CN112858972A - 梯度线圈及磁共振成像系统 - Google Patents

梯度线圈及磁共振成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例中公开了一种梯度线圈及磁共振成像系统。其中的梯度线圈支持两种梯度模式：第一梯度模式和第二梯度模式；其中，在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。本发明实施例中的技术方案，能够减少扫描时间。

Description

梯度线圈及磁共振成像系统
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，特别是一种支持双梯度模式的梯度线圈及磁共振成像系统。
背景技术
目前，在医院以及诊所等医疗机构中，经常面对大量有磁共振成像(MRI)扫描需求的病人。通常，一个病人的一次扫描大约需要十到二十分钟或更长的时间，致使人多时会造成病人等候时间过长。虽然医疗机构可以通过购买新的磁共振扫描仪来缓解这些情况，但这对于中小型医院机构来说并不是一个可行的解决方案，因为新的磁共振扫描仪不仅是一项巨大的投资，而且需要一个特殊的大房间来安装。
为此，本领域内的技术人员还在致力于寻找新的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例中一方面提出了一种梯度线圈，另一方面提出了一种磁共振成像系统，用以提高最大梯度切换率，以缩短扫描时间。
本发明实施例中提出的一种支持双梯度模式的梯度线圈，支持两种梯度模式：第一梯度模式和第二梯度模式；其中，在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。
在一个实施方式中，所述梯度线圈包括：主线圈和屏蔽线圈；所述主线圈和所述屏蔽线圈分别包括X线圈、Y线圈和Z线圈；所述X线圈、Y线圈和Z线圈分别包括复数个金属线圈；其中，所述X线圈、Y线圈和Z线圈的每个金属线圈分别包括复数个子线圈，且所述复数个子线圈平行绕制成所述金属线圈的设定形状；在第一梯度模式下，所述复数个子线圈串联工作；在第二梯度模式下，所述复数个子线圈中仅部分子线圈串联工作。
在一个实施方式中，所述数个子线圈在同一层面内平行绕制成所述金属线圈的设定形状。
在一个实施方式中，所述复数个子线圈串联连接，且所述复数个子线圈中的部分串联子线圈并联有一根短路线，并联有短路线的部分串联子线圈与所述短路线的另一端分别与一个二选一开关的一个连接端连接。
在一个实施方式中，所述复数个子线圈包括：串联连接的第一子线圈、第二子线圈和第三子线圈；且所述第三子线圈并联有一根短路线；所述第三子线圈和所述短路线的另一端分别与一个二选一开关的一个连接端连接。
在一个实施方式中，所述二选一开关为单刀双掷机械开关、电磁继电器开关或半导体开关。
在一个实施方式中，在第一梯度模式下，所述梯度线圈由具有第一输出电压的第一电源供电；在第二梯度模式下，所述梯度线圈由具有第二输出电压的第二电源供电；所述第二输出电压大于所述第一输出电压。
本发明实施例中提出的一种磁共振成像系统，包括上述任一实施方式中所述的梯度线圈。
从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中提出了一种支持双梯度模式的梯度线圈，其在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。从而可以在第二梯度模式下，提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间，以适应排队等待扫描的人数比较多的情况。
通过使得梯度线圈的每个金属线圈由一根完整的线圈变更为复数根平行绕制的子线圈，在第一梯度模式下，所有复数根子线圈串联工作，相当于原来的一根完整的线圈，因此可按照传统模式工作；而在第二梯度模式下，由于可以仅由部分子线圈串联工作，因此可以提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间。此时，通过配置不同个数的子线圈，便可得到不同的最大梯度切换率。
并且，通过将复数根子线圈在同一层面内平行绕制，可以保持线圈的成本不变。
此外，通过提供两套电源，一套具有第一输出电压，另一套具有第二输出电压，而第二输出电压高于第一输出电压，在第一梯度模式下，由第一输出电压的电源为梯度线圈供电，即传统的供电模式，此时可按照传统模式工作；而在第二梯度模式下，由第二输出电压的电源为梯度线圈供电，此时便可得到较大的瞬时输出电压，进一步可提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间。此时，通过配置不同的第二输出电压，便可得到不同的最大梯度切换率。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1A和图1B为目前以X线圈为例的梯度线圈的结构示意图。其中，图1A为X线圈的一个金属线圈的平面结构示意图。图1B为所述金属线圈的等效电路连接结构示意图。
图2A和图2B为本发明实施例中以X线圈为例得到的双模梯度线圈的结构示意图。其中，图2A为双模X线圈的一个金属线圈的平面结构示意图。图2B为所述金属线圈的等效电路连接结构示意图。
其中，附图标记如下：
标号 含义
L0 线圈
21、L1 第一子线圈
22、L2 第二子线圈
23、L3 第三子线圈
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
本发明实施例中，考虑到在MRI系统中，梯度线圈(GC)用于产生频繁切换的梯度场。一般来说，全身MRI扫描仪只有一个单一的梯度系统，其能够提供恒定的最大梯度强度Gmax＝SImax和恒定最大梯度切换率rs_max＝(S/L)(Umax-ImaxR)，其中Umax是梯度功率放大器(GPA)的最大输出电压，Imax是最大输出电流，S是梯度灵敏度，R是GC电阻，L是GC电感。此处忽略了梯度电缆和滤波器的电阻和电感。
基于上述分析，如果想缩短扫描时间，可通过提高最大梯度切换率来实现。而如果要提高最大梯度切换率，则根据上述最大梯度切换率的公式可知，可通过使用更强大的梯度功率放大器来提供更高的瞬时最大输出电压。例如，如果最大梯度切换率从rs_max提高到3rs_max/2，则梯度功率放大器的最大输出电压必须提高约50％。相应地，可通过提供一种输出电压较高的电源来实现。
考虑到输出电压较高的电源的成本通常也比较高，为了降低对高成本电源的消耗，本实施例中可考虑提供一种双梯度模式的解决方案，表1中以将最大梯度切换率提高约50％为例示出了第一种思路下两个梯度模式下的工作参数。此时，可提供两套电源，这两套电源通过一二选一开关并联连接之后，接入梯度线圈的回路中。在第一梯度模式下，即正常梯度模式下，接入第一套电源，产生具有第一最大梯度强度为Gmax和第一最大梯度切换率为rs_max的梯度场；在第二梯度模式下，即梯度升压模式下，接入第二套电源，提供具有第二最大梯度强度为Gmax和第二最大梯度切换率为近似3rs_max/2的梯度场。
梯度模式I 梯度模式II
最大输出电流 I<sub>max</sub> I<sub>max</sub>
最大输出电压 U<sub>max</sub> ～3U<sub>max</sub>/2
最大梯度强度 G<sub>max</sub> G<sub>max</sub>
最大梯度切换率 r<sub>s_max</sub> ～3r<sub>s_max</sub>/2
表1
考虑到上述解决方案中，两个电源还是会增加磁共振成像系统的成本。因此，本发明实施例中的发明人经过进一步的创造性劳动之后，发现由于并非所有的序列都同时需要高梯度强度和高梯度切换率，有些序列只需要高梯度切换率和中梯度强度。因此，基于该思路可提供另一种双梯度模式的解决方案，它可以保持与梯度功率放大器瞬时输出功率相同的要求，即仅采用原有的一套电源即可，表2中以将最大梯度切换率提高约50％为例示出了第二种思路下两个梯度模式下的工作参数。
梯度模式I 梯度模式II
最大输出电流 I<sub>max</sub> I<sub>max</sub>
最大输出电压 U<sub>max</sub> U<sub>max</sub>
最大梯度强度 G<sub>max</sub> ～2G<sub>max</sub>/3
最大梯度切换率 r<sub>s_max</sub> ～3r<sub>s_max</sub>/2
表2
为了实现第二种思路下的双梯度模式的解决方案，本发明实施例中的发明人考虑到梯度线圈包括主线圈和屏蔽线圈(也称次线圈)，且主线圈和屏蔽线圈又分别包括X轴线圈(简称X线圈)、Y轴线圈(简称Y线圈)和Z轴线圈(简称Z线圈)。具体实现时，X线圈、Y线圈和Z线圈又分别包括复数个金属线圈，如有些应用中包括四个金属线圈等。其中，X线圈和Y线圈的每个金属线圈的平面结构如图1A所示，由一根金属线11绕成类似指纹形的设定形状。每个金属线圈的等效电路结构则如图1B所示，每个金属线圈等效为一个线圈L0。Z线圈的每个金属线圈则是沿圆柱螺旋缠绕的柱面结构，其简化连接结构也如图1B所示。该发明人经过大量创造性的劳动之后，发现通过对原有梯度线圈的每个金属线圈进行改造，将其变更为双模梯度线圈，便可实现表2所示支持双梯度模式的梯度线圈。
图2A和图2B为本发明实施例中以X线圈为例得到的双模梯度线圈的结构示意图。其中，图2A为双模X线圈的一个金属线圈的平面结构示意图。图2B为所述金属线圈的等效电路连接结构示意图。
如图2A所示，为了将最大梯度切换率提高约50％，本发明实施例中的每个金属线圈分别包括三个子线圈，即第一子线圈21、第二子线圈22和第三子线圈23，且三个子线圈21、22、23平行绕成所属线圈要求的设定形状。本实施例中，三个子线圈21、22、23是在同一层面内平行绕制，这样可以保持与图1A中线圈的成本不变。当然，如果不考虑成本，三个子线圈21、22、23全部或部分在不同层面内绕制也是可以的。通过在第一梯度模式下，使得三个子线圈21、22、23串联工作，在全电流负载Imax和满电压负载Umax的情况下，可以提供具有第一最大梯度强度为Gmax和第一最大梯度切换率为rs_max的梯度场；通过在第二梯度模式下，使得三个子线圈中仅两个子线圈21、22串联工作，在全电流负载Imax和满电压负载Umax的情况下，可以提供第二最大梯度强度为近似2Gmax/3和第二最大梯度切换率为近似3rs_max/2的梯度场。
为了实现上述目标，可如图2B所示设计第一子线圈L1、第二子线圈L2和第三子线圈L3的连接关系。即第一子线圈L1、第二子线圈L2和第三子线圈L3依次串联连接；且第三子线圈L3还并联有一根短路线；第三子线圈L3另一端与一个二选一开关的一个连接端K1连接，所述短路线的另一端与所述二选一开关的另一个连接端K2连接。当在第一梯度模式下工作时，K1闭合，K2断开；当在第二梯度模式下工作时，K1断开，K2闭合。
本发明实施例中，所述二选一开关为单刀双掷机械开关、电磁继电器开关或半导体开关。
可见，本发明实施例中的梯度线圈为支持双梯度模式的梯度线圈，其可支持两种梯度模式：第一梯度模式和第二梯度模式；其中，在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。本发明实施例中，第一最大梯度切换率为rs_max，第二最大梯度切换率为近似3rs_max/2的情况仅为一个示例。实际应用中，也可根据实际情况进行设计。
例如，基于第二种思路，还可以使得每个金属线圈包括其它数量的复数个子线圈，且所述复数个子线圈平行绕制为所述金属线圈的设定形状；较佳地，复数个子线圈在同一层面内平行绕制。并且这复数个子线圈串联连接，且所述复数个子线圈中的部分串联子线圈并联有一根短路线，且并联有短路线的部分串联子线圈与所述短路线的另一端分别与一个二选一开关的一个连接端连接。在第一梯度模式下，所述复数个子线圈串联工作，在第二梯度模式下，所述复数个子线圈中仅部分子线圈串联工作。其中，复数个子线圈为两个子线圈，且第二个子线圈并联有一根短路线并与所述短路线二选一时，当选择所述短路线时，最大梯度切换率可提高100％，即第二最大梯度切换率为近似2rs_max；复数个子线圈为四个子线圈，且第四个子线圈并联有一根短路线并与所述短路线二选一时，当选择所述短路线时，最大梯度切换率可提高25％，即第二最大梯度切换率为近似5rs_max/4；以此类推。
又如，基于第一种思路，第二套电源的输出电压值可根据需要提高的最大梯度切换率进行选取。
本发明实施例中还提供一种磁共振成像系统，其可包括上述支持双梯度模式的梯度线圈。
从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中提出了一种支持双梯度模式的梯度线圈，其在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。从而可以在第二梯度模式下，提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间，以适应排队等待扫描的人数比较多的情况。
通过使得梯度线圈的每个金属线圈由一根完整的线圈变更为复数根平行绕制的子线圈，在第一梯度模式下，所有复数根子线圈串联工作，相当于原来的一根完整的线圈，因此可按照传统模式工作；而在第二梯度模式下，由于可以仅由部分子线圈串联工作，因此可以提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间。此时，通过配置不同个数的子线圈，便可得到不同的最大梯度切换率。该方法中，虽然会牺牲一些最大梯度强度，但由于有些序列本身并不要求较高的最大梯度强度，因此并不影响磁共振扫描的成像质量。
并且，通过将复数根子线圈在同一层面内平行绕制，可以保持线圈的成本不变。
此外，通过提供两套电源，一套具有第一输出电压，另一套具有第二输出电压，而第二输出电压高于第一输出电压，在第一梯度模式下，由第一输出电压的电源为梯度线圈供电，即传统的供电模式，此时可按照传统模式工作；而在第二梯度模式下，由第二输出电压的电源为梯度线圈供电，此时便可得到较大的瞬时输出电压，进一步可提高最大梯度切换率，从而可以缩短扫描时间。此时，通过配置不同的第二输出电压，便可得到不同的最大梯度切换率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.梯度线圈，其特征在于，支持两种梯度模式：第一梯度模式和第二梯度模式；其中，
在第一梯度模式下，提供具有第一最大梯度切换率的梯度场；在第二梯度模式下，提供具有第二最大梯度切换率的梯度场；所述第二梯度切换率大于所述第一梯度切换率。
2.根据权利要求1所述的梯度线圈，包括：主线圈和屏蔽线圈；所述主线圈和所述屏蔽线圈分别包括X线圈、Y线圈和Z线圈；所述X线圈、Y线圈和Z线圈分别包括复数个金属线圈；其特征在于，
所述X线圈、Y线圈和Z线圈的每个金属线圈分别包括复数个子线圈，且所述复数个子线圈平行绕制成所述金属线圈的设定形状；
在第一梯度模式下，所述复数个子线圈串联工作；在第二梯度模式下，所述复数个子线圈中仅部分子线圈串联工作。
3.根据权利要求2所述的梯度线圈，其特征在于，
所述数个子线圈在同一层面内平行绕制成所述金属线圈的设定形状。
4.根据权利要求2或3所述的梯度线圈，其特征在于，
所述复数个子线圈串联连接，且所述复数个子线圈中的部分串联子线圈并联有一根短路线，并联有短路线的部分串联子线圈与所述短路线的另一端分别与一个二选一开关的一个连接端连接。
5.根据权利要求4所述的梯度线圈，其特征在于，所述复数个子线圈包括：串联连接的第一子线圈、第二子线圈和第三子线圈；且
所述第三子线圈并联有一根短路线；
所述第三子线圈和所述短路线的另一端分别与一个二选一开关的一个连接端连接。
6.根据权利要求5所述的梯度线圈，其特征在于，所述二选一开关为单刀双掷机械开关、电磁继电器开关或半导体开关。
7.根据权利要求1所述的梯度线圈，其特征在于，在第一梯度模式下，所述梯度线圈由具有第一输出电压的第一电源供电；在第二梯度模式下，所述梯度线圈由具有第二输出电压的第二电源供电；所述第二输出电压大于所述第一输出电压。
8.一种磁共振成像系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的梯度线圈。
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