本发明涉及梯度线圈制造方法、梯度线圈和磁共振成像系统，尤其涉及配置 在静磁场磁体的极曲面上的梯度线圈，一种制造这种梯度线圈的方法，以及具 有这种梯度线圈的磁共振成像系统。

在磁共振成像(MRI：磁共振成像)系统中，准备摄影或成像的主体被运送 到磁铁系统的内径中，即静磁场形成的孔或空间。施加梯度磁场和高频梯度磁 场以在主体内部产生磁共振信号。根据它的接收到的信号可产生(重现)层析 X射线照片。

在使用永久磁体以生成静磁场的磁铁系统中，在一对彼此相对的永久磁铁的 前端分别提供了用于使分布在静磁场空间的磁通量均匀的极片。另外，在它们 对应于极片的极曲面处分别配置了用于生成梯度磁场的梯度线圈。

在上面描述的磁铁系统中，由于梯底线圈分别靠近极片，因此极片被梯度磁 场磁化。由于它们的剩余磁化强度而形成剩梯度磁场，自旋相经受这样的影响， 好像在时间常数内有一个极端长的涡流存在。因此，这将干扰例如通过快速自 旋回波(FSE)方法或其它需要精确相位调节而进行的成像。

因此，本发明的一个目的是实现一种对于每个极片的磁化力较低的梯度线 圈，用于生成这种梯度线圈的方法，以及具有这样的梯度线圈的磁共振成像系 统。

(1)根据用于解决上述问题的本发明的一个方面是梯度线圈的制造方法， 它包括以下步骤：在制造一对分别配置在具有底板部分和从垂直于底板部分表 面的方向凸起的周缘部分的一对极片的周缘部分内的底板部分的表面的梯度线 圈时，极片彼此相对，以凸起的周缘部分限定了它们两者之间空间，通过电流 流过多个同轴通道在该空间内产生梯度磁场，设置用于每个梯度线圈的通道之 一的最大半径为用于产生梯度磁场的范围内的最小值，其中的梯度磁场具有在 预定允许范围内的磁场误差。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置到最小 值，这个值可产生具有在预定允许范围内的磁场误差的梯度磁场。因此，最外 层通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，对于凸出边缘部分 的磁化力降低，并且剩磁化降低。

(2)本发明用于解决上述问题的另一个方面是在(1)中描述的梯度线圈 制造方法，其中多个通道的半径根据下述程序确定： 注意 (a)在成像区假定的最大球面上设置测点Pi(这里i＝1-N)。 (b)计算在测点处由梯度线圈产生的磁场位(这里i＝1-N)。 (c)设置关于每个磁场误差的容许偏差αt。 (d)设置用于每个梯度线圈的通道的最大半径的容许值r0不超过极限值r00的 范围。 (e)定义多个通道的半径为r1、r2、……、rM。

在上面的限制条件下， max(r1、r2、……、rM)＜r0， 和 γ＝(r1、r2、……、rM) 以上面作为参数 $\min \left[\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\right\{B_{\mathrm{it}}-{\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right){\}}^2]$ 用二次规划判断最优值rj(这里j＝1-M)，从而建立上述等式18。顺便提一下， ${\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right)$ 上面是使用Biot-Savart定理计算的。 (f)根据下列等式计算每个测点Pi的磁场中的误差。 ${\alpha }_1=\frac{{\hat{B}}_1\left(\stackrel{-}{r}\right)-B_{\mathrm{jt}}}{B_{\mathrm{it}}}\times 100$ (g)当ai≤at满足时确定rj。 (h)当ai≤at不(j)满足时，(k)在不(l)超过极限值r00的范围内增加容许 值r0，和(i)重复该程序到(e)。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置到最小 值，在这个值可产生具有在预定允许范围内的磁场误差的梯度磁场。因此，最 外层通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，对于凸出边缘部 分的磁化力降低，并且剩磁化降低。

(3)根据用于解决上述问题的本发明的另一个方面是一对梯度线圈，分别 配置在具有底板部分和从垂直于底板部分表面的方向凸起的周缘部分的一对极 片的周缘部分内的底板部分的表面，极片彼此相对，在它们之间的空间形成有 凸起的周缘部分，通过电流流过多个同轴通道在该空间内产生梯度磁场，设置 用于每个梯度线圈的通道之一的最大半径为用于产生梯度磁场的范围内的最小 值，其中的梯度磁场具有在预定容许范围内的磁场误差。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置为最小 值，这个值可产生具有在预定允许范围内的磁场误差的梯度磁场。因此，最外 层通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，对于凸出边缘部分 的磁化力降低，并且剩磁化降低。

(4)根据用于解决上述问题的本发明的另一个方面是(3)中描述的一对梯 度线圈，其中的多个通道分别具有根据下列程序确定的半径 注意 (a)在成像区假定的最大球面上设置测点Pi(这里i＝1-N)。 (b)计算在测点处由梯度线圈产生的磁场位(这里i＝1-N)。 (c)设置关于每个磁场的误差的容许偏差αt。 (d)设置用于每个梯度线圈的通道的最大半径的容许值r0在不超过极限值r00的 范围内。 (e)定义多个通道的半径为r1、r2、……、rM。 在上面的限制条件下， max(r1、r2、……、rM)＜r0， 和 γ＝(r1、r2、……、rM) 以上面作为参数 $\min \left[\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\right\{B_{\mathrm{it}}-{\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right){\}}^2]$ 用二次规划判断最优值rj(这里j＝1-M)，从而建立上述等式23。顺便提一下， ${\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right)$ 上面是使用Biot-Savart定理计算的。 (f)根据下列等式计算每个测点Pi的磁场中的误差。 ${\alpha }_1=\frac{{\hat{B}}_1\left(\stackrel{-}{r}\right)-B_{\mathrm{jt}}}{B_{\mathrm{it}}}\times 100$ (g)当ai≤at满足时确定rj。 (h)当ai≤at不满足时，在不超过极限值r00的范围内增加容许值r0，和(i)重 复该程序然后到(e)。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置为最小 值，在这个值可产生具有在预定允许范围内的磁场误差的梯度磁场。因此，最 外层通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，凸出边缘部分的 磁化力降低，并且剩磁化降低。

(5)根据用于解决上述问题的本发明的另一个方面是根据通过静磁场、梯 度磁场和高频磁场获得的磁共振信号形成图像的磁共振成像系统，包括：构成 梯度线圈的一对梯度线圈，它们中的每一个生成高频磁场，这一对梯度线圈分 别配置在具有底板部分和从垂直于底板部分表面的方向凸起的周缘部分的一对 极片的周缘部分内的底板部分的表面，极片彼此相对，在它们之间的空间形成 有凸起的周缘部分，通过电流流过多个同轴通道在该空间内产生梯度磁场，每 个梯度线圈的通道之一的最大半径设置为用于产生梯度磁场的范围内的最小 值，其中的梯度磁场具有在预定容许范围内的磁场误差。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置为最小 值，在这个值可产生具有在预定允许范围内的磁场误差的梯度磁场。因此，最 外层通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，凸出边缘部分的 磁化力降低，并且剩磁化降低。从而，可进行剩磁化对它的影响较小的成像。

(6)根据用于解决上述问题的本发明的另一个方面是(5)中描述的一对梯 度线圈，其中的多个通道分别具有根据下列程序确定的半径。 注意 (a)在成像区假定的最大球面上设置测点Pi(这里i＝1-N)。 (b)计算在测点处由梯度线圈产生的磁场位(这里i＝1-N)。 (c)设置关于每个磁场的误差的容许偏差αt。 (d)设置用于每个梯度线圈的通道的最大半径的容许值r0不超过极限值r00的 范围内。 (e)定义多个通道的半径为r1、r2、……、rM。 在上面的限制条件下， max(r1、r2、……、rM)＜r0， 和 γ＝(r1、r2、……、rM) 以上面作为参数 $\min \left[\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\right\{B_{\mathrm{it}}-{\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right){\}}^2]$ 用二次规判断最优值rj(这望j＝1-M)，从而建立上述等式28。顺便提一下， ${\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right)$ 上面是用Biot-Savart定理计算的。 (f)根据下列等式计算每个测点Pi的磁场中的误差。 ${\alpha }_i=\frac{{\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right)-B_{\mathrm{jt}}}{B_{\mathrm{it}}}\times 100$ (g)当ai≤at满足时确定rj。 (h)当ai≤at不(x)满足时，在不超过极限值r00的范围内增加容许值r0，和 (i)重复该程序到(e)。

根据本发明的这个方面，每个梯度线圈的通道之一的最大半径被设置为最小 值，这个值可产生具有在预定允许范围内磁场误差的梯度磁场。因此，最外层 通道和每个极片的凸出边缘部分之间的距离增加。因此，凸出边缘部分的磁化 力降低，并且剩磁化降低。从而，可进行剩磁化对它的影响较小的成像。

本发明的其它目的和优点通过参考附图的描述将变得更加明显。

图1是显示根据本发明的一个示例性实施例的系统的方框图。

图2是显示由图1所示的系统执行脉冲序列的示例的方框图。

图3是显示由图1所示的系统执行脉冲序列的示例的方框图。

图4是图1所示的系统中使用的磁铁系统的梯度线圈周围结构的典型框图。

图5是显示用于梯度线圈的电流通道的图案的示意图。

图6是用于描述判断电流通道半径的程序的流程图。

下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。图1显示了一个磁 共振成像系统的框图。这个系统是本发明的实施例的一个示例。与本发明的系 统有关的一个实施例根据本系统的结构所显示。

如图1所示，本系统有一个磁铁系统100。该磁铁系统100具有主磁场磁体单 元102，梯度线圈单元106和RF(射频)线圈单元108，这些主磁场磁体单元102 的任意一个和各个线圈单元构成一对、彼此间隔一定距离相向放置。另外，它 们中的任何一个都具有大致盘状的结构，并用普通的方式以中轴放置。主体300 位于磁铁系统100的内径的支架500上，用未显示的传送装置送进或送出。

主磁场磁体系统单元102的每一个在磁铁系统100的内径处形成静磁场。静磁 场的方向几乎垂直于主体300身体轴线方向。即，主磁场磁体单元102的每一个 形成所谓垂直磁场。主磁场磁体单元102使用例如永久磁铁等构成。顺便说，主 磁场磁体单元102不仅仅限于永久磁铁，而是可以用超导电磁体、标准导电磁体 等构成。

梯度线圈单元106产生用于引起静磁场的强度具有梯度或坡度的梯度磁场。 产生的梯度磁场包括片梯度磁场、读取梯度磁场或相位编码梯度磁场三种类型 的梯度磁场。梯度线圈单元106具有未显示的与这三种类型的梯度磁场相关的3 类梯度线圈。

这三类梯度线圈分别产生三个梯度磁场，用于分别把梯度施加到从三个方向 看互相垂直的静磁场。三个方向之一相当于静磁场的方向(垂直方向)，它通常 被假定为z方向。另一个相当于水平方向，它通常被假定为y方向，剩余的一个 是相当于与z和y方向垂直的方向，它通常被假定为x方向。这个x方向垂直于在 垂直平面内的z方向，并垂直于水平面内的y方向。下面将x、y和z方向简称为梯 度轴。

x、y和z轴中的任意一个可被设置为片梯度轴。它们中的一个被设置为片梯 度轴后，剩余的两个之一被设置为相位编码梯度轴，另一个被设置为读取梯度 轴。后面将再解释三类梯度线圈。

RF线圈单元108给静磁场空间发射RF射频激发信号，用于在主体300体内激 发自旋。另外，RF线圈单元108还接收由这个激发的自旋生成的磁共振信号。 RF线圈单元108具有未显示的用于发送的和用于接收的线圈。发送线圈和接收 线圈共用相同的线圈，或分别使用专用的线圈。

梯度驱动器130连接到梯度线圈单元106。这个梯度驱动器130给梯度线圈单 元106发出一个梯度驱动信号以生成梯度磁场。这个梯度驱动器130具有三条未 显示的驱动电路，在梯度线圈单元106内的三条梯度线圈相连。

RF驱动器140连接到RF线圈单元108。RF驱动器140给每个RF线圈单元108 提供驱动信号以发出一个RF激发信号，由此在主体300体内激发自旋。

数据收集器150连接到每个RF线圈单元108。数据收集器150接收或捕获由RF 线圈单元108接收到的信号，并将它们作为视图数据(视图数据)收集。

一个控制器160连接到梯度驱动器130、RF驱动器140和数据收集器150。控 制器160分别控制从梯度驱动器130到数据收集器150以执行摄像或成像。

数据收集器150的输出端连接到数据处理器170。数据处理器170由例如计算 机等构成。数据处理器170具有一个未显示的存储器。该存储器存储用于数据处 理器170的程序和各种数据。本系统的功能通过允许数据处理器170执行存储在 存储器内的程序来实现。

数据处理器170引起存储器存储从数据收集器150收集来的数据。在存储器内 定义一个数据空间。这个数据空间形成一个二维傅里叶空间。数据处理器170 将这个二维傅里叶空间内的这些数据经逆二维傅里叶变形以生成(重现)主体 300的图像。这个二维傅里叶空间还被称为“k空间”。

数据处理器170连接到控制器160。数据处理器170位于控制器160上方，并整 个控制控制器160。另外，显示单元180和操作或控制单元190还连接到数据处理 器170。显示单元180由图形显示器等类构成。操作单元190由键盘等提供定位指 示器的装置构成。

显示单元180显示数据处理器170输出的重现的图像和各种信息。操作员通过 操作单元190输入各种指令和信息到数据处理器170。操作员通过显示单元180 和操作单元190交互式地操作本系统。

图2显示了用本系统以脉冲序列进行成像或摄像的示例。这个脉冲序列相当 于梯度回波(GRE)方法的脉冲序列。

因此，(1)显示了GRE处理中使用的用于RF激发的α°脉冲序列，而(2)、 (3)、(4)和(5)同样分别显示了片梯度Gs、读取梯度Gr、相位编码梯度Gp 和梯度回波MP的序列。顺便说，α°脉冲由中心信号代表。脉冲序列沿时间轴t  从左到右进行。

如在同一图中所示，根据α°的脉冲执行用于自旋的α°激发。翻转角α°小于 或等于90°。此时，施加片梯度Gs以影响预定片的选择性激发。

在α°激发之后，根据相位编码梯度Gp对该自旋进行相位编码。下一步，首 先根据读取梯度Gr使自旋相位偏移，然后再定相以生成梯度回波MR。在回波时 间TE从α°激发后慢慢消失后，这个梯度回波MR的信号强度在时间点上达到它 的最大值。梯度回波MR从数据收集器150作为视图数据被收集。

在周期TR(重复时间)内，这样的脉冲序列重复64到512次。它们每重复一 次，相位编码梯度Gp就发生改变以在每次进行不同的相位编码。结果，获得用 于64到512视图的视图数据以填充k空间。

图3显示了用于磁共振成像的脉冲序列的另一个例子。这个脉冲序列相当于 使用自旋回波(SE)方法的脉冲序列。

即，(1)是用于SE方法中使用的RF激发的90°脉冲和180°的脉冲序列，而 (2)、(3)、(4)和(5)分别是片梯度Gs、读取梯度Gr、相位编码梯度Gp和自 旋回波MR的序列。顺便说一下，90°脉冲和180°脉冲由各个中心信号代表。脉冲 序列沿时间轴t从左到右进行。

如在同一图中所示，根据90°的脉冲执行用于自旋的90°激发。在此时，施加 片梯度Gs以影响预定的片的选择性激发。由于90°激发而预定的时间消失后，根 据180°脉冲执行180°激发，即自旋翻转。即使在此时，施加片梯度Gs以影响用 于同一片的选择性翻转。

在90°激发和自旋翻转之间的时间段内，施加读取梯度Gr和相位编码梯度 Gp。根据读取梯度Gr使自旋再定相，另外，根据相位编码梯度Gp完成自旋相位 编码。

在自旋翻转之后，根据读取梯度Gr使自旋再定相以生成自旋回波MR。在90° 激发之后TE消失后，这个自旋回波MR的信号强度达到它的最大值。自旋回波 MR由数据收集器150作为视图数据收集。在周期TR内，这样的脉冲序列重复64 到512次。它们每重复一次，相位编码梯度Gp就发生改变以每次都进行不同的 相位编码。结果，获得用于64到512视图的视图数据以充满k空间。

顺便说一句，用于成像的脉冲序列不仅仅限于那些GRE方法或SE方法，还 可以用那些其它的包括快速自旋回波(FSE)方法、快速恢复快速自旋回波 (FSE)方法和回波平面成像(EPI)方法等替代。

数据处理器170通过使在k空间内的视图数据经过二维逆傅里叶变换重现主 体300的层析X射线照片。这个重建的图像被存储到它的对应的存储器内，并显 示在显示单元180上。

图4以截面图的形式一般地显示了磁铁系统100靠近梯度线圈单元106的结 构。在同一图中，O代表静磁场的中心，即磁心，x、y和z分别代表前面提到的 三个方向。

以磁心O的为中心的半径R的球体(SV)是摄像或成像区。磁铁系统100被 构建成在这个球体SV的静磁场和梯度磁场分别具有预定的准确率。

一对主磁场磁单元102具有一对彼此相对的极片202。极片202由具有高导磁 率诸如软铁等磁性材料构成，用作使分布在静磁场空间的磁通量均匀化。

每个极片202大致呈盘状结构，其周缘在垂直于盘表面(z方向)的方向凸出， 即在极片202彼此相对的方向。因此，极片202具有底板部分和凸起的周缘部分。 凸出的周缘部分作为在极片202的周缘的磁通量密度下降的补偿。

在每个极片202的由周缘的突出部分内限定的凹陷部分中，分别配置有梯度 线圈单元106。每个梯度线圈单元106都具有X线圈204、Y线圈206和Z线圈208。

在这些中，Z线圈208是本发明中使用的梯度线圈实施例的一个示例。任何 一个线圈大致都形成盘状。各个线圈用未显示的适当的安装装置安装在每个极 片202的极面上，从而形成彼此相叠的层。

图5图示了X线圈204、Y线圈206和Z线圈208的电流通道的图案。如在同一 图中所示，X线圈204在靠近圈的中心的部分具有多个平行于Y方向的线性主电 流通道(主通道)。这些主通道与穿过圆心的Y轴相对称，用于主通道的返回通 道沿周边形成。最外层的返回通道的半径，即X线圈204的外径是r00。

Y线圈206在靠近圈的中心的部分具有多个平行于X方向的线性主通道。这些 主通道与穿过圆心的X轴相对称，用于主通道的返回通道沿周边形成。最外层 的返回通道的半径，即Y线圈206的外径是r00。

Z线圈208具有多个分别构成同心圆的电流通道。所有这些电流通道都是主 通道。各个主通道的半径，从内向外的顺序依次为r1、r2、…、rM，rM定义为 Z线圈208的外径。

因为Z线圈208没有返回通道，与那些具有像X线圈204和Y线圈206的返回通 道的情况相比，它很容易生成线性度良好的梯度磁场。

因此，即使Z线圈208的外径rM设置的比X线圈和Y线圈206的外径r0小，Z线 圈208可产生具有线性度等于X线圈和Y线圈206的每一个的梯度磁场。

由于当Z线圈208的外径rM减小时，Z线圈208的外围到极片202的每个周缘凸 出部分之间的距离增加，Z线圈208对每个凸出部分的磁化力与距离的平方的比 率很小。因此，可通过减小Z线圈的外径rM降低每个极片202的剩磁化。

顺便说，因为有主通道和返回通道形成的磁化强度的极性彼此相反，所以由 X线圈204和Y线圈206对每个凸出部分的磁化，与由Z线圈产生的磁化相比，产 生的影响较小。

使用这种剩磁化较小的磁铁系统使得例如通过FSE方法等恰当地执行那些 在自旋上需要精确相位控制的甚至是摄像或成像成为可能。

下面将描述制造这种Z线圈208的方法。构成主通道，即各个同心圆的多个 电流通道的半径r1、r2、…、rM在制造z线圈208时确定。

图6显示了用于描述判断主通道半径的程序。如在同一图中所示，在步骤 602，在成像区的最大球面，即图4中所示的SV的表面上设置将要测量的N个点 P1(x1、y1、z1)、P2(x2、y2、z2)、…、PN(xN、yN、zN)。

下一步，在步骤604，计算由Z线圈208在测点P1、P2、…、PN将产生的磁 场B1t、B2t、…、BNt。下面的等式用于计算磁场。

Bjt＝g·Zi(i＝1-N)                                    (1)

这里，g：磁场梯度。

下面，在步骤606，设置关于每个磁场误差的允许值或容受值αt。设置αt 等于关于X线圈204和Y线圈206误差的容受值。

下面，到608步，设置Z线圈208的外径的容受值或允许值r0。设置r0在不超 过极限值r00的范围内。这个极限值r00相当于X线圈204和Y线圈206的每个外 径。

下面，到610步，确定用于Z线圈的多个主通道的半径r1、r2、…、rM的最优 值。即， max(r1、r2、……、rM)＜r0， 在上面的限制条件下， γ＝(r1、r2、……、rM) 以上面作为参数 $\min \left[\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}\right\{B_{\mathrm{it}}-{\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right){\}}^2]$ 用二次规划判断最优值rj(这里j＝1-M)，从而建立上述等式。 ${\hat{B}}_i\left(\stackrel{-}{r}\right)$ 顺便说，上面是用Biot-Savart定理计算的。 下一步，到612步，根据下列等式计算测点Pi的磁场中的误差。 ${\alpha }_1=\frac{{\hat{B}}_1\left(\stackrel{-}{r}\right)-B_{\mathrm{jt}}}{B_{\mathrm{it}}}\times 100$ 下一步，在614步判断是否满足ai≤at

如果上述答案是否定的，则在616步，允许值r0在不超过极限值r00的范围内 增加Δr。顺序执行重复常规程序到610步。

当ai≤at满足时，在618步判断r1、r2、……、rM。制造具有多个主通道的Z 线圈208，其中的主通道构成具有确定半径的同心圆。

由于关于磁场的误差的允许值被设置成与X线圈204和Y线圈206的允许值一 样，所以根据上述程序获得的最大半径rM导致可产生具有正确的允许值范围的 磁场的最小值。这个值导致它小于X线圈204和Y线圈206的每一个的外径r00。

可以构造很多不背离本发明的精神和领域的明显不同的实施例。应该明白， 除了在所附的权利要求中限定的以外，本发明不仅仅限于说明书中所描述的优 选实施例。