專利名稱：帶有鐵輔助磁場梯度系統(tǒng)的磁共振成像系統(tǒng)的制作方法
以下涉及磁共振領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)它特別適用于磁共振成像，并將特別參考它進行描述。然而，還發(fā)現(xiàn)適用于磁共振光譜學(xué)以及其它核磁共振技術(shù)。
在最早期的磁共振成像掃描器中，例如在《Aberdeen大學(xué)》中(Hutchison等人，J.Phys.E第13卷，947-955頁(1980))使用的早期掃描器以及ProtonTM磁共振掃描器(由Philips公司制造)，很難產(chǎn)生一主磁場足以用于核磁共振成像。因此，在這些早期掃描器中，主磁場由具有恰好足夠允許人體成像對象的狹小孔洞的螺線管電磁體產(chǎn)生。該狹小磁體孔洞聚集主磁場，從而提供較高的磁場強度；然而，其它組件，包括磁場梯度發(fā)生系統(tǒng)，不能被裝配在該孔洞內(nèi)，并因此被置于主磁體之外。
定位于主磁體之外的梯度線圈通常是效率低下的。對于處于空氣或真空環(huán)境下圓柱表面的梯度線圈來說，驅(qū)動梯度線圈的功率增長到大致相當(dāng)于圓柱表面的半徑的五次冪。因此，當(dāng)較大功率的磁體得到發(fā)展且孔洞直徑可以增大的時候，磁場梯度線圈就被插入到主磁體中。的確，實質(zhì)上所有現(xiàn)在商用磁共振成像掃描器具有相同的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中，大功率主磁體(通常是超導(dǎo)磁體)具有相對大直徑的孔洞，其內(nèi)設(shè)置了磁場梯度線圈和射頻線圈。
然而，梯度線圈被置于磁體內(nèi)部的這一傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也具有一定缺點。梯度線圈占據(jù)了主磁體孔洞內(nèi)的大量空間。因此，激發(fā)大功率主磁場內(nèi)部的磁場梯度線圈產(chǎn)生了大的洛侖茲(Lorentz)力。結(jié)果，在進行切換時梯度線圈產(chǎn)生了相當(dāng)大的振動和聽得見的噪音，這會打擾到病人并對圖像質(zhì)量不利。
將梯度線圈定位于主磁體外會減少噪聲問題，因為主磁體會在梯度線圈與病人之間提供聲學(xué)屏障。通過將梯度線圈移至主磁場之外可充分減少洛侖茲力。此外，將梯度線圈定位于磁體孔洞之外就允許主磁體具有較小的總體孔洞直徑，而無需減少可用成像客積的直徑。主磁體的制造成本大致相當(dāng)于線性尺寸的三次冪；因此，孔洞直徑的減少會充分減少磁體的制造成本。
然而，在將磁場梯度線圈定位于當(dāng)今的超導(dǎo)電磁體的孔洞外部過程中出現(xiàn)了障礙。正如前面提到的那樣，用于驅(qū)動梯度線圈的操作功率隨著距成像容積的距離增加而快速增加。主磁體的繞阻或其它組件能干擾到生成于主磁體外部的梯度場。也會涉及到外部梯度線圈和主磁體之間的感應(yīng)耦合。例如本發(fā)明估算出外部切換所生成的磁場梯度會在主磁體內(nèi)誘發(fā)10,000伏特或者更高的電壓。如此高的誘發(fā)電壓會對主磁體的繞阻絕緣和其它組件造成有害的影響。
本發(fā)明設(shè)想了一種克服上述及其它缺陷的改進的設(shè)備和方法。
根據(jù)一個方面，公開了一種磁共振成像設(shè)備。主磁體環(huán)繞檢查區(qū)域并在檢查區(qū)內(nèi)生成主磁場。磁場梯度系統(tǒng)被置于主磁體的外部。磁場梯度系統(tǒng)包括鐵磁軛，以及多個與鐵磁軛磁耦合并選擇性地在鐵磁軛內(nèi)生成磁通量的磁場梯度線圈。鐵磁軛內(nèi)的磁通量生成所選擇的檢查區(qū)域內(nèi)的磁場梯度。
根據(jù)另一方面，公開了一種磁共振成像設(shè)備。主磁體環(huán)繞檢查區(qū)域并在檢查區(qū)域內(nèi)生成主磁場。磁場梯度系統(tǒng)在檢查區(qū)域內(nèi)生成所選擇的磁場梯度。真空罩包括主磁體和磁場梯度系統(tǒng)中的至少一個。真空罩具有定義了成像設(shè)備的孔洞的壁。檢查區(qū)域定位于孔洞中。射頻線圈定位在真空罩外部的孔洞的表面上。射頻屏蔽定位于真空罩內(nèi)部的孔洞的表面上。
一個優(yōu)點在于減少了掃描器的聲學(xué)噪聲。
另一優(yōu)點在于減少了掃描器內(nèi)的洛侖茲力。
再一個優(yōu)點在于提供了較大的可用的掃描器孔洞。
又一個優(yōu)點在于減少了主磁體的制造成本。
許多附加的優(yōu)點及利益對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說將通過閱讀下面對優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述而變得顯而易見。
本發(fā)明可由不同的組件和組件排列，以及不同的處理操作和處理操作的排列組成。附圖僅僅用作示出優(yōu)選實施例，且不會解釋為限制本發(fā)明。


圖1示出了磁共振成像系統(tǒng)的透視圖。
圖2示出了圖1中的磁共振成像系統(tǒng)的透視圖，其中真空罩及主場磁體的支撐管的部分被移除來展示主磁體線圈和磁場梯度系統(tǒng)。
圖3示出了圖1和2中的磁共振成像系統(tǒng)的孔洞管，以及主磁體，其包括纏繞在支撐管上的六個繞組段。
圖4示出了圖1和2中磁共振成像系統(tǒng)的磁場梯度系統(tǒng)。
圖5示出了圖1和2中磁共振成像系統(tǒng)的磁場梯度系統(tǒng)的操作，在檢查區(qū)域內(nèi)生成了縱向磁場梯度。
圖6示出了圖1和2中磁共振成像系統(tǒng)的磁場梯度系統(tǒng)的操作，在檢查區(qū)域內(nèi)生成了橫向磁場梯度。
圖7示出了鐵磁軛，其中省略了外部鐵磁環(huán)。
圖8示出了鐵磁軛，其中外部鐵磁環(huán)被橫臂(crossbar)的伸展部替代。
圖9示出了鐵磁軛，其中外部鐵磁環(huán)由橫臂的伸展部形成，其彼此接觸形成連續(xù)的外部鐵磁環(huán)。
圖10示出了用于鐵磁軛內(nèi)的另一適合的鐵磁通量分配元件，其中鐵磁通量分配元件包括多個環(huán)形分布并分離放置的鐵磁段。
圖11A和11B示出了用于纏繞主磁體的中央繞組段的兩個適合的繞組模式。圖11B的繞組模式包括用于減少磁體內(nèi)感應(yīng)電壓的串聯(lián)電連接。
圖12示出了鳥籠式射頻線圈的透視圖，其包括置于真空罩外部的孔洞管表面上的橫檔(rungs)核橫向環(huán)以及置于真空罩內(nèi)部的孔洞管表面上的射頻屏。
圖13示出了改進的鳥籠式射頻線圈的剖視圖，其中孔洞管的輪廓形成為給射頻屏提供了一個錐形。
參考圖1-4，磁共振成像掃描器10包括由外部通量返回防護罩12和內(nèi)部孔洞管14構(gòu)成的外殼。外部通量返回防護罩12和內(nèi)部孔洞管14被密封在一起從而定義了真空罩16。檢查區(qū)域18位于孔洞管14內(nèi)部；病人或其它成像對象被定位于檢查區(qū)域18內(nèi)。主磁體20置于真空罩16的內(nèi)部。主磁體20包括多個彼此分離的通常為環(huán)形的磁繞組段22，在圖1的實施例中示出了六個段。每一繞組段22包括多匝電導(dǎo)體，優(yōu)選為超導(dǎo)體。典型地，主磁體20距離孔洞管14比距離通量返回防護罩12要近。盡管六個繞組段22被包含于圖1-4的實施例中，多個環(huán)形磁體繞組段22也可以改變。磁體20可以是一組水冷銅線圈或其它電阻線圈，或者使用超導(dǎo)技術(shù)制造，例如在大約4K時操作的鈮基超導(dǎo)體或者在30-100K時操作的高溫超導(dǎo)體。
主磁體20的繞組段22被設(shè)計為使用電磁模擬，建?；蝾愃品椒ㄅc通量返回防護罩12連接，從而在檢查區(qū)域18內(nèi)生成空間上充分一致的磁場，其中主磁場向量沿軸向或平行于孔洞管14的z軸方向?？锥垂?4由非磁性材料制成；然而，外部通量返回防護罩12由鐵磁材料制成，并提供了通量返回路徑用于完成磁通量回路。即，由主磁體20生成的磁通量跟隨一個閉合回路，其通過了包含檢查區(qū)域18的孔洞管14的內(nèi)部，并由通過通量返回防護罩12將其閉合。因此，在真空罩16內(nèi)部在主磁體20和通量返回防護罩12之間存在一低磁場區(qū)域。在圖1-4的實施例中，通量返回防護罩12也作為真空罩16的外部部分使用；然而，在其它的實施例中可以提供一種分離的通量返回防護罩。
磁場梯度系統(tǒng)30被置于存在于磁體20外部并且在通量返回防護罩12內(nèi)部的低磁場區(qū)域內(nèi)。磁場梯度系統(tǒng)30包括鐵磁軛32以及多個磁場梯度線圈34。在圖2和4示出的實施例中，鐵磁軛32包括三個鐵磁環(huán)40，42，44，置于通常為環(huán)形的磁繞組段22之間。盡管位于磁體20的外部，根據(jù)間隙附近的低磁區(qū)域的寬度以及磁場強度，軛32的鐵磁環(huán)40，42，44可以可選地部分刺入主磁體段22之間的間隙中。磁場梯度線圈34包括線匝或纏繞在鐵磁橫臂50上的其它電導(dǎo)體，該橫臂通常橫向排列在鐵磁環(huán)40，42，44上并與鐵磁環(huán)40，42，44連接。
磁場梯度系統(tǒng)30在結(jié)構(gòu)上相對于置于兩側(cè)對稱平面上的中心鐵磁環(huán)42是兩側(cè)對稱的，且外部環(huán)40，44對稱地排列在兩側(cè)對稱平面的每一側(cè)。磁場梯度線圈也對稱地排列在兩側(cè)對稱平面的每一側(cè)上。主磁體20也相對于兩側(cè)對稱的同一平面來說是兩側(cè)對稱的。此外，通過對四個橫臂50以90°的環(huán)形間隔排列，磁場梯度系統(tǒng)30具有四折(four-fold)旋轉(zhuǎn)對稱。每一橫臂50包括繞在兩側(cè)對稱平面的每一側(cè)上的磁場梯度線圈34。
為了避免軛32的鐵磁材料的磁飽和，真空罩16和主磁體20之間的低磁場區(qū)域應(yīng)具有小磁場背景。典型地，背景磁場應(yīng)為約100mT或更低；然而，梯度系統(tǒng)30將適當(dāng)操作的背景磁場最大值將取決于軛32的形狀及磁材料特性。在一些實施例中，通量返回防護罩12足以提供該低磁場區(qū)域。在其它的實施例中，提供了通量返回防護罩且附加磁體線圈部分(未示出)與主磁體線圈部分22同軸地定位，但直徑較大。這些附加磁體線圈部分有助于進一步減少梯度系統(tǒng)30附近的背景磁場。與積極(actively)防護磁體的防護線圈不同，這些附加線圈具有與主場線圈22相同的極性，以便減少梯度系統(tǒng)30所在的低磁場區(qū)域的磁場。典型地，附加線圈部分的安培匝數(shù)的數(shù)目大約是主磁體部分22安培匝數(shù)的10％或更低。
繼續(xù)參考圖1-4并進一步參考圖5和6，描述了磁場梯度系統(tǒng)30的操作。在圖5和6中用箭頭框指示出磁通量。在圖5中示出了縱向梯度的產(chǎn)生平行于z軸(即，用于傳統(tǒng)軸-層成像的層選梯度)，磁場梯度線圈34被激勵從而在橫臂50內(nèi)生成磁通量，它被定向于與中央鐵磁環(huán)42相反的方向上。這一生成的磁通量由鐵磁環(huán)40，42，44分配，以便兩個外部鐵磁環(huán)40，44內(nèi)的磁通量在相同方向上，朝向磁體的中心線流動，而中央鐵磁環(huán)42內(nèi)的磁通量相對于兩個外部鐵磁環(huán)40，44中的磁通量以相反的方向流動，遠(yuǎn)離磁體的中心線。
由磁體20生成的主磁場(未示于圖5和6中)沿z方向定向。經(jīng)過檢查區(qū)域18的泄漏磁通量平行于z方向在中央鐵磁環(huán)42的一側(cè)(即，圖5中的左側(cè)上)流動，并因此增強了主磁場。泄漏磁通量在中央鐵磁環(huán)42的另一側(cè)(即，圖5中的右側(cè))反向平行于z方向流動，并因此減少主磁場。結(jié)果是強加于主磁場上的縱向梯度，它在圖5中是一由左至右減少的磁場量值。
圖示的圖5示出的僅僅是四個橫臂50中的兩個。為了在檢查區(qū)域18內(nèi)獲得跨橫向平面充分均勻的z梯度，所有位于全部四個橫臂50上的磁場梯度線圈34以圖5示出的極性被適當(dāng)?shù)丶睢４送?，將會理解的是，如果磁場繞組34中電流極性在圖5中倒轉(zhuǎn)，那么檢查區(qū)域18內(nèi)產(chǎn)生的z梯度方向也會倒轉(zhuǎn)。進一步，z梯度的量值由磁場梯度線圈34內(nèi)流動的電流量值適當(dāng)?shù)乜刂啤?br> 參考圖6，描述了垂直于z軸(即，用于傳統(tǒng)軸-層成像的相位選擇或讀出梯度)的橫向梯度的生成。不同于z梯度的生成，橫向梯度的生成使用纏繞在四個鐵磁橫臂50中的僅僅兩個相對的橫臂上的磁場梯度線圈34。出于方便，依照圖6示出的方位，這兩個橫臂被標(biāo)定為頂部和底部的鐵磁橫臂50。頂部橫臂上的磁場梯度線圈被激勵從而在橫臂內(nèi)部生成平行于圖6所示z方向的磁通量。底部橫臂上的磁場梯度線圈被激勵從而在橫臂內(nèi)部生成反向平行于z方向的磁通量。由此成生的磁通量主要由外部鐵磁環(huán)40，44分配，并在這兩個鐵磁環(huán)40，44內(nèi)以相反的方向流動。磁通量最大程度的繞開中央鐵磁環(huán)42，其對橫向梯度操作模式中的磁通量分布基本上沒有影響。
兩個外部鐵磁環(huán)40，44內(nèi)以相反方向流動的磁通量產(chǎn)生了定向為反向平行于z方向并接近頂部鐵磁橫臂的方向的泄漏磁通量，并且也產(chǎn)生了定向為平行于z方向并接近底部鐵磁橫臂的方向的泄漏磁通量。在檢查區(qū)域18的中央，泄漏磁通量穿過零點。因此，橫向磁場梯度被加在檢查區(qū)域18內(nèi)的主磁場上。在圖6中，橫向梯度是從頂部至底部增加的磁場量值。
以相同的方式，與圖6中示出的梯度正交的橫向磁場梯度通過相同的激勵在兩個相對于頂部及底部橫臂為90°方向定位的相對的橫臂上的梯度線圈而生成。此外，將會理解的是，如果磁場繞組34中電流極性在圖6中倒轉(zhuǎn)，那么檢查區(qū)域18內(nèi)產(chǎn)生的橫向梯度也會倒轉(zhuǎn)。進一步，橫向梯度的量值由磁場梯度線圈34內(nèi)流動的電流量值適當(dāng)?shù)乜刂啤?br> 需要注意的是，中央鐵磁環(huán)42不用于生成橫向磁場梯度。在一些預(yù)期的實施例中，中央鐵磁環(huán)42被省略了，并且兩個圓柱繞組以反赫爾姆霍茨(Helmholtz)結(jié)構(gòu)排列，用作為z梯度線圈。這些圓柱z梯度線圈適當(dāng)?shù)囟ㄎ挥诨蚪咏阼F磁軛32的外部鐵磁環(huán)40，44的內(nèi)輪廓。在其它的預(yù)期的實施例中，使用了超過三個的鐵磁環(huán)。例如，可以使用五個環(huán)，包括中央環(huán)和兩個對稱排布在中央鐵磁環(huán)每一側(cè)上的外部環(huán)。
鐵磁軛32的設(shè)計和材料選擇以及鐵磁橫臂50決定了磁場梯度系統(tǒng)30的效率及均勻性。鐵磁橫臂50預(yù)定將高效地將由磁場梯度線圈34生成的磁通量傳送至鐵磁軛32；因此，這些橫臂應(yīng)具有大的磁導(dǎo)率。在一個實施例中，橫臂50由毫微結(jié)晶(nanocrystalline)Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9合金制成，它記載于Y.Yoshizawa等人的《Journal of Applied Physics》的卷64，第6044及其后頁(1988)中。其它的具有高磁導(dǎo)率、低損耗且相對高飽和磁化強度的材料也適合作為橫臂50的材料。高磁導(dǎo)率材料也能被用于鐵磁軛32的中央鐵磁環(huán)42。
對于鐵磁軛32的外部鐵磁環(huán)40，44，通常不期望有高磁導(dǎo)率。如果這些外部環(huán)40，44具有高磁導(dǎo)率，它們會在檢查區(qū)域18內(nèi)生成不充足的泄漏磁通量來支持實際的梯度場。另一方面，如果磁導(dǎo)率太小，梯度場的質(zhì)量會受到損失。在一些實施例中，外部鐵磁環(huán)40，44具有相對的磁導(dǎo)率數(shù)值(μr)，介于大約10至大約40之間。用于外部鐵磁環(huán)40，44的適當(dāng)?shù)牟牧习ǜ叽艑?dǎo)率、低損耗鐵磁材料的稀釋粉末，以及薄片鐵磁材料。
當(dāng)磁場梯度線圈34內(nèi)的電流是零時，使橫臂50的凈磁化強度小是有利的。這可由正確地選擇鐵磁軛32的外部鐵磁環(huán)40，44的軸向位置(即，z方向上的位置)達到。如果這些環(huán)在相鄰環(huán)形磁繞組段22之間的間隙中間，那么橫臂50將在磁體20的軸上的場方向上磁化。如果環(huán)接近兩個相鄰的磁體段22中靠里面的一個，那么橫臂50將在相反方向上磁化。在兩個相鄰的磁體段22之間有一個最佳位置，其中橫臂50的凈磁化強度穿過零點。對于典型的主磁體20來說，這一最佳位置位于磁體部分22之間的間隙寬度的80％(即五分之四)的位置?？赏ㄟ^應(yīng)用恒定的偏置電流到梯度線圈34上實現(xiàn)軛磁化強度的進一步減少，從而消除了由外部鐵磁環(huán)40，44的非最佳定位生成的殘余磁化強度。
參考圖7-9，另一設(shè)計需考慮的對象是梯度軛32的外部鐵磁環(huán)40，44的形狀。如果像圖7所示那樣省略掉外部鐵磁環(huán)40，44的話，場將集中在橫臂50的末端，且由此產(chǎn)生的磁場梯度將具有大的較高階的分量。參考圖8，改進的磁場梯度均一性是通過環(huán)形展開橫臂50的末端從而生成分段的外部鐵磁環(huán)40’而獲得的。參考圖9，橫臂50末端的展開足夠大以便橫臂50的末端展開部分接觸到，形成了變化厚度的鐵磁外環(huán)40”?？赏ㄟ^電磁模擬或建模來選擇外部鐵磁環(huán)40，40’，40”，44的精確形狀從而提高梯度系統(tǒng)30的梯度場質(zhì)量。當(dāng)末端被展開，橫臂50的橫截尺寸和形狀對于磁梯度場的質(zhì)量影響很小，對于選擇橫臂50的尺寸及形狀提供了更大的設(shè)計彈性。
圖9的實施例具有這樣的優(yōu)點，即在橫臂50和鐵磁環(huán)40，42，44之間的連接處具有較大的厚度。在這些連接處，梯度系統(tǒng)30的磁通量量值是最大的。在一些實施例中，鐵磁環(huán)40，42，44是非平面的。在一些實施例中，鐵磁環(huán)被定向為垂直于由主磁體20生成的局部雜散場的方向。在這一方位上，由主場磁體20生成的鐵磁環(huán)的磁化強度被減少。期望有這種由于主場磁體20而產(chǎn)生的梯度系統(tǒng)30的低磁化強度，因為低磁化強度使鐵磁軛32的有效磁導(dǎo)率最大化，這會減少所存貯的磁能量。
參考圖10，為了使得能夠精確控制磁場梯度，多個磁場傳感器70被置于孔洞管14上或在某些其它位置，并且被磁場梯度線圈電源66用于反饋控制。可替換地，可使用預(yù)增強來糾正渦流、磁滯現(xiàn)象或其它梯度場的時間相關(guān)特性(behavior)的梯度波形。
梯度軛系統(tǒng)的末端環(huán)內(nèi)的磁通量泄漏通過使用中斷的鐵磁通量分配段62得到了減少。通過將末端環(huán)分為幾段增加了梯度的不均勻性，但這可以通過使用超過四個的段來補償。例如，在圖10中，鐵磁通量分配元件60具有八個段62，環(huán)形地分布在檢查區(qū)域18周圍。每一鐵磁通量分配段都與單獨的用于支撐磁場梯度線圈(未示于圖10)的鐵磁橫臂64連接。每一橫臂64的梯度線圈都是由多通道磁場梯度線圈電源66的一個單獨的通道獨立驅(qū)動。通過使用與圖5和6中相類似的極性來有選擇地驅(qū)動所選擇的梯度線圈，能夠生成所選擇方向上的縱向梯度、橫向梯度，或者橫向和縱向方位之間的梯度。模擬示出了檢查區(qū)域周圍以45°間隔排列八個段62，如果驅(qū)動線圈的安培匝數(shù)換算為角度位置的余弦，可獲得好的橫向梯度場的均勻性。這個八段鐵磁通量分配元件60的效果要優(yōu)于圖1-4中使用四個橫臂50以及連續(xù)的鐵磁環(huán)40，42，44的排列。為了進一步提高均勻性，可使用更多的鐵磁段，例如以30°間隔的12個段。這八個鐵磁通量分配段62優(yōu)選由具有相對的介于大約10及大約40之間磁導(dǎo)率(μr)數(shù)值的材料制成。鐵磁橫臂64優(yōu)選由具有比段62相對較高的磁導(dǎo)率材料制成。
盡管對所示出的實施例中的每一梯度線圈使用單獨的驅(qū)動通道，但是在其它實施例中獨立梯度線圈波形信號以及驅(qū)動放大器的數(shù)量通過對梯度驅(qū)動線圈分為三個分離的電路而減少，每一個電路用于一個梯度方向。為了這么做，梯度線圈34每一個都分為至少兩個部分一部分作用于z軸；并且剩余的部分用于正交的橫軸。用于帶有四個橫臂50的系統(tǒng)的線圈的總數(shù)在這些實施例中增加到十六個。第一部分包括八個用于生成z梯度場的梯度線圈(每一橫臂50上兩個)，并且這些線圈串聯(lián)連接且由單獨的放大器來供能。第二部分包括第一橫向梯度(即x梯度)的四個梯度線圈(在兩個相對的橫臂中的每一個上的對稱定位的兩個線圈)，以及用于垂直于第一梯度的第二橫向梯度(即y梯度)的四個梯度線圈(另外兩個相對的橫臂每一個上的兩個線圈)。第一橫向梯度的四個線圈可被串聯(lián)連接并由第二放大器供能。第二橫向梯度的四個線圈能被串聯(lián)連接并由第三放大器供能。
參考圖11A和11B，z梯度模式和主磁體20之間的感應(yīng)耦合能在最靠近磁體20兩側(cè)對稱的平面的中央磁體繞組段22內(nèi)產(chǎn)生大的感應(yīng)電壓(在某些電磁模擬中高達10,000伏特)。盡管凈電壓為零，因為磁體20是兩側(cè)對稱的，而梯度系統(tǒng)30是兩側(cè)不對稱的，如此高的感應(yīng)電壓是不期望的。這些感應(yīng)的電壓能通過選擇合適的主場磁體20的中央繞組段的繞組方案得到減少。圖11A示出了傳統(tǒng)的繞組方案，其中每一中央繞組段被單獨纏繞。示于圖11B的繞組方案的區(qū)別在于，在纏繞一個繞組段的一個或幾個層之后，導(dǎo)線被布到兩側(cè)對稱平面的對側(cè)上的鏡像圖像段上，并且鏡像圖像線圈部分的對應(yīng)部分被纏繞。這一進程產(chǎn)生了相鄰磁體繞組段22的每一層之間或每幾層之間串聯(lián)的電連接74。在圖11B的繞組方案中，沒有大的感應(yīng)電壓生成，因為電壓抵消發(fā)生在每一層內(nèi)或每幾層內(nèi)。
在高梯度切換頻率下，例如在10kHz左右，主磁體線圈的繞組之間的寄生電容能有效地短路這種線圈。這些電容的效果應(yīng)當(dāng)被保持的很小，從而避免z梯度的擾動，例如通過選擇具有大操作電流的以及相應(yīng)的小匝數(shù)的磁體設(shè)計。這些電容效果也可通過如下方式來減小加入隔板材料在線圈部分的繞組層之間，對這些線圈部分使用扁平繞組方案或其它的方法由于通過線圈的凈磁通量引發(fā)較低的內(nèi)翻(inter-turn)電壓。典型地，如果中央主磁體部分的匝數(shù)能被保持在低于200匝，那么電抗響應(yīng)會得到優(yōu)化，從而不會干擾到z梯度模式?？蛇x地，通過在導(dǎo)體材料內(nèi)纏繞線圈，中央磁體20的導(dǎo)線繞組段22被屏蔽起來不受梯度系統(tǒng)的時間變化場影響；然而，這一傳導(dǎo)纏繞不應(yīng)當(dāng)形成與梯度系統(tǒng)相耦合的閉合環(huán)。
在圖1-4的實施例中，磁體20包括多個空間上分離的通常為環(huán)形的磁體繞組段22，并且磁通量分配元件40，42，44被置于磁體繞組段22之間的間隙內(nèi)。在一些預(yù)期的實施例中，磁體是僅有幾匝的室溫的銅線圈(例如100匝，其可用于低場的磁共振成像掃描器)，使用無間隙的連續(xù)的繞組。在這樣的實施例中，由置于主磁體外的梯度系統(tǒng)生成的梯度場穿透主磁體的繞組；然而，由于匝數(shù)很小，這樣的穿透是可被接受的。
在大部分實施例中，磁體20是超導(dǎo)磁體，其被冷卻到超導(dǎo)的操作溫度。操作溫度至少取決于超導(dǎo)體的類型，磁體電流，以及磁體場。鈮基超導(dǎo)磁體應(yīng)該冷卻到大約4K，而高溫超導(dǎo)體可在30-100K進行操作。為了將磁體冷卻到超導(dǎo)鈮溫度，通?？墒褂玫蜏乇３制骰虻蜏叵洌缫汉は?。對于較高的操作溫度，可使用固態(tài)氖低溫器(大約17K)或液氮箱或低溫套(大約77K)。此外，當(dāng)溫度高于大約30K時，可使用傳導(dǎo)冷卻。在傳導(dǎo)冷卻中，由合適的低溫保持器或循環(huán)冷凍劑來冷卻的冷卻頭與磁體20熱傳導(dǎo)耦合在一起來轉(zhuǎn)移熱量。冷卻也可有利地用于阻抗磁體，因為冷卻基本上減少大部分電導(dǎo)體電阻率。
如果使用了磁體的冷卻，那么冷卻過的磁體應(yīng)該被真空屏蔽起來從而減少來自周圍室溫的熱傳導(dǎo)。在圖1-4示出的實施例中，磁體20和磁場梯度系統(tǒng)30都被置于真空罩16的內(nèi)部。如果磁體20和磁場梯度系統(tǒng)30彼此熱接觸的話，這樣的排列是適當(dāng)?shù)?，因為在這一方案中磁體20和磁場梯度系統(tǒng)30都應(yīng)當(dāng)被冷卻。如果冷卻了梯度系統(tǒng)30，那么磁場梯度線圈34應(yīng)當(dāng)被選擇來控制由于切換操作導(dǎo)致的加熱。例如，用于超導(dǎo)能量變壓器的超導(dǎo)繞組可用于梯度繞組34。如果磁體20和磁場梯度系統(tǒng)30彼此熱接觸(無論被冷卻還是室溫)，那么磁體和梯度系統(tǒng)可被裝配成單個機械集成結(jié)構(gòu)置于真空罩16內(nèi)部。有利地，真空罩16提供了用于梯度系統(tǒng)30的實質(zhì)性聲學(xué)屏障。
可替換地，磁場梯度系統(tǒng)可在室溫下操作而磁體被冷卻。在這一方案中，磁體和梯度系統(tǒng)通過真空罩、玻璃纖維或其它絕緣材料或者類似物彼此熱分離。在這一方案中，更難以將磁體和梯度系統(tǒng)機械集成在一起；然而，這可能有與不冷卻梯度系統(tǒng)相關(guān)的成本節(jié)省。對于是否及如何冷卻磁體，以及是否及如何冷卻梯度系統(tǒng)的選擇，它基于對這些系統(tǒng)的材料的選擇以及其它熱工程考慮因素來適當(dāng)作出。將會理解，即使磁體和梯度系統(tǒng)都被冷卻，不同的冷卻機構(gòu)可用于這兩個組件。例如，梯度系統(tǒng)可被冷卻到低于室溫但高于磁體的操作溫度的溫度，并且這一受限的梯度系統(tǒng)的冷卻與在磁體和梯度系統(tǒng)之間插入一些熱絕緣材料相結(jié)合。
為了使由磁場梯度系統(tǒng)30生成的磁梯度場能夠達到檢查區(qū)域18，在梯度系統(tǒng)30內(nèi)不應(yīng)該有實質(zhì)上的電傳導(dǎo)表面。例如，如果輻射防護用于磁體冷卻的一部分，那么其應(yīng)開槽來減少感應(yīng)的渦流。真空罩16的孔洞管14應(yīng)由非電傳導(dǎo)材料制成。
除了磁體20和磁場梯度系統(tǒng)30以外，磁共振成像數(shù)據(jù)的獲得包括磁共振頻率下的射頻激發(fā)和探測。這些操作可使用本地射頻線圈或線圈陣列，整體鳥籠式線圈，整體TEM線圈等來完成。然而，這些線圈中的一些具有占用孔洞管14的內(nèi)部大量空間的缺陷。
參考圖12，在一個實施例中，孔洞管14被用作帶狀線射頻線圈的支撐。孔洞管14典型為非電傳導(dǎo)，從而允許磁場梯度經(jīng)過其中。例如，孔洞管14可以是電絕緣的纖維加強合成管。由孔洞管14支撐的鳥籠式線圈80包括置于真空罩16外部的孔洞管14表面上的多個帶狀線傳導(dǎo)橫檔82及橫向傳導(dǎo)帶狀線環(huán)84。即，傳導(dǎo)橫檔82和橫向傳導(dǎo)帶狀線環(huán)84不延伸至真空。(射頻線圈80的橫檔及環(huán)82，84也可見于圖1。)在一些實施例中，橫檔和環(huán)82，84是置于或直接印于非電傳導(dǎo)的孔洞管14的印刷電路。在其它一些實施例中，橫檔和環(huán)82，84被置于或印于單獨印制的電路板或孔洞管14上緊固的內(nèi)孔套管(liner)。在其它一些實施例中，橫檔和環(huán)82，84是附于孔洞管14上的箔帶。
射頻防護或屏88被置于孔洞管14的真空側(cè)。即，射頻屏88暴露于真空。射頻屏88可直接印于孔洞管14上，或被置于用作射頻屏88的印刷電路板的非電傳導(dǎo)的外部孔洞管套管上。選擇孔洞管14的壁的厚度來一方面提供傳導(dǎo)橫檔82及環(huán)84之間期望的隔離，以及另一方面提供和射頻屏88的隔離。典型地，對于整體鳥籠式線圈來說，大約15毫米至25毫米的厚度是合適的?？蛇x地，構(gòu)造孔洞管14的壁的厚度的輪廓以便為射頻線圈80提供選擇的射頻特性。如果分離的印刷電路板用于支撐橫檔82，環(huán)84，和/或屏88，那么可以選擇這些分離的印刷電路板的厚度來提供所需的隔離。軸向或z方向上的射頻屏88的尺寸通常大于鳥籠的傳導(dǎo)橫檔82的長度?？蛇x地，裝飾套管(未示出)被置于孔洞管14的內(nèi)部來防止傳導(dǎo)橫檔82和環(huán)84與置于檢查區(qū)域18內(nèi)的病人或其它成像對象的接觸。
參考圖13，改進的孔洞管14’與孔洞管14的區(qū)別在于它包括其上駐留了改進的射頻屏88’的輪廓部分92，與輪廓部分92的外表面一致。在輪廓部分92中，孔洞管14’的厚度在外測上變化，從而改變鳥籠傳導(dǎo)器84和射頻屏88’之間的間隔。代替構(gòu)造孔洞管外表面的輪廓，構(gòu)造其內(nèi)表面或兩個表面的輪廓。典型地，大約10毫米至大約25毫米的間隔都是適合的。通過合成射頻屏88’的輕微的錐度致使線圈和屏之間的距離朝射頻線圈80的末端增加，這就有可能無需增加線圈長度就改善射頻場的均勻性。如圖13所示，射頻屏88’軸向上的長度通常比鳥籠線圈的傳導(dǎo)桿84的長度要長。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，置于孔洞管14對側(cè)的射頻線圈80和射頻屏88，88’在磁共振掃描器系統(tǒng)中是通用的，其中孔洞管定義了包含主磁體，梯度系統(tǒng)或兩者的真空罩的壁。例如，所描述的射頻線圈/屏排列可用于磁共振成像掃描器，其中，梯度線圈被定位在主磁體的內(nèi)部并且被真空包圍以減少噪聲。類似地，在一些預(yù)期的掃描器設(shè)計中，真空包圍的超導(dǎo)梯度線圈可以定位在主磁體內(nèi)部(無論是與外部超導(dǎo)主磁體周圍的真空罩相同或不同的真空罩中)，并且所描述的射頻線圈/屏排列也將在這些預(yù)期的掃描器中得到應(yīng)用。
本發(fā)明已經(jīng)參考優(yōu)選實施例進行了描述。明顯地，其他人在閱讀及理解上述詳細(xì)的描述后會得出修改及改進。本發(fā)明打算解釋為包括所有這些修改及改進，只要它們在后附權(quán)利要求或其等效物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁共振成像設(shè)備，包括主磁體(20)，它包圍著檢查區(qū)域(18)并在檢查區(qū)域內(nèi)生成主磁場；以及磁場梯度系統(tǒng)(30)，其置于主磁體的外部，該磁場梯度系統(tǒng)包括鐵磁軛(32)，以及多個與鐵磁軛磁耦合并有選擇地在鐵磁軛內(nèi)生成磁通量的磁場梯度線圈(34)，鐵磁軛內(nèi)的磁通量在檢查區(qū)域內(nèi)生成所選擇的磁場梯度。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括包圍主磁體(20)的鐵磁通量返回防護罩(12)，鐵磁軛(32)被置于主磁體和鐵磁通量返回防護罩之間的低磁場區(qū)域。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中主磁體(20)包括多個空間上分離的包圍檢查區(qū)域(18)的通常為環(huán)形的磁體段(22)；以及鐵磁軛(32)包括多個置于空間上分離的磁體段之間的鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42.44.60)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，磁場梯度系統(tǒng)(30)進一步包括多個鐵磁橫臂(50，64)，與鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)磁耦合，磁場梯度線圈(34)被纏繞在鐵磁橫臂周圍。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44)是恒定或變化厚度的鐵磁環(huán)，鐵磁橫臂(50)通常橫切于鐵磁環(huán)以及鐵磁軛(32)。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)由相對磁導(dǎo)率在大約10至大約40之間的材料制成，并且鐵磁橫臂(50，64)具有大于鐵磁通量分配元件的相對磁導(dǎo)率的相對磁導(dǎo)率。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中，磁場梯度線圈(34)包括第一磁場梯度線圈(34)，纏繞在第一鐵磁橫臂(50)上，第一磁場梯度線圈被有選擇地激勵來在檢查區(qū)域(18)內(nèi)生成第一橫向磁場梯度。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，磁場梯度線圈(34)還包括第二磁場梯度線圈(34)，纏繞在第二鐵磁橫臂(50)上，第二磁場梯度線圈被有選擇地激勵來在檢查區(qū)域(18)內(nèi)生成垂直于第一橫向磁場梯度的第二橫向磁場梯度。
9.如權(quán)利要求4的設(shè)備，其中，多個鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)包括置于磁體(20)中央的中央鐵磁通量分配元件(42)，并且磁場梯度線圈(34)包括兩個電傳導(dǎo)繞組，繞在中央鐵磁通量分配元件(42)任一側(cè)上的每一橫臂(50)周圍，該兩個電傳導(dǎo)繞組中的每一個在(i)朝向或(ii)背離中央鐵磁通量分配元件中的一個方向上在橫臂內(nèi)產(chǎn)生磁通量。
10.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，每一鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)被置于距兩個相鄰磁體段(22)之一的第一距離處以及距兩個相鄰磁體段中的另一個的第二距離處，該第二距離比第一距離大約大四倍。
11.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中每一鐵磁通量分配元件(60)包括多個環(huán)形分布在檢查區(qū)域(18)周圍的鐵磁段(62)，該鐵磁段被非鐵磁間隙分開，每一鐵磁段與至少一個磁場梯度線圈(34)磁耦合。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中，每一鐵磁通量分配元件(60)包括至少八個鐵磁段(62)。
13.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中，每一鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)至少部分穿入分離相鄰的空間上分離的通常為環(huán)形的磁體段(22)間隙中。
14.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括多個能量通道(66)，其獨立地驅(qū)動每一磁場梯度線圈(34)，以便基于多個能量通道中的每一個輸送的相對能量，在所選擇的方位上生成橫向梯度。
15.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括包圍主磁體(20)、鐵磁軛(32)，以及多個磁場梯度線圈(34)的的真空罩(16)。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，進一步包括鐵磁通量返回防護罩(12)，其包圍主磁體(20)并定義了真空罩(16)的外部部分，鐵磁軛(32)被置于主磁體和鐵磁通量返回防護罩之間的低磁場區(qū)域內(nèi)。
17.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其中，孔洞管(14，14’)定義了真空罩(16)的一部分，該設(shè)備進一步包括置于孔洞管(14，14’)相對側(cè)上的射頻線圈(80)和射頻屏(88，88’)。
18.如權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其中射頻屏(88’)被置于真空罩(16)的真空內(nèi)部的孔洞管(14’)表面上，并且為錐形以便射頻線圈(80)與射頻屏(88’)之間的間隔在線圈中部較小且在線圈末端較大。
19.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，鐵磁軛(32)包括具有在大約10和大約40之間的磁導(dǎo)率的鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其中，鐵磁通量分配元件(40，40’，40”，42，44，60)由層狀及粉末狀鐵磁材料制成。
21.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，磁場梯度系統(tǒng)(30)進一步包括磁場傳感器(70)，其感應(yīng)檢查區(qū)域(18)內(nèi)的磁場；以及一個或多個能量通道(66)，其驅(qū)動多個磁場梯度線圈(34)以便在檢查區(qū)域(18)內(nèi)生成所選擇的磁場梯度，使用磁場傳感器(70)來對一個或多個能量通道進行反饋控制來保持所選擇的磁場梯度。
22.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，主磁體(20)是兩側(cè)對稱的，并包括(i)兩個中央電傳導(dǎo)繞組(22)，兩側(cè)對稱的平面的每一側(cè)上各有一個；以及(ii)跨兩側(cè)對稱平面的串聯(lián)電連接(74)，將兩側(cè)對稱平面一側(cè)上的中央電傳導(dǎo)繞組中的每一個或每幾個繞組與兩側(cè)對稱平面另一側(cè)上的中央電傳導(dǎo)繞組中相對應(yīng)的一個或幾個繞組連接在一起，在中央繞組的任意部分處跨兩側(cè)對稱平面的最大感應(yīng)電壓由該串聯(lián)連接(74)來限制。
23.一種磁場梯度系統(tǒng)(30)，包括鐵磁軛(32)；以及多個磁場梯度線圈(34)，其與鐵磁軛磁耦合，并有選擇地在鐵磁軛內(nèi)生成磁通量，鐵磁軛內(nèi)的磁通量在檢查區(qū)域(18)內(nèi)生成所選擇的磁場梯度。
24.一種磁共振成像設(shè)備，包括主磁體(20)，其包圍著檢查區(qū)域(18)并在檢查區(qū)域內(nèi)生成主磁場；磁場梯度系統(tǒng)(30)，其在檢查區(qū)域內(nèi)生成所選擇的磁場梯度；真空罩(16)，其包含主磁體和磁場梯度系統(tǒng)中的至少一個，該真空罩具有定義成像設(shè)備的孔洞(14，14’)的壁，檢查區(qū)域被置于孔洞內(nèi)；射頻線圈(80)，其被置于真空罩外部的該孔洞的表面上；以及射頻屏(88，88’)，其被置于真空罩內(nèi)部的該孔洞的表面上。
25.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，射頻線圈(80)包括多個定義了線圈橫檔(82)的電傳導(dǎo)帶狀線。
26.如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，其中，射頻屏(88’)為錐形，從而在線圈中央處提供屏與線圈(80)之間較小的間隔，以及在線圈末端處提供屏與線圈之間較大的間隔。
全文摘要
一個磁共振成像設(shè)備，包括主磁體(20)，其環(huán)繞檢查區(qū)域(18)并生成檢查區(qū)域內(nèi)的主磁場。磁場梯度系統(tǒng)(30)被置于主磁體的外部。磁場梯度系統(tǒng)包括鐵磁軛(32)，以及多個與鐵磁軛磁耦合并有選擇地生成鐵磁軛內(nèi)的磁通量的磁場梯度線圈(34)。鐵磁軛內(nèi)的磁通量在檢查區(qū)域內(nèi)生成所選的磁場梯度。
文檔編號G01R33/38GK101019036SQ200580020024
公開日2007年8月15日 申請日期2005年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
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