CN104614694B - 一种磁共振梯度涡流补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振梯度涡流补偿方法，该方法在常规梯度波形发生器上增加多路时间参数和幅度参数独立可调的反向过冲模块；同时，在每一路梯度通道中增加切换开关，使每一路梯度通道可以在主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式之间进行切换；然后，分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节；最后，将所有梯度通道恢复至常规模式，采用数值算法优化预加重参数和反过冲参数；采用本发明的方法，可以在预加重和自屏蔽两种技术联用时，提高对涡流场的短时分量的抑制效果，同时保持对涡流场中、长时分量的抑制效果。

Description

一种磁共振梯度涡流补偿方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术，具体涉及梯度涡流补偿方法。

背景技术

磁共振成像技术已经成为医学诊断中非常有用的工具。磁共振成像仪器主要包括以下几个部分：磁体子系统、梯度子系统、射频子系统、谱仪子系统和主计算机。其中，磁体子系统用于产生静磁场；梯度子系统用于产生三维空间定位的梯度磁场；射频子系统用于产生激励信号和采集磁共振信号；谱仪子系统主要用于控制梯度子系统和射频子系统，使它们在成像过程中协同工作；主计算机主要用于实现成像方案选择以及图像重建和显示等功能。

在磁共振成像过程中，梯度子系统在谱仪子系统的控制下，产生用于三维空间定位的梯度磁场。其中，梯度子系统包括梯度放大器和梯度线圈，谱仪子系统包括控制计算机、脉冲序列发生器、梯度波形发生器、发射机和接收机。梯度波形发生器在脉冲序列发生器的控制下，产生成像所需的梯度波形信号。该信号经过梯度放大器放大之后驱动梯度线圈，在成像空间产生梯度磁场。梯度波形发生器、梯度放大器和梯度线圈构成一个梯度通道。为了进行三维空间定位，一套磁共振成像仪器至少需要配备三路独立的梯度通道。

在磁共振成像过程中，为了进行三维空间定位，需要不断地开关梯度磁场或者改变梯度磁场的强度和极性。梯度磁场的变化会在成像空间周围的金属物质中感应出涡流，由此产生的涡流场会干扰梯度磁场，导致梯度磁场的实际变化规律与目标变化规律相差很大。在现代磁共振成像仪器中，一般都采用预加重和自屏蔽两种技术来抑制涡流场对梯度磁场的干扰。

预加重技术的核心是利用“涡流场总是阻碍产生它的梯度磁场的变化”这一规律，通过对梯度波形施加过冲来抵消涡流场对梯度磁场的干扰。通常每个梯度通道需要施加3至5路的预加重，每一路预加重的时间参数和幅度参数都是独立可调的。一般而言，预加重功能是在梯度波形发生器中实现的。

自屏蔽技术是一种梯度线圈设计技术，其核心是用一对绕线方向相反的线圈(主线圈和屏蔽线圈)代替单线圈来构成梯度线圈。理论上，在主线圈和屏蔽线圈的共同作用下，可以在成像空间产生所需的梯度磁场，同时在屏蔽线圈以外的空间产生零磁场。这样，位于屏蔽线圈之外的金属物质中就不会感应出涡流。主线圈和屏蔽线圈之间的距离越小，布线轨迹越相似，屏蔽效果越好。但主线圈和屏蔽线圈所在平面(或者曲面)不能重合，而且两线圈的布线轨迹不能一致，否则会导致梯度线圈电流效率过低，要求梯度放大器提供非常大的输出电流，甚至无法在成像空间产生足够的梯度磁场。

上述两种技术独立使用均可在很大程度上抑制涡流场对梯度磁场的干扰。两种技术联用的效果更佳，特别是对涡流场的中、长时分量的抑制效果非常显著。然而，当联用两种技术时，对涡流场的短时分量的抑制变得更加困难。在快速成像扫描过程中，特别是在梯度磁场急剧切换的情况下，涡流场的短时分量所产生的影响是不可忽略的，否则得到的图像中会出现伪影，影响图像质量和诊断准确性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种磁共振梯度涡流补偿方法，该方法在预加重技术和自屏蔽技术联用时，提高对涡流场短时分量的抑制效果，同时保持对涡流场中、长时分量的抑制效果。

本发明的目的是这样实现的：

首先，在常规的梯度波形发生器上增加多路反向过冲模块，每一路反向过冲模块的时间参数和幅度参数独立可调；同时，在每一路梯度通道中增加切换开关，使每一路梯度通道可以在主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式之间进行切换。然后，分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节。最后，将所有梯度通道恢复至常规模式，采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数。

所述的“主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式”是指：主线圈模式，即只将梯度线圈中的主线圈接入梯度通道；屏蔽线圈模式，即只将梯度线圈中的屏蔽线圈接入梯度通道；常规模式，即主线圈和屏蔽线圈串联接入梯度通道。

所述的“分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节”是指对每一路梯度通道进行如下操作：

(1)在主线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路预加重参数，包括时间参数和幅度参数；

(2)在屏蔽线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路反向过冲参数，包括时间参数和幅度参数。其中，(1)和(2)的先后次序可以交换。

所述的“采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数”是指如下操作：

(1)以预加重参数和反向过冲参数中的时间参数作为衰减常数构成指数多项式；

(2)预加重参数中的幅度参数为正值，反向过冲参数中的幅度参数为负值；

(3)预加重参数与反向过冲参数相加，时间参数相同的项合并，时间参数不同的项保留；

(4)根据梯度波形发生器上预加重的通道数和反向过冲的通道数，采用数值算法进行拟合，目标函数为步骤(3)得到的结果，得到的拟合参数包括幅度参数及其对应的时间参数。其中，取正值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的预加重参数，取负值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的反向过冲参数。

本发明的益处是分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节，可以更准确地得到每一路梯度通道的预加重参数，同时可以得到反向过冲参数，能够在联用预加重和自屏蔽两种技术时，提高对涡流场短时分量的抑制效果，同时保持对涡流场中、长时分量的抑制效果。

附图说明

图1本发明流程图；

图2为常规梯度波形发生器结构示意图；

图3为本发明所述在常规梯度波形发生器上增加多路反向过冲模块示意图；

图4为本发明所述反向过冲模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其他相关特征作进一步阐述。

参阅图1，本发明提出的方法是，首先在常规的梯度波形发生器上增加多路反向过冲模块，使每一路反向过冲模块的时间参数和幅度参数独立可调；同时，在每一路梯度通道中增加切换开关，使每一路梯度通道可以在主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式之间进行切换。然后，分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节。最后，将所有梯度通道恢复至常规模式，采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数。

参阅图2，常规的梯度波形发生器由逻辑控制单元、接口电路、数据存储单元、数模转换器、预加重模块和信号调理模块等部分组成。其中，逻辑控制单元用于控制梯度波形发生器上其他各部分工作；接口电路用于实现梯度波形发生器与控制计算机之间的通信；数据存储单元用于保存来自控制计算机的波形数据；数模转换器用于实现数字信号到电压信号的转换；预加重模块用于对数模转换器输出的电压信号进行过冲处理。信号调理模块用于对信号进行放大和滤波，以满足梯度放大器的输入要求。

实施例

参阅图3和图4，本发明在常规的梯度波形发生器上增加多路反向过冲模块，使每一路反向过冲模块的时间参数和幅度参数独立可调。在信号链路中，反向过冲模块的前级是数模转换器，后级是信号调理模块。反向过冲模块采用微分电路、分压电路和反向跟随器来实现。其中，微分电路中采用电位器或者可变电容来实现反向过冲模块的时间参数可调，分压电路中采用电位器来实现反向过冲模块的幅度参数可调。反向过冲模块也可以在梯度波形发生器的逻辑控制单元中实现，通过修改逻辑控制单元内部寄存器的值，可以实现反向过冲模块的时间参数和幅度参数独立可调。

本发明在每一路梯度通道中增加切换开关，使每一路梯度通道可以在主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式之间进行切换。切换开关需采用无磁材料构成，以免影响磁共振成像仪器的静磁场。

本发明所述的“主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式”是指：主线圈模式，即只将梯度线圈中的主线圈接入梯度通道；屏蔽线圈模式，即只将梯度线圈中的屏蔽线圈接入梯度通道；常规模式，即主线圈和屏蔽线圈串联接入梯度通道。

参阅图1，本发明所述的“分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节”是指对每一路梯度通道进行如下操作：(1)在主线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路预加重参数，包括时间参数和幅度参数；(2)在屏蔽线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路反向过冲参数，包括时间参数和幅度参数。其中，(1)和(2)的先后次序可以交换。

由于主线圈和屏蔽线圈所在平面(或者曲面)不重合，而且两线圈的布线轨迹不一致，因此在上述主线圈模式和屏蔽线圈模式下测得的时间参数和幅度参数不相同。

所述的“调节梯度波形发生器的各路预加重参数”通过以下步骤实现：

(1)、选取一路梯度通道，首先将该通道所有预加重参数和反向过冲参数均置为0，然后在该通道上施加一个梯度脉冲。脉冲宽度T_p至少应大于τ_max的10倍，脉冲幅度为允许设置的最大值。其中τ_max是一个估计值，约等于梯度涡流衰减时间常数的上限。

(2)、在梯度脉冲结束后间隔T_d时间，开始采集磁共振Fid信号，并计算和记录信号的积分值。T_d的初始值为预加重参数中允许设置的最小时间参数的1/10，增加T_d，重复上述过程，直到T_d等于预加重参数中允许设置的最大时间参数的10倍。

(3)、根据步骤(2)记录的T_d和对应的积分值，采用数值算法计算时间参数。若梯度波形发生器具有N路预加重，则计算结果中取幅度最大的前N组时间参数，作为调节梯度波形发生器的各路预加重时间参数；同时记录这N组幅度参数，R₁，R₂，...R_N。

(4)、保持各路预加重时间参数不变，改变各路预加重幅度A₁，A₂，...A_N，采集磁共振Fid信号，并计算和记录信号的积分值。A₁，A₂，...A_N的初始值均为0，每次增加的值为δ₁，δ₂，...δ_N，且满足δ₁：δ₂：...：δ_N＝R₁：R₂：...：R_N。

(5)、用得到信号积分最大值的一组A₁，A₂，...A_N设置各通道的预加重幅度参数，时间参数保持不变。

针对三个梯度通道，分别执行步骤(1)～(5)。

所述的“调节梯度波形发生器的各路反向过冲参数”通过以下步骤实现：

(1)、选取一路梯度通道，首先将该通道所有预加重参数和反向过冲参数均置为0，然后在该通道上施加一个梯度脉冲。脉冲宽度T_p至少应大于τ_max的10倍，脉冲幅度为允许设置的最大值。其中τ_max是一个估计值，约等于梯度涡流衰减时间常数的上限。

(2)、在梯度脉冲结束后间隔T_d时间，开始采集磁共振Fid信号，并计算和记录信号的积分值。T_d的初始值为反向过冲参数中允许设置的最小时间参数的1/10，增加T_d，重复上述过程，直到T_d等于反向过冲参数中允许设置的最大时间参数的10倍。

(3)、根据步骤(2)记录的T_d和对应的积分值，采用数值算法计算时间参数。若梯度波形发生器具有M路反向过冲，则计算结果中取幅度最大的前M组时间参数，作为调节梯度波形发生器的各路反向过冲时间参数；同时记录这M组幅度参数，R′₁，R′₂，...R′_M。

(4)、保持各路反向过冲时间参数不变，改变各路反向过冲幅度A′₁，A′₂...A′_M，采集磁共振Fid信号，并计算和记录信号的积分值。A′₁，A′₂...A′_M的初始值均为0，每次增加的值为δ′₁，δ′₂，...δ′_M，且满足δ′₁：δ′₂：...：δ′_M＝R′₁：R′₂：...：R′_M。

(5)、用得到信号积分最大值的一组A′₁，A′₂...A′_M设置各通道的反向过冲幅度参数，时间参数保持不变。

针对三个梯度通道，分别执行步骤(1)～(5)。

本发明所述的“采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数”是指如下操作：

(1)以预加重参数和反向过冲参数中的时间参数作为衰减常数构成指数多项式；

(2)预加重参数中的幅度参数为正值，反向过冲参数中的幅度参数为负值；

(3)预加重参数与反向过冲参数相加，时间参数相同的项合并，时间参数不同的项保留；

(4)根据梯度波形发生器上预加重的通道数和反向过冲的通道数，采用数值算法进行拟合，目标函数为步骤(3)得到的结果，得到的拟合参数包括幅度参数及其对应的时间参数。其中，取正值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的预加重参数，取负值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的反向过冲参数。

Claims (2)

1.一种磁共振梯度涡流补偿方法，其特征在于：在梯度波形发生器上增加多路反向过冲模块，每一路反向过冲模块的时间参数和幅度参数独立可调；同时，在每一路梯度通道中增加切换开关，使每一路梯度通道在主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式之间进行切换；然后，分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节；最后，将所有梯度通道恢复至常规模式，采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数；其中：

所述主线圈模式、屏蔽线圈模式和常规模式是指：主线圈模式，即只将梯度线圈中的主线圈接入梯度通道；屏蔽线圈模式，即只将梯度线圈中的屏蔽线圈接入梯度通道；常规模式，即主线圈和屏蔽线圈串联接入梯度通道；

所述采用数值算法优化各梯度通道的预加重参数和反向过冲参数是指如下操作：

（1）以预加重参数和反向过冲参数中的时间参数作为衰减常数构成指数多项式；

（2）预加重参数中的幅度参数为正值，反向过冲参数中的幅度参数为负值；

（3）预加重参数与反向过冲参数相加，时间参数相同的项合并，时间参数不同的项保留；

（4）根据梯度波形发生器上预加重的通道数和反向过冲的通道数，采用数值算法进行拟合，目标函数为步骤（3）得到的结果，得到的拟合参数包括幅度参数及其对应的时间参数；

其中，取正值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的预加重参数，取负值的幅度参数及其对应的时间参数用于设置梯度波形发生器的反向过冲参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述分别在主线圈模式和屏蔽线圈模式下对每一路梯度通道进行参数调节是指对每一路梯度通道进行如下操作：

（1）在主线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路预加重参数，包括时间参数和幅度参数；

（2）在屏蔽线圈模式下，调节梯度波形发生器的各路反向过冲参数，包括时间参数和幅度参数；

其中，（1）和（2）的先后次序能够交换。