CN1231178C - 磁共振成像装置以及用于磁共振成像装置的梯度线圈 - Google Patents

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Abstract

为降低屏蔽线圈中的电流损耗和热量释放，使用其绕线被定位于仅相应于高绕线密度区1Zp，而不是相应于主梯度线圈1Zt和1Zb的整个绕线区的部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs。

Description

磁共振成像装置以及用于磁共振成像装置的梯度线圈
技术领域
本发明涉及用于MRI(磁共振成像)装置的梯度线圈、制造用于MRI装置的梯度线圈的方法以及MRI装置，并且尤其涉及用于在它的屏蔽线圈中具有低的电损耗和低的热释放量的MRI装置的梯度线圈、制造这种线圈的方法以及MRI装置。
背景技术
图11图示出传统的MRI装置中的磁体组件的示例。
磁体组件51包括磁轭20、一对用于产生静态磁场的附接于磁轭20的相互面对的永磁体1Mt和1Mb，分别设置在永磁体1Mt和1Mb的相互面对的表面上的用于改善静态磁场的均匀性的磁场调节板24和25、分别设置在磁场调节板24和25的相对的表面上的用于产生Z轴梯度磁场的上下Z轴主梯度线圈单元1Zt和1Zb、用于防止上Z轴主梯度线圈1Zt产生的磁通影响磁场调节板24的上Z轴屏蔽线圈51Zts和用于防止下Z轴主梯度线圈1Zb产生的磁通影响磁场调节板25的下Z轴屏蔽线圈51Zbs。
上Z轴屏蔽线圈51Zts、上Z轴主梯度线圈1Zt、下Z轴主梯度线圈1Zb和下Z轴屏蔽线圈51Zbs的组合构成Z轴梯度线圈51Z。
尽管在图中省略了，X和Y轴的梯度线圈也被设置在磁场调节板24和25的相对的表面上。
图12是Z轴梯度线圈51Z的透视简图。
上Z轴屏蔽线圈51Zts的绕线被设置为对应于上Z轴主梯度线圈1Zt的整个绕线区域。但是，上Z轴屏蔽线圈51Zts的绕线数目小于上Z轴主梯度线圈单元1Zt的绕线数目。
尽管传统的Z轴屏蔽线圈51Zts和51Zbs的绕线数目小于Z轴主梯度线圈单元1Zt和1Zb的绕线数目，因为Z轴屏蔽线圈51Zts和51Zbs的绕线被定位成相应于Z轴主梯度线圈1Zt和1Zb的整个绕线区域，它明显很大。这样，Z轴屏蔽线圈51Zts和51Zbs具有大的电损耗。
尤其，用于MRI装置的传统梯度线圈出现一个在它的屏蔽线圈中产生大的电损耗从而会释放大量热量的问题。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于在它的屏蔽线圈中具有低的电损耗和低的热释放的MRI装置的梯度线圈、一种制造这种梯度线圈的方法以及MRI装置。
根据本发明，提供了一种磁共振成像装置，包括：限定了一个空间且包括一个磁体的一个磁体组件，所述空间用于放置受测体；射频线圈装置，用于对所述受测体提供射频信号；梯度线圈装置，用于向所述磁体组件提供梯度信号；用于根据所述梯度信号和从暴露到所述射频信号的受测体接收的信号提供所述受测体的图像的装置；其特征在于：所述梯度线圈装置包括布置在所述磁体组件中与所述磁体相邻的至少一个主梯度线圈；和至少一个屏蔽线圈，位于所述主梯度线圈和所述磁体之间，其中在所述磁体处所述主梯度线圈和所述屏蔽线圈的绕线密度最高；其中所述磁体组件包括：一对磁轭、一对附接于所述磁轭的永磁体、设置在所述永磁体的相对表面上的一对磁场调节板；其中所述至少一个主梯度线圈包括设置在所述磁场调节板的相对表面上一对主梯度线圈单元。
其中，所述至少一个屏蔽线圈是位于所述主梯度线圈和所述磁场调节板的表面之间的一对屏蔽线圈。其中，所述一对主梯度线圈单元都是圆形的。所述一对屏蔽线圈都是圆形的。所述一对屏蔽线圈使磁通量密度在所述磁场调节板的上述表面被抑制。
所述磁体可以是超导磁体。
所述梯度线圈装置基于使用自旋回转技术的脉冲序列被驱动。
本发明还提供了用于磁共振成像装置的梯度线圈，包括：插在一个主梯度线圈和一个磁场调节板之间的一个部分屏蔽线圈，其中所述部分屏蔽线圈只将其绕组放在一个高绕组密度区，所述高绕组密度区包括其中所述主梯度线圈的绕组密度最高的一个区域，由此使所述主梯度线圈的磁通不会影响所述磁场调节板。
本发明还提供了一种磁共振成像装置，包括：限定了一个空间且包括一个磁体和一个磁场调节板的一个磁体组件，所述空间用于放置受测体；射频线圈装置，用于对所述受测体提供射频信号；梯度线圈装置，用于向所述磁体组件提供梯度信号；用于根据所述梯度信号和从暴露到所述射频信号的受测体接收的信号提供所述受测体的图像的装置；其特征在于：所述梯度线圈装置包括布置在所述磁体组件中与所述磁体相邻的至少一个主梯度线圈；和至少一个屏蔽线圈，位于所述主梯度线圈和所述磁体之间，其中在所述磁体处所述主梯度线圈和所述屏蔽线圈的绕线密度最高，由此使所述主梯度线圈的磁通不会影响所述磁场调节板。
其中，所述磁体是超导磁体。所述梯度线圈装置基于使用自旋回转技术的脉冲序列被驱动。
在用于本发明的MRI装置的梯度线圈中，屏蔽线圈的绕线被定位成仅相应于高绕线密度区，而不是相应于主梯度线圈的整个绕线区。(为了这一原因，所述线圈被称为“部分屏蔽线圈”)。因此，可降低绕线数目，从而降低电损耗和热释放。另外，由于仍能达到要求的屏蔽性能，可防止由主梯度线圈产生的磁通影响磁性构件(诸如磁场调节板)，从而避免对磁性构件中的剩磁产生负面影响。
根据本发明还提供一种制造用于MRI装置的梯度线圈的方法，包括把图像电流方法仅应用于一高绕线密度区，在该区域的一部分中的主梯度线圈的绕线密度是最高的，并把边界条件仅应用于同一区来确定其绕线仅被定位于高绕线密度区的部分屏蔽线圈的绕线位置的步骤。
在用于第二方面的MRI装置的梯度线圈的制造方法中，图像电流方法仅被应用于高绕线密度区并且边界条件仅被应用于同一区，而不是主梯度线圈的整个绕线区。因此，屏蔽线圈的绕线可被适当地定位于仅相应于高绕线密度区(为了这一原因，所述线圈被称为“部分屏蔽线圈”)。
根据本发明，还提供一种制造用于MRI装置的梯度线圈的方法，包括把优化面限定在部分屏蔽线圈与靠近该部分屏蔽线圈分布的磁性构件之间的步骤，该部分屏蔽线圈把它的绕线仅定位在一高绕线密度区，在该区域的一部分中的主梯度线圈的绕线密度是最高的，并且用最小平方方法优化部分屏蔽线圈的绕线位置，从而磁场在优化面内被最小化。
在用于MRI装置的梯度线圈的制造方法中，屏蔽线圈的绕线仅被定位于高绕线密度区，而不是在主梯度线圈的整个绕线区，并且绕线位置用最小平方方法优化。因此，屏蔽线圈的绕线可被适当地定位于仅相应于高绕线密度区(为了这一原因，线圈被称为“部分屏蔽线圈”)。
根据本发明，还提供一种制造用于MRI装置的梯度线圈的方法，包括把图像电流方法仅应用于一高绕线密度区，在该区域的一部分中的主梯度线圈的绕线密度是最高的，并把边界条件仅应用于同一区来确定其绕线仅被定位于高绕线密度区的部分屏蔽线圈的绕线位置的步骤，还包括然后把优化面限定在部分屏蔽线圈与靠近该部分屏蔽线圈分布的磁性构件之间的步骤，以及用最小平方方法优化部分屏蔽线圈的绕线位置，从而磁场在优化面内被最小化的步骤。
在用于MRI装置的梯度线圈的制造方法中，图像电流方法仅被应用于高绕线密度区并且边界条件仅被应用于同一区，而不是主梯度线圈的整个绕线区。因此，屏蔽线圈的绕线可被适当地定位于仅相应于高绕线密度区(为了这一原因，所述线圈被称为“部分屏蔽线圈”)。而且屏蔽线圈的绕线位置用最小平方方法优化。因此，屏蔽线圈的绕线可被更适当地定位。
根据本发明，还提供一种MRI装置，包括包含主梯度线圈的梯度线圈和使其绕线仅定位在一高绕线密度区的部分屏蔽线圈，在所述高绕线密度区的一部分中的主梯度线圈的绕线密度是最高的。
在本发明的MRI装置中，屏蔽线圈的绕线被定位成仅相应于高绕线密度区，而不是相应于主梯度线圈的整个绕线区。(为了这一原因，线圈被称为“部分屏蔽线圈”)。因此，可降低屏蔽线圈的绕线数目，从而降低电损耗和热释放。另外，由于仍能达到要求的屏蔽性能，可防止由主梯度线圈产生的磁通影响磁性构件(诸如磁场调节板)，从而避免磁性构件中的剩磁的负面影响使产生的图像质量降低。
从而根据本发明的用于MRI装置的梯度线圈、制造用于MRI装置的梯度线圈的方法和MRI装置，可降低屏蔽线圈的绕线数目，从而降低电损耗和热释放。另外，由于仍能达到要求的屏蔽性能，可防止由主梯度线圈产生的磁通影响磁性构件，从而避免磁性构件中的剩磁的负面影响使产生的图像质量降低。
本发明的其它目标和优点从下面结合附图的对优选实施例的描述中将变得更明显。
附图说明
图1是表示根据本发明的一个实施例的MRI装置的配置框图；
图2是表示图1的MRI装置中的磁体组件的主要部分的简图；
图3是Z轴梯度线圈的透视图；
图4是Z轴梯度线圈的横截面图；
图5是表示梯度线圈设计过程的流程图；
图6是表示部分屏蔽线圈设计过程的流程图；
图7图示出通过不存在部分屏蔽线圈的主梯度线圈从表面磁通密度分布来确定高绕线密度区的步骤；
图8图示出通过把图像电流方法和边界条件仅应用于高绕线密度区来找到电流密度分布的步骤；
图9表示从电流密度分布获得的绕线位置；
图10图示优化绕线位置的步骤；
图11图示传统磁体组件的主要部分的简图；
图12是传统Z轴梯度线圈的透视简图。
具体实施方式
本发明将参考在附图中示出的几个实施例进行具体描述。
图1是表示根据本发明的一个实施例的MRI装置的配置框图。
在MRI装置100中，磁体组件1内具有一个受测体可插入其中的内腔(空的部分)，并且围绕着内腔，磁体组件1包括用于产生X轴梯度磁场的X轴梯度线圈1X、用于产生Y轴梯度磁场的Y梯度线圈1Y、用于产生Z轴梯度磁场的Z轴梯度线圈1Z、用于应用RF脉冲来激活受测体内部原子核的自旋的发射线圈1T、用于检测来自受测体的NMR信号的接收线圈1R以及用于产生静态磁场的永磁体对1M。
应注意超导磁体可被用来替代永磁体对1M。
X轴梯度线圈1X被连接于X轴梯度线圈驱动电路3X。Y轴梯度线圈1Y被连接于Y轴梯度线圈驱动电路3Y。Z轴梯度线圈1Z被连接于Z轴梯度线圈驱动电路3Z。发射线圈1T被连接于RF功率放大器4。接收线圈1R被连接于前置放大器5。
序列存储器电路8根据来自计算机7的指令基于自旋回转技术等的脉冲序列操作X、Y、Z轴梯度线圈驱动电路3X、3Y和3Z，以分别从X轴梯度线圈1X、Y轴梯度线圈1Y和Z轴梯度线圈1Z产生X轴梯度磁场、Y轴梯度磁场和Z轴梯度磁场。序列存储器电路8还操作门调制电路9来把来自RF振荡电路10的高频输出信号调制为具有预定时序和预定包络线的脉冲信号，并把脉冲信号应用于RF功率放大器4作为激活脉冲。在RF功率放大器4中被功率放大后，信号被应用于磁体组件1中的发射线圈1T以选择地激活目标片区。
前置放大器5放大来自受测体的由磁体组件1中的接收线圈1R检测的NMR信号，并把该信号输入到相位检测器12。相位检测器12用来自RF振荡电路10的输出作为参考信号检测来自前置放大器5的NMR信号的相位，并把检测过相位的信号提供给A/D转换器11。A/D转换器11把检测过相位的模拟信号转换为数字MR信号数据并把它输入到计算机7。
计算机7在MR数据上执行图像重构计算以产生目标片区的图像。图像被显示在显示装置6上。计算机7也负责总体控制，例如接受从操作台13输入的信息。
图2是表示磁铁组件1的主要部分(与本发明相关的)的简图。
磁体组件1包括磁轭20、一对用于产生静态磁场的附接于磁轭20的相互面对的永磁体1Mt和1Mb，分别设置在永磁体1Mt和1Mb的相互面对的表面上的用于改善静态磁场的均匀性的磁场调节板24和25、分别设置在磁场调节板24和25的相对的表面上的用于产生Z轴梯度磁场的上下Z轴主梯度线圈1Zt和1Zb、用于防止上Z轴主梯度线圈1Zt产生的磁通影响磁场调节板24的上Z轴部分屏蔽线圈1Zts和用于防止下Z轴主梯度线圈1Zb产生的磁通影响磁场调节板25的下Z轴部分屏蔽线圈1Zbs。
上Z轴部分屏蔽线圈1Zts、上Z轴主梯度线圈1Zt、下Z轴主梯度线圈1Zb和下Z轴部分屏蔽线圈1Zbs的组合构成Z轴梯度线圈1Z。
尽管在图中省略了，X和Y轴的梯度线圈1X和1Y也被设置在磁场调节板24和25的相对的表面上。
图3是Z轴梯度线圈1Z的透视图；
上Z轴部分屏蔽线圈1Zts的绕线仅被定位在一高绕线密度区，该区域的一部分中的上Z轴主梯度线圈1Zt的绕线密度是最高的(在图4中以1Zp表示)，而不是被定位在相应于上Z轴主梯度线圈1Zt的整个绕线区。
图4是Z轴梯度线圈1Z的横截面图；
表面磁通密度分布轮廓Sm表示磁场调节板24和25的每一个的表面上的磁通密度分布。另一个表面磁通密度分布轮廓Sm′在图7中在Z轴部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs不存在时表示出来。比较这些轮廓可以看到，通过Z轴部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs的存在在磁场调节板24和25的表面上的磁通密度被抑制。从而可避免对磁场调节板24和25中的剩磁产生负面影响。
图5是表示设计用于制造主梯度线圈1Zt和1Zb的主梯度线圈的过程的流程图。
在步骤M1，确定主梯度线圈的电流密度分布，从而在成像区产生要求的梯度磁场。
在步骤M2，主梯度线圈的绕线位置基于主梯度线圈承载的电流强度和在步骤S1得到的电流密度分布被确定。
应注意上面设计主梯度线圈的过程基本上被公开在例如日本专利申请公开No.6-14900中。
图6是表示设计用于制造Z轴部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs的部分屏蔽线圈的过程的流程图。
在步骤S1，当梯度电流I在不存在Z轴部分屏蔽线圈1Zbs的情况下流过主梯度线圈1Zb时计算表面磁通密度分布轮廓Sm′，如图7所示。然后具有例如大于表面磁通密度分布轮廓Sm′的峰值的30％的磁通密度的区被定义为高绕线密度区1Zp。为了这一原因，高绕线密度区1Zp也可被称为高磁通密度区。接着，部分屏蔽线圈的电流密度分布通过把图像电流方法仅应用于高绕线密度区1Zp并且把边界条件仅应用于相同的区来确定，如图8所示。尤其，边界K被假设在部分屏蔽线圈的高度处，在与梯度电流I的相反方向上流过的图像电流Ii被假设在梯度电流I的相对于边界K的镜面对称位置。然后，在边界K计算磁场分布，结果得到的磁场分布被用作电流密度分布。
在步骤S2，部分屏蔽线圈的绕线位置基于部分屏蔽线圈承载的电流强度和在步骤S1得到的电流密度分布被确定，如图9所示。
应注意基于电流密度分布确定绕线位置的方法被公开在例如日本专利申请公开No.6-14900中。
在步骤S3，如图10所示，优化面P被定义在部分屏蔽线圈与靠近该部分屏蔽线圈分布的磁性构件之间，该部分屏蔽线圈的绕线位置用最小平方方法优化，从而在优化面P内在大量评估点处的磁场(t＝1，...N)的平方和被最小化。从而可对Z轴部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs确定绕线的优化位置，如图4所示。
应注意优化面P被定义在例如大约与磁性构件离开1mm的位置。而且，尽管可以规则的间隔来定义非常大的数目的评估点，为降低计算过程的负荷，优选是最小数目的评估点被定义在密度分布中，从而磁场分布可合理地在优化面P内被采样。
根据如上所述的MRI装置100，由于部分屏蔽线圈1Zts和1Zbs被采用成使它们的绕线位置仅相应于高绕线密度区1Zp，而不是相应于主梯度线圈1Zt和1Zb的整个绕线区，可降低屏蔽线圈的绕线数目，从而降低电损耗和热释放。另外，由于仍能达到要求的屏蔽性能，可防止由主梯度线圈1Zt和1Zb产生的磁通影响磁场调节板24和25等，从而避免磁场调节板24和25中的剩磁的负面影响使产生的图像恶化。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下可构造出本发明的许多十分不同的实施例。应理解本发明并不局限于说明书中描述的特定实施例，而是在后面的权利要求中来限定。

Claims (12)

1.一种磁共振成像装置，包括：
限定了一个空间且包括一个磁体的一个磁体组件，所述空间用于放置受测体；
射频线圈装置，用于对所述受测体提供射频信号；
梯度线圈装置，用于向所述磁体组件提供梯度信号；
用于根据所述梯度信号和从暴露到所述射频信号的受测体接收的信号提供所述受测体的图像的装置；其特征在于：
所述梯度线圈装置包括布置在所述磁体组件中与所述磁体相邻的至少一个主梯度线圈；和
至少一个屏蔽线圈，位于所述主梯度线圈和所述磁体之间，其中在所述磁体处所述主梯度线圈和所述屏蔽线圈的绕线密度最高；
其中所述磁体组件包括：一对磁轭、一对附接于所述磁轭的永磁体、设置在所述永磁体的相对表面上的一对磁场调节板；
其中所述至少一个主梯度线圈包括设置在所述磁场调节板的相对表面上一对主梯度线圈单元。
2.根据权利要求1的磁共振成像装置，其特征在于所述至少一个屏蔽线圈是：位于所述主梯度线圈和所述磁场调节板的表面之间的一对屏蔽线圈；
且其中所述一对主梯度线圈单元都是圆形的；
所述一对屏蔽线圈都是圆形的；
所述一对屏蔽线圈使磁通量密度在所述磁场调节板的上述表面被抑制。
3.根据权利要求1的磁共振成像装置，其特征在于所述至少一个屏蔽线圈是分别位于所述主梯度线圈和所述磁场调节板之间的一对屏蔽线圈。
4.根据权利要求1的磁共振成像装置，其特征在于所述一对主梯度线圈是圆形的。
5.根据权利要求3的磁共振成像装置，其特征在于所述一对屏蔽线圈是圆形的。
6.根据权利要求3的磁共振成像装置，其特征在于所述一对屏蔽线圈使磁通量密度在所述磁场调节板的一个表面被抑制。
7.根据权利要求1的磁共振成像装置，其特征在于所述磁体是超导磁体。
8.根据权利要求1的磁共振成像装置，其特征在于所述梯度线圈装置基于使用自旋回转技术的脉冲序列被驱动。
9.用于磁共振成像装置的梯度线圈，包括：
插在一个主梯度线圈和一个磁场调节板之间的一个部分屏蔽线圈，其中：
所述部分屏蔽线圈只将其绕组放在一个高绕组密度区，所述高绕组密度区包括其中所述主梯度线圈的绕组密度最高的一个区域，由此使所述主梯度线圈的磁通不会影响所述磁场调节板。
10.一种磁共振成像装置，包括：
限定了一个空间且包括一个磁体和一个磁场调节板的一个磁体组件，所述空间用于放置受测体；
射频线圈装置，用于对所述受测体提供射频信号；
梯度线圈装置，用于向所述磁体组件提供梯度信号；
用于根据所述梯度信号和从暴露到所述射频信号的受测体接收的信号提供所述受测体的图像的装置；其特征在于：
所述梯度线圈装置包括布置在所述磁体组件中与所述磁体相邻的至少一个主梯度线圈；和
至少一个屏蔽线圈，位于所述主梯度线圈和所述磁体之间，其中在所述磁体处所述主梯度线圈和所述屏蔽线圈的绕线密度最高，由此使所述主梯度线圈的磁通不会影响所述磁场调节板。
11.根据权利要求10的磁共振成像装置，其特征在于所述磁体是超导磁体。
12.根据权利要求10的磁共振成像装置，其特征在于所述梯度线圈装置基于使用自旋回转技术的脉冲序列被驱动。
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