CN107219480A - 磁共振成像系统的阵列梯度线圈 - Google Patents

Abstract

一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈，由多个线圈分布在梯度线圈的电流面上组成。阵列梯度线圈由梯度功率放大器驱动。梯度功率放大器的输出端连接阵列梯度线圈，梯度功率放大器的输入端和一个梯度磁场控制器连接。梯度功率放大器由多个功率单元组成，多个功率单元之间在电气上相互独立，每个功率单元和一个线圈连接，梯度磁场控制器产生功率单元的控制信号，梯度磁场控制器的每一路输出连接到每一个功率单元的输入端，梯度磁场控制器输出的每一路控制信号对应一组线圈的电流参数，控制每个功率单元的电流输出，实现对每个线圈的电流调节，通过调节各线圈的电流大小和方向，可改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，在成像区产生所需要的梯度磁场。

Description

磁共振成像系统的阵列梯度线圈

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像系统的梯度线圈。

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。

现代磁共振成像要求梯度系统的性能非常高，目前梯度系统中梯度磁场的强度可以达到40—60mT/m，梯度磁场的切换率达到150—200T/m/s。由于对成像回波时间的要求，扩散成像的要求，以及多核成像的要求等，对未来梯度磁场强度和切换率要求越来越大，然而现有的梯度磁场产生方法对于提高梯度磁场强度和切换率存在很大的问题，目前的梯度系统中，梯度线圈多采用线圈对产生三个方向的梯度磁场，线圈的结构均为多绕组线圈，如图2所示的一种现有梯度线圈的结构图案，就是采用“指纹”图案的多绕组线圈；为容纳人体的进入，这种线圈均具有较大的尺寸，储能很高。若为了增大梯度磁场，有效的方法是增加梯度线圈的匝数，或者是增加梯度线圈的电流。增大匝数会增加线圈的感抗，从而与提高切换率矛盾。为克服感抗的影响，一般都采用提高梯度功率放大器输出电压的手段来增大梯度磁场的切换率，目前，梯度功率放大器的输出电压和电流达到了3000V/900A的水平，增大线圈的电流会带来严重的发热问题，提高梯度功率放大器的输出电压使得线圈的绝缘问题的解决更加困难，因为绝缘和散热是相互矛盾的工艺问题。更严重的问题是，在现有技术下，若增大梯度磁场的强度和切换率，可能会使局部梯度磁场的变化率(dB/dt)超出标准，引起对人的刺激等不良反应。为此，人们采用了其他一些办法，比如增加一个小的梯度线圈，插入到标准梯度线圈中，可以有效解决这个问题，不过小的梯度线圈的使用受到一定的限制，比如只能进行局部的成像，使用也不方便。

现有的梯度磁场产生方法，其线圈一旦制造完成，所产生的磁场分布既已确定，无法改变，限制了系统的性能。比如为进行全身成像，梯度线圈所产生的磁场一般都是对称的，其中，成像区的梯度磁场较弱，而梯度线圈在成像区两侧所产生的磁场反而较强，这种磁场分布有可能使得人体心脏所在的区域的磁场变化率(dB/dt)超出标准，局部的非对称线圈，可以使人体所处的非成像区的梯度磁场的变化率(dB/dt)变得很小，从而允许成像区采用较大的梯度强度和切换率，然而在现有技术下，这两种梯度磁场无法用同一个梯度线圈产生。

中国发明专利CN201510746871.2公开了一种梯度磁场产生的方法和装置，采用线圈阵列构成梯度线圈，可实现梯度磁场的重构，但是该专利所述的纵向梯度线圈，是由多个平行放置的圆形线圈构成，该方法虽然可形成梯度磁场，但是线圈之间的耦合过于强烈，解耦上存在困难。在构成横向梯度磁场方面，采用排列成单列多行的结构，由于每个阵列梯度线圈的面积较大，电感不容易减小，又因为该结构只能采用多层排列，在实现的工艺上具有较大的局限性。

图2所示这种梯度线圈采用“指纹”式分布的图案结构，各绕组之间串联，用一个梯度功率放大器驱动，可在成像空间产生所需要的梯度磁场。这种梯度线圈的磁场分布形态不可改变，并且由于电感很大，需要高压大电流的梯度功率放大器才能达到较高的梯度切换率。

发明内容

本发明的目的在于解决现有磁共振成像系统中梯度磁场产生的上述问题，提出一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈，本发明能够使梯度磁场系统的性能和梯度线圈的结构变得灵活，提高磁共振成像系统的水平。

本发明磁共振成像系统的阵列梯度线圈，由多个线圈构成，多个线圈并列分布在梯度线圈的电流面上，构成线圈阵列。线圈阵列可以是单层布置，也可以是多层布置或者是部分线圈重叠。本发明阵列梯度线圈既可以产生纵向梯度磁场，也可以产生横向梯度磁场。由于线圈之间是并列分布在梯度线圈的电流面上，线圈之间的耦合较弱，并且，若将相邻线圈之间有部分重叠，可消除线圈之间的耦合。

本发明阵列梯度线圈由梯度功率放大器驱动，梯度功率放大器的输出端连接阵列梯度线圈，梯度功率放大器的输入端和一个梯度磁场控制器连接。所述的梯度功率放大器由多个功率单元组成，多个功率单元之间在电气上相互独立，每个功率单元和一个线圈连接，梯度磁场控制器产生功率单元的控制信号，梯度磁场控制器的每一路输出连接到每一个功率单元的输入端，梯度磁场控制器输出的每一路控制信号对应一组线圈的电流参数，控制每个功率单元的电流输出，实现对每个线圈的电流调节。由于每个线圈通过独立的功率单元驱动，因此每个线圈的电流大小和方向可独立调节，线圈电流大小和方向通过改变梯度磁场控制器的信号实现。本发明通过目标场等数学方法，可以针对每个梯度磁场的空间分布，计算得到阵列梯度线圈中每个线圈的电流大小和方向，每个线圈的一组电流大小和方向参数对应梯度磁场的一个空间分布。

因此，本发明可以根据成像的要求，通过调节阵列梯度线圈中各个线圈的电流大小和方向，改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，产生满足特定成像所需要的梯度磁场。在不改变梯度线圈绕组分布的前提下，改变梯度磁场的空间分布。

梯度磁场是由导线通过电流产生的，一般地，把导线所分布的平面或曲面称为梯度线圈电流面。本发明中，梯度线圈电流面上分布有梯度线圈阵列，梯度磁场是由梯度线圈阵列中各个线圈所产生磁场合成的，梯度线圈阵列各线圈中的电流大小和方向可以不相同，因此，改变每个线圈的电流大小和方向，则会改变所合成的梯度磁场的空间分布。通过计算，可以获得不同的梯度磁场空间分布所对应的各线圈的电流大小和方向，形成不同的数据组。将这些不同的数据组存储在数据存储器中，磁共振成像系统扫描时，根据所需要扫描的部位和序列对应的梯度磁场的空间分布，调出对应的数据，用这些数据来控制梯度线圈阵列中各线圈的电流大小和方向，便可获得所需的梯度磁场。

由于梯度磁场需要在成像区域内有特定的分布，比如说要求其分布在某一个方向上有较好的线性。一般对于超导磁共振成像系统，要求在50cm球形区域内非线性不超过5％。同时，在成像区域内对梯度磁场有一定的强度要求，比如30mT/m。梯度系统工作在脉冲状态，因此需要梯度磁场有一定的切换率，比如150T/m/s。其中，梯度磁场的空间分布是由线圈的分布决定的，若线圈的分布固定，每个线圈通过的电流也相同，则该线圈所产生的梯度磁场的空间分布则固定不变，仅仅是梯度磁场的强度随电流的大小改变，切换率随驱动电压和爬升时间的变化改变。

本发明阵列线圈中的每个线圈都由梯度功率放大器的各个功率单元独立驱动，因此，分别独立调整梯度功率放大器的每个功率单元的电流大小和方向，可以使阵列线圈的每个线圈所产生的磁场独立变化，阵列梯度线圈中所有线圈所产生的磁场在成像区域及其附近的合成磁场的空间分布就会发生变化，从而改变梯度磁场的空间分布。

现有的阵列梯度线圈在形成梯度磁场时，根据梯度磁场的空间分布，可以计算出线圈绕组的位置和形状，然后根据这些参数绕制所需要的线圈，线圈均由多匝绕组构成，因此每个绕组在工作时所通过的电流大小是相同的，在工作时通过电流，即可产生所需的梯度磁场空间分布，在改变梯度功率放大器的电流时，同一组线圈的各绕组电流的变化也相同，无法改变梯度磁场的空间分布，仅仅可以改变梯度磁场的大小和切换率。本发明阵列梯度线圈中每个线圈的位置是固定不变的，在设定所需要的梯度磁场空间分布后，可以根据每个线圈所处的位置，计算出每个线圈的电流大小和方向，对于不同的梯度磁场空间分布，可以计算出不同的电流参数组合。将多组线圈的电流大小和方向参数存储于数据存储器中，磁共振成像系统工作时，可以根据需要调出相应的参数，用以控制各线圈的电流大小和方向，形成所需梯度磁场。

在磁共振成像的每次扫描过程中，梯度磁场的形态相对固定，但是梯度磁场的大小则可调节。为实现梯度磁场大小的调节，所存储的每组参数的每个阵列梯度线圈的电流大小，可以是不同线圈之间的电流大小的比例关系参数。磁共振成像系统扫描时，则按照各个线圈电流的比例改变每个线圈的电流大小，从而保持其合成的梯度磁场的空间分布所所需要的形态。

本发明的优点是，由于可以改变梯度磁场的空间分布，因此可以带来更好和更灵活的应用。比如在进行体部扫描时，由于一般对梯度磁场的强度要求不高，可以将梯度的线性区扩大，梯度磁场强度降低，获得大范围的线性区。而对于头部成像，则可以缩小梯度磁场的线性区，增强小范围成像区的梯度磁场强度。为减小梯度磁场变化率的影响，还可以将梯度线圈产生的磁场构成为非对称磁场，并形成力矩平衡电流分布，使得人体所处的区域的梯度磁场强度变得很小，从而允许采用大的梯度磁场切换率成像。

显然，本发明阵列梯度线圈中，线圈的数量越多，则调节梯度磁场分布则越精密。每个线圈可以是单匝线圈，也可以是多匝线圈。由于线圈的面积小，即使是多匝线圈，其电感也很容易控制在数十微亨以内，其感抗很小。一般地，离成像区远端的梯度电流面上的电流密度较大，因此，在线圈的分布上，成像区远端的线圈数量可以多于成像区近端的线圈，比成像区近端的线圈排列更紧密，可有效提高远端的电流密度。另一种情况下，为了对成像区的磁场做更精细的调节，可增大成像区近端的线圈的排列密度，因此，本发明在阵列梯度线圈排列的密度上，可以根据不同需要而改变。阵列梯度线圈中每个线圈的形状可以多样，比如线圈的形状可以是圆形线圈，其优点是受力均匀，但是这种线圈的面积填充系数不够高；线圈的形状也可以是矩形，该形状线圈面积填充系数很高，但是受力较为不均匀；线圈的形状也可以是六边形，这种线圈的面积填充系数很高，受力也较矩形线圈好很多。因此，本发明可以采用这三种不同形状的线圈构成阵列梯度线圈。

显然，在这些阵列梯度线圈中，部分线圈之间存在耦合关系，但是考虑线圈的面积，相对位置等因素，每个线圈的总电感依然远小于现有方法的单个线圈的总电感，同时，将相邻线圈进行部分的交叠，可以大大降低线圈之间的耦合，因此，驱动每个小线圈所需要的电压很低，比较容易提高梯度磁场的切换率。本发明阵列梯度线圈中，每个线圈的匝数可灵活设置，既可以是单匝线圈，也可以是多匝线圈。对于多匝线圈的情况，所需要的驱动电流可以显著降低，因此，驱动线圈阵列的总功率不会增大很多。由于阵列梯度线圈中每个线圈所需要的驱动电压和电流大大减小，比如50V/50A，梯度功率放大器中的每个驱动单元的功耗大大减小，更容易实现高的切换率。

梯度功率放大器由直流供电电源和多个功率单元组成，其中，每个功率单元共用一个直流供电电源，也可以是一组功率单元共用一个直流电源。各功率单元的输入输出之间相互独立，每个单元具有独立的驱动信号控制，可独立调节电流参数和波形。

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现有技术的磁共振成像系统中横向梯度线圈结构图；

图3为本发明平板梯度阵列梯度线圈的实施例1；

图4为本发明圆柱型梯度阵列梯度线圈的实施例2；

图5为本发明圆形阵列梯度线圈的实施例3；

图6为本发明六边形阵列梯度线圈的实施例4；

图7为本发明具有部分交叠的六边形阵列梯度线圈的实施例5；

图8为本发明具有两层阵列梯度线圈结构的实施例6。

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。

本发明磁共振成像系统的阵列梯度线圈由多个线圈构成，多个线圈分布在梯度电流面上，线圈之间可以是并列布置，也可是相邻线圈之间部分重叠布置，或者为多层布置。阵列梯度线圈由梯度功率放大器驱动。梯度功率放大器的输出端连接阵列梯度线圈，梯度功率放大器的输入端和一个梯度磁场控制器连接。所述的梯度功率放大器由多个功率单元组成，多个功率单元之间在电气上相互独立，每个功率单元和一个线圈连接，梯度磁场控制器产生功率单元的控制信号，梯度磁场控制器的每一路输出连接到每一个功率单元的输入端，梯度磁场控制器输出的每一路控制信号对应一组线圈的电流参数，控制每个功率单元的电流输出，实现对每个线圈的电流调节。

每个线圈的电流大小和方向可独立调节。每个线圈的一组电流大小和方向参数对应梯度磁场的一个空间分布。因此通过调节阵列梯度线圈中各个线圈的电流大小和方向，改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，可以产生满足特定成像所需要的梯度磁场。

梯度功率放大器的多个功率单元共用一个直流供电电源或多个个直流供电电源。

应用本发明的磁场产生装置的结构如下：梯度线圈阵列产生的梯度磁场由阵列梯度线圈中所有线圈产生的磁场合成形成。阵列梯度线圈和梯度功率放大器的输出端连接，梯度功率放大器的输入端连接梯度磁场控制器。阵列梯度线圈的每个线圈与梯度功率放大器的每个功率单元的输出端相连，。梯度磁场控制器控制梯度功率放大器的小功率单元的电流，由此控制阵列梯度线圈的电流大小和方向，电流大小和方向。数据存储器、与梯度磁场控制器连接，存储有不同梯度磁场空间分布所对应的阵列梯度线圈的电流参数。

在设定所需要的梯度磁场空间分布后，可以根据每个线圈所处的位置，计算出每个线圈的电流大小和方向，对于不同的梯度磁场空间分布，可以计算出不同的电流参数组合。将多组线圈的电流大小和方向参数存储于数据存储器中，磁共振成像系统工作时，可以根据需要调出相应的参数，用以控制各线圈的电流大小和方向，形成所需梯度磁场，并且，可以在不改变梯度线圈结构的前提下，改变梯度线圈所产生磁场的空间分布。

图3所示为本发明阵列梯度线圈的实施例1。如图3所示，所述阵列梯度线圈由多个矩形线圈构成平板式梯度线圈，用于垂直磁场的磁共振成像仪。阵列梯度线圈共由144个独立的线圈组成，每个线圈40匝，直径50mm。产生横向磁场时，每个线圈施加表1所示电流，可在30cm球形区域内产生线性度在-1到+1.2％，梯度强度为21mT/m的平板式梯度磁场。

对于图3的实施例，按照表2所示的电流施加在线圈上，则可在30cm球形区域内产生纵向梯度磁场，线性度在-1.6到+2.8％，梯度强度为18mT/m。因此，在不改变线圈结构是，可通过改变各线圈的电流大小和方向，改变梯度磁场的形态和分布。

图4所示为本发明阵列梯度线圈的实施例2。如图4所示，所述阵列梯度线圈由多个矩形线圈构成圆柱形梯度线圈，用于水平磁场的磁共振成像仪。圆柱形梯度线圈共由100个独立的矩形线圈组成，每个矩形线圈40匝，产生纵向梯度磁场时，每个矩形线圈施加表3所示电流，可在40cm球形区域内产生线性度在-3.5到+3.2％，梯度强度为30mT/m的梯度磁场。

表1平板梯度电流表

序号	电流(A)	方向	序号	电流(A)	方向
						1	10	+	8	4	-
2	8	+	9	5.5	-
						3	6.2	+	10	6.2	-
4	5.5	+	11	8	-
						5	4	+	12	10	-
6	2	+	13	6	+
						7	2	-	14	6	-

表2平板梯度电流表

序号	电流(A)	方向	序号	电流(A)	方向
						1	10	+	8	7.6	+
2	8	+	9	7	+
						3	7	+	10	7	+
4	7	+	11	8	+
						5	7.6	+	12	10	+
6	8	+	13	0	+
						7	8	+	14	0	+

表3圆柱形梯度电流表

序号	电流(A)	方向	序号	电流(A)	方向
						1	10	+	6	8.5	-
2	8	+	7	4.5	-
						3	8	+	8	8	-
4	4.5	+	9	8	-
						5	8.5	+	10	10	-

图5所示为本发明梯度线圈阵列的实施例3。如图5所示，所述梯度线圈阵列由多个圆形线圈构成，线圈紧密排列，相互绝缘，线圈具有较均匀的受力。

图6所示为本发明梯度线圈阵列的实施例4。如图6所示，所述梯度线圈阵列由多个六边形线圈构成，线圈紧密排列。

图7所示为本发明梯度线圈阵列的实施例5。如图7所示，所述梯度线圈阵列由多个六边形线圈构成，线圈之间相互有部分重叠，该结构可降低线圈之间的耦合。

图8所示为本发明梯度线圈阵列的实施例6，采用多层结构，每层有多个小线圈构成线圈阵列，每层之间的线圈排列相互交叠，消除耦合。

以上实施例均为非主动屏蔽的线圈结构，对于主动屏蔽的线圈，仅仅是在主线圈的外部加上屏蔽线圈，采用本发明的装置可以构成带有主动屏蔽的阵列梯度线圈。

上述实施例的特征均是通过不同阵列梯度线圈的形状构成阵列梯度线圈，其中每个线圈的电流大小和方向可独立控制。在此前提下，可采用不同的计算方法计算各个线圈的电流大小和方向，实现所需要的梯度磁场。

Claims (6)

1.一种磁共振成像系统的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的磁共振成像系统的阵列梯度线圈由多个线圈构成，多个线圈分布在梯度电流面上；阵列梯度线圈由梯度功率放大器驱动；梯度功率放大器的输出端连接阵列梯度线圈，梯度功率放大器的输入端和一个梯度磁场控制器连接；所述的梯度功率放大器由多个功率单元组成，多个功率单元之间在电气上相互独立，每个功率单元和一个线圈连接，梯度磁场控制器产生功率单元的控制信号，梯度磁场控制器的每一路输出连接到每一个功率单元的输入端，梯度磁场控制器输出的每一路控制信号对应一组线圈的电流参数，控制每个功率单元的电流输出，实现对每个线圈的电流调节，通过调节各线圈的电流大小和方向，改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，在成像区产生所需要的梯度磁场。

2.如权利要求1所述的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的阵列梯度线圈中，多个线圈并列布置。

3.如权利要求1所述的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的梯度线圈中，相邻的线圈之间有部分相互重叠。

4.如权利要求1所述的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的阵列梯度线圈中，成像区远端的线圈数量比近端更多，成像区远端线圈排列密度大于成像区近端的线圈排列密度，以提高成像区远端的电流密度。

5.如权利要求1所述的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的阵列梯度线圈中，增大成像区近端的线圈的排列密度，以更精细的调节成像区的磁场。

6.如权利要求1所述的阵列梯度线圈，其特征在于：所述的阵列梯度线圈的线圈的形状是矩形、圆形或六边形。