CN1455874A - 静磁场校正方法和磁谐振成象系统 - Google Patents

静磁场校正方法和磁谐振成象系统 Download PDF

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Abstract

为了校正MRI系统的静磁场强度和均匀性，B0校正线圈驱动电源分别提供校正电流给附加在一对柱状轭上的B0校正线圈，其所处在的位置是在它们之间插入成象区的地方，这对B0校正线圈可产生校正磁场，其方向和强度的至少一种是不同的，然后它们被附加到由永磁体所产生的静磁场上。

Description

静磁场校正方法和磁谐振成象系统
发明背景
本发明涉及静磁场校正方法和MRI(磁谐振成象)系统。更具体说，本发明涉及用于校正MRI系统和静态磁场强度的静磁场校正方法，用于校正MRI系统的静态磁场均匀性的静磁场校正方法，以及能够恰当地实现静磁场校正方法的MRI系统。
在一个永磁型的MRI系统中，永磁体的磁特性的变化较大。要添加入多个小磁体以便校正这些变化来得到一个目标静磁场强度。
另一方面，MRI系统的静态磁场均匀性对于保证足够的图象质量是极其重要的。尤其是，近年来发展起来的EPI(回波平面成象)方法对于静态磁场的均匀性是非常敏感的。静态磁场的均匀性必须是足够高的。
为此，使用了垫补(shim)材料或磁性调整片来校正静磁场的均匀性。
一种相关技术的静磁场强度校正方法是添加入多块小磁体，这种方法的问题是难以做到快速和精细的校正。
另外，由于MdFeB磁体因温度造成的磁特性的波动较大，静磁场强度因受梯度线圈所产生的热的影响而波动。当金属物质在MRI系统附近移动时(例如当车辆经过其附近时)，静磁场强度会有波动。处理静磁场强度的这种波动是不可能的。
另一方面，相关技术的使用垫补材料或磁性调整片的静磁场校正方法具有这样的问题，即难以进行快速和精细的校正。
发明概述
因此，本发明的第一目的是提供一种静磁场校正方法，它能够快速和精细地校正MRI系统的静磁场强度，以及提供一种MRI系统，它能恰当地实现该静磁场校正方法。
本发明的第二目的是提供一种静磁场校正方法，它能够快速和精细地校正MRI系统的静磁场均匀性，并且提供一种MRI系统，它能够恰当地实现该静磁场校正方法。
在第一方面，本发明提供一种静磁场校正方法，它包括的步骤为：在构成MRI系统的磁路的轭中提供一个磁场校正线圈，通过使一个校正电流在磁场校正线圈中流过从而产生一个校正磁场，并且给成象区域的静磁场添加一个校正磁场以便校正成象区域的静磁场。
在第一方面的磁场波动测量方法中，在轭上提供一个磁场校正线圈，校正磁场就添加在该轭上。调整校正电流以便快速和精细地校正静磁场的强度和均匀性。
在第二方面，本发明提供的如此构建的静磁场校正方法还包括下列步骤：给第一轭提供第一磁场校正线圈，对从第一轭跨越成象区域的第二轭提供第二磁场校正线圈，由第一磁场校正线圈产生第一校正磁场，并由第二磁场校正线圈产生第二校正磁场，它的方向和强度等于第一校正磁场的方向和强度。
在第二方面的磁场波动测量方法中，一对轭在位于它们之间的成象区域的位置产生两个校正磁场，它们的方向和强度是相互等同的。静磁场强度可以被校正。
在第三方面，本发明提供的如此构建的静磁场校正方法还包括下列步骤：向第一轭提供第一磁场校正线圈，向从第一轭跨越成象区域的第二轭提供第二磁场校正线圈，由第一磁场校正线圈产生第一校正磁场，以及由第二磁场校正线圈产生第二校正磁场，它的方向和强度中至少有一种与第一校正磁场是不同的。
在第三方面的磁场波动测量方法中，一对轭在位于它们之间的成象区域的位置产生两个校正磁场，它们的方向和强度中至少一种是不同的。静磁场的强度和均匀性可以被校正。
在第四方面，本发明提供的如此构建的静磁场校正方法还包括下列步骤：收集FID信号，根据FID信号确定谐振频率，确定谐振频率和RF发送/接收系统之间的频率差，以及根据该频率差决定校正电流。
在第四方面的磁场波动测量方法中，测量谐振频率以便根据频率差来决定校正电流。静磁场强度和均匀性可被精确地校正。
在第五方面，本发明提供的如此构建的静磁场校正方法还包括下列步骤：将一个在其中组合了一个小幻象(phantom)和一个小线圈的NMR探头设置在成象区的附近，从该小线圈发送RF脉冲以便由该小线圈接收从该小幻象发出的FID信号，并根据FID信号确定谐振频率。
在第五方面的磁场波动测量方法中，使用了NMR探头来测量谐振频率。在对病人成象时，可以对静磁场强度和均匀性进行校正而不影响成象。该磁场波动测量方法特别适合于校正各种波动。
在第六方面，本发明提供的如此构建的静磁场校正方法还包括下列步骤：测量构成磁路的一个构件的温度，根据温度特性确定谐振频率，确定谐振频率和目标频率之间的频差，以及根据该频差确定校正电流。
在第六方面的磁场波动测量方法中，测量温度以便根据温度特性决定校正电流。该磁场波动测量方法特别适合于校正因温度引起的波动。
在第七方面，本发明提供一种MRI系统，包括：一个用于构成磁路的轭，一个用于在轭上提供的用于产生校正磁场的磁场校正线圈，以及一个用于磁场校正线圈的电源，用来向磁场校正线圈提供校正电流。
第七方面的MRI系统能够恰当地实施第一方面的磁场波动测量方法。
在第八方面，本发明提供的如此构建的MRI系统还包括：第一轭和第二轭，它们被设置在这样的位置，以便在它们之间能插入成象区域；在第一轭处提供的第一磁场校正线圈，它用于产生第一校正磁场；在第二轭处提供的第二磁场校正线圈，它与第一磁场校正线圈串联连接以便产生其方向和强度等于第一校正磁场的方向和强度的第二校正磁场；以及用于磁场校正线圈的电源，它用于向第一磁场校正线圈和第二磁场校正线圈的串联电路提供校正电流。
第八方面的MRI系统能够恰当地实施第二方面的磁场波动测量方法。
在第九方面，本发明提供的如此构建的MRI系统还包括：第一轭和第二轭，它们被设置在这样的位置，以便在它们之间能插入成象区域；在第一轭处提供的第一磁场校正线圈，用于产生第一校正磁场；在第二轭处提供的第二磁场校正线圈，用于产生第二校正磁场；用于第一磁场校正线圈的电源，它用于向第一磁场校正线圈提供第一校正电流；以及用于第二磁场校正线圈的电源，它用于向第二磁场校正线圈提供第二校正电流。
第九方面的MRI系统能够恰当地实现第三方面的磁场波动测量方法。
在第十方面，本发明提供的如此构建的MRI系统还包括：校正电流决定装置，它用于收集FID信号，根据FID信号确定谐振频率和RF发送/接收系统之间的频差，以及根据频差决定校正电流。
第十方面的MRI系统能够恰当地实现第四方面的磁场波动测量方法。
在第十一方面，本发明提供的如此构建的MRI系统还包括一个NMR探头，它由一个小幻象和一个小线圈组合而成，设置于成象区域附近，其中
校正电流决定装置从该小线圈发送出RF脉冲以便由小线圈接收来自小幻象的FID信号，并根据FID信号确定谐振频率。
第十一方面的MRI系统能够恰当地实现第五方面的磁场波动测量方法。
在第十二方面，本发明提供的如此构建的MRI系统还包括：
温度传感器，用于测量构建磁路的构件的温度；和
校正电流决定装置，用于根据温度特性确定谐振频率，确定谐振频率和一目标频率之间的频差，并根据该频差决定校正电流。
第十二方面的MRI系统能够恰当地实现第六方面的磁场波动测量方法。
按照本发明的静磁场校正方法和MRI系统静磁场强度和静磁场均匀性可以快速并均匀地得到校正。
本发明的其它目的和优点将从根据附图对本发明优选实施例的下列详细说明中明显地看到。
附图简介
图1是按照本发明的MRI系统的方块图；
图2是按照本发明的MRI系统的主要部件的透视图；
图3是表示按照本发明的MRI系统的主要部件的垂直剖面图；
图4是表示NMR探头一个例子的垂直截面图；
图5是表明按照第一实施例的校正电流的原理图；
图6是表明按照第一实施例的B0校正磁场的原理图；
图7是按照第一实施例的B0校正预扫描过程的流程图；
图8是按照第一实施例的B0校正扫描过程的流程图；
图9是按照第一实施例的B0温度校正过程的流程图；
图10是表明按照第二实施例的校正电流的原理图；
图11是表明按照第二实施例的B0校正磁场的原理图；
图12是按照第二实施例的一维分量决定过程的流程图；以及
图13是表明按照第三实施例的柱状轭的水平截面图。
发明详述
下面将参考附图说明本发明的实施例。
第一实施例仅校正静磁场强度(它并不校正静磁场均匀性)。
图1是表明按照本发明第一实施例的MRI系统100的方块图。
MRI系统100包括成象单元30，控制单元40和操作单元50。
成象单元30包括梯度线圈1，发送线圈2，接收线圈3，NMR探头16，磁体温度传感器17，以及B0校正线圈20。
控制单元40包括计算机14，顺序存储电路7，梯度线圈驱动电路4，RF系统信号发送/接收电路15a，探头系统信号发送/接收电路15b，B0校正线圈驱动电路18，和B0校正线圈驱动电路19。
RF系统信号发送/接收电路15a包括门极调制器(gate modulator)电路8，RF振荡电路9，RF功率放大器5，前置放大器6，相位检测器10，和A/D转换器11。
探头系统信号发送/接收电路15b的结构和RF系统信号发送/接收电路15a是相同的。
操作单元50包括显示单元12和操作台13。
图2是MRI系统100的原理透视图。
成象单元30包括：一对上下相对放置以便在它们之间形成一个成象空间的磁体单元31；通过将两个磁体单元31磁性相连而构成磁路的柱状轭Py；两个B0校正线圈20，每个线圈以围绕柱状因子Py的中间部分绕100到200圈的形式而提供；以及工作台33。
虽然没有显示，在磁体单元31之间形成的成象空间中提供了接收线圈3。
图3是在原理上显示了磁体单元31的内部的截面图。
设有一个永磁体M，用于在磁体单元31中垂直地产生一个静磁场。
每一个永磁体M在其表面具有一个磁调整片SP，用于在其中能容纳一个对象的接收线圈3中形成一个均匀静磁场的成象区域。
所述永磁体M、磁调整片SP、基座轭BY、以及柱状轭PY构成了一个磁路。
每个磁调整片SP在其表面具有一个梯度线圈1G以便产生梯度磁场。
在梯度线圈1G的内部放置着发送线圈2。
NMR探头16被设置成使它位于梯度线圈1G和发送线圈2之间。
可以使用超导磁体来取代永久磁体M。
图4是表明NMR探头16的截面视图。
NMR探头16将一个小幻象Ft和围绕该小幻象Ft的一个小线圈Co结合在一起，该幻象内密封着NaCl或CuSO4的溶液并能够产生FID信号。
图5是校正电流I的说明图。
B0校正线圈20是串联连接的，它附加到一对柱状轭Py上，其位置所处在的是它们之间作为成象区域的地方。校正电流I是由B0校正线圈驱动电源19提供的。这对B0校正线圈20产生校正磁场B0c，其中它们的方向和强度是相互相同的，然后它们被加到由永磁体M所产生的静磁场B0m。该静磁场被校正到一个目标静磁场强度B0。
图5表明了校正磁场B0c(校正电流I的方向)，其中假定：在由永磁体M所产生的静磁场B0m中的静磁场强度是不足够的。当由永磁体M所产生的静磁场B0m中静磁场强度是过大的情况下，校正磁场B0c的方向(校正电流的方向)可以被反向。
图6是对永磁体M所产生的静磁场B0m中的静磁场强度不足的概念的说明图，这种不足可由B0校正线圈20所产生的校正磁场来补偿以便得到目标静磁场强度B0。
图7是表明B0校正预扫描处理过程的流程图。
B0校正预扫描处理过程是作为各种预扫描处理过程之一来执行的，所述各种预扫描处理过程需要在实验对象被放置到接收线圈中的状态下进行调谐的情况下去执行。
在步骤S1，在梯度回波序列(一种脉冲序列，其中将α°的RF脉冲从发送线圈2送出，不使用180°脉冲)中，接收线圈从实验对象收集FID信号。
在步骤S2，根据FID信号确定谐振频率υ以便得到在谐振频率υ和RF发送/接收系统之间的频差ΔF(在谐振频率υ和RF系统发送/接收电路15a的RF振荡电路9的振荡频率之间的频差)。
在步骤S3，当频差ΔF不是足够小时，例程就前进到步骤S4。当它是足够小时，过程结束。
在步骤S4，对应于频差ΔF的是磁场差ΔB0：
ΔB0＝2π·Δf/γ这里γ是磁性旋转比。
然后计算用来校正磁场强度差ΔB0的校正电流I的值。
在步骤S5，校正电流I的值被更新。B0校正线圈驱动电路18从计算机14读出更新的校正电流I的值。B0校正线圈驱动电源19向B0校正线圈20提供更新过的校正电流I的值。例程回到步骤S1。
B0校正预扫描处理能够校正静磁场B0使它和目标静磁场强度足够接近。
图8是表明B0校正扫描处理过程的流程图。
B0校正扫描过程与使实验对象成象的成象扫描同步执行。
在步骤S11，NMR探头16的小线圈Co发送RF脉冲并且收集来自小幻象Ft的FID信号。
在步骤S12，根据FID信号来确定谐振频率，以便得到在谐振频率和RF发送/接收系统之间的频差。
在步骤S13，计算出用来校正对应于频差ΔF的磁场强度的校正电流I的值。
在步骤S14，校正电流I的值与成象扫描的重复脉冲序列同步地被更新。B0校正线圈驱动电路18从计算机14读出更新过的校正电流I的值。B0校正线圈驱动电源19向B0校正线圈20提供更新了的校正电流I的值。
在步骤S15，重复步骤S11到S14直到完成成象扫描为止。在完成成象扫描时，过程结束。
B0校正扫描过程能够在成象扫描期间将静磁场B0校正到目标静磁场强度。
图9是表明B0温度校正过程的流程图。
B0温度校正过程可以与成象扫描同步执行，也可以不管扫描成象而周期性地执行，或者可以按给定的时序来执行。
在步骤S21，磁体温度传感器17测量磁体温度。
在步骤S22，利用事先测量和建立的磁体温度-频差特性表来将磁体温度转换成频差ΔF。
在步骤S23，计算出用于校正与频差ΔF相对应的磁场强度的校正电流I的值。
在步骤S24，更新校正电流I值。在成象扫描期间，校正电流I值和重复的脉冲序列被同步地更新。B0校正线圈驱动电路18从计算机14读出经过更新的校正电流I值。B0校正线圈驱动电源19向B0校正线圈20提供经过更新的校正电流I值。过程结束。
B0温度校正过程能够校正由于在梯度线圈1中所产生的热量所引起的静磁场强度B0的波动。
第一实施例的MRI系统100能够快速和精细地校正静磁场强度。
第二实施例
第二实施例校正静磁场强度和均匀性。
图10是校正电流Ia和Ib的说明图。
B0校正线圈驱动电源19a和19b分别向两个校正线圈20提供校正电流Ia和Ib，这两个校正线圈20是附加在一对柱状轭Py上的，其所在的位置就是成象区插在它们之间的地方。这一对B0校正线圈20产生校正磁场B0a和B0b，其中方向和强度中的至少一种是不同的，然后这些磁场被加到由永磁体M所产生的静磁场B0m中。
校正电流Ia和Ib包括一个0维分量Io用以补偿在成象区中间的静磁场强度的过剩或不足，以及还包括一个1维分量i用以补偿一维的静态磁场的均匀性。换句话说，1维分量i引起校正磁场B0a和B0b之间的强度差，这使得在由校正磁场B0a和B0b合成的校正磁场B0c中形成一个1维的梯度。这个1维的梯度补偿一维静磁场的不均匀性。
图10图解表示了校正磁场B0a和B0b的方向(校正电流Ia和Ib的方向)，其中假定在由永磁体M所产生的静磁场B0m中静磁场强度为不足的情况。在由永磁体M所产生的静磁场B0m中静磁场强度为过剩的情况下，校正磁场B0a和B0b之一或两者的方向(校正电流Ia和Ib之一或两者的方向)可以反向。
图11是这样一种概念的说明图，其中在由永磁体M所产生的静磁场B0m中的静磁场的强度不足且存在着1维的不均匀性的情况下，不足的静磁场强度和1维的不均匀性将由B0校正线圈20所产生的校正磁场Ba和Bb来进行补偿，以便得到目标静磁场强度B0和静磁场均匀性。
校正电流Ia和Ib的0维分量Io可以用与第一实施例相同的方式得到。
校正电流Ia和Ib的1维分量i可以由下面所说明的1维分量决定过程来决定。
图12是表明1维分量决定过程的步骤的流程图。
1维分量决定过程是作为各种预扫描处理过程之一来执行的，所述各种预扫描过程需要在实验对象被放置到接收线圈3中的状态下进行调谐的情况下去执行。
在步骤31，当由校正磁场B0c所形成的1维梯度的方向是X轴时，作为被扫描表面的XZ平面被预扫描以便收集两个平面的数据Rxz1和Rxz2，其中TE(回波时间)之差是ΔTE[秒]。另外，作为被扫描表面的XY平面被预扫描以收集两个平面的数据Rxy1和Rxy2，其中TE(回波时间)之差是ΔTE。
在步骤S32，数据Rxz1、Rxz2、Rxy1和Rxy2分别进行2维傅利叶变换以得到复数二维数据。然后，分别计算角度二维数据，在该数据中只有一个由各象素的实数部分和虚数部分的反正切所确定的角度是一个象素值。这些角度二维数据被叫做相位映象Mxz1、Mxz2、Mxy1和Mxy2。
在步骤33，根据两个相位映象Mxz1和Mxz2之间的差确定相位误差映象Nxz。另外，相位误差映象Nxy是由两个相位映象Mxy1和Mxy2之间的差确定的。从该相位误差映象Nxz中去除噪声部分，以便只对信号部分采样。当存在一个其相位是折叠的部分时，该折叠部分被消除且数据在Z方向上被取平均以便得到1维相位误差数据Fxz(X)。另外，从该相位误差映象Nxy中去除噪声部分，以便只对信号部分采样。当存在一个其相位是折叠的部分时，该折叠部分被消除，且数据在Y方向上被取平均以便得到1维相位误差数据Fxy(X)。
在步骤34，对1维相位误差数据进行最小乘方近似。
Fxz(X)＝Pxz0+Pxz1·X+Pxz2·x2+……
Fxy(X)＝Pxy0+Pxy1·X+Pxy2·x2+……
系数Pxz1和Pxy1的平均值是1维系数Px1。1维系数Px1是这样一种相位总量，其中自旋是由磁场的非均匀性在时间ΔTE[秒]期间旋转并且是在X轴方向上的1维分量。它的单位是[rad/cm]。
在步骤35，1维系数Px1[rad/cm]被转换成静磁场强度沿X轴线方向的梯度值ΔG[高斯/cm]。
ΔG＝Px1/(2π·ΔTE·γ)
这里γ＝4257[Hz/高斯]
在步骤36，计算校正电流Ia和Ib的1维分量i，校正电流Ia和Ib能补偿静磁场强度在X轴线方向中的梯度值ΔG或静磁场X轴线方向上的1维不均匀性。
按照第二实施例的MRI系统，在X方向的静磁场强度和静磁场均匀性能够快速和精细地得到校正。
第三实施例
第三实施例具有4个柱状轭Py。
如图13所示，4个柱状轭的每一个都有B0校正线圈20，且在相对的各柱状轭Py中提供的B0校正线圈20是成对的，以便控制校正电流。
按照第三实施例的MRI系统，在X-Y方向的静磁场强度和静磁场均匀性能够快速和精细地得到校正。
可以设计出本发明的许多极其不同的实施例而不背离本发明的精神和范围。应该理解，除了由所附权利要求所规定的那样以外，本发明不应限制在说明书中所说明的特定实施例中。

Claims (12)

1.一种静磁场校正方法包括以下步骤：在构成MRI系统的磁路的轭上提供磁场校正线圈；使磁场校正线圈流过校正电流以产生校正磁场；给成象区域的静磁场附加上校正磁场以校正成象区域的静磁场。
2.权利要求1的静磁场校正方法，还包括步骤：在第一轭上提供第一磁场校正线圈；在从第一轭跨越成象区的第二轭上提供第二磁场校正线圈；由第一磁场校正线圈产生第一校正磁场；由第二磁场校正线圈产生第二校正磁场，其方向和强度与第一校正磁场的相同。
3.权利要求1的静磁场校正方法，还包括步骤：在第一轭上提供第一磁场校正线圈，在从第一轭跨越成象区的第二轭上提供第二磁场校正线圈；由第一磁场校正线圈产生第一校正磁场，由第二磁场校正线圈产生第二校正磁场，其方向和强度中至少有一种是与第一校正磁场的是不同的。
4.权利要求1的静磁场校正方法，还包括步骤：收集FID信号；根据FID信号确定谐振频率；确定谐振频率和RF发送/接收系统之间的频差；以及根据频差决定校正电流。
5.权利要求4的静磁场校正方法，还包括步骤：在成象区附近放置一个NMR探头，它组合一个小幻象和一个小线圈；从小线圈发送RF脉冲以便由小线圈接收从小幻象发出的FID信号；以及根据FID信号决定谐振频率。
6.权利要求1的静磁场校正方法，还包括步骤：测量构成磁路的一个构件的温度；根据温度特性确定谐振频率，确定谐振频率和目标频率之间有频差；以及根据频差决定校正电流。
7.一种MRI系统包括：构成磁路的轭；在轭上提供的、用以产生校正磁场的磁场校正线圈；以及用于向磁场校正线圈提供校正电流的磁场校正线圈的电源。
8.权利要求7的MRI系统，还包括：第一轭和第二轭，其设置位置是在它们之间要插入成象区的地方；在第一轭上提供的用以产生第一校正磁场的第一磁场校正线圈；在第二轭上提供的且与第一磁场校正线圈串联连接用于产生第二校正磁场的第二磁场校正线圈，所述第二校正磁场的方向和强度与第一校正磁场的相同；以及用于磁场校正线圈的电源，该电源向第一磁场校正线圈和第二磁场校正线圈的串联电路提供校正电流。
9.权利要求7的MRI系统，还包括：第一轭和第二轭，其所处在的位置是在它们之间要插入成象区的地方；在第一轭上提供的用于产生第一校正磁场的第一磁场校正线圈；在第二轭上提供的用于产生第二校正磁场第二磁场校正线圈；用于第一磁场校正线圈的电源，该电源向第一磁场校正线圈提供第一校正电流；以及用于第二磁场校正线圈的电源，该电源向第二磁场校正线圈提供第二校正电流。
10.权利要求7的MRI系统，还包括：校正电流决定装置，它用于收集FID信号，根据FID信号确定谐振频率，确定谐振频率和RF发送/接收系统之间的频差，并根据频差决定校正电流。
11.按照权利要求9的MRI系统，还包括：一个NMR探头，它组合一个小幻象和一个小线圈，并且被设置在成象区附近，其中
校正电流决定装置从小线圈发送RF脉冲以便由小线圈接收由小幻象发送的FID信号，并根据FID信号确定谐振频率。
12.权利要求7的MRI系统，还包括：
温度传感器，用于测量构成磁路的构件的温度；以及
校正电流决定装置，它根据温度特性确定谐振频率，确定谐振频率和目标频率之间的频差，并根据频差决定校正电流。
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