一种磁共振成像系统的梯度磁场产生方法及其装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁共振成像（MRI)系统，特别涉及一种磁共振成像系统的梯度磁 场产生方法和装置。
【背景技术】
[0002] 磁共振成像系统工作时，将人体置于一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉 冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信 号由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，便可以通过射频信号获得人体的空间分 布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。
[0003] 磁共振成像系统工作时，通常如图1所示，将人体放入磁体101中，梯度线圈（包 含勾场线圈）102产生一个线性度良好的梯度磁场，该梯度磁场叠加在主磁场上，对信号进 行空间编码。同时，该梯度线圈还对主磁场的不均匀性进行校正。射频线圈103对人体照 射，激发人体成像区域的原子核，谱仪系统106运行脉冲序列，控制各子系统的工作，并采 集磁共振信号进行图像重建。其中，匀场电源105用于向匀场线圈提供驱动电流，控制匀场 线圈所产生磁场的幅度。
[0004] 现代磁共振成像要求梯度系统的性能非常高，目前梯度系统中梯度磁场的强度可 以达到40-60mT/m，梯度磁场的切换率达到150-200T/m/s。由于对成像回波时间的要求， 扩散成像的要求，以及多核成像的要求等，对未来梯度磁场强度和切换率要求越来越大，然 而现有的梯度磁场产生方法对于提高梯度磁场强度和切换率存在很大的问题，目前的梯度 系统中，梯度线圈多采用线圈对产生三个方向的梯度磁场，线圈的结构均为多绕组线圈，为 容纳人体的进入，线圈均具有较大的尺寸，储能很高。若为了增大梯度磁场，有效的方法是 增加梯度线圈的匝数，或者是增加梯度线圈的电流。增大匝数会增加线圈的感抗，从而与 提高切换率矛盾。为克服感抗的影响，一般都采用提高梯度功率放大器输出电压的手段来 增大梯度磁场的切换率，目前，梯度功率放大器的输出电压和电流达到了 3000V/900A的水 平，增大线圈的电流会带来严重的发热问题，提高梯度功率放大器的输出电压使得线圈的 绝缘问题的解决更加困难，因为绝缘和散热是相互矛盾的工艺问题。更严重的问题是，在现 有技术下，若增大梯度磁场的强度和切换率，可能会使局部梯度磁场的变化率（dB/dt)超 出标准，引起对人的刺激等不良反应。为此，人们采用了其他一些办法，比如增加一个小的 梯度线圈，插入到标准梯度线圈中，可以有效解决这个问题，不过小的梯度线圈的使用受到 一定的限制，比如只能进行局部的成像，使用也不方便。
[0005] 现有的梯度磁场产生方法，其线圈一旦制造完成，所产生的磁场分布既已确定，无 法改变，限制了系统的性能。比如为进行全身成像，梯度线圈所产生的磁场一般都是对称 的，其中，成像区的梯度磁场较弱，而梯度线圈在成像区两侧所产生的磁场反而较强，这种 磁场分布有可能使得人体心脏所在的区域的磁场变化率（dB/dt)超出标准，局部的非对称 线圈，可以使人体所处的非成像区的梯度磁场的变化率（dB/dt)变得很小，从而允许成像 区采用较大的梯度强度和切换率，然而在现有技术下，这两种梯度磁场无法用同一个梯度 线圈产生。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决现有磁共振成像系统中梯度磁场产生的上述问题，提出一 种磁共振成像系统中可重构的柔性梯度磁场产生方法和装置，使梯度磁场系统的性能变得 灵活，提高磁共振成像系统的水平。本发明采用改变梯度线圈阵列中各线圈的电流大小和 方向的方法，重新构成特定成像部位和序列所需要的梯度磁场空间分布，实现"柔性"梯度 磁场的产生。
[0007] 本发明利用分布在梯度线圈电流面上的线圈阵列，根据成像的要求，通过调节各 线圈的电流大小和方向，改变梯度线圈所产生的磁场空间分布，产生满足特定成像所需要 的梯度磁场，所述的梯度磁场由线圈阵列中每个线圈产生磁场合成形成。在不改变梯度线 圈绕组分布的前提下，改变梯度磁场的空间分布。
[0008] 梯度磁场是由导线通过电流来产生的，一般地，把导线所分布的平面或曲面称为 梯度线圈电流面。本发明中，梯度线圈电流面上分布有梯度线圈阵列，梯度磁场是由梯度线 圈阵列中各个线圈所产生磁场的合成磁场形成，梯度线圈阵列各线圈中的电流大小和方向 可以不相同，因此，改变每个线圈的电流大小和方向，则会改变所合成的梯度磁场的空间分 布。通过计算，可以获得不同的梯度磁场空间分布所对应的各线圈的电流大小和方向，形成 不同组的数据，可将这些不同组的数据存储在数据存储器中。磁共振成像系统扫描时，根据 所需要扫描的部位和序列对应的梯度磁场的空间分布，调出所对应的数据，用这些数据来 控制梯度线圈阵列中各线圈的电流大小和方向，获得所需的梯度磁场。
[0009] 梯度磁场都是通过线圈中的电流产生的，由于梯度磁场需要在成像区域内有特定 的分布，比如说要求其分布在一个方向上有较好的线性，一般对于超导磁共振成像系统，要 求在50cm球形区域内非线性不超过5%。同时，在成像区域内要求梯度磁场有一定的强度， 比如30mT/m。梯度系统工作在脉冲状态，因此需要梯度磁场有一定的切换率，比如150T/m/ s。其中，梯度磁场的空间分布是由线圈的分布决定的，若线圈的分布固定，每个线圈通过的 电流也相同，则该线圈所产生的梯度磁场的空间分布则固定不变，仅仅是其强度随电流的 大小改变，切换率随驱动电压和爬升时间的变化改变。
[0010] 本发明采用线圈阵列构成梯度线圈。梯度线圈阵列中每个线圈都由梯度功率放大 器的各个小功率单元独立驱动，因此，对每个梯度功率放大器的小功率单元电流大小和方 向进行独立的调整，则梯度线圈阵列中每个线圈所产生的磁场独立变化，梯度线圈阵列中 所有线圈所产生的磁场在成像区域及其附近的合成磁场的空间分布就会发生变化，从而改 变了梯度磁场的空间分布。采用这种方法，并不需要改变梯度线圈的结构，因此，用同一个 梯度线圈可以产生不同的梯度磁场空间分布，实现梯度磁场的重构，这种方法具有"柔性" 梯度磁场的特征。
[0011] 现有方法在形成梯度磁场时，根据梯度磁场的空间分布，可以计算出线圈绕组的 位置和形状，然后根据这些参数绕制所需要的线圈，线圈均由多匝绕组构成，因此每个绕组 在工作时所通过的电流大小是相同的，在工作时通过电流，即可产生所需的梯度磁场空间 分布，在改变梯度功率放大器的电流时，同一组线圈的各绕组电流的变化也相同，无法改变 梯度磁场的空间分布，仅仅可以改变梯度磁场的大小和切换率。本发明由于采用调节梯度 线圈阵列中每个线圈电流的方法，线圈阵列中每个线圈的位置是固定不变的，但是梯度线 圈阵列中每个线圈的电流大小和方向可以独立变化。在设定所需要的梯度磁场空间分布 后，可以根据每个线圈所处的位置，计算出每个线圈的电流大小和方向，将这一组参数存储 起来，对于不同的梯度磁场空间分布，可以计算出不同的电流参数组合，因此可以得到多组 参数。磁共振成像系统工作时，可以根据需要，调出相应的参数，控制各线圈的电流大小和 方向，从而可以形成所需梯度磁场。
[0012] 在磁共振成像的每次扫描过程中，梯度磁场的形态相对固定，但是梯度磁场的大 小则可调节，为实现梯度磁场大小的调节，每组参数所存储的每个阵列线圈的电流大小，可 以是不同线圈之间的电流大小的比例关系参数。磁共振成像系统扫描时，则按照各个线圈 电流的比例改变每个线圈的电流大小，从而保持其合成的梯度磁场的空间分布所所需要的 形态。
[0013] 本发明的好处是，由于可以改变梯度磁场的空间分布，因此可以带来更好和更灵 活的应用。比如在进行体部扫描时，可以将梯度的线性区扩大，梯度磁场强度降低，获得大 范围的线性区，而体部的扫描一般要求梯度磁场强度不高。对于头部成像，则可以缩小梯度 磁场的线性区，增强小范围成像区的梯度磁场强度。为减小梯度磁场变化率的影响，还可以 将梯度线圈产生的磁场构成为非对称磁场，并形成力矩平衡电流分布，使得人体所处的区 域的梯度磁场强度变得很小，从而允许采用大的梯度磁场切换率成像。
[0014] 采用本发明方法的梯度磁场产生装置的结构如下：
[0015] 本发明梯度磁场产生装置包括：用于产生梯度磁场的梯度线圈阵列，驱动梯度线 圈的梯度功率放大器，控制各线圈电流大小和方向的梯度磁场控制器，以及存储各线圈电 流大小和方向数据的数据存储器。所述的梯度功率放大器中的各个小功率单元分别与梯度 线圈阵列、中的各个线圈阵列相连；所述的梯度磁场控制器与梯度功率放大器相连，梯度磁 场控制器输出控制信号，控制梯度功率放大器中的各个小功率单元的电流大小和方向；所 述的数据存储器存储不同梯度磁场空间分布所对应的梯度线圈阵列中各线圈的电流大小 和方向，根据所述各线圈的电流大小和方向形成梯度磁场控制器的控制信号。
[0016] 本发明的梯度磁场产生装置中，要求梯度磁场的空间分布可以调节。这要求梯度 线圈的构成采用线圈阵列的方式，所述的梯度线圈阵列由多个线圈组成，分布于梯度线圈 的电流面上，每个线圈所通过的电流大小和方向不同，每个线圈所产生磁场合成为梯度磁 场。
[0017] 每个线圈由独立的梯度功率放大器中的小功率单元驱动，其电流大小和方向可以 独立调节。对于重构不同磁场空间分布的梯度磁场形态，每个梯度磁场的空间分布都对应 一组线圈阵列的电流大小和方向，因此每个梯度磁场的空间分布都对应一组电流大小和方 向参数，这些参数需要保存在数据存储器中。
[0018] 在线圈的结构上，显然，线圈阵列中，线圈的数量越多，则调节梯度磁场分布则越 精密，一般地，对于纵向梯度磁场，其线圈是由多个同心圆线圈构成，在本发明中，不再需要 对线圈的位置做精确计算，而是采用等间隔排列的多个平行放置的圆形线圈构成纵向梯度 线圈，所有的圆形线圈的圆心同心或在同一轴线上，线圈平面相互平行，线圈间隔相等。通 过调节每个线圈的电流方向和大小来形成所需要的磁场。对于横向梯度磁场，线圈阵列由 多个矩形线圈排列在平面或者曲面上构成，矩形线圈等间隔排列成单列多行，线圈阵列排 列为多层时，每层矩形线圈在长度方向上的尺寸逐层改变，在同一层中的各线圈的尺寸相 同；线圈阵列所分布的区域为矩形或圆形或椭圆形，线圈间距相等。对于更精密的横向梯度 磁场的形成，需要多层的矩形线圈阵列构成，层间线圈的面积不同，其长度方向