CN102232193A - 具有卫星梯度线圈的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括主磁体(102)的磁共振成像系统，所述主磁体(102)包括磁体膛，所述膛具有与主磁体(102)的主磁场平行的纵轴(118)，所述磁体膛包括梯度线圈系统，其中，所述梯度线圈系统包括第一卫星(satellite)线圈(108)和内线圈(114)，其中，所述第一卫星线圈包括在所述磁体膛上相对布置的至少一对鞍形线圈(200、202、204、206)，并且其中，内线圈(114)包括在所述磁体膛上相对布置的至少两对鞍形线圈(208)，其中，内线圈(114)位于以比所述第一卫星线圈(108)距中心轴(118)更大的直径处，其中，所述第一卫星线圈和所述内线圈形成阶梯式线圈结构。

Description

具有卫星梯度线圈的磁共振成像系统

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像系统。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种现有成像技术，其允许以前所未有的组织对比度从横截面观察诸如人体的对象。MRI基于核磁共振(NMR)的原理，核磁共振是一种科学工作者用于获得关于分子的微观化学和物理信息的分光技术。NMR和MRI两者均基于这样的事实，即具有非零自旋的原子核拥有磁矩。在医学成像中，通常研究核氢原子，因为它们大量存在于体内，例如水。如果施加强DC磁场(B₀场)，基本粒子的核自旋能够以共振频率共振。通过磁通量的水平确定磁共振(MR)频率。在MRI扫描器中，磁场仅在空间中的特定位置处与选定的共振频率匹配。通过逐步改变这些共振位置，能够将测得的MR信号重建为图像。

通常通过超导磁体生成所需的强DC磁场。为了改变这些场，使得其仅在一位置处与给定的射频匹配，使用梯度线圈生成场梯度。因此，能够随时间改变场梯度以完成扫描。梯度线圈中的频率范围较低并且最大达到10kHz。

用于圆柱型MRI系统的经屏蔽的梯度线圈大部分包括圆柱形内线圈和半径更大的圆柱形屏蔽线圈。x、y和z线圈通常布置在分立的层中。此外，RF(射频)体线圈通常位于梯度线圈的内部，并且具有特定径向厚度以容许有效地生成RF场。因此，RF线圈(包括覆盖物)的内半径确定了对于要在MRI扫描器内扫描的诸如患者的对象的可用净空间。增加梯度线圈的内半径大幅度增加每梯度场所需的输入功率，并且因此增加驱动其的梯度放大器的成本。因此，必须在成本和可用的患者空间之间做出折衷。

例如，WO2008/053451 A1公开了一种MR系统，其包括不包含患者舒适度的梯度线圈。该梯度线圈包括位于距膛型系统的中心轴不同距离处的第一线圈部分和第二线圈部分。

本发明的目标是提供一种包括改进的梯度线圈的改进的MR系统。

发明内容

本发明涉及一种磁共振成像系统，其包括主磁体，所述主磁体包括磁体膛，该膛具有与主磁体的主磁场平行的纵轴，磁体膛包括梯度线圈系统，其中，梯度线圈系统包括第一卫星线圈和内线圈，其中，第一卫星线圈包括在磁体膛上相对布置的至少一对鞍形线圈，并且其中，内线圈包括在磁体膛上相对布置的至少两对鞍形线圈，其中，内线圈位于比第一卫星线圈距中心轴更大的径向距离处，其中，第一卫星线圈和内线圈形成阶梯式线圈结构。

本发明的优点在于在可能的位置处将梯度线圈导体保持为小半径，以在由第一卫星线圈和用于RF体线圈的内线圈形成的阶梯处留下足够的空间，从而优化其效率并降低梯度放大器成本。在中心附近，即RF线圈所在的位置处，内半径更大，而在线圈的一端，优选使得半径近似等于RF线圈半径。此外，通过将鞍形线圈对空间分裂并分布到第一卫星线圈上，能够提供高效的x和/或y梯度线圈系统——以最优的方式维持MR膛中的梯度场分布，因为附加地提供了内线圈，同时降低了梯度线圈系统的自感应。此外，由于第一卫星线圈和内线圈形成阶梯式结构，因此RF体线圈可以容易地从梯度线圈系统的“开口端”插入由其直径大于第一卫星线圈的内线圈形成的凹槽内。这里，“开口端”被理解为与第一卫星线圈所处的一侧相对的梯度线圈系统的一端。应当认识到，第一卫星线圈和内线圈不一定必须叠盖。然而，第一线圈和内线圈能够部分叠盖。

根据本发明的实施例，该系统还包括第二卫星线圈，其中，第一卫星线圈与第二卫星线圈空间分离，其中，第二卫星线圈包括在磁体膛上相对布置的至少另一对鞍形线圈，其中，内线圈位于比第二卫星线圈距中心轴更大的直径处，其中，空间分离的第一和第二卫星线圈以及内线圈形成凹槽。

由于第一和第二卫星线圈以及内线圈的优选(但非必须)的对称布置，能够提供高效的梯度线圈系统。此外，优选地，梯度线圈系统的X和Y轴每个都包括第一和第二空间分离的卫星线圈和内线圈。

根据本发明的实施例，该系统还包括屏蔽线圈，屏蔽线圈空间地布置在内线圈和主磁体之间，其中，屏蔽线圈沿纵轴的方向叠盖住第一和/或第二卫星线圈。

尽管第一和/或第二卫星线圈主要用于在其中有要成像的对象的磁体膛的均匀磁场区域内生成预定的梯度磁场，但是屏蔽线圈用于生成抵消由卫星线圈生成的磁场的磁场并防止梯度线圈场向(一个或多个)屏蔽线圈周围的超导磁体的泄露。由于屏蔽线圈——其通常也包括两组鞍形线圈——叠盖住第一和/或第二卫星线圈，即由于沿主磁体的纵轴方向的屏蔽线圈的“长度”大于或等于彼此背向的卫星线圈边缘彼此间隔开的距离，因此提供了一种梯度线圈系统，与卫星线圈和屏蔽线圈通常覆盖全部体积，即在应用两种现有技术的梯度线圈和屏蔽线圈的情况相比，所述梯度线圈系统的效果是相同的或甚至有所改善。

如上所述，根据本发明的实施例，空间分离的卫星线圈和内线圈形成凹槽，其中，射频线圈位于所述凹槽内。

根据本发明的实施例，内线圈在空间分离的第一和第二卫星线圈形成的间隙上延伸。通过这种延伸，在成像体积处的MR膛内生成的净梯度磁场与将通过利用本领域中已知的两个连续布置的鞍形线圈组生成的梯度磁场相似。因此，维持了梯度场功效同时在MR膛的中心内提供了凹槽，正如上文的论述，该凹槽能够用于容纳例如RF体线圈。

根据本发明的实施例，内线圈在第一和/或第二卫星线圈上延伸。例如，内线圈沿主磁体的纵轴方向的“长度”大于或等于彼此背向的卫星线圈边缘彼此间隔开的距离。这还确保由在(一个或多个)卫星线圈上延伸的内线圈的附加存在补偿卫星线圈布置的可能的功效降低。

根据本发明的另一实施例，第一和/或第二卫星线圈优选地在倾斜的或垂直的结构化凸缘(flange)上与内线圈和/或屏蔽线圈串行电连接，其中，形成卫星线圈的鞍形线圈的电导体在凸缘上缠绕，形成电连接。

在下文中，“结构化凸缘”理解为MR梯度线圈系统自身的空间结构的一部分。例如，在MR梯度线圈系统的电导体嵌入在树脂类型的塑料支撑物内的情况下，结构化凸缘理解为所述塑料支撑物的倾斜的或垂直的表面。

第一和/或第二卫星线圈在优选倾斜的结构化凸缘上与内线圈和/或屏蔽线圈串行连接的优点在于，能够进一步降低卫星线圈沿z方向、即沿主磁体的纵轴方向的范围，而不会造成梯度线圈功效的损失。因此，降低了梯度线圈系统的总空间尺寸，其还提升了患者舒适度，这是因为由此在MR膛中提供了更大的空间以容纳患者(或一般而言为要成像的对象)。优选地，为了改善梯度线圈功效，凸缘朝向彼此并朝向磁体膛的中心而倾斜，其中，凸缘被布置在卫星线圈的相对边缘上。

根据本发明的实施例，凸缘朝向彼此并远离磁体膛的中心而倾斜，其中，凸缘被布置在第一和第二卫星线圈指向彼此的边缘上。

根据本发明的实施例，第一和/或第二卫星线圈通过成对的电连接与内线圈和/或屏蔽线圈串行电连接，该电连接从鞍形线圈形成的表面垂直地延伸，其中，一对电连接中的两个电连接承载反向的电流。其优点在于，流过电连接的电流生成互补的磁场，从而使得不会以不希望的方式干扰(一个或多个)梯度线圈生成的梯度场。

附图说明

下文将通过范例仅参考附图更为详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1是包括主磁体和梯度线圈系统的MR系统的横截面的示意图；

图2是图示了组合各种类型的线圈以便提供梯度线圈系统的步骤的另一示意图；

图3是解释梯度线圈系统中各种鞍形线圈的互连的示意图；

图4是图示了MR梯度线圈布置的另一示意图；

图5图示了不同类型的梯度线圈设置的布置；

图6进一步图示了各种类型的梯度线圈设置的布置。

参考标记

100MR系统

102主磁体

106屏蔽线圈

108卫星线圈

110卫星线圈

112体线圈

114内线圈

116凸缘

118轴/方向

120成像体积

200鞍形线圈

202鞍形线圈

204鞍形线圈

206鞍形线圈

208鞍形线圈

210布置

212鞍形线圈

214布置

300梯度线圈

302鞍形线圈

304鞍形线圈

306电连接

500凸缘

502径向方向

600凸缘

具体实施方式

在下文中，由相同的附图标记指代相似的要素。此外，在下文中，在不失一般性的情况下假设以对称的方式使用两个卫星线圈。然而，本发明隐含的基本原理还能够与仅一个单个卫星线圈和内线圈使用。

图1是包括主磁体102和梯度线圈系统的MR系统100的横截面的示意图。在下文中，MR系统被理解为包括支撑物的结构化布置，所述支撑物装载主磁体102与其磁体膛，装载梯度线圈以及任选如放大器、滤波器、接收线圈112的各种类型的电子器件。

如图1中所见，MR系统100包括主磁体102，其适于在磁体膛的成像体积120内生成均匀的主磁场B₀，其中，要成像的对象至少被放置在成像体积120内。主磁场沿磁体膛内的z方向118、即沿主磁体102的纵轴的方向延伸。

MR系统100还包括x、y和z梯度线圈系统，其中，在图1中仅示出了x梯度线圈系统。y梯度线圈系统相对于x梯度线圈系统旋转90°。x梯度线圈系统——在下文中指代为“梯度线圈系统”，包括彼此空间分离的两个卫星线圈108和110。在图1中未示出由卫星线圈108和110中的每个装载的成对的鞍形线圈。

空间分离的卫星线圈108和110形成凹槽，例如体线圈112的射频接收线圈位于所述凹槽内。体线圈112用于向要成像的对象发射RF激励脉冲并且通常还接收源自要成像的对象的RF信号。

由于凹槽的存在，体线圈112在MR膛内所处的位置距中心轴118的径向距离更大，正如在提供梯度线圈布置的情况中，在该布置中将提供连续的梯度线圈表面，在其顶部上将定位体线圈。在这种情况下，为了增加成像体积120周围的可用径向空间，需要将梯度线圈置于距中心轴118更大的径向距离处，然而，其缺点在于，这种梯度线圈的自感应将增加，由此直接影响就最大频率方面而言的梯度线圈质量，在所述最大频率时能够切换相应的梯度场。这一切换频率与线圈中存储的能量成反比并且因此与系统的自感应成反比。

由于卫星线圈108和110未完全覆盖成像体积120，因此这造成在成像体积120内用于MR成像目的所需的磁梯度场不可以按照需要进行调整。因此，提供了另外的“内线圈”114，其位于比卫星线圈108和110距中心轴118更大的径向距离处。这一内线圈114在由空间分离的卫星线圈108和110形成的间隙上延伸。与卫星线圈108和110组合的内线圈114提供了净梯度场，其满足在完整的成像体积120上用于MR成像目的所需的磁梯度场的质量要求。应当注意到，图1中成像体积120的尺寸仅是示意性的描述。事实上，成像体积的尺寸能够沿纵轴118的方向延伸超过内线圈114的外边缘。

图1中还示出了屏蔽线圈106，上文已经详细阐述了其用途。屏蔽线圈106空间布置在内线圈114和主磁体102的内表面之间，所述内表面指向成像体积120。屏蔽线圈106叠盖住沿纵轴的方向118看到的卫星线圈108和110。因此，形成了结构化凸缘116，其以倾斜的方式指向彼此，或垂直于彼此，并且指向成像体积120。图1中未示出电连接，其在表面上或在倾斜的凹槽116内从卫星线圈108和110至屏蔽线圈106延伸。下文将对其进行更为详细地描述。

图2是图示了组合各种类型的线圈以便提供梯度线圈系统的步骤的另一示意图。首先，在图2a中，提供了仅示出X轴的两个卫星线圈108和110。这些卫星线圈108和110每个都包括一组鞍形线圈。例如，卫星线圈108包括鞍形线圈200和鞍形线圈202，其中，这两个鞍形线圈200和202被相对地布置在此处未示出的磁体膛上。在实施例中，它们相对于通过沿z方向的主磁体的同心轴延伸的纵轴118成镜像对称布置。应当注意到，该图将鞍形线圈的独立拐角(turn)示为分离的短拐角。这是计算“理想的电流分布”的设计过程的结果。实际上，鞍形线圈的拐角串行连接，使得严格地匹配“理想电流分布”。基本上每个鞍形线圈都获得具有单电导入和导出的螺旋拓扑。

类似地，卫星线圈110包括鞍形线圈204和鞍形线圈206，其中，这两个鞍形线圈204和206还被相对地布置在磁体上。所有的鞍形线圈具有指纹状导体图案。卫星线圈108和110彼此空间分开从而在彼此间形成凹槽，其中，该凹槽沿方向118具有宽度d。

其次，在图2b中提供了内线圈114。内线圈114的宽度(沿方向118)与沿z方向彼此相隔开的卫星线圈108和110的相对的边缘的距离相同。因此，内线圈114叠盖住卫星线圈108和110形成的凹槽，并且内线圈114还管状叠盖住所述卫星线圈的指纹状图案200-206。内线圈的直径大于卫星线圈的直径。如在图2b中可以进一步看到地，内线圈114还包括指纹状鞍形线圈208。

组合或嵌套卫星线圈108和110以及内线圈114得到在图2c中所示的梯度线圈布置210。

这一布置210还配备有屏蔽线圈106，其已在图2d中详细地示出。屏蔽线圈的目的是生成抵消由卫星线圈108和110所生成的磁场的磁场并防止梯度线圈场向屏蔽线圈106周围的超导磁体102泄露。屏蔽线圈106还包括两组指纹状鞍形线圈212。

图2c的布置210和图2d的屏蔽线圈106的望远镜状的组合在图2e中示为布置214。

图3是解释在梯度线圈系统中的各种鞍形线圈302和304的互连的示意图。该梯度线圈系统也包括梯度线圈布置300和屏蔽线圈106，其中，梯度线圈布置300位于距沿通过MR系统的z方向的同心轴延伸的轴118更小的径向距离处。线圈布置300包括成90°旋转角的两个鞍形线圈302，其彼此串行地电互连。此外，该线圈布置300包括成270°旋转角的两个另外的鞍形线圈302，其彼此串行地电互连。这四个鞍形线圈形成MR系统的y梯度线圈。

类似地，屏蔽线圈106包括成90°旋转角的两个鞍形线圈304，其彼此串行地电互连，以及成270°旋转角的另两个鞍形线圈304，其也彼此串行地电互连。这四个鞍形线圈304形成MR系统的y梯度屏蔽线圈。

正如能够在图3中进一步看到地，在实施例中，鞍形线圈302和鞍形线圈304通过电连接器306彼此互连。

应当注意到，图3仅示出了总共具有8个鞍形线圈的常规梯度线圈的y梯度。即使如此，该图不能与优选应当具有总共12个互连的鞍形线圈的本发明相兼容，图3描述性地图示了关于梯度线圈布置的常规鞍形线圈的电互连的基础。

图4是图示了MR梯度线圈布置的另一示意图，其中，更为详细地示出了这种电连接器306。图4中的线圈布置包括两个卫星线圈108和110，通过所述卫星线圈形成凹槽。内线圈114成管状围绕卫星线圈和凹槽，并沿方向118(在图4中不可见)在凹槽上延伸。内线圈114空间地位于比卫星线圈108和110距轴118更大的径向距离处。

内线圈114和卫星线圈108和110还由管状屏蔽线圈106围绕，管状屏蔽线圈106包括类似于先前在图2d中所示出的四个鞍形线圈212。屏蔽线圈比内线圈114具有更大的直径。此外，屏蔽线圈沿z方向，即沿方向118的宽度大于卫星线圈108和110的外部边缘彼此空间相隔开的距离。屏蔽线圈106沿方向118相对于卫星线圈108和110对称地延伸。

为了通过电导体306电互连卫星线圈110和屏蔽线圈106，使用了图中所示的布置的结构化凸缘。卫星线圈110的每个鞍形线圈与屏蔽线圈106的鞍形线圈212在倾斜的结构化凸缘116上串行地电连接，其中，形成卫星线圈110的鞍形线圈的电导体在凸缘116上缠绕从而形成电连接306。这些凸缘116彼此倾斜并向磁体膛的中心倾斜。

图5图示了各种类型的梯度线圈设置的布置。图5a中描绘的梯度线圈设置与先前在图4中所示的设置相同。图5a中左侧的示意图图示了在MR系统中使用的不同部件中的一些的横截面。这些部件包括主磁体102、屏蔽线圈106、内线圈114和卫星线圈108和110。还示出了结构化凸缘116，其分别将卫星线圈108和110的外部边缘与屏蔽线圈106的外部边缘连接。

图5a的右手侧是在包括卫星线圈108和110、内线圈114和屏蔽线圈106的梯度线圈设置中使用的电导体的示意性视图。正如在图5a与图4的比较中可以更清晰地见到的，卫星线圈110的鞍形线圈在凸缘116上与电导体306缠绕。因此，并非仅仅给出卫星线圈110和屏蔽线圈106之间的简单的串行电互连，而且还给出允许进一步降低梯度线圈系统的自感应的延伸的屏蔽线圈设计。

在图5a中电连接不可见，通过所述电连接卫星线圈108和110与内线圈114串行电连接。在本发明的实施例中，卫星线圈108和110通过成对的电连接与内线圈114串行连接，电连接从卫星线圈的鞍形线圈形成的表面垂直地延伸，即例如在图5中沿方向502延伸。一对电连接中的两个电连接承载反向的电流以便关于所述电流生成的磁场相互补偿。

与图5a的实施例相比，图5b中图示的实施例的不同是卫星线圈未在凸缘上与屏蔽线圈106电互连，而是内线圈114在凸缘500上与屏蔽线圈106电互连。因此，沿方向118所见到的内线圈的宽度大于卫星线圈108和100沿所述方向118延伸的区域。在图5b的右手侧，能够清晰地看到凸缘500，在所述凸缘500上内线圈114的鞍形线圈的电导体与屏蔽线圈106的鞍形线圈缠绕并连接。

图6进一步图示了另外各种类型的梯度线圈设置的布置。图6a、6b和6c的示意图再次图示了MR系统中使用的不同部件中的一些的横截面。这些部件包括主磁体102、屏蔽线圈106、内线圈114和卫星线圈108和110。

在图6a中，通过成对的电连接实现卫星线圈108和110、内线圈114和屏蔽线圈106之间的所有电互连，所述电连接从相应的线圈106、108、110和114的鞍形线圈形成的表面垂直地延伸。此外，类似于图5b中所描述的方案，沿方向118所看到的内线圈的宽度大于卫星线圈108和110沿所述方向118延伸的区域。因此，内线圈在卫星线圈108和110上延伸。

相比之下，在图6b中，内线圈114仅沿方向118、即沿z方向在由空间分离的卫星线圈108和110形成的间隙上延伸。然而，卫星线圈108和110、内线圈114和屏蔽线圈106之间的所有电互连通过成对的电连接实现，所述电连接从相应线圈106、108、110和114的鞍形线圈形成的表面垂直地延伸。

在图6c中，除图6b中所描述的实施例之外，使用结构化凸缘600，其分别连接卫星线圈108和110的指向另一个的内边缘与内线圈114的外边缘。这些凸缘600相对彼此并远离磁体膛的中心而倾斜。这里，卫星线圈108和110在所述倾斜的结构化凸缘600上与内线圈114串行电连接，其中，形成卫星线圈的鞍形线圈的电导体在凸缘上缠绕形成电连接。卫星线圈和屏蔽线圈之间的以及/或者屏蔽线圈与内线圈之间的电连接借助于成对的电连接实现，所述电连接从相应的鞍形线圈形成的表面垂直地延伸，其中，一对电连接中的两个电连接承载反向的电流。

Claims (10)

1.一种磁共振成像系统，包括主磁体(102)，所述主磁体(102)包括磁体膛，所述膛具有与所述主磁体(102)的主磁场平行的纵轴(118)，所述磁体膛包括梯度线圈系统，其中，所述梯度线圈系统包括第一卫星线圈(108)和内线圈(114)，其中，所述第一卫星线圈包括在所述磁体膛上相对布置的至少一对鞍形线圈(200；202；204；206)，并且其中，所述内线圈(114)包括在所述磁体膛上相对布置的至少两对鞍形线圈(208)，其中，所述内线圈(114)位于比所述第一卫星线圈(108)距所述中心轴(118)更大的直径处，其中，所述第一卫星线圈和所述内线圈形成阶梯式线圈结构。

2.根据权利要求1所述的磁共振系统，还包括第二卫星线圈(110)，其中，所述第一卫星线圈与所述第二卫星线圈空间分离，其中，所述第二卫星线圈包括在所述磁体膛上相对布置的至少另外一对鞍形线圈(200；202；204；206)，其中，所述内线圈(114)位于比所述第二卫星线圈距所述中心轴(118)更大的直径处，其中，所述空间分离的第一和第二卫星线圈以及所述内线圈(114)形成凹槽。

3.根据权利要求1或2所述的磁共振系统，其中，所述系统还包括屏蔽线圈(106)，所述屏蔽线圈(106)空间布置在所述内线圈(114)和所述主磁体(102)之间，其中，所述屏蔽线圈(106)沿所述纵轴(118)的方向叠盖住所述第一卫星线圈(108)和/或所述第二卫星线圈(110)。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，射频线圈(112)位于所述凹槽中。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，所述内线圈(114)在所述空间分离的第一卫星线圈(108)和第二卫星线圈(110)形成的间隙上延伸。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，所述内线圈(114)在所述第一卫星线圈(108)和/或第二卫星线圈(110)上延伸。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，所述第一卫星线圈和/或第二卫星线圈在倾斜的结构化凸缘(116；600)上与所述内线圈(114)和/或所述屏蔽线圈(106)串行电连接，其中，形成所述卫星线圈的所述鞍形线圈的电导体在所述凸缘上缠绕，形成所述电连接(306)。

8.根据权利要求中7所述的磁共振系统，其中，所述凸缘(114)朝向彼此并朝向所述磁体膛的中心而倾斜，其中，所述凸缘布置在所述第一卫星线圈和第二卫星线圈的相对的边缘上。

9.根据权利要求中7或8所述的磁共振系统，其中，所述凸缘(600)朝向彼此并远离所述磁体膛的中心而倾斜，其中，所述凸缘布置在所述卫星线圈指向彼此的边缘上。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的磁共振系统，其中，所述第一和/或第二卫星线圈(108；110)通过成对的电连接与所述内线圈(114)和/或所述屏蔽线圈(106)串行电连接，所述电连接从由所述鞍形线圈形成的表面上垂直地延伸，其中，一对电连接中的两个电连接承载反向的电流。

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