專利名稱：調(diào)整磁共振成像磁場發(fā)生器的中心磁場的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁共振成像(MRI)，特別涉及用于組裝MRI磁場發(fā)生器所用的磁化永磁鐵單元的方法和裝置。
背景技術(shù)：
高均勻磁場對于使用磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)系統(tǒng)作為醫(yī)療器械或化學(xué)/生物的裝置是非常有用。目前，至少某些可獲得的流行且低維護(hù)成本的MRI系統(tǒng)利用永磁系統(tǒng)，該永磁系統(tǒng)在預(yù)定空間(成像體積)中生成中等范圍的均勻場(0.2-0.5特斯拉)。永磁系統(tǒng)通常使用多個(gè)永磁鐵單元，例如NdFeB，以形成單磁性物體并在上述成像容積內(nèi)獲得希望的高均勻磁場。
對于使用永磁鐵的MRI系統(tǒng)的磁場發(fā)生器來說，用在該裝置上的磁鐵通?？梢杂啥鄠€(gè)磁化單元形成。但是，將非磁化材料單元首先放置在軛板上然后磁化每一單元是困難的。所以，在實(shí)際制造中，先構(gòu)造上述單元然后再對其進(jìn)行磁化。上述磁化單元接著被設(shè)置在軛板上，從而使得每一磁鐵單元具有朝上的相同磁極。然后極片被放置在磁化單元的頂部。
眾所周知，當(dāng)諸如人體組織的物質(zhì)受均勻磁場作用時(shí)(偏振場B0)，上述組織中的各個(gè)旋轉(zhuǎn)磁矩試圖和該極化場對齊設(shè)置，但是以它們的特征拉莫爾頻率隨機(jī)地繞該極化場旋轉(zhuǎn)進(jìn)動(dòng)。如果上述物質(zhì)或組織受處于x-y平面的磁場影響(激勵(lì)場B1)，且該磁場接近拉莫爾頻率，上述凈對齊力矩(net aligned moment)或“縱向極化”MZ可以旋轉(zhuǎn)或“插入”(tipped)到上述x-y平面中，從而產(chǎn)生橫向凈磁矩Mt。在激勵(lì)信號B1終止之后，通過激勵(lì)旋轉(zhuǎn)而發(fā)射信號，并且該信號被接收并處理以形成圖像。
當(dāng)利用這些信號生成圖像時(shí)，就要使用磁場梯度(Gx Gy和Gz)。典型地，需要成像的區(qū)域通過一系列的測量循環(huán)而被掃描，其中，這些梯度根據(jù)使用的具體定位方法而變化。對所接收的NMR信號組進(jìn)行數(shù)字化，并利用多種熟知的重構(gòu)技術(shù)(reconstruction)中的一種重新構(gòu)造圖像。
MRI磁鐵通常不僅需要通常在40-50cm的球形空間內(nèi)小于10ppm的強(qiáng)均勻磁場，而且還需要典型地小于0.5％的精確中心磁場值。對于給定的RF線圈設(shè)計(jì)，上述帶寬是固定的。這樣上述中心磁場的允許范圍也是固定的。
MRI的磁場發(fā)生器的一種已知結(jié)構(gòu)為開放式幾何形狀，該幾何形狀包括由支柱連接彼此相對的軛，例如永磁鐵的磁場產(chǎn)生元件，和/或超導(dǎo)/電阻線圈，以及例如極片的其它場成型器件。
磁鐵在制造時(shí)，其磁場經(jīng)常受到材料特性、制造過程的公差和環(huán)境偏差的影響。對于超導(dǎo)電阻磁鐵，上述中心磁場可以通過細(xì)調(diào)電流很容易地進(jìn)行調(diào)整。但對于永磁鐵，這卻并不容易。上述磁鐵通常內(nèi)置有機(jī)械機(jī)構(gòu)，以便于在磁鐵安裝完成后調(diào)節(jié)上述磁鐵中心磁場。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種MRI系統(tǒng)的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線包括第一MRI系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一軛和多個(gè)磁鐵單元，從而形成設(shè)置在上述第一軛上的第一中心組件。上述生產(chǎn)線還包括第二MRI系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有第二軛；形成第二中心組件的多個(gè)磁鐵單元，該第二中心組件設(shè)置于上述第二軛上并構(gòu)成和上述第一中心組件相同的形狀；以及，第一磁鐵單元組，其安裝到處于上述第二中心組件周邊的上述第二軛上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造MRI系統(tǒng)的方法。此方法包括提供多個(gè)磁鐵單元，該單元形成設(shè)置在軛上的中心組件；測量中心磁場，當(dāng)上述中心磁場不在設(shè)定范圍之內(nèi)時(shí)，將額外的磁鐵單元添加到上述軛上。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種改變磁場的方法，該方法包括測量MRI系統(tǒng)的中心磁場以獲得中心磁場值；調(diào)節(jié)上述MRI系統(tǒng)的至少一個(gè)元件的溫度，從而將上述中心磁場改變?yōu)椴煌谏鲜鰷y量值的數(shù)值。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種改變磁場的方法，該方法包括測量MRI系統(tǒng)的中心磁場以獲得中心磁場值；以及，利用B0控制的補(bǔ)償(shimming)將上述中心磁場改變?yōu)椴煌谏鲜鰷y量值的數(shù)值。


圖1是成像系統(tǒng)的模塊示意圖。
圖2是成像系統(tǒng)的模塊示意圖。
圖3示出了如圖1所示的設(shè)置在軛上的中心磁鐵組件。
圖4示出了多個(gè)設(shè)置在上述圖3所示中心組件周邊上的磁鐵單元。
附圖標(biāo)號說明10 MRI系統(tǒng)12 軛板14 圓柱軛16 C型軛18 磁鐵單元20 極片基座22 支撐環(huán)24 極片25 間隙26 電子儀器28 顯示器30 中心組件32 磁鐵單元組34 磁鐵單元組36 磁鐵單元組38 磁鐵單元組40 磁鐵單元組50 頂軛52 底軛具體實(shí)施方式
在這里所使用的，除非明確說明，按單數(shù)引用的一個(gè)零件或步驟以及后續(xù)術(shù)語中的＂一個(gè)＂并不排除是多個(gè)零件或步驟。而且，本發(fā)明的＂一個(gè)實(shí)施例＂并不應(yīng)該被理解為排除同樣結(jié)合有所述特征的額外實(shí)施例的存在。
圖1為成像系統(tǒng)10、例如MRI系統(tǒng)10的示意圖，它包括兩個(gè)軛板12和多個(gè)在軛板12之間延伸的圓柱軛14?；蛘?，如圖2所示，可以使用具有單C型軛16的MRI系統(tǒng)10。系統(tǒng)10包括固定到軛表面的磁鐵單元18、固定到磁鐵18上的極片基座20和支撐環(huán)22、以及固定到每一極片基座20和支撐環(huán)22上的極片24。在極片24之間形成有間隙25。要成像的物體插入到間隙25內(nèi)。
MRI系統(tǒng)10還可以包括電子儀器26和顯示器28。電子儀器26可以是控制系統(tǒng)，例如計(jì)算機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收器、成像儀和/或存儲(chǔ)器。
圖3示出了中心組件30，其包括多個(gè)設(shè)置在軛12上的磁鐵單元18。中心組件30具有周邊31。
使用中，中心組件30設(shè)置在軛12上并測量中心磁場。測量結(jié)果和期望值相比較，如果測量值不同于預(yù)定的期望值，則按這里所述的改變中心磁場值。在一個(gè)實(shí)施例中，可以調(diào)節(jié)已完成組件10的至少一個(gè)部件的溫度，使得中心磁場值基本上等于上述期望值。在示意性實(shí)施例中，設(shè)置至少一個(gè)加熱元件(末示出)用以加熱軛12。在另一實(shí)施例中，可以改變上述中心磁場值從而使其更接近期望值，僅僅高于或低于上述期望值幾個(gè)百分點(diǎn)。通過加熱已完成組件10中的至少一個(gè)元件，上述中心磁場可以改變大約1.5個(gè)百分點(diǎn)的強(qiáng)弱。而且上述中心磁場值還可以利用B0控制的補(bǔ)償進(jìn)行改變。利用B0控制補(bǔ)償，上述中心磁場還可以改變大約1.5個(gè)百分點(diǎn)的強(qiáng)弱。
通過這種方法，就可以使得中心組件30等磁鐵裝置進(jìn)行足夠的調(diào)整，而并不需要在上述磁鐵裝置組裝之后去機(jī)械改變上述磁鐵裝置。這種方法，可以作為一或多個(gè)計(jì)算機(jī)的一系列計(jì)算機(jī)程序指令得以實(shí)施，從而用以分析上述中心磁場。然后和上述期望中心磁場強(qiáng)度相比較，并在不同位置將有源和/或無源補(bǔ)償元件加入到上述磁鐵裝置，從而獲得所需的中心磁場強(qiáng)度?？梢岳蒙鲜鲅a(bǔ)償或重量因數(shù)確定在每一處所需的“補(bǔ)償材料”的數(shù)量。
“補(bǔ)償材料”根據(jù)補(bǔ)償元件的形式而有所不同，例如，對于有源補(bǔ)償元件，即補(bǔ)償線圈(shim coil)，補(bǔ)償材料對應(yīng)于施加在上述線圈上的電流量。通過改變施加在上述線圈上的電流量，就可以改變分配到磁場的數(shù)量。結(jié)果，補(bǔ)償線圈可以獨(dú)立受控，使得可以精確控制磁場分配。對于無源補(bǔ)償元件，即鐵補(bǔ)償元件或永磁鐵，上述補(bǔ)償材料對應(yīng)于添加到磁鐵組件的磁元件的量。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例，提供一種具有存儲(chǔ)在其上的計(jì)算機(jī)程序的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)程序用以開發(fā)出用于MR成像系統(tǒng)的磁鐵組件的補(bǔ)償模型，上述計(jì)算機(jī)程序代表一系列計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令，從而使得計(jì)算機(jī)改變上述組裝磁鐵組件所產(chǎn)生的中心磁場。這一系列指令使得上述計(jì)算機(jī)能夠確定在每一位置所需的補(bǔ)償量，從而保持所需的中心磁場強(qiáng)度。
在一示例性實(shí)施例中，利用依據(jù)磁鐵裝置的結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的B0控制補(bǔ)償，可以調(diào)節(jié)磁鐵溫度并使其穩(wěn)定。在上述磁鐵溫度穩(wěn)定之后，就可以測量上述中心磁場強(qiáng)度。如果上述中心磁場強(qiáng)度處于設(shè)定范圍之內(nèi)，那么就不需要進(jìn)行B0所控制的補(bǔ)償過程，但是可以進(jìn)行其他下行(downstream)處理過程，并將上述磁鐵組件加入到MR組件。但如果上述中心磁場強(qiáng)度在設(shè)定范圍之外，就需要通過將系統(tǒng)輸入和補(bǔ)償約束條件加入一或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序來繼續(xù)B0控制補(bǔ)償過程，從而確定補(bǔ)償參數(shù)。
上述約束條件輸入包括所需的中心磁場強(qiáng)度范圍和測量中心磁場強(qiáng)度。其它輸入包括磁鐵系統(tǒng)幾何約束條件以及補(bǔ)償約束條件。上述補(bǔ)償約束條件包括每一潛在補(bǔ)償元件的物理限制和上述補(bǔ)償元件在磁鐵之內(nèi)的位移。例如對于有源補(bǔ)償，約束條件可以包括應(yīng)用于補(bǔ)償線圈的最大或最小可接受電流，或在每一預(yù)定位置處某一極性的最大永磁鐵材料，從而控制磁場分配。在另一實(shí)例中，對于無源補(bǔ)償元件，例如鐵芯，可以輸入質(zhì)量約束條件。如下詳細(xì)所述，補(bǔ)償算法利用這些約束條件可以確定補(bǔ)償元件的放置、類型以及任一特定位置的補(bǔ)償元件的數(shù)量。
一或多臺(tái)計(jì)算機(jī)所利用的一種技術(shù)從接收系統(tǒng)和補(bǔ)償約束條件輸入開始。根據(jù)上述系統(tǒng)和補(bǔ)償約束條件，就可以得到目標(biāo)函數(shù)。該目標(biāo)函數(shù)可采取多種形式中的一種，并限定為可以確定上述整個(gè)磁鐵裝置所需的最小調(diào)整量，從而能夠獲得上述所需的中心磁場強(qiáng)度，或者當(dāng)應(yīng)用于磁場強(qiáng)度步驟時(shí)保持所需的中心磁場強(qiáng)度。
根據(jù)相對于上述目標(biāo)函數(shù)的約束條件，就可以確定理想的解法。上述理想解法在磁鐵裝置內(nèi)的多個(gè)位置或目標(biāo)點(diǎn)建立所需的補(bǔ)償量。但是，需要考慮的是，確定在每一位置上的調(diào)整量不可能很精確。例如鐵補(bǔ)償元件就具有不同的質(zhì)量。這樣就不會(huì)如理想的那樣，有具有精確特定調(diào)整值的鐵補(bǔ)償元件。所以就有必要將上述理想解法離散，從而解決“理想”補(bǔ)償值和實(shí)際可能的補(bǔ)償值之間的不同。通過上述離散過程，就可以輸出補(bǔ)償位置和補(bǔ)償量。
如上所述，上述補(bǔ)償算法可以利用多個(gè)目標(biāo)函數(shù)中的一個(gè)，所述多個(gè)目標(biāo)函數(shù)設(shè)計(jì)用來同時(shí)解決磁場不均勻性和磁場強(qiáng)度的問題。例如可以利用線性規(guī)劃(LP)方法(linear programming approach or implementation)或最小二乘法。在一種線性規(guī)劃方法中，上述目標(biāo)函數(shù)如下定義最小Obj＝∑Vi(Ii+-Ii-)+∑Wj*Yj (公式1)下列為約束條件-Imax≤Ii-≤0 (公式2)；0≤Ii+≤Imax(公式3)；YL≤Yj≤YU(公式4)；BL≤AX≤BU(公式5)；其中，Ii-，Ii+為例如電阻、超導(dǎo)或永磁補(bǔ)償元件等有源補(bǔ)償元件的狀態(tài)變量。對于補(bǔ)償線圈，這些是上述線圈內(nèi)所需的某一正負(fù)號的電流量。對于永磁補(bǔ)償元件，這些是某一極性永磁材料量。Yj是無源補(bǔ)償元件的狀態(tài)變量。這些是放置在每一位置的無源補(bǔ)償元件量。Vi是有源補(bǔ)償元件的權(quán)重因子。Wj是無源補(bǔ)償元件的權(quán)重因子。A為以磁場分配到每一調(diào)整點(diǎn)的形式或以包括B0分配的球形諧波形式在每一調(diào)整位置上有源和無源補(bǔ)償元件的調(diào)整強(qiáng)度矩陣。X為所有狀態(tài)變量的矢量。BL和BU為上下界向量約束條件，采取磁場(高斯，特斯拉)或諧波(ppm)的形式。這些均為限定上述所需中心磁場強(qiáng)度的實(shí)際約束條件。應(yīng)該注意到等式5可以特定為|AX-Btarget|≤ε，其中Btarget為上述目標(biāo)磁場或諧波，ε為上述允許公差向量。
圖4示出了多組安裝到軛12的磁鐵單元18。在圖4中，其中一組包括標(biāo)號為32的磁鐵單元18，另一組包括標(biāo)號為34的磁鐵單元18，以及另一組包括標(biāo)號為36的磁鐵單元18。在圖4中還有一組包括標(biāo)號為38的磁鐵單元18，而另一組磁鐵單元18包括標(biāo)號為40的單元。在一實(shí)施例中，磁鐵單元32和34是半個(gè)單元，它們大約為其他所有磁鐵單元18尺寸的一半。
使用過程中，將中心組件30設(shè)置在軛12上并測量中心磁場。在一個(gè)實(shí)施例中，上述中心磁場可以利用特斯拉儀或高斯儀進(jìn)行測量。將測量值和期望值相比較，在中心組件30周邊的軛12上設(shè)置有單元組。所以不同的MRI系統(tǒng)都具有基本相同的中心磁場強(qiáng)度，但因不同磁鐵18之間的制造差異磁鐵單元的結(jié)構(gòu)是不同的。而且單MRI可以具有不同的單元結(jié)構(gòu)，用以頂軛50和底軛52(如圖1所示)從而調(diào)節(jié)中心磁場。需要注意，在MRI系統(tǒng)10的初始制造階段通常將半磁鐵單元和全磁鐵單元附連到上述中心裝置，而如上所述，通常在組裝上述磁鐵裝置之后，在磁場或工廠內(nèi)可以利用B0調(diào)整和磁鐵單元溫度調(diào)節(jié)，重新校準(zhǔn)上述中心磁場和磁場均勻性，而這種效果可以累積，并可以一起利用在所有的組合排列(permutation of combinations)中。利用上述半磁鐵單元32和34，上述中心磁場可以改變大約1個(gè)百分點(diǎn)的強(qiáng)弱。利用三組磁鐵單元36、38和40，上述中心磁場可以改變大約3.5個(gè)百分點(diǎn)的強(qiáng)弱。
這里描述的方法和裝置提供了一種新式的方法來改變上述中心磁場。這里描述的方法和裝置還提供有一種新的方法可以利用在組裝MRI系統(tǒng)過程中以及組裝之后。
在上面已經(jīng)詳細(xì)描述了上述用以改變中心磁場的方法和裝置的示意性實(shí)施例。但該方法和裝置并不局限于這里所述的特定實(shí)施例，每一方法和裝置的元件都可以獨(dú)立使用，并同這里所述的其他元件相分開。另外，每一方法和裝置元件還可以和這里所述的其他元件相結(jié)合。
盡管本發(fā)明已經(jīng)以不同特定實(shí)施例的方式進(jìn)行了描述，可是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)本發(fā)明可以進(jìn)行不同的修改。
權(quán)利要求
1.一種MRI系統(tǒng)的生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包括第一MRI系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)包括第一軛(12)；和多個(gè)磁鐵單元(18)，其形成設(shè)置在上述第一軛上的第一中心組件(30)；第二MRI系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)包括第二軛(12)；多個(gè)磁鐵單元(18)，其形成設(shè)置在上述第二軛上的第二中心組件(30)，該中心組件形成為和上述第一中心組件相同的形狀；第一磁鐵單元組(32，34，36，38，40)，其在上述第二中心組件的周邊安裝到上述第二軛上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)線，其中，所述第一MRI系統(tǒng)(10)還包括第二磁鐵單元組(32，34，36，38，40)，其在上述第一中心組件的周邊(30)安裝到上述第一軛(12)上，上述第二單元組和上述第一組具有不同的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)線，其中，所述第一磁鐵單元組(32，34，36，38，40)包括半單元組(32，34)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)線，其中，所述第二MRI系統(tǒng)(10)還包括設(shè)置在上述第二軛(12)上并靠近上述第一組的第二半單元組(32，34)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種MRI系統(tǒng)的生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包括第一MRI系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)包括第一軛(12)和形成設(shè)置在上述第一軛上的第一中心組件(30)的多個(gè)磁鐵單元(18)。該生產(chǎn)線還包括第二MRI系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)具有第二軛(12)，形成設(shè)置在上述第二軛上并構(gòu)成和上述第一中心組件相同形狀的第二中心組件(30)的多個(gè)磁鐵單元(18)，以及在上述第二中心組件的周邊安裝到上述第二軛上的第一磁鐵單元組(32，34，36，38，40)。
文檔編號G01R33/3873GK1535654SQ200410032149
公開日2004年10月13日 申請日期2004年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月4日
發(fā)明者黃金華, 徐步新, 沈偉俊, 羅納德·F·洛克納, F 洛克納 申請人:Ge醫(yī)藥系統(tǒng)環(huán)球科技公司