之前章节我们已经知道梯度具有X,Y,Z 3个方向,因此梯度线圈也就是由3组正交线圈组成的线圈组合。
下面逐一进行介绍。
Z-Gradient coil
首先研究最简单的Z方向梯度线圈,基本的安培定理可以得到一个环形电流的流动就可以产生磁场,四指弯曲方向与电流方向一直,则大拇指指向的就是Z方向,简单的螺线管绕组磁铁就可以满足。
如何产生梯度的磁场呢?按照麦克斯韦对线圈的方式排列:两个线圈面对面的放置,两者之间的电流方向相反,这就能产生线性的梯度场。
X,Y-Gradient coil
我们知道X,Y方向是垂直于梯度线圈组方向的,为了得到与Z方向正交的磁场,设计者利用了Biot-Savart定律(磁场在几何形状确定的前提下只与线圈中的电流有关)
设计了按照高莱线圈的排列方式:对于每个梯度场,需要4个呈马鞍形排列的线圈。在这种 情况下,4个直接相对圆弧就产生了梯度场。
根据对称性原理,将X方向线圈旋转90°就可以得到Y方向线圈,因此X,Y线圈的构造是相同的。
将X,Y,Z三个方向的3组线圈同工集成到到一个圆柱体表面就构成了梯度线圈的基本电路结构。
同时由于MRI扫描过程中梯度场会快速的进行交变,而这时产生的拉普拉斯力(洛伦兹力)表现为让线圈振动的机械力,这个震动就是MRI扫描时产生的噪声,根据扫描序列的不同发出的声音也会有变化,噪声正比于线圈中流动的电流的大小和静态主磁场的场强。
经过复杂的工序,最终制造出MRI系统所使用的梯度线圈。
梯度线圈中的X,Y,Z每一组线圈分别引出一组±极接头,通过梯度放大器输出电流控制梯度场的大小。同时根据矢量叠加的原理,通过改变X,Y,Z方向梯度线圈电流的大小,可以生成任意方向的梯度场。
由此引出梯度线圈的其中一个重要作用:主动匀场。这里先卖个小关子,有关匀场的内容后续我们再进行讲解。