CN102483447B - 包含超导主磁体、超导梯度场线圈和冷却rf线圈的mri系统 - Google Patents

包含超导主磁体、超导梯度场线圈和冷却rf线圈的mri系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了用于磁共振成像(MRI)和/或磁共振光谱的方法和设备，包括：超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场；至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应至少一个磁场梯度；以及至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料。给定系统的主磁体、梯度线圈和所述至少一个RF线圈中的每一个均可以实现为高温超导体(HTS)材料。

Description

包含超导主磁体、超导梯度场线圈和冷却RF线圈的MRI系统
相关申请
本申请要求2009年3月10日提交的美国临时申请No.61/159,008和2009年4月1日提交的美国专利申请No.12/416,606的优先权，针对这种通过引用的并入被许可或未被禁止的每个PCT成员国家和地区，其全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明总体涉及磁共振成像和光谱技术，更具体地，涉及采用超导体组件的磁共振成像和光谱设备以及用于制造这种设备的方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)技术现今用于全世界较大的医疗机构，并且在医疗实践中已经带来了显著和独特的益处。MRI已经被发展为一种用于对结构和解剖进行成像的完善的诊断工具，同时MRI也被发展用于对功能性活动和其他生物物理和生物化学特性或过程(例如血液流、代谢物/新陈代谢、扩散)进行成像，这些磁共振(MR)成像技术中的一些被称为功能性MRI、光谱MRI或磁共振光谱成像(MRSI)、扩散加权成像(DWI)和扩散张量成像(DTI)。这些磁共振成像技术，除了其用于标识和评估病理和确定所检查的组织的健康状态的医疗诊断价值之外，还具有广阔的临床和研究应用。
在典型的MRI检查中，患者的身体(或样本对象)被放置在检查区域内，并由MRI扫描器中的患者支撑件支撑，其中，主要(主)磁体提供实质上恒定和均匀的主要(主)磁场。磁场将进动原子(如身体中的氢(质子))的核磁化对齐。磁体内的梯度线圈组件造成给定位置的磁场的小变化，从而提供成像区域中的共振频率编码。在计算机控制下，根据脉冲序列选择性驱动射频(RF)线圈，以在患者中产生临时振荡的横向磁化信号，该信号由RF线圈检测，并可以通过计算机处理被映射至患者的空间上局部化的区域，从而提供所检查的感兴趣区域的图像。
在通常的MRI配置中，典型地由螺线管磁体设备来产生静态主磁场，患者平台置于由螺线管绕组(即主磁孔)缠绕的圆柱形空间中。主磁场的绕组典型地实现为低温超导体(LTS)材料，并且利用液氦来进行超冷却，以减小电阻，从而最小化所产生的热量以及创建和维持主场所需的功率的量。现有LTS超导MRI磁体主要由铌-钛(NbTi)和/或Nb3Sn材料制成，利用低温恒温器将该材料冷却至4.2K的温度。
如本领域技术人员所知，磁场梯度线圈一般被配置为沿空间中的三个主要笛卡尔轴中的每一个选择性地提供线性磁场梯度(这些轴之一是主磁场的方向)，使得磁场的幅度随检查区域内的位置而变化，根据在区域内的位置对来自感兴趣的区域内的不同位置的磁共振信号的特性(如信号的频率和相位)进行编码(从而提供空间局部化)。典型地，利用穿过线圈缠绕的鞍座或螺线管绕组(附着至与包含主磁场的绕组在内的较大圆柱体同心并安装于其内的圆柱体)的电流来创建梯度场。与主磁场不同，用于创建梯度场的线圈典型地是通常的室温铜绕组。梯度强度和场线性对于所产生图像的细节的精度以及对于关于组织化学的信息(例如在MRSI中)都至关重要。
自从MRI出现起，对改进MRI质量和能力的追求从未停止，例如通过提供更高的空间分辨率，更高的频谱分辨率(例如对于MRSI)、更高的对比度和更快的获取速度。例如，提高的成像(获取)速度有利于最小化由于图像获取期间成像区域中的时间变化(如患者移动造成的变化、自然解剖和/或功能性移动(例如心跳、呼吸、血液流动)和/或自然生物化学变化(例如由于MRSI期间的新陈代谢导致))而导致的成像模糊。类似地，例如，由于在光谱MRI中，用于获取数据的脉冲序列对空间信息和频谱信息进行编码，为了改进临床实用性和光谱MRI的效用，最小化获取充分的频谱和空间信息以提供期望频谱分辨率和空间局部化尤为重要。
在高对比度、分辨率和获取速度方面，多种因素有助于更好的MRI图像质量。影响图像质量和获取速度的重要参数是信噪比(SNR)。通过在MRI系统的预放大器之前增大信号来增大SNR对于提高图像质量而言很重要。改进SNR的一种方式是增大磁体的磁场强度，因为SNR与磁场的幅度成比例。然而，在临床应用中，MRI具有磁体场强的上线(USFDA的当前上限为3T(特斯拉))。改进SNR的其他方式包括在合适时：通过减小视野(在合适时)来减小样本噪声、减小样本与RF线圈之间的距离、和/或减小RF线圈噪声。
尽管为了改进MRI做出了不懈努力和许多进步，然而仍需要不断改进MRI，例如以提供更大对比度、改进的SNR、更高获取速度、更高空间和时间分辨率和/或更高频谱分辨率。
此外，影响MRI技术的进一步使用的重要因素是与高磁场系统相关联的高成本，对于购买和维护而言均是如此。因此，提供能够以合理成本制造和/或维护的高质量MRI成像系统，允许MRI技术更广泛地使用，将是有利的。
发明内容
本发明的各个实施例提供了用于磁共振成像(MRI)和/或磁共振光谱的方法和设备，包括：超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场；至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应至少一个磁场梯度；以及至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料。
根据本发明的一些实施例，主磁体、梯度线圈和RF线圈均被实现为使用高温超导材料的超导体。在备选实施例中，超导主磁体、和/或所述至少一个超导梯度场线圈中的一个或多个、和/或RF线圈均由低温超导材料制成。
根据本发明的一些方面，所述至少一个梯度线圈和所述至少一个RF线圈置于至少一个真空室内，所述真空室具有置于检查区域与梯度线圈和所述至少一个RF线圈之间的至少一个非磁性非金属壁。此外，所述至少一个梯度线圈和所述至少一个RF线圈可以置于包括所述至少一个非磁性非金属壁的公共真空室中。另一真空室可以置于所述公共真空室和检查区域之间，其中，所述另一真空室包括：(i)第一壁，由所述公共真空室的所述至少一个非磁性非金属壁形成；以及(ii)与所述第一壁分开的第二非磁性非金属壁。
根据本发明的一些方面，主磁体可以置于第一真空室中，所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈可以置于第二真空室中。备选地，在一些实施例中，主磁体、所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈置于相应真空室中。
根据本发明的各个方面，所述至少一个RF线圈可以实现为二维电子气结构和/或碳纳米管结构。在一些实施例中，所述至少一个RF线圈可以包括线圈阵列。
根据各个实施例，一个或多个冷却系统可以用于冷却主磁体、所述至少一个梯度线圈和所述至少一个RF线圈。在一些实施例中，超导主磁体被配置用于利用第一低温冷却系统进行冷却，所述至少一个RF线圈被配置用于利用第二低温冷却系统进行冷却，所述至少一个梯度线圈被配置用于利用第三低温冷却系统进行冷却。在一些实施例中，超导主磁体被配置用于利用第一低温冷却系统进行冷却，所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈被配置用于利用第二低温冷却系统进行冷却。在一些实施例中，超导主磁体、所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈被配置用于利用公共低温冷却系统进行冷却。
根据本发明的一些方面，所述至少一个超导梯度场线圈包括：三个超导梯度场线圈，被配置为沿三个相应正交方向提供磁场梯度，所述方向之一沿检查区域中的均匀磁场的方向。
根据本发明的各个方面，一种用于磁共振成像的方法，包括：使用超导主磁体在检查区域中施加均匀磁场；使用至少一个响应超导梯度场线圈在检查区域内施加至少一个磁场梯度；以及使用至少一个RF线圈向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，所述至少一个RF线圈被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料。超导主磁体、所述至少一个超导梯度场线圈中的每一个以及所述至少一个超导RF线圈中的每一个可以均由HTS材料形成。所述至少一个超导梯度场线圈可以包括：三个超导梯度场线圈，被配置为沿三个正交方向提供磁场梯度，所述方向之一沿检查区域中的均匀磁场的方向。
本领域技术人员可以认识到，以上简要描述和以下详细描述是本发明的示例和解释，但是不应限制本发明或限制本发明可以实现的优点。此外，可以理解，以上发明内容表示本发明的一些实施例，而不表示或包括本发明范围内的所有实质内容和实施例。因此，这里引用并构成其一部分的附图示意了本发明的实施例，并与详细描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述来考虑本发明，本发明实施例的方面、特征和优点将在结构和操作上得以理解并变得更加显而易见，其中，贯穿各个附图，相似的参考标号指示相同或相似的部分，附图中：
图1A示意性示出了根据本发明实施例的示意性超导体MRI系统的示意截面视图；
图1B更详细地示意性示出了根据本发明实施例的图1A中所示的主磁体系统的上截面部分；
图2A更详细地示意性示出了根据本发明实施例的图1A的示意性超导体MRI系统的梯度线圈配置的斜视图；
图2B示意性示出了根据本发明实施例的在平面视图中示出的图2A的圆柱形x朝向梯度线圈；
图3A-3D示意性示出了根据本发明各个实施例的可以在MRI系统内使用的冷却配置的不同示例；以及
图4A和4B示出了根据本发明一些实施例的与采用圆柱形螺线管主磁体结构的超导MRI系统相关联的示意性线圈配置的截面视图。
具体实施方式
本领域技术人员可以理解，尽管在可以用于检查患者的MRI系统的上下文中阐述以下描述，但是本发明的实施例包括用于磁共振光谱的系统和方法。此外，如这里所使用的，MRI包括并包含磁共振光谱成像。
图1A示意性示出了根据本发明实施例的示意性超导体MRI系统100的示意截面视图。超导体MRI系统100包括：检查区域180；可移动患者床190；磁体/线圈外壳130；主磁体系统(在图1B中更详细示出)，包括(i)主磁体，包括超导线圈104、超导校正线圈106和线圈架108，(ii)散热器110，(iii)致冷剂容器112，(iv)隔热器114，(v)主磁体真空室外壳116和(vi)低温系统160。可移动患者床190可以滑动进出检查区域。缓冲床190中至少位于主磁场中的部分由非磁性非金属材料(如塑料)制成。
在图1A和1B的实施例中，超导体主磁体系统实现为螺线管磁体，该螺线管磁体在检查区域中产生例如0.5T(特斯拉)至10T范围内的实质上均匀的水平磁场。在备选实施例中，根据设计和/或应用，主磁体系统可以实现为与螺线管不同的配置，和/或可以实现为开磁体，如直磁体或双环磁体，和/或可以使用较低场(例如0.1T至0.5T)来实现。然而典型地，低磁场的方向可以指向期望方向，例如与患者床垂直(例如垂直方向)，而高场的方向通常是水平的。
如上所述，图1B更详细地示意性示出了图1A中示出的主磁体系统的上截面部分。如图所示，真空室(外壳)116封装环绕主磁体的真空空间132，并由真空系统(未示出)抽真空至例如10-5托或更低压力(即更高真空)的真空，该真空系统包括经由一个或多个端口、阀门和/或穿通器等等耦合至真空空间132的一个或多个真空泵。真空室外壳116可以由铝、不锈钢或其他金属或其他非金属材料制成，如玻璃、陶瓷、塑料或这些材料的组合。本领域技术人员可以理解，真空空间132提供了冷主磁体与真空室外壳116的室温壁之间的热隔离。
主磁体线圈104以及校正线圈106可以实现为低温超导体(LTS)或高温超导体(HTS)。LTS主磁体可以使用LTS线制成，包括例如NbTi、Nb3Sn、Nb3Al、MgB2和其他低温超导体线。HTS主磁体可以使用HTS带制成，包括例如YBCO、BSCCO和具有77K以上临界温度的其他高温超导体带中的一个或多个。本领域技术人员可以理解，可以提供一组或多组校正线圈106，以实现更大磁场均匀性。这种校正线圈典型地被设计为仅承载由主超导线圈所承载的电流的一小部分，和/或具有主超导线圈匝数的一小部分，校正线圈的场贡献被设计为不均匀，使得与主磁场相结合，校正线圈的场用于减小总磁场不均匀性。
超导磁体线圈104以及超导校正线圈106绕在主磁线圈架108上，主磁线圈架108可以由如不锈钢、铝、FR4(例如自熄灭可燃物G10)、或其他机械强度较大的材料之类的一个或多个材料制成。主磁线圈架安装为与散热器110具有良好热接触，散热器110热耦合至低温系统160，使得热从主磁体经由散热器160传导至低温系统160。适于制造散热器110的材料包括例如氧化铝、蓝宝石和金属。
在如图1A和1B所示的一些实施例中，低温系统160可以实现为两级系统，包括低温冷却器162、第一级164、第二级168，其中第一级164连接至隔热器114，第二级连接至散热器110和/或致冷剂容器112内包含的致冷剂，如液氦。在一些实施例中，可以不实现致冷剂容器112，因为可以经由散热器110而不使用环绕的致冷剂来提供冷却。根据各种设计参数，如用于超导磁体的材料、所采用的低温系统的类型、热源或负载等等，低温冷却器的第一和第二级的温度分别为例如40K和20K或分别为例如77K和40K，或者依所需的各种其他组合。相应地，隔热器114具有室温真空壁与低温磁体线圈之间的温度，因此其将防止来自室温真空壁的辐射加热超导体主磁体。然而，一些实施例可以采用多于一个隔热层，或者备选地，可以不采用隔热器114。
在各个实施例中，低温系统160可以实现为各种单级或多级低温冷却器中的任一个，例如Gifford McMahon(GM)低温冷却器、脉冲管(PT)冷却器、Joule-Thomson(JT)冷却器、Stirling冷却器或其他低温冷却器。
如图1A所示，磁体/线圈外壳130还包括第二真空室，第二真空室包括真空室外壳116的内部、磁体/线圈外壳130的端壁部分、以及内壁150，第二真空室封装真空空间142、梯度线圈103和RF线圈105。封装真空空间142的真空室耦合至高真空泵系统，以在制造期间建立低压(例如高真空条件)，并且在达到高真空之后密封。RF线圈105和梯度线圈103均与公共散热器110热接触，公共散热器110热耦合至包括低温冷却器172和第二级174的低温系统170，第二级174的一端热耦合至散热器110，另一端热耦合至低温冷却器172。适于制造散热器的示意性材料包括陶瓷(如氧化铝)、晶体(如蓝宝石)、金属以及玻璃。
根据本发明的一些实施例，提供第二内壁152以形成另一真空空间154，该另一真空空间提供了附加的热隔离，从而还增强了用户对温度的舒适度。真空空间154可以耦合至真空泵或可以实现为密封室。真空空间154的径向范围(即先对于与主磁体的总体圆柱形相对应的圆柱坐标)一般被最小化，以确保RF线圈105保持接近于检查区域。用于内壁150和152的示意材料包括G10纤维玻璃、玻璃、玻璃合成物或这些材料的组合。已知这些材料是非磁性的，不会干扰检查区域中的梯度场或RF信号。
在这种超导RF线圈105和超导梯度线圈103均被共同冷却的配置中，更典型地，RF线圈105和梯度线圈103实现为相同类型的超导体，即或HTS或LTS(然而可以将这些元件之一实现为HTS而另一个实现为LTS，只要其被冷却至临界LTS温度以下)。对于本申请，HTS RF线圈和HTS梯度线圈的合适形式是由例如氧化铋锶铜(BSCCO)制成的超导体带。例如，利用HTS带制作HTS RF线圈的具体教导在美国专利6,943,550中描述，其公开通过引用并入此处。在备选实施例中，超导体RF线圈可以实现为超导体薄膜，如包括HTS材料的超导体薄膜，HTS材料如氧化钇钡铜(YBCO)、氧化铊钡钙铜(TBCCO)、MgB2或MB，其中M是从以下构成的组中选择的：Be，Al，Nb，Mo，Ta，Ti，Hf，V和Cr。在平坦基底上制作HTS薄膜线圈的具体教导在Ma et al，“Superconducting MR SurfaceCoils for Human Imaging，”Proc.Mag.Res.Medicine，1，171(1999)中描述，其全部公开通过引用并入此处。关于HTS线圈的其他教导在以下文献中描述：Ma et al.，“Superconducting RF Coils for Clincical MR Imaging atLow Field，”Academic Radiology，vol.10，no.，9，Sept.2003，pp.978-987以及Miller et al.，“Performance of a High Temperature Superconducting Probefor In Vivo Microscopy at 2.0T，”Magnetic Resonance in Medicine，41：72-79(1999)，其全部公开通过引用并入此处。
本领域技术人员可以理解，RF线圈105可以实现为对于RF发射机和RF接收机分离的线圈，或者实现为对于发射机和接收机公共的线圈(即收发机线圈)。此外，在发射机和接收机线圈是分离线圈的一些实施例中，仅线圈之一(例如接收机线圈)可以实现为超导线圈(例如另一线圈可以实现为传统铜线圈)。此外，在一些实施例中，超导RF线圈105可以实现为线圈阵列，如HTS线圈阵列。
在本发明的一些备选实施例中，一个或多个RF线圈(例如发射机线圈或接收机线圈(在被实现为分离线圈的情况下))可以被实现为由以下一个或多个材料形成的非超导线圈：当冷却至给定温度(例如低温冷却、冷冻、水冷、热电冷却等等)时，具有与在该给定温度下铜的电导率更高的电导率。这种非超导线圈可以由例如半导体二维电子气(2DEG)材料结构(例如基于GaAs和/或InP)、碳纳米管和其他金属来实现。如这里所使用的，为了区分低温和冷冻，近似等于或低于约-73.3℃(-100℉)的温度可以被认为是低温。
现在参照图2A，在斜视图中更详细示出了根据本发明的一些实施例的图1A和1B的示意性超导体MRI系统的梯度线圈103。在这些实施例中，如图2A所示，在三个相应同轴圆柱支撑结构(即x梯度支撑258、y梯度支撑262和z梯度支撑264)的表面上和/或内，形成或提供沿三个正交方向创建磁场变化的三个独立梯度线圈。根据典型惯例，x和y指示与主磁场垂直的两个正交方向，z指示主磁场的方向。因此，x梯度支撑258、y梯度支撑262和z梯度支撑264支撑相应的梯度线圈以分别沿x、y和z方向提供磁场梯度。梯度支撑258、262和264可以由例如G10或其他非铁磁行、非导电性(例如非金属、绝缘)材料制成。在该实施例中，z梯度线圈是螺线管线圈，x和y梯度线圈是沿圆周方向跨越或覆盖其相应圆柱支撑的大约一半的鞍形线圈。y梯度支撑262安装为与x梯度支撑258和与z梯度支撑264具有良好热接触，z梯度支撑264安装为与散热器110具有良好热接触。在各个备选实施例中，散热器可以附加地或备选地安装为与x梯度支撑258接触。当除了散热器110之外还实现散热器时，这种与x梯度支撑258接触的散热器可以由低温冷却器172(即冷却散热器110的相同低温冷却器)或由单独的低温冷却器来冷却。当实现为散热器110的备选以冷却梯度线圈时，散热器110可以与z梯度支撑264热去耦(例如空间分离)，同时仍热耦合至RF线圈105以冷却RF线圈105。
图2B示意性示出了根据本发明实施例的在平面视图中示出的图2A的圆柱形x梯度支撑258，示出了由x梯度支撑258支撑的x梯度线圈268。x梯度支撑258的表面通常为凹形(例如蚀刻或切割)，梯度线圈268(线)位于凹形处，梯度线圈线固定并粘合在凹形中，因此当在磁场中电流传导通过梯度线圈线(例如产生洛伦兹力)时线不会移动。在y梯度支撑262上提供的y朝向梯度线圈具有与x梯度支撑258上的x朝向梯度线圈268实质上相同的设计和构造，只是具有微小的维度变化，以考虑与x朝向梯度支撑相比，y梯度支撑的略微较小的直径。x梯度线圈268的中心260面对如图2A和2B所示的x方向，y梯度线圈相对于x梯度线圈沿圆周方向位移90°。类似地，在z梯度支撑264的表面上和/或内制作螺线管z梯度线圈(未示出)，但是z梯度线圈关于z梯度支撑264螺旋形环绕，其中线圈的一半沿圆柱轴在与主磁体绕组相同的方向上环绕，使得z梯度线圈在这一半线圈内增大磁场，而线圈的另一半沿圆柱轴在相反方向上环绕，使得z梯度线圈在这另一半线圈内减小磁场。
在以下进一步讨论的一些实施例中，梯度线圈103和RF线圈105可以分离地冷却，并彼此热隔离，这可以有利于例如针对梯度线圈和RF线圈提供不同的操作温度(例如在将不同材料用于这些元件时)。这种备选实施例可以包括将RF线圈和梯度线圈置于公共真空室中或分离的真空室中。
在一些实施例(如以上结合图1A和1B讨论的实施例)中，主磁体、梯度线圈和RF线圈均实现为超导体，这些组件中的每一个可以实现为HTS或LTS，从而提供八(8)中可能排列，假定所有梯度线圈均以相同类型的超导体(即HTS或LTS)实现。根据本发明的一些优选实施例，主磁体、梯度线圈和RF线圈均以HTS材料实现。本领域技术人员可以认识到，这种全HTS配置在提供经济、高质量、高性能MRI系统方面提供了许多优点。
例如，由低温超导体制成的超导主磁体通常非常笨重。然而，根据本发明各个实施例，由HTS制成的主磁体相对更轻而且更紧凑得多，因为例如与LTS线相比，可以利用较少的HTS线来实现相同磁场幅度。此外，由于可以在远高于LTS磁体(例如约10-20K)的温度(例如77K)下操作，HTS主磁体使用更少得多的致冷剂，从而实质上降低成本。类似地，与针对梯度线圈和/或RF线圈采用LTS材料的本发明实施例相比，以HTS材料来实现梯度线圈和RF线圈还降低了冷却成本，同时还简化了热和真空隔离设计。同时，与传统铜RF线圈和梯度线圈相比，部分由于HTSRF线圈提供了较高灵敏度(例如降低线圈噪声从而提供较高SNR)，总体MRI系统性能显著增强，同时，HTS梯度线圈提供高驱动电流、快速切换和显著降低的热散发。
现在参照图3A-3D，示意性示出了根据本发明各个实施例可以在MRI系统内使用的冷却配置的不同示例。如图3A所示，每个超导线圈202在其自身的冷却室内由单独的低温冷却系统204单独地进行冷却。在低温冷却系统208的控制下，对主磁体206进行冷却，以展现HTS或LTS特性。类似地，在低温冷却系统212的控制下，对梯度线圈210进行冷却，以展现HTS或LTS特性。此外，在低温冷却系统216的控制下，对RF线圈214进行冷却，以展现HTS或LTS特性。
如图3B所示，在低温冷却系统222的控制下，对主磁体220进行冷却，以展现HTS或LTS特性。然而，在公共低温冷却系统230的控制下，对梯度线圈226和RF线圈228进行冷却，以展现HTS或LTS特性。在本实施例中，线圈均在其自身单独的冷却室内进行冷却。
如图3C所示，在低温冷却系统236的控制下，对主磁体234进行冷却，以展现HTS或LTS特性，而线圈234在其自身的冷却室内进行冷却。然而，在公共低温冷却系统240的控制下，对梯度和RF线圈238进行冷却，以展现HTS或LTS特性。在本实施例中，梯度和RF线圈238在相同冷却室内进行冷却。
如图3D所示，在单独的低温冷却系统246的控制下，对主磁体和梯度线圈244进行冷却，以展现HTS或LTS特性，而线圈244均在相同冷却室内进行冷却。然而，在单独的低温冷却系统250的控制下，对RF线圈248进行冷却，以展现HTS或LTS特性，而RF线圈248在与主磁体和梯度线圈244的冷却室分离的冷却室内进行冷却。
此外，根据以上内容，本领域技术人员可以理解，可以实现本发明的各个实施例，其中主磁体、梯度线圈和RF线圈由公共低温冷却器来进行冷却，而不论主磁体、梯度线圈和RF线圈是否分别置于分离(相应)的真空隔离的冷却室中，或者置于两个真空隔离的冷却室(例如梯度线圈和RF线圈在相同室中)，或者置于公共的真空隔离的冷却室中。
图4A示意了根据一些实施例与采用圆柱形螺线管主磁体结构的超导MRI系统(例如类似于图1A所示的MRI系统100)相关联的示意性线圈配置300的第一截面视图。配置300包括：第一真空室316、第二真空室314、一个或多个主磁体线圈302、一个或多个梯度线圈304、一个或多个RF线圈306、以及壁308、310和312。根据以下进一步描述可以理解，根据各个实施例，配置300中的一个或多个壁308、310和312中的每一个可以实现为密封的双壁结构，在以下实施例中，该结构可以根据或类似于2008年9月17日提交的美国申请No.12/212,122和2008年9月17日提交的美国申请No.12/212,147中描述的密封双壁结构(和真空热隔离外壳)来实现，其全部内容通过引用并入此处。
第一真空室316容纳超MRI磁体及其对应主磁体线圈302。真空室316在密封的双壁308和310之间形成，从而双壁308和310中的每一个内的腔体被抽真空，填充(可选地)以绝热材料(例如纤维玻璃)，并合适密封(例如经由混合)，以维持高度真空。还使用合适的真空泵对与第一真空室316相关联的封装进行抽真空。第一真空室316的外双壁308可以由传统真空室材料构造，例如但不限于铝或不锈钢。然而，第一真空室316的内双壁310可以由非磁性非金属材料制成，例如但不限于玻璃、非导电性陶瓷、G10、FR4或塑料。
如上所述，一旦在第一真空室316内创建了充分真空，则低温冷却系统用于降低主磁体线圈302的温度。所需的温度降低可以依赖于线圈材料。通过在线圈302的构造中利用低温超导(LTS)材料或高温超导(HTS)材料，与传统冷却的铜线圈相比，其电阻大大减小。因此，主磁体线圈302的超导绕组将减小在由产生特定目标磁场(例如1特斯拉)所需的建立电流驱动时在线圈绕组内出现的热产生/散发的量。此外，因此，降低了主MRI磁体产生和维持特定磁场所需的功率的量。此外，将来的MRI应用可能导致使用更高的磁场幅度(例如大于7特斯拉)。在这种情况下，使用超导主磁体线圈使得能够在线圈中产生更高电流密度，从而实现提高的磁场能力。例如，低温冷却系统可以在20-40开尔文(K)的范围上操作。此外，根据一些实施例，超导主磁体线圈可以具有0.5-3米(m)的长度、1-3m的外直径和0.1-2.5m的内直径，以及实质上圆柱形的几何形状。
第二真空室314容纳梯度线圈304和RF线圈306。真空室314在密封的双壁310和312之间形成，从而双壁310和312中的每一个内的腔体被抽真空，填充(可选地)以绝热材料(例如纤维玻璃)，并合适密封(例如经由混合)，以维持高度真空。还使用合适的真空泵对与第二真空室314相关联的封装进行抽真空。第二真空室314的外双壁310可以由非磁性非金属材料制成，例如但不限于玻璃、非导电性陶瓷、G10、FR4或塑料。然而，第二真空室314的内双壁在材料上被构造为对RF线圈306发送的和从RF线圈306接收的RF信号没有屏蔽作用，并且不产生可能由于向梯度线圈304施加梯度信号而导致的涡流效应。
一旦在第二真空室314内创建了充分真空，则另一低温冷却系统用于降低梯度线圈304和RF线圈306中任一或两者的温度。如上所述，所需的温度降低可以依赖于线圈材料。通过在线圈304和/或线圈306的构造中利用低温超导(LTS)材料或高温超导(HTS)材料，与传统冷却的铜线圈或其他这种非超导线圈材料相比，其相应电阻大大减小。梯度线圈304的超导绕组(LTS或HTS)最小化/减小了梯度发热量，并允许高梯度场的快速切换。因此，实现了更快的图像获取(提高时间分辨率)，并降低了针对散发梯度线圈所产生的热的附加冷却要求。例如，与冷却梯度线圈304相关联的低温冷却系统可以在40-60开尔文(K)的范围上操作。根据一些实施例，超导梯度线圈可以包括0.2-2米(m)的长度、0.1-2.5m的外直径和0.02-2.3m的内直径，以及圆柱形的螺线管和鞍形的几何形状。超导RF线圈(HTS)可以包括0.01-0.5m的长度、0.02-0.1m的外直径、0.01-0.8m的内直径，以及圆柱形的螺线管和鞍形的几何形状。超导RF线圈306减小线圈噪声。这继而导致RF接收机电路内S/N性能的提高(如果采样噪声不淹没线圈噪声)，这提供了更快的获取和/或改进的图像分辨率捕捉。与冷却梯度线圈304和RF线圈相关联的低温冷却系统可以例如在40-60开尔文(K)的范围上操作。图4B示意了沿纵向取得的示例线圈配置300的第二截面视图。
在超导MRI系统的构造和操作中，可以采用许多不同的HTS和LTS材料。例如，梯度线圈304可以由Bi-223带构造，Bi-223带是商用低成本HTS材料。在一些实例中，Bi-223带可以由纯银(Ag)覆盖，以增强其机械强度。当通过例如浸入液氮中来冷却Bi-223带时，其展现出超导属性。从而其电阻减小至近似零。超导RF线圈306(可以被配置为收发机或离散的发射机和接收机)还可以由HTS材料(例如YBaCuO、BiSrCaCuO等等)以及具有高电导率(例如使用基于GaAs或InP材料系统的化合物)的其他超导体、纳米材料(如碳纳米管)、和二维电子气(2DEG)材料/结构形成。备选地或附加地，HTS RF线圈306可以包括薄膜线圈的阵列，每个薄膜线圈具有例如约1cm至30cm的基底直径。超导主磁体线圈可以由HTS或LTS材料构造。例如，如MgB2(二硼化镁)之类的LTS材料可以用于形成主磁体线圈302。从冷却的角度，超导线圈可以在不同温度范围上操作。例如，超导主磁体线圈302可以被冷却至约20-40K的范围。超导梯度线圈304可以被冷却至约40-60K的范围，而超导RF线圈306可以维持在从约40-60K或约77K的较高温度。备选地，超导梯度线圈304和超导RF线圈306可以被冷却至约77K，而超导梯度线圈304被冷却至20-40K的范围。可以使用多种不同操作温度。例如，根据一些配置，所有超导线圈可以维持在约77K的温度。
尽管所描述的实施例示出了以提供水平磁场方式配置的线圈，但是其他MRI系统可以使用便于产生跨越各种视野(FOV)具有不同强度(例如0.5T、1.0T等等)的垂直磁场的结构设计。这种MRI系统示例包括但不限于：使用6或8RF线圈阵列的非对称头部扫描MRI；用于检查手臂的手的整形MRI系统(使用Helmholtz线圈对的0.2-0.5T系统)；或者用于扫描胸部的开放垂直场MRI系统，其中RF线圈可以构建入检查床中。开放垂直场MRI系统设计概念还可以扩展用于检查动物。还可以认识到，尽管上述MRI系统实施例典型地涉及检测身体组织的水分中的氢原子，但是可以适于检测其他核子。
已经关于本发明的具体实施例示意和描述了本发明，其实施例仅仅示意了本发明的原理，而不应是排他的或限制性的实施例。相应地，尽管对本发明示意实施例及其各种示意性修改和特征的以上描述提供了许多具体细节，但是这些实现细节不应被解释为限制本发明的范围，本领域技术人员容易理解，在不脱离范围和不丧失其所具有的优点的前提下，容易对本发明做出许多修改、适配、变化、省略、添加和等效实现。例如，除了处理本身必需或固有的范围之外，不意味着对本公开(包括附图)中描述的方法或过程的步骤或阶段的任何特定顺序。在许多情况下，在不改变所描述方法的目的、效果或输出的情况下，可以改变处理步骤的顺序，或者可以组合、改变、或省略各个示意步骤。还应注意，术语和表述用作描述术语而非限制术语。使用术语或表述不应排除所示和所述特征或其部分的任何等效物。此外，在不必需提供这里描述的或者根据公开理解的和/或在其一些实施例中可以实现的一个或多个优点的情况下，可以实现本发明。因此，本发明不应限于所公开的实施例，而应当根据所附权利要求来限定。

Claims (25)

1.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料； 
其中，所述至少一个梯度线圈和所述至少一个RF线圈置于至少一个真空室内，所述真空室具有置于检查区域与梯度线圈和所述至少一个RF线圈之间的至少一个非磁性非金属壁。 
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈由所述超导材料形成。 
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述超导主磁体、所述至少一个超导梯度场线圈中的每一个和所述至少一个超导RF线圈中的每一个均由高温超导HTS材料或低温超导LTS材料中的任一而不是两者形成。 
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述超导主磁体、所述至少一个超导梯度场线圈中的每一个和所述至少一个超导RF线圈中的每一个均由HTS材料形成。 
5.根据权利要求4所述的系统，其中，针对所述超导主磁体、所述至少一个超导梯度场线圈中的每一个和所述至少一个超导RF线圈中的每一个，使用相同的HTS材料。 
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述HTS材料包括形成为带的氧化铋锶铜BSCCO。 
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个梯度线圈和所述至少一个RF线圈置于包括所述至少一个非磁性非金属壁的公共真空室中。 
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：另一真空室，置于所述公共真空室和检查区域之间，所述另一真空室包括：第一壁，由所述至少一个非磁性非金属壁形成；以及(ii)与所述第一壁分开的第二非磁性非金属壁。 
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个真空室包括：第一真空室，包含所述至少一个梯度线圈；以及第二真空室，置于第一真空室与检查区域之间，并包含所述至少一个RF线圈；其中，所述至少一个非磁性非金属壁包括：第一非磁性非金属壁，置于检查区域与梯度线圈之间；以及第二非磁性非金属壁，置于检查区域与所述至少一个RF线圈之间。 
10.根据权利要求9所述的系统，还包括：另一真空室，置于所述第二真空室与检查区域之间，所述另一真空室包括由第二非磁性非金属壁形成的第一壁以及与所述第一壁分开的第三非磁性非金属壁。 
11.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
其中，所述主磁体置于第一真空室中，所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈置于第二真空室中。 
12.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
其中，所述主磁体、所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈置于相应的真空室中。 
13.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈置于公共真空室中。 
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈热耦合至公共散热器。 
15.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
其中，所述至少一个RF线圈由当冷却至室温以下时具有与铜相比 更高的电导率的所述非超导材料形成。 
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈是二维电子气结构。 
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈是碳纳米管结构。 
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超导主磁体是圆柱形螺线管磁体，具有包括所述检查区域的孔。 
19.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈包括线圈阵列。 
20.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈包括用作发射机和接收机的单一RF线圈。 
21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈包括发射机RF线圈和接收机RF线圈。 
22.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
其中，所述超导主磁体被配置用于由第一低温冷却系统来冷却，所述至少一个RF线圈被配置用于由第二低温冷却系统来冷却，所述至少一个梯度线圈被配置用于由第三低温冷却系统来冷却。 
23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述至少一个RF线圈由当冷却至室温以下时具有与铜相比更高的电导率的所述非超导材料形成。 
24.一种用于磁共振成像MRI和磁共振光谱学中至少一个的系统，所述系统包括： 
超导主磁体，用于在检查区域中产生均匀磁场； 
至少一个超导梯度场线圈，用于在检查区域内施加相应的至少一个磁场梯度；以及 
至少一个RF线圈，用于向检查区域发送和从检查区域接收射频信号，并被配置用于冷却，并包括以下至少一项：(i)非超导材料，当冷却至室温以下的温度时，具有与在所述温度处铜的电导率相比更高的电导率；以及(ii)超导材料， 
其中，超导主磁体被配置用于由第一低温冷却系统来冷却，所述至少一个RF线圈和所述至少一个梯度线圈被配置用于由第二低温冷却系统来冷却。 
25.根据权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个超导梯度场线圈包括：三个超导梯度场线圈，被配置为沿三个相应的正交方向提供磁场梯度，所述方向之一沿检查区域中的均匀磁场的方向。 
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