CN1977180A - 磁共振成像设备以及用于操作磁共振成像设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁共振成像(MRI)设备和用于操作该设备的一种方法。MRI设备的基本部件是用于生成恒定磁场的主磁系统(2)、具有至少一个梯度线圈的梯度系统(3)、RF系统和信号处理系统。根据本发明，梯度线圈至少在该恒定磁场的方向被分成子线圈(S1、S2)。由此，降低了病人附近梯度场的非成像分量的振幅，导致外围神经刺激降低，因而提高了图像质量。

Description

磁共振成像设备以及用于操作磁共振成像设备的方法
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像设备，该设备包括至少一个用于在该磁共振成像设备的测量空间中生成恒定磁场的主磁系统，具有至少一个梯度线圈的用于在所述测量空间中生成磁梯度场的梯度系统，其中该磁梯度场至少有一个垂直于该恒定磁场的分量。
本发明还涉及用于操作这种磁共振成像设备的方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)设备的基本部件是主磁系统、梯度系统、RF系统以及信号采集和处理系统。现代的超导圆柱形MRI系统的主磁系统通常被包含在低温恒温器中。对于圆柱形MRI系统来说，主磁系统包括一个定义了测量空间并使得要由MRI设备分析的目标能够进入的圆柱形内径。对于开放形的MRI系统，磁体由两个磁极片组成。主磁系统为要分析的目标中的原子核自旋偏振生成强大的均匀恒定磁场。梯度系统设计用于产生受控空间非均匀的随时间变化的磁场。梯度系统是MRI设备至关紧要的部分，因为梯度场对于信号定位至为重要。RF系统主要包括发射器线圈和接收器线圈，其中发射器线圈能够生成用于刺激自旋系统的磁场，并且接收器线圈将处理磁化强度转换成电信号。信号处理系统根据该电信号生成图像。
在磁共振图像曝光期间，梯度场的开关能够触发要检查的活体目标(例如人或动物体)中的外围神经刺激(PNS，peripheral nervestimulation)。作用于目标的梯度场的特征是磁通密度随时间而变化并且在要检查的目标中产生电场。PNS除了别的以外还取决于随时间的梯度变化，并且主要在随时间的梯度变化的最高速率上发生。
US 2001/0031918 A1讲授了一种用于操作磁共振层析成像设备以抑制PNS的方法。该方法包括下列步骤：生成基本磁场；生成梯度场，该梯度场具有与基本磁场和预定主梯度共线的主磁场分量以及至少一个垂直于主磁场分量的附属磁场分量并且具有线性体积(linearityvolumn)；激活附加磁场，该附加磁场尽可能均匀并且超出该线性体积，它至少在梯度场也被打开的时间段中被打开，并且它是定向的以使它能够在至少一个预期会有PNS的区域中降低所述磁场分量中的至少一个以避免PNS。还关于降低梯度场的主磁场分量进一步阐述了该方法。相应的磁共振层析成像设备包括用于产生附加磁场的附加线圈装置，或者梯度线圈系统具有用于产生梯度场的梯度线圈，其中该梯度线圈被制作为能够产生附加磁场和梯度场，或者用于产生附加磁场的设备具有用于更改基本磁场的装置。US 2001/0031918 A1没有公开如何实现梯度线圈以便能够产生附加磁场和梯度场从而实际抑止PNS，而只是公开了梯度线圈具有两个部分线圈可以相互独立地驱动。
发明内容
本发明的一个目标是提供开始的那些段落中提到的那种磁共振成像设备，它能够以要检查的目标中最小的外围神经刺激(PNS)实现磁共振图像曝光，同时仍然在iso-中心(采集要检查的目标例如人或动物的身体的图像之处)提供所要求的成像梯度场。
为了实现这个目标，依照本发明的磁共振成像设备的特性是梯度线圈被至少在恒定磁场方向上分成子线圈，使得至少在测量空间的一个区域内降低与恒定磁场垂直的磁梯度场分量。由于这种措施，抑制了要检查的生物体中的PNS。
优选地，子线圈由单独的放大器驱动。另外，它们可以串联或并联。在优选实施例中，子线圈被配置为允许在并联和串联之间切换。
优选地，至少一个子线圈除采用用于生成磁梯度场的随时间变化的电流之外，还采用电流偏移来运行。在优选实施例中，梯度线圈被分成两个子线圈，一个子线圈采用另一子线圈的相反电流偏移来运行。电流偏移的极性取决于绕组方向。
优选地，每个子线圈由一个单独的放大器驱动，子线圈被用电力并联或串联，并且至少一个子线圈除采用用于生成磁梯度场的随时间变化的电流之外还采用电流偏移来运行。
优选地，该磁共振成像设备包括处理单元，以在曝光之前为所需图像质量计算最佳子线圈配置和/或最佳电流偏移，同时使要检查的目标中预期的外围神经刺激最小。
优选地，每个子线圈被独立屏蔽。
依照本发明的一种用于运行磁共振成像设备的方法包括以下步骤：在曝光之前为所需图像质量和同时使要检查的目标中预期的外围神经刺激最小而计算最佳子线圈配置和/或最佳电流偏移；用计算出的最佳子线圈配置和/或计算出的最佳电流偏移生成磁梯度场(垂直于恒定磁场的磁场分量下降)，带有相应指令的计算机程序产品以及存储了该程序的数据载体。
附图说明
下面将参考附图说明依照本发明的磁共振成像(MRI)设备和依照本发明的操作磁共振成像设备的方法的实施例，附图中：
图1示出了依照现有技术的MRI设备；
图2示出了依照现有技术的MRI设备的梯度系统；
图3示出了依照本发明的MRI设备的梯度系统的第一实施例；
图4示出了单轴屏蔽的梯度线圈；
图5示出了依照本发明的MRI设备的梯度系统的第二实施例；
图6示出了依照本发明的MRI设备的梯度系统的第三实施例；
图7示意性地示出了关于每个梯度线圈在各放大器上的相对电压要求以及所产生的磁场分量。
具体实施方式
图1示出了从现有技术了解到的柱形磁共振成像(MRI)设备1，它包括用于生成恒定磁场的主磁系统2以及若干个梯度线圈，这若干个梯度线圈构成了用于生成在X、Y、Z方向上具有梯度的附加磁场的梯度系统3。所示坐标系统的Z方向通常对应于主磁系统2中恒定磁场的方向。Z轴是与主磁系统2的孔径同轴的轴，其中X轴是从磁场中心延伸的垂直轴，Y轴是垂直于Z轴和X轴的相应的水平轴。
梯度系统3的梯度线圈由电源装置4提供电源。RF发射器线圈5用来产生RF磁场并且与RF发射器和调制器6相连。接收器线圈用来接收要检查的目标7(例如人或动物的躯体)中的RF磁场产生的磁共振信号。这个线圈可以与RF发射器线圈5是相同线圈。此外，主磁系统2围绕一个检查空间，该空间足以容纳要检查的躯体7的一部分。RF线圈5被设置在这个检查空间中要检查的躯体部分的周围或其上。RF发射器线圈5通过发射/接收电路9与信号放大器和解调单元10相连。
控制单元11控制RF发射器和调制器6以及电源装置4以产生特殊的脉冲序列，其包含RF脉冲和梯度。从解调单元10获得的相位和振幅被施加到处理单元12。处理单元12处理被给予的信号值以通过转换形成图像。这个图像可以被显示，例如通过监视器8。
本发明提供一种梯度系统和包含这种梯度系统的MRI系统，该MRI系统使用梯度系统能使活体目标(如人或动物躯体)内的PNS最小或根本没有，梯度系统的一个或多个梯度线圈至少在恒定磁场方向上被分成子线圈，以便在测量空间的至少一个区域内降低垂直于恒定磁场的梯度场分量。特别是对垂直分量通常较大的柱形布局来说，降低了垂直于主磁系统的恒定磁场的梯度场分量以便阻止PNS。由此，降低了病人附近的梯度场的非成像分量的振幅，导致PNS降低。在图1所示坐标中，特别是梯度场的y-分量将被降低以避免图像中的瑕疵。为病人舒适起见，也可以降低x-分量。梯度系统在Z方向被分拆开。
图2示出了使用两个放大器A、B的所谓分拆模式梯度线圈驱动器的现有技术配置。为横向铺开的梯度线圈的四个象限示出了典型的布线布置。假定病人沿Z方向躺着，那么放大器A驱动梯度线圈的左部或上部，放大器B驱动器梯度线圈的下部或右部。在MRI设备中使用现有技术的分离放大器驱动导致了独立的子线圈。但是，这个特定的子线圈布置没有被适当地配置以降低磁梯度场的非成像分量。它的优点在于对磁场绝对值的控制以及梯度系统的涡电流性能。
图3为在Z方向被分成子线圈S1、S2(一个由放大器A驱动，另一个由放大器B驱动，但在电路上串联起来)的横向铺开的梯度线圈的四个象限Q1、Q2、Q3、Q4示出了布线布置。尽管示意性示出了四个柱形梯度线圈的四个象限Q1、Q2、Q3、Q4，但应该理解优选地每个子线圈象限还具有相关的遮蔽或屏蔽线圈设置在其上，并且在机械上受限于有更大半径的圆柱。图4中示出了这一点。四个内部线圈I1、I2、I3、I4被排列在圆柱上。另外，在更大半径的圆柱上有四个外部线圈O1、O2、O3、O4。取决于绕组方向，通过可以被串联的内部线圈I1、I2、I3、I4的电流可以反向流过外部线圈O1、O2、O3、O4。所有八个线圈形成了受屏蔽的梯度线圈的一个轴。当说到受屏蔽的子线圈时，指的是作为单个实体相连以形成电力上独立并且受屏幕的子线圈的内部和外部线圈对。
图5示出了并联的两个子线圈S1、S2各自的布线布置。通过用电力连接子线圈S1、S2，它们可以在某种程度上交互以降低与主磁系统的恒定磁场垂直的梯度场分量。串联配置导致作为电压函数的更高的最大电流，因而导致磁梯度场更大的振幅。并联配置导致作为电流函数的更高电压，因而导致磁梯度场更短的上升时间。为了能够单独选择成像模式，即高分辨率或低曝光时间，子线圈被配置为允许在不同配置之间切换。通过使用更高数量的子线圈，可以选择混合了并联和串联的配置以在不同成像区域内实现不同成像模式。
在图3和图5所示例子中选择两个子线圈S1、S2的数量是为了针对最简单的例子阐述本发明。本领域的技术人员将会理解，可以用分成不止两个子线圈也不止两个梯度放大器的梯度系统实现本发明。
作为进一步的例子，图6示出了不仅在Z方向上还在X或Y方向上被分成四个子线圈(分别由放大器A1、B1、A2、B2驱动以降低垂直于主磁系统的恒定磁场的梯度场分量)以阻止PNS的梯度系统的布线布置。每个象限Q1、Q2、Q3、Q4对应于一个子线圈。这个实施例组合了利用已知的(参见图2)分离梯度驱动器的优点抑止PNS的优势，即对磁场绝对值的控制以及对涡电流的抑制。
通过使用被针对磁场独立屏蔽的子线圈能够改善所有实施例。独立屏蔽的子线圈，也被称为自屏蔽子线圈，具有自包含的通量返回。自屏蔽子线圈显示了外部线圈电流和内部线圈电流之间的规定比例，为了进行有效的屏蔽该比例必须随时间是恒定的。被独立屏蔽的子线圈的有利特性是这种结构可以被设计为在运行期间关于净力和扭矩(如由洛仑兹力产生的)的特定分量平衡。这对于将过大的噪声和机械振动降到最小非常重要。
与图2中所示布线布置和分拆方向相比，通过更改图3、5、6中所示的布线布置尤其是分拆方向，能够独立控制梯度系统的子线圈中的电流。针对PNS，这种新型配置的优点是独立控制驱动到一个子线圈的相对电流，尤其是独立控制相对于梯度系统的后半部的通过前半部驱动的相对电流。因而，能够降低By(或Bx)分量，同时仍然在完成成像的iso-中心提供所需的成像梯度场，而不需要额外的伴生线圈。
如前所述，在依照本发明的优选实施例中，通过除生成磁梯度场所需随时间变化的电流外还采用电流偏移运行的一个或多个子线圈增强了这种效果。或者，代替电流偏移或在电流偏移之外，可以用不同的电流比驱动各个子线圈。还可以将固定的电流振幅加上额外的电流偏移实现为单一的电压要求，其中可以在电压要求水平和梯度放大器(因此还有电流和输出)之间进行不同的转换。
图7示意性地示出了当提供了额外的电压要求偏移时每个梯度线圈在各放大器上的相对电压要求和产生的磁场分量。假若这样，两个子线圈上恒定的偏移产生By场分量(实线)。虚线表示当梯度电压要求被反转以降低负梯度脉冲时的等价例子。在一个子线圈上的电压要求偏移相对于另一子线圈有相反的极性。还可以在不同子线圈上有不同的电压要求偏移或只在一个或一些子线圈上有电压要求偏移。
尽管电压要求偏移被示为常数，其只需在成像梯度脉冲期间施加。实际上，可以将它与成像梯度脉冲组合在一起，因为在梯度脉冲改变极性时它也必须改变极性以使相对于要检查的目标场不对称性不发生变化，如图7中虚线表示的By(z)图所示。
附加的By或Bx场分量导致第一子线圈以及MRI设备的测量空间中的磁场的振幅降低，因而还导致要检查的目标中的磁场的振幅降低。第二个子线圈的磁场中感应出的更高振幅是无害的，因为该振幅的峰值是在测量空间外达到的，因而不会引起PNS。
在优选实施例中，可以在曝光前由图1的计算单元12为所要求的图像质量计算实际的电压要求偏移和/或最佳子线圈配置，同时使要检查的目标中预期的外围神经刺激最小。在图3、5、6所示的非限制性示例中，子线圈的配置可以是串联配置、并联配置或者每个子线圈由各自的放大器驱动的配置。电流偏移可以如图7所示被实现为驱动放大器的电压要求偏移。设置配置和/或偏移的另一可能性是在全体病人上进行校正测量然后使用平均最佳偏移和/或配置。操作MRI设备的这个特定方法可以被实现为能够存储在数据载体上的计算机程序产品。
利用现有技术的知识，必须提供额外的伴生线圈以产生额外的By或Bx场分量。额外的伴生场线圈会导致复杂得多的MRI设备，因为在MRI系统的整体设计中必须用装置屏蔽该线圈、必须关于净力和扭矩平衡它并且必须驱动和集成它。本发明的发明人的优势是已经开发出了基于标准部件(如子线圈和分离驱动器)的梯度系统，该梯度系统提供与采用额外的伴生场线圈的梯度系统相同的磁梯度场而没有它的负效应。
尽管主要在基于超导磁体的圆柱形MRI系统环境中进行了说明，但本领域的技术人员应该明了相同的原理可以扩展到超导的开放MRI或非超导的开放或圆柱形MRI系统。

Claims (10)

1.一种磁共振成像设备，至少包括：
-主磁系统(2)，用于在该磁共振成像设备的测量空间中生成恒定磁场；
-具有至少一个梯度线圈的梯度系统(3)，用于在所述测量空间中生成磁梯度场；
其中该磁梯度场有至少一个分量垂直于该恒定磁场，特征是该梯度线圈被至少在该恒定磁场的方向上分成子线圈(S1、S2)，以便在该测量空间的至少一个区域内降低垂直于恒定磁场的磁梯度分量。
2.根据权利要求1的磁共振成像设备，其特征是各个子线圈由单独的放大器(A1、B1、A2、B2)驱动。
3.根据权利要求1的磁共振成像设备，其特征是子线圈(S1、S2)由一个或多个放大器(A、B)驱动并且被并联连接。
4.根据权利要求1的磁共振成像设备，其特征是子线圈(S1、S2)由一个或多个放大器(A、B)驱动并且被串联连接。
5.根据权利要求2、3或4的磁共振成像设备，其特征是所述至少一个子线圈除了采用生成磁梯度场所需随时间变化的电流外还采用电流偏移来运行。
6.根据权利要求2、3或4的磁共振成像设备，其特征是所述梯度线圈被分成两个子线圈(S1、S2)，其中这两个子线圈除了采用生成磁梯度场所需随时间变化的电流外都还采用电流偏移来运行，并且其中一个子线圈采用另一子线圈的相反电流偏移运行。
7.根据权利要求3或4的磁共振成像设备，其特征是子线圈(S1、S2)被配置以允许在并联和串联结构之间切换。
8.根据权利要求5或7的磁共振成像设备，其特征是该设备包括一个处理单元以在进行成像之前为所要求的图像质量计算最佳子线圈配置和/或最佳电流偏移，并且同时将要检查的目标中预期的外围神经刺激降至最低。
9.根据权利要求1的磁共振成像设备，其特征是子线圈(S1、S2)被独立屏蔽。
10.一种用于操作权利要求1中所主张的磁共振成像设备的方法，包括下列步骤：
在曝光之前，为所要求的图像质量计算最佳子线圈配置和/或最佳电流偏移，并且同时将要检查的目标中预期的外围神经刺激降至最低；
通过使用计算出的最佳子线圈配置和/或最佳电流偏移生成垂直于恒定磁场的磁场分量被降低的磁梯度场。
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