专利名称:核磁共振断层分析仪的制作方法
本发明是关于磁共振(MR)断层分析的仪器，它包括一个产生均匀稳定磁场的装置，三个通有随时间变化的电流的线圈组，它们用来产生与稳定磁场方向平行，并在三个垂直的方向上呈线性变化的磁场;还包括一个能产生一个与稳定磁场方向垂直的射频电磁场。由于在这个均匀稳定的磁场上叠加了一个附加磁场，从而使得合成后的磁场的磁通密度以确定的方式随空间和时间而变化。
已知有一种磁共振断层分析仪，例如专利DE-OS2849355所提出的，为了清楚起见，在图1中给出了一个部分剖断图，此核磁共振仪包括一个产生均匀稳定磁场的装置，该磁场沿XYZ座标系中的Z方向，它由四个同轴环形线圈1组成，线圈的中心轴指向Z方向，线圈内的磁场在一个相当大的区段内(即在检查区)是均匀的，其磁通密度在0.1到2T之间，较高的磁通密度通常必须用超导线圈得到。被检查的病人送入检查区的病人台2上，病人台上有一个可沿Z方向移动的板面3。
核磁共振断层分析仪还包括三个线圈组，这些线圈组产生方向沿2轴，而强度在X、Y、Z三个方向上随空间位置不同呈线性变化的磁场。在文献中通常把这些线圈称为“梯度线圈”。这个产生方向沿Z轴，并呈线性降低的磁场的线圈组至少由两个相同的线圈Gz组成，两Gz线圈沿Z方向与线圈组1对称、间隔地排列，当电流以相反方向流过这些线圈时，在上述线圈Gz之间产生一个沿Z方向的磁场，其强度是Z方向上空间位置的函数，呈线性变化。
还有一个线圈组，用来产生另一个也沿着Z方向，但在X方向上随空间位置而变化的磁场，此线圈组由四个同样的线圈Gx组成。这四个近似矩形的线圈安装在一园柱的柱面位置上，此园柱的中心线与Y轴平行并通过环1的中心，也即检查区的中心。同样大小的电流流过这四个线圈Gx，电流的方向是这样的在相邻线圈的Y方向上彼此相对的部分，流过相同方向的电流。
线圈组Gy，产生在Z方向上的磁场，并且在Y方向上呈线性变化，是位置的函数，它的结构和线圈组Gx相同，不过互相旋转了90°。这就是说此线圈组也有四个矩形线圈Gy，它们排列在一个园柱面上，此园柱的中心轴与X轴平行，并通过检查区的中心。线圈组Gx和Gy所产生的磁场在Z方向的对称轴上磁通密度为O。
最后，还有一个射频线圈5，它在检查区产生一个均匀射频磁场，此磁场的频率相当于在检查区内绕Z轴核自旋的进动运动的进动频率(Larmor频率)。
在利用这种核磁共振断层分析仪的一般方法中，核自旋都在检验物的检查部位中被激发，为此，当核自旋被射频线圈5激发时，梯度线圈Gz受一个电流激励，这样，由线圈组1和Gz产生的磁场从一个线圈Gz到另一个Gz之间呈线性变化。结果，在检查部位内就激起核自旋，它的进动(Larmor)频率对应于射频场的频率(已知Larmor频率与磁场强度成正比)。然后，线圈Gx和Gy被激励，致使被检查部位内的磁场分别在X方向或Y方向上发生变化(通常是随时间连续变化，或随时间作相位变化)。结果，激发后在线圈5中感生的信号的相位与幅度都受到了影响，这样，就可以再现被激发部位中核自旋的分布。
再现的质量受以下的因素影响梯度场随空间的变化不能精确地满足预期的变化规律，比如，它不能精确地作为空间位置的函数而线性地变化。此外，这个与预期变化规律的偏差是与时间有关的。这种现象是由于涡流引起的，涡流产生于梯度线圈中电流接通时，它产生的磁场由于其空间相关性而会偏离线圈磁场的变化规律。
为了降低这种影响，已知的方法是在其磁场已偏离预期随时间变化的梯度线圈上外加一随时间变化的电流，如，当梯度线圈的磁场突然转换到一个给定值时，将某一电流加到这个在接通瞬间超过它的正常值的梯度线圈上。因此，这一步骤只能获得有限的成功。
本发明的目的是为了降低在梯度线圈被激励时产生的涡流的影响，以及对磁场空间变化的其他不精确因素的影响。
本发明是这样达到此目的的提供了至少一个另外的线圈组，以产生一个也沿着稳定磁场方的磁场，它是随空间呈非线性变化的，同时又使流过线圈组的电流随时间的变化达到下述要求，即将所有线圈组的磁场叠加起来的磁通密度随时间和空间的变化符合确定的变化规律。
如果仅仅使用单个外加线圈组时，通常只能部分地消除与预期随时间与空间变化规律的偏差，此偏差量一方面取决于核磁共振仪器的实际结构，另一方面也取决于与预期变化偏差的程度和原因。比如，由涡流而产生的偏差是由梯度线圈的激励的随时间变化而决定的;当梯度线圈的激励电流包含有很高频率分量时，线圈中的涡流就更加明显。
下面是对此发明的进一步详细描述，仪器中还有多达五个的附加线圈组，以产生这样的磁场，它随空间的变化与二阶球函数随空间的变化相一致。
这一详细描述是以下述考虑为基础的任一随机磁场，特别是由梯度线圈产生的磁场和与之相关的涡流产生的磁场，都可以表述为0阶，一阶，二阶，三阶，……球函数的加权和，其阶数在原则上是无限的。不过，通常忽略按高阶球函数变化的磁场分量。由于梯度线圈的磁场随时间变化，各加入上述加权和的独立球函数的权重系数也随时间变化。当这些独立的线圈的贡献被合理地加权了的时候，这五个附加线圈组，其中每一个都各对应于五个二阶球函数中的一个，梯度线圈(Gx，Gy，Gz)中的每一个各对应于一个一阶球函数，而产生稳定磁场的线圈组1则能产生随空间随机变化的磁场(忽略相当于球函数的三阶或高阶调和函数的分量)。因此就可以通过适当地改变反映各独立线圈对合磁场的贡献的权重系数，也就是说适当地改变流过这些线圈的电流，就可以得到所预期的随时间变化的磁场。
根据相同的考虑，可以得出另一方案，在这里，有多达七个的外加线圈组，以产生与三阶球函数的随空间变化规律相符的随空间变化的磁场，因此，这个与所预期的随时间和空间的变化规律相偏离的量，就可以更好地进行补偿，因为三阶偏差也得到了补偿。
应该说明，根据本发明并不能精确地得到磁场随空间和时间的预期变化，但是，采用附加线圈组(或多个线圈组)，则可减少与预期变化规律的偏差。
下面将参照图详细说明本发明。
图1，给出已有的磁共振断层分析仪。
图2，给出按此发明绘出的磁共振断层分析仪方框图。
图2所示的仪器包括一个控制装置9，主要是控制调制器11。调制器11产生载频振荡，经功率放大器12供给射频线圈，调制振荡器的频率以及线圈组1所产生的磁场的强度是彼此相适应的，因此在被检查的人体的检查部位就激起了核自旋共振。激发后在线圈5中产生的信号经放大器13送到相敏解调器，此解调器的输出信号经一个模数转换器15转变为数字信号数据，以便送到再现单元16。根据所接收的数据，此单元借助预先制定的十进位计数法确定了被激发部位核自旋的空间分布，可以用监测器17将上述分布情况显示出来。
控制单元9也控制着流经梯度线圈Gx、Gy和Gz的电流，此三组线圈产生与Z方向平行的并分别在x、y和z方向上呈线性变化的磁场。至此，已经了解了所介绍的仪器系统，但是，根据本发明，还有十二个附加的线圈组，每组都由几个相对检查区中心对称排列的独立线圈组成，这样，它们所产生的磁场与Z方向平行，并相对检查中心对称地变化，也就是说或者是距中心的距离的平方函数，或者是其立方函数，十二个线圈组中的五个，也就是线圈组G2，2……G2，-2产生的磁场其磁通密度和五个二阶球函数之一成正比，而其他七个线圈组(G3，3……G3，-3)的磁通密度总是与七个三阶球函数之一成正比。因此，由线圈Gl，m所产生的磁场随空间的变化至少基本上与球函数fl，m成正比，在此例中l在2和3之间，m在3与-3之间。
球函数fl，m定义如下
这里，r是某点到座标原点的距离，座标原点与检查区中心重合;a是座标原点与该点间的连线和Z轴所夹的角;b是上述连线在Z等于常数的平面上的投影和X轴的夹角;＊Pl，m(··)是直线l的勒让德多项式对其自变量(··)的m次微分，＊Pl，m(··)相当于直线l在m＝0时的勒让德多项式的m次微分。因为只有勒让德多项式对其自变量的l次微分是不等于0的，而且Sinmb在m＝0时变为0，因此，就只有2l+1个l阶球函数，也就是有五个二阶球函数(2×2+1)和七个三阶球函数(2×3+1)。
US-3，566，255给出关于线圈组的结构的详细描述，这些线圈磁场的变化基本上正比于球函数。G2，2……G2，-2相当于图7中给出的线圈，G3，3……G3，-3线圈的结构如图9到图15所示。这种线圈的计算和设计在“科学仪器评论”第32卷第三期第241-250页(The Review Of Scientific Instruments Vol.32，No.3)中已经介绍过。
如图2所示，线圈G2，0的电流是由一个高输出阻抗的功率放大器18供给的，功率放大器的输入信号来自一个函数发生器，此函数发生器有一个存貯器19，其后面接有数模转换器20。存貯器19存有大量数据代码，其顺序与电流通过线圈G2，0随时间的变化相一致。这些存貯于存貯器19的数据代码可在控制装置9的控制下读出，并由数模转换器20转变为模拟信号，再经一适当的低通滤波器送到放大器18的输入;于是放大器18产生一个随时间变化的电流，其变化与存貯器19中数据代码的顺序一致。其他线圈组，包括Gx，Gy和Gz的电流都由相同结构的装置18……20供给，图2中未给出其余的这种装置，唯一的不同就在于存貯器与各个线圈组相对应的存貯器中的数据代码的顺序不同，因为流经这些线圈组的电流是以不同规律随时间变化的。流过这些线圈的电流随时间变化的规律，也就是存貯器19中数据代码的顺序是可以这样选择的，以使由各个线圈所产生的磁场的叠加，能精确地产生一个所预期的随时间和空间而变化的磁场。
这个随时间和空间变化的磁场包括一个第一阶段，在此阶段中，磁场在一段预先确定的时间内在Z方向上随空间位置呈线性变化(据此来确定欲测量其核自旋分布的检查部位的位置)。在下一个阶段中，在预先确定的一段时间内产生了不随时间和空间位置变化的磁场梯度，比如在Y方向上。而在第三阶段中，在一段预先确定的时间内，在X方向上产生不随空间和时间变化的磁通密度梯度。在上述每个阶段中，不仅相应的梯度线圈组被激励(如在第二阶段，线圈Gy被激励)，而且通常所有其他线圈组也被激励，包括其他梯度线圈组(Gx，Gy)。
下面将说明确定各线圈中电流随时间的变化的方法，或者说是确定与这些线圈相关的各存貯器中数据代码指令序列的方法。步骤如下1、将正弦电流总是供给各线圈中的一个。测量线圈组内某点合磁场的强度和相位(参照此线圈中交流电流的相位)，该点距离座标原点也就是距离检查区中心的距离r。在不同频率下重复进行这种测量。选择测量频率使其相应于各梯度线圈的激励所产生的频谱范围。在半径为r的球面上选择N个点进行上述测量。
N＝(l0+1)2此处，l0是描述由线圈组相互间完全独立产生的磁场的球函数中最高阶的数值。这样，如图2之例，l0＝3，因此测量就应该在球面16个不同的点上进行。对于所有线圈组都应重复进行各种测量。
根据下述公式，可将某一线圈在某一频率下在某一点所测量的磁通密度B表示为球函数的加权和B=Σl=0loΣm=-l+lalm·flm(3)]]>
fl，m是根据公式(1)对其相应点所定义的球函数，也就是说其数值可从表中算出或导出;
al，m表示与之相应的权重系数，通常它包括实数和虚数部分，因为变量B通常也包括实数和虚数两部分。由于一组总数为16(N)的球函数处在0阶和三阶之间。根据方程(3)其加权和也包括16个权重系数al，m。因为对同一线圈组和同一频率在球面的16(N)个不同点上测量了磁通密度，所以就得到了对16个未知的al，m的16个线性方程，用已知的方法从这些方程中可以算出16个权重系数al，m。对于各种不同频率下测量的结果也要进行这种计算;每种频率下的权重系数al，m都可以算出，它们同根据先前测量结果而算出的权重系数不同。于是就得出了一组可能与频率有关的系数al，m，上述系数完全描述了直至三次谐波，或直至三阶球函数的线圈组的特性。这一组权重系数描绘了一个N维矢量，它的各个分量(al，m)与频率有关。
对所有其它线圈都进行上述同样的计算后，就对每一个线圈得到了一个N维矢量，其不同的系数al，m都是以同样的顺序排列的，对于产生不随空间变化，通常也不随时间变化的磁场的线圈组也可以得出这样的一个矢量，但存在两种可能a)对于线圈1定义了这样一个矢量除了分量a00外，其它所有的分量谐为0，a00由选定来确定，是一个与时间无关的数值。不过对测量核自旋的分布来说，还需要校正。
b)采用一个第二线圈组(在图2中未给出，它产生一个沿Z方向，不随空间位置变化的磁场。但是，此磁场显著地弱于稳定磁场，流过这些线圈的电流是可以随时间改变的，这些电流的产生方式和通过其它所有线圈通过的电流相同。
这样，对于所有16(N)个线圈组，得到了一个总是包含16(N)个分量al，m的矢量。将这些矢量组合起来作为列矢量，以组成矩阵，各个列矢量是这样排列的本征分量置于矩阵的主对角线上，将这样得到的矩阵叫作A(W)，W指出矩阵元的频率关系。
2、矩阵A(W)是可逆的，由它可得出逆矩阵A-1(W)。如已知的那样，一个矩阵和它的逆矩阵的乘积表示一单位矩阵，即它是一个主对角上所有矩阵元都为1，其它所有的矩阵元都为0的矩阵。可逆矩阵的另一个性质是列和行的脚标可以互换，因此，如果在矩阵A中第七个列矢量与线圈G2，0连系，则第七个行矢量必在逆阵A-1(W)中与G2，0相连系。
3)所预期的磁场Bg随时间和空间的变化是在被检查区中对大量不同的时间瞬间确定的，并且对每一瞬间根据公式都形成一个球函数加权和。
Bg=Σl=0loΣm=-l+lcl,m·fl,m(4)]]>Cl，m是加入加权和的球函数fl，m的权重系数。随之又得出一个N维矢量，它包含着许多与时间有关的元素Cl，m，当磁场变化时，比如随空间呈线性变化，只有此矢量中l＝1的那些分量偏移零值。
4)各独立的，与时间有关的分量Cl，m(t)可用傅立叶变换法从时间域变换到频率域，这样形成了一个矢量D(W)，它包含着N个与频率有关的分量dl，m(W)。
5)合矢量D(W)乘以逆矩阵A-1(W)，得出一个N维矢量I(W)。
6)将矢量I(W)的N个分量变换到时间域，则变换到时间域的矢量的分量ij(t)(j＝1，……N)它表示流经与矩阵A中的第j列矢量相联系的，或者说与矩阵A-1中的第j行矢量相联系的线圈组中通过这样的随时间变化的电流。
7)将与各个线圈相联系的电流的变化变换为相应的数据代码的指令序列，这列数据代码指令序列被写入与相联系的线圈相对应的貯存器19中。
流过各个线圈的电流的随时间的变化一经按上述方式确定下来，存貯在存貯器中的数据代码就可以再取出来，以产生一个沿Z方向的，并按已确定的空间和时间函数关系变化的磁场。只要核磁共振断层分析仪的制造和它的安装地点都不影响这样产生的磁场，这也适用于其它同样类型的核磁共振断层分析仪。
如果需要不同的随时间和空间变化的函数，只要再执行第3步到第7步就行了。也可以产生不同函数形式的磁通密度的变化，如西德专利P3400861.6.所描述的位置的平方律函数关系的变化，那时只有l＝2的那些Clm偏移0值。如果计算指出某一线圈组中的电流在各种随时间和空间的变化规律中都基本上等于零，则可把个线圈组去掉。
不一定总有必要把一个线圈组产生的磁通密度随空间的变化至少近似地表示为一个唯一的随空间变化的球函数。虽然当把磁场的变化表示为许多球函数的线性组合时，本发明也是非常有效的，但是，在这种情况下所需的线圈数目是不能变的。另外，有一点很重要，一个线圈的磁场任何线圈的磁场要在变化类型上(例如线性、平方律、立方)，和/或者发生变化的方向上有明显的区别。否则，在确定矩阵A时的很小的误差就能使各种线圈组的电流变化畸变到很大的程度。
根据上述的计算方法可以看出不仅是通过加线圈G2，2……G3，-3的电流，所有通过各线圈的电流都必须符合计算出的随时间的变化。于是，就意味着在给定的瞬间，比如在Y方向产生恒定梯度磁场的线圈Gy，通常也可通过一个所期望的只在X方向有恒定梯度的电流。这是由于下述原因，当线圈组Gx上的电流接通时出现的涡流产生了一个在Y方向呈线性变化的磁场。计算结果还表明，还需要产生一个在Z方向，随空间恒定，但随时间改变的磁场。如果有一个线圈能达到这些目的(方案b)，产生这样的磁场将不成问题。但是，如果没有一种这样的线圈的话，当其所引起的误差已不可接受时，可采取下述补救方法。
激发核自旋的射频线圈的频率是和计算的电流变化相适应的。这样，如果频率是恒定的，而且均匀磁场不发生变化的话，则永远能使检查部位的核自旋得到激发。此外，磁场的均匀分量相对其稳定值的偏差会引起被激发的检查部位的所有核自旋产生一个相位移，相位移作为这个偏差的时间积分。因为此相位移对所有自旋都是相同的，所以可以在处理线圈5内由核自旋感应而产生的信号时;将它考虑进去，以保证测量结果不因相移的影响而发生畸变。
勘误表
权利要求
1.磁共振断层分层仪，包括一个产生均匀稳定磁场的装置，三个通有随时间变化的电流的线圈组，这些线圈组用来产生与稳定磁场方向平行，并在三个互相垂直的方向上呈线性变化的磁场，还包括一个射频线圈，以产生一个与稳定磁场方向垂直的射频磁场。由于在均匀稳定的磁场上叠加了一个附加磁场，而使总的磁场的磁通密度以确定的方式随空间和时间而变化，其特征在于具有至少一个附加线圈组(G2，2……G3，-3)，以产生一个也与稳定磁场方向平行，并随空间呈非线性变化的磁场，流经各线圈组的电流的随时间的变化应该符合下述要求，即可利用所有线圈组磁场的叠加，得到磁通密度的确定的随时间的变化。
2.如权利要求
1所提出的磁共振断层分析仪，其特征在于具有多至五个附加线圈组，其中每个线圈产生的磁场随空间的变化总是与一个二阶球函数随空间的变化相一致。
3.如权利要求
2所提出的磁共振断层分析仪，其特征在于具有多至七个的附加线圈组，其中每个线圈组产生的磁场随空间的变化总是与一个三阶球函数随空间的变化相一致。
专利摘要
本发明是关于一种磁共振断层分析的仪器，包括有三个线圈组，以产生一个与稳定均匀主磁场方向平行的磁场，此磁场是空间位置的函数，呈线性变化。此外，还有至少一个附加线圈组，它产生一个也与均匀磁场方向平行，但随空间位置呈线性变化的磁场。这些线圈组得到的总是一个满足下述要求的电流，即使这些线圈组产生的磁场与稳定磁场叠加，产生所预期的磁通密度随时间和空间的变化。因而可借助附加线圈组来降低涡流或其它误差造成的影响。
文档编号G01N24/08GK85101661SQ85101661
公开日1987年1月24日 申请日期1985年4月1日
发明者孔兹·迪特马 申请人:菲利浦光灯制造公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan