CN104224179A

CN104224179A - 一种磁共振成像系统的磁场稳定方法和装置

Info

Publication number: CN104224179A
Application number: CN201410459417.4A
Authority: CN
Inventors: 杨文晖
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2014-12-24

Abstract

一种磁共振成像系统的磁场稳定方法和装置，所述的磁场稳定方法是利用磁体中增设的一组主动补偿线圈，通过获取实时的磁场频率漂移量，设定主动补偿线圈的电流大小和变化率，用其产生的磁场实时补偿主磁体的磁场变化，使得总的磁场保持稳定，消除磁场的漂移。所说的磁场稳定装置包括：用于产生补偿磁场的一组主动补偿线圈(201)，驱动主动补偿线圈的恒流源(205)，控制恒流源电流大小和方向的恒流源控制器(204)。该方法可以使磁共振成像系统的主磁场在扫描过程中保持稳定，大大提高图像的质量。

Description

一种磁共振成像系统的磁场稳定方法和装置

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像(MRI)系统，特别涉及一种磁共振成像系统的磁场稳定方法和磁场稳定装置。

背景技术

磁共振成像系统工作时，将人体置于一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，便可以通过射频信号获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

磁共振成像系统工作时，通常如图1所示，将人体放入磁体101中，梯度线圈(包含匀场线圈)102产生一个线性度良好的梯度磁场，该梯度磁场叠加在主磁场上，对信号进行空间编码。同时，该梯度线圈还对主磁场的不均匀性进行校正。射频线圈103对人体照射，激发人体成像区域的原子核，谱仪系统106运行脉冲序列，控制各子系统的工作，并采集磁共振信号进行图像重建。其中，匀场电源105用于向匀场线圈提供驱动电流，控制匀场线圈所产生磁场的幅度。

磁共振成像要求主磁场的稳定性非常高，一般对于主磁场的稳定性用每小时磁场的漂移量来表示，比如1ppm/h表示每小时主磁场的漂移量为主磁场强度的百万分之一。通常超导磁体的磁场稳定性可以达到0.02ppm/h。然而对于永磁体或者电磁体，由于永磁材料的温度效应或者是电源的不稳定性，这两种磁体的磁场漂移量通常都比较大，比如可以达到10ppm/h或者更高。磁场强度的漂移对磁共振成像有严重的影响，它将引起磁共振信号的相位变化，导致伪影的产生，引起扫描层面定位的错误，引入层间干扰，导致图像伪影或者影响图像的清晰度等。为此，必须对磁场的稳定性加以控制。对于永磁体通常的做法是通过温度控制系统来控制磁体的温度，使其保持比较高的稳定度，对于电磁体则是通过提高电源的稳定性来保持磁场的稳定。即使采用了这些方法，磁体的磁场稳定性依然达不到较高的水平，有些系统的磁场漂移换算成频率的话，依然可以达到每小时数百赫兹。

专利CN1374069A公开了一种用于磁共振成像装置的磁场变化测量和补偿办法，其采用跟踪磁场变化并通过程序改变射频脉冲发射频率和信号接收频率的办法来解决磁场漂移的问题。然而在多数情况下，在扫描过程中改变射频脉冲发射频率和信号接收频率并不容易，而且会引起系统相位的变化，造成额外的伪影。

发明内容

本发明的目的在于解决现有磁共振成像系统磁场漂移问题，减小和消除主磁场的波动，提高磁共振成像系统的成像水平。为此，本发明提出一种磁共振成像系统的磁场稳定方法及装置。本发明在磁共振成像系统扫描时实时测量主磁场漂移量，通过主动线圈补偿主磁场漂移。

本发明磁场稳定方法的基本原理是：在磁体中设置主动补偿线圈，该主动补偿线圈产生一个非常均匀的磁场，通过控制该主动补偿线圈电流的大小和方向的变化来改变该主动补偿线圈所产生磁场的大小和方向；另外，在靠近成像体附近设置磁共振探头，该探头内置的工作物质产生的自由感应衰减(FID)信号，通过该磁共振信号获取主磁场的强度信息。在磁共振成像系统扫描时获取主磁场的变化规律，同时，根据主磁场的变化实时计算并改变主动补偿线圈的电流，使主动补偿线圈产生的磁场补偿主磁场的变化，保持总的磁场恒定不变，消除磁场的漂移。

本发明采用以下方法：

方法一：在磁共振成像系统开始扫描前，磁共振成像系统采集成像体的自由感应衰减(FID)信号，测量磁场的频率，换算成主磁场的强度。然后磁共振成像系统开始扫描，在磁共振成像系统一次扫描过程结束，下一次扫描开始前再次测量磁场的频率，换算成主磁场的强度。通过前后两次扫描之前所测量的成像体的FID信号对应的主磁场强度的值，计算主磁场的漂移率，并设定主动补偿线圈的电流变化率和方向，实时补偿主磁场的漂移。

通常磁体的磁场变化是一个大惯性系统，其漂移率的变化是非常缓慢的，在一个扫描过程中可以认为是一个线性变化。

本发明采用的方法基于磁场的线性漂移的特性。在磁共振成像系统每次扫描前，采集成像体的FID信号，并计算出该信号所对应的磁场强度。由前后两次扫描前采集的FID信号，得到两个磁场强度的值。记录两次采集FID信号的时间，计算得到磁体的磁场漂移率ΔB如下：

ΔB = \frac{B_{2} - B_{1}}{t_{2} - t_{1}}

其中B2和B1分别是第二次扫描前和第一次扫描前所获得的磁场强度值，t2和t1则分别对应两次扫描的采集时刻。

在磁体中设置的主动补偿线圈的电流变化率I可由此计算得到：

I＝-K×ΔB×t

该式表示扫描开始以后不同的时间主动补偿线圈电流的大小,其中K为线圈系数，t表示时间。

主动补偿线圈所产生的磁场始终叠加在主磁场上。主动补偿线圈的电流变化与共振成像系统的扫描过程同步进行。根据磁共振成像系统扫描过程不同时刻的磁体磁场漂移率改变主动补偿线圈的电流大小，如此，在扫描过程中的任一时刻，主动补偿线圈所产生的磁场大小正好与此刻主磁场的漂移量相同，方向相反，两个磁场的叠加使得总磁场保持不变。

方法二：磁共振成像系统扫描过程中，在采集FID信号的间隙，将主动补偿线圈的电流设为零。并运行一个消磁脉冲序列，消除梯度磁场对于磁体的磁化。该消磁过程可以是独立的程序，也可以是脉冲序列中的一段消磁脉冲序列。之后，关闭三个方向的梯度脉冲。然后通过设置在成像区内的磁共振探头获取每一时刻磁场的频率，将此磁场频率换算成主磁场的强度，计算主磁场的漂移，改变主动补偿线圈的电流，使主动补偿线圈所产生的磁场补偿主磁场的漂移。

通常扫描过程需要经历多次重复，以完成所有K空间数据的采集。一般地，在每次重复采集K空间数据时，存在一个短暂的间歇。方法二利用这个间隙，通过设置在成像区内的磁共振探头采集FID信号并转换成磁场的频率，计算出此时的主磁场强度。同时，在扫描开始时预先通过磁共振探头采集一次FID信号，并计算当时的主磁场强度，作为参考磁场强度。将实时测量的磁场强度与该参考磁场强度比较，计算出主动补偿线圈所需要的电流。

I＝-K×(B_t-B_r)

其中K为线圈系数，Br为参考磁场强度，Bt为测量磁场强度。

方法二的主动补偿线圈所产生的磁场依然是叠加在主磁场上的。在扫描过程中的某一时刻，主动补偿线圈所产生的磁场大小正好与此刻主磁场的漂移量相同，方向相反，两磁场的叠加使得总磁场保持不变。

在磁共振成像系统采集成像体自由感应衰减信号前，或磁共振探头内置工作物质的自由感应衰减信号前均进行消磁，消除梯度磁场对于磁体的磁化。

采用本发明方法的装置结构如下：

本发明装置包括：用于产生补偿磁场的一组主动补偿线圈、驱动主动补偿线圈的恒流源、磁共振探头，以及控制恒流源电流大小和方向的恒流源控制器。

一种磁共振成像系统的磁场稳定装置，其特征在于，所述的磁场稳定装置包括：用于产生补偿磁场的一组主动补偿线圈、磁共振探头、计算机、恒流源和恒流源控制器。所述的恒流源与主动补偿线圈连接，驱动主动补偿线圈产生磁场，用以补偿主磁场的漂移。所述的恒流源控制器与恒流源连接，产生控制恒流源电流大小和方向的控制信号。所述的磁共振探头位于成像体附近，磁共振探头通过其内部所包含的工作物质获得磁共振信号，该磁共振信号用来获取主磁场的强度信息。

本发明的磁场稳定方法要求主动补偿线圈所产生的磁场具有高度的均匀性，以避免影响磁共振信号的相位。所述的主动补偿线圈由两组分立的环形线圈组成，两组线圈中的电流方向相同，在两组线圈之间的空间中形成均匀磁场。由于主动补偿线圈的尺寸受磁体尺寸的限制，其直径不可能很大，为保证主动补偿线圈所产生的磁场具有高的均匀度，两组线圈的距离为所能达到的最小距离。主动补偿线圈安装在磁共振成像系统的磁体上或梯度板上。

主动补偿线圈和恒流源连接，通过恒流源驱动。恒流源提供主动补偿线圈足够的电流，以便产生所需要的磁场。一个由程序控制的恒流源控制器与恒流源连接，用来控制恒流源电流的大小和方向。

本发明装置的另一种结构是：在磁共振成像系统磁体的成像区内仅需要放置一个磁共振探头，该磁共振探头可以接收其内部所包含工作物质的FID信号，通过FID信号获得探头所在位置的磁场强度，因为探头在成像体附近，因此所测得的磁场强度可以代表主磁场的强度。由于磁共振探头与射频线圈在同一区域，为了不使其相互干扰，磁共振探头的工作频率与射频线圈的工作频率不同，磁共振探头内部所包含的工作物质也与成像体中的原子核，比如氢核不同，比如采用锂离子作为工作物质。该磁共振探头测得主磁场强度后，与系统设定的主磁场值比较，计算出主磁场的漂移，改变主动补偿线圈的电流，使主动补偿线圈所产生的磁场补偿主磁场的漂移。

附图说明

图1现有技术的磁共振成像系统的结构示意图，图中：101磁体，102射频线圈，103梯度放大器，104谱仪系统；

图2本发明装置结构原理图，图中：101磁体，201主动补偿线圈，202磁共振探头，203计算机，204恒流源控制器，205恒流源，206射频线圈；

图3为本发明方法一的实施例流程图；

图4为本发明方法二的实施例流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图2所示为本发明装置的基本结构。如图2所示，磁体101为磁共振成像系统的主磁场磁体。在磁体101中设置有一组主动补偿线圈201，主动补偿线圈201产生的磁场用来补偿主磁体的磁场漂移，使得总磁场强度保持稳定。主动补偿线圈201和电流恒流源205连接，主动补偿线圈201的电流由恒流源205提供。恒流源控制器204和电流恒流源205连接，恒流源控制器204控制恒流源205的电流大小和方向。计算机203根据所采集的FID信号，通过快速傅里叶变换生成频率信号，并转换为磁场强度，将磁场强度数据输出给恒流源控制器204。磁共振探头202采集该探头内置的工作物质的FID信号，并输出到计算机。磁共振探头202内置的工作物质有别于成像体中的原子核，比如氢核，可采用比如含有锂离子的材料作为工作物质，使得磁共振探头与射频线圈206之间的工作频率不同，相互之间不影响。

图3所示为本发明磁场稳定方法一的一个实施例。如图3所示，将成像体放入磁体中，在磁共振成像系统开始扫描前，先运行一个消磁程序，消除梯度磁场对于磁体的磁化；然后通过射频线圈206采集一次成像体的FID信号，并将此信号输入到计算机203中，通过快速傅立叶变换计算得到该信号的频率。此频率即为成像体所在磁体空间处的中心磁场所对应的磁共振频率，根据拉莫尔频率可以计算出所对应的磁场强度。磁共振成像系统每次扫描之前重复上述过程，通过相邻的两次测量的磁场强度，结合这两次测量的时间间隔，可以计算出磁场强度的漂移率，比如每S秒钟磁场变化了G高斯。由于在设计时可以预先知道主动补偿线圈所产生的磁场强度与其所输入的电流的关系，据此计算并生成一组用于驱动恒流源的随时间变化的电流数据，时间间隔为S秒。在扫描开始后，后台程序自动每隔S秒读入恒流源数据，并输出到恒流源控制器204，恒流源控制器204输出控制电压，直接控制恒流源205的输出电流，驱动主动补偿线圈201改变其所产生的磁场，该磁场叠加在主磁场上，使得总磁场在扫描时保持恒定不变。

图4所示为本发明磁场稳定方法二的一个实施例。将成像体放入磁体中，在磁共振成像系统开始扫描前，先在序列中设定一个重复采集的时间间隔，这个时间间隔可以是数毫秒到数十毫秒。在此时间间隔到来前的采集FID信号的间隙需要将主动补偿线圈的电流设为零，以免干扰随后的FID信号采集。然后运行所设置的一个消磁过程，消除梯度磁场对于磁体的磁化。随后关闭三个方向的梯度脉冲。通过磁共振探头202采集一次其内部工作物质的FID信号，并将此信号输入到恒流源控制器204中，经过处理后计算得到该信号的频率，此频率即代表成像体所在磁体空间处的中心磁场所对应的磁共振频率。根据拉莫尔频率可以计算出所对应的磁场强度。若扫描的重复采集时间较短，可以取若干次的频率数据，对这些频率数据进行叠加，求其平均值。叠加次数可在在扫描前设定。未到达叠加点时，打开恒流源，继续正常的扫描。达到叠加点后，根据程序设定的初始磁场强度和叠加次数，得到磁场强度的变化数据。由于在设计时可以预先知道主动补偿线圈所产生的磁场强度与其所输入的电流的关系，因此可以进一步得到恒流源的电流数据。恒流源控制器204通过该电流数据控制其输出控制电压，从而控制恒流源205的输出电流，驱动主动补偿线圈201改变其所产生的磁场，该磁场叠加在主磁场上，使得总磁场在扫描时保持恒定不变。

这两个实施例的特征均是通过获得实时的磁场变化数据来改变补偿线圈的电流，通过实时改变主动补偿线圈的磁场来补偿主磁场的变化。在此前提下，当然也可能存在其他的方法获得实时的主磁场的变化的方法，这些方法均不超出本发明的权利要求范围。

Claims

1.一种磁共振成像系统的磁场稳定方法，其特征在于，所述的磁场稳定方法通过在磁共振成像系统的磁体中设置一组主动补偿线圈，主动补偿线圈产生一个均匀磁场；控制所述主动补偿线圈电流的大小和方向的变化来改变该主动补偿线圈所产生磁场的大小和方向；所述的磁场稳定方法还在成像区域内设置磁共振探头，通过该探头内置工作物质产生的自由感应衰减(FID)信号，获取主磁场的强度信息；在磁共振成像系统扫描时通过磁共振信号获取实时的磁场频率漂移量，并根据磁场频率漂移量设定主动补偿线圈的电流大小，用主动补偿线圈产生的磁场补偿主磁体的磁场变化，使得总的磁场保持稳定，消除磁场的漂移。

2.如权利要求1所述的磁共振成像系统的磁场稳定方法，其特征在于，在磁共振成像系统开始扫描前，磁共振成像系统采集成像体的自由感应衰减(FID)信号，测量磁场的频率，换算成主磁场的强度；然后磁共振成像系统开始扫描，在磁共振成像系统一次扫描过程结束，下一次扫描开始前再次测量磁场的频率，换算成主磁场的强度；通过前后两次扫描之前所测量的成像体的自由感应衰减信号对应的主磁场强度的值，计算主磁场的漂移率，并设定主动补偿线圈的电流变化率和方向，实时补偿主磁场的漂移。

3.如权利要求2所述的磁共振成像系统的磁场稳定方法，其特征在于，主动补偿线圈电流的变化与扫描过程同步进行，实时补偿主磁体磁场随时间的漂移。

4.如权利要求1所述的磁共振成像系统的磁场稳定方法，其特征在于，在磁共振成像系统扫描重复时间的间隙，将主动补偿线圈的电流设为零；运行消磁脉冲序列后，关闭三个方向的梯度脉冲；然后通过设置在成像区内的磁共振探头，采集该磁共振探头内工作物质的自由感应衰减信号，获取每一时刻磁场的频率，将此磁场频率换算成主磁场的强度，计算主磁场的漂移，改变主动补偿线圈的电流，使主动补偿线圈所产生的磁场补偿主磁场的漂移。

5.如权利要求1或4所述的磁共振成像系统的磁场稳定方法，其特征在于，在磁共振成像系统采集成像体或磁共振探头内工作物质的自由感应衰减信号前进行消磁。

6.一种磁共振成像系统的磁场稳定装置，其特征在于，所述的磁场稳定装置包括：用于产生补偿磁场的一组主动补偿线圈(201)、磁共振探头(202)、计算机(203)、恒流源(205)和恒流源控制器(204)；所述的恒流源(205)与主动补偿线圈(201)连接，驱动主动补偿线圈(201)产生磁场，用以补偿主磁场的漂移；所述的恒流源控制器(204)与恒流源(205)连接，产生控制恒流源(205)电流大小和方向的控制信号；所述的磁共振探头(202)位于成像体附近，磁共振探头(202)通过其内部所包含的工作物质获得磁共振信号，该磁共振信号用来获取主磁场的强度信息。

7.如权利要求6所述的磁共振成像系统的磁场稳定装置，其特征在于，所述的磁共振探头内置工作物质的拉莫尔频率与成像体中原子核的拉莫尔频率不相同。

8.如权利要求6所述的磁共振成像系统的磁场稳定装置，其特征在于，所述的磁场稳定装置包括一个主动补偿线圈(201)；所述的主动补偿线圈(201)在成像区内产生均匀的磁场，用以补偿主磁场的漂移。

9.如权利要求6所述的磁共振成像系统的磁场稳定装置，其特征在于，所述的磁场稳定装置仅包括一个磁共振探头(202)。