CN102959424A

CN102959424A - 冷却的mr线圈布置

Info

Publication number: CN102959424A
Application number: CN2011800326104A
Authority: CN
Inventors: S·A·J·拉斯特; S·马利奇
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2013-03-06
Also published as: EP2588877A1; WO2012001598A1

Abstract

本发明涉及一种磁共振线圈布置（202），其包括用于生成磁场的电导体，其中，所述电导体通过电绝缘体（204）相互电绝缘，其中，所述绝缘体（204）包括氮化物或氧化铝作为电绝缘材料。

Description

冷却的MR线圈布置

技术领域

本发明涉及一种磁共振线圈布置，还涉及一种磁共振成像系统。

背景技术

当前，利用磁场和核自旋之间的相互作用以形成二维或三维图像的图像形成MR方法得到了广泛使用，特别是在医疗诊断领域，因为针对软组织的成像，该方法在很多方面优于其他成像方法，该方法不需要电离辐射，并且通常是无创的。

根据一般的MR方法，将患者的身体或者一般而言的检查对象布置到强的均匀磁场B₀内，同时该磁场的方向定义了测量所基于的坐标系的轴，一般为z轴。

磁场产生各核自旋的不同能级，所述能级依赖于所施加的磁场强度，可以通过施加具有规定频率的，即所谓的拉莫尔频率或MR频率的交变电磁场（RF场）激发所述自旋（自旋共振）。从宏观的角度来看，各核自旋的分布将产生总体磁化，可以通过施加具有适当频率（RF脉冲）的电磁脉冲而使所述总体磁化偏离平衡状态，而磁场垂直于z轴延伸，这使得所述磁化进行关于z轴的进动。

可以通过接收RF天线探测所述磁化的任何变化，所述天线在MR装置的检查体积内以一种方式布置和取向，即使得沿垂直于z轴的方向测量所述磁化的变化。

为了实现体内的空间分辨率，使沿三个主轴延伸的磁场梯度叠加到均匀磁场上，这将导致自旋共振频率的线性空间依赖性。因而，所述接收天线拾取的信号将含有不同频率的分量，可以将所述分量与体内的不同位置相关联。

经由接收天线获得的信号数据对应于空间频率域并被称为k空间数据。所述k空间数据通常包括采用不同的相位编码获取的多条线。通过收集若干样本使每条线数字化。将k空间数据的样本的集合转换为MR图像，例如，通过傅里叶变换。

因而，可以总结出，线圈在磁共振成像中起着重要作用。

线圈设计中的一个重要参数是线圈能够处理的最大均方根（rms）电流。提高最大rms电流允许在更短的时间内提供更多的流经线圈的电流，即，其允许提供更高的功率。因此，可以减少扫描时间。

限制最大rms电流，尤其是限制线圈系统中的最大rms电流的一个方面是线圈在工作期间所散发的热量。

MR系统中的（例如）梯度线圈的轴需要通过绝缘层的方式相互电绝缘。通常，在这一层中，采用玻璃布作为间隔体使所述轴就位并且通过在所述轴之间建立足够的距离而降低这一区域内的电场。典型地，将使用环氧树脂灌注这一结构，从而将所有的部分固定到一起。具有开放结构的玻璃布旨在吸收所述轴之间的树脂，从而将所述结构结合到一起。

对于高电压梯度线圈而言，线圈轴之间的用以降低线圈轴之间的电场的足够的距离对于避免局部放电变得更加重要，所述局部放电在MR系统中特别是指击穿（spikes）。然而，通过（例如）提高绝缘厚度来增大所述距离同时增大了流向（例如）梯度线圈的冷却基础设施的热流的热障，从而降低梯度线圈的最大rms电流。

存在几种提高最大rms电流的选择。一种选择是简单地提高线圈的工作温度。然而，这种选择需要耐受更高的温度的环氧树脂，并且所耗散的功率将对周围的MR系统加热，而周围的MR系统的温度也应当保持在一定的限度内。提高最大rms电流的第二种选择是降低通往冷却基础设施的热障。这一点可以通过为这些层使用具有更高的导热率的材料来实现。为了提高梯度线圈轴之间的层的导热率，通常使用填充的环氧树脂，其中，填充剂通常是混合到环氧树脂内的陶瓷粉末，其将改进机械和热特性。然而，在线圈轴之间的开口窄的情况下，由于混合了陶瓷粉末而具有高粘性的环氧树脂不能均匀地渗透到线圈轴之间的间隔内，其可能导致环氧树脂填充区域内的气泡。这些气泡又可能导致（例如）电场集中，在线圈工作时，所述电场集中将促使局部放电的出现。

US7554326B2公开了一种磁共振成像设备，其包括具有多个按照预定缠绕模式建立的线构件的梯度磁线圈，其中，第一树脂材料填充多个线圈之间的缝隙，并且具有比第一树脂材料更高的导热率的第二树脂材料填充给定线圈的线构件之间形成的缝隙。

发明内容

从上文将容易地意识到，需要一种具有提高的热性能的改进的磁共振线圈布置以及一种改进的磁共振成像系统。

根据本发明，提供了一种包括用于生成磁场的电导体的磁共振线圈布置，其中，所述电导体通过电绝缘体相互电绝缘，其中，所述绝缘体包括作为电绝缘材料的氮化物或氧化铝。

本发明的实施例的优点在于，能够为磁共振线圈布置提供高导热率，从而降低了通往相应的冷却基础设施的热障。因而，避免了过热，并且提高了线圈布置的最大rms电流。

根据本发明的实施例，以“指纹”状线圈结构（图样）缠绕电导体，其中，绝缘体位于所述指纹状线圈结构的单个线圈绕组之间和/或位于不同的线圈轴之间。

梯度线圈构造通常针对x轴和y轴使用分布式的“指纹”状线圈。在制造过程中，可以从铜片上切割或蚀刻出这些线圈。在替代的情况下，所述“指纹”线圈图样可以由圆形或矩形导体、空心导体或（一条或多条）导线所制成。通常将螺旋状图样制成平的以保持适当的线圈尺寸。在最新的制造过程中，将例如FR-4预浸渍层压体的绝缘衬垫材料结合至所述图样，从而在构建线圈和提供一部分绝缘体的进一步的处理过程中保持明确限定的绕组的位置。之后，将铜和衬垫材料卷绕成适当的形态，用于组装到梯度管上，在该处，能够将它们堆叠到其他线圈结构的顶部。

通过使用氮化物或氧化铝的热传递特性，改进了分布式指纹状线圈结构的各个线圈层之间的热传输。

根据本发明的实施例，将氮化物或氧化铝作为填充物材料包含在作为绝缘体的部分的预浸渍层压体内。因而，在线圈图样的衬垫材料内使用作为填充物材料包含的氮化物或氧化铝的导热预浸渍体来增强热传输特性。根据本发明的另一实施例，所述线圈布置包括堆叠在彼此顶部的单个线圈的集合，其中，所述单个线圈通过绝缘体相互分离。这种方案在针对x、y、z方向的梯度线圈堆叠在彼此顶部的情况特别合适。

根据本发明的又一实施例，所述单个线圈通过灌注的间隔体相互分开。可以将这一间隔体与一个或多个绝缘层组合成堆叠，以形成绝缘，或者可以简单地使用所述间隔体创建绝缘。对于作为绝缘的部分的间隔体而言，就像所述堆叠内的其他绝缘层一样，使用氮化物或氧化铝材料同样是有利的。就通常为布的间隔体而言，间隔体材料内的氮化物材料将为复合材料（在用环氧树脂进行灌注时）提供高的导热率。因此，解决了混合到用于灌注的环氧树脂内的填充物材料可能堵塞堆叠在彼此顶部的单个线圈之间的通常较小的空间的问题。因而，仍然可以将所建立的能很好地工作的环氧树脂用作灌注材料，但是与此同时朝向冷却基础设施的热障也降低了。因而，不将具有高导热率的材料用作环氧树脂中的填充剂，而是将具有更好的导热性的材料用作通常使用的玻璃布的替代。

根据本发明的实施例，采用树脂对所述布进行灌注，其中，所述布的介电常数与树脂的介电常数匹配，并且/或者其中，所述氮化物为氮化硼、氮化硅或氮化铝。在布的介电常数与树脂的介电常数匹配的情况下，这允许也将其用到高电压线圈布置内，在所述高电压线圈布置内，除了要求高导热率之外，还要求相近的介电常数以避免电场集中，因而能够克服局部放电。

一般来讲，必须指出，在低电压线圈中这样的介电常数匹配可能不是必须的，因而可以采用其他类型的氮化物来实现本发明。

根据本发明的另一实施例，通过一个或多个灌注间隔体使毗邻地堆叠在彼此顶部的线圈相互分开，所述间隔体有可能与绝缘层相结合，其中，所述绝缘层的介电常数与所述树脂的介电常数匹配。而且，这也允许将所述线圈布置用作高电压线圈。

根据本发明的又一实施例，所述氮化物为氮化硼、氮化硅或氮化铝。特别是氮化硼具有几个优点：氮化硼是极佳的电绝缘体并且具有高的导热率，其中，额外地，氮化硼的介电常数还匹配通常采用的用作灌注材料的环氧树脂的介电常数以及在上文提及的预浸渍体或绝缘层中通常应用的FR-4的介电常数。因而，氮化硼的使用不是所述布和其他绝缘层的更好的导热材料的随意选择，而是仔细地对其选择，使得满足两个条件，也就是满足高导热率以及所述绝缘体、树脂和又一绝缘层的介电常数的匹配。

尽管氮化硅和氮化铝的介电常数未能准确地匹配通常使用的环氧树脂和FR-4的介电常数，但是它们仍然是在低电压线圈中应用的极佳选择。对于氧化铝上述内容同样成立。

根据本发明的又一实施例，所述线圈布置是成像梯度线圈布置，其中，所述线圈是梯度线圈。然而，必须指出，本发明不仅仅局限于梯度线圈，而是可以将本发明应用于MR系统中使用的任何种类的线圈，例如，用于自旋系统激励的匀场线圈或RF线圈，所述线圈要求在（例如）单个线圈绕组之间或者堆叠在彼此顶部的线圈的各个层之间存在电绝缘。

另一方面，本发明涉及一种包括上述线圈布置的磁共振成像系统。

附图说明

在下文中仅以示例的方式更加详细地描述了本发明的优选实施例。因而，附图仅仅是出于图示的目的而设计的，而不是作为本发明的范围限制。在附图中：

图1示出了用于实现根据本发明的线圈布置的MR系统的示意图；

图2示出了线圈布置的示意图。

具体实施方式

参考图1，示出了MR成像系统1的示意图。所述系统包括超导或电阻主磁体线圈2，从而沿z轴建立通过检查体积的基本均匀的在时间上恒定的主磁场B₀。

磁共振生成操纵系统通过施加一系列RF脉冲和切换的磁场梯度以反转或激发核磁自旋、诱发磁共振、使磁共振重新聚焦、操纵磁共振、空间地或者以其他形式对磁共振进行编码、使自旋饱和等，以执行MR成像。

更具体而言，梯度脉冲放大器3向沿检查体积的x、y和z轴向全身梯度线圈4、5、6中的选定线圈施加电流脉冲。RF发射器7经由发送/接收开关8向RF天线9发射RF脉冲或脉冲包，以将RF脉冲发射到检查体积内。典型的MR成像序列由短时长RF脉冲序列的包构成，所述RF脉冲序列与所施加的任何磁场梯度一起将实现对核磁共振的选定操纵。采用所述RF脉冲使共振饱和、激发共振、反转磁化、使共振重新聚焦或者操纵共振、以及选择处于检查体积内的身体10的部分。也可以通过RF天线9拾取MR信号。

为了身体或者一般而言的对象10的有限区域的MR图像的生成，例如通过并行成像的方式，将本地阵列RF线圈11、12和13的集合定位于邻近所选定的要成像的区域。可以使用阵列线圈11、12和13接收经由RF天线实现的RF发射所感生的MR信号。然而，也可以使用阵列线圈11、12和13向检查体积发射RF信号。

所产生的MR信号通过RF天线9和/或通过RF线圈11、12、13的阵列拾取，并通过优选地包括前置放大器（未示出）的接收器14解调。所述接收器14经由发送/接收开关8连接至RF线圈9、11、12和13。

主计算机15控制梯度脉冲放大器3和发射器7以生成多个成像序列中的任何一个，例如，回波平面成像（EPI）、回波体积成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。

针对选定的序列，接收器14在每个RF激发脉冲之后以快速接续的方式接收单条或者多条MR数据线。数据采集系统16对接收到的信号进行模数转换，并将每一MR数据线转换成适合进一步处理的数字格式。在新型的MR装置中，数据采集系统16是专门用于采集原始图像数据的单独计算机。

最后，重建处理器17采用傅里叶变换或者其他适当的重建算法将数字原始图像数据重建为图像表示。MR图像可以表示通过患者的平面切片、平行的平面切片的阵列、三维体积等。之后，将所述图像存储到图像存储器内，可以在所述图像存储器内对所述图像进行访问，从而将图像表示的切片或者其他部分转换成用于可视化的适当形式，例如，经由视频监视器18，该视频监视器将提供所产生的MR图像的人类可读显示。

图2是图示了根据本发明的梯度线圈布置202的横截面的示意图。已经参考图1进行了讨论的线圈在这里堆叠在彼此的顶部，通过所灌注的间隔体以及必要时采用的额外的绝缘层205/207分开。线圈4、5、6是堆叠到一起的梯度线圈轴x、y、z的线圈。在图1中，所述线圈之一包括空心导体，所述空心导体承载冷却流体，然而线圈之间的单独的冷却回路（不承载电流）也是一种选择。所述线圈通常包括铜导体，其中，x线圈4和y和线圈5可以包括铜板，电流能够通过所述铜板传输，从而生成梯度磁场。

例如，线圈4和线圈5可以包括利用电绝缘204相互分开的铜板。如图2所示，毗邻堆叠的梯度线圈4和梯度线圈5通过一个或两个间隔体206彼此分开，所述一个或两个间隔体206与一个或两个绝缘层205、207组合。这里，层205是结合到先前讨论的指纹图样上的衬垫材料。

在最新的线圈布置中，线圈4和线圈5之间的层结构（环氧玻璃布/绝缘体）是针对x线圈4和y线圈5生成的热量的热障。可以通过在这一区域内使用具有更高的导热性材料来降低这种障碍。

采用环氧树脂灌注的玻璃布层206具有大约0.5W/m/K的复合导热率。所述玻璃布（SiO2）具有大约1W/m/K的导热率，所述环氧树脂具有大约0.2-0.3W/m/K的导热率。额外的绝缘层205、207，通常为FR4片材，也具有大约0.5W/m/K的复合导热率。

特别是，对于高电压梯度线圈，需要线圈轴之间具有充分大的距离，以降低线圈轴之间的电场，从而避免局部放电，所述局部放电在MR系统中特别是指击穿。然而，通过增加玻璃布层的厚度而实现增大距离也会增大朝向梯度线圈的冷却基础设施的热流的热障，从而降低梯度线圈的最大rms电流。

本发明通过采用具有高导热率的材料替代标准的玻璃布，而解决了这一问题，所述材料作为绝热体并且具有与环氧树脂的介电常数匹配的介电常数。所述优选的材料是氮化硼，其中，所述氮化硼用作布，可以进一步采用最新的树脂对其进行灌注，从而在提供电绝缘和导热性的同时，避免在介电常数有差别的区域内的电场集中。

重新参考图2，沿半径R增大的方向，在线圈5和线圈6之间使用如线圈4和线圈5之间所提供的绝缘204。

在这种情况下，将包括空心环的z梯度线圈6放置到最后的一个绝缘层204的顶部，诸如水的冷却液体能够通过所述空心环流动。因而，由梯度线圈4和5生成的热通过层204和线圈5向线圈6提供的冷却基础设施传输，在所述冷却基础设施处，借助冷却液体去除所生成的热量。

在图2中仅示意性地示出的是又一屏蔽设置212，其用来提供梯度磁场屏蔽。也可以按照刚刚关于包括绝缘204的线圈4、5、6讨论过的方式设计设置212中采用的相应的线圈。

如已经详细讨论过的，氮化硼是优选的间隔体材料，其对204内的其他层也是这样，这是由于和最新的线圈布置中采用的只具有1W/m/K的导热率的石英玻璃（SiO2）相比，氮化硼具有大约20W/m/K的高导热率。此外，使用氮化硼的优点在于，其大约为4的介电常数与到目前为止通常使用的环氧树脂以及在层204、205、206、207中通常使用的FR-4材料的介电常数匹配。

尽管关于图2的讨论与圆柱MR系统相关，但是本发明也适用于其他种类的MR系统，这样的MR系统具有的MR膛未必为圆柱形。

Claims

1.一种磁共振线圈布置（202），其包括用于生成磁场的电导体，其中，所述电导体通过电绝缘体（204）相互电绝缘，其中，所述绝缘体（204）包括氮化物或氧化铝作为电绝缘材料。

2.如权利要求1所述的线圈布置，其中，按照指纹状线圈结构布置所述电导体，其中，所述绝缘体位于所述指纹状线圈结构的单个线圈绕组之间和/或位于不同的线圈轴之间。

3.如权利要求2所述的线圈布置，其中，所述氮化物或氧化铝包含在支持层（205）内。

4.如权利要求1所述的线圈布置（202），其中，所述线圈布置（202）包括一组堆叠在彼此的顶部的单个线圈（4；5；6），其中，所述单个线圈通过所述绝缘体（204）相互分开。

5.如权利要求4所述的线圈布置（202），其中，通过用树脂灌注的间隔体和/或另一绝缘层（207）使所述单个线圈相互分开，其中，所述绝缘体（204）的介电常数与所述树脂和/或所述另一绝缘层（207）的介电常数匹配。

6.如权利要求4所述的线圈布置（202），其中，通过灌注的间隔体（206）使所述单个线圈相互分开，其中，所述绝缘体（204）是由所述间隔体给出的。

7.如权利要求6所述的线圈布置（202），其中，所述间隔体是布，其中，用树脂灌注所述布，其中，所述绝缘体（204）的介电常数与所述树脂的介电常数匹配，并且/或者其中，所述氮化物为氮化硼、氮化硅或氮化铝。

8.如权利要求7所述的线圈布置（202），其中，所述树脂包含所述氮化物或所述氧化铝。

9.如权利要求7所述的线圈布置（202），其中，通过所述灌注的间隔体（206）中的两个间隔体使毗邻地堆叠在彼此的顶部的线圈（4；5；6）相互分开，其中，通过另一绝缘层（207）使所述两个间隔体相互分开，其中，所述另一绝缘层（207）的介电常数与所述树脂的介电常数匹配，并且/或者其中，所述氮化物为氮化硼、氮化硅或氮化铝。

10.如权利要求1所述的线圈布置（202），其中，所述氮化物为氮化硼、氮化硅或氮化铝。

11.如权利要求1所述的线圈布置（202），其中，所述线圈布置（202）是成像梯度线圈布置（202），其中，所述线圈为梯度线圈（4；5；6）。

12.一种磁共振成像系统（1），其包括根据前述权利要求中的任一项所述的线圈布置（202）。