CN105158712A - 一种精确定位mri系统中梯度场中心的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，包括：步骤一：根据梯度线圈结构初步确定初始梯度场中心，以此中心为坐标原点在其周围设置若干测量采样点；步骤二：测量各个采样点处的背景磁场；步骤三：分别测量三个梯度线圈在单独通直流下各采样点处的磁场；步骤四：将真实的梯度线圈产生的磁场数据进行线性拟合；步骤五：根据拟合结果判定新的磁场中心，并判定继续测试还是退出。本发明根据测量数据进行拟合来寻求梯度场中心的位置，与传统上通过机械定位的方法相比，能够更精确的定位梯度线圈的中心，具有很高的精度。

Description

一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法

技术领域

本发明涉及一种定位磁场中心的方法，具体涉及一种精确定位核磁共振成像系统中梯度线圈产生的梯度磁场中心的方法。本发明属于核磁共振成像系统部件研发领域。

背景技术

MRI中的磁场包括主磁体产生的静磁场，梯度线圈产生的梯度磁场以及射频线圈产生的射频场。物体在三种场的共同作用下才能产生MRI图像。原则上，MRI系统在组装时，要求三个部件的磁场中心相互重合。并且扫描时物体尽量放置在磁场的中心。如果实际的成像区域偏离磁场中心太多，则会导致主磁场、梯度场、射频场的质量同时下降，成像的质量会很差。在进行主动或被动匀场时，如果匀场区域的中心与实际的磁场中心不重合，则会得到很差的主磁场均匀度。因此在核磁共振成像(MRI)中，定位磁场中心是一项非常重要的工作。因为在多数核磁共振系统中，匀场轨道以及有源匀场线圈是安装在梯度线圈内的，且匀场轨道以及有源匀场线圈关于梯度场中心对称，因此以梯度线圈产生的磁场为依据来定位磁场中心是一种比较科学的做法。目前在工程上，磁场的中心大多是根据磁体或梯度线圈的结构来进行定位，而二者的结构往往并不是严格对称的，因此这种方法误差比较大。一些磁场测量软件能够根据测量结果对主磁体产生的磁场中心进行简单的判定，但仅仅局限于轴向，对另外两个方向无能为力。因此有必要发明更精确的磁场中心定位方法。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，以解决现有技术中缺少精确、有效的磁场中心定位方法的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，包括：

步骤一：根据梯度线圈结构初步确定初始梯度场中心，以此中心为坐标原点在其周围设置N个测量采样点；

步骤二：测量X/Y/Z三个方向的梯度线圈GCX/GCY/GCZ均不通电流时各个采样点处的背景磁场B_0,i，这里i＝1,2...N为采样点编号；

步骤三：将三个梯度线圈GCX/GCY/GCZ分别单独通直流电流，并分别测量三种情况下各个采样点处的磁场，记为

步骤四：将步骤三中的采样点数据减去步骤二中的采样点数据，得到各个采样点处梯度线圈产生的真实的磁场数据并根据三组数据将三个梯度线圈在成像区域产生的磁场采用以下公式进行线性拟合：

$B_g^x=G^x(x-x_0)$

$B_g^y=G^y(y-y_0)$

$B_g^z=G^z(z-z_0)$

上述公式中，G^x、G^y、G^z以及x₀、y₀、z₀为待求参数。

步骤五：如果x₀,y₀,z₀的绝对值分别小于设定阈值，则(x₀,y₀,z₀)即为梯度线圈的实际磁场中心；否则将坐标原点偏移至坐标点(x₀,y₀,z₀)，重复步骤二至步骤五。

作为优选，所述测量采样点位于以坐标原点为中心的球形或椭球形成像区域表面，并且在方向采样点均匀分布，为采样点在xy平面内的投影与x轴之间的夹角。

作为优选，所述步骤三中的电流幅度I≥30A。

作为优选，所述步骤四中采用最小二乘法进行线性拟合。

作为优选，上述最小二乘法得到的线性插值函数的系数通过如下公式计算：

$G^x=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^x\left(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j\right)\],x_0=\frac{1}{G^x}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^x\left(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^x\right\}$

$G^y=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^y\left(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_j\right)\],y_0=\frac{1}{G^y}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^y\left(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^y\right\}$

$G^z=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^z\left(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_j\right)\],z_0=\frac{1}{G^z}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^z\left(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^z\right\}$

上述公式中，(x_i,y_i,z_i)为第i个采样点的坐标。

作为优选，所述步骤五中，当x₀,y₀,z₀同时满足|x₀|≤0.5mm,|y₀|≤0.5mm,|z₀|≤0.5mm时，确定(x₀,y₀,z₀)为梯度线圈的实际磁场中心。

作为优选，所述测量采样点所在的球形或椭球形区域最大直径D≤50cm。

本发明的有益之处在于：本发明通过对测量得到的成像空间内的磁场数据进行分析来确定线圈的中心，与传统上通过机械定位的方法相比，能够更精确的定位梯度线圈的中心，具有很高的精度。

附图说明

图1为超导MRI系统结构示意图；

图2为本发明实施例的方法流程图；

图3为直角坐标与球坐标关系图；

图4为球形成像区域表面的采样点分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本申请受江苏省自然科学基金青年基金项目(项目批准号:BK20130854)支持。

本实施例结合超导MRI系统中的梯度线圈在椭球体成像空间内产生的梯度磁场为例来说明本发明中的精确定位梯度场中心的方法。超导MRI系统的几大核心部件的空间分布如图1所示。从图中可以看出，无源匀场轨道与与有源匀场线圈均位于梯度线圈内部。因此在匀场时，如果测试工装没有放置在梯度场中心，则会导致匀场效果很差。为此有必要对测试工装的中心位置进行校准。如图2所示，本发明实施例的精确定位MRI系统中梯度场中心的方法主要包括如下步骤：

步骤一：确定初始梯度场中心和测量采样点。初始梯度场中心可以根据梯度线圈结构预估出来，以此初始中心为坐标原点，在其周围设置N个测量采样点。通常情况下，测量采样点位于球形或椭球形成像区域表面，在方向采样点均匀分布。这里的为采样点在xy平面内的投影与x轴之间的夹角。在θ方向既可均匀分布，也可高斯分布。坐标系中θ,方向的定义见图3。实际操作过程中，可以以此初始中心为参考点在梯度线圈内放置磁场测量设备，并确定测量的采样点。因为核磁共振成像区域一般在直径为50cm的球以内，因此测量采样点所在的球形或椭球形区域最大直径D≤50cm。

步骤二：测量各采样点处的背景磁场。将X/Y/Z三个方向的梯度线圈GCX/GCY/GCZ均不通电流，测得各个采样点处的磁场B_0,i，这里i＝1,2...N为采样点编号。

步骤三：测量梯度线圈在直流下的磁场。将三个梯度线圈GCX/GCY/GCZ分别与电流幅度为I安培的直流电源相连接，并分别测量三种情况下各个采样点处的磁场，记为 为了保证测量精度，此处电流幅度的取值范围一般为I≥30A。最大电流不能超过导线的载流。

步骤四：将步骤三中的采样点数据减去步骤二中的采样点数据，得到各个采样点处梯度线圈产生的真实的磁场数据并根据三组数据将三个梯度线圈在成像区域产生的磁场采用以下公式进行线性拟合：

$B_g^x=G^x(x-x_0)$

$B_g^y=G^y(y-y_0)$

$B_g^z=G^z(z-z_0)$

上述公式中，G^x、G^y、G^z以及x₀、y₀、z₀为待求参数，(x₀,y₀,z₀)为通过拟合计算得到的磁场中心坐标。

本步骤中，可采用最小二乘法进行线性拟合，其中最小二乘法得到的线性插值函数的系数可通过如下公式计算：

$G^x=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^x\left(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j\right)\],x_0=\frac{1}{G^x}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^x\left(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{x}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^x\right\}$

$G^y=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^y\left(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_j\right)\],y_0=\frac{1}{G^y}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^y\left(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{y}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^y\right\}$

$G^z=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^z\left(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_j\right)\],z_0=\frac{1}{G^z}\left\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\[B_{g,i}^z\left(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_j\right)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{z}_i-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{B}_{g,i}^z\right\}$

上述公式中，(x_i,y_i,z_i)为第i个采样点的坐标。

步骤五：如果x₀,y₀,z₀的值接近零，即绝对值小于设定的阈值，则确定(x₀,y₀,z₀)即为梯度线圈的实际磁场中心；否则将坐标原点偏移至坐标点(x₀,y₀,z₀)，重复步骤二至步骤五。这里设定的阈值可以为0.5mm，即当|x₀|≤0.5mm,|y₀|≤0.5mm,|z₀|≤0.5mm时，认为(x₀,y₀,z₀)为实际磁场中心，测试过程结束。

下面的表1-表3中的数据，是某款国产圆柱形有源屏蔽梯度线圈的测试结果。测试时，采样点分布在直径为D＝45cm的球形区域表面。采样点在θ方向为13个，在方向为12个。总共156个，如图4所示。

表1.X线圈在各采样点的磁场(uT)

表2.Y线圈在各采样点的磁场(uT)

表3.Z线圈在各采样点的磁场(uT)

如果采用过原点(测试设备中心)的直线逼近三个线圈的梯度磁场，则X线圈的梯度为53.1uT,线性度为10.2％；Y线圈的梯度为52.4uT,线性度为10.3％；Z线圈的梯度为52.4uT,线性度为5.3％；对三个线圈的数据分别采用本发明中的算法进行线性拟合，可以得到x₀＝2.5mm,y₀＝5.2mm,z₀＝-0.2mm。将测试设备的中心偏移至(2.5,5.2,-0.2)。线圈偏移后，X线圈的线性度为5.8％；Y线圈的线性度为6.0％；Z线圈的线性度为5.1％；可以看出将测试设备进行偏移后，线性度得到了大幅度的改善。

Claims (7)

1.一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，包括：

步骤一：根据梯度线圈结构初步确定初始梯度场中心，以此中心为坐标原点在其周围设置N个测量采样点；

步骤二：测量X/Y/Z三个方向的梯度线圈GCX/GCY/GCZ均不通电流时各个采样点处的背景磁场B_0,i，这里i＝1,2...N为采样点编号；

步骤三：将三个梯度线圈GCX/GCY/GCZ分别单独通直流电流，并分别测量三种情况下各个采样点处的磁场，记为

步骤四：将步骤三中的采样点数据减去步骤二中的采样点数据，得到各个采样点处梯度线圈产生的真实的磁场数据并根据三组数据将三个梯度线圈在成像区域产生的磁场采用以下公式进行线性拟合：

$B_g^x=G^x(x-x_0)$

$B_g^y=G^y(y-y_0)$

$B_g^z=G^z(z-z_0)$

上述公式中，G^x、G^y、G^z以及x₀、y₀、z₀为待求参数。

步骤五：如果x₀,y₀,z₀的绝对值分别小于设定阈值，则(x₀,y₀,z₀)即为梯度线圈的实际磁场中心；否则将坐标原点偏移至坐标点(x₀,y₀,z₀)，重复步骤二至步骤五。

2.根据权利要求1所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，测量采样点位于以坐标原点为中心的球形或椭球形成像区域表面，并且在方向采样点均匀分布，为采样点在xy平面内的投影与x轴之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，步骤三中的电流幅度I≥30A。

4.根据权利要求1所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，步骤四中采用最小二乘法进行线性拟合。

5.根据权利要求4所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，最小二乘法得到的线性插值函数的系数通过如下公式计算：

$\begin{array}{cc}{G}^x=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^x(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j)\],& x_0=\frac{1}{G^x}\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^x(x_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i-\frac{1}{N}\end{array}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g,i}^x\}$

$\begin{array}{cc}{G}^y=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^y(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j)\],& y_0=\frac{1}{G^y}\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^y(y_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_j)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i-\frac{1}{N}\end{array}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g,i}^y\}$

$\begin{array}{cc}{G}^z=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^z(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_j)\],& z_0=\frac{1}{G^z}\{\frac{1}{N^2}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\[B_{g,i}^z(z_i-\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_j)\]\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i-\frac{1}{N}\end{array}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{g,i}^z\}$

上述公式中，(x_i,y_i,z_i)为第i个采样点的坐标。

6.根据权利要求1所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，步骤五中，当x₀,y₀,z₀同时满足|x₀|≤0.5mm,|y₀|≤0.5mm,|z₀|≤0.5mm时，确定(x₀,y₀,z₀)为梯度线圈的实际磁场中心。

7.根据权利要求2所述的一种精确定位MRI系统中梯度场中心的方法，其特征在于，测量采样点所在的球形或椭球形区域最大直径D≤50cm。