CN101876692A - 横向折叠的梯度线圈 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种横向折叠的梯度线圈，其包括：一对梯度线圈单元，其布置成以便封闭梯度轴线，每个梯度线圈单元包括：梯度线圈基板，其具有主要线圈区段、屏蔽线圈区段、第一返回路径区段和第二返回路径区段，该主要线圈区段布置在梯度轴线与屏蔽线圈区段之间，该主要线圈区段构造成在传导电流时在梯度轴线处产生磁场梯度；该第一返回路径区段可折叠地连接在主要线圈区段与屏蔽线圈区段之间，该第二返回路径区段可折叠地连接在屏蔽线圈区段与主要线圈区段之间，使得该梯度线圈基板形成圆柱形表面，该圆柱形表面具有与梯度轴线大致对齐的纵向轴线；以及多个大致平行的传导路径，其在横向于梯度轴线的方向上跨过圆柱形表面布置。

Description

横向折叠的梯度线圈
技术领域
本文所公开的主题涉及磁共振成像系统，更具体地涉及用于在这种系统中产生大致线性的横向磁场的横向折叠梯度线圈(gradientcoil)。
背景技术
磁共振成像系统可包括一个或多个磁场梯度线圈，其构造成在激励时产生预定的磁场。在现有技术中已知提供主动屏蔽的横向线圈装置10，诸如示于图1的简化示意图中。线圈装置10包括外部线圈区段11和布置在外部线圈区段11内的内部线圈区段21。外部线圈区段11和内部线圈区段21均为大致圆柱形表面。外部线圈区段11和内部线圈区段21示出为在纵向轴线19上同心定位，该纵向轴线19通常称作梯度轴线并且通常在相关技术中规定为笛卡尔坐标系的z轴。线圈装置10通常包括多个梯度线圈，用于当由电流供能时在成像体积20中产生所希望的主要磁场。
在所示实例中，内部线圈区段21包括在此示出为布置在x-y平面左侧的第一内部梯度线圈23和在此示出为布置在x-y平面右侧的第二内部梯度线圈25。每个内部梯度线圈23和25大致跨过内部线圈区段21的圆周的一半延伸，在此示出为位于y-z平面上方。在典型构造中，内部线圈区段21包括布置在内部线圈区段21的下表面上(即，在y-z平面下方)的第三内部梯度线圈和第四内部梯度线圈(为了清楚地说明而未示出)。四个内部梯度线圈中的每个包括折叠环路电流路径(为了清楚地说明而未示出)，其构造成使得当供能时每个折叠环路电流路径在成像体积20中生成相应的磁场梯度分量。
外部线圈区段11包括布置在第一内部梯度线圈23径向外部的第一外部梯度线圈13和布置在第二内部梯度线圈25径向外部的第二外部梯度线圈15。每个外部梯度线圈13和15大致跨过外部线圈区段11的圆周的一半延伸，以便抵消或屏蔽由内部梯度线圈23和25生成的主要磁场的原本可能径向延伸超过外部线圈区段11的部分。这种屏蔽通过由设于每个外部梯度线圈23和25上的折叠环路电流路径(为了清楚说明而未示出)生成的相对磁场分量来实现。在每个外部折叠环路电流路径中的电流与相邻内部折叠环路电流路径中的电流流动相反地流动。外部线圈区段11还包括在位于y-z平面下方的外部线圈区段11上并布置在相应的第三内部梯度线圈23和第四内部梯度线圈25径向外部的第三外部梯度线圈和第四外部梯度线圈(未示出)。电流返回路径(未示出)提供成用于在外部梯度线圈13和内部梯度线圈23中流动的电流的传输或连续性，以在线圈区段的表面上产生闭合线圈图案(pattern)。
美国专利No.5,349,381“Double type coil for generating slantmagnetic field for MRI”例如公开了一种梯度线圈，其包括形成在具有共同轴线的双半圆柱形表面上的螺旋形电流路径图案。电流路径串联以形成单个电流路径，所公开的设计在主要表面与屏蔽表面之间提供折叠返回电流路径。美国专利No.5,512,828“Actively shielded transversegradient coil for nuclear magnetic resonance tomography apparatus”公开了一种主动屏蔽的横向梯度线圈布置，其具有在主要线圈(primary coil)与次级线圈之间的电流路径的纵向折叠。
然而，尽管电流折叠可提高线圈效率并改进屏蔽，但是也可能会增加制造复杂性。此外，折叠构造限制从梯度线圈的端部到主要表面与屏蔽表面之间的空间的物理接近。意图改进这些缺点的一种构造公开在美国专利No.5,886,548“Crescent gradient coils”中，其中，电流导体卷绕成新月形布置。新月形轴向对齐的线圈也可结合高雷(Golay)型线圈使用。然而，这种横向缠绕的线圈可能不能满足成像应用所规定的某些梯度线性、均匀性或漏磁场要求。
需要的是一种分布电流横向梯度线圈设计，其产生线性横向梯度磁场并克服现有技术的缺点。
发明内容
在本发明的一个方面中，公开一种梯度线圈，其包括：第一梯度线圈单元和第二梯度线圈单元，它们布置成以便在它们之间封闭梯度轴线，每个梯度线圈单元包括：梯度线圈基板，其具有主要线圈区段、屏蔽线圈区段、第一返回路径区段以及第二返回路径区段，该主要线圈区段布置在梯度轴线与屏蔽线圈区段之间，主要线圈区段构造成当传导电流时在梯度轴线处产生磁场梯度；该第一返回路径区段可折叠地连接在主要线圈区段与屏蔽线圈区段之间，该第二返回路径区段可折叠地连接在屏蔽线圈区段与主要线圈区段之间，使得梯度线圈基板形成圆柱形表面，该圆柱形表面具有与梯度轴线大致对齐的纵向轴线；以及多个大致平行的传导路径，其在横向于梯度轴线的方向上跨过圆柱形表面布置。
在本发明的另一方面中，公开了一种磁共振成像系统，其包括：主磁体，其封闭成像体积；RF线圈，其布置在主磁体内；以及梯度线圈组件，其布置在RF线圈内，该梯度线圈组件具有一对梯度线圈基板，每个梯度线圈基板包括：主要线圈区段，其构造成在梯度轴线处产生磁场梯度；屏蔽线圈区段，其与主要线圈区段可折叠地连接，该屏蔽线圈区段还布置在主要线圈区段与主磁体之间；以及多个大致平行的传导路径，其在横向于梯度轴线的方向上跨过梯度线圈基板布置；以及梯度放大器，其用于向梯度线圈组件供能。
在本发明的又一方面中，用于制作产生磁场梯度的梯度线圈的方法包括：获得磁场梯度的线性、均匀性和漏磁要求中的至少一个；选择二维级数函数用于确定将实施于具有主要线圈区段和屏蔽线圈区段的梯度线圈基板上的电流图案；选择表面流函数系数Aij；创建具有格式F＝∑i∑jAijuivj的表面流函数；计算每个流函数系数Aij对主要线圈区段和屏蔽线圈区段的影响；验证每个流函数系数Aij满足至少一个线性、均匀性和漏磁要求；将流函数离散成主要传导路径图案和屏蔽传导路径图案；以及根据主要传导路径图案和屏蔽传导路径图案在梯度线圈基板上形成主要传导路径和屏蔽传导路径。
通过阅读下文的附图和详细描述，根据本公开实施例的其它装置和/或方法对于本领域技术人员将显而易见。预期所有这些额外的装置和方法在本发明的范围内并且受到所附权利要求书保护。
附图说明
图1是根据现有技术的包括外部线圈区段和内部线圈区段的线圈装置的简化说明；
图2是根据本发明方面的包括梯度线圈的磁共振单元的简化表示；
图3是图2的梯度线圈的横向截面图解说明；
图4是图3的梯度线圈的纵向截面图解说明；
图5是横向折叠梯度线圈的简化等距图解说明，该横向折叠梯度线圈包括围绕梯度轴线布置的上部梯度线圈单元和下部梯度线圈单元；
图6是图5的上部梯度线圈单元的象限部分的简化等距图解说明，该上部梯度线圈单元包括由横向返回路径区段连接到屏蔽线圈区段的主要线圈区段；
图7是图6的主要线圈区段的简化图解视图，其示出在梯度基板上的主要线圈传导路径和横向传导路径。
图8是图6的屏蔽线圈区段的简化图解视图，其示出在梯度基板上的屏蔽线圈传导路径；
图9是处于非折叠状态的图6的上部梯度线圈单元的简化图解说明，其示出在梯度线圈基板上的主要线圈传导路径、屏蔽线圈传导路径和横向传导路径；以及
图10是说明根据本发明方面的用于得到横向折叠梯度线圈的图9的主要线圈传导路径、屏蔽线圈传导路径和横向传导路径的方法的流程图。
具体实施方式
公开了一种横向折叠梯度线圈，其具有屏蔽梯度设计，并且构造成主动抵消生成和包含磁场的原本将在线圈装置外部延伸的部分。横向折叠梯度线圈包括沿着大体上平行于梯度轴线的表面在主要线圈表面与屏蔽线圈表面之间延伸的折叠电流返回路径。这种构造改进了到位于主要线圈与屏蔽线圈之间的区域的物理接近并进一步改进了梯度性能和线性，并且通过减小路径导体长度来减小线圈电感。
本发明还提供用于确定对于横向折叠梯度线圈的、满足磁梯度的线性、均匀性和漏磁场要求所需的电流路径。该方法使用流函数来确定电流密度，其中流函数利用在梯度线圈的电流环路方向和轴线方向上级数展开的外积。添加另外的约束以确保电流保持在相应线圈区段的表面边界的内部。流函数系数可使用线性或二次编程方法来计算。选择线圈区段之间的电流返回路径的特定位置，以便于制作线圈装置而不会招致对所希望的主要磁场图案有害的电流路径。
磁共振单元30的简化表示提供在图2中。磁共振单元30可包括固定在外壳40内的主磁体32、梯度线圈34和RF线圈36。成像体积或腔室42可构造在外壳40中以接收例如经历检查的患者44。主磁体32用于在腔室42中生成大致恒定的磁场。梯度线圈34可由系统控制器48操作的梯度放大器单元46供能。如图3和图4的简化说明所示，腔室42可为具有梯度轴线38的大体上圆柱形的体积，腔室42由RF线圈36、梯度线圈34以及主磁体32封闭。梯度线圈34用于在腔室42中所希望的视场上产生磁场梯度，并且RF线圈36用于生成RF磁场。
在图5中示出适用于磁共振单元30中的横向折叠梯度线圈组件50的示范性实施例的图解等距说明。在本发明的一方面中，横向折叠梯度线圈组件50可包括第一梯度线圈单元52和第二梯度线圈单元54，梯度线圈单元52和54均绕封闭的梯度轴线56布置。第一梯度线圈单元52可看作包括在横向折叠梯度线圈组件50的“第一象限”中的第一象限线圈62和在横向折叠梯度线圈组件50的“第二象限”中的第二象限线圈64。第二象限线圈64可大致为第一象限线圈62的镜像。
应了解的是，第一象限线圈62和第二象限线圈64可形成在共同的梯度线圈基板70上并且可为或可不为物理上分开的单元。然而，第一象限线圈62和第二象限线圈64在此区分为线圈“象限”，主要是便于描述示范性实施例。继续这种观察横向折叠梯度线圈组件50的方法，第二梯度线圈单元54可看作包括第三象限线圈66和第四象限线圈68，其中第三象限线圈66大致是第二象限线圈64的镜像，第四象限线圈68大致是第一象限线圈62的镜像。因而，第二梯度线圈单元54可看作大致为第一梯度线圈单元52的镜像。象限线圈62、64、66和68各可如下文更详细描述地构造成在磁共振单元30内产生所希望的磁视场。
图6是沿着梯度轴线56的大致方向观察的第一梯度线圈单元52的图解表示。为了清楚地说明，仅仅示出第一梯度线圈单元52的“第一象限”部分，但是应了解的是，下文的描述适用于整个第一梯度线圈单元52以及第二梯度线圈单元54。第一梯度线圈单元52包括主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74，其中：(i)主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74通过第一返回路径区段76可折叠地连接；以及(ii)主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74还通过第二返回路径区段78可折叠地连接。
在示范性实施例中，主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74可限定具有共同纵向轴线60的大致圆形或椭圆形圆柱形弧。第一返回路径区段76和第二返回路径区段78可限定穿过纵向轴线60的相应径向平面。屏蔽线圈区段74大致平行于主要线圈区段72并与主要线圈区段72间隔开。屏蔽线圈区段74与主要线圈区段72之间的间距可与第一返回路径区段76或第二返回路径区段78的宽度大致相同。因此，在主要线圈区段72、第一返回路径区段76、屏蔽线圈区段74和第二返回路径区段78中的梯度线圈基板70可看作形成闭合圆柱形表面80，其中纵向轴线60与梯度轴线56大致对齐。因此，屏蔽线圈区段74用于屏蔽并包含在磁共振单元30操作期间由主要线圈区段72生成的磁场。
如在图7和图8中最佳地看出，第一梯度线圈单元52的第一象限线圈62部分包括多个主要线圈传导路径82和多个屏蔽线圈传导路径84。第一梯度线圈单元52的第一象限线圈62部分还包括跨过主要线圈区段72、第一返回路径区段76、屏蔽线圈区段74和第二返回路径区段78延伸的、在梯度线圈基板70上的多个横向传导路径86，如图所示。传导路径82、84和86可形成为在具有所示的大体构造的梯度线圈基板70上的多个嵌套闭合弯曲电迹线或导体。应了解的是，第一梯度线圈单元52的第二象限线圈64部分(未示出)相似地包括多个主要线圈传导路径82、多个屏蔽线圈传导路径84和多个横向传导路径86。
跨过主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74的横向传导路径86是大致平行的路径，并且大致横向于梯度轴线56。在示范性实施例中，横向传导路径86可包括当穿过主要线圈区段76与屏蔽线圈区段78之间时发散或会聚的传导路径。具体而言，横向传导路径86当进入第一返回路径区段76或第二返回路径区段78时发散，如图所示。这种传导路径发散性用于保证磁场梯度在梯度轴线56处的所希望的线性和均匀性。可在柔性绝缘印刷电路板上使用例如导电材料来制作主要线圈区段72、屏蔽线圈区段74、第一返回路径区段76和第二返回路径区段78。
在本文所公开的横向折叠梯度线圈构造中，横向传导路径86的“匝”在大体上横向于梯度轴线56的方向上(即在图4的x-y平面中的径向方向上)伸展，而不是形成诸如主要线圈传导路径82和屏蔽线圈传导路径84的闭合弯曲电迹线或导体。这种横向传导路径构造提供梯度线圈效率的提高。因此，下文所述的方法可用于计算提供这种横向传导路径构造的主要线圈和屏蔽线圈电迹线或导体，其中所公开的方法还满足磁梯度的线性、均匀性和漏磁场要求。当横向折叠梯度线圈组件50由梯度放大器46供能时，例如，主要线圈区段72在围绕梯度轴线56的区域中产生所希望的主要磁场，并且屏蔽线圈区段74产生相对的磁场，以抵消或屏蔽主要磁场的原本可能会在横向折叠梯度线圈组件50外部延伸的部分。
横向折叠梯度线圈组件50的横向折叠构造提供从大致平面的梯度线圈基板70有利地制作第一梯度线圈单元52和第二梯度线圈单元54。图9示出处于非折叠构造的第一梯度线圈单元52，其中圆柱体80在虚拟“虚线”88处“打开”，以便能进行非折叠观察。在梯度线圈基板70上的导电迹线或导体的图案可从在如图所示地定向的u-v坐标系中限定的积分曲面(solution surface)得到，其中u轴表示横向方向，v轴表示纵向方向。应了解的是，梯度线圈基板70包括跨过虚线88连续的表面，并且在此为了清楚地说明而示出为平面图。第一梯度线圈单元52包括纵向布置在主要线圈区段72中的两个主要线圈传导路径82和纵向布置在屏蔽线圈区段74中的两个屏蔽传导路径84。
由第一纵向折叠线92和第二纵向折叠线94限定的第一返回路径区段76将主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74分开。由第三纵向折叠线96和第四纵向折叠线98限定的第二返回路径区段78将主要线圈区段72和屏蔽线圈区段74分开。第一梯度线圈单元52还包括多个横向传导路径86，其跨过基板在主要线圈传导路径82之间和屏蔽线圈传导路径84之间延伸。如可以看出的那样，横向传导路径86在第一返回路径区段76和第二返回路径区段78的区域中发散和会聚。
可以了解到的是，由于折叠的横向方向具有恒定度量，故在平面的非折叠梯度基板70上的尺寸与第一梯度线圈单元52上的相应尺寸大致相同。梯度基板70可在绕支承结构(未示出)的预定位置和方位上折叠和卷绕，以形成所希望的椭圆形或圆柱形表面，其中的每一个可以以大约180度的角度对向(subtend)，如图5所示。在替代示范性实施例(未示出)中，梯度线圈单元可构造成以小于180度、甚至小至45度的角度对向，使得横向折叠梯度线圈组件可包括三个或更多个梯度线圈单元。
图10的流程图100示出确定用于梯度电路基板70的电迹线或导体图案的示范性方法。在步骤102中，获得对于梯度线圈单元52中电流路径的预先确立的线性、均匀性和漏磁场要求。可添加另外的约束以确保电流保持在相应的线圈区段的表面边界的内部。在步骤104中，二维流函数(F)可用于确定电流密度，其中流函数(F)利用在梯度线圈单元52的电流环路u方向和轴向v方向上的级数展开的外积。
局部u轴线和v轴线到实空间的映射使得u映射到围绕展开方向(横向于r和φ)的路径，v映射到z方向。在u方向和v方向上选择适当的一维级数函数。在示范性实例中，可在u方向上选择傅里叶级数并且可在v方向上选择多项式级数。然后，在步骤106中，将表面的二维流函数计算为F＝∑i∑jAijuivj，其中Aij是ij项的流函数系数，ui是傅里叶级数的第i项，vj是多项式级数的第j项。可使用线性或二次编程方法来计算流函数系数Aij。
在步骤108中，对成像体积和应限制或最小化漏磁场的任何表面上的目标场点集合计算每个Aij系数的通量密度(线性和漏磁)和通量密度梯度(均匀性)。如果未满足所希望的线性、均匀性和漏磁值的要求，在决策方块112处，可在步骤114由线性、二次或其它优化方案来优化流函数系数Aij，以便满足所希望的线性、均匀性和漏磁值，并且过程返回到步骤108用于计算新的流函数F′＝∑i∑jAijuivj。另外，本领域技术人员可向优化添加其它量，诸如电感、功率、力或扭矩。也可能必须向在v方向的映射表面边缘添加约束，以确保在基板片上不存在电流。在u方向上，电流路径是自闭合的。
如果在决策方块112处满足所希望的线性、均匀性和漏磁值的要求，在步骤116中，流函数(F)可离散成主要线圈传导路径82、屏蔽线圈传导路径84和横向传导路径86。所示方法也可适用于制作第二梯度线圈单元54或用于磁共振单元30的类似梯度线圈单元。
虽然参考各种示范性实施例描述本发明，但是，本领域技术人员应了解的是，在不偏离本发明范围的情况下，可对本发明做出各种变化，并且等效物可代替本发明的元件。本发明的专利保护范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这些其它的实例具有与权利要求书的字面语言并无不同的结构元件或者如果这些实例包括与权利要求书的字面语言并无实质不同的等效结构元件，这些其它实例预期在权利要求书的范围内。特别地，在不偏离本发明范围的情况下，可以对本发明的教导内容做出某些修改以适应特定情况。因此，预期本发明不限于上文所公开的用于实施本发明的实施例，而是本发明包括属于所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种梯度线圈(50)，其包括：
第一梯度线圈单元(52)和第二梯度线圈单元(54)，它们布置成以便在它们之间封闭梯度轴线(56)，所述梯度线圈单元(54)各包括：
梯度线圈基板(70)，其具有主要线圈区段(72)、屏蔽线圈区段(74)、第一返回路径区段(76)和第二返回路径区段(78)，所述主要线圈区段(72)布置在所述梯度轴线(56)与所述屏蔽线圈区段(72)之间，所述主要线圈区段(72)构造成在传导电流时在所述梯度轴线(56)处产生磁场梯度；
所述第一返回路径区段(76)可折叠地连接在所述主要线圈区段(72)与所述屏蔽线圈区段(74)之间，所述第二返回路径区段(78)可折叠地连接在所述屏蔽线圈区段(74)与所述主要线圈区段(72)之间，使得所述梯度线圈基板(70)形成圆柱形表面(80)，所述圆柱形表面(80)具有与所述梯度轴线(56)大致对齐的纵向轴线(60)；以及
多个大致平行的横向传导路径(86)，其在横向于所述梯度轴线(56)的方向上跨过所述圆柱形表面(80)布置。
2.根据权利要求1所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述主要线圈区段(72)包括第一主要线圈传导路径和第二主要线圈传导路径(82)，每个所述主要线圈传导路径(82)包括多个嵌套的大致闭合弯曲传导迹线。
3.根据权利要求2所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述多个大致平行的横向传导路径(86)布置在所述第一主要传导路径(82)与所述第二主要传导路径(82)之间。
4.根据权利要求1或2所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述屏蔽线圈区段(74)包括第一屏蔽线圈传导路径和第二屏蔽线圈传导路径(84)，每个所述屏蔽线圈传导路径(84)包括多个嵌套的大致闭合弯曲传导迹线。
5.根据权利要求1、2或3中任一项所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述多个大致平行的横向传导路径(86)包括当进入所述第一返回路径区段(76)时发散的传导路径。
6.根据权利要求1、2或4至5中任一项所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述屏蔽线圈区段(74)构造成屏蔽由所述主要线圈区段(72)产生的所述磁场梯度。
7.根据权利要求6所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述屏蔽线圈区段构造成屏蔽所述磁场梯度的原本可能径向延伸超过所述第一梯度线圈单元的部分。
8.根据权利要求1、2或4至6中任一项所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述第一梯度线圈单元以大约45度至大约180度的角度对向。
9.根据权利要求1、2或4至6中任一项所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述主要线圈区段包括布置在柔性绝缘印刷电路板上的导电材料。
10.根据权利要求1、2、4至6或8至9中任一项所述的梯度线圈系统，其特征在于，所述主要线圈区段(72)包括根据具有格式F＝∑i∑jAijuivj的多个二维流函数(F)和流函数系数(Aij)得到的电流图案。
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