[发明专利]开放式磁共振系统梯度线圈磁场强度的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种开放式磁共振系统的梯度线圈磁场强度的计算方法。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是利用核磁共振(nuclear magnetic resonance，简称NMR)原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。磁共振成像具有无电磁辐射、图像对比度高以及可以任意方向断层成像等优点，是目前医学和科研领域的主要成像方法之一。

开放式磁共振成像系统主要为双平面型结构，主要分为永磁型和超导型。开放式永磁型磁共振分别在两个平面上放置大量永磁体，周围辅以铁磁性材料用来构成磁回路和调整磁场均匀度；开放式超导型磁共振在两个彼此分离的扁平圆柱形低温容器内安装了多对螺线管线圈，同样使用铁磁性材料用来构成磁回路和调整磁场均匀度。永磁体之间或低温容器之间的竖直间隙提供了一个较大的开放空间，适合于全身/局部四肢成像诊断，能够有效提升用户体验，避免幽闭恐惧症的发生。与此同时，近些年来提出了使用MRI进行介入式治疗，这对MRI的开放度有了更高的要求，也进一步促进了开放式磁共振的研发和生产。

梯度线圈是MRI的一个重要组成部分。梯度线圈的主要功能是在成像区域产生三个方向的线性梯度磁场，使成像区域内的每一个点都具有一个独特的、已知的磁场强度，为MRI信号进行分层、相位编码和频率编码，对图像重建提供空间定位。因此梯度磁场的准确与否，对MRI图像的失真与否有着很大的影响。

除了永磁体或超导线圈外，开放式磁共振会使用大量铁磁性材料作为导磁回路和磁场调整结构。而铁磁性材料在空间磁场中会产生磁化现象，在改变主磁场的同时，也会改变梯度磁场。

目前，常用的梯度线圈设计方法有两种：(1)离散电流技术。直接分离的导线代表电流的分布情况，选择合适的线圈几何形状，将其所产生的磁场进行级数展开，然后根据可获得的最佳线性梯度原则来优化线圈结构；(2)分布电流技术,主要是由1986年Tuner提出的目标场法，先用分离变量法导出磁感应强度和电流密度的关系式，然后对该式按照傅立叶—贝塞尔变换形式，再由给定的目标场进行相应的逆变换，即可获得电流密度的表达式，最后借助离散化方法用有限绕组线圈近似表达电流密度。之后的许多方法都是建立在以上两种方法的基础上进行拓展和衍生。但是上文所述的方法在设计阶段都不考虑线圈周边的铁磁性材料情况。通常在大量铁磁性材料存在的环境中，利用上文所述方法得到的设计结果，会存在较大的误差，从而导致磁共振图像的失真和扭曲。

在开放式磁共振系统中，现有技术方法设计的梯度线圈面临成像区域内实际梯度磁场强度严重偏离梯度磁场强度设计值的问题，从而导致最后得到的图像扭曲失真，失去作为诊断依据的价值。因此如何快速准确地计算梯度线圈在开放式磁共振成像区域内产生的梯度线圈磁场强度实际值，对于判断梯度线圈是否达标以及改进梯度线圈，提高磁共振系统的成像质量具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有开放式超导磁共振系统中,大量铁磁性材料导致梯度磁场强度实际值与设计值误差太大的问题，提出一种开放式磁共振系统的梯度线圈磁场强度的计算方法。

本发明采用基于扇环单元的积分方程法，将靠近梯度线圈、对梯度磁场强度有明显影响的铁磁性材料划分为扇环形状的铁磁性材料单元，求解每个铁磁性材料单元内的磁化强度，从而计算出铁磁性材料对实际梯度磁场的影响，最后求得开放式磁共振系统存在大量铁磁性材料时梯度线圈产生的实际梯度磁场强度。

相对于现有方法，本发明具有快速、准确和对硬件条件要求低的特点。采用本发明方法，根据开放式超导磁共振中铁磁性材料和梯度线圈的几何结构及几何尺寸，可以快速准确地计算出开放式超导磁共振中梯度线圈加载梯度电流后在成像区域产生的梯度磁场强度。通过成像区域内的梯度磁场强度实际值与梯度磁场强度设计值的比较，分析两者之间的误差，可以准确地判断梯度线圈的设计方案是否满足实际使用需求，对梯度线圈的设计和优化给出指导意见。

本发明方法的步骤如下：

首先，将靠近梯度线圈、对梯度磁场有明显影响的铁磁性材料划分为扇环形状的铁磁性材料单元。采用毕萨定律计算梯度线圈在铁磁性材料单元质心和目标场点产生的磁场强度；采用等效磁流法和毕萨定律计算各铁磁性材料单元在目标场点和其他铁磁性材料单元质心产生的磁场强度系数矩阵。