專利名稱：穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，屬永磁成像技術(shù)，主要涉及成像設備中防止其磁體產(chǎn)生溫漂的方法及所用裝置。
背景技術(shù)：
公知永磁核磁共振(MRI)系統(tǒng)是由永久磁性材料提供磁共振成像所需的靜磁場(B0)，靜磁場的不穩(wěn)定對核磁共振(MRI)成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量有較大的影響，磁共振成像對靜磁場的穩(wěn)定性要求比較嚴，低場一般要求4ppm/h左右。但是，目前的磁性材料隨溫度變化比較大，對于經(jīng)常使用的銣鐵硼材料，大約是1000ppm/℃。這樣就要求磁體的溫度穩(wěn)定性要非常好。在MRI成像過程中，梯度線圈中會有很大的電流流過，由于梯度線圈中的電阻存在，因而會發(fā)熱。如果假定掃描過程中梯度線圈中的平均電流為15A，梯度線圈的電阻為0.4Ω，則此梯度線圈的發(fā)熱功率為P＝I2×R＝152×0.4＝90(W)，由于成像過程中有三個梯度線圈，因此總的發(fā)熱功率為3×90＝270瓦。這就是說，在成像過程中有一個270瓦的加熱器在工作，因而會使磁體產(chǎn)生溫漂。
目前主要采用散熱來解決這個問題，方法有多種，比如風冷法、水冷法、油冷法，既可以密閉內(nèi)部循環(huán)，也可以在外部循環(huán)并加入制冷設備。但是這許多方法中都存在一個比較難解決的問題，這個問題就是梯度線圈的發(fā)熱量與成像過程中的脈沖序列有關(guān)，并且梯度線圈發(fā)熱對磁體的影響有滯后效應。這樣就要求散熱量的大小應可以靈活控制并與運行的脈沖序列相關(guān)，這種控制在實際操作中是很難實現(xiàn)的。如果控制不好，這種方式的效果就要差很多了。
電加熱是在磁體上附加熱源，用提高磁體溫度控制磁體成像工作中的溫度變化，也是目前應用較多的一種方法，有多個加熱帶和多個傳感器，根據(jù)傳感器探測到的磁體溫度來控制加熱帶，使加熱帶發(fā)出的熱量不同。這是另一途徑對磁體熱交換關(guān)系的調(diào)節(jié)，可以很好的解決環(huán)境溫度對磁體溫度的影響，也收到一定效果，但對解決梯度線圈發(fā)熱對磁體溫度的影響效果不是很好，原因是加熱帶/傳感器和梯度線圈不可能在同一位置，熱的傳導需要一定的時間(整個磁體十幾噸至二十幾噸)，而梯度線圈在成像過程中是一會兒加熱一會兒不加熱，加熱帶/傳感器很難跟上這個步伐，有時還會起一定的反作用。而且需要附加多種設施以及相應有控制手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，使成像系統(tǒng)避免磁體由于梯度線圈發(fā)熱而產(chǎn)生的溫漂。要解決的技術(shù)問題是提出穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的技術(shù)方案。
本發(fā)明方法部分的具體內(nèi)容是，穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法包括，以附加溫度調(diào)節(jié)介入永磁成像中磁體的熱交換系統(tǒng)，其中，所述附加溫度調(diào)節(jié)是，在成像工作之前、梯度線圈中，附加以成像工作電流的等效電流為準的預置電流，對梯度線圈進行升溫預調(diào)，使梯度線圈處于或接近、并保持大多數(shù)、正常成像、且不采取其它溫度調(diào)節(jié)措施、正常工況條件下的線圈溫度，即，使工作準備狀態(tài)的線圈提前適度升溫，直到呈現(xiàn)、并保持與工作線圈在無人工溫度調(diào)節(jié)、正常工況條件下的工作溫度，等待成像工作的開始；在成像工作開始后的整個成像過程，停止預調(diào)，線圈中僅有成像的工作電流，且無其它人工熱調(diào)節(jié)因素介入；成像完成后，恢復預調(diào)，進入線圈后續(xù)成像的待工作狀態(tài)。
這樣，以附加的預調(diào)提前介入永磁成像中線圈的熱交換系統(tǒng)，使其已處于應有的工作溫度或其臨近狀態(tài)，就有可能在梯度線圈因成像升溫之前已經(jīng)完成升溫，使其處于應有的工作溫度或其臨近狀態(tài)，在工作之中，成像工作是處于工作升溫后的穩(wěn)定狀態(tài)。由于梯度線圈此前的溫度與其一致或接近，所以盡管處于工作與非工作的兩種狀態(tài)，但其溫度在成像過程中卻沒有或少有變化；在梯度線圈有溫度變化的升溫階段，磁體并不處于工作狀態(tài)。也就是說，本方法并未簡單追求梯度線圈本身的溫度穩(wěn)定，而是改變了不穩(wěn)定溫度發(fā)生的時間段，并且阻止梯度線圈在成像工作停止之后的溫度回降，消除了溫度再次變化的前提與基礎，保持或基本保持了對磁體溫度穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的影響。
電流是使電導線圈產(chǎn)生熱能的一種簡單方便的能源型式，就在原工作電路、通入與工作電流等效的電流，是使梯度線圈達到、或接近工作狀態(tài)正確合理與直接的方法。其維持的溫度也自然是、或接近成像的工作溫度，也就不會再有溫度變化，或不會再有顯著的溫度變化；直接由產(chǎn)生溫升的梯度線圈實現(xiàn)自身的升溫預調(diào)，其結(jié)果更貼近梯度線圈的實際成像溫升，也就是，更貼近磁體的工作狀態(tài)，使預置的溫升更準確、更有效，其模擬的過程也應該更加簡捷。從而實現(xiàn)了本發(fā)明目的中方法部分的內(nèi)容，解決了為減少梯度線圈發(fā)熱致使磁體產(chǎn)生溫漂影響所提出的技術(shù)問題。
本發(fā)明所述成像工作過程中，應當記錄與計算成像全過程的梯度線圈工作電流發(fā)熱量，比較此發(fā)熱量與預置電流同期產(chǎn)生的供熱量，以其差值對溫度預調(diào)進行糾正或補償。
供熱量與實時發(fā)熱量的比較是對預置與實時之間差異較為準確的反應，糾正與補償是反饋理應發(fā)生的結(jié)果。
本發(fā)明所述補償是按所述差額、以恢復預置狀態(tài)為目標所進行的恢復性補償，即將成像完成時的線圈狀態(tài)恢復為預置狀態(tài)。以糾正后的補償預置電流、在補償時間段進行補償。補償預置電流補償了供、發(fā)熱量間的差額，使磁體又重新回到預置完成后的狀態(tài)，梯度線圈進入待工作狀態(tài)。
本發(fā)明方法的工作程序如下，1開機啟動軟件；2發(fā)送指令使“提供可控電壓裝置”輸出一個固定電壓V0，等待成像指令；3接收到輸入設備發(fā)出的成像指令；4發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置”輸出電壓為零電壓；5調(diào)用正常成像程序進行掃描成像；6計算在掃描過程中梯度線圈的發(fā)熱量和需要補償?shù)碾妷篤1及時間T1；7發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置”輸出補償電壓V1并持續(xù)時間間隔T1；8重復前述第2步程序，發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置“輸出固定電壓V0；等待第3步程序啟動。這是具體執(zhí)行上述方法的工作程序與具體步驟。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的設備是，穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置包括，計算機主機，與主機相聯(lián)、接受計算機指令的核磁共振成像譜儀，接受成像譜儀輸出的梯度放大器，對梯度放大器輸出進行濾波的穿透板，與穿透板相連、緊挨磁體的梯度線圈。同時，還設有接受并執(zhí)行計算機指令、輸出端與梯度放大器相聯(lián)、控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置。
控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置，可以執(zhí)行本發(fā)明中的對非掃描時間時的梯度線圈中流過電流的控制，經(jīng)梯度放大器為梯度線圈提供預置電流與補償預置電流，計算機的輸出指令則可以依需要控制可控電壓裝置的輸出。從而實現(xiàn)本發(fā)明方法對永磁成像系統(tǒng)中磁體溫度的穩(wěn)定調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了發(fā)明目的中關(guān)于設備部分的內(nèi)容，解決了為此所提出的技術(shù)問題。
本發(fā)明所述可控電壓裝置包括，與計算機相聯(lián)的通信串口，與串口相聯(lián)的微處理器，與微處理器輸出端相聯(lián)的D/A轉(zhuǎn)換器，與轉(zhuǎn)換器輸出端相聯(lián)的模擬放大器。這是一種可控電路，以實現(xiàn)按接收的指令，最終實現(xiàn)對梯度線圈內(nèi)的電流的控制。
本發(fā)明以事先由預置升溫的溫度預調(diào)，轉(zhuǎn)移了梯度線圈升溫與成像的時間關(guān)系，并進一步阻止了梯度線圈在成像完成后的溫度回降，自預調(diào)開始之后，就消除了梯度線圈在工作與非工作溫度之間，再次發(fā)生變化的前提與基礎，以工作溫度或接近工作溫度的狀態(tài)，保持或基本保持了梯度線圈，對磁體溫度穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的影響。以梯度線圈成像工作等效電流對自身加熱，用工作溫升的同樣途徑介入了梯度線圈的熱交換過程，避免另外附加溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重復設置，也簡化了對溫度預置電流的控制。先預設或先依據(jù)統(tǒng)計分析預置電流，并輔以實時記錄后的比較、與按比較后的差額對預置進行修正，可使預置趨向準確，與實時成像最頻繁出現(xiàn)的過程相一致。對預置進行恢復性補償可以簡便地維持梯度線圈的預置溫度的穩(wěn)定。在永磁核磁共振成像梯度線圈相關(guān)設備中，簡單增加的可控電壓裝置，則將實施該方法的裝置變?yōu)楝F(xiàn)實。方案構(gòu)思合理巧妙獨到、方法簡便易行、效果顯著可靠。


圖1為穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例1的測試結(jié)果對比圖；圖3是提供可控電壓的裝置(7)的原理框圖，可以比較容易的現(xiàn)；圖4是與預置電流法相關(guān)的計算機軟件的流程圖。
圖中1-磁體 2-梯度線圈 3-射頻線圈 4-梯度放大器 5-MRI成像譜儀 6-計算機主機 7-提供可控電壓的裝置 8-穿透板工作原理1.工作時，首先依據(jù)統(tǒng)計資料，選取梯度線圈中流過的電流為I0，由計算機控制在成像之前，對梯度線圈和磁體預先加熱，待磁體停止升溫時仍以該電流維持之，并進入梯度線圈的待工作狀態(tài)，成像開始時(t1時刻)，由計算機控制切斷預置升溫電流，開始成像部分的工作。
2.成像完成后，記錄此時的時間為t2，根據(jù)成像使用的脈沖序列計算出梯度線圈中流過的電流I(t)，進而根據(jù)W=∫t1t2I2(t)Rdt]]>計算出梯度線圈在成像過程中的發(fā)熱量；3.計算熱量差ΔW=∫t1t2I2(t)Rdt-I02×R×(t2-t1)]]>4.給梯度放大器加一個恒定電壓，使梯度線圈中流過恒定電流為I1，使I1的值滿足如下關(guān)系(I12-I02)×R×(t3-t2)=-ΔW]]>5.過了時刻t3，使梯度線圈中的電流為I0，準備進行下一次的成像。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
第一實施例是一臺常規(guī)的MPF3000-I永磁核磁共振成像設備，只是在常規(guī)設備中加入接受計算機輸出指令、提供控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置。如圖1-圖4。該裝置的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖三所示，它通過串口與計算機主機相連，接受計算機的指令，翻譯該指令并輸出一個數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再通過模擬放大器將此電壓值放大到合適的電平值，該電平值直接輸入到梯度放大器的輸入端，就可以在梯度放大器的輸出端提供梯度線圈所需要的電流輸出。
本例設備的工作過程如下1.首先，在沒有對梯度線圈加熱的狀態(tài)下進行模擬成像掃描，記錄每個時間段的核磁共振系統(tǒng)頻率值；2.其次，在對梯度線圈加熱的狀態(tài)下進行模擬成像掃描；3.系統(tǒng)開機后，依據(jù)統(tǒng)計資料，計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7產(chǎn)生一個恒定電壓3.4V，該電壓經(jīng)過梯度放大器4給梯度線圈2提供一個11A的恒定電流，溫度穩(wěn)定后隨時準備掃描；4.接受到開始成像掃描的指令；5.計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7輸出電壓為零；6.開始成像，成像過程中計算機主機6控制核磁共振成像譜儀5產(chǎn)生需要的脈沖序列；7.成像完成后，核磁共振成像譜儀5不再產(chǎn)生脈沖序列，計算機主機6控制提供可控電壓的裝置7產(chǎn)生3.4V的恒定電壓使梯度線圈2中產(chǎn)生的電流為11A；8.模擬醫(yī)院的實際運行周而復始的重復3至7，記錄每個時間段的核磁共振系統(tǒng)頻率值。
圖2為兩種情況下測試結(jié)果的對比，曲線1是沒有對梯度線圈加熱的狀態(tài)下進行模擬成像掃描時紀錄的系統(tǒng)頻率值數(shù)據(jù)，曲線2是有梯度線圈加熱的狀態(tài)下進行模擬成像掃描時紀錄的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，進行梯度線圈控制加熱時，MRI系統(tǒng)的頻率漂移峰值從3300Hz下降到1800Hz。
本例中只是以預置電流對梯度線圈進行了預置升溫，沒有進行成像之后的補償，但已可從圖2中看到頻率的變化在明顯減小的效果。
第二實施例1.實施例二是在實施例一的基礎上對梯度線圈中的預置電流進行動態(tài)調(diào)整，也就是進行補償。下面對工作過程進行描述系統(tǒng)開機，啟動軟件；2.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產(chǎn)生一個恒定電壓3.4V，該電壓經(jīng)過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個11 A的恒定電流，溫度穩(wěn)定后等待成像指令；3.接受到開始掃描成像的指令，記錄此刻時間t1；4.主機發(fā)送指令使提供可控電壓的裝置(7)產(chǎn)生零電壓；5.開始進行掃描成像，假設成像的脈沖序列為SE2D，成像時間為t2-t1＝180秒，梯度線圈的電阻為R＝1.5Ω；6.成像完成后，記錄此時的時間為t2，根據(jù)成像使用的SE2D脈沖序列計算出梯度線圈中流過的電流I(t)，進而根據(jù)W=∫t1t2I2(t)Rdt]]>計算出梯度線圈在成像過程中的發(fā)熱量；7.計算熱量差ΔW=∫t1t2I2(t)Rdt-I02×R×(t2-t1)]]>
8.可以計算出ΔW＝27070-32670＝-5600(焦耳)按(I12-I02)×R×(t3-t2)=-ΔW]]>的關(guān)系，給梯度放大器加一個恒定電壓，使梯度線圈中流過恒定電流I1其中設定t3-t2＝40秒由(I12-I02)×R×(t3-t2)=-ΔW]]>計算出I1＝14.64A9.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產(chǎn)生一個恒定電壓4.52V，該電壓經(jīng)過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個14.64A的恒定電流，經(jīng)過40秒后；10.再使梯度線圈中流過的電流為11A。此后隨時可以進行下一次的成像。
11.再次接受到開始進行掃描成像的指令；12.主機(6)發(fā)送指令使提供可控電壓的裝置(7)產(chǎn)生零電壓；13.開始進行掃描成像，假設成像序列是FSE2D，成像時間是248秒；14.根據(jù)FSE2D脈沖序列可以計算出ΔW＝53568-45012＝8556(焦耳)設定t3-t2＝60秒由(I12-I02)×R×(t3-t2)=-ΔW]]>計算出I1＝5.1A15.計算機主機(6)控制提供可控電壓的裝置(7)產(chǎn)生一個恒定電壓1.58V，該電壓經(jīng)過梯度放大器(4)給梯度線圈(2)提供一個5.1A的恒定電流，經(jīng)過60秒后；16.再使梯度線圈中流過的電流為11A。此后隨時可以進行下一次的成像。
可以看出運行SE2D脈沖序列時，梯度線圈的發(fā)熱量要少于預置的發(fā)熱量，因而需要正向補償(14.64A＞11A)。運行FSE2D脈沖序列時，梯度線圈的發(fā)熱量要多于預置的發(fā)熱量，需要進行反向補償(5.1A＜11A)。
運行不同的脈沖序列時梯度線圈的發(fā)熱量確實不同，實施例2針對不同的脈沖序列進行了不同的補償，在上面的例子中根據(jù)脈沖序列的不同施加了11A、14.64A、5.1A三種電流。而實施例1不管運行什么樣的脈沖序列，只是在不成像時間段加一個固定11A的恒定電流，但已經(jīng)有明顯的效果。本例的14.64A是由于熱量比較為負號，表明此前具體成像工作電流偏小，因而未能維持初始磁體的工作溫度，以較預置的11A更大的電流14.64A補償加熱，使溫度重新回到預置狀態(tài)；第二次比較結(jié)果為正，表示此前工作電流較預置值大，會提升磁體溫度，因此以較小的5.1A反向補償，在其經(jīng)過60秒后，溫度回歸，再接續(xù)初始預置的待工作狀態(tài)。這樣做的結(jié)果會使磁體以恒定的初始狀態(tài)，進入待工作階段，控制了磁體的溫度波動。可以預見，實施例2的效果顯然要比實施例1好很多。
權(quán)利要求
1.穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，包括以附加溫度調(diào)節(jié)介入永磁成像中磁體的熱交換系統(tǒng)，其特征在于所述附加溫度調(diào)節(jié)是，在成像工作之前，在梯度線圈中，附加以成像工作電流的等效電流為準的預置電流進行升溫預調(diào)，使梯度線圈處于或接近、并保持大多數(shù)、正常成像、且不采取其它溫度調(diào)節(jié)措施、正常工況條件下的線圈溫度，即，使工作準備狀態(tài)的線圈提前適度升溫，直到呈現(xiàn)、并保持與工作線圈在無人工溫度調(diào)節(jié)、正常工況條件下的工作溫度，等待成像工作的開始；在成像工作開始后的整個成像過程，停止預調(diào)，線圈中僅有成像的工作電流，且無其它人工熱調(diào)節(jié)因素介入；成像完成后，恢復預調(diào)，進入線圈后續(xù)成像的待工作狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特征在于所述成像工作過程中，應當記錄與計算成像全過程的梯度線圈工作電流發(fā)熱量，比較此發(fā)熱量與預置電流同期產(chǎn)生的供熱量，以其差值對溫度預調(diào)進行糾正或補償。
3.如權(quán)利要求2所述穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特征在于所述補償是按所述差額、以恢復預置狀態(tài)為目標所進行的恢復性補償，即將成像完成時的線圈狀態(tài)恢復為預置狀態(tài)的補償。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法，其特征在于所述方法的工作程序如下，①開機啟動軟件；②發(fā)送指令使“提供可控電壓裝置”輸出一個固定電壓V0，等待成像指令；③接收到輸入設備發(fā)出的成像指令；④發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置”輸出電壓為零電壓；⑤調(diào)用正常成像程序進行掃描成像；⑥計算在掃描過程中梯度線圈的發(fā)熱量和需要補償?shù)碾妷篤1及時間T1；⑦發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置”輸出補償電壓V1并持續(xù)時間間隔T1；⑧重復前述第2步程序，發(fā)送指令使“提供可控電壓的裝置”輸出固定電壓V0；等待第3步程序啟動。
5.實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法的裝置是，穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置，包括計算機主機，與主機相聯(lián)、接受計算機指令的核磁共振成像譜儀，接受成像譜儀輸出的梯度放大器，對梯度放大器輸出進行濾波的穿透板，與穿透板相連、緊挨磁體的梯度線圈；其特征在于還設有接受并執(zhí)行計算機指令、輸出端與梯度放大器相聯(lián)、控制梯度放大器電流輸出的可控電壓裝置(7)。
6.如權(quán)利要求5所述穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的裝置，其特征在于所述可控電壓裝置包括，與計算機相聯(lián)的通信串口，與串口相聯(lián)的微處理器，與微處理器輸出端相聯(lián)的D/A轉(zhuǎn)換器，與轉(zhuǎn)換器輸出端相聯(lián)的模擬放大器。
全文摘要
穩(wěn)定永磁核磁共振成像梯度線圈溫度的方法及裝置，屬永磁成像技術(shù)，為使成像系統(tǒng)免受磁體由于梯度線圈發(fā)熱而產(chǎn)生溫度的影響。以事先由預置升溫的溫度預調(diào)，將梯度線圈升溫過程提前到成像開始之前，并阻止其在成像完成后的溫度回降，消除了此后在工作與非工作溫度之間，再次發(fā)生變化的前提與基礎，以工作溫度或接近工作溫度的狀態(tài)，保持或基本保持了梯度線圈，對磁體溫度穩(wěn)定或比較穩(wěn)定的影響。以梯度線圈成像工作等效電流對自身加熱，避免調(diào)節(jié)的重復設置，簡化預置電流控制。依據(jù)熱量差額的反饋修正，可以維持穩(wěn)定的預調(diào)狀態(tài)。簡單增加的可控電壓裝置(7)即可制成本方法的實施裝置。方案構(gòu)思合理巧妙獨到、方法簡便易行、效果顯著可靠。
文檔編號G01R33/38GK101017195SQ20061013971
公開日2007年8月15日 申請日期2006年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月22日
發(fā)明者劉景順, 吳葛銘, 連建宇 申請人:新奧博為技術(shù)有限公司