專(zhuān)利名稱(chēng)：用于磁共振成像的自屏蔽梯度場(chǎng)線(xiàn)圈的制作方法
下文涉及診斷成像技術(shù)。本發(fā)明特別涉及用于短孔(short-bore)磁共振成像掃描器的磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈，并將結(jié)合本發(fā)明的特定參考描述本發(fā)明。然而，下文更為廣泛地涉及用于各種類(lèi)型磁共振成像掃描器的磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈，并涉及用于對(duì)減小的關(guān)注體積成像的專(zhuān)用梯度線(xiàn)圈。
在磁共振成像系統(tǒng)中，通常在成像區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度以實(shí)現(xiàn)磁共振的空間編碼。這些梯度是由一組磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈產(chǎn)生的。通常提供梯度線(xiàn)圈，用于在每個(gè)橫向的x和y方向以及軸向的z方向上產(chǎn)生獨(dú)立的磁場(chǎng)梯度。
對(duì)于各種應(yīng)用，例如在短孔磁共振成像掃描器內(nèi)產(chǎn)生梯度，或者在縮小的視場(chǎng)(FoV)上產(chǎn)生專(zhuān)用的局部梯度以成像特定器官，理想的是采用相對(duì)更短的梯度線(xiàn)圈。將梯度線(xiàn)圈調(diào)整到縮小的長(zhǎng)度而同時(shí)保持高的梯度峰值振幅和線(xiàn)性以及孔直徑時(shí)，線(xiàn)圈匝被壓縮得愈加靠近線(xiàn)圈末端。此外，在周?chē)淦羶?nèi)感應(yīng)的渦流引起的成像失真和假象變得更成問(wèn)題。此外，適應(yīng)的或變化的視場(chǎng)梯度線(xiàn)圈要求采用特定的磁共振掃描器或磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈組，以用于更大范圍的應(yīng)用。
本發(fā)明設(shè)想出克服前述局限性及其它局限的一種改進(jìn)的裝置和方法。
根據(jù)一個(gè)方面，公開(kāi)了用于磁共振成像裝置的梯度線(xiàn)圈。初級(jí)線(xiàn)圈定義內(nèi)圓柱面。屏蔽線(xiàn)圈定義與內(nèi)圓柱面同軸對(duì)準(zhǔn)的外圓柱面，且該外圓柱面的圓柱半徑大于內(nèi)圓柱面。多個(gè)線(xiàn)圈跳變(jump)電連接初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈。線(xiàn)圈跳變定義非平面的電流共享表面，該電流共享表面在與內(nèi)圓柱面一致的內(nèi)輪廓和與外圓柱面一致的外輪廓之間延伸。初級(jí)線(xiàn)圈、屏蔽線(xiàn)圈和線(xiàn)圈跳變共同定義多次穿過(guò)位于內(nèi)輪廓和外輪廓之間的電流共享表面的電流路徑。
根據(jù)另一個(gè)方面，提供了在磁共振成像裝置的磁鐵孔內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的方法。電流在定義內(nèi)圓柱面的初級(jí)線(xiàn)圈內(nèi)循環(huán)。該電流在定義外圓柱面的屏蔽線(xiàn)圈內(nèi)循環(huán)，該外圓柱面與內(nèi)圓柱面同軸對(duì)準(zhǔn)且其圓柱半徑大于內(nèi)圓柱面。通過(guò)多個(gè)非平面的線(xiàn)圈跳變?cè)诔跫?jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈之間多次連通該電流。
根據(jù)另一個(gè)方面，提供了設(shè)計(jì)磁共振成像裝置的梯度線(xiàn)圈的方法。使用對(duì)存儲(chǔ)能量和梯度場(chǎng)線(xiàn)性與均勻性的約束來(lái)計(jì)算同軸的內(nèi)圓柱面和外圓柱面上的電流密度。在定義線(xiàn)圈邊緣的非共面邊界輪廓處，計(jì)算的電流密度通常不為零。選擇初級(jí)線(xiàn)圈匝、屏蔽線(xiàn)圈匝與線(xiàn)圈跳變以接近內(nèi)圓柱面和外圓柱面上計(jì)算的電流密度。
梯度線(xiàn)圈在初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈上具有共享的匝，該設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，它允許更短的屏蔽梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，磁共振成像掃描器的冷屏或其它導(dǎo)電元件內(nèi)渦流引起的磁場(chǎng)梯度失真的減小。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，梯度線(xiàn)圈末端處的電流纏繞密度的減小。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，減小的I2R加熱，特別是在高纏繞密度區(qū)域。
一旦閱讀下述優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將明白許多附加優(yōu)點(diǎn)和益處。
本發(fā)明可采用各種各樣的部件和部件的排列，以及各種過(guò)程操作和過(guò)程操作的排列。附圖僅僅用于說(shuō)明優(yōu)選實(shí)施例，而不應(yīng)認(rèn)為限制本發(fā)明。


圖1示出了實(shí)例磁共振成像裝置的部分截面圖，并示出了執(zhí)行磁共振成像的輔助部件。
圖2示出了磁共振成像裝置的放大的截面圖，該圖示出了初級(jí)梯度線(xiàn)圈和屏蔽梯度線(xiàn)圈與電流共享表面的擴(kuò)展式排列，以在初級(jí)梯度線(xiàn)圈和屏蔽梯度線(xiàn)圈之間來(lái)回地流過(guò)電流。
圖3示意性示出了圖2的初級(jí)梯度線(xiàn)圈和屏蔽梯度線(xiàn)圈的集合排列，并添加了適當(dāng)?shù)某叽缑Q(chēng)。
圖4示意性示出了初級(jí)梯度線(xiàn)圈和屏蔽梯度線(xiàn)圈集合排列的透視圖。
圖5示出了X梯度初級(jí)梯度線(xiàn)圈和屏蔽梯度線(xiàn)圈與互連的線(xiàn)圈跳變的展開(kāi)的半象限布局。
圖6示出了圖5的X梯度線(xiàn)圈的示例的，被隔離的初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈匝。
圖7示出了圖5的X梯度線(xiàn)圈的示例的，連通初級(jí)線(xiàn)圈匝和屏蔽線(xiàn)圈匝。
圖8A示出了示例橫向梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)中Gx＝30mT/m且渦流效應(yīng)為-0.22％時(shí)，梯度線(xiàn)圈系統(tǒng)能量與初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處電流密度z分量的曲線(xiàn)。
圖8B示出了示例橫向梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)中Gx＝30mT/m且Jzp，edge＝17kA/m時(shí)，梯度線(xiàn)圈系統(tǒng)能量與殘余渦流效應(yīng)的曲線(xiàn)。
圖9示出了圖5所示初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈布局的電流密度的z分量曲線(xiàn)。
圖10示出了圖5所示初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈布局在半徑為0.001米時(shí)的X梯度非均勻性曲線(xiàn)。
圖11示出了圖5所示初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈布局z＝0米時(shí)X梯度非線(xiàn)性與徑向位置的函數(shù)曲線(xiàn)。
圖12示出了圖5所示線(xiàn)圈布局所產(chǎn)生的殘余渦流分布與軸向位置Z的函數(shù)曲線(xiàn)。
圖13示出了圖9的連續(xù)電流和圖5的離散線(xiàn)圈的渦流效應(yīng)與軸向位置Z的函數(shù)關(guān)系的比較曲線(xiàn)。
圖14示出了通過(guò)在確實(shí)具有跳變的圖5的初級(jí)線(xiàn)圈上選擇十四匝而形成的線(xiàn)圈P2的展開(kāi)的半象限布局。
圖15示出了通過(guò)斷開(kāi)圖14的初級(jí)梯度線(xiàn)圈P2的十四個(gè)隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝而形成的線(xiàn)圈P1的展開(kāi)的半象限布局。
圖16示出了與線(xiàn)圈P1一起工作以定義第二視場(chǎng)的第二屏蔽線(xiàn)圈S2的展開(kāi)的半象限布局。
圖17示出了圖5和圖14至16中所述梯度線(xiàn)圈的兩個(gè)離散視場(chǎng)的X梯度非均勻性的曲線(xiàn)。
圖18示出了圖5和圖14至16中所述梯度線(xiàn)圈的兩個(gè)離散視場(chǎng)的X梯度非線(xiàn)性的曲線(xiàn)。
圖19示出了與圖5、14和15的線(xiàn)圈一起工作、并用三個(gè)視場(chǎng)定義可離散變化的梯度線(xiàn)圈的第二屏蔽線(xiàn)圈S2’的展開(kāi)的半象限布局。
圖20示出了平行驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)梯度線(xiàn)圈，列出了用于計(jì)算平行組合線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)換速率的名稱(chēng)。
圖21示出了位于單個(gè)表面上的兩個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈和設(shè)計(jì)成如圖所示的兩個(gè)屏蔽線(xiàn)圈的一種適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供了連續(xù)可變的視場(chǎng)。
圖22示出了提供32cm DSV視場(chǎng)的初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈的電流密度的z分量的曲線(xiàn)。
圖23示出了校正或墊片線(xiàn)圈的初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈的電流密度的z分量的曲線(xiàn)，該校正或墊片線(xiàn)圈與圖22的32cm DSV線(xiàn)圈合作以產(chǎn)生連續(xù)可變的視場(chǎng)。
圖24示出了圖22的32cm DSV線(xiàn)圈的離散電流密度的初級(jí)和屏蔽梯度線(xiàn)圈以及互連線(xiàn)圈跳變的展開(kāi)的半象限布局。
圖25示出了校正線(xiàn)圈的初級(jí)梯度線(xiàn)圈的展開(kāi)的半象限布局。
圖26示出了校正線(xiàn)圈的屏蔽梯度線(xiàn)圈的展開(kāi)的半象限布局。
參照?qǐng)D1，磁共振成像掃描器10包括圓柱狀主磁鐵12，該圓柱狀主磁鐵優(yōu)選地為超導(dǎo)電和低溫屏蔽的。主磁鐵12定義磁鐵孔14，在磁鐵孔內(nèi)放置用于成像的病人或其它成像對(duì)象。主磁鐵12產(chǎn)生空間上和時(shí)間上恒定的和均勻的主磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的方向沿孔14的縱軸方向。可以使用非超導(dǎo)磁鐵替代超導(dǎo)磁鐵。此外，可以采用垂直磁鐵、開(kāi)放式磁鐵、或其它類(lèi)型的主磁鐵，而不采用圖示的水平圓柱狀主磁鐵12。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，主磁鐵12為短孔磁鐵。
磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈包括初級(jí)梯度線(xiàn)圈16和屏蔽梯度線(xiàn)圈18，這兩個(gè)線(xiàn)圈在孔14內(nèi)協(xié)作產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度，從而空間編碼磁共振信號(hào)并產(chǎn)生磁化突變(magnetization spoiling)的場(chǎng)梯度等。優(yōu)選地，磁場(chǎng)梯度線(xiàn)圈16、18包括設(shè)成在包括橫向的x和y方向的三個(gè)垂直方向上產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的線(xiàn)圈。除了屏蔽線(xiàn)圈18之外，冷屏20為殘余梯度場(chǎng)提供高導(dǎo)電率的渦流表面，從而防止磁鐵線(xiàn)圈進(jìn)一步偏移。在適當(dāng)?shù)膶?shí)施例中，冷屏20被集成到主磁鐵12的外殼內(nèi)。
整體射頻線(xiàn)圈組件22產(chǎn)生射頻脈沖以激發(fā)磁共振。射頻線(xiàn)圈組件22也用于探測(cè)磁共振信號(hào)。任選地，包括附加的局部射頻線(xiàn)圈或定相的射頻線(xiàn)圈陣列(未示出)，以在孔14內(nèi)的局部區(qū)域激發(fā)和/或探測(cè)磁共振。
梯度脈沖放大器30把受控電流傳輸?shù)酱艌?chǎng)梯度線(xiàn)圈16、18，以產(chǎn)生選定的磁場(chǎng)梯度。射頻發(fā)射器34，優(yōu)選地為數(shù)字式射頻發(fā)射器，將射頻脈沖或脈沖系列應(yīng)用于射頻線(xiàn)圈組件22，以產(chǎn)生選定的磁共振激發(fā)。還被耦合到射頻線(xiàn)圈組件22的射頻接收器36接收磁共振信號(hào)。如果設(shè)有不止一個(gè)射頻線(xiàn)圈(例如局部線(xiàn)圈或者定相的線(xiàn)圈陣列)，則可隨意地使用不同的線(xiàn)圈進(jìn)行磁共振激發(fā)和探測(cè)操作。
為了獲得對(duì)象的磁共振成像數(shù)據(jù)，該對(duì)象被放置在磁鐵孔14內(nèi)，優(yōu)選地放置在位于或者靠近主磁場(chǎng)的等中心點(diǎn)。順序控制器40與梯度放大器30和射頻發(fā)射器34進(jìn)行通信，從而產(chǎn)生對(duì)象內(nèi)選定的瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)的磁共振結(jié)構(gòu)，空間編碼該磁共振，選擇性地使磁共振突變，或者另外產(chǎn)生該對(duì)象的特征的選定磁共振信號(hào)。產(chǎn)生的磁共振信號(hào)被射頻接收器36所探測(cè)，并存儲(chǔ)在k空間存儲(chǔ)器42內(nèi)。重構(gòu)處理器44重構(gòu)成像數(shù)據(jù)以產(chǎn)生圖像存儲(chǔ)器46內(nèi)存儲(chǔ)的圖像表示。在一個(gè)適當(dāng)?shù)膶?shí)施例中，重構(gòu)處理器44執(zhí)行逆傅立葉變換重構(gòu)。
由視頻處理器48處理結(jié)果的圖像表示并將其顯示在用戶(hù)界面50上，該視頻處理器優(yōu)選地為個(gè)人電腦、工作站、或其它類(lèi)型的計(jì)算機(jī)。除了產(chǎn)生視頻圖像，該圖像表示可以由打印機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行處理，可以被打印，并在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等上進(jìn)行傳送。優(yōu)選地，用戶(hù)界面50還允許放射科醫(yī)師或其它操作員與磁共振順序控制器40進(jìn)行通信，以選擇磁共振成像序列，修改成像序列，執(zhí)行成像序列等。
參照?qǐng)D2至4，磁共振成像掃描器10的磁鐵12優(yōu)選地為定義圓柱狀磁鐵孔14的短孔磁鐵。初級(jí)和屏蔽梯度線(xiàn)圈16、18分別和圓柱面60、62相一致，并分別定義軸向同心的圓柱面60、62。內(nèi)、外同心圓柱面60、62的半徑分別為RP、RS。屏蔽梯度線(xiàn)圈18沿外圓柱面62軸向延伸半長(zhǎng)度LS，而初級(jí)梯度線(xiàn)圈16沿內(nèi)圓柱面60軸向延伸半長(zhǎng)度LP。冷屏20長(zhǎng)度為2LCS。優(yōu)選地，梯度線(xiàn)圈16、18和冷屏20沿軸的方向是雙向?qū)ΨQ(chēng)的，且LS、LP、LCS代表半長(zhǎng)度。
為了提供減小的長(zhǎng)度、增加的開(kāi)放性和改善的屏蔽，屏蔽梯度線(xiàn)圈18的軸向半長(zhǎng)度LS優(yōu)選地大于初級(jí)梯度線(xiàn)圈16的軸向半長(zhǎng)度LP。沿非平面的電流共享表面64連接這兩個(gè)梯度線(xiàn)圈16、18，該電流共享表面在與內(nèi)圓柱面60一致的內(nèi)輪廓66和與外圓柱面62一致的外輪廓68之間延伸。在優(yōu)選實(shí)施例中，該非平面的電流共享表面對(duì)應(yīng)錐體的平截體的曲面，其中該錐體和軸向同心的圓柱面60、62的軸形成角度α。角度α對(duì)應(yīng)于圓柱面半徑RP、RS之差與初級(jí)和二級(jí)或屏蔽梯度線(xiàn)圈半長(zhǎng)度LP、LS之差的比值的反正切。然而，非平面的電流共享表面也可以具有拋物面、分段錐形或其它的形狀。
繼續(xù)參照?qǐng)D2至4并進(jìn)一步參照?qǐng)D5，初級(jí)梯度線(xiàn)圈16包括與內(nèi)圓柱面60相一致的導(dǎo)電繞組或電流路徑的指紋狀圖形，而屏蔽梯度線(xiàn)圈18包括與外圓柱面62相一致的導(dǎo)電繞組或電流路徑的指紋狀圖形。
繼續(xù)參照?qǐng)D2至5并進(jìn)一步參照?qǐng)D6和圖7，初級(jí)梯度線(xiàn)圈16包括被隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝70，該初級(jí)線(xiàn)圈匝70連接表面60上的其它初級(jí)梯度線(xiàn)圈匝。初級(jí)梯度線(xiàn)圈16還包括分別連接至少一個(gè)線(xiàn)圈跳變74的連通初級(jí)線(xiàn)圈匝72，該線(xiàn)圈跳變與電流共享表面64相一致。類(lèi)似地，屏蔽梯度線(xiàn)圈18包括連接表面62上其它屏蔽線(xiàn)圈匝的被隔離的屏蔽線(xiàn)圈匝80，還包括分別連接至少一個(gè)線(xiàn)圈跳變74的連通屏蔽線(xiàn)圈匝84。
如圖6所示，各個(gè)被隔離的初級(jí)或屏蔽線(xiàn)圈匝70、80分別在圓柱面60、62上定義電流回路。如圖7所示，連通初級(jí)線(xiàn)圈匝72和屏蔽線(xiàn)圈匝82與兩個(gè)線(xiàn)圈跳變74定義通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈跳變74來(lái)回地流過(guò)電流共享表面64的電流回路。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，梯度線(xiàn)圈16、18比過(guò)去的線(xiàn)圈有著相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，特別是對(duì)于短磁鐵設(shè)計(jì)。用多個(gè)線(xiàn)圈跳變74連接初級(jí)線(xiàn)圈16和二級(jí)或屏蔽線(xiàn)圈18，線(xiàn)圈邊緣附近的高線(xiàn)圈匝密度減小。此外，通過(guò)相對(duì)初級(jí)線(xiàn)圈16軸向地外擴(kuò)屏蔽線(xiàn)圈18，與使用長(zhǎng)度相同的初級(jí)及屏蔽線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)相比，可以獲得改善的屏蔽。非平面的電流共享表面64容納屏蔽線(xiàn)圈18的軸向外擴(kuò)以允許外擴(kuò)屏蔽和多個(gè)線(xiàn)圈跳變的組合。
返回參照?qǐng)D3，用于設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈16、18的適當(dāng)方法使用下述參數(shù)。角度α稱(chēng)為張角。示出了軸向線(xiàn)圈半長(zhǎng)度LP、LS和冷屏半長(zhǎng)度LCS，這些參數(shù)前面已經(jīng)討論過(guò)。優(yōu)選地，LP＜LS＜LCS，且LCS基本上大于LS。初級(jí)線(xiàn)圈16重合并定義半徑為RP的內(nèi)圓柱面60。屏蔽線(xiàn)圈18重合并定義半徑為RS的外圓柱面62。冷屏20優(yōu)選地是半徑為RCS的圓柱形，并優(yōu)選地與圓柱面60、62共軸。對(duì)于一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，RP＜RS＜RCS。
梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)的目標(biāo)包括產(chǎn)生(i)磁鐵孔14的等中心處的特定的梯度強(qiáng)度GX或GY；(ii)高的轉(zhuǎn)換速率；(iii)特定的直徑球面容積(DSV)內(nèi)諸如線(xiàn)性和均勻性的高質(zhì)量的梯度磁場(chǎng)特性；以及(iv)良好的屏蔽。已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，將會(huì)出現(xiàn)磁場(chǎng)泄漏到導(dǎo)電的冷屏20內(nèi)。該泄漏造成了梯度線(xiàn)圈16、18工作時(shí)冷屏20內(nèi)感應(yīng)出殘余渦流。這些殘余渦流會(huì)影響DSV內(nèi)部的梯度場(chǎng)的質(zhì)量，且其特征在于殘余渦流效應(yīng)，該效應(yīng)定義如下ed_ef(r)|DSV=Bzeddy_ourrent(r)BzGind(r)|DSV*100%---(1)]]>其中，符號(hào)|DSV表示在DSV表面評(píng)估該殘余渦流效應(yīng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員明白，如果作為空間位置r的函數(shù)的上述特性適度地保持恒定，那么基本上可以用梯度預(yù)加重來(lái)校正該殘余渦流效應(yīng)。因此，渦流振幅的絕對(duì)電平，盡管通常要求或優(yōu)選為盡可能的小，但不一定是最重要的方面。
在設(shè)計(jì)自屏蔽梯度線(xiàn)圈時(shí)，其從頭開(kāi)始初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈就具有有限長(zhǎng)度，通常根據(jù)下式施加屏蔽線(xiàn)圈表面上總磁場(chǎng)的法向分量Br(r)的屏蔽條件 其中 (z)為初級(jí)(p)或屏蔽(s)線(xiàn)圈上電流密度的分量，Rp，s、Lp，s分別為初級(jí)(p)或屏蔽(s)線(xiàn)圈的半徑和半長(zhǎng)度，且I1′(kR)為第一類(lèi)型I1(kR)的貝塞耳函數(shù)的微分。方程(2)對(duì)于任何k都成立，且基本上為限制性的。屏蔽誤差函數(shù)ε(k)衡量梯度線(xiàn)圈能夠多好地被屏蔽。為了設(shè)計(jì)屏蔽良好的梯度線(xiàn)圈，方程(2)在初級(jí)線(xiàn)圈上產(chǎn)生高的電流密度并在其邊緣附近產(chǎn)生負(fù)凸角，從而導(dǎo)致高的電感應(yīng)。
如果殘余渦流效應(yīng)為非零，則在成像體積上應(yīng)該具有可校正的輕微變化。這意味著，殘余渦流效應(yīng)的變化應(yīng)該是微弱的，即使殘余渦流效為大約例如10％。因此，該線(xiàn)圈設(shè)計(jì)成滿(mǎn)足這樣的條件線(xiàn)圈端部附近沒(méi)有高的電流密度，且殘余渦流效應(yīng)是可校正的。
梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)包括下述過(guò)程操作(i)允許電流沿放置在初級(jí)線(xiàn)圈16和屏蔽線(xiàn)圈18之間的圓錐形或其它非平面電流共享表面64，從初級(jí)線(xiàn)圈16的端部流出并流到屏蔽線(xiàn)圈18；(ii)冷屏20包括在線(xiàn)圈設(shè)計(jì)內(nèi)；以及(iii)殘余渦流效應(yīng)與梯度場(chǎng)質(zhì)量特性一起被看作是設(shè)計(jì)中的變量。將以點(diǎn)約束來(lái)介紹后者。
在下文中，描述示例的X梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以容易地修改該示例X梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)以適用于Y梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)。X梯度線(xiàn)圈上的電流分布在柱面坐標(biāo)系中具有如下形式J(r)＝eρJρ(r)+eJ(r)+ezJz(r)Jρ(r)＝J(ρ)(ρ){δ(z-Z(ρ))+δ(z+Z(ρ))}Θ(ρ-Rp)Θ(Rs-ρ)sin() 將連續(xù)性方程·J(r)＝0應(yīng)用于上述方程(3)給出的電流J(r)，得到下述方程 其中根據(jù)下式把函數(shù) (z)適當(dāng)?shù)乇硎境筛盗⑷~級(jí)數(shù)fz(p)=(z)=Σn=1an(p)sin(πn2Lpz),fz(s)(z)=Σn=1an(s)sin(πn2Lsz)---(5)]]>系數(shù) 由對(duì)下述函數(shù)求極值確定
W=E-Σi(Bzcoll(ri)-Bi)λi-Σj(BzCS(rj)-CjBzcoll(rj))Λj-(fzp(Lp)-Ap)Λp-(fz′(Ls)+RpRsAp)Λs---(6)]]>其中E表示梯度線(xiàn)圈16、18和冷屏20的磁場(chǎng)內(nèi)存儲(chǔ)的總能量；Bzcoil(ri)為磁場(chǎng)具有預(yù)定值Bi的DSV內(nèi)部的一組點(diǎn)ri處的線(xiàn)圈磁場(chǎng)的z分量；BzCS(rj)為冷屏20在DSV表面上一組點(diǎn)rj處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的z分量；Bzcoil(rj)為在相同一組點(diǎn)處的線(xiàn)圈磁場(chǎng)的z分量；且Cj為調(diào)節(jié)殘余渦流效應(yīng)的一組數(shù)字。最后，λi和Λj為相應(yīng)的拉格朗日系數(shù)。量Ap為初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的z分量的期望值，量 為屏蔽線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的z分量的值。方程(6)中的最后兩項(xiàng)代表連續(xù)性條件，Λp和Λs為電流連續(xù)性的相應(yīng)拉格朗日系數(shù)。量Ap和Cj不是變量，可以任意選擇。推導(dǎo)方程(6)時(shí)，我們假設(shè)總磁場(chǎng)的法向分量在磁鐵冷屏20的表面上消失，冷屏20的半徑為RCS，假設(shè)其比梯度組的長(zhǎng)度長(zhǎng)得多。這給出了用于冷屏殘余渦流的下述方程 其中初級(jí)和屏蔽電流分布的傅立葉變換Fp，s(k)在方程(2)中給出。方程(6)的函數(shù)W相對(duì)αn(p)、αn(s)的變化決定依據(jù)連續(xù)電流分布的解。
通過(guò)調(diào)整初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的值，相對(duì)于αn(p)和αn(s)對(duì)方程(6)給出的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)確定適當(dāng)?shù)慕狻０l(fā)現(xiàn)解之后，初級(jí)線(xiàn)圈、屏蔽線(xiàn)圈和互連表面上的連續(xù)電流分布被離散，使得初級(jí)線(xiàn)圈上的每個(gè)回路承載相同的電流I，且屏蔽線(xiàn)圈上的每個(gè)回路承載相反的電流。測(cè)試離散線(xiàn)圈得到其性能等中心處的梯度強(qiáng)度、DSV上梯度強(qiáng)度的線(xiàn)性和均勻性、以及轉(zhuǎn)換速率和殘余渦流效應(yīng)。
由沿電流路徑承載電流的線(xiàn)圈70、72、74、80、82來(lái)離散和近似連續(xù)電流分布。圖5示出了由前述過(guò)程確定的初級(jí)與屏蔽線(xiàn)圈16、18和線(xiàn)圈跳變74的適當(dāng)?shù)闹讣y狀圖形。線(xiàn)圈的左半部分和右半部分分別為初級(jí)線(xiàn)圈16和屏蔽線(xiàn)圈18，位于固定角度位置Φ的線(xiàn)圈跳變74沿連接同心的內(nèi)、外圓柱面60、62的電流共享表面64連接初級(jí)線(xiàn)圈16和屏蔽線(xiàn)圈18。
繼續(xù)參照?qǐng)D5并進(jìn)一步參照?qǐng)D6、7，產(chǎn)生了兩種類(lèi)型的電流路徑，即圖6示意性所示的隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝70和屏蔽線(xiàn)圈匝80以及圖7所示的連通初級(jí)線(xiàn)圈匝72和屏蔽線(xiàn)圈匝82。隔離的電流回路70、80只存在于初級(jí)線(xiàn)圈16或屏蔽線(xiàn)圈18上，即只存在于兩個(gè)圓柱面60、62之一上。連通電流路徑72、82定義存在于初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈16，18上、即存在于兩個(gè)圓柱面60、62上的電流回路，且線(xiàn)圈跳變74定義初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈之間的電流跳變或互連。
計(jì)算所有這些路徑中的Bz場(chǎng)以確定冷屏20內(nèi)的殘余渦流，該殘余渦流可以與連續(xù)電流殘余渦流對(duì)DSV的影響做比較。每個(gè)隔離的回路70、80存在于初級(jí)線(xiàn)圈16或屏蔽線(xiàn)圈18上，且各自封閉。圖6示出了這些回路的實(shí)例，該圖示出了內(nèi)圓柱面60上的隔離的初級(jí)回路70和例如位于第一象限的隔離的屏蔽線(xiàn)圈回路80。每個(gè)回路承載電流I。隔離的初級(jí)線(xiàn)圈回路70上的電流沿順時(shí)針?lè)较?，而屏蔽線(xiàn)圈回路80上的電流沿逆時(shí)針?lè)较?。圖7示出了定義電流回路的示例的連通初級(jí)回路72和屏蔽回路82，該電流回路來(lái)回地穿過(guò)非平面電流共享表面64。
對(duì)于計(jì)算來(lái)自離散線(xiàn)圈16、18的磁鐵冷屏20內(nèi)的磁場(chǎng)和相關(guān)的殘余渦流，一種適當(dāng)?shù)姆椒槁窂椒e分的方法。線(xiàn)圈是離散的，所以描述各個(gè)回路的方程是已知的，即方程＝fp(z)，＝fs(z)。對(duì)于圖6所示的隔離的回路，條件fp(p1)＝fp(p2)＝0，fs(s1)＝fs(s2)＝0成立。對(duì)于圖7所示的連通回路，不同的條件fp(p1)＝fs(s1)＝0，fp(Lp)＝f，fs(Ls)＝f成立，其中f為電流共享線(xiàn)圈跳變出現(xiàn)的角度。此后的描述不使用參數(shù)p1、p2、s1、s2，而使用參數(shù)zi、zf。
圖7所示的連通回路72、82所產(chǎn)生的電流分布由下式給出J(r)＝eρJρ(r)+eJ(r)+ezJz(r)Jρ(r)＝Jρ(ρ)δ(z-z(ρ))Θ(ρ-Rp)Θ(Rs-ρ){δ(-f)-δ(+f)}， 其中在方程(8)中，Qp、Bp、Qs、Bs為未知常數(shù)，Jρ(ρ)、Jz(ρ)為由連續(xù)性方程·J(r)＝0確定的未知函數(shù)。因此， 這可得到矢量勢(shì)的所有分量的表達(dá)式，并因此得到待發(fā)現(xiàn)的磁場(chǎng)和殘余渦流的表達(dá)式。例如，所有四個(gè)象限組合的回路產(chǎn)生的磁場(chǎng)z分量的表達(dá)式，由下式給出 其中 將會(huì)認(rèn)識(shí)到，會(huì)出現(xiàn)cos((2n-1))中的所有奇數(shù)模。這些表達(dá)式對(duì)隔離回路和連通回路都成立。對(duì)于各自封閉的隔離線(xiàn)圈70、80，zip，s和zfp，s為第一象限的上半部分內(nèi)初級(jí)回路(p)或屏蔽回路(s)的始點(diǎn)和終點(diǎn)。連接至少一個(gè)線(xiàn)圈跳變74的連通回路72、82具有zip，s作為第一象限的上半部分內(nèi)初級(jí)回路(p)或屏蔽回路(s)上的始點(diǎn)，并且zfp,s=Lp,s.]]>由方程(2)，殘余渦流的z分量為 其中引入下述符號(hào) 也可以采用上述方法設(shè)計(jì)自屏蔽軸向梯度(z梯度)線(xiàn)圈。在這種情況下，找到初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈上的電流密度的J分量是足夠的。在線(xiàn)圈邊緣，該分量不一定消失。換而言之，電流連續(xù)性方程·J＝0并不意味電流密度的J分量應(yīng)該為z的連續(xù)函數(shù)，即使是在線(xiàn)圈的邊緣。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以把線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的值看成自由參數(shù)。因此J(r)＝eJ(r) 其中函數(shù)fp，s(z)被適當(dāng)?shù)乇硎境筛盗⑷~級(jí)數(shù) 系數(shù)αn(p)、αn(s)由對(duì)下述函數(shù)求極值確定
W=E-Σi(Bzcoll(ri)-Bi)λi-Σj(BzCS(rj)-CjBzcoll(rj))Λj-(fzp(Lp)-Ap)Λp-(fzs(Ls)+As)Λs---(16)]]>其中E為梯度線(xiàn)圈和冷屏的總能量；Bzcil(ri)為磁場(chǎng)具有預(yù)定值Bi的DSV內(nèi)部的一組點(diǎn)ri處的線(xiàn)圈磁場(chǎng)的z分量；BzCS(rj)為在DSV表面上一組點(diǎn)rj處的冷屏渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的z分量；Bzcoil(rj)為在相同一組點(diǎn)處的線(xiàn)圈磁場(chǎng)的z分量；且Cj為調(diào)節(jié)殘余渦流效應(yīng)的一組數(shù)字。最后，λi和Λj為相應(yīng)的拉格朗日系數(shù)。量AP、AS分別為初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的φ分量的期望值。在方程(16)中，已經(jīng)結(jié)合了冷屏20表面上的屏蔽條件，即Bρ(r)|ρ-RCS=0---(17)]]>由此得到由下式給出的連續(xù)的殘余渦流分布 通過(guò)調(diào)整初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的值，相對(duì)于口αn(p)和αn(s)對(duì)方程(16)給出的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定適當(dāng)?shù)慕?。發(fā)現(xiàn)解之后，初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈上的連續(xù)電流分布被離散，使得初級(jí)線(xiàn)圈上的每個(gè)回路承載相同的電流I，且屏蔽線(xiàn)圈上的每個(gè)回路承載相反的電流。測(cè)試離散線(xiàn)圈得到其性能等中心處的梯度強(qiáng)度、DSV上梯度強(qiáng)度的線(xiàn)性和均勻性、轉(zhuǎn)換速率、和殘余渦流效應(yīng)。
描述了示例的橫向梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)。該示例線(xiàn)圈設(shè)計(jì)成長(zhǎng)度為1.2米，孔半徑為0.45米的磁鐵孔。示例的橫向梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)尺寸如下RP＝0.34385米、LP＝0.434米、RS＝0.435224米、LS＝0.555米。在這里描述的所有實(shí)例中，目標(biāo)渦流效應(yīng)選擇為-0.22％。
排列線(xiàn)圈，使得圖3所示的張角α為36.9°。設(shè)計(jì)該X-梯度線(xiàn)圈時(shí)，使用了表1所示的場(chǎng)約束。
表1
第一約束對(duì)應(yīng)于等中心處GX＝27mT/m的梯度強(qiáng)度，第二約束確定梯度磁場(chǎng)的z分量沒(méi)有翻轉(zhuǎn)，且第三約束對(duì)應(yīng)于z＝0.2米處梯度強(qiáng)度的非均勻性為-23％。在一組點(diǎn)上施加殘余渦流效應(yīng)的約束，表2給出這些約束。
表2
冷屏20的半徑選擇為RCS＝0.475米。梯度組件端部處的初級(jí)線(xiàn)圈16和屏蔽線(xiàn)圈18之間的線(xiàn)圈跳變74導(dǎo)致所存儲(chǔ)能量的大幅降低以及殘余渦流效應(yīng)的變化。進(jìn)行了總能量和初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處電流密度(方程6中的量AP)及殘余渦流效應(yīng)(方程6中的量Cj，即殘余渦流效應(yīng)的百分比測(cè)量)之間關(guān)系的研究。
圖8A示出了殘余渦流效應(yīng)等于例如-0.22％時(shí)，系統(tǒng)能量和初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處電流密度的函數(shù)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)被重新調(diào)整到30mT/m的梯度強(qiáng)度，并被校正回到原先狀態(tài)以解決線(xiàn)圈等中心處殘余渦流效應(yīng)引起的梯度強(qiáng)度的損失。圖8B示出了系統(tǒng)能量和渦流效應(yīng)的函數(shù)曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)被重新調(diào)整到30mT/m的梯度強(qiáng)度，并被校正回到原先狀態(tài)以解決線(xiàn)圈等中心處殘余渦流效應(yīng)引起的梯度強(qiáng)度的損失。在圖8B中，初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處的電流密度等于示例的17.0kA/m。圖8A說(shuō)明，解決了線(xiàn)圈等中心處殘余渦流效應(yīng)后，梯度強(qiáng)度Gx＝30mT/m時(shí)，對(duì)于給定的殘余渦流效應(yīng)的值，總能量在量Ap的特定值處有最小值。適當(dāng)?shù)卣{(diào)整這個(gè)值，使得當(dāng)初級(jí)線(xiàn)圈16和屏蔽線(xiàn)圈18上的電流密度離散時(shí)，匝的數(shù)目為整數(shù)。
圖9示出了圖5的展開(kāi)的線(xiàn)圈布局中所示的連續(xù)電流分布的結(jié)果。圖9中所示的連續(xù)電流分布被離散成每個(gè)象限的初級(jí)線(xiàn)圈16上的29匝和屏蔽線(xiàn)圈18上的19匝，且每個(gè)象限的一半含有14個(gè)線(xiàn)圈跳變74。每個(gè)封閉的回路承載電流I＝398.64A，從而在等中心處產(chǎn)生梯度強(qiáng)度Gx＝30.0mT/m。圖5示出了每個(gè)半象限的電流布局。此后，P和S分別表示整個(gè)初級(jí)線(xiàn)圈16和整個(gè)屏蔽線(xiàn)圈18，并與線(xiàn)圈跳變74一起提供50cm×40cm的成像體積。
離散的電流被用于計(jì)算磁場(chǎng)質(zhì)量特性。圖10示出了X-梯度場(chǎng)的非均勻性(利用橫向梯度線(xiàn)圈產(chǎn)生X-梯度；當(dāng)然，也可以適當(dāng)?shù)囟ㄏ驒M向梯度線(xiàn)圈以產(chǎn)生Y-梯度或其它橫向梯度)，而圖11示出了X-梯度場(chǎng)的非線(xiàn)性。
圖12示出了具有圖5所示電流路徑的X-梯度線(xiàn)圈所產(chǎn)生的殘余渦流的z分量。利用圖12的殘余渦流和圖5中所示離散回路計(jì)算50cm×40cm體積上的殘余渦流效應(yīng)。圖13示出了這個(gè)結(jié)果與由連續(xù)電流獲得的結(jié)果的比較。這個(gè)圖說(shuō)明，離散化過(guò)程確實(shí)沒(méi)有引入振幅上的重大誤差及其在該體積上的變化。
參照?qǐng)D14和15，布局如圖5所示的橫向梯度線(xiàn)圈容易被改變以提供離散變化的視場(chǎng)。在適當(dāng)?shù)男薷闹?，初?jí)線(xiàn)圈指紋的眼睛附近的十四個(gè)隔離的初級(jí)線(xiàn)圈70與剩余部分以電學(xué)方式去耦合，從而定義圖14所示的且在這里被指定為P2的互連線(xiàn)圈。如圖15所示，初級(jí)線(xiàn)圈16的剩余部分P1仍然電連接屏蔽線(xiàn)圈18。為了方便，在這里把原始耦合的初級(jí)線(xiàn)圈16指定為P。因此，P＝P1+P2。類(lèi)似地，在這里也用S指定屏蔽線(xiàn)圈18。
參照?qǐng)D16，設(shè)計(jì)第二屏蔽線(xiàn)圈S2以補(bǔ)償包括初級(jí)線(xiàn)圈P2的十四個(gè)電斷開(kāi)回路。第二屏蔽線(xiàn)圈S2的徑向位置為0.415224米。第二屏蔽線(xiàn)圈上的電流布局如圖16所示。第二屏蔽S2上電流為I＝398.64A。結(jié)合圖15所示的線(xiàn)圈和圖16所示的第二屏蔽線(xiàn)圈，其中電流流過(guò)的方向與初級(jí)線(xiàn)圈上的方向相同，提供了30cm的減小的DSV。圖17和18分別示出了兩種模式梯度線(xiàn)圈的梯度強(qiáng)度的非均勻性和非線(xiàn)性。對(duì)應(yīng)于圖5布局的主模式線(xiàn)圈提供了50cm×40cm的成像體積，而圖5的線(xiàn)圈結(jié)合圖16所示的第二屏蔽S2則提供30cm的DSV。
如果設(shè)有第二電源，可以進(jìn)一步修改梯度線(xiàn)圈16、18以提供三個(gè)離散的視場(chǎng)。用放置在相同徑向位置的八匝屏蔽線(xiàn)圈S2’替代該第二屏蔽線(xiàn)圈S2。以電流I驅(qū)動(dòng)圖5所示的梯度線(xiàn)圈，產(chǎn)生提供50cm×40cm成像體積的基本模式。
以電流I驅(qū)動(dòng)圖15所示的梯度線(xiàn)圈，并結(jié)合以電流I/2驅(qū)動(dòng)圖19所示的第二屏蔽S2，則產(chǎn)生提供30cm DSV的第二模式。因此使用了兩個(gè)電源(或一個(gè)分流器)。
圖15所示的梯度線(xiàn)圈與圖14的內(nèi)部十四個(gè)回路線(xiàn)圈P2同時(shí)工作，產(chǎn)生第三模式。初級(jí)線(xiàn)圈P2內(nèi)的電流與圖15的初級(jí)線(xiàn)圈P1內(nèi)的電流相反。以電流-I驅(qū)動(dòng)圖19的第二屏蔽S2。在該第三模式中，串聯(lián)地驅(qū)動(dòng)所有的線(xiàn)圈，并且使用一個(gè)電源。該配置提供26cm的DSV。
串聯(lián)地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線(xiàn)圈時(shí)，串聯(lián)組合的線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)換速率為SR=S*V-IRL---(19)]]>其中S為線(xiàn)圈的靈敏度S＝G/I，G和I分別為梯度強(qiáng)度和電流；V為電源的輸出電壓；R為包括電纜電阻的線(xiàn)圈電阻；且L為包括電纜和濾波器電感的線(xiàn)圈電感。
參照?qǐng)D20，當(dāng)并聯(lián)地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)線(xiàn)圈時(shí)，通過(guò)考慮兩個(gè)電路之間的耦合方程可以找到組合線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)換速率，方程如下L1dI1dt+R1I1+MdI2dt=V1,L2dI2dt+R2I2+MdI1dt=V2---(20)]]>其中L1、R1、V1和L2、R2、V2分別為第一電路和第二電路的電感、電阻、和輸出電壓，M為這兩個(gè)線(xiàn)圈之間的互感。于是，組合線(xiàn)圈的轉(zhuǎn)換速率由下式給出SR=1Δ{(S1L2-S2M)(V1-R1I1)+(S2L1-S1M)(V2-R2I2)}Δ=L1L2-M2---(21)]]>其中S1、S2分別為第一線(xiàn)圈和第二線(xiàn)圈的靈敏度。
此外，可以容易地修改圖5中的梯度線(xiàn)圈以提供連續(xù)的視場(chǎng)，其中該梯度線(xiàn)圈包括在這里也分別用P和S表示的初級(jí)線(xiàn)圈16和次級(jí)通過(guò)校正線(xiàn)圈本身使得校正線(xiàn)圈得到良好的屏蔽。
如下適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)校正線(xiàn)圈設(shè)計(jì)屏蔽良好的梯度線(xiàn)圈，包括非平面電流共享表面，該線(xiàn)圈提供50cm×40cm的成像體積并且在等中心處具有和32cm DSV線(xiàn)圈相同的梯度強(qiáng)度。初級(jí)線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的值與提供32cm DSV的梯度線(xiàn)圈內(nèi)的值相同。50cm×40cm和32cmDSV的(初級(jí)和分離屏蔽線(xiàn)圈上的)電流密度之差(相減)定義校正線(xiàn)圈。調(diào)整線(xiàn)圈邊緣處的電流密度的值，從而允許適當(dāng)?shù)碾x散化。圖23示出了校正梯度線(xiàn)圈上電流密度的實(shí)例。
32cm DSV梯度線(xiàn)圈的電流分布被離散化以產(chǎn)生諸如圖24所示的電流布局。類(lèi)似地，校正或墊片線(xiàn)圈電流分布被離散化以產(chǎn)生諸如分別如圖25和26所示的初級(jí)和屏蔽墊片線(xiàn)圈的電流布局。
校正梯度線(xiàn)圈內(nèi)電流數(shù)量的變化允許FoV的連續(xù)變化。圖21的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈互連可以用于驅(qū)動(dòng)圖24的32cm FoV梯度線(xiàn)圈以及圖25和26的校正線(xiàn)圈。在這種方法中，線(xiàn)圈P1和S1對(duì)應(yīng)于圖24的提供32cm FoV的屏蔽良好的線(xiàn)圈組，且P2和S2”對(duì)應(yīng)于圖25和26所示的屏蔽良好的校正線(xiàn)圈對(duì)。
圖24至26描述了這樣的排列其中初級(jí)線(xiàn)圈(圖24)產(chǎn)生基本視場(chǎng)(32cm)，通過(guò)圖25和26的校正線(xiàn)圈的協(xié)同操作連續(xù)地放大該基本視場(chǎng)。備選地，基本線(xiàn)圈可以提供大的基本視場(chǎng)，通過(guò)與校正線(xiàn)圈的協(xié)同操作可以連續(xù)地減小該基本視場(chǎng)。
此外，盡管這里描述了橫向X-梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，橫向Y-梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)基本上類(lèi)似于X-梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)，兩者不同在于整個(gè)梯度組件旋轉(zhuǎn)90°。
可以容易地修改這里所描述的梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)步驟，以適應(yīng)其它的設(shè)計(jì)方面。例如，通過(guò)引入梯度線(xiàn)圈上的凈(推)力為零的附加約束，可以降低梯度線(xiàn)圈上的局部力。這個(gè)約束包括了關(guān)于將和該梯度線(xiàn)圈一起使用的主磁鐵的信息。梯度線(xiàn)圈上局部力的減小可以減小線(xiàn)圈工作時(shí)梯度管道的偏斜。
已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明。明顯地，其他人閱讀并了解前述的詳細(xì)描述之后，將會(huì)想到本發(fā)明的修改和變更。應(yīng)該認(rèn)為，本發(fā)明包括所有這些修改和變更，只要這些修改和變更落入所附權(quán)利要或屏蔽線(xiàn)圈18。
從為成像體積提供最大FoV的初始線(xiàn)圈系統(tǒng)P+S開(kāi)始，通過(guò)下述方式可以獲得可變化的FoV系統(tǒng)(1)電斷開(kāi)初級(jí)線(xiàn)圈眼睛附近的多個(gè)匝(例如如圖14所示，這定義線(xiàn)圈P2)，并且剩余的初級(jí)線(xiàn)圈為P1＝P-P2(例如如圖15所示)。線(xiàn)圈P1包括通過(guò)梯度端部的線(xiàn)圈跳變74與屏蔽線(xiàn)圈18的連通線(xiàn)圈匝82相連接的連通線(xiàn)圈匝72。這些互連的位置已知且是固定的。任選地，線(xiàn)圈P1還具有只位于內(nèi)圓柱面60上的一些隔離的匝。
第二屏蔽S1設(shè)計(jì)成遵從下述條件(i)這個(gè)線(xiàn)圈上錐形跳變的數(shù)目及其角度位置和軸向位置與初級(jí)線(xiàn)圈P1上的跳變相匹配；并且(ii)屏蔽S1和初級(jí)線(xiàn)圈P1共同形成屏蔽良好的對(duì)。相對(duì)于圖5的梯度線(xiàn)圈16、18，系統(tǒng)P1+S1提供了減小的DSV1＜DSV。
為線(xiàn)圈P2設(shè)計(jì)第二屏蔽線(xiàn)圈S2”。第二屏蔽線(xiàn)圈S2”與線(xiàn)圈P2共同形成屏蔽良好的對(duì)。S1和S2”的組合等效于初始線(xiàn)圈S。不使用原始線(xiàn)圈P(在設(shè)計(jì)步驟中，這是中間的過(guò)程操作)。相反地，兩個(gè)屏蔽良好的線(xiàn)圈對(duì)P1+S1和P2+S2是該設(shè)計(jì)的最終結(jié)果。
可以使用這些線(xiàn)圈組，從而提供如先前實(shí)例中的離散可選擇的FoV，或者提供連續(xù)可變化的FoV。對(duì)于離散可選擇的FoV，線(xiàn)圈(P1+P2)+(S1+S2”)提供初始的成像體積DSV。線(xiàn)圈P1+S1提供了DSV1＜DSV。線(xiàn)圈(P1-P2)+(S1-S2”)提供DSV2＜DSV1。
參照?qǐng)D21，對(duì)于連續(xù)可變化的FoV，當(dāng)和兩個(gè)電源一起使用時(shí)，線(xiàn)圈組(P1+S1)和(P2+S2”)提供連續(xù)可變化的FoV。在這種排列中，由來(lái)自第一電源的電流I驅(qū)動(dòng)一個(gè)線(xiàn)圈組(P1+S1)，而由來(lái)自第二電源的電流α*I驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈組(P2+S2”)。參數(shù)α調(diào)整FoV的尺寸。
參照?qǐng)D22，描述了具有連續(xù)可變化視場(chǎng)的另一個(gè)梯度線(xiàn)圈。在這個(gè)方法中，按照前述的過(guò)程操作設(shè)計(jì)屏蔽良好的線(xiàn)圈，包括在分別對(duì)應(yīng)初級(jí)和屏蔽梯度線(xiàn)圈的內(nèi)、外圓柱面之間的電流傳輸，且穿過(guò)非平面的電流共享表面。圖22示出了產(chǎn)生32cm DSV的這種線(xiàn)圈的適當(dāng)?shù)倪B續(xù)電流密度。
校正或墊片梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方式是這樣的該線(xiàn)圈在等中心處產(chǎn)生零梯度強(qiáng)度，且和32cm DSV梯度線(xiàn)圈共同產(chǎn)生50cm×40cm的DSV。求或其等效表述的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于磁共振成像裝置(10)的梯度線(xiàn)圈，包括初級(jí)線(xiàn)圈(16)，定義內(nèi)圓柱面(60)；屏蔽線(xiàn)圈(18)，定義與內(nèi)圓柱面(60)同軸對(duì)準(zhǔn)的外圓柱面(62)，并且具有大于內(nèi)圓柱面(60)的圓柱半徑；多個(gè)線(xiàn)圈跳變(74)，電連接初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈(16、18)，且線(xiàn)圈跳變(74)定義非平面的電流共享表面(64)，該非平面的電流共享表面在與內(nèi)圓柱面(60)一致的內(nèi)輪廓(66)和與外圓柱面(62)一致的外輪廓(68)之間延伸；初級(jí)線(xiàn)圈(16)、屏蔽線(xiàn)圈(18)和線(xiàn)圈跳變(74)共同定義多次穿過(guò)位于內(nèi)、外輪廓(66、68)之間的電流共享表面(64)的電流路徑。
2.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，其中初級(jí)線(xiàn)圈(16)沿內(nèi)圓柱面(60)軸向延伸初級(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度(2LP)；而且屏蔽線(xiàn)圈(18)沿外圓柱面(62)軸向延伸屏蔽線(xiàn)圈長(zhǎng)度(2LS)；屏蔽線(xiàn)圈長(zhǎng)度(2LS)不等于初級(jí)線(xiàn)圈長(zhǎng)度(2LP)。
3.權(quán)利要求2中所述的梯度線(xiàn)圈，其中電流共享表面(64)對(duì)應(yīng)圓錐的平截體的曲面，該圓錐的錐角(α)由內(nèi)、外圓柱面(60、62)半徑(RP、RS)之差和初級(jí)與屏蔽線(xiàn)圈長(zhǎng)度(2LP、2LS)之差定義。
4.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，其中內(nèi)、外輪廓(66、68)為圓形輪廓，且電流共享表面(64)包括在內(nèi)、外圓形輪廓(66、68)之間延伸的錐形面部分。
5.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，其中初級(jí)線(xiàn)圈(16)包括連通初級(jí)線(xiàn)圈匝(72)，與線(xiàn)圈跳變(74)電連接；以及隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝(70)，沒(méi)有與線(xiàn)圈跳變(74)電連接。
6.權(quán)利要求5中所述的梯度線(xiàn)圈，其中屏蔽線(xiàn)圈(18)包括連通屏蔽線(xiàn)圈匝(82)，通過(guò)連接線(xiàn)圈跳變(74)與連通初級(jí)線(xiàn)圈匝(72)以電學(xué)方式連通。
7.權(quán)利要求5中所述的梯度線(xiàn)圈，其中，至少一些隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝(70)被電互連以定義隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)，且梯度線(xiàn)圈還包括開(kāi)關(guān)，具有至少第一狀態(tài)，其中隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)電連接連通初級(jí)線(xiàn)圈匝(72)，以及第二狀態(tài)，其中隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)與連通初級(jí)線(xiàn)圈匝(72)電隔離；第一、第二狀態(tài)對(duì)應(yīng)于第一、第二可選擇的視場(chǎng)。
8.權(quán)利要求7中所述的梯度線(xiàn)圈，其中隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)斷電而處于第二狀態(tài)。
9.權(quán)利要求7中所述的梯度線(xiàn)圈，其中隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)通過(guò)兩個(gè)狀態(tài)中的相反極性而通電。
10.權(quán)利要求7中所述的梯度線(xiàn)圈，其中梯度線(xiàn)圈還包括第二屏蔽線(xiàn)圈(S2)，在兩個(gè)狀態(tài)之一的狀態(tài)中通電以改善相應(yīng)視場(chǎng)的均勻性。
11.權(quán)利要求5中所述的梯度線(xiàn)圈，其中至少一些隔離的初級(jí)線(xiàn)圈匝(70)被互連，從而定義選擇性電開(kāi)關(guān)的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)，該梯度線(xiàn)圈還包括第二屏蔽線(xiàn)圈(S2、S2’、S2”)，選擇性地通電，并和初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)的開(kāi)關(guān)一起定義可變化的視場(chǎng)。
12.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，還包括屏蔽校正線(xiàn)圈，在連續(xù)范圍內(nèi)協(xié)同調(diào)整視場(chǎng)。
13.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，還包括通常為圓柱形的冷屏(20)，該冷屏與外圓柱面(62)同軸對(duì)準(zhǔn)，且圓柱半徑(RCS)大于外圓柱面(62)，冷屏(20)承載產(chǎn)生基本上空間恒定的殘余渦流效應(yīng)的渦流。
14.權(quán)利要求13中所述的梯度線(xiàn)圈，其中基本上空間恒定的殘余渦流效應(yīng)不為零。
15.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，其中梯度線(xiàn)圈為橫向的梯度線(xiàn)圈。
16.權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，其中選擇線(xiàn)圈跳變(74)以最小化線(xiàn)圈(16、18、74)的存儲(chǔ)能量。
17.一種磁共振掃描器，包括主磁鐵，用于產(chǎn)生時(shí)間上恒定的磁場(chǎng)；權(quán)利要求1中所述的梯度線(xiàn)圈，用于感應(yīng)穿過(guò)時(shí)間上恒定的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)梯度；至少一個(gè)RF線(xiàn)圈，放置于毗鄰該梯度線(xiàn)圈；RF發(fā)射器，和一個(gè)RF線(xiàn)圈相連以感應(yīng)和處理共振；RF接收器，和一個(gè)RF線(xiàn)圈相連以解調(diào)感應(yīng)共振；以及重構(gòu)處理器，用于把解調(diào)共振重構(gòu)成圖像表示。
18.一種在磁共振成像裝置的磁鐵孔內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的方法，該方法包括循環(huán)流過(guò)定義內(nèi)圓柱面(60)的初級(jí)線(xiàn)圈(16)的電流；循環(huán)流過(guò)定義外圓柱面(62)的屏蔽線(xiàn)圈(18)的電流，該外圓柱面(62)與內(nèi)圓柱面(60)同軸對(duì)準(zhǔn)且圓柱半徑大于內(nèi)圓柱面(60)；以及通過(guò)多個(gè)非平面的線(xiàn)圈跳變(74)在初級(jí)線(xiàn)圈和屏蔽線(xiàn)圈(16，18)之間多次來(lái)回地連通該電流。
19.權(quán)利要求18中所述的方法，還包括選擇最小化梯度線(xiàn)圈(16、18、74)的存儲(chǔ)能量的線(xiàn)圈跳變(74)的總數(shù)。
20.權(quán)利要求19中所述的方法，其中線(xiàn)圈跳變(74)的總數(shù)的選擇包括約束線(xiàn)圈跳變(74)的選擇以產(chǎn)生來(lái)自圍繞屏蔽線(xiàn)圈的冷屏(20)的基本上空間恒定的殘余渦流效應(yīng)。
21.權(quán)利要求18中所述的方法，還包括利用包括最小化存儲(chǔ)能量和最小化殘余渦流效應(yīng)的變化的約束，計(jì)算內(nèi)、外圓柱面(60、62)上的電流密度，在內(nèi)、外輪廓(66、68)上該電流密度通常不為零。排列初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈(16、18)的線(xiàn)圈匝(70、72、80、82)以接近內(nèi)、外圓柱面(60、62)上計(jì)算的電路密度；以及在排列線(xiàn)圈匝(70、72、80、82)時(shí)，排列線(xiàn)圈跳變(74)以接近內(nèi)、外輪廓(60、62)上計(jì)算的非零的電流密度。
22.權(quán)利要求21中所述的方法，還包括在計(jì)算內(nèi)、外圓柱面(60、62)上的電流密度的同時(shí)，計(jì)算電流共享表面(64)上的電流密度，線(xiàn)圈跳變(74)的排列被進(jìn)一步約束以接近電流共享表面(64)上計(jì)算的電流密度。
23.權(quán)利要求21中所述的方法，其中電流密度的計(jì)算還包括約束電流密度以產(chǎn)生由圍繞屏蔽線(xiàn)圈的冷屏(20)內(nèi)電流密度所產(chǎn)生的基本上空間恒定的渦流效應(yīng)。
24.權(quán)利要求23中所述的方法，還包括施加基本上消除冷屏(20)內(nèi)的渦流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的梯度預(yù)加重。
25.權(quán)利要求18中所述的方法，其中初級(jí)線(xiàn)圈(16)包括多個(gè)線(xiàn)圈回路(70、72)，該方法還包括從初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈(16、18)之間通過(guò)多個(gè)線(xiàn)圈跳變(74)的電流連通中選擇性地電隔離至少一些初級(jí)線(xiàn)圈回路(70)，該選擇性地電隔離定義線(xiàn)圈組，該線(xiàn)圈組和第二屏蔽線(xiàn)圈(S2)組合提供第二可選擇的視場(chǎng)。
26.權(quán)利要求18中所述的方法，其中初級(jí)線(xiàn)圈(16)包括多個(gè)線(xiàn)圈回路(70、72)，該方法還包括從初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈(16、18)之間通過(guò)多個(gè)線(xiàn)圈跳變(74)的電流連通中選擇性地除去至少一些初級(jí)線(xiàn)圈回路(70、72)，該被選擇性除去的初級(jí)線(xiàn)圈回路(70、72)互連以定義初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)；以及循環(huán)流過(guò)初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)和第二屏蔽線(xiàn)圈(S2”)的第二電流，該電流和該第二電流協(xié)同產(chǎn)生梯度線(xiàn)圈視場(chǎng)，該梯度線(xiàn)圈視場(chǎng)不同于未選擇性除去和循環(huán)第二電流而產(chǎn)生的梯度線(xiàn)圈視場(chǎng)。
27.一種用于磁共振成像裝置(10)的梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，該方法包括利用對(duì)存儲(chǔ)能量和梯度場(chǎng)線(xiàn)性與均勻性的約束，計(jì)算同軸的內(nèi)、外圓柱面(60、62)上的電流密度，計(jì)算的電流密度在定義線(xiàn)圈邊緣的非共面邊界輪廓(66、68)處通常不為零；以及選擇初級(jí)線(xiàn)圈匝(70、72)、屏蔽線(xiàn)圈匝(80、82)和線(xiàn)圈跳變(74)以接近內(nèi)、外圓柱面(60、62)上計(jì)算的電流密度。
28.權(quán)利要求27中所述的方法，其中電流密度的計(jì)算包括進(jìn)一步約束該計(jì)算，以產(chǎn)生由圍繞外圓柱面(62)的圓柱形冷屏(20)內(nèi)渦流產(chǎn)生的基本上空間恒定的渦流效應(yīng)。
全文摘要
用于磁共振成像裝置(10)的梯度線(xiàn)圈包括定義內(nèi)圓柱面(60)的初級(jí)線(xiàn)圈(16)，和定義同軸的外圓柱面(62)的一個(gè)屏蔽線(xiàn)圈(18)或多個(gè)線(xiàn)圈。線(xiàn)圈跳變(74)連接初級(jí)和屏蔽線(xiàn)圈(16、18)。線(xiàn)圈跳變(74)定義非平面的電流共享表面(64)，該電流共享表面在分別與內(nèi)圓柱面(60)和外圓柱面(62)一致的內(nèi)、外輪廓(66、68)之間延伸。線(xiàn)圈(16、18、74)定義多次穿過(guò)位于內(nèi)、外輪廓(66、68)之間的電流共享表面(64)的電流路徑。任選地，電互連一些初級(jí)線(xiàn)圈匝(70)以定義隔離的初級(jí)子線(xiàn)圈(P2)，該初級(jí)子線(xiàn)圈和第二屏蔽(S2、S2′、S2”)共同允許離散地或連續(xù)地可選擇的視場(chǎng)。
文檔編號(hào)G01R33/421GK1714300SQ200380103637
公開(kāi)日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2003年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者S·M·什瓦特斯曼, M·A·莫里奇, G·D·德梅斯特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司