CN1427267A - 磁共振成像的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于医学诊断设备，涉及磁共振成像的方法和装置。磁共振成像装置运行时，梯度线圈中变化的梯度电流使极板中产生涡流以至影响图像质量。本发明提出校正涡流与梯度电流非线性变化对涡流补偿影响的方法，根据梯度脉冲电流的大小自动调整相应的梯度电流的补偿量，在整个梯度电流变化的范围内较准确地进行涡流补偿，从而减小涡流的非线性效应对成像的影响，提高图像质量。本发明装置中增加了在控制计算机的控制下产生特定的涡流补偿脉冲和增益控制信号的涡流补偿控制器，和根据涡流补偿控制器输出的信号产生正确的涡流补偿梯度脉冲信号的涡流补偿脉冲发生器。

Description

磁共振成像的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像(MRI)的方法和装置，使用本发明进行涡流补偿时，能提高图像质量。

背景技术

磁共振成像系统中，磁体用于产生一个稳定的静磁场，梯度线圈产生由系统控制的具有好的线性度的梯度场，射频线圈激励并接收人体的信号，由计算机处理重建图像。由于梯度线圈距磁体的极板很近，同时，极板由导电的金属材料制成，因而在扫描时，梯度线圈中的脉冲电流将在极板中感应出涡流。涡流将使梯度场发生畸变，从而使图像产生伪影，扫描时间无法缩短。

通常，为补偿涡流的影响，梯度控制器上加上一个过冲，从而使梯度场变得较为理想。根据不同的扫描序列和不同的扫描参数，梯度脉冲的大小在每一次扫描时都可以是不同的，涡流补偿的一个关键是在整个梯度电流变化的范围内都能够实现精确地补偿，从而得到完美的梯度磁场波形。通常，梯度控制器上所加的过冲大小与梯度电流的大小成比例，因而在理想情况下，它能够较好地补偿涡流的影响。

对于永久磁体和电阻磁体，由于制造极板的高导磁材料的磁化特性具有非线性(图4)，在各点的磁导率均不同，因而产生这样的问题：涡流与激励磁场的强度、极板工作点的磁导率和极板材料的电阻率都有关系，激励磁场的强度由梯度脉冲的大小决定，不同大小的梯度脉冲电流将产生不同大小的涡流。由于极板的磁导率在各个点都不相同，因此，梯度脉冲电流的变化与所产生的涡流也不呈线性关系。但是，因为过冲与梯度电流的大小成线性关系，因此，在这种情况下，在整个梯度电流变化范围内不能够有效地补偿涡流的影响。

发明内容

本发明提供一种磁共振成像的方法，它在进行涡流补偿时，能够根据不同的梯度脉冲的大小，生成相应的补偿量进行涡流的补偿，从而动态地调整涡流的补偿量，使得涡流补偿在任意大小的梯度脉冲时都较为理想。本发明的另一目的是提供实现本发明方法的磁共振成像的装置。

本发明磁共振成像的方法，是在进行涡流补偿时，根据梯度脉冲电流的大小，自动调整相应的梯度电流的补偿量，在整个梯度电流变化范围内较准确地进行涡流补偿，从而减小涡流的非线性效应对成像的影响，提高图像质量。

在用使得梯度脉冲产生“过冲”来补偿涡流时，补偿量能够根据系统的涡流随梯度电流的非线性变化自动调整，减小涡流的非线性效应对成像的影响，提高图像质量。

本发明方法的原理简述如下。磁共振成像装置在扫描时，通常是在一个主磁场B0上叠加上X、Y、Z三个方向的线性梯度磁场Gx、Gy、Gz。点(x，y，z)在某一时刻(t)的磁场为：

    B_z(x，y，z，t)＝B₀+G_X(t)·X+G_Y(t)·Y+G_Z(t)·Z              (1)

由于梯度线圈在极板上感应产生涡流，涡流在点(x，y，z)处产生一个附加磁场Gxe(t)、Gye(t)、Gze(t)，因而该点的磁场变为：

     B_z(x，y，z，t)＝B₀+[G_X(t)-G_Xe(T)]·X+

                      [G_Y(t)-G_Ye(T)]·Y+[G_Z(t)-G_Ze(t)]·Z     (2)

为校正该点的磁场，人为地改变梯度电流的形状，在三个方向的梯度场上再附加一个磁场Gxe’(t)、Gye’(t)、Gze’(t)，使其在任意时刻同相应的涡流磁场的大小相同，方向相反，从而抵消掉涡流磁场。

          ΔG_X＝G_Xe(t)-G_Xe(t)＝0

          ΔG_Y＝G_Ye(t)-G_Ye(t)＝0                               (3)

          ΔG_Z＝G_Ze(t)-G_Ze(t)＝0

由于涡流的大小与梯度电流有关，根据法拉第电磁感应定律，若梯度电流在极板内所产生的磁通为φ，梯度上升时间为Δt，则涡流I的大小为：

其中μ为极板材料的相对磁导率，R为阻抗，H为磁场强度。

若其他参数固定不变，仅改变梯度电流，即改变磁场强度H，则梯度附加磁场和涡流附加磁场均同电流成比例，(3)式依然满足。

但是，极板材料为高导磁材料，由于材料的相对磁导率μ随磁场强度H的变化而变化，因而当磁场强度H变化时，相对磁导率μ不再是常数，这样(3)式不再满足，也就是说，涡流的大小与梯度电流的变化呈非线性关系。

本发明就是要校正涡流与梯度电流间这种非线性变化对涡流补偿的影响。由于材料的相对磁导率μ随磁场强度H的变化而变化，可以人为地产生一条曲线，如图4所示，V₁是工作点实际的曲线，V₂为所产生的曲线，V₁和V₂两者叠加成一条直线L₁，这样，(4)式的相对磁导率μ可用直线L₁的斜率K替换，从而保证在磁场强度H变化时，(4)式中其他参数不变，使得(3)式成立，这样就能够保证涡流补偿较为准确。

进一步讲，一般在一个磁共振成像装置调试过程中，都能够测试确定涡流的作用情况与梯度电流变化间的规律。比如用图3所示的八个自由感应衰减(FID)信号301至308来观察涡流的大小和衰减情况，能够得到所需的数据，从而产生所要的曲线。进而建立这样的方法，使得梯度电流所加的补偿量按照所得的这条曲线变化，这样，在任意梯度电流的情况下，补偿脉冲所产生的磁场与涡流所产生的磁场能够基本抵消，从而减小了涡流对成像质量的影响。

本发明提供一种实现上述方法的磁共振成像装置，包括磁体、梯度部件、射频部件、谱仪部件、控制计算机，还特别设计了一个在控制计算机的控制下产生特定的涡流补偿脉冲和增益控制信号的涡流补偿控制器，一个根据涡流补偿控制器输出的信号产生正确的涡流补偿梯度脉冲 $I=-\mathrm{R\μ}\frac{d}{\mathrm{dt}}{\∫}_{s}H\·\mathrm{dS}---\left(4\right)$ 信号的涡流补偿脉冲发生器。

本发明磁共振成像装置中的涡流补偿控制器在控制计算机的控制下，产生特定的涡流补偿脉冲和增益控制信号。它包括数据存储器、数据输出接口、计算机接口等单元。涡流补偿控制器将控制计算机产生的涡流补偿参数通过计算机接口接收，存储在数据存储器中，并在控制计算机的控制下，通过数据输出接口，将涡流补偿参数和增益控制参数转变为误差模拟信号和增益控制信号，传递给涡流补偿脉冲发生器。

本发明装置中的涡流补偿脉冲发生器根据涡流补偿控制器输出的信号，产生正确的涡流补偿梯度脉冲信号。它包括可变增益放大器、增益控制器、信号叠加器、输入接口和输出接口等。涡流补偿脉冲发生器将谱仪输出的梯度脉冲信号通过输入输出接口连接到信号叠加器，同时，涡流补偿控制器输出的误差模拟信号经过可变增益放大器，增益控制信号经过增益控制器，产生所需的校正脉冲；梯度脉冲信号与校正脉冲信号在信号叠加器中叠加，最终生成校正后的涡流补偿梯度脉冲信号。

依据本发明的磁共振成像的方法和装置能够减少涡流的非线性效应对成像的影响，从而提高图像质量。

附图说明

图1为本发明磁共振成像装置的原理图。

图2为补偿涡流的梯度脉冲的波形。

图3为八个自由感应衰减(FID)信号。

图4为导磁材料的磁化特性曲线和校正曲线。

图5为本发明涡流补偿控制器和涡流补偿脉冲发生器的电路原理图。

图6为本发明方法实施例的程序流程图。

图7为采用现有技术的涡流补偿效果波形图。

图8为采用本发明方法的涡流补偿效果波形图。

具体实施方式

如图1和图5所示，在本发明磁共振成像装置中，磁体16形成一个开放式的气隙，气隙上下两端有高导磁材料制成的上极板11和下极板12，两极板气隙中形成均匀的静磁场。上极板11和下极板12上安装的梯度线圈13和14与梯度放大器21连接，用以产生梯度磁场作为选层、相位编码和频率编码。射频线圈15与射频放大器22连接，发射射频脉冲用以激励物体的原子核，并接收物体发出的核磁共振信号，送至前置放大器30。

前置放大器30将信号放大后输送到A/D转换器29，经过数字解调和数字滤波器27后，进入控制计算机25进行图像重建。控制计算机25通过程序控制谱仪26产生梯度脉冲；同时，控制计算机25将涡流补偿参数传递给涡流补偿控制器28。涡流补偿控制器28在控制计算机25的控制下，将涡流补偿参数存储在涡流补偿控制器28中的数据存储器702中(图5)，并在谱仪26输出梯度脉冲时，将涡流补偿参数转换为误差模拟信号和增益控制信号，传递给涡流补偿发生器23。操作台24用于监视和控制操作。

涡流补偿发生器23将谱仪26输出的梯度脉冲信号711连接到信号叠加器706，同时，涡流补偿控制器28输出的误差脉冲信号712经过可变增益放大器707，增益控制信号714经过增益控制电路708，产生所需的校正脉冲716；梯度脉冲信号711与校正脉冲信号716在信号叠加器706中叠加，最终生成校正后的涡流补偿梯度脉冲信号717。

涡流补偿脉冲发生器23输出的梯度脉冲信号，经过梯度放大器21输出到脉冲电流驱动梯度线圈13、14。

参见图3，梯度脉冲波形通过计算机程序产生，观察涡流作用的结果和涡流补偿的效果后，再通过图3序列进行调整。脉冲309为梯度电流波形，脉冲300为射频脉冲波形，301、302、303、304、305、306、307、308为八个自由感应衰减(FID)信号，当改变涡流补偿时，八个自由感应衰减信号波形将发生变化，当它们的形状一致时，涡流补偿达到最好。

再请参见图1和图2。扫描时，梯度线圈13、14通上脉冲电流后，靠近梯度线圈13、14的上极板11和下极板12将感应出涡流。涡流产生的磁场阻碍梯度磁场的上升，使得梯度磁场波形如曲线210(图2)。

涡流的大小与磁感应强度和该点的磁导率成正比。假设图7中911为某一电流时的梯度磁场波形(不加涡流补偿)，912为电流减小的梯度磁场波形(不加涡流补偿)，913和914分别为各电流时的补偿梯度电流波形。915是913补偿后的梯度磁场波形。随着梯度电流的减小，涡流磁场非线性地减小，若补偿脉冲914按线性减小，则梯度磁场916将发生畸变。

在本发明方法实施例中，为动态地调整补偿量，设计了根据不同的脉冲电流大小产生相应的补偿参数的程序。图8就是该程序的流程，主要步骤如下：

(1)启动扫描程序(601)；

(2)读图形定位参数(602)：即读预先设定的图形定位参数；

(3)初始化梯度定位(603)：将三个方向的梯度判据X、Y、Z设为

   1；

(4)设定扫描体位方向(604)：根据扫描体位方向变量GUI-DIR修

   改梯度判据，又分为以下三种情况：

   ①若GUI-DIR为轴位(axial)，则Z＝0，

   ②若GUI-DIR为矢状位(sagittal)，则X＝0，

   ③若GUI-DIR为冠状位(coronal)，则Y＝0；

(5)设定相位编码梯度方向(605)：根据相位编码梯度方向变量

   PHASE-DIR设定X、Y、Z，又分为以下三种情况：

   ①设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝x，则Z＝0，

   ②设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝y，则X＝0，

   ③设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝z，则Y＝0；

(6)调用梯度计算接口函数(606)：调用梯度计算接口函数

   Set_Gradient(x，y，z，Gz，Gy，Gz)计算出一系列的梯度

   电流值；

(7)初始化插值点(607)：即令number-x＝0，number-y＝0，

   number-z＝0：

(8)设定插值点(608)：根据每一个脉冲的大小设定一系列的插值

   点X(number-x)、Y(number-Y)、Z(number-z)，得到各点

   的梯度值Px，Py，Pz；

(9)比较插值点梯度值与预设梯度值(609)；将插值点梯度值值与

    预设的梯度Gx、Gy、Gz比较，产生链表指针；

(10)判断(610)：判断扫描判据scan值，当scan为1时，转

    入步骤(611)，当scan为0时，转入步骤(612)；

(11)读数据链表(611)：将链表指向的涡流补偿系数链表中的

    补偿系数传递给涡流补偿控制器28；

(12)判断(612)：若变量number大于等于4，则则转入步骤

    (614)，否则，则返回步骤(608)；

(13)退出扫描(614)。

本实施例将链表分成4段，变量Number增长到4时可将所有链表数据读出，结束此流程。

图8为本实施例的波形示意图，1021和1023分别为某一电流时的梯度磁场波形(无涡流补偿)和梯度电流波形，1022和1024为电流减小后的梯度磁场波形(无涡流补偿)和涡流补偿发生器23产生的梯度电流波形，由于1023和1024是根据涡流补偿控制器26生成的补偿系数校正后的波形，由此可见在两种电流下均产生较好的梯度磁场波形，如1025和1026。

Claims (6)

1.一种磁共振成像的方法，其特征在于，在进行涡流补偿时，根据梯度脉冲电流的大小，自动调整相应的梯度电流的补偿量，在整个梯度电流变化范围内较准确地进行涡流补偿，从而减小涡流的非线性效应对成像的影响，提高图像质量。

2.根据权利要求1所述的磁共振成像的方法，其特征在于：在用使得梯度脉冲产生“过冲”来补偿涡流时，补偿量能够根据系统的涡流随梯度电流的非线性变化自动调整，减小涡流的非线性效应对成像的影响，提高图像质量。

3.根据权利要求1或2所述的磁共振成像的方法，其涡流补偿程序流程按以下步骤进行：

(1)启动扫描程序(601)；

(2)读图形定位参数(602)：即读预先设定的图形定位参数；

(3)初始化梯度定位(603)：将三个方向的梯度判据X、Y、Z设为

   1；

(4)设定扫描体位方向(604)：根据扫描体位方向变量GUI-DIR修

   改梯度判据，又分为以下三种情况：

   ①若GUI-DIR为轴位(axial)，则Z＝0，

   ②若GUI-DIR为矢状位(sagittal)，则X＝0，

   ③若GUI-DIR为冠状位(coronal)，则Y＝0；

(5)设定相位编码梯度方向(605)：根据相位编码梯度方向变量

   PHASE-DIR设定X、Y、Z，又分为以下三种情况：

   ①设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝x，则Z＝0，

   ②设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝y，则X＝0，

   ③设定相位编码梯度方向PHASE-DIR＝z，则Y＝0；

(6)调用梯度计算接口函数(606)：调用梯度计算接口函数

   Set_Gradient(x，y，z，Gz，Gy，Gz)计算出一系列的梯度

   电流值；

(7)初始化插值点(607)：即令number-x＝0，number-y＝0，

   number-z＝0；

(8)设定插值点(608)：根据每一个脉冲的大小设定一系列的插值

   点X(number-x)、Y(number-Y)、Z(number-z)，得到各点的

   梯度值Px，Py，Pz；

(9)比较插值点梯度值与预设梯度值(609)：将插值点梯度值值与

    预设的梯度Gx、Gy、Gz比较，产生链表指针；

(10)判断(610)：判断扫描判据scan值，当scan为1时，转

    入步骤(611)，当scan为0时，转入步骤(612)；

(11)读数据链表(611)：将链表指向的涡流补偿系数链表中的

    补偿系数传递给涡流补偿控制器28；

(12)判断(612)：若变量number大于等于4，则转入步骤(614)，

    否则，则返回步骤(608)；

(13)退出扫描(614)。

4.一种磁共振成像的装置，包括磁体、梯度部件、射频部件、谱仪部件、控制计算机，其特征在于装置中有一个在控制计算机的控制下产生特定的涡流补偿脉冲和增益控制信号的涡流补偿控制器，还有一个根据涡流补偿控制器输出的信号产生正确的涡流补偿梯度脉冲信号的涡流补偿脉冲发生器。

5.根据权利要求4所述的磁共振成像的装置，其特征在于其中的涡流补偿控制器包括数据存储器、数据输出接口、计算机接口等单元，涡流补偿控制器将控制计算机产生的涡流补偿参数通过计算机接口接收，存储在数据存储器中，并在控制计算机的控制下，通过数据输出接口，将涡流补偿参数和增益控制参数转变为误差模拟信号和增益控制信号，传递给涡流补偿脉冲发生器。

6.根据权利要求4所述的磁共振成像的装置，其特征在于其中的涡流补偿脉冲发生器包括可变增益放大器、增益控制器、信号叠加器、输入输出接口等，涡流补偿脉冲发生器将谱仪输出的梯度脉冲信号通过输入输出接口连接到信号叠加器，同时，涡流补偿控制器输出的误差模拟信号经过可变增益放大器，增益控制信号经过增益控制器，产生所需的校正脉冲；梯度脉冲信号与校正脉冲信号在信号叠加器中叠加，最终生成校正后的涡流补偿梯度脉冲信号。

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