CN1951322A - 一种减小磁共振成像磁体涡流的装置 - Google Patents

Abstract

一种减小磁共振成像磁体涡流的装置，主要包括以下组成部分：用于产生均匀磁场的极板机头[401]，一个用于隔离涡流的绝缘层[402]，一个引导梯度磁场的疏导层[403]，一个产生主梯度磁场的主梯度线圈[407]，一个屏蔽线圈[404]和一个匀场环[406]。屏蔽梯度线圈[404]位于极板机头[401]和疏导层[403]之间，镶嵌在绝缘层[402]内，屏蔽梯度线圈[404]同主梯度线圈[407]有电气连接。极板机头[401]由导磁又导电的材料制成，其面向成像空间的一面附有一层不导磁不导电的绝缘层[402]，绝缘层[402]面向成像空间的一面又附有一层高导磁不导电的疏导层[403]。屏蔽梯度线圈[404]可将绝大部分纵向梯度磁场的磁通导入到疏导层[403]中，可以大大减小纵向梯度磁场在极板上产生的涡流，从而大大提高图像质量。

Description

一种减小磁共振成像磁体涡流的装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)系统，特别是涉及减小磁共振成像磁体涡流的装置。

背景技术

磁共振成像系统工作时，将人体置于一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，就可以通过射频信号获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

梯度磁场是由梯度线圈产生的，梯度线圈安装在靠近极板的位置，工作时施加大小和宽度不同的脉冲电流。由于脉冲电流的存在，它在变化的过程中将在导电的极板中感应出涡流。由于涡流的大小、分布和衰减时间不受成像系统控制，而是同极板的材料和结构有关，因此它的存在将严重影响成像质量，导致信号的相位产生误差，信号发生变形，使得图像产生伪影，信噪比下降，并影响成像系统众多的性能。

为减小涡流的影响，一个方法是采用有源屏蔽梯度线圈，现有的这种方法在有极板的磁体中应用时，效率很低，使得系统结构复杂，成本上升，使用和维护不方便。

另一种方法在导电的极板上贴附各种导磁材料，这些材料被切割成各种形状，以减少涡流的产生，而且在极板和所贴附的导磁材料之间有一层隔离层，以隔离涡流使得涡流不在极板中产生。

图1所示为磁共振成像磁体及其梯度线圈结构的一般的结构。101为导磁的铁轭，102是磁极头，由磁性材料制成。103是极板，用于使成像区的磁场变得均匀，105是匀场环，用于扩大均匀磁场的区域。104为梯度线圈，用于产生梯度磁场，106为射频线圈，发射射频电磁波激励被测物体的原子核，并接收被测物体发出的电磁波，由于梯度场的加入，能够使被测物体发射的电磁波的频谱在空间上有分布，从而重建出被测物体的图像。

为节省空间，梯度线圈104一般都紧贴极板103安装，目前磁共振成像时都采用脉冲梯度场，这就需要在梯度线圈中通以脉冲电流，脉冲电流能大到数百安培，这时，如果极板103是导体，根据电磁感应定律，它将在极板103中感应出涡流。涡流同样产生磁场，由于其分布的非线性，衰减时间的不可控，将严重干扰成像。

为解决此问题，一类方法是采用有源屏蔽梯度线圈。图2所示为现有技术的有源屏蔽梯度线圈的通常结构，201为极板机头，由导磁材料制成，由于机械结构的需要，通常是由纯铁制成，因此它也是个好的导电体。若梯度线圈靠近极板，显然将会产生涡流。为此，在主梯度线圈206外侧设置屏蔽线圈205。屏蔽线圈205的电流方向同主梯度线圈206相反，因此它产生反向的梯度磁场，将主梯度线圈的磁场抵消，从而在极板中没有梯度磁场，不产生涡流，他们产生的磁场分布如图3所示，磁力线可以完全不进入极板中。显而易见，屏蔽线圈205不仅抵消了主梯度线圈在极板中的梯度磁场，也部分抵消了主梯度线圈在成像空间的梯度磁场，因此，要保持成像空间的梯度磁场强度不改变，线圈的电流就要成倍地增加，或者大幅度增加主梯度线圈和屏蔽梯度线圈的距离，前者将增加系统功率消耗，增加水冷系统，加大了系统的复杂性，后者将不得不增大磁体的气隙，从而大幅度增加磁体的制造成本，增大磁体的重量。

另一类方法一般是在极板上贴附片状或带状的导磁材料，比如中国专利01114389.4公开的方法，将其设计的极板分成三个部分，导电的极板体上附有一层不导电的所谓隔离层，然后再贴附各种导磁材料，用以减小涡流产生.显而易见，这些方法都对减小涡流有一定的效果。然而，由于对成像水平的要求的提高，这些方法对进一步减小涡流已无能为力，因为，这类方法的目的是期望在梯度线圈工作时，梯度磁场的磁力线都通过所贴附的高导磁材料内部形成磁路，从而不进入导电的极板机头，能够抑制涡流的产生。但是，由于这种结构仅对横向梯度场产生的涡流具有较好的抑制作用，而在纵向梯度工作时，由于极板机头和所贴附的材料有相近的磁导率，必然有一部分梯度磁力线进入极板中，而且这部分磁力线经过成像区的中心。又因为极板机头与所贴附的材料之间存在一个不导磁的隔离层，使得磁力线无法很快进入所贴附的材料，将在极板机头中行进相当长的距离，因此在极板上依然形成一定的涡流，这些涡流的存在足以对一些快速成像序列构成影响。

图4所示为此类极板在不用屏蔽梯度线圈时的纵向梯度磁力线分布。301为极板，302为绝缘层，303为所贴附的不导电导磁材料，306为匀场环，307为纵向梯度线圈。图中可见有大部分的磁力线经过303层，但是，由于极板材料和所贴附的材料导磁率接近，有一部分磁力线进入了301极板，而且，由于极板和所贴附的材料中间有层不导磁的绝缘层，使得磁力线将在极板中穿行很长的路径，从而在极板中产生涡流，而且这部分磁力线经过成像区，因此依然会对成像产生影响。

相比之下，目前较成功的方法还是采用有源屏蔽梯度线圈，它可以防止梯度线圈产生的磁场进入极头，从而避免产生涡流。目前的有源屏蔽梯度线圈均采用双层结构，内层为主线圈，外层为屏蔽线圈，这种结构虽然可以有效地屏蔽涡流，但是由于两层线圈间距太近，导致绕线匝数很多，效率很低，还可能要配备冷却系统，导致系统结构复杂，购买和使用成本上升。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中磁共振成像磁体的极板在轴向梯度线圈工作时中产生较大涡流的问题，进一步提高磁共振成像系统的成像水平。为此，本发明提出一种采用新结构的磁共振成像有源屏蔽梯度线圈和极板，两者的结合可以有效降低轴向梯度磁场产生的涡流。

本发明采用以下技术方案：

磁共振成像磁体主要包括由磁性材料制成的磁极头、导磁材料制成的轭铁及极板。磁体通过极板在成像空间中产生所需的静磁场。极板的作用是在成像空间产生均匀的磁场，它必须由高导磁的材料制成。

梯度线圈用来产生梯度磁场，它一般安装在极板上，并且很靠近极板。

按照从磁极头到成像空间的方向顺序排列，本发明包括极板机头、绝缘层、屏蔽梯度线圈、疏导层、主梯度线圈。同时，在靠近成像空间的一面还有一个匀场环。其中，屏蔽梯度线圈夹在机头与疏导层之间。极板机头是由导磁又导电的材料制成，绝缘层是由不导电不导磁的材料制成，疏导层是由高导磁不导电的材料制成。所谓疏导层，是用来疏导梯度磁场磁力线，使之不进入极板机头。

极板机头为高导磁导电材料，其面向成像空间的一面附有一层不导磁不导电的绝缘层，绝缘层面向成像空间的一面又附有一层高导磁不导电的疏导层，屏蔽梯度线圈镶嵌在绝缘层中间，并且同主梯度线圈有电气连接。

主梯度线圈产生磁力线，企图沿机头的边沿进入机头内部，并且一直穿过成像中心，一旦进入机头，它将产生很大的涡流。本发明的屏蔽梯度线圈，由于其电流方向与主线圈相反，因此，它将在机头的边缘产生足够的反向磁场，阻止主梯度磁场磁力线进入导电的机头，从而迫使其进入疏导层，又因为疏导层与极板机头之间有一层不导磁的绝缘层，磁力线无法再进入极板机头内，它将沿疏导层再通过成像空间的气隙形成闭合的磁路，。由于疏导层不导电，因此此时的轴向梯度将不产生涡流。因此，本发明能够保证梯度磁场磁力线不进入极板机头内，从而不产生涡流。

同时，由于本发明中，屏蔽梯度线圈的磁力线仅局限在极板内部，且匝数很少，因此对主梯度磁场基本没有削弱作用，因而效率很高。

显然，本发明要求疏导层的材料有高的导磁率和高的饱和磁感应强度，并且有低的矫顽力。目前已有一些材料和方法来制作这样的疏导层，比如采用非常薄的非晶合金带卷绕成这样的疏导层，这种非晶合金薄带具有很高的饱和磁通密度，大的磁导率，大的电阻率；另外，也可以用薄的硅钢片裁成一定长度和宽度的窄条，然后用胶粘接在绝缘层的外面。

本发明的屏蔽线圈是镶嵌在绝缘层中间的，可以在制作极板的过程中整体制作完成。

附图说明

图1为现有技术的磁共振磁体及其梯度线圈结构示意图。图中：101导磁的铁轭，102磁极头，103极板，104梯度线圈，105匀场环，106射频线圈；

图2是现有技术的有源屏蔽梯度线圈和极板结构原理图；

图3是现有技术的有源屏蔽梯度线圈的轴向梯度磁场磁力线的分布图；

图4是现有技术的非屏蔽梯度线圈的轴向梯度磁场磁力线的分布图：

图5为本发明的基本结构原理图。图中：401极板机头，402是绝缘层，403疏导层，404屏蔽梯度线圈，406匀场环，407是主梯度线圈；

图6是本发明中梯度磁场磁力线在极板中的分布图；

图7是本发明具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图5所示为本发明基本结构原理。按从磁极头到成像空间的方向排列，顺序依次为极板机头401、绝缘层402、疏导层403、屏蔽梯度线圈404、主梯度线圈407。主梯度线圈407位于疏导层403朝向成像空间的一面的外侧。同时，在靠近成像空间的一面还有一个匀场环406。极板机头401用既导磁又导电的材料制成。为阻止磁力线进入极板机头401，在极板机头401的下面贴附一层不导磁又不导电的绝缘层402，然后其外侧贴附足够厚度的导磁不导电的疏导层403，其厚度使得它在工作时处于不饱和状态。在绝缘层402内镶嵌有屏蔽梯度线圈404。屏蔽梯度线圈404同主梯度线圈407有电气连接，其电流方向和主梯度线圈407的电流方向相反。屏蔽梯度线圈404的作用是将此处的主梯度磁场的磁力线压迫到疏导层403中，而不进入极板机头401。

本发明的疏导层403工作在不饱和状态，因为若疏导层403饱和时，其磁导率也很低，将导致被压迫到疏导层403中的磁力线重新进入极板机头401中。为使疏导层403工作在不饱和状态，需要根据材料的磁特性设计其工作点。疏导层403内的磁通密度是同磁体的主磁场相关的，增大疏导层403的厚度，可以降低疏导层403中的磁通密度，使材料工作在磁化曲线中的线性段，此处材料的磁导率很高，磁阻小。406为匀场环，它的作用是用来扩大成像的匀场区。

图6是本发明的磁力线的走向和路径，图中可见磁力线经过屏蔽梯度线圈404的压迫后进入到了疏导层403内，由于有绝缘层402的阻隔，其磁阻非常大，而此时的疏导层403又处于不饱和的状态，导磁率很高，因此磁力线不再进入极板401中，从而大大减小了极板中的涡流，可以改善快速成像序列的成像质量。

图7是本发明的一个实施例，其中，屏蔽梯度线圈404镶嵌在绝缘层402中，其匝数为两匝，一匝的半径为320mm，一匝的半径为380mm，主梯度线圈为12匝。制造时可以将屏蔽梯度线圈404与整个极板制成一体。

Claims (3)

1、一种减小磁共振成像磁体涡流的装置，其构成按从磁极头到成像空间的方向排列，顺序为极板机头[401]、绝缘层[402]、屏蔽梯度线圈[404]、疏导层[403]、主梯度线圈[407]；匀场环[406]位于靠近成像空间的一面，主梯度线圈[407]位于疏导层[403]朝向成像空间的一面的外侧，其特征是，屏蔽梯度线圈[404]位于极板机头[401]和疏导层[403]之间，镶嵌在绝缘层[402]内，屏蔽梯度线圈[404]同主梯度线圈[407]有电气连接；极板机头[401]由导磁又导电的材料制成，其面向成像空间的一面附有一层不导磁不导电的绝缘层[402]，绝缘层[402]面向成像空间的一面又附有一层高导磁不导电的疏导层[403]。

2.如权利要求1所说的减小磁共振成像磁体涡流的装置，其特征是：主梯度线圈[407]和屏蔽梯度线圈[404]的电流方向相反。

3.如权利要求1或2所说的减小磁共振成像磁体涡流的装置，其特征是：疏导层[403]工作在不饱和状态，具有较高的导磁率和饱和磁通密度。

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