CN101063708B - 用于产生磁场的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在磁共振断层造影设备中产生磁场的装置(1)，其具有用于产生基本磁场的装置(2)、环绕该基本磁场装置(2)的真空容器(4)和用于产生至少一个磁梯度场的装置(8)，其中，该装置(1)在基本磁场装置(2)的至少一个超导线圈的线匝与该真空容器(4)的非导体壁之间的区域内的体积具有降低的磁场强度，在该体积中至少部分地容纳超导构成的梯度场装置(8)。

Description

用于产生磁场的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在磁共振断层造影装置中产生磁场的装置，其具有用于产生基本磁场的装置、环绕该基本磁场装置的真空容器和用于产生至少一个磁梯度场的装置。
背景技术
在目前的磁共振设备中，用于接纳患者检查床的扫描口典型地直径为60cm，其中，基本磁场磁铁本身的扫描口，也就是磁铁的内径为90cm。这些尺寸对于有效场和干扰场参数以及对参与磁场产生的部件如基本磁场磁铁和用于产生梯度场的线圈的占地需求和功率需求是一种折中。
然而，在医生和患者方面更希望设备扫描口更大，如在计算机X线断层造影设备中公知的扫描口那样，在系统长度低于一米的情况下用于接纳患者的直径达到80cm以上。用于接纳患者的更大扫描口带来的优点是，可以有效地减少患者在磁共振断层造影装置上经常产生的压抑感，并因此避免患者因狭窄感而移动或因此不得不中断或者缩短检查而对产生的影像质量造成的消极影响。
人们已经尝试加大用于接纳患者检查床的扫描口，从而新型的磁共振装置在用于接纳患者的70cm直径时具有约1.2m的系统长度。与这种通过加大并因此对产生磁场不利的半径来扩大扫描口相关的是，在有效场或干扰场参数上或在梯度装置和一般情况下在梯度装置空间附近使用的高频发射和接收线圈系统的功率需求方面进行削减，因为对两个部件来说，出于对最佳磁场产生的几何形状的要求需要选择折中。具有70cm大孔径系统的梯度强度例如最大和名义上降低30-50％。
此外，人们尝试将梯度线圈和高频发射线圈整合成共用的模制体。这对于70cm以下直径的患者扫描口来说是可能的，但在此对材料和加工的要求很高。为此提高了损耗功率并且必须忍受干扰噪声的出现。在这种结构下具体的吸收(SAR)由于原理性局部场强过高而比常规的集中结构更加不利。
作为选择还可以降低梯度线圈可供使用的体积和靠近身体的所谓“体线圈(Body Coil)”，由此也可以达到70cm的直径。但是在这里也存在损耗功率提高和噪声形成增加的问题。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种与此相关的改进的装置。
为实现该目的，依据本发明具有一种开头所述类型的用于产生磁场的装置，该装置在基本磁场装置的至少一个超导线圈的线匝与真空容器的非导体壁之间的区域内的体积具有降低的磁场强度，其中至少部分地容纳超导构成的梯度场装置。
因此在基本磁场磁铁的主线匝与非导体的真空容器、所谓的OVC(OuterVacuum Chamber)的外壁之间产生一个自由的体积区域，它具有降低的磁通密度，低得足可以使超导梯度线圈在该区域内设置和工作。特别是这样选择该磁通密度降低的体积，使一个或多个梯度线圈所需的快速开关不受影响。有针对性地将梯度线圈装置完全容纳在这个磁通密度降低的、自由的体积区域内。但也可以另外设置梯度场装置的必要时非超导构成的部分，例如像在传统的磁共振设备上那样，设置在为患者检查床设置的扫描口方向上、真空容器外部的区域内。然而，如果超导的梯度场装置完全设置在该磁场强度降低的体积内，那么用于容纳患者的内部区域的尺寸不再受该区域内所要设置的梯度线圈的限制，从而可以实现80cm或者更大的直径并因此达到更大的开放性。
这种具有超导梯度线圈的磁共振系统迄今为止尚未供使用。只要考虑在与梯度线圈的结合下使用高温超导体，则迄今为止尚不明确面对梯度线圈以往的设置应该如何将这些线圈连接在很强的外部基本磁场内。采用依据本发明的用于产生磁场的装置，梯度线圈可以毫无问题地作为高温超导体工作，因为开关特性不受磁通密度降低的体积的影响。
依据本发明，降低磁场强度的体积通过基本磁场装置的至少一个线圈的相应结构和/或者至少一个附加的补偿线圈，特别是超导补偿线圈产生。
因此可以在设计时从一开始就这样构成基本磁场磁铁，使其在工作时产生适用于设置梯度线圈的场强减弱区。为此有针对性地将用于产生磁通密度降低的体积的相应预定值与用于构成基本磁场磁铁的目标场(Target-Field)方法相结合，作为对如焊接部位等上所要达到的场强减弱迄今已经存在的规定值的补充。
此外，可以设置作为补偿线圈的超导螺线管线圈，它们可以构成为在高达80K的温度下工作的高温超导体并因此而可以靠近真空容器设置。在这种补偿线圈中，最大磁通密度以及由此的最大可能的线匝数取决于温度，从而需要选择相应的折中。超导梯度线圈产生穿过补偿线圈线匝和真空容器的动态散射场。为此在高温超导体情况下，为选择补偿线圈的工作温度应考虑损耗机制如缺陷部位和磁滞。在可供使用的高温超导体中，在30K的工作温度下产生牢固的，也就是无淬火的性能。
对于电流的可快速开关性来说，要求所使用的超导体的磁通密度不超过取决于频率的边界值。例如对于在温度为80K和磁场为10mT下可得到的高温超导体来说，开关频率可以达到2kHz。利用梯度系统的可选择的控制模式可以避免出现更高的频率部分。超导线匝的损耗功率在0-2kHz的频带上与铜线匝相比系数低100-1000，从而在约25kW的所谓“占空因数(Duty cycle)”上的损耗功率降低25-250W。
此外可以设置用于导出梯度场装置的损耗功率的低温保持器，特别是低温护板和/或者冷却头。超导线匝的损耗功率与铜线匝相比明显降低。梯度线圈在30K-80K下产生的损耗功率利用目前可供使用的冷却头可以在50-100W的高度上导出。直接处于梯度线圈周围的低温护板用于导出其约为100W范围内的损耗并因此将温度保持在80K以下的范围内。因此通常将低温护板和冷却头组合使用。但为导出超导体的损耗功率也可以使用其他低温装置。特别是可以使用用于导出例如基本磁场装置的超导线匝这样的其他部件的损耗功率的已有的低温保持器。对这些低温保持器可以配备相应高的电容，以便同样导出梯度线圈的损耗功率，但这种损耗功率与传统铜导线相比已明显降低。
因为超导梯度线圈的损耗功率和线匝的空间需求小于迄今为止的设置，所以可以达到以磁场产生单元的较小的结构体积实现较大的、用于接纳患者的大扫描口。因此在80A/mm2的高温超导体上的电流密度与迄今为止的15A/mm2存在区别。因为梯度场装置依据本发明安装在真空容器的内部，所以从梯度线圈的振动表面向内部区域内不可能有直接的声传递，从而产生明显的降噪。
正如已经详细介绍的那样，低温保持器可以在空间上设置在梯度场装置的附近，特别是真空容器朝向装置的一侧上。因此可以有针对性地在真空容器朝向梯度场装置的壁与梯度场装置本身之间设置低温护板，以便将超导体的温度保持在80K以下。
具有降低的磁场强度的体积依据本发明在径向上的延伸为1cm-10cm，特别是6cm。这种6cm厚的区域足够在具有常规实施的设备中设置所要求的主动屏蔽的梯度线圈。因此可以用等于或者高于80cm的直径实现用于接纳处于患者检查床上的患者的内孔。必要时如果需要例如增加线匝或者减少线匝的梯度线圈，则可以实现其厚度加大或减小、磁通量降低的体积。
真空容器在其磁铁“内部”的圆柱体部分方面在患者扫描口的方向上采用低导电的或不导电的材料构成。因此具有来自真空容器的可忽略的很小或没有相互作用的动态梯度场可以进入成像立体内。
在对具有降低的磁场强度的体积使用至少一个补偿线圈的情况下，补偿线圈和梯度场装置可以构成为模块式单元。因此例如梯度层和补偿层在其构成和设置上可以这样相互匹配，使这些层近乎相互作用并这样形成一个模块式单元或一个共用的模制体。由此可以最佳节省位置地设置一个或者多个补偿线圈和梯度线圈。需要时它们可以作为单元或共同制造和/或者利用复合材料或者类似材料相互连接或环绕，以便这样构成一个共用的结构件。
此外，在对具有降低的磁场强度的体积使用至少一个补偿线圈和使用至少一个低温保持器的情况下，补偿线圈、低温保持器和梯度场装置可以构成为模块式单元。在此方面，可以实际三维构成低温护板或者其它低温保持器，方法是设置突入其他空间方向作为冷却肋的斜撑。这些部件这样构成的模块式单元或共用的模制体提高了刚性，从而使成像时可能导致伪影的振动和次级涡流场降到最低限度。这种次级涡流场可以通过基本磁场内导电结构的机械振动而感生。通过开槽的低温护板等可以这样构成不可避免的涡流路径，将其对成像立体的反作用降到最低限度。这样可以使低温护板功能、用于静态补偿磁场产生和动态梯度场产生的装置集成在一个共用的承载结构中。
由补偿线圈、低温保持器和梯度场装置组成的模块式单元可以作为例如壁厚70mm的圆柱形管构成(该厚度在常规的梯度线圈上与现有技术相同)。在这种圆柱形管的为70mm的壁厚或类似范围内，就力、振幅和谐振而言，可以实现与传统梯度线圈类似的机械性能。
为简化超导特性的退火法和为连接部位的最小化梯度场装置至少部分地由圆导线的线圈构成。可供使用的高温超导体或者是比较脆的陶制带或者是圆导线。为易于实现z梯度轴适合使用陶瓷带，但其中在横向轴方面为构成例如马鞍形致偏线圈的结构需要多个连接部位。圆导线与此相比在原始状态下，也就是在通过其达到超导能力的退火过程之前相对柔性。由于在梯度线圈上与基本磁场相比所需的电流密度更低，一个或少量几个位置层叠就已足够。由此使退火过程更加简单，该过程在较高线匝数和较多位置数的情况下可能出现问题。因此通过可供使用的不足100m的导线长度对于在梯度场装置上使用来说没有问题。这种圆导线材料的成本同样处于可接受的范围内。
此外在真空容器内向梯度场装置延伸的引线这样延伸，使其不产生影响所产生的梯度场的磁场，也就是说，它们应无磁场地引入或相应地选择导线的布置。
此外为屏蔽或者改善线性性，也就是一般的为了优化视场(Field of View)内的磁场质量，可以设置一个或者多个从外部向真空容器延伸的在施加电流时产生磁场的导体结构。
此外，本发明还涉及一种磁共振设备，该设备利用如上所述的用于产生磁场的装置构成。该磁共振设备在基本磁场磁铁的主线匝与非导体真空容器的外壁之间的区域内具有降低磁通密度的体积，其中安装梯度场装置的超导线匝。在考虑到梯度线圈这种节省位置的设置情况下，可以实现具有80cm或者更大直径的用于接纳位于患者检查床上的患者的扫描口。为此有助于梯度场装置构成为超导体，因为超导的线匝通过更低的损耗功率和更高的电流密度本身就已经降低了空间需求。
为此通过将梯度线圈装置安装在真空容器内部产生的优点是，从梯度线圈的表面不可能有直接的声传递，由此明显降低了设备工作时的噪声形成。依据本发明磁共振设备的基本磁场磁铁在绕组的设置方面提出优化任务时就已经拟定了预定值，要为容纳梯度线圈提供相应的磁通量降低的区域。
作为对此可选的或者补充的还设置了补偿线圈，它们例如直接在梯度线圈的线匝下面产生场延伸，该场延伸使磁场在超导梯度线圈的区域内消失并在补偿线圈前面的区域内向成像立体增强。例如可以利用一个或者多个短的螺线管线圈达到这一点。这些线圈可以这样设置和工作，使磁场消失在基本磁场的最小值内并为超导梯度线圈的z线匝或者分段式的横向线圈提供位置。
附图说明
本发明的其他优点和细节在下面的实施例以及借助附图的说明中给出。其中：
图1示出依据本发明的用于产生磁场的装置的剖面图；
图2示出依据本发明的用于产生磁场的装置的梯度场装置的轴向连接；
图3A-3D示出具有降低的磁场强度的体积的结构；以及
图4示出依据本发明的磁共振设备。
具体实施方式
图1示出依据本发明的用于产生磁场的装置1的剖面图。所示为这种装置上部的纵剖面，其中，在其下面可以连接这里未示出的扫描口用于接纳患者。在患者扫描口的下面可以基本上镜面相反地再连接这里所示的剖面图。用于产生磁场的装置1具有基本磁场装置2，它由氦容器3内的超导线磁线圈构成。氦容器3充入温度为4K的液态氦。为相对于环境热绝缘，为此设置作为“外真空室(Outer Vacuum Chamber)”的真空容器4，里面容纳氦容器3。在氦容器3与真空容器4之间设置低温护板5，它导热地与冷却头6的一个冷却级连接。冷却头6的另一级与氦容器3直接连接，以便这样保证相对于环境的4K恒温。也可以采用具有一个以上的辐射护板或低温护板5的结构，以将温度保持在80K以下。
在基本磁场装置2与真空容器4之间的体积7内设置超导的梯度场装置8。梯度场装置8由用于梯度线圈z轴的麦克斯韦线圈组成，而横轴x和y在这里构成为高莱(Golay)线圈。还可以选择构成为分段(segment)线圈。磁通密度降低的体积7处于氦容器3的外部区域内和低温护板5的内部区域内。在这里未示出的用于接纳患者的扫描口的方向上，设置了同样是高温超导体的补偿线圈9。该构成为螺线管线圈的补偿线圈9使在梯度场装置8位置上的基本磁场的绝对值最小。此外设置了用于屏蔽和同样构成为超导体的屏蔽线圈10。
因此通过磁通密度降低的体积7在依据本发明的用于产生磁场的装置1中，提供了一个厚度为几cm的径向空间，用于设置超导的梯度场装置8。由此与迄今为止的设置相比，可以实现更大的用于接纳患者的扫描口，其中，为此超导线圈的损耗功率和空间需求减少，而同时可以达到降噪的目的。
图2示出在依据本发明的用于产生磁场的装置上梯度场装置的轴向连接。梯度场装置的导体可以分为两种类型。即方位导体和轴向导体。方位导体用于产生磁场。在其位置上通过螺线管线圈迫使磁场最小。而轴向导体则为连接导体或者引入导体。
图2示出这种轴向导体11。轴向导体11被引入高温超导体的圆柱体12内，以便由此保证该区域内的场自由度。还可以选择将轴向导体11引入这里未示出的高温超导体的圆柱形线圈内。
在使用高温超导体圆柱体(或高温超导体的圆柱形线圈)12的情况下，仅产生对基本磁场的局部干扰，这种干扰可以通过适当定位的可磁化的材料如铁片得到补偿。
为连接图1的梯度场装置8，利用轴向导体11将高温超导体圆柱体12一直引导到低温护板5上的真空引线盒13。真空引线盒13负责从超导向正常传导的冷却过渡。真空引线盒13和冷却头6可以构成为一体。
图3A-3D举例示出具有降低的磁场强度的体积的结构。在这种情况下，应通过作为补偿线圈的螺线管线圈将梯度线圈导体位置上的基本磁场磁铁的磁场降到最低限度。在此方面，这里从采用磁铁的磁场强度为1.5T的已经存在的基本磁场磁铁设计出发。但最好在设计基本磁场磁铁时就考虑到对用于容纳梯度场装置的无磁场体积或无磁场区域的要求。补偿线匝可以通到氦容器的内部，以达到可以为绕组使用低成本下具有高载流能力的常规超导体的目的。
图3A首先示出z轴上以特斯拉(Tesla)表示的磁场B的z分量。在这种情况下，这里示意示出的螺线管线圈14设置在所示基本磁场的一个最小区域内。在此螺线管线圈14具有在这里通过双箭头15所示的14cm的轴向长度。不言而喻，该长度根据基本磁场的实际设计也可以具有明显不同的数值。磁场在设置螺线管线圈的z方向上的曲线16的最小值处于0.3至0.35m的范围内。螺线管电流符号相当于基本磁场磁铁主线圈的符号。例如以半径为0.445m进行计算。
图3B示出z轴上并因此是螺线管线圈14的z长度上以特斯拉(Tesla)表示的磁场的径向分量的曲线17。在结果中产生图3C中所示的与绝对值曲线18相应的最小磁场区域。在该最小磁场区域内，该磁场的绝对值低于100mT，其中，在图3D中放大示出的该区域中在z轴上具有这里通过双箭头19所示的约5cm的宽度。然后，该基本磁场实际消失的区域可供超导梯度线圈的z线匝或分段式横向线圈使用。
相似地，在使用其他补偿线圈或其他对基本磁场磁铁的预定值的情况下，同样可以在基本磁场磁铁的线匝与环绕的真空容器之间的区域内产生一个或多个磁通量降低的体积，在这些体积内可以容纳梯度场装置的各个线圈。
图4示出依据本发明的磁共振设备20，其中，实现了直径超过80cm的用于接纳患者检查床23上的患者22的患者扫描口21。
此外示出与在操作者26一侧用于输出输入的装置25连接的控制装置24，通过其可以控制用于数据拍摄的磁共振设备20。
用于接纳患者的大直径扫描口21这样达到，即将这里未示出的超导构成的梯度线圈在使用上述用于产生磁场的装置情况下，设置在基本磁场磁铁的线匝与外部的真空容器之间的磁通量降低的体积内，也就是降低磁场强度的一个或者多个区域内。这样在依据本发明的磁共振设备21上可以通过该设备的操作者26并对患者22进行更舒适的检查。一方面可以避开小直径扫描口上的狭窄感问题。另一方面与此同时可以保证很高的影像质量。

Claims (20)

1.一种用于在磁共振断层造影设备中产生磁场的装置，其具有用于产生基本磁场的装置、环绕该基本磁场装置的真空容器和用于产生至少一个磁梯度场的装置，其特征在于，该装置(1)在基本磁场装置(2)的至少一个超导线圈的线匝与该真空容器(4)的非导体壁之间的区域内的体积具有降低的磁场强度，在该体积中至少部分地容纳超导构成的梯度场装置(8)。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述具有降低的磁场强度的体积通过所述基本磁场装置(2)的至少一个线圈的相应结构和/或者至少一个附加的补偿线圈(9)来产生。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于，所述附加的补偿线圈(9)是超导补偿线圈。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，这样选择所述一个或多个超导体的磁通密度，使其遵守取决于频率的边界值。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，具有至少一个用于导出梯度场装置损耗功率的低温保持器。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述低温保持器是低温护板(5)和/或者冷却头(6)。
7.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述低温保持器在空间上设置在所述梯度场装置(8)的附近。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，所述低温保持器在空间上设置在所述真空容器(4)的朝向该梯度场装置(8)的一侧上。
9.按权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述具有降低的磁场强度的体积在径向上延伸1cm至10cm。
10.按权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述具有降低的磁场强度的体积在径向上延伸6cm。
11.按权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，在对所述具有降低的磁场强度的体积使用至少一个补偿线圈(9)的情况下，将该补偿线圈(9)和所述梯度场装置(8)构成为模块式单元。
12.按权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，在对所述具有降低的磁场强度的体积使用至少一个补偿线圈(9)和使用至少一个低温保持器的情况下，将该补偿线圈(9)、低温保持器以及梯度场装置(8)构成为模块式单元。
13.按权利要求8所述的装置，其特征在于，所述模块式单元构成为圆柱形管。 
14.按权利要求13所述的装置，其特征在于，所述圆柱形管壁厚为70mm。
15.按权利要求11所述的装置，其特征在于，所述梯度场装置(8)为简化用于超导特性的退火法和为使连接点最小化至少部分地由圆导线的线圈构成。
16.按权利要求12所述的装置，其特征在于，所述梯度场装置(8)为简化用于超导特性的退火法和为使连接点最小化至少部分地由圆导线的线圈构成。
17.按权利要求15所述的装置，其特征在于，在所述真空容器(4)内延伸并导向所述梯度场装置(8)的导体(11)至少部分地这样延伸，使其不产生影响梯度场的磁场。
18.按权利要求16所述的装置，其特征在于，在所述真空容器(4)内延伸并导向所述梯度场装置(8)的导体(11)至少部分地这样延伸，使其不产生影响梯度场的磁场。
19.按权利要求1所述的装置，其特征在于，具有一个或者多个从外部向所述真空容器(4)延伸的、产生磁场的导体结构。
20.一种磁共振设备(20)，由按前述权利要求1所述的用于产生磁场的装置构成。
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