一种基于电感线圈对梯度涡流检测和补偿的装置和方法与流程

1.本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种涡流检测方法及装置。


背景技术：

2.在磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)系统中，为了得到一幅完整的人体组织的磁共振图像，需要对被试身体各部位进行空间定位，这是通过施加选层梯度、频率编码梯度和相位编码梯度三路梯度磁场实现的。梯度磁场是通过在梯度线圈上施加电流产生的，但梯度线圈工作时快速切换的电流产生的变化的梯度场会令其周围的金属部件产生涡流(eddy current)效应。这种涡流以一种近似多时间常数的e指数函数衰减(时间常数可达几s)，会使梯度波形发生严重形变。从磁共振信号角度看，它会导致磁共振信号的相位产生偏移，降低图像信噪比，使图像产生几何形变，形成伪影，限制成像速度等，从而影响医生进行医学诊断。因此，研究磁共振成像过程中的梯度涡流检测和补偿甚至消除涡流的影响对mri有着非常重要的意义。
3.目前涡流补偿的常用方法有采用自屏蔽线圈和梯度波形预加重技术两种。自屏蔽线圈的方法能够产生线性梯度磁场,并且消除线圈之间以及线圈与磁体之间的相互作用,以抑制涡流的产生。但这类方法需要对现有的梯度线圈系统进行重新设计，成倍增加设计成本。梯度波形预加重技术又包括利用mri信号测量梯度和电感线圈测量梯度两种方式。前者是通过预设补偿参数，再不断调整补偿参数进行实验的方法，虽然比较简单，但需要很长的调试时间,而且容易受到环境干扰，有时补偿效果还较差。后者是利用电磁感应原理以及数据采集技术进行梯度磁场的测量,并通过数据拟合及反馈控制,可以快速获得梯度电流预补偿参数的涡流补偿方法，但是由于传统电感线圈的导线线路本身体积较为粗大，导致传统电感线圈的体积和质量都相对较大，且通过传统绕制方法绕制的电感线圈的导线的粗细程度、导线与导线之间的间距以及绕制工艺限制导致的导线之间的贴合度等参数都不能精确控制，这些参数都会直接影响到变化的梯度磁场内感应线圈产生的感应电场的大小，也就会直接影响我们采集到的数据的准确性，补偿效果也不好。
4.跟本发明比较接近的现有专利技术和文献如下：
5.zl 201210444970.1《一种mri梯度线圈涡流测量装置及方法》利用空间分布的多组手工绕制线圈制作的传感器来检测变化的磁场，检测信号经过模拟放大器处理后传给adc进行模数转换，用数字的方式进行数值积分，该发明装置克服了传统涡流测量装置对精密积分电路的依赖和测试不准确的问题，同时有利于涡流的计算以及涡流算法的改进。但是该发明装置使用的手工绕制线圈制作的传感器来检测变化的磁场，还是存在检测的精度误差比较大的问题。
6.zl 201110141783.1《一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法》公开了一种用于核磁共振成像系统的涡流测量及补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)使用核磁共振成像系统对样品施加一个梯度脉冲；(2)使用90
°
脉冲激发样品并采集90
°
脉冲激发之后样品产生的自由衰减信号；(3)用多指数函数拟合所述自由衰减信号的时间序列，得
到所需的校正参数；(4)将所述校正参数输出到谱仪中实现涡流补偿。本发明提供的涡流测量序列能够高效率地采集完整的涡流相位信息；测试支架能够精确定位样品位置；采用四组指数函数模型，能够快速、精确地拟合出涡流曲线；通过多次迭代校正幅度常数，实现了补偿效果的最优化。该方案的缺点是涡流采集是通过自由衰减信号间接采集到了，其精确度没有传感器线圈直接采集的精准。
7.宋瑞、何砚发、张波《一种永磁磁共振中磁体涡流场的测量方法》(波谱学杂志第35卷第1期)将探测线圈置于mri扫描仪的磁场区域，同时将连接mri主磁体系统与梯度系统的电缆垂直穿过罗氏线圈环形骨架的中心。在mri扫描仪工作时，工作区域的实际磁场以及由梯度系统控制的梯度磁场变化会分别在探测线圈以及罗氏线圈中产生感生电动势，根据电磁感应定律可以计算出mri扫描仪工作区域的梯度磁场(实际梯度磁场)与梯度系统控制的梯度磁场(理想梯度磁场)。假设理想梯度磁场为bi，由于涡流产生的磁场(涡流场)为be，实际梯度磁场br＝bi+be。将理想梯度磁场与实际梯度磁场进行相减就可以得到涡流场的波形。实验中通过探测线圈和罗氏线圈采集到的是电压信号，后续将通过程序对电压数据进行数值积分及其他必要的运算得到磁场随时间变化的数据及波形。这种方法同样也存在传感器线圈绕制精度误差比较大的问题。


技术实现要素：

8.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于pcb实现的电感线圈对梯度涡流检测和补偿的方法和装置。
9.本发明采用的方案之一为：一种基于pcb实现的电感线圈对梯度涡流检测和补偿的装置，包括x、y、z三个梯度方向，在同一梯度方向上不同位置平行放置一对完全相同的线圈；
10.对于单个线圈：所述线圈铺设于pcb板上，具体的：pcb板采用4层结构，正反两面表面层铺设绕制平面电感线圈线路，所述铺设于正反两面表面层的平面电感线圈线路各包括一个外部连接点与一个内部连接点，所述外部连接点用于连接外部电路将感应到的电压信号输出，所述内部连接点用于铺设于正反两面表面层的平面电感线圈线路之间的连接；同一梯度方向上的该对线圈之间通过内部连接点连接，
11.x、y两个梯度方向的两对线圈铺设于第一pcb板上，且x、y两个梯度方向的两对线圈关于磁场中心位置对称；z梯度方向的这对线圈分别铺设于两块pcb板上；z梯度方向的这对线圈所在的两块pcb板通过支架分别固定于第一pcb板两侧，且这两块pcb板关于磁场中心位置对称。
12.所述线圈采用正方形平面线圈结构。
13.所述第一pcb板安装于可在x、z轴两个方向移动的导轨上。
14.还包括确定线圈包含的面积与同一梯度方向的这对线圈的距离的设计量级，具体为：根据最大的梯度场强、梯度电流放大器正常工作时允许达到的最快的梯度爬升时间、梯度磁场变化能产生的最大感应电压，得到线圈包含的面积与同一轴向的这对线圈的距离的设计量级。
15.还包括差分转单端电路，用于将同一轴向的一对线圈输出的差分信号转换为单端信号。
16.所述差分转单端电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一放大器、第二放大器，第一电阻第一端接同一轴向的一对线圈中的其中一个线圈的输出信号，第一电阻第二端接第四电阻第一端，第四电阻第二端接第一放大器的输出；第三电子第一端接同一轴向的一对线圈中的另一个线圈的输出信号，第三电阻第二端接第五电阻的第一端，第五电阻第二端接第二放大器输出端，第三电阻第二端还接第二放大器反相输入端，第二放大器输出端还接第二电阻第一端，第二电阻第二端接第一放大器反相输入端，第一放大器同相输入端接地，第二放大器同相输入端接地。
17.本发明采用的方案之二为：一种基于pcb实现的电感线圈对梯度涡流检测和补偿的方法，所述方法采用上述装置检测每个梯度方向的涡流信号，然后根据涡流曲线分解得到4组补偿参数，每组参数由一个时间参数和一个幅度值参数组成，在4组参数中包含2个短时间参数和2个长时间参数；将其经过e指数计算后的值叠加到梯度原始波形上，完成梯度预加重波形的生成。
18.所述涡流曲线表达式为：
[0019][0020]
其中，n表示采样点数，t
s
为采样间隔时间，a
i
为幅度参数，t
i
是时间参数，i＝1、2、3、4。
[0021]
还包括最佳涡流补偿参数的计算过程，当理想梯度波形和实际波形差值平均值和均方差都小于设定的阈值时，对应的涡流补偿参数为最佳涡流补偿参数。
[0022]
本发明的有益效果：本发明的一种利用印刷电路板技术(printed circuit board,pcb)设计和制作平面电感线圈电路和结构工装，实现在磁共振(mri)系统中进行涡流检测和涡流补偿的方法。pcb具有高密度化，高可靠性，可设计性，可生产性，可组装性和可维护性六个方面的特点，制作的线圈可克服传统线圈体积大、一致性差等缺点，且成本低，稳定性高。在1.5t的mri系统进行实验证明，本发明可以快速获取补偿参数，获得较好补偿结果。
[0023]
本发明基于pcb平面电感线圈在结构的稳定性和准确性上有优势，最终应用在系统上的涡流补偿参数是由单通道和交叉项的补偿参数组成的，完整测试所有通道的涡流补偿实验，只需要30分钟不到就可以得到所有涡流补偿参数。
附图说明
[0024]
图1为本发明实施例提供的实际的梯度场和理想的梯度场的比较；
[0025]
其中，图1(a)为实际的梯度场和理想的梯度场的比较得到涡流，图1(b)为涡流叠加到理想梯度场得到过电流曲线；
[0026]
图2为本发明实施例提供的利用pcb实现的电感线圈的方法对梯度涡流进行检测的原理框图；
[0027]
图3为本发明实施例提供的线圈示意图；
[0028]
其中，图3(a)为线圈平面示意图，图3(b)为线圈横截面示意图；
[0029]
图4为本发明实施例提供的差分转单端的电路设计图；
[0030]
图5为本发明实施例提供的x、y方向线圈板卡设计示意图；
[0031]
图6为本发明实施例提供的x、y方向线圈板卡尺寸示意图；
[0032]
图7为本发明实施例提供的工装位置固定示意图；
[0033]
图8为本发明实施例提供的x方向移动固定示意图；
[0034]
图9为本发明实施例提供的z方向移动固定示意图；
[0035]
图10为本发明实施例提供的线圈工装装配示意图。
具体实施方式
[0036]
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
[0037]
综合考虑各种涡流补偿方法的优缺点，本发明采用了基于电感线圈测量梯度的补偿方法，这种方法具体原理是测量出实际梯度波形，如图1所示，将实际的梯度场和理想的梯度场进行比较得到如图1中阴影部分所示涡流衰减曲线，然后将通过比较得到的涡流衰减曲线叠加到理想梯度波形上去，形成一个梯度“过电流”；
[0038]
因为梯度线圈周围金属部件的涡流效应一直存在，梯度波形发射出去后会受到涡流的影响，通过实际波形与理想波形的比较得到涡流对梯度的衰减曲线，叠加该曲线的“过电流”再次发射，此时发射出的经过预加重的梯度波形经过梯度线圈涡流效应衰减之后的实际波形就接近理想的梯度波形，从而也就减弱或者消除了涡流的影响。采用这种方法最重要的是要解决传统梯度线圈带来的问题，提高采集到的数据的准确性，本发明采用现代化的印刷电路板(printed circuit board,pcb)技术进行电感线圈改进。
[0039]
pcb有高密度化，高可靠性，可设计性，可生产性，可组装性和可维护性六个方面的特点。采用pcb技术设计制作的线圈可保证线圈的线径、绕线的宽度、线间距和绕线圈数等参数精确可控，克服了传统机械绕制线圈体积大、一致性差的缺点，且pcb线圈可结合结构工装进行设计，线圈结构的稳定性、采集数据的准确性和系统的可重复性更高，成本也相对较低，利于涡流补偿采集数据的精确计算和分析，从而增强涡流补偿的效果。
[0040]
利用pcb实现的电感线圈的方法对梯度涡流进行检测，测量出在梯度波形发生器控制下产生的实际梯度磁场的大小，然后将梯度磁场的测量值和理论值进行比较，计算出需要进行梯度波形预加重的“过电流”的大小。如图2所示，在x、y、z三个梯度方向上各放置一对串联的平面电感线圈coil1和coil2，磁场中不同位置的电感线圈产生的感应电动势不同，同一梯度方向上两不同位置的电感线圈产生的感应电压也就不同，两位置的感应电压看做是差分电压，这对差分信号通过差分传输方式传输至模数转换单元，差分传输方式可以有效减小环境干扰，这个信号是梯度磁场场强变化产生的微分信号，然后在数字域对其进行积分处理还原出实际的梯度场，将经过积分处理后的梯度场波形与理论值进行比较才能得到真实的涡流大小。
[0041]
本发明的具体实现过程如下：
[0042]
1)基于pcb的电感线圈设计
[0043]
根据法拉第电磁感应定律，一个包含面积为s、匝数为n的线圈在一个场强随时间变化的磁场b(t)中产生的感应电压的值u
i
(t)可用一个与时间t有关的公式(1)表达
[0044]
[0045]
在同一轴向梯度方向上不同位置平行放置一对完全相同的线圈(匝数为n，面积为s)，用导线将两个线圈串联，两线圈之间距离为δr，我们可以得到一个在变化的梯度场中两不同位置线圈之间的差分电压δu
i
(t)，可用式(2)表达：
[0046][0047]
梯度场强g(t)可由式(3)可以推出：
[0048][0049]
由式(3)可以看出，实际的梯度场强的大小与线圈匝数n、线圈包含的面积s和同一梯度方向上平行放置的串联的两线圈之间的距离δr有关，固定n、s和δr的值，测量出微分电压δu
i
(t)后并积分就可以利用公式(3)计算出实际梯度场g(t)的大小。
[0050]
利用adc板卡采集信号δu
i
(t)后在数字域进行数字积分得到实际梯度g(t)，如图2所示。
[0051]
对于感应线圈本身，梯度磁场变化能产生的最大感应电压δu
imax
可用式(4)表示：
[0052][0053]
g
max
代表最大的梯度场强，t
rise
表示梯度电流放大器正常工作时允许达到的最快的梯度爬升时间，根据这个公式，可以设定δu
imax
，g
max
和t
rise
，反推出线圈本身所要达到的设计要求。实验使用的梯度放大器型号为c781，梯度线圈型号是mfc16。这套梯度装置其电流转化率为70a/v，所能产生的最大梯度切换率为35.1mt/m。序列运行时，极限梯度爬升时间t
rise
最小为115us，定义感应电压的差值最大值δu
imax
为10v，根据以上参数设置可得到式(5)：
[0054]-nsδr≈33000cm3ꢀꢀꢀ
(5)
[0055]
这是关于线圈的设计要求，s应该在cm2量级，δr在cm量级。pcb板采用4层结构设计，正反两面表面层铺设绕制平面电感线圈线路，采用正方形平面线圈结构进行设计，内部两层进行打孔连接走线，这样设计的线圈结构清晰，走线分布也不易出错，降低了平面电感线圈的制造难度，便于生产。
[0056]
根据式(5)和设计要求的参数设置，推导出式(7)。
[0057]-nsδr≈33000cm3＝55
×2×
20cm2×
15cm
ꢀꢀꢀ
(7)
[0058]
其中公式(7)中的55每层线圈的绕线匝数n的值，2表示一个4层线圈结构的设计2层用于绕制线圈，另外2层用于打孔连接走线，20cm2为每匝线圈的平均面积s的值，15cm是两个平面电感线圈之间的距离δr。
[0059]
研究选择使用正方形的平面无芯电感线圈螺旋结构进行设计，从内部开始顺时针方向向外走线，当线圈圈数n为55时，每圈线圈包含的平均面积s为20cm2。满足设计要求。
[0060]
单个线圈的具体的线圈参数设计如下图3，d
in
表示正方形线圈的内径，d表示线圈外径，h表示每层的层厚，r
h
表示层与层之间的间距，r
x
表示线与线之间的间距，d
x
表示线宽。单层线圈提供两个接线点，一个外部接线点用来连接外部电路，从而将感应到的电压信号输出，一个内部接线点用于连接上下两层感应线圈，内部接线点之间的线路在pcb板做内部走线。
[0061]
2)差分信号传输设计
[0062]
同一梯度方向上电感线圈组感应的信号为差分信号，adc板卡为16位单端直流耦合adc输入，需要先设计一个差分转单端电路将差分信号转换成单端信号才能输入到adc转化成数字信号，差分转单端的电路设计如下如图4所示。
[0063]
3)工装设计
[0064]
在mri系统中，理论上磁体腔的物理中心位置就是磁场中心位置，此处的梯度磁场强度最小为零，在设计感应线圈的工装时，使主磁场方向与感应线圈平面垂直，保证各方向的一致对齐，使主磁场磁感线能垂直穿过感应线圈，这样产生的感应电压才是最接近理论值的。
[0065]
x、y梯度方向的线圈板卡按图5所示进行设计，使每个方向的两个线圈处于关于磁场中心位置对称的两个位置，这样设计的x和y梯度方向的每组电感线圈都是平行排布在同一平面的，可以确保线圈方向的一致性，同时达到节约材料的目的。每个线圈中心打孔，整个线圈板卡中心打孔方便z梯度方向的线圈的走线和连接固定。除此之外，需要考虑线圈在使用时要能够正常安放于磁体腔内部。我们使用的1.5t磁共振系统的磁体腔内部为圆形结构，内部半径r约为35cm，如图6，xy梯度方向的板卡长度不能高于49.497cm，本发明设计的xy平面的平面线圈板板卡长度为22.75cm，满足正常放入磁体腔的要求。
[0066]
如图7所示，z梯度方向使用两个独立的线圈通过支架安装固定，保持严格水平，两平面线圈通过一根导线进行串联，设计好的平面线圈固定在结构工装上，可保证各轴向线圈组的严格水平和稳定性，再利用磁体腔床板特点针对结构工装进行设计，可以达到使各组平面线圈和梯度磁场方向垂直的目的。由于磁体腔内床板的存在，在设计结构工装时就不考虑y梯度方向上的物理位置变动场景，只考虑x和z梯度方向上的位置变动测试场景，测试线圈在x和z轴方向，以fov为中心，
±
50mm范围内，10mm为步距移动。实验时，将工装支架放在床板上，使用激光水平仪进行辅助，移动图7所示框架结构，调整好水平位置后，用左右4个螺栓将结构工装紧固在床板上，便固定不动，使平面线圈与主磁场磁场的方向保持垂直不变。
[0067]
在x梯度方向移动时，则移动如图8所示框架结构，移动前先将四角处的四个螺钉拧松，将框架滑动至目标位置，再拧紧这四个螺钉，导轨上有10mm等间距刻线，可做位置参考。
[0068]
在z梯度方向运动时，则移动如图9所示框架结构，移动之前先将两端出的2个螺钉拧松，将结构框架滑动至目标位置，再拧紧这2个螺钉，同样的，导轨上有10mm等间距刻线，以作位置参考。
[0069]
x、y和z各个梯度方向的感应线圈需要一直保持平衡和稳定，梯度线圈在工作时会产生强烈振动和噪声，会直接影响到和梯度线圈部件有连接的其他部件的稳定性和平衡性，病床床板和磁体腔是分离开的，没有连接部分，梯度线圈的振动就不会影响到床板，如图10所示，将电感线圈的结构工装置于病床床板上，以维持线圈结构工装的平衡，使其在梯度线圈工作产生振动时保持稳定，各个轴向电感线圈方向保持与主磁场方向的垂直后才能在变化的梯度场内产生同理论值接近的随时间变化的感应信号。
[0070]
4)涡流校正参数计算以及补偿
[0071]
根据mri线圈涡流l-r电路模型，在数字信号处理系统中，取离散量t＝n
·
t
s
，其中n＝0,1,2,3...,t
s
为采样间隔时间，涡流曲线可表示为式(8)：
[0072][0073]
其中n表示采样点数，a
i
为幅度参数，其范围在-1到1之间，t
i
是时间参数，在每个自身梯度轴或者交叉项梯度通道检测到的涡流信号，根据其函数表达的涡流曲线可分解得到4组补偿参数，每组参数由一个时间参数和一个幅度值参数组成，在4组参数中包含2个短时间参数和2个长时间参数。将其经过e指数计算后的值叠加到梯度原始波形上去就可以完成梯度预加重波形的生成。其中对涡流信号的参数分解，寻找多组时间常数和幅度常数的问题实际上就数学中的在有约束条件下多变量函数最优化的问题。最优化阈值条件用两个指标来控制：理想梯度波形和实际波形差值平均值和均方差其关系由式(9)和式(10)给出。
[0074][0075][0076]
其中，平均值能反应出梯度磁场的大小，均方差则反应出涡流对磁场的影响情况。理想状态下，当梯度线圈工作时，产生的梯度磁场就应该为标准的梯度波，梯度线圈关闭时，梯度磁场场强就应该变为零。如果计算得到的平均值较小但是均方差比较大，那就说明梯度场在低场强条件下的磁场波动较大，当平均值和均方差都比较小的时候，就说明涡流对梯度场的影响就通过我们的涡流补偿操作被修正了。所以，在实验控制过程中，我们需要给定平均值和均方差二者一个阈值，在计算过程中对得到的平均值和均方差进行判断，当两个参数的值都小于我们规定的阈值的时候，就可以认为我们进行的涡流补偿操作基本消除了涡流的影响，这个时候对应的涡流补偿参数就是我们最终获取到的最佳的梯度预加重参数，也就可以结束涡流补偿实验进程。反之，若两个参数没有同时达到小于我们设置的阈值的要求，就继续进行实验，重复整个涡流补偿实验过程，通过调整4组补偿参数，即在平均值和均方差约束下寻找多变量函数最优化的多组时间常数和幅度常数，直至求得的参数都小于设置的阈值，才结束整个实验。
[0077]
本实施例中的阈值可以根据经验设定，本发明中将的阈值设置为5，的阈值设置为10，得到涡流补偿后的效果是比较理想的。
[0078]
具体的参数阈值设置可以参考文献：刘正敏,周荷琴,武海澄.磁共振成像系统的一种快速涡流补偿方法[j].中国医疗器械杂志,2005,29(6):410-413.
[0079]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。