一種磁共振成像系統(tǒng)的梯度磁場產(chǎn)生方法及其裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁共振成像（MRI)系統(tǒng)，特別涉及一種磁共振成像系統(tǒng)的梯度磁 場產(chǎn)生方法和裝置。
【背景技術】
[0002] 磁共振成像系統(tǒng)工作時，將人體置于一個強的靜磁場中，通過向人體發(fā)射射頻脈 沖使人體部分區(qū)域的原子核受到激發(fā)。射頻場撤除后，這些被激發(fā)的原子核輻射出射頻信 號由天線接收。當在這一過程中加入梯度磁場后，便可以通過射頻信號獲得人體的空間分 布信息，從而重建出人體的二維或三維圖像。
[0003] 磁共振成像系統(tǒng)工作時，通常如圖1所示，將人體放入磁體101中，梯度線圈（包 含勾場線圈）102產(chǎn)生一個線性度良好的梯度磁場，該梯度磁場疊加在主磁場上，對信號進 行空間編碼。同時，該梯度線圈還對主磁場的不均勻性進行校正。射頻線圈103對人體照 射，激發(fā)人體成像區(qū)域的原子核，譜儀系統(tǒng)106運行脈沖序列，控制各子系統(tǒng)的工作，并采 集磁共振信號進行圖像重建。其中，勻場電源105用于向勻場線圈提供驅(qū)動電流，控制勻場 線圈所產(chǎn)生磁場的幅度。
[0004] 現(xiàn)代磁共振成像要求梯度系統(tǒng)的性能非常高，目前梯度系統(tǒng)中梯度磁場的強度可 以達到40-60mT/m，梯度磁場的切換率達到150-200T/m/s。由于對成像回波時間的要求， 擴散成像的要求，以及多核成像的要求等，對未來梯度磁場強度和切換率要求越來越大，然 而現(xiàn)有的梯度磁場產(chǎn)生方法對于提高梯度磁場強度和切換率存在很大的問題，目前的梯度 系統(tǒng)中，梯度線圈多采用線圈對產(chǎn)生三個方向的梯度磁場，線圈的結構均為多繞組線圈，為 容納人體的進入，線圈均具有較大的尺寸，儲能很高。若為了增大梯度磁場，有效的方法是 增加梯度線圈的匝數(shù)，或者是增加梯度線圈的電流。增大匝數(shù)會增加線圈的感抗，從而與 提高切換率矛盾。為克服感抗的影響，一般都采用提高梯度功率放大器輸出電壓的手段來 增大梯度磁場的切換率，目前，梯度功率放大器的輸出電壓和電流達到了 3000V/900A的水 平，增大線圈的電流會帶來嚴重的發(fā)熱問題，提高梯度功率放大器的輸出電壓使得線圈的 絕緣問題的解決更加困難，因為絕緣和散熱是相互矛盾的工藝問題。更嚴重的問題是，在現(xiàn) 有技術下，若增大梯度磁場的強度和切換率，可能會使局部梯度磁場的變化率（dB/dt)超 出標準，引起對人的刺激等不良反應。為此，人們采用了其他一些辦法，比如增加一個小的 梯度線圈，插入到標準梯度線圈中，可以有效解決這個問題，不過小的梯度線圈的使用受到 一定的限制，比如只能進行局部的成像，使用也不方便。
[0005] 現(xiàn)有的梯度磁場產(chǎn)生方法，其線圈一旦制造完成，所產(chǎn)生的磁場分布既已確定，無 法改變，限制了系統(tǒng)的性能。比如為進行全身成像，梯度線圈所產(chǎn)生的磁場一般都是對稱 的，其中，成像區(qū)的梯度磁場較弱，而梯度線圈在成像區(qū)兩側所產(chǎn)生的磁場反而較強，這種 磁場分布有可能使得人體心臟所在的區(qū)域的磁場變化率（dB/dt)超出標準，局部的非對稱 線圈，可以使人體所處的非成像區(qū)的梯度磁場的變化率（dB/dt)變得很小，從而允許成像 區(qū)采用較大的梯度強度和切換率，然而在現(xiàn)有技術下，這兩種梯度磁場無法用同一個梯度 線圈產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有磁共振成像系統(tǒng)中梯度磁場產(chǎn)生的上述問題，提出一 種磁共振成像系統(tǒng)中可重構的柔性梯度磁場產(chǎn)生方法和裝置，使梯度磁場系統(tǒng)的性能變得 靈活，提高磁共振成像系統(tǒng)的水平。本發(fā)明采用改變梯度線圈陣列中各線圈的電流大小和 方向的方法，重新構成特定成像部位和序列所需要的梯度磁場空間分布，實現(xiàn)"柔性"梯度 磁場的產(chǎn)生。
[0007] 本發(fā)明利用分布在梯度線圈電流面上的線圈陣列，根據(jù)成像的要求，通過調(diào)節(jié)各 線圈的電流大小和方向，改變梯度線圈所產(chǎn)生的磁場空間分布，產(chǎn)生滿足特定成像所需要 的梯度磁場，所述的梯度磁場由線圈陣列中每個線圈產(chǎn)生磁場合成形成。在不改變梯度線 圈繞組分布的前提下，改變梯度磁場的空間分布。
[0008] 梯度磁場是由導線通過電流來產(chǎn)生的，一般地，把導線所分布的平面或曲面稱為 梯度線圈電流面。本發(fā)明中，梯度線圈電流面上分布有梯度線圈陣列，梯度磁場是由梯度線 圈陣列中各個線圈所產(chǎn)生磁場的合成磁場形成，梯度線圈陣列各線圈中的電流大小和方向 可以不相同，因此，改變每個線圈的電流大小和方向，則會改變所合成的梯度磁場的空間分 布。通過計算，可以獲得不同的梯度磁場空間分布所對應的各線圈的電流大小和方向，形成 不同組的數(shù)據(jù)，可將這些不同組的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)存儲器中。磁共振成像系統(tǒng)掃描時，根據(jù) 所需要掃描的部位和序列對應的梯度磁場的空間分布，調(diào)出所對應的數(shù)據(jù)，用這些數(shù)據(jù)來 控制梯度線圈陣列中各線圈的電流大小和方向，獲得所需的梯度磁場。
[0009] 梯度磁場都是通過線圈中的電流產(chǎn)生的，由于梯度磁場需要在成像區(qū)域內(nèi)有特定 的分布，比如說要求其分布在一個方向上有較好的線性，一般對于超導磁共振成像系統(tǒng)，要 求在50cm球形區(qū)域內(nèi)非線性不超過5%。同時，在成像區(qū)域內(nèi)要求梯度磁場有一定的強度， 比如30mT/m。梯度系統(tǒng)工作在脈沖狀態(tài)，因此需要梯度磁場有一定的切換率，比如150T/m/ s。其中，梯度磁場的空間分布是由線圈的分布決定的，若線圈的分布固定，每個線圈通過的 電流也相同，則該線圈所產(chǎn)生的梯度磁場的空間分布則固定不變，僅僅是其強度隨電流的 大小改變，切換率隨驅(qū)動電壓和爬升時間的變化改變。
[0010] 本發(fā)明采用線圈陣列構成梯度線圈。梯度線圈陣列中每個線圈都由梯度功率放大 器的各個小功率單元獨立驅(qū)動，因此，對每個梯度功率放大器的小功率單元電流大小和方 向進行獨立的調(diào)整，則梯度線圈陣列中每個線圈所產(chǎn)生的磁場獨立變化，梯度線圈陣列中 所有線圈所產(chǎn)生的磁場在成像區(qū)域及其附近的合成磁場的空間分布就會發(fā)生變化，從而改 變了梯度磁場的空間分布。采用這種方法，并不需要改變梯度線圈的結構，因此，用同一個 梯度線圈可以產(chǎn)生不同的梯度磁場空間分布，實現(xiàn)梯度磁場的重構，這種方法具有"柔性" 梯度磁場的特征。
[0011] 現(xiàn)有方法在形成梯度磁場時，根據(jù)梯度磁場的空間分布，可以計算出線圈繞組的 位置和形狀，然后根據(jù)這些參數(shù)繞制所需要的線圈，線圈均由多匝繞組構成，因此每個繞組 在工作時所通過的電流大小是相同的，在工作時通過電流，即可產(chǎn)生所需的梯度磁場空間 分布，在改變梯度功率放大器的電流時，同一組線圈的各繞組電流的變化也相同，無法改變 梯度磁場的空間分布，僅僅可以改變梯度磁場的大小和切換率。本發(fā)明由于采用調(diào)節(jié)梯度 線圈陣列中每個線圈電流的方法，線圈陣列中每個線圈的位置是固定不變的，但是梯度線 圈陣列中每個線圈的電流大小和方向可以獨立變化。在設定所需要的梯度磁場空間分布 后，可以根據(jù)每個線圈所處的位置，計算出每個線圈的電流大小和方向，將這一組參數(shù)存儲 起來，對于不同的梯度磁場空間分布，可以計算出不同的電流參數(shù)組合，因此可以得到多組 參數(shù)。磁共振成像系統(tǒng)工作時，可以根據(jù)需要，調(diào)出相應的參數(shù)，控制各線圈的電流大小和 方向，從而可以形成所需梯度磁場。
[0012] 在磁共振成像的每次掃描過程中，梯度磁場的形態(tài)相對固定，但是梯度磁場的大 小則可調(diào)節(jié)，為實現(xiàn)梯度磁場大小的調(diào)節(jié)，每組參數(shù)所存儲的每個陣列線圈的電流大小，可 以是不同線圈之間的電流大小的比例關系參數(shù)。磁共振成像系統(tǒng)掃描時，則按照各個線圈 電流的比例改變每個線圈的電流大小，從而保持其合成的梯度磁場的空間分布所所需要的 形態(tài)。
[0013] 本發(fā)明的好處是，由于可以改變梯度磁場的空間分布，因此可以帶來更好和更靈 活的應用。比如在進行體部掃描時，可以將梯度的線性區(qū)擴大，梯度磁場強度降低，獲得大 范圍的線性區(qū)，而體部的掃描一般要求梯度磁場強度不高。對于頭部成像，則可以縮小梯度 磁場的線性區(qū)，增強小范圍成像區(qū)的梯度磁場強度。為減小梯度磁場變化率的影響，還可以 將梯度線圈產(chǎn)生的磁場構成為非對稱磁場，并形成力矩平衡電流分布，使得人體所處的區(qū) 域的梯度磁場強度變得很小，從而允許采用大的梯度磁場切換率成像。
[0014] 采用本發(fā)明方法的梯度磁場產(chǎn)生裝置的結構如下：
[0015] 本發(fā)明梯度磁場產(chǎn)生裝置包括：用于產(chǎn)生梯度磁場的梯度線圈陣列，驅(qū)動梯度線 圈的梯度功率放大器，控制各線圈電流大小和方向的梯度磁場控制器，以及存儲各線圈電 流大小和方向數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器。所述的梯度功率放大器中的各個小功率單元分別與梯度 線圈陣列、中的各個線圈陣列相連；所述的梯度磁場控制器與梯度功率放大器相連，梯度磁 場控制器輸出控制信號，控制梯度功率放大器中的各個小功率單元的電流大小和方向；所 述的數(shù)據(jù)存儲器存儲不同梯度磁場空間分布所對應的梯度線圈陣列中各線圈的電流大小 和方向，根據(jù)所述各線圈的電流大小和方向形成梯度磁場控制器的控制信號。
[0016] 本發(fā)明的梯度磁場產(chǎn)生裝置中，要求梯度磁場的空間分布可以調(diào)節(jié)。這要求梯度 線圈的構成采用線圈陣列的方式，所述的梯度線圈陣列由多個線圈組成，分布于梯度線圈 的電流面上，每個線圈所通過的電流大小和方向不同，每個線圈所產(chǎn)生磁場合成為梯度磁 場。
[0017] 每個線圈由獨立的梯度功率放大器中的小功率單元驅(qū)動，其電流大小和方向可以 獨立調(diào)節(jié)。對于重構不同磁場空間分布的梯度磁場形態(tài)，每個梯度磁場的空間分布都對應 一組線圈陣列的電流大小和方向，因此每個梯度磁場的空間分布都對應一組電流大小和方 向參數(shù)，這些參數(shù)需要保存在數(shù)據(jù)存儲器中。
[0018] 在線圈的結構上，顯然，線圈陣列中，線圈的數(shù)量越多，則調(diào)節(jié)梯度磁場分布則越 精密，一般地，對于縱向梯度磁場，其線圈是由多個同心圓線圈構成，在本發(fā)明中，不再需要 對線圈的位置做精確計算，而是采用等間隔排列的多個平行放置的圓形線圈構成縱向梯度 線圈，所有的圓形線圈的圓心同心或在同一軸線上，線圈平面相互平行，線圈間隔相等。通 過調(diào)節(jié)每個線圈的電流方向和大小來形成所需要的磁場。對于橫向梯度磁場，線圈陣列由 多個矩形線圈排列在平面或者曲面上構成，矩形線圈等間隔排列成單列多行，線圈陣列排 列為多層時，每層矩形線圈在長度方向上的尺寸逐層改變，在同一層中的各線圈的尺寸相 同；線圈陣列所分布的區(qū)域為矩形或圓形或橢圓形，線圈間距相等。對于更精密的橫向梯度 磁場的形成，需要多層的矩形線圈陣列構成，層間線圈的面積不同，其長度方向