磁共振成像系統的陣列梯度線圈的制作方法

本發明涉及一種磁共振成像系統的梯度線圈。
背景技術：
：磁共振成像系統工作時，將人體置于一個強的靜磁場中，通過向人體發射射頻脈沖使人體部分區域的原子核受到激發。射頻場撤除后，這些被激發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。磁共振成像系統工作時，通常如圖1所示，將人體放入磁體101中，梯度線圈(包含勻場線圈)102產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，激發人體成像區域的原子核，譜儀系統106運行脈沖序列，控制各子系統的工作，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動電流，控制勻場線圈所產生磁場的幅度。現代磁共振成像要求梯度系統的性能非常高，目前梯度系統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，然而現有的梯度磁場產生方法對于提高梯度磁場強度和切換率存在很大的問題，目前的梯度系統中，梯度線圈多采用線圈對產生三個方向的梯度磁場，線圈的結構均為多繞組線圈，如圖2所示的一種現有梯度線圈的結構圖案，就是采用“指紋”圖案的多繞組線圈；為容納人體的進入，這種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，或者是增加梯度線圈的電流。增大匝數會增加線圈的感抗，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。現有的梯度磁場產生方法，其線圈一旦制造完成，所產生的磁場分布既已確定，無法改變，限制了系統的性能。比如為進行全身成像，梯度線圈所產生的磁場一般都是對稱的，其中，成像區的梯度磁場較弱，而梯度線圈在成像區兩側所產生的磁場反而較強，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的梯度磁場的變化率(db/dt)變得很小，從而允許成像區采用較大的梯度強度和切換率，然而在現有技術下，這兩種梯度磁場無法用同一個梯度線圈產生。中國發明專利cn201510746871.2公開了一種梯度磁場產生的方法和裝置，采用線圈陣列構成梯度線圈，可實現梯度磁場的重構，但是該專利所述的縱向梯度線圈，是由多個平行放置的圓形線圈構成，該方法雖然可形成梯度磁場，但是線圈之間的耦合過于強烈，解耦上存在困難。在構成橫向梯度磁場方面，采用排列成單列多行的結構，由于每個陣列梯度線圈的面積較大，電感不容易減小，又因為該結構只能采用多層排列，在實現的工藝上具有較大的局限性。圖2所示這種梯度線圈采用“指紋”式分布的圖案結構，各繞組之間串聯，用一個梯度功率放大器驅動，可在成像空間產生所需要的梯度磁場。這種梯度線圈的磁場分布形態不可改變，并且由于電感很大，需要高壓大電流的梯度功率放大器才能達到較高的梯度切換率。技術實現要素：本發明的目的在于解決現有磁共振成像系統中梯度磁場產生的上述問題，提出一種磁共振成像系統的陣列梯度線圈，本發明能夠使梯度磁場系統的性能和梯度線圈的結構變得靈活，提高磁共振成像系統的水平。本發明磁共振成像系統的陣列梯度線圈，由多個線圈構成，多個線圈并列分布在梯度線圈的電流面上，構成線圈陣列。線圈陣列可以是單層布置，也可以是多層布置或者是部分線圈重疊。本發明陣列梯度線圈既可以產生縱向梯度磁場，也可以產生橫向梯度磁場。由于線圈之間是并列分布在梯度線圈的電流面上，線圈之間的耦合較弱，并且，若將相鄰線圈之間有部分重疊，可消除線圈之間的耦合。本發明陣列梯度線圈由梯度功率放大器驅動，梯度功率放大器的輸出端連接陣列梯度線圈，梯度功率放大器的輸入端和一個梯度磁場控制器連接。所述的梯度功率放大器由多個功率單元組成，多個功率單元之間在電氣上相互獨立，每個功率單元和一個線圈連接，梯度磁場控制器產生功率單元的控制信號，梯度磁場控制器的每一路輸出連接到每一個功率單元的輸入端，梯度磁場控制器輸出的每一路控制信號對應一組線圈的電流參數，控制每個功率單元的電流輸出，實現對每個線圈的電流調節。由于每個線圈通過獨立的功率單元驅動，因此每個線圈的電流大小和方向可獨立調節，線圈電流大小和方向通過改變梯度磁場控制器的信號實現。本發明通過目標場等數學方法，可以針對每個梯度磁場的空間分布，計算得到陣列梯度線圈中每個線圈的電流大小和方向，每個線圈的一組電流大小和方向參數對應梯度磁場的一個空間分布。因此，本發明可以根據成像的要求，通過調節陣列梯度線圈中各個線圈的電流大小和方向，改變梯度線圈所產生的磁場空間分布，產生滿足特定成像所需要的梯度磁場。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。梯度磁場是由導線通過電流產生的，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生磁場合成的，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，形成不同的數據組。將這些不同的數據組存儲在數據存儲器中，磁共振成像系統掃描時，根據所需要掃描的部位和序列對應的梯度磁場的空間分布，調出對應的數據，用這些數據來控制梯度線圈陣列中各線圈的電流大小和方向，便可獲得所需的梯度磁場。由于梯度磁場需要在成像區域內有特定的分布，比如說要求其分布在某一個方向上有較好的線性。一般對于超導磁共振成像系統，要求在50cm球形區域內非線性不超過5％。同時，在成像區域內對梯度磁場有一定的強度要求，比如30mt/m。梯度系統工作在脈沖狀態，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，則該線圈所產生的梯度磁場的空間分布則固定不變，僅僅是梯度磁場的強度隨電流的大小改變，切換率隨驅動電壓和爬升時間的變化改變。本發明陣列線圈中的每個線圈都由梯度功率放大器的各個功率單元獨立驅動，因此，分別獨立調整梯度功率放大器的每個功率單元的電流大小和方向，可以使陣列線圈的每個線圈所產生的磁場獨立變化，陣列梯度線圈中所有線圈所產生的磁場在成像區域及其附近的合成磁場的空間分布就會發生變化，從而改變梯度磁場的空間分布。現有的陣列梯度線圈在形成梯度磁場時，根據梯度磁場的空間分布，可以計算出線圈繞組的位置和形狀，然后根據這些參數繞制所需要的線圈，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。本發明陣列梯度線圈中每個線圈的位置是固定不變的，在設定所需要的梯度磁場空間分布后，可以根據每個線圈所處的位置，計算出每個線圈的電流大小和方向，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組合。將多組線圈的電流大小和方向參數存儲于數據存儲器中，磁共振成像系統工作時，可以根據需要調出相應的參數，用以控制各線圈的電流大小和方向，形成所需梯度磁場。在磁共振成像的每次掃描過程中，梯度磁場的形態相對固定，但是梯度磁場的大小則可調節。為實現梯度磁場大小的調節，所存儲的每組參數的每個陣列梯度線圈的電流大小，可以是不同線圈之間的電流大小的比例關系參數。磁共振成像系統掃描時，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。本發明的優點是，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，由于一般對梯度磁場的強度要求不高，可以將梯度的線性區擴大，梯度磁場強度降低，獲得大范圍的線性區。而對于頭部成像，則可以縮小梯度磁場的線性區，增強小范圍成像區的梯度磁場強度。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。顯然，本發明陣列梯度線圈中，線圈的數量越多，則調節梯度磁場分布則越精密。每個線圈可以是單匝線圈，也可以是多匝線圈。由于線圈的面積小，即使是多匝線圈，其電感也很容易控制在數十微亨以內，其感抗很小。一般地，離成像區遠端的梯度電流面上的電流密度較大，因此，在線圈的分布上，成像區遠端的線圈數量可以多于成像區近端的線圈，比成像區近端的線圈排列更緊密，可有效提高遠端的電流密度。另一種情況下，為了對成像區的磁場做更精細的調節，可增大成像區近端的線圈的排列密度，因此，本發明在陣列梯度線圈排列的密度上，可以根據不同需要而改變。陣列梯度線圈中每個線圈的形狀可以多樣，比如線圈的形狀可以是圓形線圈，其優點是受力均勻，但是這種線圈的面積填充系數不夠高；線圈的形狀也可以是矩形，該形狀線圈面積填充系數很高，但是受力較為不均勻；線圈的形狀也可以是六邊形，這種線圈的面積填充系數很高，受力也較矩形線圈好很多。因此，本發明可以采用這三種不同形狀的線圈構成陣列梯度線圈。顯然，在這些陣列梯度線圈中，部分線圈之間存在耦合關系，但是考慮線圈的面積，相對位置等因素，每個線圈的總電感依然遠小于現有方法的單個線圈的總電感，同時，將相鄰線圈進行部分的交疊，可以大大降低線圈之間的耦合，因此，驅動每個小線圈所需要的電壓很低，比較容易提高梯度磁場的切換率。本發明陣列梯度線圈中，每個線圈的匝數可靈活設置，既可以是單匝線圈，也可以是多匝線圈。對于多匝線圈的情況，所需要的驅動電流可以顯著降低，因此，驅動線圈陣列的總功率不會增大很多。由于陣列梯度線圈中每個線圈所需要的驅動電壓和電流大大減小，比如50v/50a，梯度功率放大器中的每個驅動單元的功耗大大減小，更容易實現高的切換率。梯度功率放大器由直流供電電源和多個功率單元組成，其中，每個功率單元共用一個直流供電電源，也可以是一組功率單元共用一個直流電源。各功率單元的輸入輸出之間相互獨立，每個單元具有獨立的驅動信號控制，可獨立調節電流參數和波形。附圖說明圖1現有技術的磁共振成像系統的結構示意圖，圖中：101磁體，102射頻線圈，103梯度放大器，104譜儀系統；圖2現有技術的磁共振成像系統中橫向梯度線圈結構圖；圖3為本發明平板梯度陣列梯度線圈的實施例1；圖4為本發明圓柱型梯度陣列梯度線圈的實施例2；圖5為本發明圓形陣列梯度線圈的實施例3；圖6為本發明六邊形陣列梯度線圈的實施例4；圖7為本發明具有部分交疊的六邊形陣列梯度線圈的實施例5；圖8為本發明具有兩層陣列梯度線圈結構的實施例6。具體實施方式以下結合附圖和具體實施方式進一步說明本發明。本發明磁共振成像系統的陣列梯度線圈由多個線圈構成，多個線圈分布在梯度電流面上，線圈之間可以是并列布置，也可是相鄰線圈之間部分重疊布置，或者為多層布置。陣列梯度線圈由梯度功率放大器驅動。梯度功率放大器的輸出端連接陣列梯度線圈，梯度功率放大器的輸入端和一個梯度磁場控制器連接。所述的梯度功率放大器由多個功率單元組成，多個功率單元之間在電氣上相互獨立，每個功率單元和一個線圈連接，梯度磁場控制器產生功率單元的控制信號，梯度磁場控制器的每一路輸出連接到每一個功率單元的輸入端，梯度磁場控制器輸出的每一路控制信號對應一組線圈的電流參數，控制每個功率單元的電流輸出，實現對每個線圈的電流調節。每個線圈的電流大小和方向可獨立調節。每個線圈的一組電流大小和方向參數對應梯度磁場的一個空間分布。因此通過調節陣列梯度線圈中各個線圈的電流大小和方向，改變梯度線圈所產生的磁場空間分布，可以產生滿足特定成像所需要的梯度磁場。梯度功率放大器的多個功率單元共用一個直流供電電源或多個個直流供電電源。應用本發明的磁場產生裝置的結構如下：梯度線圈陣列產生的梯度磁場由陣列梯度線圈中所有線圈產生的磁場合成形成。陣列梯度線圈和梯度功率放大器的輸出端連接，梯度功率放大器的輸入端連接梯度磁場控制器。陣列梯度線圈的每個線圈與梯度功率放大器的每個功率單元的輸出端相連，。梯度磁場控制器控制梯度功率放大器的小功率單元的電流，由此控制陣列梯度線圈的電流大小和方向，電流大小和方向。數據存儲器、與梯度磁場控制器連接，存儲有不同梯度磁場空間分布所對應的陣列梯度線圈的電流參數。在設定所需要的梯度磁場空間分布后，可以根據每個線圈所處的位置，計算出每個線圈的電流大小和方向，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組合。將多組線圈的電流大小和方向參數存儲于數據存儲器中，磁共振成像系統工作時，可以根據需要調出相應的參數，用以控制各線圈的電流大小和方向，形成所需梯度磁場，并且，可以在不改變梯度線圈結構的前提下，改變梯度線圈所產生磁場的空間分布。圖3所示為本發明陣列梯度線圈的實施例1。如圖3所示，所述陣列梯度線圈由多個矩形線圈構成平板式梯度線圈，用于垂直磁場的磁共振成像儀。陣列梯度線圈共由144個獨立的線圈組成，每個線圈40匝，直徑50mm。產生橫向磁場時，每個線圈施加表1所示電流，可在30cm球形區域內產生線性度在-1到+1.2％，梯度強度為21mt/m的平板式梯度磁場。對于圖3的實施例，按照表2所示的電流施加在線圈上，則可在30cm球形區域內產生縱向梯度磁場，線性度在-1.6到+2.8％，梯度強度為18mt/m。因此，在不改變線圈結構是，可通過改變各線圈的電流大小和方向，改變梯度磁場的形態和分布。圖4所示為本發明陣列梯度線圈的實施例2。如圖4所示，所述陣列梯度線圈由多個矩形線圈構成圓柱形梯度線圈，用于水平磁場的磁共振成像儀。圓柱形梯度線圈共由100個獨立的矩形線圈組成，每個矩形線圈40匝，產生縱向梯度磁場時，每個矩形線圈施加表3所示電流，可在40cm球形區域內產生線性度在-3.5到+3.2％，梯度強度為30mt/m的梯度磁場。表1平板梯度電流表序號電流(a)方向序號電流(a)方向110+84-28+95.5-36.2+106.2-45.5+118-54+1210-62+136+72-146-表2平板梯度電流表序號電流(a)方向序號電流(a)方向110+87.6+28+97+37+107+47+118+57.6+1210+68+130+78+140+表3圓柱形梯度電流表序號電流(a)方向序號電流(a)方向110+68.5-28+74.5-38+88-44.5+98-58.5+1010-圖5所示為本發明梯度線圈陣列的實施例3。如圖5所示，所述梯度線圈陣列由多個圓形線圈構成，線圈緊密排列，相互絕緣，線圈具有較均勻的受力。圖6所示為本發明梯度線圈陣列的實施例4。如圖6所示，所述梯度線圈陣列由多個六邊形線圈構成，線圈緊密排列。圖7所示為本發明梯度線圈陣列的實施例5。如圖7所示，所述梯度線圈陣列由多個六邊形線圈構成，線圈之間相互有部分重疊，該結構可降低線圈之間的耦合。圖8所示為本發明梯度線圈陣列的實施例6，采用多層結構，每層有多個小線圈構成線圈陣列，每層之間的線圈排列相互交疊，消除耦合。以上實施例均為非主動屏蔽的線圈結構，對于主動屏蔽的線圈，僅僅是在主線圈的外部加上屏蔽線圈，采用本發明的裝置可以構成帶有主動屏蔽的陣列梯度線圈。上述實施例的特征均是通過不同陣列梯度線圈的形狀構成陣列梯度線圈，其中每個線圈的電流大小和方向可獨立控制。在此前提下，可采用不同的計算方法計算各個線圈的電流大小和方向，實現所需要的梯度磁場。當前第1頁12