀场区域内，磁感性强度B满足拉普拉斯方程：

${\▿}^{2}B=0$

在不同的磁场区域内，上述微分方程的解分别是：

在主磁场域： $B(r_1,{\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\φ}}_1)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{{r_1}^n{P}_n^m\left(\cos {\mathrm{\θ}}_1\right)\right[A_n^m\cos m{\mathrm{\φ}}_1+B_n^m\sin m{\mathrm{\φ}}_1\left]\right\};$

在第一附加磁场域： $\mathrm{Bl}(r_2,{\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\φ}}_2)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{{r_2}^n{P}_n^m\left({\cos \mathrm{\θ}}_2\right)\right[L{A}_n^m\cos m{\mathrm{\φ}}_2+L{B}_n^m\sin m{\mathrm{\φ}}_2\left]\right\};$

在第二附加磁场域： $\mathrm{Br}(r_3,{\mathrm{\θ}}_3,{\mathrm{\φ}}_3)=\underset{n=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{{r_3}^n{P}_n^m\left(\cos {\mathrm{\θ}}_3\right)\right[R{A}_n^m\cos m{\mathrm{\φ}}_3+{\mathrm{RB}}_n^m\sin m{\mathrm{\φ}}_3\left]\right\}.$

图4示出了三个待匀场的磁场区域，其中Ω1表示主磁场区域；Ω2表示第一附加磁场区域，Ω3表示第二附加磁场区域。其中，r₁、r₂、r₃、P_n、A_n、B_n、LA_n、LB_n、RA_n、RB_n等为系数。图4仅示出了两个示例，第一个示例中，主磁场区域和第一、第二附加磁场区域之间相互独立，无重叠；第二个示例中，主磁场区域分别和第一、第二附加磁场区域有部分重叠。本领域的普通技术人员可以理解，本发明不局限于这两个示例，三个区域还可以有其它的相对位置关系，可以根据成像的实际需要进行调整。

为了得到均匀磁场，所有谐波在理想情况下趋近于零。在数值计算时，n的最大值设为满足期望精度的N。匀场算法为：

$\mathrm{Minimize}\left\{\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\right[{\left(A_n^m\right)}^2+{\left(B_n^m\right)}^2+{\left({\mathrm{LA}}_n^m\right)}^2+{\left({\mathrm{LB}}_n^m\right)}^2+{\left({\mathrm{RA}}_n^m\right)}^2+{\left({\mathrm{RB}}_n^m\right)}^2\left]\right\}.$

其中，所有谐波与匀场电流-谐波敏感度或匀场片-谐波敏感度相关。对于主动匀场方式，所有谐波与匀场电流-谐波敏感度相关，匀场算法会给出最优化的匀场电流的分布。对于被动匀场方式，所有谐波与匀场片-谐波敏感度相关，匀场算法会给出最优化的匀场片分布。

步骤303，在得到优化计算结果之后，在本实施例中，得到最优化的匀场电流或最优化的匀场片分布之后，可以在指定的待匀场区域内输出理想的均匀磁场。

如果采用主动匀场方式，则根据计算出的最优化的匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流，从而在主磁场区域和两个附加磁场区域形成均匀磁场。

如果采用被动匀场方式，则根据计算出的最优化的匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片，使匀场片产生的磁场尽可能地弥补指定的区域的磁场使之均匀。

本发明还提供了实现上述方法的装置。图5示出了本发明实施例的对磁场均匀性不足进行补偿的装置的结构图。如图4所示，该装置包括一个磁场区域确定单元501、一个磁场优化单元502和一个磁场输出单元503。磁场区域确定单元501确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；磁场优化单元502对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；磁场输出单元503根据优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。

具体说来，磁场优化单元502计算在主磁场和至少一个附加磁场中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

在本实施例中，磁场输出单元503可以同时包括一个匀场电流控制单元5031和一个匀场片控制单元5032。匀场电流控制单元5031根据最优化匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流；匀场片控制单元5032根据最优化匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片。

本领域普通技术人员可以理解，磁场输出单元503也可以单独包括匀场电流控制单元5031或者匀场片控制单元5032。

由以上的方案可见，本发明的实施例具有以下优点：首先，本发明是在局部扩展均匀磁场区域，容易实现，且较之设计一个更大的各向同性的均匀磁场经济；其次，本发明不需要改变现有磁体的结构，不需要添加额外部件，使磁体设计具有更大的自由度；第三，本发明不需要改变局部线圈来布置局部匀场，也不用添加额外的物理结构来保持局部匀场。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种对磁场均匀性不足进行补偿的方法，包括：

确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；

对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；

根据所述优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行优化计算包括：

计算在主磁场和至少一个附加磁场中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述计算包括：

对于主磁场区域和至少一个附加磁场区域，分别求拉普拉斯方程 ${\▿}^{2}B=0$ 的解，其中B为期望在所述主磁场区域和至少一个附加区域中形成的匀场的磁感应强度；

使所述拉普拉斯方程求解得到的所有谐波趋近于零，以获得最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据优化计算的结果在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场包括：

根据计算出的最优化的匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流；

或者，

根据计算出的最优化的匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片。

5.根据所述权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述主磁场区域与至少一个附加磁场区域中的所有区域在空间上相互独立，或者其中一个或多个区域与其他区域有部分重叠。

6.一种对磁场均匀性不足进行补偿的装置，其特征在于，包括：

一个磁场区域确定单元，用于确定待匀场的主磁场区域和至少一个附加磁场区域在空间中的位置和大小；

一个磁场优化单元，用于对主磁场区域和至少一个附加磁场区域的磁场进行优化计算；

一个磁场输出单元，用于根据所述优化计算的结果，在主磁场区域和至少一个附加磁场区域输出均匀磁场。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述磁场优化单元计算在主磁场和至少一个附加磁场中形成匀场时，最优化的匀场电流的分布或最优化的匀场片的分布。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述磁场输出单元包括匀场电流控制单元和匀场片控制单元中的全部或任一个，其中：

所述匀场电流控制单元，用于根据所述最优化的匀场电流的分布，给不同阶数的匀场线圈通相应的电流；

所述匀场片控制单元，用于根据所述最优化的匀场片的分布，在匀场片固定器中布置多个匀场片。

Images