CN1248649C - 磁场校正方法、磁场产生设备和磁共振成像设备 - Google Patents

磁场校正方法、磁场产生设备和磁共振成像设备 Download PDF

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Abstract

为有效地校正静止磁场的二次项分量，在校正通过轭(202，204)支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体(102)产生的静止磁场的不均匀性误差时，通过一对环形环路线圈(104)产生的磁场的二次项分量校正该静止磁场的二次项分量，以及通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈(114)产生的磁场的第零阶项分量补偿来自环形环路线圈对的磁场的第零阶项分量。

Description

磁场校正方法、磁场产生设备和磁共振成像设备
技术领域
本发明涉及一种磁场校正方法、磁场校正设备和磁共振成像设备，更具体地说涉及校正通过轭支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体产生的静止磁场的不均匀性误差的方法、产生校正了不均匀性误差的静止磁场的设备和包括这种磁场产生设备的磁共振成像设备。
背景技术
通过彼此相对的一对磁体在空间中产生均匀的静止磁场的常规设备中，使用相对于静止磁场空间的中心对称地设置的两对环形线圈通过环形环路线圈对产生的磁场的二次项分量消除(校正)静止磁场的二次项分量。使通过两对环形环路线圈产生的磁场具有相反的极性以减小它们的第零阶项分量对静止磁场的影响。
在这种常规的方法中，由于通过两对环形环路线圈产生的磁场的极性彼此相反，因此通过来自环形环路线圈对的磁场的二次项分量之间的差值校正静止磁场的二次项分量。因此，考虑输送到两对环形环路线圈的功率，校正效率较差。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种有效地校正静止磁场的二次项分量的方法、产生有效地校正了二次项分量的静止磁场的设备和包括这种磁场产生设备的磁共振成像设备。
(1)根据解决前述问题的本发明的一方面，本发明是校正通过轭支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体在所说的空间中产生的静止磁场的不均匀性误差的磁场校正方法，其特征在于包括：通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；和通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量。
(2)根据解决前述问题的本发明的另一方面，本发明是磁场产生设备，其特征在于包括：磁场产生装置，该磁场产生装置具有通过轭支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体，并用于在所说的空间中产生的静止磁场；校正装置，该校正装置用于通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；和补偿装置，该补偿装置用于通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量。
(3)根据解决前述问题的本发明的另一方面，本发明是磁共振成像设备，其特征在于包括：磁场产生装置，该磁场产生装置具有通过轭支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体，并用于在所说的空间中产生的静止磁场；校正装置，该校正装置用于通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；补偿装置，该补偿装置用于通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量；信号采集装置，该信号采集装置采集通过在所说的空间中的自旋产生的磁共振信号；和基于所说的所采集的磁共振信号产生图像的图像产生装置。
在前述的发明中，在要校正通过轭支撑以使磁体在空间上彼此面对的一对磁体产生的静止磁场的不均匀性误差时，通过相对于所说的空间的中心对称地设置的一对环形环路线圈产生的磁场的二次项分量校正该静止磁场的二次项分量，以及通过缠绕在至少一个轭上的线圈产生的磁场的第零阶项分量补偿来自该环形环路线圈对的磁场的第零阶项分量。
由于通过缠绕在轭上的线圈产生的磁场的二次项分量明显地小于通过环形环路线圈对所产生的磁场的二次项分量，因此不会减小通过环形环路线圈对对二次项分量的校正作用。因此，有效地校正了静止磁场的二次项分量。同时，恰当地消除了来自环形环路线圈对的磁场的第零阶项分量对静止磁场的影响。
可取的是，包括从所说的环形环路线圈对中感测在所说的空间的磁场的感测装置和基于所说的感测的磁场控制所说的补偿装置的控制装置，以便可以适当地校正第零阶项分量。
可取的是，将梯度传递给在所说的空间中的静止磁场的一对梯度线圈提供在所说的磁体对的磁极表面上，以及所说的环形环路线圈对沿所说的梯度线圈对的外周边提供以使由于环路线圈对的提供引起的在磁体之间的距离的增加可以减小。
可取的是，所说的轭包括至少一个垂直轭和从所说的垂直轭的端部水平延伸的彼此相对的一对水平轭，以使可以适当地形成静止磁场空间。
可取的是，在要产生垂直磁场时所说的磁体对提供在所说的水平轭对的相对的表面上。
可取的是，所说的的磁体对每个具有磁极片以使磁场的均匀性可以改善。
可取的是，所说的至少一个垂直的轭包括相对于所说的空间的中心对称的一对轭以使水平轭可以被双重地支撑着。
可取的是，所说的线圈缠绕在所说的垂直轭上以使可以适当地产生校正第零阶项分量的磁场。
因此，本发明能够提供一种有效地校正静止磁场的二次项分量的方法、产生有效地校正了二次项分量的静止磁场的设备和包括这种磁场产生设备的磁共振成像设备。
通过下文对在附图中所示出的本发明的优选实施例的描述将会清楚本发明的进一步的目的和优点。
附图说明
附图1所示为根据本发明的一种实施例的设备的方块图。
附图2所示为用于成像的脉冲序列。
附图3所示为用于成像的脉冲序列。
附图4所示为磁体系统的结构。
优选实施例详述
现在参考附图详细地描述本发明的实施例。附图1所示为磁共振成像设备的方块图。该设备是本发明的一种实施例。该设备的结构代表根据本发明的磁共振成像设备的一种实施例。
如附图1所示，本设备具有磁体系统100。磁体系统100具有主磁场磁体部分102、校正线圈部分104、梯度线圈部分106、RF线圈部分108和补偿线圈部分114。要成像的对象躺在工作台500上并输送进磁体系统100的内部空间(孔)中并从其中送出。
主磁场磁体部分102、校正线圈部分104、梯度线圈部分106和RF线圈部分108每个都包括一对在空间上彼此相对的构件。它们每个都具有基本圆形的外周边，并且设置成具有公共的中心轴。磁体系统100将在下文中更详细地描述。
主磁场磁体部分102在磁体系统100的内部空间中产生静止磁场。静止磁场的方向基本垂直于对象1的身体轴线。即，产生了一般地称为垂直磁场的磁场。例如使用永磁体形成主磁场磁体部分102。主磁场磁体部分102并不限于永磁体，它还可以使用超导或普通电磁体等。
校正线圈部分104产生用于校正静止磁场的二次不均匀性的磁场。具体地说，校正线圈部分104以相反的极性产生包含了等于静止磁场的二次项分量的二次项分量的磁场。
梯度线圈部分106产生使静止磁场在三个相互垂直的轴线的方向(即，片层轴、相位轴和频率轴)上具有梯度的三个梯度磁场。
在片层轴方向上的梯度磁场有时称为片层梯度磁场。在相位轴方向上的梯度磁场有时称为相位编码梯度磁场。在频率轴方向上的梯度磁场有时称为读出梯度磁场。为了能够产生这种梯度磁场，梯度线圈部分106具有三个梯度线圈，这将在下文中描述。在下文中有时将梯度磁场简单地称为梯度。
RF线圈部分108将RF(射频)脉冲发射给静止磁场空间以激励在对象1内的自旋。RF线圈部分108也接收由所激励的自旋所产生的磁共振信号。RF线圈部分108可以是通过相同的线圈实施发射和接收的类型或者通过不同的线圈实施发射和接收的类型。
补偿线圈部分114产生补偿由校正线圈部分104所产生的磁场的第零阶项分量的磁场。具体地说，补偿线圈部分114产生具有等于由校正线圈部分104所产生的磁场的第零阶项分量的第零阶项分量且相反极性的磁场。
校正线圈部分104与电流源部分110连接。电流源部分110将电流输送给校正线圈部分104以产生校正磁场。补偿线圈部分114与电流源部分120连接。电流源部分120将电流输送给补偿线圈部分114以产生补偿磁场。
梯度线圈部分106与梯度驱动部分130连接。梯度驱动部分130将驱动信号输送给梯度线圈部分106以产生梯度磁场。梯度驱动部分130具有对应于在梯度线圈部分106中的三个梯度线圈的三个驱动电路(未示)。
RF线圈部分108与RF驱动部分140连接。RF驱动部分140将驱动信号输送给RF线圈部分108以发射RF脉冲，由此激励在对象1内的自旋。
RF线圈部分108与数据采集部分150连接。数据采集部分150通过采样信号收集由RF线圈部分108所接收的接收信号，并采集该信号作为数字数据。
电流源部分110和120、梯度驱动部分130、RF驱动部分140和数据采集部分150都与控制部分160连接。控制部分160控制电流源部分110和120以校正静止磁场的不均匀性。控制部分160也控制梯度驱动部分130、RF驱动部分140和数据采集部分150以实施成像。
控制部分160例如由计算机构成。控制部分160具有存储器(未示)。该存储器存储用于控制部分160的程序和几种类型的数据。通过计算机执行存储在存储器中的程序实施控制部分160的功能。
由梯度线圈部分106、RF线圈部分108、梯度驱动部分130、RF驱动部分140、和数据采集部分150构成的部分是本发明的信号采集装置的一种实施例。
数据采集部分150的输出连接到数据处理部分170。通过数据采集部分150采集的数据输入到数据处理部分170。数据处理部分170例如由计算机构成。数据处理部分170具有存储器(未示)。该存储器存储用于数据处理部分170的程序和几种类型的数据。
数据处理部分170连接到控制部分160。数据处理部分170在控制部分160之上并控制它。通过数据处理部分170执行存储在存储器中的程序实施本设备的功能。
数据处理部分170将由数据采集部分150采集的数据存储在存储器中。在存储器中建立数据空间。该数据空间构成了二维傅立叶空间。在下文中傅立叶空间有时称为k-空间。数据处理部分170对在k-空间中的数据执行二维反向傅立叶变换以重构对象1的图像。数据处理部分170是本发明的图像产生装置的一种实施例。
数据处理部分170与显示部分180和操作部分190连接。显示部分180包括图形显示器等。操作部分190包括键盘等，并具有指点装置。
显示部分180显示重构的图像和从数据处理部分170中输出的几种类型的信息。操作部分190由用户操作，它给数据处理部分170输入几种指令、信息等。用户通过显示部分180和操作部分190交互式地操作本设备。
附图2所示为用于磁共振成像的实例性脉冲序列。该脉冲序列是根据自旋回波技术的一种脉冲序列。
具体地说，附图2(1)是根据SE技术用于RF激励的90°和180°脉冲的序列，(2)、(3)、(4)和(5)分别是根据SE技术的片层梯度Gs、读出梯度Gr、相位编码梯度Gp和自旋回波MR的序列。90°和180°脉冲通过它们的相应的中心信号表示。脉冲序列沿时间轴t自左向右行进。
如附图所示，90°脉冲实现了自旋的90°激励。同时，施加片层梯度Gs以执行对某一片层的有选择性的激励。在90°激励的某一时间之后，通过180°脉冲实现180°激励(即，自旋反向)。此外，在这时，还施加片层梯度Gs以执行相同的片层的有选择性反向。
在90°激励和自旋反向之间的周期中，施加读出梯度Gr和相位编码梯度Gp。读出梯度Gr使自旋去定相(dephase)。相位编码梯度Gp对自旋进行相位编码。
在自旋反向之后，通过读出梯度Gr使自旋再定相(rephase)以产生自旋回波MR。通过数据采集部分150采集自旋回波MR作为视图数据。在一个循环TR(重复时间)中重复这种脉冲序列64-512次。在每次重复中改变相位编码梯度Gp以便每次实施不同的相位编码。因此，获得了64-512个视图的视图数据。
在附图3中示出了磁共振成像的脉冲序列的另一实例。这个脉冲序列是根据GRE(梯度回波)技术的一种脉冲序列。
具体地说，附图3(1)是根据GRE技术用于RF激励的α°脉冲的序列，(2)、(3)、(4)和(5)分别是根据SE技术的片层梯度Gs、读出梯度Gr、相位编码梯度Gp和自旋回波MR的序列。α°脉冲由它的中心值表示。脉冲序列沿时间轴t自左向右行进。
如附图所示，α°脉冲实现了自旋的α°激励。α是90或更小。同时，施加片层梯度Gs以执行对某一片层的有选择性的激励。
在α°激励之后，通过相位编码梯度Gp实现自旋的相位编码。接着，首先使自旋去定相，随后通过读出梯度Gr再定相以产生梯度回波MR。通过数据采集部分150采集自旋回波MR作为视图数据。在一个循环TR(重复时间)中重复这种脉冲序列64-512次。在每次重复中改变相位编码梯度Gp以便每次实施不同的相位编码。因此，获得了64-512个视图的视图数据。
通过在附图2或3中所示的脉冲序列采集的视图数据采集在数据处理部分170中的存储器中。脉冲序列并不限于根据SE或GRE技术的脉冲序列，容易认识到的是，根据任何其它适当技术比如快速自旋回波(FSE)技术或回波平面成像(EPI)的脉冲序列也都可以使用。数据处理部分170基于在存储器中采集的视图数据重构图像。
附图4所示为局部剖视的磁体系统100的结构的示意图。该设备是本发明的一种实施例。该设备的结构代表根据本发明的磁场产生设备的一种实施例。应用于本发明的静止磁场校正方法代表根据本发明的磁场校正方法的一种实施例。
如图所示，磁体系统100具有一对水平轭202和一对垂直轭204。水平轭202具有基本板状的外形。附图4所示为它们的厚度。垂直轭204具有基本柱状的外形。附图4所示它们的厚度。由水平轭对202和垂直的轭对204构成的部分是本发明的轭的一种实施例。
通过垂直轭对204将水平轭202彼此相对地支撑在空间上。通过水平轭的这种构造，可以适当地形成静止磁场空间。轭由磁性材料比如软磁铁形成，它们形成了下面描述的磁体的磁性回路。应该注意的是，其中的一个垂直轭204可以省去。然而，通过垂直轭对双重支撑着的水平轭的这种构造有利于加强结构强度。
在水平轭202的相对的表面上具有磁体122。磁体122具有基本盘状的外形。附图4所示为它们的厚度。磁体122在它们的厚度方向上磁化以使其具有相同的极性。由此产生了垂直的磁场。
磁体122例如是永磁体。磁体122构成了本发明的磁体的一种实施例。由水平轭对202、垂直轭对和磁体对122构成的部分是本发明的磁场产生装置的一种实施例。
磁体122的磁极位于与水平轭202相对的侧面上并且每个都具有磁极片124。磁极片124由磁性材料比如软磁铁制成，并且它们起用于均匀化静止磁场的磁体122的磁性调节板的作用。磁极片124也具有一般的盘状外形，附图4所示为它们的厚度。每个磁极片124具有从磁体122突伸出来的周边，由突伸部分包围的部分形成了每个磁极片124的凹陷部分。磁极片124构成了本发明的磁极片的一种实施例。
每个磁极片124的凹陷部分容纳校正线圈部分104、梯度线圈部分106和RF线圈部分108。梯度线圈部分106和RF线圈部分108在下面与梯度线圈部分106层叠。梯度线圈部分106是本发明的梯度线圈的一种实施例。
校正线圈部分104沿着梯度线圈部分106的周边设置并包围着该周边。校正线圈部分104包括与梯度线圈部分106同轴地设置的环形环路线圈。该校正线圈部分104是本发明的环形环路线圈对的一种实施例。校正线圈部分104在下文中有时称为环形环路线圈。
通过设置如上文所描述的环形环路线圈104，环形环路线圈104的厚度可以包含在梯度线圈部分106的厚度中。因此，可以避免由于提供了环形环路线圈104引起的磁极到磁极距离的增加。磁极到磁极距离的增加造成了需要更强的磁体以便获得具有相同的强度的磁场；然而，因为可以避免磁极到磁极距离的增加，因此不需要更强的磁体。
环形环路线圈104相对于静止磁场空间的中心(即磁体中心C)对称地设置。环形环路线圈104输送与电流源部分110所输送的极性相同的电流。可以调节电流值以抵消静止磁场的二次项分量。由环形环路线圈104和电流源部分110构成的部分是本发明的校正装置的一种
实施例。
补偿线圈部分114包括缠绕在磁体系统100中的垂直轭对204周围的一对螺线管线圈。补偿线圈部分在下文中有时称为螺线管线圈。
螺线管线圈114通过由电流源部分120所输送的电流在垂直轭204中产生磁动势。在静止磁场空间中产生基于磁动势的磁场。通过缠绕在垂直轭周围的螺线管线圈114，由磁动势产生的磁场可以被恰当地形成在静止磁场空间中。
确定通过螺线管线圈114的电流的方向以使磁场具有与由环形环路线圈104所产生的磁场的极性相反的极性。此外，确定电流值以使由螺线管线圈114的磁动势产生的磁场的第零阶项分量等于环形环路线圈104的磁场的第零阶项分量。因此，消除了在静止磁场中的来自环形环路线圈104的磁场的第零阶项分量。由螺线管线圈114和电流源部分120构成的部分是本发明的补偿装置的一种实施例。
即使不能完全消除在静止磁场中的第零阶项分量，只要影响落在通过调节RF脉冲的频率可以处理的范围内就可以容易地避免这些问题。线性项分量可以通过由梯度线圈部分106产生的梯度磁场校正。
至于二次项分量，由于通过螺线管线圈114的磁动势经过轭在静止磁场空间中产生的磁场的二次项分量明显小于来自环形环路线圈104的磁场的二次项分量，因此前者的二次项分量并不影响通过环形环路线圈104对静止磁场的二次项分量的校正。因此，静止磁场的二次项分量校正可以通过环形环路线圈104有效地实现。
由于环境温度的变化、特性的时间变化等原因静止磁场的均匀性可能变化。在这种情况下，通过控制部分160在数据处理部分170的管理之下控制电流源部分110和120控制均匀性。
在均匀性控制中，首先估计静止磁场的非均匀性。数据处理部分170从来自在静止磁场空间等中的自旋的相位图中估计非均匀性。通过对对象1或参考目标进行磁共振成像捕获的图像形成相位图。通过将输送给环形环路线圈104的电流改变为新值来校正由此估计的静止磁场的非均匀性。
第零阶项分量随电流的改变而变化。由于第零阶项分量的变化反映在用于证实校正效果而捕获的相位图上，因此基于它调整输送给螺线管线圈114的电流以消除第零阶项分量的变化的影响。这就适当地实现了第零阶项分量的消除。
基于相位图感测第零阶项分量的变化的数据处理部分170是本发明的感测装置的一种实施例。基于所感测的结果调整在电流源部分120中的电流的控制部分160是本发明的控制装置的一种实施例。
虽然上文参考优选的实施例已经描述了本发明，但是在不脱离本发明的技术范围的前提下属于本发明的领域内的普通技术人员可以对这些实施例作出各种改变和替换。因此，本发明的技术范畴不仅包含上文描述的那些实施例，而且还包含所有落在附加的权利要求的范围内的实施例。
在不脱离本发明的精神范围的前提下可以构造出许多不同的实施例。应该理解的是本发明并不限于在本说明书中所描述的特定的实施例，而是以所附加的权利要求来限定。

Claims (16)

1.一种校正通过轭支撑以在空间上彼此面对的一对磁体在所说的空间中产生的静止磁场的不均匀性误差的磁场校正方法，包括如下步骤：
通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；和
通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量。
2.一种磁场产生设备，包括：
磁场产生装置，该磁场产生装置具有通过轭支撑以在空间上彼此面对的一对磁体，并用于在所说的空间中产生的静止磁场；
校正装置，该校正装置用于通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；和
补偿装置，该补偿装置用于通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量。
3.权利要求2所述的磁场产生设备，其中
将梯度磁场传递给在所说的空间中的静止磁场的一对梯度线圈提供在所说的磁体对的磁极表面上，以及
所说的环形环路线圈对沿所说的梯度线圈对的外部周边提供。
4.权利要求2所述的磁场产生设备，其中
所说的轭包括至少一个垂直轭和从所说的垂直轭的端部水平延伸的彼此相对的一对水平轭。
5.权利要求4所述的磁场产生设备，其中
所说的磁体对提供在所说的水平轭对的相对的表面上。
6.权利要求5所述的磁场产生设备，其中
所说的磁体对每个都具有磁极片。
7.权利要求4所述的磁场产生设备，其中
所说的至少一个垂直的轭是相对于所说的空间的中心对称的一对轭。
8.权利要求4所述的磁场产生设备，其中
所说的线圈缠绕在所说的垂直轭上。
9.一种磁共振成像设备，包括：
磁场产生装置，该磁场产生装置具有通过轭支撑以在空间上彼此面对的一对磁体，并用于在所说的空间中产生的静止磁场；
校正装置，该校正装置用于通过相对于所说的空间的中心对称地设置在所说的空间中的一对环形环路线圈在所说的空间中产生的磁场的二次项分量校正所说的静止磁场的二次项分量；
补偿装置，该补偿装置用于通过缠绕在至少一个所说的轭上的线圈在所说的空间中产生的磁场的第零阶项分量补偿来自所说的环形环路线圈对的在所说的空间中的磁场的第零阶项分量；
信号采集装置，该信号采集装置采集通过在所说的空间中的自旋产生的磁共振信号；和
图像产生装置，基于所说的所采集的磁共振信号产生图像。
10.权利要求9所述的磁共振成像设备，进一步包括
感测装置，从所说的环形环路线圈对中感测在所说的空间中的磁场；和
控制装置，基于所说的感测的磁场控制所说的补偿装置。
11.权利要求9所述的磁共振成像设备，其中
将梯度磁场传递给在所说的空间中的静止磁场的一对梯度线圈提供在所说的磁体对的磁极表面上，以及
所说的环形环路线圈对沿所说的梯度线圈对的外部周边提供。
12.权利要求9所述的磁共振成像设备，其中
所说的轭包括至少一个垂直轭和从所说的垂直轭的端部水平延伸的彼此相对的一对水平轭。
13.权利要求12所述的磁共振成像设备，其中
所说的磁体对提供在所说的水平轭对的相对的表面上。
14.权利要求13所述的磁共振成像设备，其中
所说的的磁体对每个都具有磁极片。
15.权利要求12所述的磁共振成像设备，其中
所说的至少一个垂直的轭是相对于所说的空间的中心对称的一对轭。
16.权利要求12所述的磁共振成像设备，其中
所说的线圈缠绕在所说的垂直轭上。
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