CN106610479A - 一种磁共振成像设备的梯度装置及系统 - Google Patents

一种磁共振成像设备的梯度装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁共振成像设备的梯度装置及系统，其中梯度装置包括：筒体；分别设置于筒体上的x、y、z三个方向的梯度线圈；其中，z方向梯度线圈沿筒体的圆周方向绕制；x方向梯度线圈包括第一x梯度线圈和第二x梯度线圈，第一x梯度线圈和第二x梯度线圈对称设置于第一平面两侧，第一平面过筒体的轴线并与x方向垂直；y方向梯度线圈包括第一y梯度线圈和第二y梯度线圈，第一y梯度线圈和第二y梯度线圈对称设置于第二平面两侧，第二平面过筒体的轴线并与y方向垂直。通过本发明，在梯度线圈内通以较小的电流便可以实现成像空间内较高的磁场强度，提高梯度系统的切换率。

Description

一种磁共振成像设备的梯度装置及系统
技术领域
本发明涉及磁共振成像设备技术领域，具体涉及一种磁共振成像设备的梯度装置及系统。
背景技术
梯度线圈是磁共振设备的核心部件之一，它的主要功能是在三维空间对磁共振信号进行编码，从而获得被试的空间图像信息。在进行磁共振成像时，提高磁共振成像速度最常用的方法是提高磁共振梯度场的切换率，相应的提高了梯度线圈中所流通的电流的变化率。
然而，由于全身梯度系统需要能够用于人体全身成像，成像空间较大，要维持如此大的成像空间内的磁场强度达到所需的磁场强度则需要对梯度线圈通以较大的电流。当全身梯度系统的较大电流在变化率较大时，所产生的梯度波会对人体神经末梢产生电刺激(PNS，Peripheral Nerve Stimulation)，进而导致人体感到不适。由于人体承受力有限，美国的FDA(Food and Drug Administration，食品药品监督管理局)与英国的NRPB(NationalRadiological Protection Board，国家辐射防护委员会)均对梯度场的切换率均做出了限制。
近些年来，利用磁共振手段进行脑部核磁功能和结构成像的应用越来越广泛，利用脑部和磁共振图像研究人脑功能与外界刺激之间的相关联系，是目前热门的科研领域。然而，脑部功能成像一般需要较高的梯度场切换率。受人体PNS等因素的限制，全身梯度系统的切换率和梯度场强度均受到限制，对脑部功能研究及应用造成较大制约。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种磁共振成像设备的梯度装置及系统，以解决受人体PNS限制，全身梯度系统切换率较低的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种磁共振成像设备的梯度装置，包括：筒体；分别设置于所述筒体上的x、y、z三个方向的梯度线圈，x方向梯度线圈产生x方向的磁场，y方向梯度线圈产生y方向的磁场，z方向梯度线圈产生z方向的磁场，三个方向的梯度线圈所产生的磁场形成成像空间；所述x方向、y方向、z方向两两垂直，所述z方向为所述筒体的轴线方向；其中，所述z方向梯度线圈沿所述筒体的圆周方向绕制；所述x方向梯度线圈包括第一x梯度线圈和第二x梯度线圈，所述第一x梯度线圈和所述第二x梯度线圈对称设置于第一平面两侧，所述第一平面过所述筒体的轴线并与所述x方向垂直；所述y方向梯度线圈包括第一y梯度线圈和第二y梯度线圈，所述第一y梯度线圈和所述第二y梯度线圈对称设置于第二平面两侧，所述第二平面过所述筒体的轴线并与所述y方向垂直。
可选地，所述第一x梯度线圈和所述第二x梯度线圈为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，所述第一方向与所述第二方向相反，并沿所述筒体轴线方向。
可选地，所述第一y梯度线圈和所述第二y梯度线圈为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，所述第一方向与所述第二方向相反，并沿所述筒体轴线方向。
可选地，所述x方向梯度线圈和/或所述y方向梯度线圈沿所述筒体的轴线方向的长度为60cm至80cm。
可选地，所述z方向梯度线圈沿所述筒体的轴线方向的长度为35cm至45cm。
可选地，所述z方向梯度线圈在所述筒体轴线上的投影的中心为所述成像空间的中心。
可选地，所述装置还包括：z方向屏蔽线圈，设置于所述z方向梯度线圈的外侧，沿所述筒体的圆周方向绕制；x方向屏蔽线圈，设置于所述x方向梯度线圈的外侧；所述x方向屏蔽线圈包括第一x屏蔽线圈和第二x屏蔽线圈，所述第一x屏蔽线圈和所述第二x屏蔽线圈对称地设置于所述第一平面两侧；y方向屏蔽线圈，设置于所述y方向梯度线圈的外侧；所述y方向屏蔽线圈包括第一y屏蔽线圈和第二y屏蔽线圈，所述第一y屏蔽线圈和所述第二y屏蔽线圈对称地设置于所述第二平面两侧。
可选地，在所述筒体的侧壁中，从内到外依次部署下列线圈：所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈、所述z方向梯度线圈、z方向屏蔽线圈、x方向屏蔽线圈、y方向屏蔽线圈。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种磁共振成像设备的梯度系统，包括：第一方面及第一方面任意一种可选实施方式所述的磁共振成像设备的梯度装置；电源装置，与所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈和所述z方向梯度线圈；
电流控制装置，用于分别控制流过所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈和所述z方向梯度线圈的电流的大小及变化率。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置的梯度线圈和成像空间的示意图；
图2示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中x方向梯度线圈10的示意图；
图3示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中y方向梯度线圈20的示意图；
图4示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中z方向梯度线圈30的示意图；
图5示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中x、y、z三个方向的梯度线圈的侧视图；
图6A为成像空间偏向筒体一端的示意图；
图6B为成像空间位于筒体中间位置的示意图；
图7A示出了磁共振成像设备中梯度线圈的一种对比设计的侧视图；
图7B示出了磁共振成像设备中梯度线圈的另一种对比设计的侧视图；
图8示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置的梯度线圈、屏蔽线圈和成像空间的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本实施例提供一种磁共振成像设备的梯度装置，包括筒体和分别设置于筒体上的x、y、z三个方向的梯度线圈。图1示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置的总体示意图，其中A为x、y、z三个方向的梯度线圈，B为成像空间。具体地，图2示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中x方向梯度线圈10的示意图，图3示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中y方向梯度线圈20的示意图，图4示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中z方向梯度线圈30的示意图。图5示出了根据本发明实施例的磁共振成像设备的梯度装置中x、y、z三个方向的梯度线圈的侧视图。其中，x方向梯度线圈10产生x方向的磁场，y方向梯度线圈20产生y方向的磁场，z方向梯度线圈30产生z方向的磁场，三个方向的梯度线圈所产生的磁场在成像空间呈线性变化趋势。x方向、y方向、z方向两两垂直，z方向为筒体的轴线方向。
根据图4所示，z方向梯度线圈30沿筒体的圆周方向绕制。
根据图2所示，x方向梯度线圈10包括第一x梯度线圈11和第二x梯度线圈12，第一x梯度线圈11和第二x梯度线圈12对称设置于第一平面两侧，第一平面过筒体的轴线并与x方向垂直。
根据图3所示，y方向梯度线圈20包括第一y梯度线圈21和第二y梯度线圈22，第一y梯度线圈21和第二y梯度线圈22对称设置于第二平面两侧，第二平面过筒体的轴线并与y方向垂直。
作为一种可选实施方式，第一x梯度线圈11和第二x梯度线圈12为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，第一方向与第二方向相反，并沿筒体轴线方向。x方向梯度线圈的螺旋中心两侧的密度不同，一侧密度大于另一侧密度能够使得x方向磁场较强的地方偏向筒体轴线的一侧，从而使得线性成像空间偏向筒体一端，使得被试人员仅需头部进入筒体内部空间，而身体无需进入，如图6A所示。图6A为成像空间偏向筒体一端的示意图，图6B为成像空间位于筒体中间位置的示意图，显然在筒体内径较小时，由于肩膀被筒体卡住，人体头部往往无法到达位于筒体中间位置的成像空间，成像空间偏向筒体一端更便于头部进入。
第一y梯度线圈21和第二y梯度线圈22为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，第一方向与第二方向相反，并沿筒体轴线方向。y方向梯度线圈的螺旋中心两侧的密度不同，一侧密度大于另一侧密度能够使得x方向磁场较强的地方偏向筒体轴线的一侧，从而使得成像空间偏向筒体一端，使得被试人员仅需头部进入筒体内部，而身体无需进入。
可选地，x方向梯度线圈10和/或y方向梯度线圈20沿筒体的轴线方向的长度为60cm至80cm。通常直径22cm的直径空间已能够容纳几乎所有人体头部大小，但是若x方向梯度线圈10和/或y方向梯度线圈20沿筒体的轴线方向的长度较短，则要想成像空间内的磁场强度达到需要的强度值则要求线圈密度较大。通常情况下，磁共振成像设备内会设置有金属部件，当梯度线圈内的电流变化时会在金属部件中产生涡流，影响成像速度和所成图像的质量。当线圈密度较大时，涡流现象更为严重。本申请将x方向梯度线圈10和/或y方向梯度线圈20沿筒体的轴线方向的长度设置为60cm至80cm能够降低涡流效应。例如，如图5所示，当x方向梯度线圈10和/或y方向梯度线圈20沿筒体的轴线方向的长度设置为70.8cm时，涡流效应(即涡流磁场与梯度磁场的比值)可以降至0.10％至0.50％。
如图5所示，z方向梯度线圈30在筒体轴线上的投影的中心为成像空间的中心，这样的对称设置可以减小成像空间内的受力及扭矩；另一方面降低成像空间内磁场的非线性度，从而使得成像后对图像进行处理的过程中无需增加非线性梯度校正算法来处理图像。
可选地，z方向梯度线圈30沿筒体的轴线方向的长度为35cm至45cm。本方案对于z方向梯度线圈30沿筒体的轴线方向的的长度的设计在磁共振成像设备的梯度线圈装置领域属于超短的设计。该超短的设计使得z方向梯度线圈的阻抗较小，从而能耗低，减少其发热，降低水冷装置的工作压力。
图7A和图7B给出了可以用于实际磁共振成像设备的梯度装置的对比设计。需要补充说明的是，图7A和图7B中，z方向梯度线圈在筒体轴线上的投影的中心也是成像空间的中心。
可以看出，相对于图7A和图7B的设计，图5所示设计的成像空间更小(直径仅为22cm，已足够容纳人体头部)，梯度装置沿筒体轴线方向的长度更短(仅为70.8cm)，z方向梯度线圈的长度沿筒体轴线方向更短(仅为20*2cm)。
可选地，该磁共振成像设备的梯度装置还包括z方向屏蔽线圈40、x方向屏蔽线圈50和y方向屏蔽线圈60。如图8所示，A为x、y、z三个方向的梯度线圈，B为成像空间，C为x、y、z三个方向的屏蔽线圈。
z方向屏蔽线圈40，设置于z方向梯度线圈30的外侧，沿筒体的圆周方向绕制，如图4所示。
x方向屏蔽线圈50，设置于x方向梯度线圈10的外侧。x方向屏蔽线圈50包括第一x屏蔽线圈和第二x屏蔽线圈，第一x屏蔽线圈和第二x屏蔽线圈对称地设置于第一平面两侧，如图2所示。
y方向屏蔽线圈60，设置于y方向梯度线圈20的外侧。y方向屏蔽线圈60包括第一y屏蔽线圈和第二y屏蔽线圈，第一y屏蔽线圈和第二y屏蔽线圈对称地设置于第二平面两侧，如图3所示。
通过上述x、y、z三个方向的屏蔽线圈，可以较好地抑制梯度线圈内电流变化时所产生的涡流效应。
可选地，在筒体的侧壁中，从内到外依次部署下列线圈：x方向梯度线圈10、y方向梯度线圈20、z方向梯度线圈30、z方向屏蔽线圈40、x方向屏蔽线圈50、y方向屏蔽线圈60。对于图7A和图7B所示的对比设计，在筒体的侧壁中，从内到外线圈的部署顺序为：y方向梯度线圈、x方向梯度线圈、z方向梯度线圈、y方向屏蔽线圈、x方向屏蔽线圈、z方向屏蔽线圈。
作为本实施例的一种最优设计，表一给出了x、y、z三个方向的梯度线圈和屏蔽线圈的设计尺寸。其中，梯度线圈和主动屏蔽线圈的半径是指线圈所在曲面上的点到筒体轴线的距离，梯度线圈长度和主动屏蔽线圈长度是指线圈沿筒体轴线方向的长度。表一中所有尺寸的单位均为mm。
表一 本方案的设计尺寸
为了更好地说明本方案所设计的磁共振成像设备的梯度装置的有益效果，表二分别给出了本方案的设计、图7A的设计、图7B的设计的性能参数。从表二可以看出，本方案设计的涡流效应较低、非线性度较低、电感值较小、切换率较高。
表二 性能参数对比
实施例二
本实施例提供一种磁共振成像设备的梯度系统，包括实施例一及实施例一任意一种可选实施方式所述的磁共振成像设备的梯度装置，还包括电压装置和电流控制装置。
电源装置，与x方向梯度线圈、y方向梯度线圈和z方向梯度线圈。电流控制装置，用于分别控制流过x方向梯度线圈、y方向梯度线圈和z方向梯度线圈的电流的大小及变化率。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，包括：
筒体；
分别设置于所述筒体上的x、y、z三个方向的梯度线圈，x方向梯度线圈产生x方向的磁场，y方向梯度线圈产生y方向的磁场，z方向梯度线圈产生z方向的磁场，三个方向的梯度线圈所产生的磁场在成像空间呈线性变化趋势；所述x方向、y方向、z方向两两垂直，所述z方向为所述筒体的轴线方向；其中，
所述z方向梯度线圈沿所述筒体的圆周方向绕制；
所述x方向梯度线圈包括第一x梯度线圈和第二x梯度线圈，所述第一x梯度线圈和所述第二x梯度线圈对称设置于第一平面两侧，所述第一平面过所述筒体的轴线并与所述x方向垂直；
所述y方向梯度线圈包括第一y梯度线圈和第二y梯度线圈，所述第一y梯度线圈和所述第二y梯度线圈对称设置于第二平面两侧，所述第二平面过所述筒体的轴线并与所述y方向垂直。
2.根据权利要求1所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，所述第一x梯度线圈和所述第二x梯度线圈为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，所述第一方向与所述第二方向相反，并沿所述筒体轴线方向。
3.根据权利要求1所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，所述第一y梯度线圈和所述第二y梯度线圈为螺旋线圈，以其螺旋中心为起点，沿第一方向的线圈密度大于沿第二方向的线圈密度，所述第一方向与所述第二方向相反，并沿所述筒体轴线方向。
4.根据权利要求3所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，所述x方向梯度线圈和/或所述y方向梯度线圈沿所述筒体的轴线方向的长度为60cm至80cm。
5.根据权利要求1所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，所述z方向梯度线圈沿所述筒体的轴线方向的长度为35cm至45cm。
6.根据权利要求5所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，所述z方向梯度线圈在所述筒体轴线上的投影的中心为所述成像空间的中心。
7.根据权利要求1所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，还包括：
z方向屏蔽线圈，设置于所述z方向梯度线圈的外侧，沿所述筒体的圆周方向绕制；
x方向屏蔽线圈，设置于所述x方向梯度线圈的外侧；所述x方向屏蔽线圈包括第一x屏蔽线圈和第二x屏蔽线圈，所述第一x屏蔽线圈和所述第二x屏蔽线圈对称地设置于所述第一平面两侧；
y方向屏蔽线圈，设置于所述y方向梯度线圈的外侧；所述y方向屏蔽线圈包括第一y屏蔽线圈和第二y屏蔽线圈，所述第一y屏蔽线圈和所述第二y屏蔽线圈对称地设置于所述第二平面两侧。
8.根据权利要求7所述的磁共振成像设备的梯度装置，其特征在于，在所述筒体的侧壁中，从内到外依次部署下列线圈：所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈、所述z方向梯度线圈、z方向屏蔽线圈、x方向屏蔽线圈、y方向屏蔽线圈。
9.一种磁共振成像设备的梯度系统，其特征在于，包括：
权利要求1至8任一项所述的磁共振成像设备的梯度装置；
电源装置，与所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈和所述z方向梯度线圈；
电流控制装置，用于分别控制流过所述x方向梯度线圈、所述y方向梯度线圈和所述z方向梯度线圈的电流的大小及变化率。
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