超导磁共振成像设备的匀场方法与流程

本发明涉及一种超导磁共振成像设备的匀场方法。

背景技术：

在磁共振成像系统中，主磁场的均匀性是磁共振图像质量的关键因素。特定范围内的主磁场的不均匀性所导致的磁共振图像的几何变形与该不均匀性成比例。通常采用匀场措施对特定范围内的磁场均匀性进行改善。

超导磁体在致冷剂环境(例如，液氦)下工作，其中在磁体组装过程中由于从室温到致冷剂温度，超导磁体的超导线圈的几何结构会收缩改变，从而导致超导磁体最终的均匀性与设计值产生差异。为补偿这种均匀性的差异，必须在制造工艺期间对超导磁体进行调整。无源匀场就是在磁体的匀场孔内壁上添加专用的匀场片以使实际磁场变形，使其更接近所设计的磁场，达到所需的磁场均匀度，此种匀场技术无需电源，称为无源匀场。无源匀场时，首先升场从而获得磁体磁场的参数与不均匀性，此时再计算出每个磁体的匀场孔内所需加入的匀场片分布，以达到主磁场要求的磁场均匀度。匀场片均放入匀场体盘中，然后匀场体盘插入到相应的匀场孔中。在计算完毕后将匀场体盘内加入相应数量的匀场片，然后使磁体降场，由于此时没有或减少了磁力作用，匀场体盘可以很容易放入相应的匀场孔中。由于理论计算与实际复杂情况的差异，还需要再次或多次微调匀场片的分布才能使主磁场的均匀度达到能够用于磁共振成像的规定值。在升场后，再次获得磁体磁场的参数与不均匀性再计算和微量调节少数匀场体盘中的匀场片量。这个过程就需要将需调节的匀场体盘拔出然后插入，倘若不降低磁体磁场，则匀场体盘的拔出插入将非常困难，容易发生安全事故，几乎难以操作；而倘若磁体降场，这就需要反复升降超导磁体的磁场，因此要增加匀场的时间，消耗大量液氦和能量。

除此以外，经过上述匀场操作的磁共振成像设备在从生产地(设备制造商)运输到用户(例如医院等)之后，由于运输过程或者环境因素的改变，还需要重复上述的匀场操作，浪费大量的时间和人力，进而导致装机效率的降低，提高了成本。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出了一种能够利用简单的结构和方法来实现不需要反复升降场的超导磁共振成像设备的匀场方法。

本发明提供一种超导磁共振成像设备的匀场方法，该匀场方法用于对如下磁共振成像设备的磁体的磁场进行匀场，该磁共振成像设备包括：一第一匀场装置，其包括多个匀场条，并沿磁体的周向设置，且沿所述磁体的轴向延伸，一第二匀场装置，其包括多个匀场模块，并沿磁体的周向设置在磁体的两侧端面上，所述匀场方法包括：第一调整步骤，利用第一匀场装置来调整所述磁场的均匀性，并使所述磁场的均匀性达到能够用于磁共振成像的规定值；第二调整步骤，当经过所述第一调整步骤调整得到的所述磁场的均匀性偏离了所述规定值的情况下，利用第二匀场装置来进一步调整当前磁场的均匀性。

在上述匀场方法，优选所述第二调整步骤包括：测量当前磁场的场强分布；对于所述当前磁场计算各阶谐波分量；以使所述当前磁场的场强分布或各阶谐波分量达到规定值的方式确定所述第二匀场装置的各匀场模块的调整物理量，根据所述调整物理量来调节所述匀场模块。

在上述匀场方法，优选所述匀场模块能够沿所述磁体的径向或周向移动，确定各匀场模块在磁体径向或周向上的多个特定位置与该匀场模块产生的调整磁场的场强分布或/和与该调整磁场的各阶谐波分量之间的关系，

以使所述当前磁场的场强分布或/和所述各阶谐波分量达到规定值的方式确定所述第二匀场装置的各匀场模块在所述磁体径向或周向上的特定位置。

在上述匀场方法，优选测量无匀场模块时所述磁体在匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量，设置各匀场模块并将各匀场模块分别移动至所述多个特定位置，测量在该多个特定位置时所述匀场区域的调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量，将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量从而确定该匀场模块在该特定位置产生的调整磁场的场强分布或调整磁场的各阶谐波分量。

在上述匀场方法，优选所述匀场模块是位置固定且能够改变质量或温度的铁磁性元件，确定所述匀场模块的质量或者温度改变与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系，

以使所述当前磁场的场强分布或/和所述各阶谐波分量达到规定值的方式确定所述第二匀场装置的各匀场模块的质量或温度。

在上述匀场方法，优选测量无匀场模块时所述磁体在匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量，设置所述匀场模块并改变所述匀场模块的质量或温度，测量在多个特定质量或温度时所述匀场区域的调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量，将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量从而确定该匀场模块在该特定质量或者温度时产生的调整磁场的场强分布或调整磁场的各阶谐波分量。

在上述匀场方法，优选所述匀场模块是位置固定的能够产生电磁场的通电线圈，确定向所述通电线圈的通电电流与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系，

以使所述当前磁场的场强分布或/和所述各阶谐波分量达到规定值的方式确定向所述第二匀场装置的各通电线圈通电的电流大小。

在上述匀场方法，优选测量无匀场模块时所述磁体在匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量，设置所述匀场模块并改变向所述匀场模块的通电电流，测量在多个通电电流时所述匀场区域的调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量，将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量从而确定该匀场模块在该特定通电电流时产生的调整磁场的场强分布或调整磁场的各阶谐波分量。

根据本发明的超导磁体的匀场方法，若环境条件的改变(例如将磁共振成像设备从生产地移动到用户所在地)导致磁场不均匀的情况下，或在进行第一次匀场片安装后磁场均匀度未达到用于磁共振成像的规定值的情况，不需要如以往那样对磁体的频繁的进行升降场来调节设置在磁体中第一匀场装置，仅需要在代场的环境下调节设置于磁体表面的第二匀场装置即可使磁场达到使用(成像)上的要求，从而极大地提高了装置的调试效率，减少了制冷剂损失。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1a是根据本发明的具体实施例的磁共振成像系统的超导磁体的端面轴向视图。

图1b是根据本发明的具体实施例的超导磁体的侧面径向视图。

图2是根据图1的超导磁共振成像系统的匀场方法的流程图。

图3是图2中利用第二匀场装置进行第二调整步骤的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一个种更优选的或更具优点的技术方案。

第一实施例

图1a是根据本发明的具体实施例的磁共振成像系统的超导磁体的端面轴向视图。图1b是根据本发明的具体实施例的超导磁体的侧面径向视图。如图1a和图1b所示，根据本具体实施例的磁共振成像系统的超导磁体1，包括：一主体10，呈圆筒状；第一匀场装置11，其包括多个匀场条，并沿磁体的周向设置，且在磁体内部沿磁体的轴向延伸；第二匀场装置12，其包括多个匀场模块121，并沿磁体的周向设置在磁体的前端面101和后端面102上，且匀场模块121能够沿所述磁体的径向移动，一个或多个牵引装置122，沿径向分布于主体10的所述前端面101和所述后端面102，分别用于牵引匀场模块121沿磁体1的径向移动(如箭头所示)。

如图1a和图1b所示，匀场模块121布置在磁体的前端面101与后端面102上，例如，其具有50*50*10mm的大小，在径向上匀场模块可移动240mm从而调整磁场均匀性，可通过对牵引装置进行固化设置来保持结构稳定。

匀场模块由软钢板制成，具有矩形、扇形、梯形或其他适当形状，其厚度小于其长度和宽度。匀场模块安装在对应的牵引装置上，且仅可在径向方向上移动。基于现场测量和匀场计算的结果，可通过各种方法(齿轮及齿条机构、螺杆及螺母机构)手动地或自动地(通过液压作动器、压电陶瓷电机)准确地移动至指定位置。

图2是超导磁共振成像系统的匀场方法的流程图。下面参照图2对本具体实施方式涉及的匀场方法作进一步详细的说明。

如图2所示，首先利用第一匀场装置来调整磁体的磁场的均匀性(s11)，使磁场的均匀性达到规定值(例如满足能够用于成像条件)的范围内，在本实施例中，该步骤s11通常在磁共振成像设备的生产地进行。

当磁共振成像设备从生产地运输到用户(例如医院)等时，由于设备环境的变化会导致上述经过第一匀场装置调整达到了磁场均匀性要求的磁场再次偏离规定值。在此，通过设置在超导磁体的前端面和后端面上的第二匀场装置的匀场模块在磁体的径向上移动，利用第二匀场装置来进一步调整磁场的均匀性(步骤s12)。

具体来说，在步骤s12中，如图2所示，对该超导磁共振成像系统的磁体中特定区域(成像区域)的磁场场强进行测量(步骤s121)。例如，该成像区域可以是一个球体(或椭球体)区域，对该球体的表面的若干点的场强进行测量。

进而，根据测量得到的场强分布来计算组成磁场的各阶谐波分量(步骤s122)，在无电流和磁场源的区域，磁场感应强度满足拉普拉斯方程，因此，球形匀场区域的磁场强度分布可以表示为一系列正交的球谐波函数之和，如下式(1)所示。

其中，r,θ,分别是球坐标系中的坐标点在，表示球坐标中该坐标点在z方向上的磁场强度分量。

由于所测场点都位于球体表面，所以令r＝r0，利用式(1)可计算出球谐函数各项系数。

在磁场的z向分量的球谐波展开式中，对于理想的均匀磁场，除外，其余各阶谐波均应为零，因此，和决定了磁场的均匀度。对上述求得的各阶谐波和判断是否在规定值的范围内(步骤s123)，若上述和未在规定值的范围内，即磁场不满足均匀性的要求，则根据所述各阶谐波分量，计算所述第二匀场装置的各匀场模块用于进行匀场的调整物理量(步骤s124)。

在本实施例的匀场方法中，确定各匀场模块121在磁体径向上的多个特定位置与该匀场模块产生的调整磁场的场强分布或/和与该调整磁场的各阶谐波分量之间的关系，并以使当前磁场的场强分布或/和所述各阶谐波分量达到规定值的方式确定各匀场模块121在磁体径向上的特定位置。

例如，首先，测量无匀场模块时在磁体匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量。设置各匀场模块121并将各匀场模块分别移动至所述多个特定位置，例如将匀场模块121分别沿磁体1的径向从径向最外侧以固定间隔移动至径向最内侧的位置。分别测量在该多个特定位置时调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量。将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量，即将各点相应的测量值相减，再按上式球谐波展开，可得到其产生的调整磁场的各阶谐波分量和由此可得第二匀场装置中各匀场模块121在全行程移动的多个特定位置所产生的调整磁场的场强分布或各阶谐波分量和

进而以使各匀场模块所产生的调整磁场的各阶谐波分量和能够抵消在步骤s122中得到的磁场的各阶谐波分量和的方式来确定需要进行调整的匀场模块以及匀场模块的特定位置。

具体来说，测量磁体匀场区域所获得的场强分布fmag(x)，其中x代表空间坐标。从场强分布可分解出各谐波分量hmag(k)，其中k代表第k个各谐波分量。第i个匀场模块产生的场强分布fs,i(x,αi)，其中αi为可调物理量。从场强分布可分解出各谐波分量hs,i(k,αi)。通过各阶谐波h(k)可以计算出，用于描述磁体均匀性的体均方根vrms[h(k)]。根据以上规则可以建立最优化模型

其中，可调物理量αi为被优化参数。优化后，根据模型输出的被优化可调物理量αi对匀场模块进行调节。

或者，测量磁体匀场区域所获得的场强分布fmag(x)，其中x代表空间坐标。从场强分布可分解出各谐波分量hmag(k)，其中k代表第k个各谐波分量。第i个匀场模块产生的场强分布fs,i(x,αi)，其中αi为可调物理量。从场强分布可分解出各谐波分量hs,i(k,αi)。根据以上规则可以建立方程组

hmag(k)+hs,i(k,αi)＝0

其中，k代表第k个各谐波分量，可以根据实际需要选取各阶谐波分量，比如选取一阶项，或者二阶项，或者一阶和二阶项，可调物理量αi为被求解参数。求解后，根具模型输出的被优化可调物理量αi对匀场模块进行调节。

在本实施方式中，例如第二匀场装置的匀场模块121是由牵引装置例如丝杠驱动移动的情况下，若丝杠的螺距一定，则匀场模块移动距离可精确地通过丝杠的转动圈数来控制：假设丝杠转动一圈(匀场模块的径向移动)所产生的各阶纯谐波为则可确定各个匀场的最小位移(即确定特定位置)以使各阶谐波和控制在规定值范围之内，以满足磁场的均匀性要求。

经过上述确定的特定匀场模块及特定位置，将该特定匀场模块沿磁体的径向移动到特定位置(步骤s125)。

经过上述磁场的调整之后，再次测量当前磁场的场强分布，计算各阶谐波分量，检查当前磁场的均匀性是否满足规定值。如果未满足，重复上述步骤直至当前磁场的场强分布或各阶谐波分量符合规定值。

在上述实施例中例示了第二匀场装置的匀场模块121能够沿磁体的径向移动的情况，但并不限定于此，也可使匀场模块121在磁体的端面上沿周向移动，并采用与上述相同的方法来确定匀场模块121在周向上的位置与产生的磁场之间的关系，并通过调节匀场模块121在周向上的位置来使磁场满足均匀性要求。

根据本发明的超导磁体的匀场方法，若环境条件的改变(例如将磁共振成像设备从生产地移动到用户所在地)导致磁场不均匀的情况下，不需要如以往那样对磁体的频繁的进行升降场来调节设置在磁体中第一匀场装置，仅需要调节设置于磁体表面的第二匀场装置即可使磁场达到使用(成像)上的要求，从而极大地提高了装置的调试效率，减少了制冷剂损失。

第二实施例

在上述第一实施例中，例示了在磁体的两端面上设置能够沿径向移动的匀场模块121作为第二匀场装置。在第二实施例中，匀场模块121设置为位置固定且能够改变质量或温度的铁磁性元件，例如匀场模块为由多个质量确定的小铁块组成，且能够根据需要增加或减少小铁块，或者匀场模块能够利用加热冷却装置改变温度。

在本实施例中，在图3所示的步骤s124中，调整物理量是各匀场模块的质量或温度。具体来说，确定匀场模块的质量或者温度改变与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系，并以使当前磁场的场强分布或/和各阶谐波分量达到规定值的方式确定各匀场模块的质量或温度。进而，在步骤s125中，根据确定的各匀场模块的质量或温度来进行调节。

此外，在确定匀场模块的质量或者温度改变与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系时，首先测量无匀场模块时磁体在匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量。然后设置匀场模块并改变匀场模块的质量或温度，并测量在多个特定质量或温度时匀场区域的调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量。进而，将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量从而确定该匀场模块在该特定质量或者温度时产生的调整磁场的场强分布或调整磁场的各阶谐波分量。

第三实施例

在上述第一实施例中，例示了在磁体的两端面上设置能够沿径向移动的匀场模块121作为第二匀场装置。在第三实施例中，匀场模块121是位置固定的能够产生电磁场的通电线圈。在图3所示的步骤s124中，调整物理量是通电线圈产生的电磁场，即向各通电线圈通电的电流大小。具体来说，确定向通电线圈的通电电流与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系，并以使当前磁场的场强分布或/和各阶谐波分量达到规定值的方式确定向第二匀场装置的各通电线圈通电的电流大小。进而，在步骤s125中，根据确定的向各通电线圈通电的电流大小来进行调节。

此外，在确定向通电线圈的通电电流与该匀场模块产生的调整磁场分布或/和与该调整磁场的各阶谐波之间的关系时，首先测量无匀场模块时所述磁体在匀场区域的初始磁场的场强分布或各阶谐波分量。然后设置所述匀场模块并改变向所述匀场模块的通电电流，并测量在多个通电电流时匀场区域的调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量。进而将调整后磁场的场强分布或各阶谐波分量减去初始磁场的场强分布或各阶谐波分量从而确定该匀场模块在该特定通电电流时产生的调整磁场的场强分布或调整磁场的各阶谐波分量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。