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磁共振成像系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于磁共振成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件。旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件包括三組梯度線圈組，這三組梯度線圈組所產(chǎn)生梯度磁場的方向互為正交；在主磁場沿水平方向的圓筒狀磁共振系統(tǒng)中，兩組梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于主磁場的水平方向及鉛垂方向均成45度角，另一組梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與主磁場方向一致。在需施加垂直于主磁場的水平方向或鉛垂方向的梯度磁場時，由兩個梯度線圈組同時施加梯度磁場，達(dá)到增加最大合梯度磁場的幅值和合切變率的目的。
【專利說明】磁共振成像系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磁共振成像系統(tǒng)，尤其涉及一種磁共振成像系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件。

【背景技術(shù)】
[0002]在磁共振成像系統(tǒng)中，梯度線圈組由三組梯度線圈組成，用來產(chǎn)生在空間呈線性分布的梯度磁場。通過脈沖序列，可實(shí)現(xiàn)對梯度磁場幅度的時序控制。由此可引起成像區(qū)域內(nèi)核子的進(jìn)動頻率隨其空間位置的不同而不同，實(shí)現(xiàn)對成像物體中核子信號的空間編碼。該信號由射頻線圈采集，并通過圖像重建算法獲得圖像。三組梯度線圈組按常規(guī)分別記為Gx梯度線圈組、Gy梯度線圈組和Gz梯度線圈組，各自產(chǎn)生的梯度方向在空間中相互正交，通常與空間坐標(biāo)系中垂直于磁共振設(shè)備掃描床頭腳方向的水平方向、鉛垂方向和掃描床頭腳方向一致，也與脈沖序列中三個邏輯軸的梯度方向一致。三組梯度線圈可以單獨(dú)運(yùn)行，也可任意兩組線圈同時運(yùn)行，也可三組線圈同時運(yùn)行，即按需求合成任意方向的梯度磁場。在梯度線圈中，每組梯度線圈具有阻抗和電感，分別由一個梯度放大器驅(qū)動。
[0003]在常規(guī)成像中，通常采集被試的橫斷面，以及少數(shù)的冠狀面、矢狀面成像，在這三個方向的成像時，在一個時刻如層選時刻或讀出時刻，只有一個方向的梯度線圈在工作；在這種只有一個方向的梯度線圈工作時，實(shí)際最大梯度幅值是單個梯度線圈的最大梯度幅值。特別地，在平面回波成像(EPI)時，一個TR內(nèi)要完成一個層面的編碼，使得大部分時間內(nèi)只有讀出梯度這一個方向梯度工作，線圈總體運(yùn)行效率較低。
[0004]梯度線圈的性能主要包括最大梯度幅值、梯度切變率、占空比(duty cycle)和潤流補(bǔ)償。高性能的梯度線圈具有更高的最大梯度幅值和切變率，使得梯度磁場可快速達(dá)到較大梯度磁場幅值，從而提高了梯度磁場編碼成像物體的效率，縮短了回波時間(TE)和/或重復(fù)時間(TR)，提高了成像的時間分辨率和/或空間分辨率。高性能的梯度線圈使得快速成像方法(如平面回波成像(EPI)、梯度回波-自旋回波(GRASE)、三維快速自旋回波(3D-FSE)、對比增強(qiáng)磁共振血管成像(CE MRA)等)成為可能?？偟膩碚f，在不引起神經(jīng)刺激的安全范圍內(nèi)，梯度線圈性能越高越好。
[0005]為了產(chǎn)生更強(qiáng)的梯度磁場，梯度線圈需要靠繞更多匝數(shù)的線圈和/或更強(qiáng)的電流來支撐。線圈匝數(shù)的增加將增加梯度線圈的體積，在磁體大小一定的條件下，空腔的大小將變小，空腔變小將限制成像物體的大??；在成像空腔大小一定的條件下，梯度線圈體積增大使得磁體增大，使得磁體的成本增加。更強(qiáng)的電流會產(chǎn)生更強(qiáng)的渦流效應(yīng)，使得梯度磁場的線性度降低。梯度的快速切換主要依賴于梯度放大器提供的強(qiáng)電壓，而且快速的切換會在梯度線圈上產(chǎn)生熱量，對冷卻系統(tǒng)的冷卻功能提出更高要求。占空比也依賴于梯度放大器的性能。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有的梯度線圈存在以下幾點(diǎn)不足:1.成像時三組梯度線圈常單獨(dú)運(yùn)行，使得梯度線圈的總體運(yùn)行效率不高；2.梯度線圈產(chǎn)生的有效最大梯度幅值不夠、有效切變率不夠，無法滿足快速成像方法對縮短TE和/或TR，并提高成像的時間分辨率和/或空間分辨率的要求；3.高性能的磁共振成像系統(tǒng)需要高性能的梯度線圈，而在現(xiàn)有的梯度線圈制作材料和工藝下，提高梯度線圈的性能將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高制作成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種磁共振成像系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件。
[0008]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件，包括安裝在主磁場沿水平方向的圓筒狀磁共振系統(tǒng)中圓柱形腔體上的Gl梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組；G1梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向相互正交；其特征在于，Gl梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于主磁場的水平方向及鉛垂方向均成45度角，G2梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于主磁場的水平方向及鉛垂方向均成45度角，G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與主磁場方向一致。
[0009]用于圓筒狀磁共振系統(tǒng)中圓柱形腔體上的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件的脈沖序列，通過以下步驟優(yōu)化得到:
(1)輸入邏輯軸下的脈沖序列波形；
(2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序，劃分時間段；
(3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化，對每一個需要優(yōu)化的時間段，分別計(jì)算三個邏輯軸下梯度的幅值和面積；
(4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，則表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形；
所述步驟(4)中的設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形，方法為:首先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，將邏輯軸下Gx梯度和Gy梯度的幅值分解成物理軸下的Gl梯度和G2梯度上的幅值，再將Gx梯度和Gy梯度在Gl梯度的幅值進(jìn)行疊加，將Gx梯度和Gy梯度在G2梯度的幅值進(jìn)行疊加，得到Gl梯度波形和G2梯度波形；增大Gl梯度和G2梯度的幅值得到優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形，保持優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形的面積均不變，使優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度的時間與最短時間相等，同時優(yōu)化后的Gl梯度幅值和G2梯度幅值不能超出Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組的最大梯度；如果為層選或梯度編碼梯度，還需相應(yīng)增大射頻激發(fā)和接收的采樣頻率，以保持優(yōu)化后Gl梯度波形和G2梯度波形掃描的圖像上的層厚和讀出方向視野大小不變。
[0010]一種旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件，包括安裝在主磁場沿鉛垂方向的平板狀磁共振系統(tǒng)中上下兩個平板上的Gl梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組；G1梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向相互正交；其特征在于，Gl梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于掃描床頭腳方向的水平方向及掃描床頭腳方向均成45度角，G2梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于掃描床頭腳方向的水平方向及掃描床頭腳方向均成45度角，G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與主磁場方向一致。
[0011]用于平板狀磁共振系統(tǒng)中上下兩個平板上的轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件的脈沖序列，通過以下步驟優(yōu)化得到: (1)輸入邏輯軸下的脈沖序列波形；
(2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序，劃分時間段；
(3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化，對每一個需要優(yōu)化的時間段，分別計(jì)算三個邏輯軸下梯度的幅值和面積；
(4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，則表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形。
[0012]所述步驟(4)中的設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形，方法為:首先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，將邏輯軸下Gx梯度和Gz梯度的幅值分解成物理軸下的Gl梯度和G2梯度上的幅值，再將Gx梯度和Gz梯度在Gl梯度的幅值進(jìn)行疊加，將Gx梯度和Gz梯度在G2梯度的幅值進(jìn)行疊加，得到Gl梯度波形和G2梯度波形；增大Gl梯度和G2梯度的幅值得到優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形，保持優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形的面積均不變，使優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度的時間與最短時間相等，同時優(yōu)化后的Gl梯度幅值和G2梯度幅值不能超出Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組的最大梯度；如果為層選或梯度編碼梯度，則增大射頻激發(fā)和接收的采樣頻率，以保持優(yōu)化后Gl梯度波形和G2梯度波形掃描的圖像上的層厚和讀出方向視野大小不變。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:1.旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件可以使得在旋轉(zhuǎn)后的兩個梯度同時作用時，可利用的有效最大梯度增大、有效切變率增大。2.旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件不論是在筒狀磁共振系統(tǒng)還是平板狀磁共振系統(tǒng)中，都可以實(shí)現(xiàn)；3.旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件不依賴于其他技術(shù)上的改進(jìn)，只對構(gòu)造進(jìn)行改進(jìn)，所以方法簡單易行；
4.對于要求高性能梯度的高級磁共振成像技術(shù),如擴(kuò)散張量成像、功能磁共振成像,主要依靠快速成像序列如平面回波成像來完成，利用本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件可以縮短回波間隙、回波時間以及總采集時間，從而加快成像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為筒狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈和原筒狀梯度線圈的梯度方向示意圖；
圖2為原筒狀梯度線圈的Gz方向梯度的梯度線圈組示意圖；
圖3為原筒狀梯度線圈的Gx方向梯度的梯度線圈組示意圖；
圖4為原筒狀梯度線圈的Gy方向梯度的梯度線圈組示意圖；
圖5為筒狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈的Gl方向梯度的梯度線圈組示意圖；
圖6為筒狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈的G2方向梯度的梯度線圈組示意圖；
圖7為旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈下序列優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖；
圖8為梯度回波成像序列在邏輯軸下的時序圖；圖中，a為層選前斜坡段，b為層選時間段，c為層選后到讀出前的時間段，d為讀出編碼時間段，e為讀出后時間段；
圖9為梯度回波成像序列在物理軸下的時序圖；圖中，a為優(yōu)化的層選前斜坡段，b為優(yōu)化的層選時間段，c為優(yōu)化的層選后到讀出前的時間段，d為優(yōu)化的讀出編碼時間段，e為優(yōu)化的讀出后時間段；
圖10為恒定梯度-時間的優(yōu)化方法； 圖11為平面回波成像序列在邏輯軸下的時序圖；圖中，a為層選前的斜坡段，b為層選時間段，c為層選后到讀出前的時間段，d為帶有斜坡采樣的讀出編碼時間段，e為相位編碼時間段；
圖12為平面回波成像序列在物理軸下的時序圖；圖中，a為優(yōu)化后的層選前斜坡段，b為優(yōu)化后的層選時間段，c為優(yōu)化后的層選后到讀出前的時間段，d為優(yōu)化后的帶有斜坡采樣的讀出編碼時間段，e為優(yōu)化后的相位編碼時間段
圖13為平板狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈和平板狀梯度線圈的梯度方向示意圖；
圖14為原平板狀梯度線圈組上方部分的梯度線圈構(gòu)造示意圖；
圖15為平板狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈上方部分的梯度線圈構(gòu)造示意圖；
圖中，原平板梯度線圈組17、平板狀旋轉(zhuǎn)傾斜梯度組18、水平同心軸線19、第一 Gz梯度線圈21、第二 Gz梯度線圈22、第一 Gx梯度線圈23、第二 Gx梯度線圈24、第三Gx梯度線圈25、第四Gx梯度線圈26、第一 Gy梯度線圈27、第二 Gy梯度線圈28、第三Gy梯度線圈29、第四Gy梯度線圈30、第一 Gl梯度線圈31、第二 Gl梯度線圈32、第三Gl梯度線圈33、第四Gl梯度線圈34、第一 G2梯度線圈35、第二 G2梯度線圈36、第三G2梯度線圈37、第四G2梯度線圈38、豎直同心軸線39、Gy梯度線圈40、G1梯度線圈41、G2梯度線圈42、Gx梯度線圈43、Gz梯度線圈44。

【具體實(shí)施方式】
[0015]基于【背景技術(shù)】中現(xiàn)有梯度線圈組件的幾點(diǎn)不足，提出設(shè)想:可否將梯度線圈設(shè)置為其產(chǎn)生的梯度方向與空間坐標(biāo)系的x、y和z方向構(gòu)成一定的角度差，那么在這種情況下，當(dāng)需要施加X、y或z方向梯度磁場時，將由多個梯度線圈同時作用來得到，那么其最大梯度幅值由原單一方向的最大梯度幅值增加至最大的合成梯度幅值。結(jié)合梯度線圈的構(gòu)造來看，梯度線圈可實(shí)現(xiàn)繞其中心軸旋轉(zhuǎn):旋轉(zhuǎn)后的梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場與旋轉(zhuǎn)前相比，其中同心軸方向的梯度磁場不變，另兩個梯度磁場的方向相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)了一個角度。本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件由原梯度線圈繞同心軸旋轉(zhuǎn)大致45°實(shí)現(xiàn)。若同心軸方向?yàn)閦軸方向，那么原z方向梯度線圈不變，原X方向和y方向梯度線圈繞z軸旋轉(zhuǎn)大致45°，其中z方向梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場大小和方向均不變，旋轉(zhuǎn)后的X方向和y方向梯度線圈產(chǎn)生的梯度磁場大小不變，方向?yàn)槔@z軸旋轉(zhuǎn)大致45°。此時，X方向梯度磁場由原來的X方向梯度線圈單獨(dú)工作轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)后的X方向和y方向梯度線圈同時工作。當(dāng)兩個方向的梯度線圈同時工作時，實(shí)際最大梯度為兩個梯度的矢量和，梯度幅值的增大可以使得施加梯度所需的時間縮短。特別地，在EPI時，利用本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件將大大縮短所需時間，從而提高EPI的時間分辨率或達(dá)到更高的空間分辨率。
[0016]在現(xiàn)有的筒狀磁共振成像系統(tǒng)中，通常包括三組筒狀梯度線圈組，分別記為Gz梯度線圈組、Gx梯度線圈組和Gy梯度線圈組。Gz梯度線圈組、Gx梯度線圈組和Gy梯度線圈組的梯度磁場方向?qū)?yīng)如圖1所示的空間坐標(biāo)系的z軸、X軸和y軸，三者互為正交，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O大致對應(yīng)圓筒的中心。如圖2所示為Gz梯度線圈組示意圖，如圖3所示為Gx梯度線圈組示意圖，如圖4所示為Gy梯度線圈組示意圖。三組梯度線圈組裝置分布在大致為圓筒形的腔體表面，成像物體置于圓筒中，圓筒的軸線記作水平同心軸線19，水平同心軸線19方向與z軸方向一致，其中坐標(biāo)系原點(diǎn)O在水平同心軸線19上。Gz梯度線圈組、Gx梯度線圈組和Gy梯度線圈組均定位在水平同心軸線19上大致同心位置。Gz梯度線圈組、Gx梯度線圈組和Gy梯度線圈組包括折疊環(huán)路電流路徑(為了清楚地說明而未標(biāo)示出)，線圈上的電流方向見圖上所示，其構(gòu)造使得當(dāng)供能時每個折疊環(huán)路電流的路徑在成像體積中生成相應(yīng)的磁場梯度分量。
[0017]如圖2所示，Gz梯度線圈組包括在此示出的布置在x-y平面左側(cè)的第一 Gz梯度線圈21和在x-y平面右側(cè)的第二 Gz梯度線圈22。第一 Gz梯度線圈21和第二 Gz梯度線圈22均為大致圓形的線圈，大致等距地分布在腔體中心x-y平面的左右兩側(cè)。
[0018]如圖3所示，Gx梯度線圈組包括在此示出的布置在y-ζ平面前側(cè)的第一 Gx梯度線圈23、第二 Gx梯度線圈24和在y-z平面后側(cè)的第三Gx梯度線圈25、第四Gx梯度線圈26。每個Gx梯度線圈為大致長方弧形的線圈；第一 Gx梯度線圈23、第二 Gx梯度線圈24和第三Gx梯度線圈25、第四Gx梯度線圈26大致等距地分布在腔體中心y_z平面的前后兩側(cè)；第一 Gx梯度線圈23、第三Gx梯度線圈25和第二 Gx梯度線圈24、第四Gx梯度線圈26大致等距地分布在腔體中心x-y平面的左右兩側(cè)。
[0019]如圖4所示，Gy梯度線圈組包括在此示出的布置在x_z平面上側(cè)的第一 Gy梯度線圈27、第二 Gy梯度線圈28和在χ-z平面下側(cè)的第三Gy梯度線圈29、第四Gy梯度線圈30。每個Gy梯度線圈為大致長方弧形的線圈；第一 Gy梯度線圈27、第二 Gy梯度線圈28和第三Gy梯度線圈29、第四Gy梯度線圈30大致等距地分布在腔體中心x_z平面的上下兩側(cè)；第一 Gy梯度線圈27、第三Gy梯度線圈29和第二 Gy梯度線圈28、第四Gy梯度線圈30大致等距地分布在腔體中心x-y平面的左右兩側(cè)。
[0020]本發(fā)明提出的用于筒狀磁共振成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件如圖5和6所示，包括Gl梯度線圈組、G2梯度線圈組、G3梯度線圈組；G1梯度線圈組由Gx梯度線圈組沿水平同心軸19方向旋轉(zhuǎn)45°得到，G2梯度線圈組由Gy梯度線圈組沿水平同心軸19方向旋轉(zhuǎn)45°得到，G3梯度線圈組與原筒狀梯度線圈組中的Gz梯度線圈組一致。Gz梯度線圈組、Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組均定位在水平同心軸線19上大致同心位置。Gz梯度線圈組、Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組均包括折疊環(huán)路電流路徑(為了清楚地說明而未示出)，線圈上的電流方向見圖上所示，其構(gòu)造使得當(dāng)供能時每個折疊環(huán)路電流的路徑在成像體積中生成相應(yīng)的磁場梯度分量。Gz、Gl和G2梯度磁場方向如圖1所示，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O大致對應(yīng)圓筒的中心，Gz、Gl和G2梯度磁場方向互相正交，其中，Gl和G2梯度方向分別為X軸和y軸方向繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)45°后的方向，Gz梯度方向?yàn)閦軸方向。
[0021]如圖5所示，Gl梯度線圈組包括在此示出的布置在G2-Gz梯度方向平面前下側(cè)的第一 Gl梯度線圈31、第二 Gl梯度線圈32和在G2-Gz梯度方向平面后上側(cè)的第三Gl梯度線圈33、第四Gl梯度線圈34，使得Gl梯度線圈組的梯度磁場方向?yàn)閤軸方向繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)45°后的方向。每個Gl梯度線圈大致為長方弧形的線圈；第一 Gl梯度線圈31、第二Gl梯度線圈32和第三Gl梯度線圈33、第四Gl梯度線圈34等距地分布在腔體中心G2_Gz梯度方向平面的前后兩側(cè)；第一 Gl梯度線圈31、第三Gl梯度線圈33和第二 Gl梯度線圈32、第四Gl梯度線圈34等距地分布在腔體中心G1-G2梯度方向平面的左右兩側(cè)。
[0022]如圖6所示，G2梯度線圈組包括在此示出為布置在Gl-Gz梯度方向平面前上側(cè)的第一 G2梯度線圈35、第二 G2梯度線圈36和在Gl-Gz梯度方向平面后下側(cè)的第三G2梯度線圈37、第四G2梯度線圈38，使得G2梯度線圈組的梯度磁場方向?yàn)閥軸方向繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)45°后的方向。每個G2梯度線圈大致為長方弧形的線圈；第一 G2梯度線圈35、第二G2梯度線圈36和第三G2梯度線圈37、第四G2梯度線圈38等距地分布在腔體中心Gl-Gz梯度方向平面的上下兩側(cè)；第一 G2梯度線圈35、第三G2梯度線圈37和第二 G2梯度線圈36、第四G2梯度線圈38等距地分布在腔體中心G1-G2平面的左右兩側(cè)。
[0023]在現(xiàn)有的平板狀磁共振成像系統(tǒng)中，原平板梯度線圈組17通常包括三組梯度線圈組:Gx梯度線圈組、Gz梯度線圈組和Gy梯度線圈組。Gz、Gx和Gy梯度磁場方向?qū)?yīng)如圖13所示的空間坐標(biāo)系的z軸、X軸和Y軸,三者互為正交,坐標(biāo)系的原點(diǎn)O大致對應(yīng)平板形成的空腔的中心。如圖14所示，Gx梯度線圈組43、Gz梯度線圈組44和Gy梯度線圈組40均為大致圓盤狀結(jié)構(gòu)，均定位在豎直同心軸線39上大致同心位置，該豎直同心軸線39通常被稱作梯度軸線并且其方向通常與y軸方向一致。三組梯度線圈組分布在上下兩個平板上，下層梯度線圈與上層梯度線圈構(gòu)造相同，電流大小相同方向相反，未在圖中示出。Gy梯度線圈組40、Gx梯度線圈組43和Gz梯度線圈組44用于當(dāng)電流供能時在成像物體中產(chǎn)生所希望的主要磁場。每個梯度線圈組包括折疊環(huán)路電流路徑(為了清楚地說明而未標(biāo)示出)，線圈上的電流方向見圖上所示，其構(gòu)造使得當(dāng)供能時每個折疊環(huán)路電流的路徑在成像體積中生成相應(yīng)的磁場梯度分量。
[0024]本發(fā)明提出的用于平板狀磁共振成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件如圖15所示，包括Gl梯度線圈組41、G2梯度線圈組42、G3梯度線圈組。Gl梯度線圈組41由Gx梯度線圈組43沿豎直同心軸線39方向旋轉(zhuǎn)45°得到，G2梯度線圈組42由Gz梯度線圈組44沿豎直同心軸線39方向旋轉(zhuǎn)45°得到，G3梯度線圈組與原平板梯度線圈組中的Gy梯度線圈組40 —致。Gy梯度線圈組40、Gl梯度線圈組41和G2梯度線圈組42均可分為上梯度線圈和下梯度線圈，均定位在豎直同心軸線39上大致同心位置；圖中只給出上層梯度線圈示意圖，下層梯度線圈與上層梯度線圈構(gòu)造相同，電流大小相同方向相反。每個梯度線圈組均包括折疊環(huán)路電流路徑(為了清楚地說明而未示出)，線圈上的電流方向見圖上所示，其構(gòu)造使得當(dāng)供能時每個折疊環(huán)路的電流路徑在成像體積中生成相應(yīng)的磁場梯度分量。Gy、Gl和G2梯度磁場方向如圖13所示，坐標(biāo)系的原點(diǎn)O大致對應(yīng)于平板形成的腔體的中心，Gy、Gl和G2梯度磁場方向互相正交，其中，Gl和G2梯度方向分別為z軸和x軸方向繞y軸逆時針旋轉(zhuǎn)45°后的方向，Gy梯度方向?yàn)閥軸方向。
[0025]旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下的脈沖序列通過以下優(yōu)化方法得到:假設(shè)脈沖序列的邏輯坐標(biāo)系與人體坐標(biāo)系一致，人體坐標(biāo)系下位置L與對應(yīng)空間坐標(biāo)系的位置O已經(jīng)由預(yù)掃描測得，可表示為L=R1O ;空間坐標(biāo)系的位置O與梯度的物理坐標(biāo)系位置P之間(如旋轉(zhuǎn)傾斜前梯度Gx、Gy與旋轉(zhuǎn)傾斜后梯度G1、G2的方向)存在45°旋轉(zhuǎn)的關(guān)系，記為P=R20。根據(jù)傾斜成像的原理，由邏輯坐標(biāo)系的物理量L轉(zhuǎn)換到物理坐標(biāo)系的物理量P關(guān)系為P=R2Rf1L,即若不做優(yōu)化設(shè)計(jì)，邏輯坐標(biāo)系中梯度的幅值Lamp轉(zhuǎn)換到物理坐標(biāo)系中梯度幅值Pamp的關(guān)系為Pamp=R2IV1Lanip,邏輯坐標(biāo)系中梯度的面積轉(zhuǎn)換到物理坐標(biāo)系中梯度面積Ρ_的關(guān)系為Parea=R2IV1Larat5也就是說，在旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下未優(yōu)化的梯度可逐點(diǎn)通過矩陣計(jì)算得到。然而，未優(yōu)化計(jì)算得到的梯度可能會超出梯度線圈的性能指標(biāo)，或/和未充分使用最高的梯度性能而使得序列未達(dá)到最高使用效率。因此，對于旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下的序列設(shè)計(jì)，需采用梯度性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)縮短TE和TR的作用。在旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下，掃描序列的設(shè)計(jì)思路可部分參考專利US005512825A中描述的oblique imaging(傾斜成像)序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0026]實(shí)施例1:旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下的梯度回波脈沖序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法如圖7所示，包括以下步驟:
(1)輸入邏輯軸下的梯度回波脈沖序列波形，該波形如圖8所示；
(2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序，劃分為幾個時間段，包括層選前斜坡段、層選時間段、層選后到讀出前的時間段、讀出編碼時間段、讀出后時間段；
(3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化。假設(shè)人體坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系一致，即人體平躺在成像空間內(nèi)，頭腳方向?yàn)榭臻gz軸方向，左右方向?yàn)榭臻gX方向，前后方向?yàn)榭臻gy 方向，也就是說R1=K單位矩陣)，R2=Iicos O/4) sin(/4) O; -sinO/4) cosO/4)O; O O I] ο 由于 R1=I,R2= [cos ( π/4) sin( π /4) O; -sin( π /4) cos ( π /4) O; O O I],矩陣旋轉(zhuǎn)對第三維度方向(即邏輯軸上的Gz)無效，故物理軸上的層選梯度保持跟邏輯軸一樣。所以，僅需對Gx和Gy所在的層選后到讀出前的時間段、讀出編碼時間段、讀出后的時間段三段時間進(jìn)行優(yōu)化；對這三段時間段，分別計(jì)算邏輯軸下Gx梯度和Gy梯度的幅值和面積；
(4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，如讀出編碼時間段，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，如層選后到讀出前的時間段和讀出后時間段，表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形。優(yōu)化后的波形如圖9所示。
[0027]所述步驟(4)中判斷條件之后的操作具體通過以下方法設(shè)計(jì)得到:
對于層選后到讀出前的時間段，計(jì)算邏輯軸下Gx梯度以及最大和最小的相位編碼梯度Gy的面積，將Gx梯度和Gy梯度的面積旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換到物理軸下的Gl和G2軸，對比最大和最小的相位編碼梯度步驟，取旋轉(zhuǎn)后面積較大者來定為優(yōu)化后最短時間段的面積參數(shù)；由于時間段內(nèi)的初幅值為零，末幅值與讀出編碼時間段的幅值相等，利用優(yōu)化后最短時間段的面積參數(shù)，確定Gl和G2梯度的波形，得到優(yōu)化后的最短時間。在每一次相位編碼步驟中，將Gx梯度和Gy梯度的面積旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換到Gl和G2軸，再利用計(jì)算得到的優(yōu)化后的最短時間及其面積參數(shù)，設(shè)計(jì)硬件上優(yōu)化的梯度波形。原層選后到讀出前的時間段的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9中的優(yōu)化后的層選后到讀出前的時間段。
[0028]對于讀出編碼時間段，此時只有單個軸施加了梯度，對于此梯度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為恒定梯度-時間的優(yōu)化方法，參照圖10。首先對邏輯軸下Gx梯度幅值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，分解成物理軸下Gl和G2上的波形，波形時間長度不變，幅值分別為原梯度的I/ V 2和-1/ V 2。其次，保持Gl和G2梯度面積不變，將Gl和G2梯度拉伸到一定值G’，時間壓縮到最短時間，此時，確保單個梯度幅值仍小于最大梯度幅值Gmax，即G’〈Gmax，且采樣率為圖像質(zhì)量允許的相較優(yōu)化前更高的一個值。按照上述方法，原讀出編碼時間段優(yōu)化后的結(jié)果如圖9中的優(yōu)化后的讀出編碼時間段。
[0029]對于讀出后的時間段，僅需將Gl和G2梯度降為零，原讀出后的時間段的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖9中的優(yōu)化后的讀出后時間段。
[0030]此外，在層選后到讀出前的時間段中，原來的頻率編碼梯度、重聚相梯度和相位編碼梯度，在時間上同時施加，經(jīng)過分解，表現(xiàn)為在Gl梯度和G2梯度兩個方向上均隨不同的TR相應(yīng)變化幅值的梯度；在這一情形中(兩個方向梯度同時施加)，采用旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件并不一定能縮短持續(xù)時間，且由原Gy單個軸上隨時間變換的梯度幅值改變?yōu)镚l和G2兩個軸上均隨時間變換的幅值。
[0031]由梯度回波序列這一實(shí)施例，可得結(jié)論如下:1.梯度的時序需要經(jīng)過旋轉(zhuǎn)變換計(jì)算得到；2.梯度的總持續(xù)時間由所需施加的梯度類型決定，即單軸梯度時間縮短明顯，雙軸梯度時間縮短不明顯或有所增加。
[0032]實(shí)施例2:旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件下的平面回波脈沖序列的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法如圖7所示，包括以下步驟:
(1)輸入邏輯軸下的梯度回波脈沖序列波形，該波形如圖11所示；
(2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序，劃分為幾個時間段，包括層選前的斜坡段、層選時間段、層選后到讀出前的時間段、多個帶有斜坡采樣的讀出編碼時間段及多個相位編碼時間段；
(3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化。假設(shè)人體坐標(biāo)系與空間坐標(biāo)系一致，即人體平躺在成像空間內(nèi)，頭腳方向?yàn)榭臻gz軸方向，左右方向?yàn)榭臻gX方向，前后方向?yàn)榭臻g y 方向，也就是說R1=K 單位矩陣)，R2=Iicos O/4) sin (/4) O; -sin O/4) cosO/4)O; O O I] ο 由于 R1=I,R2= [cos ( π/4) sin( π /4) O; -sin( π /4) cos ( π /4) O; O O I],矩陣旋轉(zhuǎn)對第三維度方向(即邏輯軸上的Gz)無效，故物理軸上的層選梯度保持跟邏輯軸一樣。所以，僅需對Gx和Gy所在的層選后到讀出前的時間段、多個帶有斜坡采樣的讀出編碼時間段和多個相位編碼時間段進(jìn)行優(yōu)化；分別計(jì)算邏輯軸下Gx梯度和Gy梯度的幅值和面積；
(4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，如多個帶有斜坡采樣的讀出編碼時間段，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，如層選后到讀出前的時間段和多個相位編碼時間段，表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形。
[0033]所述步驟(4)中判斷條件之后的操作具體通過以下方法設(shè)計(jì)得到:
對于層選后到讀出前的時間段，計(jì)算邏輯軸下Gx梯度和Gy梯度波形的面積，將Gx梯度和Gy梯度的面積旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換到物理軸下的Gl和G2軸，取旋轉(zhuǎn)后面積較大者來定為優(yōu)化后最短時間段的面積參數(shù)；時間段內(nèi)的初幅值為零，末幅值與讀出編碼時間段的初幅值相等，利用優(yōu)化后最短時間段的面積參數(shù)，確定Gl梯度和G2梯度的波形，得到優(yōu)化后的最短時間。在每一次相位編碼步驟中，將Gx梯度和Gy梯度的面積旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換到Gl和G2軸，再利用計(jì)算得到的優(yōu)化后的最短時間及其面積參數(shù)，設(shè)計(jì)硬件上優(yōu)化的梯度波形。原層選后到讀出前的時間段的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖12中的優(yōu)化后的層選后到讀出前的時間段。
[0034]對于讀出編碼時間段，此時只有單個軸施加了梯度，對于此梯度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為恒定梯度-時間的優(yōu)化方法:首先對邏輯軸下Gx梯度幅值進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，分解成物理軸下Gl和G2梯度上的波形，波形時間長度不變，幅值分別為原梯度的I/ V 2和-1/ V 2。其次，保持Gl和G2梯度面積不變，將Gl和G2梯度拉伸到一定值G’，時間壓縮到最短時間，此時，確保單個梯度幅值仍小于最大梯度幅值Gmax,即G’〈Gmax,且采樣率為圖像質(zhì)量允許的相較優(yōu)化前更高的一個值。按照上述方法，原讀出編碼時間段優(yōu)化后的結(jié)果如圖12中的優(yōu)化后的讀出編碼時間段。
[0035]對于相位編碼時間段，直接采用旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，將邏輯軸下梯度波形轉(zhuǎn)換為物理軸下梯度波形。首先對邏輯軸下Gx和Gy梯度幅值分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算，分解成物理軸下Gl梯度和G2梯度上的波形，再將Gx和Gy在Gl的波形進(jìn)行疊加，將Gx和Gy在G2的波形進(jìn)行疊加，疊加后得到優(yōu)化后的相位編碼時間段，如圖12所示。
[0036]由于平面回波序列在一個TR內(nèi)連續(xù)施加多個頻率編碼梯度，其中還伴有很小的相位編碼梯度，或者說單軸梯度在整個TR中所占的比重很大，所以采用旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件會使得采集時間大大縮短，減少了 T2*衰減的作用，或可用于更高分辨率的成像。對于要求高性能梯度的高級磁共振成像，如擴(kuò)散張量成像、功能磁共振成像，主要依靠快速成像序列如平面回波成像來完成，利用本發(fā)明中的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件可以縮短回波間隙、回波時間以及總采集時間，從而加快成像。
[0037]雖然說明了本發(fā)明的幾個實(shí)施方式，但這些實(shí)施方式是作為例子而提示的，本發(fā)明的范圍并不限定于此。這些實(shí)施方式還能以其他各種形態(tài)進(jìn)行實(shí)施，在不脫離本發(fā)明要旨的范圍內(nèi)，在實(shí)際中可以進(jìn)行各種省略、置換、變更。這些實(shí)施方式或其他變形包含于本發(fā)明的范圍或要旨中，包含于權(quán)力要求書記載的發(fā)明及其等同的范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件，包括安裝在主磁場沿水平方向的圓筒狀磁共振系統(tǒng)腔體內(nèi)的Gl梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組；G1梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向相互正交；其特征在于，Gl梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于主磁場的水平方向及鉛垂方向均成45度角，G2梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于主磁場的水平方向及鉛垂方向均成45度角，G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與主磁場方向—致。
2.一種用于權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件的脈沖序列，其特征在于，所述脈沖序列通過以下步驟得到: (1)輸入邏輯軸下的脈沖序列波形； (2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序劃分時間段； (3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化，對每一個需要優(yōu)化的時間段，分別計(jì)算三個邏輯軸下梯度的幅值和面積； (4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，則表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形； 所述步驟(4)中的設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形，方法為:首先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，將邏輯軸下Gx梯度和Gy梯度的幅值分解成物理軸下的Gl梯度和G2梯度上的幅值，再將Gx梯度和Gy梯度在Gl梯度的幅值進(jìn)行疊加，將Gx梯度和Gy梯度在G2梯度的幅值進(jìn)行疊加，得到Gl梯度波形和G2梯度波形；增大Gl梯度和G2梯度的幅值得到優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形，保持優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形的面積均不變，使優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度的時間與最短時間相等，同時優(yōu)化后的Gl梯度幅值和G2梯度幅值不能超出Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組的最大梯度；如果為層選或梯度編碼梯度，還需相應(yīng)增大射頻激發(fā)和接收的采樣頻率，以保持優(yōu)化后Gl梯度波形和G2梯度波形掃描的圖像上的層厚和讀出方向視野的大小不變。
3.一種旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件，包括安裝在主磁場沿鉛垂方向的平板狀磁共振系統(tǒng)中上下兩個平板上的Gl梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組；G1梯度線圈組、G2梯度線圈組和G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向相互正交；其特征在于，Gl梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于掃描床頭腳方向的水平方向及掃描床頭腳方向均成45度角，G2梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與垂直于掃描床頭腳方向的水平方向及掃描床頭腳方向均成45度角，G3梯度線圈組產(chǎn)生的梯度方向與主磁場方向一致。
4.一種用于權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)傾斜梯度線圈組件的脈沖序列，其特征在于，所述脈沖序列通過以下步驟得到: (1)輸入邏輯軸下的脈沖序列波形； (2)將邏輯軸下的脈沖序列的一個TR中，按照梯度的時序，劃分時間段； (3)判斷各時間段內(nèi)的梯度波形是否需要優(yōu)化，對每一個需要優(yōu)化的時間段，分別計(jì)算三個邏輯軸下梯度的幅值和面積； (4)判斷需要優(yōu)化的時間段所施加梯度是否為層選或梯度編碼梯度:若是，須保持優(yōu)化后合梯度的波形不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并設(shè)計(jì)物理軸下硬件優(yōu)化的波形；若否，則表示優(yōu)化后合梯度的波形可以改變，但面積須不變，分別計(jì)算物理軸下允許的最短時間，并取其中的最大值作為最短時間，來設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形； 所述步驟(4)中的設(shè)計(jì)物理軸下的硬件優(yōu)化的梯度波形，方法為:首先進(jìn)行旋轉(zhuǎn)計(jì)算轉(zhuǎn)換，將邏輯軸下Gx梯度和Gz梯度的幅值分解成物理軸下的Gl梯度和G2梯度上的幅值，再將Gx梯度和Gz梯度在Gl梯度的幅值進(jìn)行疊加，將Gx梯度和Gz梯度在G2梯度的幅值進(jìn)行疊加，得到Gl梯度波形和G2梯度波形；增大Gl梯度和G2梯度的幅值得到優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形，保持優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度波形的面積均不變，使優(yōu)化后的Gl梯度和G2梯度的時間與最短時間相等，同時優(yōu)化后的Gl梯度幅值和G2梯度幅值不能超出Gl梯度線圈組和G2梯度線圈組的最大梯度；如果為層選或梯度編碼梯度，則增大射頻激發(fā)和接收的采樣頻率，以保持優(yōu)化后Gl梯度波形和G2梯度波形掃描的圖像上的層厚和讀出方向的視野大小不變。
【文檔編號】G01R33/385GK104297708SQ201410564499
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】杜一平, 葉慧慧, 童琪琦 申請人:浙江大學(xué)