CN1535654A - 调整磁共振成像磁场发生器的中心磁场的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种MRI系统的生产线，该生产线包括第一MRI系统(10)，该系统包括第一轭(12)和形成设置在上述第一轭上的第一中心组件(30)的多个磁铁单元(18)。该生产线还包括第二MRI系统(10)，该系统具有第二轭(12)，形成设置在上述第二轭上并构成和上述第一中心组件相同形状的第二中心组件(30)的多个磁铁单元(18)，以及在上述第二中心组件的周边安装到上述第二轭上的第一磁铁单元组(32，34，36，38，40)。

Description

调整磁共振成像磁场发生器的中心磁场的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像(MRI)，特别涉及用于组装MRI磁场发生器所用的磁化永磁铁单元的方法和装置。

背景技术

高均匀磁场对于使用磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)系统作为医疗器械或化学/生物的装置是非常有用。目前，至少某些可获得的流行且低维护成本的MRI系统利用永磁系统，该永磁系统在预定空间(成像体积)中生成中等范围的均匀场(0.2-0.5特斯拉)。永磁系统通常使用多个永磁铁单元，例如NdFeB，以形成单磁性物体并在上述成像容积内获得希望的高均匀磁场。

对于使用永磁铁的MRI系统的磁场发生器来说，用在该装置上的磁铁通常可以由多个磁化单元形成。但是，将非磁化材料单元首先放置在轭板上然后磁化每一单元是困难的。所以，在实际制造中，先构造上述单元然后再对其进行磁化。上述磁化单元接着被设置在轭板上，从而使得每一磁铁单元具有朝上的相同磁极。然后极片被放置在磁化单元的顶部。

众所周知，当诸如人体组织的物质受均匀磁场作用时(偏振场B0)，上述组织中的各个旋转磁矩试图和该极化场对齐设置，但是以它们的特征拉莫尔频率随机地绕该极化场旋转进动。如果上述物质或组织受处于x-y平面的磁场影响(激励场B1)，且该磁场接近拉莫尔频率，上述净对齐力矩(net aligned moment)或“纵向极化”MZ可以旋转或“插入”(tipped)到上述x-y平面中，从而产生横向净磁矩Mt。在激励信号B1终止之后，通过激励旋转而发射信号，并且该信号被接收并处理以形成图像。

当利用这些信号生成图像时，就要使用磁场梯度(Gx Gy和Gz)。典型地，需要成像的区域通过一系列的测量循环而被扫描，其中，这些梯度根据使用的具体定位方法而变化。对所接收的NMR信号组进行数字化，并利用多种熟知的重构技术(reconstruction)中的一种重新构造图像。

MRI磁铁通常不仅需要通常在40-50cm的球形空间内小于10ppm的强均匀磁场，而且还需要典型地小于0.5％的精确中心磁场值。对于给定的RF线圈设计，上述带宽是固定的。这样上述中心磁场的允许范围也是固定的。

MRI的磁场发生器的一种已知结构为开放式几何形状，该几何形状包括由支柱连接彼此相对的轭，例如永磁铁的磁场产生元件，和/或超导/电阻线圈，以及例如极片的其它场成型器件。

磁铁在制造时，其磁场经常受到材料特性、制造过程的公差和环境偏差的影响。对于超导电阻磁铁，上述中心磁场可以通过细调电流很容易地进行调整。但对于永磁铁，这却并不容易。上述磁铁通常内置有机械机构，以便于在磁铁安装完成后调节上述磁铁中心磁场。

发明内容

根据本发明的一方面，提供一种MRI系统的生产线。该生产线包括第一MRI系统，该系统包括第一轭和多个磁铁单元，从而形成设置在上述第一轭上的第一中心组件。上述生产线还包括第二MRI系统，该系统具有：第二轭；形成第二中心组件的多个磁铁单元，该第二中心组件设置于上述第二轭上并构成和上述第一中心组件相同的形状；以及，第一磁铁单元组，其安装到处于上述第二中心组件周边的上述第二轭上。

根据本发明的另一方面，提供一种制造MRI系统的方法。此方法包括：提供多个磁铁单元，该单元形成设置在轭上的中心组件；测量中心磁场，当上述中心磁场不在设定范围之内时，将额外的磁铁单元添加到上述轭上。

根据本发明的又一方面，提供一种改变磁场的方法，该方法包括：测量MRI系统的中心磁场以获得中心磁场值；调节上述MRI系统的至少一个元件的温度，从而将上述中心磁场改变为不同于上述测量值的数值。

根据本发明的再一方面，提供一种改变磁场的方法，该方法包括：测量MRI系统的中心磁场以获得中心磁场值；以及，利用B0控制的补偿(shimming)将上述中心磁场改变为不同于上述测量值的数值。

附图说明

图1是成像系统的模块示意图。

图2是成像系统的模块示意图。

图3示出了如图1所示的设置在轭上的中心磁铁组件。

图4示出了多个设置在上述图3所示中心组件周边上的磁铁单元。

附图标号说明：

10  MRI系统

12  轭板

14  圆柱轭

16  C型轭

18  磁铁单元

20  极片基座

22  支撑环

24  极片

25  间隙

26  电子仪器

28  显示器

30  中心组件

32  磁铁单元组

34  磁铁单元组

36  磁铁单元组

38  磁铁单元组

40  磁铁单元组

50  顶轭

52  底轭

具体实施方式

在这里所使用的，除非明确说明，按单数引用的一个零件或步骤以及后续术语中的＂一个＂并不排除是多个零件或步骤。而且，本发明的＂一个实施例＂并不应该被理解为排除同样结合有所述特征的额外实施例的存在。

图1为成像系统10、例如MRI系统10的示意图，它包括两个轭板12和多个在轭板12之间延伸的圆柱轭14。或者，如图2所示，可以使用具有单C型轭16的MRI系统10。系统10包括固定到轭表面的磁铁单元18、固定到磁铁18上的极片基座20和支撑环22、以及固定到每一极片基座20和支撑环22上的极片24。在极片24之间形成有间隙25。要成像的物体插入到间隙25内。

MRI系统10还可以包括电子仪器26和显示器28。电子仪器26可以是控制系统，例如计算机、发射机、接收器、成像仪和/或存储器。

图3示出了中心组件30，其包括多个设置在轭12上的磁铁单元18。中心组件30具有周边31。

使用中，中心组件30设置在轭12上并测量中心磁场。测量结果和期望值相比较，如果测量值不同于预定的期望值，则按这里所述的改变中心磁场值。在一个实施例中，可以调节已完成组件10的至少一个部件的温度，使得中心磁场值基本上等于上述期望值。在示意性实施例中，设置至少一个加热元件(末示出)用以加热轭12。在另一实施例中，可以改变上述中心磁场值从而使其更接近期望值，仅仅高于或低于上述期望值几个百分点。通过加热已完成组件10中的至少一个元件，上述中心磁场可以改变大约1.5个百分点的强弱。而且上述中心磁场值还可以利用B0控制的补偿进行改变。利用B0控制补偿，上述中心磁场还可以改变大约1.5个百分点的强弱。

通过这种方法，就可以使得中心组件30等磁铁装置进行足够的调整，而并不需要在上述磁铁装置组装之后去机械改变上述磁铁装置。这种方法，可以作为一或多个计算机的一系列计算机程序指令得以实施，从而用以分析上述中心磁场。然后和上述期望中心磁场强度相比较，并在不同位置将有源和/或无源补偿元件加入到上述磁铁装置，从而获得所需的中心磁场强度。可以利用上述补偿或重量因数确定在每一处所需的“补偿材料”的数量。

“补偿材料”根据补偿元件的形式而有所不同，例如，对于有源补偿元件，即补偿线圈(shim coil)，补偿材料对应于施加在上述线圈上的电流量。通过改变施加在上述线圈上的电流量，就可以改变分配到磁场的数量。结果，补偿线圈可以独立受控，使得可以精确控制磁场分配。对于无源补偿元件，即铁补偿元件或永磁铁，上述补偿材料对应于添加到磁铁组件的磁元件的量。

根据本发明另一实施例，提供一种具有存储在其上的计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序用以开发出用于MR成像系统的磁铁组件的补偿模型，上述计算机程序代表一系列计算机执行的指令，从而使得计算机改变上述组装磁铁组件所产生的中心磁场。这一系列指令使得上述计算机能够确定在每一位置所需的补偿量，从而保持所需的中心磁场强度。

在一示例性实施例中，利用依据磁铁装置的结构而进行的B0控制补偿，可以调节磁铁温度并使其稳定。在上述磁铁温度稳定之后，就可以测量上述中心磁场强度。如果上述中心磁场强度处于设定范围之内，那么就不需要进行B0所控制的补偿过程，但是可以进行其他下行(downstream)处理过程，并将上述磁铁组件加入到MR组件。但如果上述中心磁场强度在设定范围之外，就需要通过将系统输入和补偿约束条件加入一或多个计算机程序来继续B0控制补偿过程，从而确定补偿参数。

上述约束条件输入包括所需的中心磁场强度范围和测量中心磁场强度。其它输入包括磁铁系统几何约束条件以及补偿约束条件。上述补偿约束条件包括每一潜在补偿元件的物理限制和上述补偿元件在磁铁之内的位移。例如对于有源补偿，约束条件可以包括应用于补偿线圈的最大或最小可接受电流，或在每一预定位置处某一极性的最大永磁铁材料，从而控制磁场分配。在另一实例中，对于无源补偿元件，例如铁芯，可以输入质量约束条件。如下详细所述，补偿算法利用这些约束条件可以确定补偿元件的放置、类型以及任一特定位置的补偿元件的数量。

一或多台计算机所利用的一种技术从接收系统和补偿约束条件输入开始。根据上述系统和补偿约束条件，就可以得到目标函数。该目标函数可采取多种形式中的一种，并限定为可以确定上述整个磁铁装置所需的最小调整量，从而能够获得上述所需的中心磁场强度，或者当应用于磁场强度步骤时保持所需的中心磁场强度。

根据相对于上述目标函数的约束条件，就可以确定理想的解法。上述理想解法在磁铁装置内的多个位置或目标点建立所需的补偿量。但是，需要考虑的是，确定在每一位置上的调整量不可能很精确。例如铁补偿元件就具有不同的质量。这样就不会如理想的那样，有具有精确特定调整值的铁补偿元件。所以就有必要将上述理想解法离散，从而解决“理想”补偿值和实际可能的补偿值之间的不同。通过上述离散过程，就可以输出补偿位置和补偿量。

如上所述，上述补偿算法可以利用多个目标函数中的一个，所述多个目标函数设计用来同时解决磁场不均匀性和磁场强度的问题。例如可以利用线性规划(LP)方法(linear programming approach or implementation)或最小二乘法。在一种线性规划方法中，上述目标函数如下定义：

最小Obj＝∑Vi(Ii+-Ii-)+∑Wj*Yj     (公式1)

下列为约束条件：

-I_max≤Ii^-≤0                  (公式2)；

0≤Ii⁺≤I_max                   (公式3)；

Y_L≤Yj≤Y_U                     (公式4)；

B_L≤AX≤B_U                     (公式5)；

其中，Ii-，Ii+为例如电阻、超导或永磁补偿元件等有源补偿元件的状态变量。对于补偿线圈，这些是上述线圈内所需的某一正负号的电流量。对于永磁补偿元件，这些是某一极性永磁材料量。Yj是无源补偿元件的状态变量。这些是放置在每一位置的无源补偿元件量。V_i是有源补偿元件的权重因子。W_j是无源补偿元件的权重因子。A为以磁场分配到每一调整点的形式或以包括B0分配的球形谐波形式在每一调整位置上有源和无源补偿元件的调整强度矩阵。X为所有状态变量的矢量。B_L和B_U为上下界向量约束条件，采取磁场(高斯，特斯拉)或谐波(ppm)的形式。这些均为限定上述所需中心磁场强度的实际约束条件。应该注意到等式5可以特定为|AX-B_target|≤ε，其中B_target为上述目标磁场或谐波，ε为上述允许公差向量。

图4示出了多组安装到轭12的磁铁单元18。在图4中，其中一组包括标号为32的磁铁单元18，另一组包括标号为34的磁铁单元18，以及另一组包括标号为36的磁铁单元18。在图4中还有一组包括标号为38的磁铁单元18，而另一组磁铁单元18包括标号为40的单元。在一实施例中，磁铁单元32和34是半个单元，它们大约为其他所有磁铁单元18尺寸的一半。

使用过程中，将中心组件30设置在轭12上并测量中心磁场。在一个实施例中，上述中心磁场可以利用特斯拉仪或高斯仪进行测量。将测量值和期望值相比较，在中心组件30周边的轭12上设置有单元组。所以不同的MRI系统都具有基本相同的中心磁场强度，但因不同磁铁18之间的制造差异磁铁单元的结构是不同的。而且单MRI可以具有不同的单元结构，用以顶轭50和底轭52(如图1所示)从而调节中心磁场。需要注意，在MRI系统10的初始制造阶段通常将半磁铁单元和全磁铁单元附连到上述中心装置，而如上所述，通常在组装上述磁铁装置之后，在磁场或工厂内可以利用B0调整和磁铁单元温度调节，重新校准上述中心磁场和磁场均匀性，而这种效果可以累积，并可以一起利用在所有的组合排列(permutation of combinations)中。利用上述半磁铁单元32和34，上述中心磁场可以改变大约1个百分点的强弱。利用三组磁铁单元36、38和40，上述中心磁场可以改变大约3.5个百分点的强弱。

这里描述的方法和装置提供了一种新式的方法来改变上述中心磁场。这里描述的方法和装置还提供有一种新的方法可以利用在组装MRI系统过程中以及组装之后。

在上面已经详细描述了上述用以改变中心磁场的方法和装置的示意性实施例。但该方法和装置并不局限于这里所述的特定实施例，每一方法和装置的元件都可以独立使用，并同这里所述的其他元件相分开。另外，每一方法和装置元件还可以和这里所述的其他元件相结合。

尽管本发明已经以不同特定实施例的方式进行了描述，可是本领域技术人员应理解在权利要求的范围和精神内本发明可以进行不同的修改。

Claims (4)

1、一种MRI系统的生产线，该生产线包括：

第一MRI系统(10)，该系统包括：

第一轭(12)；和

多个磁铁单元(18)，其形成设置在上述第一轭上的第一中心组件(30)；

第二MRI系统(10)，该系统包括：

第二轭(12)；

多个磁铁单元(18)，其形成设置在上述第二轭上的第二中心组件(30)，该中心组件形成为和上述第一中心组件相同的形状；

第一磁铁单元组(32，34，36，38，40)，其在上述第二中心组件的周边安装到上述第二轭上。

2、根据权利要求1所述的生产线，其中，所述第一MRI系统(10)还包括：

第二磁铁单元组(32，34，36，38，40)，其在上述第一中心组件的周边(30)安装到上述第一轭(12)上，上述第二单元组和上述第一组具有不同的结构。

3、根据权利要求1所述的生产线，其中，所述第一磁铁单元组(32，34，36，38，40)包括半单元组(32，34)。

4、根据权利要求3所述的生产线，其中，所述第二MRI系统(10)还包括设置在上述第二轭(12)上并靠近上述第一组的第二半单元组(32，34)。

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