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MRI基础知识 --- 梯度线圈

对于常规的超导MRI系统来说,梯度线圈位于磁体中心位置,安装在磁体洞内,产生相对于主磁场较小的磁场,并且为了应对扫描的需求,梯度线圈必须可以线性的变化,并叠加在主磁场上。

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。

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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。

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X,Y-Gradient coil

   X方向和Y方向梯度线圈的原理稍微复杂一些

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。

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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。

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    梯度子系统是大功率系统,为了得到理想的梯度场,梯度线圈的电流往往在100A左右。如此大的电流将会在线圈中产生大量的焦耳热,如果不引入有效的冷却措施,梯度线圈就有可能烧掉。因此设计中会在梯度线圈内埋入水冷回路进行冷却。

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。

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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。

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文章名称:《MRI基础知识 --- 梯度线圈》
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