CN114545312A - 一种非线性梯度线圈及扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非线性梯度线圈，该非线性梯度线圈包括以阵列形式排列为多段环状线圈组的若干个线圈单元，每个线圈单元被配置为能够独立供电以改变所产生的磁场；每个线圈单元串联有屏蔽导线段，全部线圈单元的屏蔽导线段排列为包围多段环状线圈外层的屏蔽层。本发明的非线性梯度线圈取消了传统线性梯度复杂的绕线，将梯度线圈单元化；且只需使用小电压、小电流来驱动就可以实现空间编码，并且极大缩短了图像采集时间，还能够在实现更高梯度的情况下降低最大磁场强度的变化，从而减少PNS的产生。

Description

一种非线性梯度线圈及扫描方法

技术领域

本发明属于磁共振扫描领域，具体涉及一种非线性梯度线圈及扫描方法。

背景技术

磁共振成像技术是材料检测和现代医学领域不可或缺的一项影像技术。常规磁共振系统依托磁体、梯度系统、射频系统三大硬件进行信号产生和获取，其中梯度部分由X、Y、Z三个方向的线性梯度线圈组成，用来选层、频率编码以及相位编码。线性梯度线圈的绕线十分复杂，对制造工业及成本的需求都较高。

在进行磁共振扫描时，我们只能采集到整个图像（所有体素）所发出的信号总和，所以我们需要一定的手段将每个体素发出的信号与采集到的总信号对应起来，这就是“空间编码”的过程。比如我们用经纬度去定位地球上的任意位置这种方式，就是对地球进行编码的过程，相似的，现有商用磁共振的常规线性梯度编码的逻辑与之类似，利用线性且正交的X、Y梯度对图像进行空间编码，这是一种直观且方便的方式，因为可以直接对采集到的总信号做傅里叶变换得到图像。利用常规线性X、Y梯度编码通常要经过相位编码和频率编码两个过程，只在一些特殊的采集方式中不需要显性相位编码，例如radial、spiral。但这两种方式的主流重建思路依旧是填充k空间、重新网格化、最后傅里叶变换，整体流程较多，扫描速度较慢。

另外，在用于医学检测的常规磁共振成像技术中，使用一些快速成像序列例如EPI、TSE时，其过高的梯度磁场切换率会引起周围神经刺激（PNS），带来严重且痛苦的肌肉收缩/痉挛，甚至有可能导致心律失常。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种非线性梯度线圈及扫描方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种非线性梯度线圈，该非线性梯度线圈包括以阵列形式排列为多段环状线圈组的若干个线圈单元，每个线圈单元被配置为能够独立供电以改变所产生的磁场；

每个线圈单元串联有屏蔽导线段，全部线圈单元的屏蔽导线段排列为包围多段环状线圈外层的屏蔽层。

作为优选方案，同一段环状线圈组的若干线圈单元的屏蔽导线段沿环形排列为屏蔽环，若干段环状线圈组的屏蔽环沿柱形面排列为屏蔽层。

作为优选方案，环状线圈组分为内线圈组及外线圈组，内线圈组与外线圈组在环状线圈组的周向以一定角度交错，并在环状线圈组的轴向部分相叠，以减小多段环状线圈组的整体尺寸、提高空间自由度。。

作为进一步优选的方案，环状线圈组包括两个内线圈组及三个外线圈组，每个线圈组由八个线圈单元组成。

作为进一步优选的方案，线圈单元外设有支撑外壳，内线圈组与外线圈组的支撑外壳交错相叠。

作为进一步优选的方案，非线性梯度线圈还包括水冷管，水冷管的管壁与支撑外壳固定连接，固定线圈单元的位置并导出热量。

另一方面，本发明还提供一种非线性梯度扫描方法，方法包括：

以不同的电流分别驱动多个线圈单元，调节每个线圈单元的驱动电流，产生伪线性梯度磁场和二阶球谐场的旋转叠加磁场，每个线圈单元的驱动电流随时间变化，使旋转叠加磁场于空间中旋转；

在旋转叠加磁场每次旋转后进行采样；

根据采样数据重建图像，完成扫描。

作为优选方案，方法还包括：

单独驱动每个线圈单元，得到单独每个线圈单元的梯度场图；

根据采样的序列，将单独每个线圈单元的梯度场图组合，得到采样的序列的总梯度场图；

使用总梯度场图进行图像的重建。

作为优选方案，方法还包括：

使用单激发完成采样扫描。

作为进一步优选的方案，在旋转叠加磁场每次旋转后改变驱动电流，以逐渐增强或减弱旋转叠加磁场的梯度。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1）取消了传统线性梯度复杂的绕线，将梯度线圈单元化，大大减轻了制作工艺和成本，单元化后的梯度线圈电感降低，切换率得到提高；

2）对于单元化的低电感非线性梯度线圈来说，只需使用小电压、小电流来驱动就可以实现空间编码，而传统线性梯度为了实现所需的高线性度，需要高电压和高电流；

3）非线形梯度编码场能够极大缩短图像采集时间，突破了传统线性梯度并行成像加速因子的限制；

4）非线性梯度编码方式能够在实现更高梯度的情况下降低最大磁场强度的变化，从而减少PNS的产生。

附图说明

图1是本发明实施例的非线性梯度线圈的布线图；

图2是本发明实施例的非线性梯度线圈的布线图；

图3是本发明实施例的线圈单元的布线图；

图4是本发明实施例的线圈单元的整体结构示意图；

图5是本发明实施例的非线性梯度线圈的整体结构示意图；

图6是本发明实施例的非线性梯度线圈的整体结构示意图；

图7是本发明实施例的伪线性梯度磁场的磁场分布图；

图8是本发明实施例的二阶球谐场的磁场分布图；

图9是本发明实施例的旋转叠加磁场的磁场分布图；

图10是本发明实施例的旋转叠加磁场的磁场分布图；

图11是本发明实施例的旋转叠加磁场的磁场分布图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

实施例：本发明提供一种非线性梯度线圈，其整体布线结构如图1和图2所示，该非线性梯度线圈包括多段并列的环状线圈组，每段环状线圈组均由多个以环状排列的线圈单元组成。在图1的优选实施例中，环装线圈组选用5段，且每段环状线圈组由8个围成环形的线圈单元组成。每个线圈单元都与供电机构连接，并由单独的驱动电流所驱动，从而可以通过调节施加于某一单元的驱动电流单独改变这一单元产生的磁场。相比于传统梯度线圈，本发明线圈单元的每个单元能够使用较小电流独立驱动，从而产生任意所需的梯度磁场模式，传统线性梯度线圈为了实现高线性度需要高电压和高电流，相比之下本发明的结构和绕线设计更简单、电感更小、功耗更低。

每个线圈单元的布线如图3所示，整体结构如图4所示，线圈以回形盘旋绕制以提供磁场，另外在线圈单元的前段还串联屏蔽导线段，屏蔽导线段与线圈使用同一根导线绕制而成。在线圈上安装如图4的支撑外壳，支撑外壳还为屏蔽导线段设置了支撑架。当同段环状线圈组的线圈单元排列完成后，其支撑外壳连接成一个多边形环，而各个线圈单元的屏蔽导线段于环状线圈组的外侧排列成环形。多段环形线圈组连接后其屏蔽导线段所成的环形在一个柱形面内构成屏蔽层。套设支撑外壳后的非线性梯度线圈，其整体结构如图5和图6所示。

在一些实施例中，如图2、6所示，还设置水冷管1平行于环状线圈组的轴线方向连接若干线圈单元，水冷管1能够将线圈单元导线的热量导出，且其管壁与支撑外壳固定连接，以支撑固定线圈单元、维持整体结构。

在一些实施例中，为了减小环状线圈组的整体尺寸，将环状线圈组分为内线圈组和外线圈组，如图1及图2所示，环状线圈组以内线圈组和外线圈组以互相间隔的顺序排列，并在环状线圈组整体的周向以一定角度交错、在环状线圈组整体的轴向部分相叠，使线圈单元的角度排列更密集、且每段线圈组的轴向前后一半均与前后的线圈组叠加，由此提高环状线圈组的空间自由度。在套设支撑外壳时，内线圈组的支撑外壳和外线圈组的支撑外壳交错相叠。

另一方面，本发明还提供一种非线性梯度扫描方法，特别地能够用于上述所展示的非线性梯度线圈。方法具体包括：

分别以不同的电流独立驱动各个线圈单元，通过各个线圈单元电流的变化，产生时空变化的非线性梯度场来编码图像空间。通过对各个线圈单元电流的调节，在非线性梯度线圈内产生伪线性梯度磁场和二阶球谐场共同叠加而成的旋转叠加磁场。在Z方向（选层方向）上以类似常规线性选层梯度的磁场分布为目标进行选层。其中伪线性梯度磁场的磁场分布为图7所示，样式类似于线性梯度，但是梯度分布不均，呈现两边梯度大中心梯度小的分布；只要使环向各个线圈单元的电流幅值依据正弦分布，并按照一定的步长时序变化，就可以使该伪线性梯度磁场随时间转动。另外，二阶球谐场Z2的磁场分布如图8所示。

上述二者叠加后能够将旋转叠加磁场的中心点（也即梯度凹点）偏移，所产生的旋转叠加磁场，其磁场分布及随时间的变化如图9-11所示。偏移使磁场旋转编码过程中由梯度凹点所造成的编码不足问题得到补偿。

由此，无需传统方法中的相位编码，并且不需要通过合成X、Y线性梯度编码产生旋转的线性梯度来填充k空间，而是直接产生旋转的伪线性梯度，并在此之上添加一个二阶球谐场Z2=x ²+y ²来补偿只使用伪线性梯度造成的部分空间编码不足的问题。

根据上述方案生成磁场，便可以在该旋转叠加磁场每一次旋转后直接对信号进行采样，并根据采样数据进行图像重建，完成扫描。

具体地，本实施例中提供图像重建的一种优选方法：作为图像重建的准备工作，首先需要获取采样的序列的梯度场图。单独驱动某一个线圈单元，使该单元在成像空间内产生相应的电磁场，然后利用一个双回波的梯度回波序列得到该电磁场的分布，也即这个线圈单元的梯度场图，该梯度场图包含了成像空间内各点磁场大小，使用相同的方法得到每一个线圈单元的梯度场图。

某种成像方式对应特定的序列，不同的序列对应不同的线圈单元控制方式，也即梯度场图的组合方式，因此就可以根据序列将各个线圈单元梯度场图组合起来，得到某种成像方式下的梯度场图。

磁共振成像过程可以抽象为如下式子：S = EM；

该式子为信号方程，S为采集到的信号矩阵，M为要重建出的图像矩阵，S和M之间一定对应着某种关系，让我们可以从M得到S。而E便表示了这种对应关系，叫作编码矩阵。接着，利用上述采集到梯度场图构建出编码矩阵E，其中包含不同时间点、不同空间位置的体素相位累积情况。

如此便得到了S和E，然后采用迭代的方式进行求解，迭代方式可以选用共轭梯度法，在一定次数的迭代后，收敛到一个逼近的解，便重建出图像M，完成扫描。

另外，作为改进方案，采样时可以采用单激发方式，在一次射频激励后多次进行采样，采集一副图像所需的全部信息。而且在每次采样在原有旋转的电流调节基础上还可以逐步提高各线圈单元的电流，使得组合成的旋转叠加磁场在旋转的过程中梯度逐渐增强。如此可以使梯度磁场幅值的变化极大地降低，降低周围神经刺激（PNS）发生可能的同时，也能突破传统成像中切换率的限制。另外，非线形梯度编码场极大缩短了图像采集时间，突破了传统线性梯度并行成像加速因子的限制，尤其是在单激发的快速成像序列下，非线性梯度的加速能力可以极大降低由金属产生的图像伪影，包括金属伪影在内的其他磁敏感伪影都可得到改善。

应当说明的是，上述实施例仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种非线性梯度线圈，其特征在于，

所述非线性梯度线圈包括以阵列形式排列为多段环状线圈组的若干个线圈单元，每个所述线圈单元被配置为能够独立供电以改变所产生的磁场；

每个所述线圈单元串联有屏蔽导线段，全部所述线圈单元的屏蔽导线段排列为包围所述多段环状线圈外层的屏蔽层。

2.如权利要求1所述的一种非线性梯度线圈，其特征在于，同一段所述环状线圈组的若干所述线圈单元的屏蔽导线段沿环形排列为屏蔽环，若干段所述环状线圈组的所述屏蔽环沿柱形面排列为所述屏蔽层。

3.如权利要求1所述的一种非线性梯度线圈，其特征在于，所述环状线圈组分为内线圈组及外线圈组，所述内线圈组与所述外线圈组在所述环状线圈组的周向以一定角度交错，并在所述环状线圈组的轴向部分相叠，以减小所述多段环状线圈组的整体尺寸、提高空间自由度。

4.如权利要求3所述的一种非线性梯度线圈，其特征在于，所述环状线圈组包括两个所述内线圈组及三个所述外线圈组，每个所述线圈组由八个所述线圈单元组成。

5.如权利要求3所述的一种非线性梯度线圈，其特征在于，所述线圈单元外设有支撑外壳，所述内线圈组与所述外线圈组的支撑外壳交错相叠。

6.如权利要求5所述的一种非线性梯度线圈，其特征在于，所述非线性梯度线圈还包括水冷管，所述水冷管的管壁与所述支撑外壳固定连接，固定所述线圈单元并导出热量。

7.一种非线性梯度扫描方法，其特征在于，所述方法包括：

以不同的电流分别驱动多个线圈单元，调节每个所述线圈单元的驱动电流，产生伪线性梯度磁场和二阶球谐场的旋转叠加磁场，所述每个线圈单元的驱动电流随时间变化，使所述旋转叠加磁场于空间中旋转；

在所述旋转叠加磁场每次旋转后进行采样；

根据所述采样数据重建图像，完成扫描。

8.如权利要求7所述的一种非线性梯度扫描方法，其特征在于，所述重建具体包括：

单独驱动每个所述线圈单元，得到单独每个所述线圈单元的梯度场图；

根据所述采样的序列，将每个所述线圈单元的梯度场图组合，得到所述采样的序列的总梯度场图；

使用所述总梯度场图进行图像的重建。

9.如权利要求7所述的一种非线性梯度扫描方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用单激发完成所述采样。

10.如权利要求9所述的一种非线性梯度扫描方法，其特征在于，在所述旋转叠加磁场每次旋转后改变所述驱动电流，以逐渐增强或减弱所述旋转叠加磁场的梯度。

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