CN104297708A - 磁共振成像系统中的旋转倾斜梯度线圈组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁共振成像系统的旋转倾斜梯度线圈组件。旋转倾斜梯度线圈组件包括三组梯度线圈组，这三组梯度线圈组所产生梯度磁场的方向互为正交；在主磁场沿水平方向的圆筒状磁共振系统中，两组梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于主磁场的水平方向及铅垂方向均成45度角，另一组梯度线圈组产生的梯度方向与主磁场方向一致。在需施加垂直于主磁场的水平方向或铅垂方向的梯度磁场时，由两个梯度线圈组同时施加梯度磁场，达到增加最大合梯度磁场的幅值和合切变率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像系统，尤其涉及一种磁共振成像系统中的旋转倾斜梯度线圈组件。
背景技术
在磁共振成像系统中，梯度线圈组由三组梯度线圈组成，用来产生在空间呈线性分布的梯度磁场。通过脉冲序列，可实现对梯度磁场幅度的时序控制。由此可引起成像区域内核子的进动频率随其空间位置的不同而不同，实现对成像物体中核子信号的空间编码。该信号由射频线圈采集，并通过图像重建算法获得图像。三组梯度线圈组按常规分别记为Gx梯度线圈组、Gy梯度线圈组和Gz梯度线圈组，各自产生的梯度方向在空间中相互正交，通常与空间坐标系中垂直于磁共振设备扫描床头脚方向的水平方向、铅垂方向和扫描床头脚方向一致，也与脉冲序列中三个逻辑轴的梯度方向一致。三组梯度线圈可以单独运行，也可任意两组线圈同时运行，也可三组线圈同时运行，即按需求合成任意方向的梯度磁场。在梯度线圈中，每组梯度线圈具有阻抗和电感，分别由一个梯度放大器驱动。
在常规成像中，通常采集被试的横断面，以及少数的冠状面、矢状面成像，在这三个方向的成像时，在一个时刻如层选时刻或读出时刻，只有一个方向的梯度线圈在工作；在这种只有一个方向的梯度线圈工作时，实际最大梯度幅值是单个梯度线圈的最大梯度幅值。特别地，在平面回波成像（EPI）时，一个TR内要完成一个层面的编码，使得大部分时间内只有读出梯度这一个方向梯度工作，线圈总体运行效率较低。
梯度线圈的性能主要包括最大梯度幅值、梯度切变率、占空比（duty cycle）和涡流补偿。高性能的梯度线圈具有更高的最大梯度幅值和切变率，使得梯度磁场可快速达到较大梯度磁场幅值，从而提高了梯度磁场编码成像物体的效率，缩短了回波时间（TE）和/或重复时间（TR），提高了成像的时间分辨率和/或空间分辨率。高性能的梯度线圈使得快速成像方法（如平面回波成像（EPI）、梯度回波-自旋回波（GRASE）、三维快速自旋回波（3D-FSE）、对比增强磁共振血管成像（CE MRA）等）成为可能。总的来说，在不引起神经刺激的安全范围内，梯度线圈性能越高越好。
为了产生更强的梯度磁场，梯度线圈需要靠绕更多匝数的线圈和/或更强的电流来支撑。线圈匝数的增加将增加梯度线圈的体积，在磁体大小一定的条件下，空腔的大小将变小，空腔变小将限制成像物体的大小；在成像空腔大小一定的条件下，梯度线圈体积增大使得磁体增大，使得磁体的成本增加。更强的电流会产生更强的涡流效应，使得梯度磁场的线性度降低。梯度的快速切换主要依赖于梯度放大器提供的强电压，而且快速的切换会在梯度线圈上产生热量，对冷却系统的冷却功能提出更高要求。占空比也依赖于梯度放大器的性能。
综上所述，现有的梯度线圈存在以下几点不足：1. 成像时三组梯度线圈常单独运行，使得梯度线圈的总体运行效率不高；2. 梯度线圈产生的有效最大梯度幅值不够、有效切变率不够，无法满足快速成像方法对缩短TE和/或TR，并提高成像的时间分辨率和/或空间分辨率的要求；3. 高性能的磁共振成像系统需要高性能的梯度线圈，而在现有的梯度线圈制作材料和工艺下，提高梯度线圈的性能将增加系统的复杂性并提高制作成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种磁共振成像系统中的旋转倾斜梯度线圈组件。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种旋转倾斜梯度线圈组件，包括安装在主磁场沿水平方向的圆筒状磁共振系统中圆柱形腔体上的G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组；G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组产生的梯度方向相互正交；其特征在于，G1梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于主磁场的水平方向及铅垂方向均成45度角，G2梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于主磁场的水平方向及铅垂方向均成45度角，G3梯度线圈组产生的梯度方向与主磁场方向一致。
用于圆筒状磁共振系统中圆柱形腔体上的旋转倾斜梯度线圈组件的脉冲序列，通过以下步骤优化得到：
（1）输入逻辑轴下的脉冲序列波形；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序，划分时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化，对每一个需要优化的时间段，分别计算三个逻辑轴下梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，则表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形；
所述步骤（4）中的设计物理轴下的硬件优化的梯度波形，方法为：首先进行旋转计算转换，将逻辑轴下Gx梯度和Gy梯度的幅值分解成物理轴下的G1梯度和G2梯度上的幅值，再将Gx梯度和Gy梯度在G1梯度的幅值进行叠加，将Gx梯度和Gy梯度在G2梯度的幅值进行叠加，得到G1梯度波形和G2梯度波形；增大G1梯度和G2梯度的幅值得到优化后的G1梯度和G2梯度波形，保持优化后的G1梯度和G2梯度波形的面积均不变，使优化后的G1梯度和G2梯度的时间与最短时间相等，同时优化后的G1梯度幅值和G2梯度幅值不能超出G1梯度线圈组和G2梯度线圈组的最大梯度；如果为层选或梯度编码梯度，还需相应增大射频激发和接收的采样频率，以保持优化后G1梯度波形和G2梯度波形扫描的图像上的层厚和读出方向视野大小不变。
一种旋转倾斜梯度线圈组件，包括安装在主磁场沿铅垂方向的平板状磁共振系统中上下两个平板上的G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组；G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组产生的梯度方向相互正交；其特征在于，G1梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于扫描床头脚方向的水平方向及扫描床头脚方向均成45度角，G2梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于扫描床头脚方向的水平方向及扫描床头脚方向均成45度角，G3梯度线圈组产生的梯度方向与主磁场方向一致。
用于平板状磁共振系统中上下两个平板上的转倾斜梯度线圈组件的脉冲序列，通过以下步骤优化得到：
（1）输入逻辑轴下的脉冲序列波形；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序，划分时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化，对每一个需要优化的时间段，分别计算三个逻辑轴下梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，则表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形。
所述步骤（4）中的设计物理轴下的硬件优化的梯度波形，方法为：首先进行旋转计算转换，将逻辑轴下Gx梯度和Gz梯度的幅值分解成物理轴下的G1梯度和G2梯度上的幅值，再将Gx梯度和Gz梯度在G1梯度的幅值进行叠加，将Gx梯度和Gz梯度在G2梯度的幅值进行叠加，得到G1梯度波形和G2梯度波形；增大G1梯度和G2梯度的幅值得到优化后的G1梯度和G2梯度波形，保持优化后的G1梯度和G2梯度波形的面积均不变，使优化后的G1梯度和G2梯度的时间与最短时间相等，同时优化后的G1梯度幅值和G2梯度幅值不能超出G1梯度线圈组和G2梯度线圈组的最大梯度；如果为层选或梯度编码梯度，则增大射频激发和接收的采样频率，以保持优化后G1梯度波形和G2梯度波形扫描的图像上的层厚和读出方向视野大小不变。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1. 旋转倾斜梯度线圈组件可以使得在旋转后的两个梯度同时作用时，可利用的有效最大梯度增大、有效切变率增大。2. 旋转倾斜梯度线圈组件不论是在筒状磁共振系统还是平板状磁共振系统中，都可以实现；3. 旋转倾斜梯度线圈组件不依赖于其他技术上的改进，只对构造进行改进，所以方法简单易行；4. 对于要求高性能梯度的高级磁共振成像技术，如扩散张量成像、功能磁共振成像，主要依靠快速成像序列如平面回波成像来完成，利用本发明中的旋转倾斜梯度线圈组件可以缩短回波间隙、回波时间以及总采集时间，从而加快成像。
附图说明
图1为筒状旋转倾斜梯度线圈和原筒状梯度线圈的梯度方向示意图；
图2为原筒状梯度线圈的Gz方向梯度的梯度线圈组示意图；
图3为原筒状梯度线圈的Gx方向梯度的梯度线圈组示意图；
图4为原筒状梯度线圈的Gy方向梯度的梯度线圈组示意图；
图5为筒状旋转倾斜梯度线圈的G1方向梯度的梯度线圈组示意图；
图6为筒状旋转倾斜梯度线圈的G2方向梯度的梯度线圈组示意图；
图7为旋转倾斜梯度线圈下序列优化设计流程图；
图8为梯度回波成像序列在逻辑轴下的时序图；图中，a为层选前斜坡段，b为层选时间段，c为层选后到读出前的时间段，d为读出编码时间段，e为读出后时间段；
图9为梯度回波成像序列在物理轴下的时序图；图中，a为优化的层选前斜坡段，b为优化的层选时间段，c为优化的层选后到读出前的时间段，d为优化的读出编码时间段，e为优化的读出后时间段；
图10为恒定梯度-时间的优化方法；
图11为平面回波成像序列在逻辑轴下的时序图；图中，a为层选前的斜坡段，b为层选时间段，c为层选后到读出前的时间段，d为带有斜坡采样的读出编码时间段，e为相位编码时间段；
图12为平面回波成像序列在物理轴下的时序图；图中，a为优化后的层选前斜坡段，b为优化后的层选时间段，c为优化后的层选后到读出前的时间段，d为优化后的带有斜坡采样的读出编码时间段，e为优化后的相位编码时间段
图13为平板状旋转倾斜梯度线圈和平板状梯度线圈的梯度方向示意图；
图14为原平板状梯度线圈组上方部分的梯度线圈构造示意图；
图15为平板状旋转倾斜梯度线圈上方部分的梯度线圈构造示意图；
图中，原平板梯度线圈组17、平板状旋转倾斜梯度组18、水平同心轴线19、第一Gz梯度线圈21、第二Gz梯度线圈22、第一Gx梯度线圈23、第二Gx梯度线圈24、第三Gx梯度线圈25、第四Gx梯度线圈26、第一Gy梯度线圈27、第二Gy梯度线圈28、第三Gy梯度线圈29、第四Gy梯度线圈30、第一G1梯度线圈31、第二G1梯度线圈32、第三G1梯度线圈33、第四G1梯度线圈34、第一G2梯度线圈35、第二G2梯度线圈36、第三G2梯度线圈37、第四G2梯度线圈38、竖直同心轴线39、Gy梯度线圈40、G1梯度线圈41、G2梯度线圈42、Gx梯度线圈43、Gz梯度线圈44。
具体实施方式
基于背景技术中现有梯度线圈组件的几点不足，提出设想：可否将梯度线圈设置为其产生的梯度方向与空间坐标系的x、y和z方向构成一定的角度差，那么在这种情况下，当需要施加x、y或z方向梯度磁场时，将由多个梯度线圈同时作用来得到，那么其最大梯度幅值由原单一方向的最大梯度幅值增加至最大的合成梯度幅值。结合梯度线圈的构造来看，梯度线圈可实现绕其中心轴旋转：旋转后的梯度线圈产生的梯度磁场与旋转前相比，其中同心轴方向的梯度磁场不变，另两个梯度磁场的方向相应地旋转了一个角度。本发明提出的旋转倾斜梯度线圈组件由原梯度线圈绕同心轴旋转大致45°实现。若同心轴方向为z轴方向，那么原z方向梯度线圈不变，原x方向和y方向梯度线圈绕z轴旋转大致45°，其中z方向梯度线圈产生的梯度磁场大小和方向均不变，旋转后的x方向和y方向梯度线圈产生的梯度磁场大小不变，方向为绕z轴旋转大致45°。此时，x方向梯度磁场由原来的x方向梯度线圈单独工作转变为旋转后的x方向和y方向梯度线圈同时工作。当两个方向的梯度线圈同时工作时，实际最大梯度为两个梯度的矢量和，梯度幅值的增大可以使得施加梯度所需的时间缩短。特别地，在EPI时，利用本发明中的旋转倾斜梯度线圈组件将大大缩短所需时间，从而提高EPI的时间分辨率或达到更高的空间分辨率。
在现有的筒状磁共振成像系统中，通常包括三组筒状梯度线圈组，分别记为Gz梯度线圈组、Gx梯度线圈组和Gy梯度线圈组。Gz梯度线圈组、Gx梯度线圈组和Gy梯度线圈组的梯度磁场方向对应如图1所示的空间坐标系的z轴、x轴和y轴，三者互为正交，坐标系的原点O大致对应圆筒的中心。如图2所示为Gz梯度线圈组示意图，如图3所示为Gx梯度线圈组示意图，如图4所示为Gy梯度线圈组示意图。三组梯度线圈组装置分布在大致为圆筒形的腔体表面，成像物体置于圆筒中，圆筒的轴线记作水平同心轴线19，水平同心轴线19方向与z轴方向一致，其中坐标系原点O在水平同心轴线19上。Gz梯度线圈组、Gx梯度线圈组和Gy梯度线圈组均定位在水平同心轴线19上大致同心位置。Gz梯度线圈组、Gx梯度线圈组和Gy梯度线圈组包括折叠环路电流路径（为了清楚地说明而未标示出），线圈上的电流方向见图上所示，其构造使得当供能时每个折叠环路电流的路径在成像体积中生成相应的磁场梯度分量。
如图2所示，Gz梯度线圈组包括在此示出的布置在x-y平面左侧的第一Gz梯度线圈21和在x-y平面右侧的第二Gz梯度线圈22。第一Gz梯度线圈21和第二Gz梯度线圈22均为大致圆形的线圈，大致等距地分布在腔体中心x-y平面的左右两侧。
如图3所示，Gx梯度线圈组包括在此示出的布置在y-z平面前侧的第一Gx梯度线圈23、第二Gx梯度线圈24和在y-z平面后侧的第三Gx梯度线圈25、第四Gx梯度线圈26。每个Gx梯度线圈为大致长方弧形的线圈；第一Gx梯度线圈23、第二Gx梯度线圈24和第三Gx梯度线圈25、第四Gx梯度线圈26大致等距地分布在腔体中心y-z平面的前后两侧；第一Gx梯度线圈23、第三Gx梯度线圈25和第二Gx梯度线圈24、第四Gx梯度线圈26大致等距地分布在腔体中心x-y平面的左右两侧。
如图4所示，Gy梯度线圈组包括在此示出的布置在x-z平面上侧的第一Gy梯度线圈27、第二Gy梯度线圈28和在x-z平面下侧的第三Gy梯度线圈29、第四Gy梯度线圈30。每个Gy梯度线圈为大致长方弧形的线圈；第一Gy梯度线圈27、第二Gy梯度线圈28和第三Gy梯度线圈29、第四Gy梯度线圈30大致等距地分布在腔体中心x-z平面的上下两侧；第一Gy梯度线圈27、第三Gy梯度线圈29和第二Gy梯度线圈28、第四Gy梯度线圈30大致等距地分布在腔体中心x-y平面的左右两侧。
本发明提出的用于筒状磁共振成像系统的旋转倾斜梯度线圈组件如图5和6所示，包括G1梯度线圈组、G2梯度线圈组、G3梯度线圈组；G1梯度线圈组由Gx梯度线圈组沿水平同心轴19方向旋转45°得到，G2梯度线圈组由Gy梯度线圈组沿水平同心轴19方向旋转45°得到，G3梯度线圈组与原筒状梯度线圈组中的Gz梯度线圈组一致。Gz梯度线圈组、G1梯度线圈组和G2梯度线圈组均定位在水平同心轴线19上大致同心位置。Gz梯度线圈组、G1梯度线圈组和G2梯度线圈组均包括折叠环路电流路径（为了清楚地说明而未示出），线圈上的电流方向见图上所示，其构造使得当供能时每个折叠环路电流的路径在成像体积中生成相应的磁场梯度分量。Gz、G1和G2梯度磁场方向如图1所示，坐标系的原点O大致对应圆筒的中心，Gz、G1和G2梯度磁场方向互相正交，其中，G1和G2梯度方向分别为x轴和y轴方向绕z轴逆时针旋转45°后的方向，Gz梯度方向为z轴方向。
如图5所示，G1梯度线圈组包括在此示出的布置在G2-Gz梯度方向平面前下侧的第一G1梯度线圈31、第二G1梯度线圈32和在G2-Gz梯度方向平面后上侧的第三G1梯度线圈33、第四G1梯度线圈34，使得G1梯度线圈组的梯度磁场方向为x轴方向绕z轴逆时针旋转45°后的方向。每个G1梯度线圈大致为长方弧形的线圈；第一G1梯度线圈31、第二G1梯度线圈32和第三G1梯度线圈33、第四G1梯度线圈34等距地分布在腔体中心G2-Gz梯度方向平面的前后两侧；第一G1梯度线圈31、第三G1梯度线圈33和第二G1梯度线圈32、第四G1梯度线圈34等距地分布在腔体中心G1-G2梯度方向平面的左右两侧。
如图6所示，G2梯度线圈组包括在此示出为布置在G1-Gz梯度方向平面前上侧的第一G2梯度线圈35、第二G2梯度线圈36和在G1-Gz梯度方向平面后下侧的第三G2梯度线圈37、第四G2梯度线圈38，使得G2梯度线圈组的梯度磁场方向为y轴方向绕z轴逆时针旋转45°后的方向。每个G2梯度线圈大致为长方弧形的线圈；第一G2梯度线圈35、第二G2梯度线圈36和第三G2梯度线圈37、第四G2梯度线圈38等距地分布在腔体中心G1-Gz梯度方向平面的上下两侧；第一G2梯度线圈35、第三G2梯度线圈37和第二G2梯度线圈36、第四G2梯度线圈38等距地分布在腔体中心G1-G2平面的左右两侧。
在现有的平板状磁共振成像系统中，原平板梯度线圈组17通常包括三组梯度线圈组：Gx梯度线圈组、Gz梯度线圈组和Gy梯度线圈组。Gz、Gx和Gy梯度磁场方向对应如图13所示的空间坐标系的z轴、x轴和y轴，三者互为正交，坐标系的原点O大致对应平板形成的空腔的中心。如图14所示，Gx梯度线圈组43、Gz梯度线圈组44和Gy梯度线圈组40均为大致圆盘状结构，均定位在竖直同心轴线39上大致同心位置，该竖直同心轴线39通常被称作梯度轴线并且其方向通常与y轴方向一致。三组梯度线圈组分布在上下两个平板上，下层梯度线圈与上层梯度线圈构造相同，电流大小相同方向相反，未在图中示出。Gy梯度线圈组40、Gx梯度线圈组43和Gz梯度线圈组44用于当电流供能时在成像物体中产生所希望的主要磁场。每个梯度线圈组包括折叠环路电流路径（为了清楚地说明而未标示出），线圈上的电流方向见图上所示，其构造使得当供能时每个折叠环路电流的路径在成像体积中生成相应的磁场梯度分量。
本发明提出的用于平板状磁共振成像系统的旋转倾斜梯度线圈组件如图15所示，包括G1梯度线圈组41、G2梯度线圈组42、G3梯度线圈组。G1梯度线圈组41由Gx梯度线圈组43沿竖直同心轴线39方向旋转45°得到，G2梯度线圈组42由Gz梯度线圈组44沿竖直同心轴线39方向旋转45°得到，G3梯度线圈组与原平板梯度线圈组中的Gy梯度线圈组40一致。Gy梯度线圈组40、G1梯度线圈组41和G2梯度线圈组42均可分为上梯度线圈和下梯度线圈，均定位在竖直同心轴线39上大致同心位置；图中只给出上层梯度线圈示意图，下层梯度线圈与上层梯度线圈构造相同，电流大小相同方向相反。每个梯度线圈组均包括折叠环路电流路径（为了清楚地说明而未示出），线圈上的电流方向见图上所示，其构造使得当供能时每个折叠环路的电流路径在成像体积中生成相应的磁场梯度分量。Gy、G1和G2梯度磁场方向如图13所示，坐标系的原点O大致对应于平板形成的腔体的中心，Gy、G1和G2梯度磁场方向互相正交，其中，G1和G2梯度方向分别为z轴和x轴方向绕y轴逆时针旋转45°后的方向，Gy梯度方向为y轴方向。
旋转倾斜梯度线圈组件下的脉冲序列通过以下优化方法得到：假设脉冲序列的逻辑坐标系与人体坐标系一致，人体坐标系下位置L与对应空间坐标系的位置O已经由预扫描测得，可表示为L=R1O；空间坐标系的位置O与梯度的物理坐标系位置P之间（如旋转倾斜前梯度Gx、Gy与旋转倾斜后梯度G1、G2的方向）存在45°旋转的关系，记为P=R2O。根据倾斜成像的原理，由逻辑坐标系的物理量L转换到物理坐标系的物理量P关系为P=R2R1 -1L，即若不做优化设计，逻辑坐标系中梯度的幅值Lamp转换到物理坐标系中梯度幅值Pamp的关系为Pamp=R2R1 -1Lamp，逻辑坐标系中梯度的面积Larea转换到物理坐标系中梯度面积Parea的关系为Parea=R2R1 -1Larea。也就是说，在旋转倾斜梯度线圈组件下未优化的梯度可逐点通过矩阵计算得到。然而，未优化计算得到的梯度可能会超出梯度线圈的性能指标，或/和未充分使用最高的梯度性能而使得序列未达到最高使用效率。因此，对于旋转倾斜梯度线圈组件下的序列设计，需采用梯度性能的优化设计，来实现缩短TE和TR的作用。在旋转倾斜梯度线圈组件下，扫描序列的设计思路可部分参考专利US005512825A中描述的oblique imaging（倾斜成像）序列的优化设计。
实施例1：旋转倾斜梯度线圈组件下的梯度回波脉冲序列的优化设计方法如图7所示，包括以下步骤：
（1）输入逻辑轴下的梯度回波脉冲序列波形，该波形如图8所示；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序，划分为几个时间段，包括层选前斜坡段、层选时间段、层选后到读出前的时间段、读出编码时间段、读出后时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化。假设人体坐标系与空间坐标系一致，即人体平躺在成像空间内，头脚方向为空间z轴方向，左右方向为空间x方向，前后方向为空间y方向，也就是说R1=I（单位矩阵），R2=[cos(π/4) sin(π/4) 0; -sin(π/4) cos(π/4) 0; 0 0 1]。由于R1=I，R2=[cos(π/4) sin(π/4) 0; -sin(π/4) cos(π/4) 0; 0 0 1]，矩阵旋转对第三维度方向（即逻辑轴上的Gz）无效，故物理轴上的层选梯度保持跟逻辑轴一样。所以，仅需对Gx和Gy所在的层选后到读出前的时间段、读出编码时间段、读出后的时间段三段时间进行优化；对这三段时间段，分别计算逻辑轴下Gx梯度和Gy梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，如读出编码时间段，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，如层选后到读出前的时间段和读出后时间段，表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形。优化后的波形如图9所示。
所述步骤（4）中判断条件之后的操作具体通过以下方法设计得到：
对于层选后到读出前的时间段，计算逻辑轴下Gx梯度以及最大和最小的相位编码梯度Gy的面积，将Gx梯度和Gy梯度的面积旋转计算转换到物理轴下的G1和G2轴，对比最大和最小的相位编码梯度步骤，取旋转后面积较大者来定为优化后最短时间段的面积参数；由于时间段内的初幅值为零，末幅值与读出编码时间段的幅值相等，利用优化后最短时间段的面积参数，确定G1和G2梯度的波形，得到优化后的最短时间。在每一次相位编码步骤中，将Gx梯度和Gy梯度的面积旋转计算转换到G1和G2轴，再利用计算得到的优化后的最短时间及其面积参数，设计硬件上优化的梯度波形。原层选后到读出前的时间段的优化设计结果如图9中的优化后的层选后到读出前的时间段。
对于读出编码时间段，此时只有单个轴施加了梯度，对于此梯度的优化设计方法为恒定梯度-时间的优化方法，参照图10。首先对逻辑轴下Gx梯度幅值进行旋转计算转换，分解成物理轴下G1和G2上的波形，波形时间长度不变，幅值分别为原梯度的1/√2和-1/√2。其次，保持G1和G2梯度面积不变，将G1和G2梯度拉伸到一定值G’，时间压缩到最短时间，此时，确保单个梯度幅值仍小于最大梯度幅值Gmax，即G’<Gmax，且采样率为图像质量允许的相较优化前更高的一个值。按照上述方法，原读出编码时间段优化后的结果如图9中的优化后的读出编码时间段。
对于读出后的时间段，仅需将G1和G2梯度降为零，原读出后的时间段的优化设计结果如图9中的优化后的读出后时间段。
此外，在层选后到读出前的时间段中，原来的频率编码梯度、重聚相梯度和相位编码梯度，在时间上同时施加，经过分解，表现为在G1梯度和G2梯度两个方向上均随不同的TR相应变化幅值的梯度；在这一情形中（两个方向梯度同时施加），采用旋转倾斜梯度线圈组件并不一定能缩短持续时间，且由原Gy单个轴上随时间变换的梯度幅值改变为G1和G2两个轴上均随时间变换的幅值。
由梯度回波序列这一实施例，可得结论如下：1. 梯度的时序需要经过旋转变换计算得到；2. 梯度的总持续时间由所需施加的梯度类型决定，即单轴梯度时间缩短明显，双轴梯度时间缩短不明显或有所增加。
实施例2：旋转倾斜梯度线圈组件下的平面回波脉冲序列的优化设计方法如图7所示，包括以下步骤：
（1）输入逻辑轴下的梯度回波脉冲序列波形，该波形如图11所示；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序，划分为几个时间段，包括层选前的斜坡段、层选时间段、层选后到读出前的时间段、多个带有斜坡采样的读出编码时间段及多个相位编码时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化。假设人体坐标系与空间坐标系一致，即人体平躺在成像空间内，头脚方向为空间z轴方向，左右方向为空间x方向，前后方向为空间y方向，也就是说R1=I（单位矩阵），R2=[cos(π/4) sin(π/4) 0; -sin(π/4) cos(π/4) 0; 0 0 1]。由于R1=I，R2=[cos(π/4) sin(π/4) 0; -sin(π/4) cos(π/4) 0; 0 0 1]，矩阵旋转对第三维度方向（即逻辑轴上的Gz）无效，故物理轴上的层选梯度保持跟逻辑轴一样。所以，仅需对Gx和Gy所在的层选后到读出前的时间段、多个带有斜坡采样的读出编码时间段和多个相位编码时间段进行优化；分别计算逻辑轴下Gx梯度和Gy梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，如多个带有斜坡采样的读出编码时间段，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，如层选后到读出前的时间段和多个相位编码时间段，表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形。
所述步骤（4）中判断条件之后的操作具体通过以下方法设计得到：
对于层选后到读出前的时间段，计算逻辑轴下Gx梯度和Gy梯度波形的面积，将Gx梯度和Gy梯度的面积旋转计算转换到物理轴下的G1和G2轴，取旋转后面积较大者来定为优化后最短时间段的面积参数；时间段内的初幅值为零，末幅值与读出编码时间段的初幅值相等，利用优化后最短时间段的面积参数，确定G1梯度和G2梯度的波形，得到优化后的最短时间。在每一次相位编码步骤中，将Gx梯度和Gy梯度的面积旋转计算转换到G1和G2轴，再利用计算得到的优化后的最短时间及其面积参数，设计硬件上优化的梯度波形。原层选后到读出前的时间段的优化设计结果如图12中的优化后的层选后到读出前的时间段。
对于读出编码时间段，此时只有单个轴施加了梯度，对于此梯度的优化设计方法为恒定梯度-时间的优化方法：首先对逻辑轴下Gx梯度幅值进行旋转计算转换，分解成物理轴下G1和G2梯度上的波形，波形时间长度不变，幅值分别为原梯度的1/√2和-1/√2。其次，保持G1和G2梯度面积不变，将G1和G2梯度拉伸到一定值G’，时间压缩到最短时间，此时，确保单个梯度幅值仍小于最大梯度幅值Gmax，即G’<Gmax，且采样率为图像质量允许的相较优化前更高的一个值。按照上述方法，原读出编码时间段优化后的结果如图12中的优化后的读出编码时间段。
对于相位编码时间段，直接采用旋转计算转换，将逻辑轴下梯度波形转换为物理轴下梯度波形。首先对逻辑轴下Gx和Gy梯度幅值分别进行旋转计算，分解成物理轴下G1梯度和G2梯度上的波形，再将Gx和Gy在G1的波形进行叠加，将Gx和Gy在G2的波形进行叠加，叠加后得到优化后的相位编码时间段，如图12所示。
由于平面回波序列在一个TR内连续施加多个频率编码梯度，其中还伴有很小的相位编码梯度，或者说单轴梯度在整个TR中所占的比重很大，所以采用旋转倾斜梯度线圈组件会使得采集时间大大缩短，减少了T2*衰减的作用，或可用于更高分辨率的成像。对于要求高性能梯度的高级磁共振成像，如扩散张量成像、功能磁共振成像，主要依靠快速成像序列如平面回波成像来完成，利用本发明中的旋转倾斜梯度线圈组件可以缩短回波间隙、回波时间以及总采集时间，从而加快成像。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，本发明的范围并不限定于此。这些实施方式还能以其他各种形态进行实施，在不脱离本发明要旨的范围内，在实际中可以进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其他变形包含于本发明的范围或要旨中，包含于权力要求书记载的发明及其等同的范围中。
Claims (4)
1.一种旋转倾斜梯度线圈组件，包括安装在主磁场沿水平方向的圆筒状磁共振系统腔体内的G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组；G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组产生的梯度方向相互正交；其特征在于，G1梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于主磁场的水平方向及铅垂方向均成45度角，G2梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于主磁场的水平方向及铅垂方向均成45度角，G3梯度线圈组产生的梯度方向与主磁场方向一致。
2.一种用于权利要求1所述的旋转倾斜梯度线圈组件的脉冲序列，其特征在于，所述脉冲序列通过以下步骤得到：
（1）输入逻辑轴下的脉冲序列波形；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序划分时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化，对每一个需要优化的时间段，分别计算三个逻辑轴下梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，则表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形；
所述步骤（4）中的设计物理轴下的硬件优化的梯度波形，方法为：首先进行旋转计算转换，将逻辑轴下Gx梯度和Gy梯度的幅值分解成物理轴下的G1梯度和G2梯度上的幅值，再将Gx梯度和Gy梯度在G1梯度的幅值进行叠加，将Gx梯度和Gy梯度在G2梯度的幅值进行叠加，得到G1梯度波形和G2梯度波形；增大G1梯度和G2梯度的幅值得到优化后的G1梯度和G2梯度波形，保持优化后的G1梯度和G2梯度波形的面积均不变，使优化后的G1梯度和G2梯度的时间与最短时间相等，同时优化后的G1梯度幅值和G2梯度幅值不能超出G1梯度线圈组和G2梯度线圈组的最大梯度；如果为层选或梯度编码梯度，还需相应增大射频激发和接收的采样频率，以保持优化后G1梯度波形和G2梯度波形扫描的图像上的层厚和读出方向视野的大小不变。
3.一种旋转倾斜梯度线圈组件，包括安装在主磁场沿铅垂方向的平板状磁共振系统中上下两个平板上的G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组；G1梯度线圈组、G2梯度线圈组和G3梯度线圈组产生的梯度方向相互正交；其特征在于，G1梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于扫描床头脚方向的水平方向及扫描床头脚方向均成45度角，G2梯度线圈组产生的梯度方向与垂直于扫描床头脚方向的水平方向及扫描床头脚方向均成45度角，G3梯度线圈组产生的梯度方向与主磁场方向一致。
4.一种用于权利要求3所述的旋转倾斜梯度线圈组件的脉冲序列，其特征在于，所述脉冲序列通过以下步骤得到：
（1）输入逻辑轴下的脉冲序列波形；
（2）将逻辑轴下的脉冲序列的一个TR中，按照梯度的时序，划分时间段；
（3）判断各时间段内的梯度波形是否需要优化，对每一个需要优化的时间段，分别计算三个逻辑轴下梯度的幅值和面积；
（4）判断需要优化的时间段所施加梯度是否为层选或梯度编码梯度：若是，须保持优化后合梯度的波形不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并设计物理轴下硬件优化的波形；若否，则表示优化后合梯度的波形可以改变，但面积须不变，分别计算物理轴下允许的最短时间，并取其中的最大值作为最短时间，来设计物理轴下的硬件优化的梯度波形；
所述步骤（4）中的设计物理轴下的硬件优化的梯度波形，方法为：首先进行旋转计算转换，将逻辑轴下Gx梯度和Gz梯度的幅值分解成物理轴下的G1梯度和G2梯度上的幅值，再将Gx梯度和Gz梯度在G1梯度的幅值进行叠加，将Gx梯度和Gz梯度在G2梯度的幅值进行叠加，得到G1梯度波形和G2梯度波形；增大G1梯度和G2梯度的幅值得到优化后的G1梯度和G2梯度波形，保持优化后的G1梯度和G2梯度波形的面积均不变，使优化后的G1梯度和G2梯度的时间与最短时间相等，同时优化后的G1梯度幅值和G2梯度幅值不能超出G1梯度线圈组和G2梯度线圈组的最大梯度；如果为层选或梯度编码梯度，则增大射频激发和接收的采样频率，以保持优化后G1梯度波形和G2梯度波形扫描的图像上的层厚和读出方向的视野大小不变。
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