CN103959082A - 低温冷却式全身射频线圈阵列和具有该阵列的mri系统 - Google Patents

低温冷却式全身射频线圈阵列和具有该阵列的mri系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种全身射频线圈阵列模块，其被配置用于在磁共振成像中进行低温冷却。射频(RF)线圈阵列可以是超导线圈阵列，如高温超导(HTS)阵列。射频线圈阵列模块提供足够高的信噪比和大的视场，使得射频线圈阵列可以用在全身磁共振成像系统中，用于所有身体部分的诊断成像，而不需要使用用于不同的身体部位的专用的射频线圈。

Description

低温冷却式全身射频线圈阵列和具有该阵列的MRI系统
相关申请
本申请要求2011年5月10日申请的美国临时申请No.61/484620的优先权，为每个PCT成员国和区域的目的，通过引用将其整体并入本文中，其中这种通过引用的并入被允许或以其他方式不被禁止。
技术领域
本发明一般地涉及磁共振成像和波谱，并且更具体地，涉及采用超导体部件的磁共振成像和波谱设备，以及用于制造这种设备的方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)技术当今在世界范围内常用于较大医疗机构，并在医学实践中产生显著和独特的优势。尽管磁共振成像检查已发展为用于成像结构和解剖的早已确立的诊断工具，其还被开发用于成像功能活动和其他生物物理和生物化学特性或过程(例如，血流、代谢物/代谢、扩散)，这些磁共振(MR)成像技术被称为功能性磁共振成像、光谱磁共振成像或磁共振波谱成像(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它们的用于识别及评估病理和确定研究组织的健康状态的医疗诊断价值以外，还具有广阔的临床和研究应用。
在典型的磁共振成像检查过程中，患者的身体(或样本对象)被置于检查区域内并且通过磁共振成像扫描仪中的患者支撑件支撑，在磁共振成像扫描仪中大致恒定的和均匀的主要(主)磁场由主要(主)磁体提供。磁场在身体中对齐诸如氢(质子)之类的操作原子的核磁化。磁体内的梯度线圈组件会在给定位置处产生磁场的小的变化，从而在成像区域中提供谐振频率编码。射频(射频)线圈在计算机控制下根据脉冲序列被选择性地驱动，以在病人中产生由射频线圈检测和通过计算机处理可以映射到患者的空间定位区域的临时振荡横向磁化信号，从而提供检查中的感兴趣区域的图像。
在通常的磁共振成像配置中，静态主磁场通常由螺线管磁体设备产生，并且患者平台被设置在由螺线管线圈磁体围成的圆筒状空间(即主磁体孔)中。主磁场的绕组通常被实现为低温超导(LTS)材料，并且使用液态氦过冷，以减少阻力，并且因此最大限度地减少所产生的热量和建立并保持主磁场所需要的功率量。大多数现有的LTS超导磁共振成像磁体由使用低温恒温器被冷却到4.2K的温度的铌-钛(NbTi)和/或Nb3Sn材料制成。
如本领域技术人员所周知，射频线圈通常被配置为选择性地提供磁共振成像信号的激励(发送线圈)和接收(接收线圈)。在普通的磁共振成像扫描仪中可以采用三种射频线圈：发送线圈、接收线圈和收发器线圈。发送线圈通常被设置成靠近磁体，因此其可以在整个视场(FOV)内提供均匀的射频激励。虽然发送线圈也可用于接收，但发送线圈不一定是用于检测磁共振信号的好的接收线圈，因为它通常过于远离患者。相应地，典型地使用单独的接收线圈，其尺寸通常小且围绕患者身体的待成像部分紧密地缠绕，使得信号或信噪比(SNR)较高。然而，不同的接收线圈必须被用于不同的身体部位。通常有6到10个不同的接收线圈用于每个磁共振成像(MRI)扫描仪，以适应不同的身体部位和它们的不同尺寸。改变线圈需要时间。代替使用单独的发送和接收线圈，结合发送线圈和接收线圈的功能的收发器线圈可以被实现用于一些磁共振成像扫描应用。一些磁共振成像(MRI)系统的发送线圈被实现为收发器线圈是常见的。这种线圈可以成像大的视场，使得患者定位比使用小的接收线圈更容易。然而，通过收发器线圈获取的图像的信噪比低，从而在使用这种线圈时排除诊断成像。
提高图像的信噪比(SNR)的一个方法是使用射频线圈阵列。由于接收线圈的尺寸减小，线圈噪声增加，这将影响图像的信噪比。这种阵列通常已经被实现为表面线圈阵列，其被设置在特定的待成像的身体部分上或接近特定的待成像的身体部分(例如，头、骨科、乳房成像)。
发明内容
本发明的各种实施例提供高温超导体低温冷却式全身射频线圈阵列。全身低温冷却式射频线圈阵列的一些实施例提供足够的信噪比，使得全身低温冷却式射频线圈阵列可以用于诊断成像。多个实施例提供高的信噪比和较大的视场，使得低温冷却式射频线圈阵列可以用于所有的身体部位的诊断成像。因此，通过使用全身低温冷却式射频线圈阵列本身，可以在磁共振全身系统中提供诊断成像，而不需要使用专用的射频线圈(例如，被设计用于特定的身体部位的线圈)以提供诊断成像。因此，可以理解的是，除其他特征，与各本发明的各种实施例关联的这个特征(即，无需使用专用的射频线圈用于诊断成像)在效率、病人处理能力以及磁共振成像系统和成像过程成本方面提供进一步的优点。
根据本发明的全身低温冷却式射频线圈阵列的各种实施例被实现为收发器线圈阵列。在一些实施例中，全身低温冷却式射频线圈阵列被实现为低温冷却式超导体射频线圈阵列，并且在各种实施例中，超导体被实现为高温超导体(HTS)。在各种实施方案中，包括全身HTS RF线圈阵列的HTS线圈元件提供最小的线圈电阻，以尽量减少线圈噪声。
根据各实施例的全身低温冷却式(例如，高温超导)射频线圈阵列可以包括第一低温冷却式(例如，高温超导)射频线圈阵列模块和第二低温冷却式(例如，高温超导)射频线圈阵列模块。各模块可以被设置在用于全身成像的磁共振成像系统的检查区域的相对两侧。第一低温冷却式(例如，高温超导)射频线圈阵列模块或第二低温冷却式(例如，高温超导)射频线圈阵列模块，或者两者，可以是大致平面的或者可以是大致弧形的(弓形横截面)，从而与人的身体轮廓大致相配。
本发明的各种实施例提供一种被配置用于低温冷却的全身射频线圈阵列模块(例如，其可以是超导线圈阵列，如高温超导阵列)，包括：真空热绝缘壳体，该真空热绝缘壳体包括双层壁气密密封护套，该双层壁气密密封护套(i)包围处于真空状态下的气密密封的内部空间，以及(ii)基本上包围与气密密封的内部空间分开并且被构造以被抽成真空状态的内部腔室区域；至少一个射频线圈元件阵列(例如，超导，如高温超导)，设置在所述内部腔室区域中并被配置用于发送/产生和/或接收射频信号中的至少一种，该射频信号用于磁共振成像和磁共振波谱中的至少一种；散热部件，设置在所述内部腔室区域中并且与至少一个射频线圈阵列热接触；和端口，被配置用于至少低温冷却散热部件。
在一些实施例中，所述端口被连接到至少热连接到散热部件的低温冷却剂。低温冷却剂到所述端口的连接可以密封内部腔室区域，使得内部腔室区域处于真空状态。
气密密封的护套可以密封地接合到具有内部空间的腔室，该内部空间与内部腔室区域共同延伸并且被配置为被抽空到与内部腔室区域大致相同的真空状态，其中所述端口设置在所述腔室中。该腔室可以被配置为包围处于真空条件的气密密封的内壁腔的双层壁腔室(例如，双壁不锈钢腔室)。
根据一些实施例中，所述模块还可以包括设置在所述内部腔室区域内的至少一个梯度线圈，其中所述至少一个梯度线圈被配置用于产生用于磁共振成像和磁共振波谱中的至少一种的一个或多个磁场梯度。所述至少一个梯度线圈中的一个或多个可以与散热部件热接触。所述至少一个梯度线圈的一个或多个可以包括超导体材料，其可以是高温超导体(HTS)材料。
根据各种实施例中，可以使用一个或多个冷却系统用于冷却主磁体、所述至少一个梯度线圈和所述至少一个超导射频线圈阵列。在一些实施例中，超导主磁体被配置为通过第一低温冷却系统冷却，所述至少一个超导射频线圈阵列被配置为通过第二低温冷却系统冷却，且所述至少一个梯度线圈被配置为通过第三的低温冷却系统冷却。在一些实施例中，超导主磁体被配置为通过第一低温冷却系统冷却，并且所述至少一个超导射频线圈阵列被配置为通过第二低温冷却系统冷却。在一些实施例中，超导主磁体、所述至少一个射频线圈阵列被配置为通过共用低温冷却系统冷却。另外，在射频线圈阵列包括多个射频线圈阵列模块的一些实施例中，每个模块可以被单独地冷却，或两个或多个模块可以被共同地冷却(例如，通过相同的低温冷却系统)。
本领域技术人员可以理解前述简要描述和以下详细描述都是本发明的示例和说明，并不意图是限制性的或限制在各种实施例中通过本发明可以实现的优点。此外，可以理解的是，前面的发明内容和下面的详细描述是本发明的一些实施例的代表，并且既不代表本发明的范围内的所有的主题和实施例也不包括本发明的范围内的所有的主题和实施例。因此，参考在此的附图和构成本发明的一部分的附图，图示本发明的实施例，并且与详细描述一起用于解释本发明的实施例的原理。
附图说明
当根据结合附图作出的以下描述考虑本发明时，本发明的实施例的关于构造和操作两者的各个方面、特征和优势，应被理解和将变得更加明显，其中相同的标号表示在各个附图中相同或相似的部件。
图1A和1B示意性地描述根据本发明的一些实施例包括结合在圆柱形超导磁体内的全身高温超导射频线圈阵列的说明性全身磁共振成像系统；
图2A示意性地示出根据本发明的一些实施例的示例性的全身磁共振成像系统，其包括结合在C形磁体内的全身高温超导射频线圈阵列；
图2B描述图2A的永久C形磁体磁共振成像系统，但是高温超导射频线圈阵列被移除；
图3A和3B分别地示意性地描述根据本发明的一些实施例的示例性的全身高温超导射频线圈阵列的俯视图和侧视图；
图4示意性示出根据本发明的一些实施例的具有弧形或大致弓形弯曲部的全身高温超导射频线圈阵列的剖视图；
图5A和5B示意性地描述根据本发明的一些实施例的具有大致平面形状的示例性的低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列模块的正交视图；
图6示意性示出根据本发明的一些实施例的具有其中设置全身高温超导射频线圈阵列模块的全身检查区域的圆筒形磁共振(MRI)成像系统的纵向横截面，以及
图7示意性示出根据本发明的一些实施例的含有至少一个梯度线圈的低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列模块的纵向横截面。
具体实施方式
正如本领域的技术人员在考虑到随后的描述中可以理解，根据本发明的各种实施例的低温冷却式超导全身射频线圈阵列模块可以在无数的全身磁共振成像和光谱学系统中被实现，如敞开或闭合系统，包括使用常规的铜梯度线圈的系统，以及采用超导梯度线圈的系统(例如，如在2009年4月1日提交的美国专利申请No.12/416606和2010年4月19日提交美国专利申请号No.12/762,901中公开的系统，通过引用将各自整体并入本文)。本领域技术人员还将理解，虽然接下来描述的各个部分可以被在可用于对患者的结构性检查的磁共振成像系统的情况下提出，根据本发明的各种实施例的低温冷却式(如超导)全身射频线圈模块阵列可以与被操作和/或配置用于其他形态的磁共振(MR)系统结合使用，如功能性磁共振成像、扩散加权和/或扩散张量磁共振成像、磁共振波谱和/或光谱成像等。另外，如本文中所使用，磁共振成像包括和包含磁共振波谱成像、扩散张量成像(DTI)以及基于磁共振的任何其他成像模态。
在随后的示例性实施例中，为了便于参考和清楚的阐述，通过举例的方式，全身低温冷却式射频线圈阵列被实现为全身高温超导射频线圈阵列。然而，将理解的，在各种替代实施例中，可以使用常规的导体(如铜)和/或使用低温超导体(LTS)和/或使用包括当冷却到低于室温的温度时具有比在低于室温的温度处的铜更高的导电性的非超导材料的材料(例如，碳基纳米管基材料和/或二维电子气体半导体结构)来实现该低温冷却式射频线圈阵列的一个或多个线圈。优选地，采用任何此类材料实现的全身射频线圈阵列提供诊断用全身成像，而不需要使用专用的射频线圈。
图1A，1B和图2A示意性地描述了示例性的全身磁共振成像系统，其可包括根据本发明的一些实施例的全身高温超导射频线圈阵列。例如，图1A和1B示意性地描述各自示意性实施方案，其中高温超导射频线圈阵列结合在强场磁共振成像扫描器10的圆筒形超导磁体内，高温超导(HTS)线圈阵列被用作发送器射频线圈、接收器射频线圈和/或收发器射频线圈。按照上面的讨论，根据各种实施例的高温超导射频线圈阵列特别适合于用作接收器和/或收发器线圈，以便提供用于信号接收的低(例如，最小)线圈噪声和伴随的高信噪比。
更具体地，在图1A中，全身高温超导射频线圈阵列12包括两个大致平面的(例如，平板)高温超导射频线圈阵列模块12a和12b，而在图1B中，高温超导射频线圈阵列14包括第一(例如，下部)大致平面的高温超导射频线圈阵列模块14b和具有大致弓形或圆弧状横截面的第二(例如，上部)射频线圈阵列模块14a，从而与人的身体大致相配。如图2A所示，一些实施例包括采用C形磁体(例如，用于敞开的磁共振成像)的全身磁共振成像系统20，并且包括超导射频线圈阵列22，超导射频线圈阵列22包括设置在全身检查区域附近并且在梯度线圈24内/附近的上部阵列模块22a和下部阵列模块22b。出于参考和清晰论述的目的，图2B描述图2A的永久C形磁体式磁共振成像系统，但是除去高温超导射频线圈阵列；如图所示，C形磁体包括磁极26a，26b和磁轭28。本领域技术人员将理解，根据本发明实施例的低温冷却式全身射频线圈阵列(和阵列模块)并不限于只使用某些类型的主磁体的实施方案，而是可以结合在无数的全身磁共振成像系统中的任一个中，不管磁体类型或配置(例如，超导的、永久的、敞开的、封闭的等等)。
值得注意的是，在各种实施例中，诸如在不同的实施例或上述圆筒形和永久C形磁体的各种实施方案或变型中，上部和下部全身高温超导射频线圈阵列可以被实现为机械地分离的模块，或者被实现为可以被连接到共同冷却系统的单独的模块，或被实现为集成模块(例如，其中上部和下部阵列模块部分在它的至少一部分处被机械地集成/连接，例如，它们可以共享用于连接到冷却系统的共用凸缘和/或导热部件)。鉴于随后描述，本领域技术人员将会理解，如本文所公开的全身高温超导射频线圈阵列的一些实施例可以采用按照2010年9月21日提交的美国专利申请No.12/887,474、2010年4月19日提交的美国专利申请No.12/762,901、2010年4月20日提交的美国专利申请No.12/764,036和2010年4月20日提交的美国专利申请No.12/764,044中公开的技术、材料和原则，通过引用将这些美国专利申请的全部结合于此。
图3A和3B分别地示意性地描述根据本发明的一些实施例的示例性的全身高温超导射频线圈阵列的俯视图和侧视图。如图所示，在图3A和3B中描述的示例性的全身高温超导射频线圈阵列的实施例大致是平坦的，并且因此，例如，可以被实现为图1A(即，上部和下部线圈阵列)、图1B(即，下部线圈阵列)和图2A(即，上部和下部线圈阵列)中的平面状高温超导射频线圈模块。
更具体地，图3A和3B描述说明性的高温超导射频线圈阵列，其包括真空壳体33，真空壳体33容纳与导热基板(热导体)31热接触的高温超导射频线圈元件35(在各种情况下，其在本文中也被称为线圈或者高温超导线圈，或射频线圈)的二维阵列(例如，仅仅通过举例的方式，配置为5×5阵列)，其热连接到多个液氮(LN2)储存器37，储存器37通过LN2互连(例如，管道)39被连接，以提供LN2流，用于热导体31和线圈35的低温冷却式。真空壳体33保持阵列在至少低真空内。如图所示，在说明性的实施例中，线圈35布置成两层，以提供成二维阵列的重叠线圈。如将理解的，所描述的5×5阵列仅仅是一个说明性示例，例如，在阵列的每一维中的元件数量不需要相等，并且可以例如根据所需的视场和单个线圈的设计(例如，尺寸、形状、与邻近线圈等的重叠量等)而改变。例如，仅仅通过示例的方式，在可能被要求提供足够的信噪比(SNR)和视场(FOV)用于诊断全身成像(例如，5×5，5×10，4×8，8×8，32×32，32×64，64×64，100×100，128×128等)时，根据一些实施例的低温冷却式全身射频线圈阵列可以采用对应于被适当设计的线圈元件的二维阵列配置的任何数量的信道。
根据本发明各种实施例，整个阵列的大小足够用于全身扫描，并且例如，可以是大约10英寸或更宽乘以约10英寸或更长，并且可以是正方形或矩形，沿着每个维度具有相同或不同的整体尺寸(例如，一些可能的整体阵列尺寸可以为从约10″宽×约10″长至约40″宽×约40″长变化)，如以下：10″宽×10″长，10″宽×20″长，10″宽×30″长，10″宽×40″长，20″宽×20″条，20″宽×40″长，40″宽×40″长)。
如图所示，在图3A和3B的图示的实施例中，线圈元件包括(i)下层线圈(为方便起见，统称为“下部线圈元件”)，每一个下层线圈设置成与导热基板31(例如，被实现为一个或多个板部件；被图示为用于每一行的一个板)直接热接触，和(ii)上层线圈元件(10个)(方便起见，统称为“上部线圈元件”或“上部线圈”)，上层线圈元件设置在下部线圈元件之上并且热接触下部线圈元件。如果需要的话，附加支架、支撑或间隔件(未示出)例如可以用在(i)上部和下部线圈之间以热连接它们同时还防止上部和/或下部线圈上的迹线被损坏(如通过在迹线之上设置间隙/桥接区域)，和/或(ii)上部线圈元件和所述板之间，以在其中下部线圈不支持上层线圈的区域处，在上部线圈元件和所述板之间提供热连接。环氧树脂和/或热油脂/化合物(未示出)可以设置在线圈和所述板之间，和/或上部和下部线圈之间，和/或支架和相邻的板和/或线圈之间，以在其间提供热和机械接触。另外，在一些实施例中，可以使用线圈的两个以上的重叠层。
导热板31(和热传导支架或间隔件等，如果被实现)例如可以由任何一种或多种高导热率材料形成，如蓝宝石或氧化铝，或其它非金属高导热率的材料，如高导热陶瓷。如图所示，在下文中，导热板31被实现为独立的、平行的细长部件，每个细长部件热接触一排下部线圈元件的背侧部分，并且细长部件的相应端部热接触相应的LN2储存器。在一些实施例中，包括导热板31的每个独立的、平行的细长部件可以比线圈元件的直径窄。在各种替代实施例中，导热板31可以被实现为接触全部下部线圈的单个板，或者可以实现为小于下部线圈的行数的两个或多个板。如下面将进一步理解，在各种实施例中，可以通过使用低温冷却机而不是使冷却剂流过高温超导射频线圈阵列模块的真空腔室来提供冷却。
在一些实施例中，诸如图3A和3B的实施例，每个线圈元件35包括基板(例如，蓝宝石晶片)和薄膜超导线圈(也称为迹线)。在图3A和图3B的实施例中，薄膜迹线形成在基板的上表面上(远离板31面向)，尽管在各种替代实施例中，迹线可以被设置在基板的下表面上(面对板31)。
更具体地，虽然低温超导(LTS)可以在各种实施例中被使用，根据本发明的一些实施例，每个射频线圈元件35的迹线可以被实现为高温超导体(HTS)，如YBCO和/或BSCCO等(例如，使用高温超导薄膜或高温超导带)。例如，在一些实施例中，每个射频线圈元件35是在例如蓝宝石或铝酸镧之类的基板上的高温超导薄膜螺旋线圈和/或高温超导薄膜螺旋互相交叉线圈。可以考虑以下文献进一步理解或者进一步描述这种线圈的设计和制造：例如，Ma等人的″Superconducting RF Coils for Clinical MR Imagingat Low Field，″Academic Radiology，vo1.10，no.9，Sept.2003，pp.978-987；Gao等人的″Simulation of the Sensitivity of HTS Coil andCoil Array for Head Imaging，″ISMRM-2003，no.1412；Fang等人的″Design of Superconducting MRI Surface Coil by Using Method ofMoment，″IEEE Trans，on Applied Superconductivity，vo1.12，no.2，pp.1823-1827(2002)；和Mi l ler等人的″Performance of a HighTemperature Superconduct ing Probe for In Vivo Microscopy at2.0T，″Magnetic Resonance in Medicine，41：72-79(1999)，通过引用将每个文献的全部内容并入本文中。因此，在一些实施例中，超导射频线圈阵列被实现为高温超导薄膜射频线圈阵列。
每个线圈元件的设计(例如，迹线直径、圈数)可以依赖于应用，并且可以包括均匀性、信噪比和视场(FOV)这些考虑因素。如上面所指出的，类似考虑因素可以是确定将要采用的线圈元件的数量的因素(例如，虽然5×5线圈元件被示于图3A和图3B的实施例中，但二维阵列可以包括沿着每个维度的更少或更多的线圈元件)。虽然在图3A和图3B中没有详细显示，但相邻线圈元件35的迹线重叠，这种重叠是通过垂直移位相邻线圈元件被提供的。本领域技术人员将理解，可以在去耦方面优化相邻线圈之间的重叠量。
如图所示，支架可被用来辅助热传导(例如，在上部线圈和板31之间)，并且辅助机械支撑(例如，辅助上部线圈的支撑)。利用设置在下部线圈元件的迹线之上的支架也可以在上部线圈元件直接接触下部线圈元件时辅助防止这些迹线可能发生的损坏。在各种实施例中，支架可以包括设置在下部线圈元件的底层迹线上的窄凹陷区域(例如，形成桥)，使得下部迹线未被上面的支架机械地接触。
应当理解的是，在各种替代实施例中，一个或多个(例如，所有)的支架可以被消除。例如，由于线圈间元件支架可以提供用于冷却上部线圈元件足够的热传导，一些实施例可以包括在下部和上部线圈元件之间的支架，而在板31和上部线圈元件之间不采用支架。另外或可替代地，各种实施例可以包括与上部线圈元件直接接触的附加的高导热板。
作为非限制性实施例的方式，为了说明的目的，在一些实施例中，板31可以具有约3-5毫米的厚度，每个线圈元件迹线可以具有约1厘米(或更少)至约10个厘米或更大的直径，并且每个线圈元件基板可以具有约0.3毫米至约0.6毫米的厚度。
虽然在图3A和3B中未示出，用于每个线圈元件的电子模块可以被设置在板31上和/或在线圈元件基板上，并且至少可以包括前置放大器，并且还可以包括附加的电路，如用于阻抗匹配、去耦等。
如上所指出，在图3A和3B中描述的说明性的高温超导射频线圈阵列被设置在真空腔室中，并且有与冷冻剂(如LN2)热连接的板31冷却。在各种实施例中，线圈元件35可以被冷却到在大约4K到100K的温度范围内，并且更具体地说，被冷却到超导材料的临界温度以下的温度(例如，在一些实施例中，在用于射频线圈35的高温超导(HTS)材料的临界温度以下)。在各种实施例中，代替使用用于冷却射频线圈的冷冻剂，可以使用低温冷却系统，包括被实现为多种单级或多级低温冷却剂中的任一种的低温冷却机，例如，Gifford McMahon(GM)低温冷却机、脉冲管(PT)冷却器、Joule-Thomson(JT)冷却器、Stirling冷却器或其他低温冷却机。
在各种替代实施例中，线圈元件可以使用不是圆形的形状实现。例如，包括基板和迹线的线圈元件也可以是矩形的。另外，通过使用矩形的基板并且使用四层线圈组装阵列(在适当情况下使用支架以辅助热传导和/或机械支撑)，以使每个相邻的线圈元件的迹线彼此重叠(即线圈元件迹线重叠其邻近迹线和下一个最邻近的迹线(即对角线设置的邻近迹线))。此外，本领域技术人员将会理解，这样的四层结构可以被用来提供任意阵列大小/尺寸(例如，5×5，5×10，4×8，8×8，32×32，32×64，64×64，100×100，128×128等)的相邻重叠线圈元件的二维阵列。可以通过切割或划刻诸如圆形蓝宝石或氧化铝基板的圆形基板形成矩形基板。矩形形状的迹线由于大致恒定的迹线重叠距离而能够提供改进的图像重建。
此外，在一些实施例中，代替具有包括形成在各个层状基板上的迹线的线圈元件，线圈元件的阵列可以形成在共同导热基板上，该共同导热基板可以是平面的或大致是平的，以提供大致平面的射频线圈阵列。例如，可以使用高温超导带或高温超导薄膜将迹线形成为重叠相邻配置中，绝缘(电介质)间隔装置在相邻线圈重叠的位置处分离相邻线圈。
正如考虑随后描述将进一步理解，在一些实施例中，真空腔室33可以被实现为例如双壁杜瓦瓶结构。更具体地，根据本发明的一些实施例，真空腔室可以包括由玻璃和/或诸如G10、RF4、塑料和/或陶瓷的其它非导电性的、机械强度高的材料制成的双壁杜瓦瓶。在各种实施例中，可以根据或者类似于在2008年9月17日提交的美国专利申请No.12/212,122、2008年9月17日提交的美国申请No.12/212,147和2009年4月20日提交的美国临时申请号No.61/171,074中描述的气密密封双壁结构(和真空热绝缘壳体)来实现双壁杜瓦瓶，通过引用将这些美国申请的全部并入本文中。
如考虑上面描述的理解，根据本发明各个实施例，全身高温超导射频线圈阵列可以被实现为只接收阵列，而射频发送器被实现为单独的射频线圈，该射频线圈在各个实施例中可以是常规的射频发送线圈或超导射频发送线圈(例如，非超导的，如常规的铜射频线圈)。在一些实施例中，全身高温超导射频线圈阵列可以被实现为发送和接收线圈阵列(收发器阵列)，每个超导射频线圈元件14被用于射频信号的发送和接收。并且，在一些实施例中，全身高温超导射频线圈阵列可以被用来作为仅传送线圈(例如，高温超导射频线圈阵列可以是收发器阵列，但是在例如与仅接收表面线圈阵列或其他身体部位专用射频仅接收线圈配合使用时，用作仅发送线圈)。
根据本发明的各种实施例，一个或多个超导高温超导射频线圈元件35可以被实现为多个共振射频线圈元件(例如，包含具有不同的谐振频率的两个或多个接收线圈，如用于在给定磁场(例如，在3特斯拉(T)处检测钠和氢共振)。
现在参考图4，示出了根据一些实施例的具有弧形或大致弓形的弯曲部的全身高温超导射频线圈阵列40的剖视图，例如可以被实现用于在图1中描述的上部线圈阵列。可以类似于大致平面/直线全身高温超导射频线圈阵列的上述描述实现线圈阵列40的各种实施例及其变型。例如，真空腔室/壁43和导热体41可以使用相同类型的材料来形成，但是被预成型为具有所需的曲率。另外，(如前述的平面/直线线圈阵列模块)，虽然在图4的说明性的实施例中，通过供给冷却剂(例如LN2)至与热导体41的端部热接触的输入和输出储存器47(其间的导管在图4中未示出)来提供冷却，在代替实现中，冷却可以由低温冷却机提供。在图4中，高温超导带线圈阵列45用于实现各线圈元件。在一些实施例中，这样的高温超导带线圈阵列45包括以重叠相邻结构设置在弯曲的导热性(例如，氧化铝或蓝宝石)支撑件/基板上的高温超导带线圈元件。在邻近线圈重叠位置处提供绝缘(介质)间隔装置。高温超导线圈阵列45的弯曲的导热基板热连接到导热体41，导热体41通过其两端由设置在液氮储存器47中的液氮(LN2)冷却。虽然使用弯曲基板可以更容易形成带状线圈阵列，但弯曲的全身的高温超导射频线圈阵列的替换实施方案(例如，线圈阵列40)仍可以采用高温超导薄膜，例如，高温超导薄膜可以形成在被配置(例如，层叠)用于重叠的相应基板上，或者可以被形成(例如，图案化)在共用导热基板上(绝缘隔离层设置在相邻迹线重叠的位置处的)。
如结合上述示例性实施例所讨论的那样，可能类型的射频线圈材料包括高温超导带和高温超导薄膜。通过示例的方式，用于此应用的合适的形式的高温超导射频线圈是由例如铋锶钙铜氧化物(BSCCO)制成的超导体带。例如，在美国专利6,943,550中描述了由高温超导带制造高温超导射频线圈的详细教导，通过引用将该美国专利的公开内容并入本文中。在替代的实施例中，超导体射频线圈可以被实现为超导薄膜，如包括高温超导材料的超导体薄膜，高温超导材料例如使钇钡铜氧化物(YBCO)、铊钡钙铜氧化物(TBCCO)、MgB2或MB，其中M选择由铍、铝、铌、钼、钽、钛、铪、钒、和铬构成的组。在Ma等人的″Superconduct ing MR Surface Coilsfor Human Imaging，″Proc.Mag.Res.Medici ne，1，171(1999)中描述了在平面基板上制造高温超导薄膜线圈的详细教导，通过引用将其公开内容结合于此。关于高温超导线圈的附加的教导被描述在Ma等人的″Superconducting RF Coils for Clinical MR Imaging at Low Field，″Academic Radiology，vol.10，no.，9，Sept.2003，pp.978-987中，和Miller等人的″Performance of a High Temperature SuperconductingProbe for In Vivo Microscopy at2.0T，″Magnetic Resonance inMedicine，41：72-79(1999)中，通过引用将其公开内容结合于此。
图5A和5B示意性地描述根据本发明的一些实施例的具有大致平面形状的说明性的低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列模块50的正交视图。如图所示，模块50包括上部模块和下部模块，例如对应于在图1A和图2A中示意性描述的上部和下部线圈阵列模块。更具体地，图5A是沿纵向轴线的剖视图，而图5B是从图1的左手侧观看的图5A的上部模块的大致平面或端视图。图5A显示不锈钢腔室58的切开或横截面，以露出低温冷却机57在腔室58内的部分。
如在图5A和5B中所描述，在一些实施例中，低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列模块50包括上部和下部模块，每个模块包括：(i)由玻璃和/或诸如G10、RF4、塑料和/或陶瓷的其它非导电性的、机械强度高的材料制成的双壁杜瓦瓶51；(ii)非金属热导体52，如高导热性陶瓷，如蓝宝石、氧化铝；(iii)与热导体52的良好热接触的超导体(例如，高温超导)射频线圈阵列53；(iv)能够密封地连接到双壁杜瓦瓶51的双壁不锈钢腔室58；和(v)热连接到热导体52和能够密封地安装在不锈钢腔室58的凸缘的低温冷却机59。虽然在图5A和5B中没有详细显示，射频线圈阵列53可以例如被实现为类似于图3A和图3B的线圈元件，每个线圈元件包括形成在基板上的迹线，并且线圈元件层叠，使得其相邻迹线重叠。在一些实施例中，线圈阵列53的线圈元件可以被实现作为形成在平面导热性基板上的高温超导薄膜迹线或高温超导带(如YBCO，BSCCO等)迹线，绝缘部件形成在迹线的重叠部分之间。
应当理解的是，可以以多种方式将双壁杜瓦瓶51构造为包围内部腔室(或腔室)54的连续的、气密密封的玻璃壳体，在内部腔室54中保持至少低真空状态，并且根据一些实施例，优选地保持至少高真空条件(例如，大约10-6托或更低压力)。例如，根据一些实施例中，双壁杜瓦瓶51可以制造如下：(i)形成两个大致平面/直线双层壁结构，每一个双层壁结构具有大致U形壁横截面，第一个双层壁结构对应于连续玻璃壁部51a，第二个双层壁结构对应于连续壁部51b，(ii)将大致直线的连续玻璃壁部51b装入大致直线的连续玻璃壁部51a的环形空间，可以在其间采用玻璃间隔装置，并且(iii)将腔室54抽吸到高真空，并且玻璃粘接、熔接或以其他方式密封玻璃壁部51和51b之间的开口端(即，稍后密封地安装到不锈钢腔室58的端部)，以在高真空下气密密封腔室54。可以理解的是，真空密封步骤可以以多种方式来进行。例如，它可以完全在真空腔室中执行，或玻璃壁部51和51b的端部除了小的区域之外外的部分可以彼此熔合，该小的区域用作真空泵断开并在通过其间将所述腔室抽吸到高真空之后被密封。在各种实施例中，双壁杜瓦瓶51可以按照在2008年9月17日提交的美国专利申请No.12/212,122和2008年9月17日提交的美国专利申请No.12/212,147中描述的气密密封双层壁结构(和真空热绝缘壳体)采用的原理和技术来实现，通过引用将这些美国专利申请中的每一个并入本文中。
通过示例的方式，可以通过环氧树脂粘结(例如，图5A中的环氧树脂粘合/密封件56)、焊接或其它气密密封法兰连接形成气密密封的双壁杜瓦瓶51(例如玻璃)和不锈钢腔室之间的接头提供足够密封以在内部腔室部分55中保持至少低的真空状态(例如，大约10-2至约10-5托)，内部腔室部分55容纳梯度线圈53和导热体52。还以举例的方式，低温冷却机59和不锈钢腔室58的凸缘之间的真空密封可以通过O形环或其它密封机构(例如，金属垫圈/刀口连接)提供，以类似地在容纳梯度线圈53和导热体52的内部腔室部分55中保持至少低真空状态。然而，本领域技术人员理解，腔室58可以由不锈钢以外的材料制成，例如，铝或其它金属或其他非金属材料，如玻璃、陶瓷、塑料或这些材料的组合等，并且这些其他材料可以被适当地连接到杜瓦瓶51和低温冷却机59。
在各种实施例中，低温冷却机59可以被实现为多种单级或多级低温冷却机中的任一种，例如，Gifford McMahon(GM)低温冷却机、脉冲管(PT)冷却器、Joule-Thomson(JT)冷却器、Stirling冷却器或其他低温冷却机。在各种替代实施例中，全身高温超导射频线圈阵列模块50可以被配置用于冷却，使得线圈53由诸如液氦和液氮之类的冷却剂冷却。
虽然在图5A和5B的示例性实施例中，上部和下部模块被实现为具有分离的低温冷却机的单独的模块，在一些实现中，共用低温冷却机可以被用于冷却上部和下部模块两者。此外，在各种实施例中，上部和下部模块可以通过例如具有共同的抽真空的不锈钢腔室部分而被集成。在一些这样的实施例中，通过经由另一个导热部件将单个低温冷却机热连接到上部和下部非金属导热体52两者，这个低温冷却机可以冷却上部和下部非金属导热体52两者冷却，所述另一个导热部件设置在腔室中用于热连接上部和下部非金属热导体52。
正如本领域的技术人员应该理解，如在图5A和5B中描述的根据本发明的一些实施例的这样的大致平面/直线形状的全身高温超导射频线圈组件50很好地适合用在多种全身磁共振成像系统中，如采用C形永磁体的磁共振成像系统(例如，图2A)，采用圆柱形、螺线管主磁体结构的磁共振成像系统(例如，图1A)、采用双环形圈磁体的磁共振成像(MRI)系统等。圆筒状磁共振成像系统以纵向横截面被示意性地示于图6中，并且包括具有其中全身高温超导射频线圈阵列模块50被设置在其中的全身检查区域的主磁体67，并且包括设置在模块50外部并设置在模块50和主磁体67之间的梯度线圈63。
还应当理解，虽然全身高温超导射频线圈阵列的一些实施例，例如图5A和5B中所示的实施例，被配置为在低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列外部使用个或多个梯度线圈，但根据本发明的一些实施例，一个或多个梯度线圈可以替代地或附加地被设置在全身高温超导射频线圈阵列模块内。例如，根据例如在图7中描述的一些实施例，梯度线圈73被设置成良好地热接触与射频线圈53热接触的相同的散热片(即，热导体52)。在各种实施例中，设置成与热导体52热接触并且因而经受低温冷却的梯度线圈73可以被实现为一个或多个传统铜线圈和/或一个或多个超导射频线圈(LTS和/或高温超导)和/或包含在冷却到低于室温的温度下时导电性比在低于室温的温度处的铜的导电性高的非超导材料(例如，基于碳纳米管的材料和/或二维电子气体半导体结构)的一个或多个线圈。通过举例的方式，用于这个实施方案的高温超导梯度线圈的合适形式是由例如铋锶钙铜氧化物(BSCCO)制成的超导体带，虽然在替代实施例中，超导体梯度线圈可以被实现为超导薄膜，如超导薄膜，包括高温超导材料，如钇钡铜氧化物(YBCO)、铊钡钙铜氧化物(TBCCO)、MgB2或MB，其中M选自由铍、铝、铌、钼、钽、钛、铪、钒、和铬构成的组。
正如本领域的技术人员应当理解，不管梯度线圈是否是在全身高温超导射频线圈阵列模块内(例如，梯度线圈73)或在全身高温超导射频线圈阵列模块处(例如，梯度线圈63)，在一些实施例中，射频线圈阵列53可以被实现为用于射频发送器和射频接收器的单独的线圈阵列，或被实现为用于发送器和接收器的共用线圈阵列。另外，在线圈阵列的发送器和接收器线圈是单独的线圈的一些实施例中，只有一个线圈阵列(例如，接收器线圈阵列)可以被实现为超导线圈(例如，其他的线圈阵列可以被实现为例如放置在高温超导射频线圈阵列模块的外部的传统铜线圈阵列，而超导射频线圈阵列元件例如可以被设置在高温超导射频线圈阵列模块内的热导体52上)。此外，在高温超导射频线圈阵列被实现为只接收阵列时，发送器可以在射频线圈阵列模块的外部，并且可以被实现为传统的发送线圈(例如，未被实现为线圈阵列)。
还应当理解，虽然在附图中未示出，根据各种本发明的各种实施例的低温冷却式全身高温超导射频线圈阵列模块包括至少一个电引线(例如，通过腔室58)，将电信号接入和/或引出模块(例如，用于连接信号到射频线圈阵列元件和/或从射频线圈阵列元件接收信号；用在在梯度线圈设置在全身射频线圈阵列中时驱动梯度线圈，用于控制和/或监测可以设置在在模块中的任何传感器(例如，压力和/或温度等))。还应当理解的是，根据本发明各种实施例，具有玻璃杜瓦瓶的全身高温超导射频线圈阵列模块可以包括(i)形成在玻璃上的涂层(例如，塑料或聚合物)以提供保护(例如，克服断裂、碎裂或裂纹)和/或附加的强度等，和/或(ii)刚性套管(例如，由塑料或G10形成)可以被提供，玻璃杜瓦瓶装配到刚性套管中，以提供这样的保护和/或附加的强度。
本发明已经关于本发明的具体实施例示出和描述本发明，这些具体实施例仅是说明本发明的原理，并且不旨在是排他性或限制性的实施例。因此，虽然本发明的说明性的实施例以及其各种说明性的修改和特征的以上描述提供许多特殊性，这些有利的细节不应被解释为限制本发明的范围，并且本领域技术人员将容易理解，在不脱离本范围并且不减少其伴随的优点情况下，本发明易于进行许多修改、改编、变化、省略、添加和等同实施方案。例如，除了在程序本身中必要的或所固有的程度，包括附图的本公开内容中所描述的方法或过程的步骤或阶段中没有特定的顺序是不言而喻的。在许多情况下，工艺步骤的顺序可以改变，并且各种示例性的步骤可以被组合、修改或省略，而不改变所描述的方法的目的、效果或意义。它进一步指出，术语和表达被用作描述的层面，而不是限制的层面。无意使用术语或词句以排除显示和描述的或任何等价物或者其中的部分。另外，本发明可以在没有必然地提供本文中描述的或者考虑本公开内容以其他方式被理解和/或可以在其一些实施例中实现的一个或多个优点的情况下被实践。

Claims (23)

1.一种全身低温冷却式射频线圈阵列，用于在样品的磁共振分析过程中接收来自样品的信号和/或发送信号到样品，该低温冷却式射频线圈阵列包括：
构造为被低温冷却的导热部件；和
多个线圈元件，
其中，每个线圈元件热连接到所述导热部件并且被配置为接收来自空间区域的信号和/或发送信号到该空间区域，该空间区域与下述空间区域连续/或重叠：
(i)所述多个线圈元件中的至少另一个被配置为从其接收信号的空间区域，和/或
(ii)所述多个线圈元件中的至少另一个被配置为发送信号到其中的空间区域，并且
其中所述多个线圈元件被配置为提供具有足够用于全身成像的范围的整体视场(FOV)。
2.根据权利要求1所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中每个线圈元件包括高温超导材料和低温超导材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中每个线圈元件包括直接或间接热连接到所述导热部件的蓝宝石基板，并且所述导热部件是氧化铝或蓝宝石板。
4.根据权利要求1所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中至少一个线圈元件包括设置在热连接到所述导热部件的大致弧形支撑结构上的超导带，并且所述导热部件是具有对应于该支撑结构的大致弧形结构的氧化铝或蓝宝石板，并且其中该射频线圈阵列包括具有相应弧形结构的壳体，从而在射频线圈阵列被设置在磁共振成像系统中时围绕人的身体大致相配，用于对人的身体进行全身成像。
5.根据权利要求1所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中该射频线圈阵列包括大致平面的或大致直线的壳体，并且该射频线圈阵列元件被设置成大致平面配置，使得任何给定的线圈元件的平面大致平行和/或共面。
6.根据权利要求1所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中线圈元件被配置为高温超导线圈元件，所述高温超导线圈元件提供足够高的信噪比，以能够在全身视场内进行诊断成像。
7.根据权利要求1所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中每个线圈元件对应于用于在所述视场内提供成像的相应的信道。
8.根据权利要求7所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中每个线圈元件与相应的前置放大器相关联。
9.根据权利要求7所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中信道的数量被选择以在所述视场上提供足够用于全身成像的信噪比(SNR)。
10.根据权利要求9所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中每个线圈元件被实现为高温超导线圈元件并与相应的前置放大器相关联。
11.一种全身低温冷却式射频线圈阵列，包括：
包括双层壁气密密封罩的真空热绝缘壳体，该双层壁气密密封罩(i)包围处于真空状态的气密密封的内部空间，以及(ii)基本上包围与气密密封的内部空间分开并且被构造为被抽成真空状态的内部腔室区域；
超导体射频线圈元件阵列，设置在所述内部腔室区域中，并被配置用于激励和/或接收用于在足够用于全身成像的视场(FOV)内的磁共振成像的射频信号；
散热部件，设置在所述内部腔室区域中并且与所述射频线圈元件阵列热接触；和
端口，被配置用于至少低温冷却散热部件。
12.根据权利要求11所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中超导体射频线圈元件包括高温超导材料。
13.根据权利要求11所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中超导体射频线圈元件被配置为高温超导线圈元件，该高温超导线圈元件提供足够高的信噪比，以能够在全身视场内进行诊断成像。
14.根据权利要求11所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，还包括设置在所述内部腔室区域内的至少一个梯度线圈。
15.根据权利要求14所述的全身低温冷却式射频线圈阵列，其中所述至少一个梯度线圈与所述散热部件热接触。
16.一种全身磁共振成像系统，包括：
主磁体，被配置为在全身磁共振成像系统的检查区域中产生主磁场，其中该检查区域具有足够容纳个体的尺寸，用于全身成像；
至少一个梯度线圈，被配置为在检查区域内产生至少一个磁场梯度；和
高温超导射频线圈阵列，包括多个超导射频线圈元件，所述多个超导射频线圈元件(i)设置在主磁体和检查区域之间，(ii)被配置为用于激励和/或接收用于在检查区域内足够用于全身成像的视场(FOV)内的磁共振成像的射频信号，以及(iii)被配置以被低温冷却至低于超导临界温度的温度，以提供足够用于所述视场内的诊断成像的信噪比，从而在不使用被设计用于成像特定身体部分的专用射频线圈的情况下提供诊断磁共振成像。
17.根据权利要求16所述的全身磁共振成像系统，其中主磁体被配置为超导螺线管磁体。
18.根据权利要求17所述的全身磁共振成像系统，其中主磁体被实现为C形永磁体。
19.根据权利要求16所述的全身磁共振成像系统，其中高温超导射频线圈阵列包括被配置以被低温冷却的导热部件，并且其中所述多个超导射频线圈元件中的每一个热连接至所述导热部件并被配置以接收来自空间区域的信号和/或发送信号到该空间区域，该空间区域与下述空间区域连续/或重叠：
(i)所述多个高温超导射频线圈元件中的至少另一个被配置以从其接收信号的空间区域，和/或
(ii)所述多个高温超导射频线圈元件中的至少另一个被配置以发送信号到其中的空间区域。
20.根据权利要求16所述的全身磁共振成像系统，其中高温超导射频线圈阵列包括：
真空热绝缘壳体，该真空热绝缘壳体包括双层壁气密密封罩，该双层壁气密密封罩(i)包围处于真空状态的气密密封的内部空间，以及(ii)基本上包围与气密密封的内部空间分开并且被构造以被抽成真空状态的内部腔室区域，其中所述多个超导射频线圈元件被设置在所述内部腔室区域中；
散热部件，设置在所述内部腔室区域中并且与高温超导射频线圈元件热连接；和
端口，被配置用于至少低温冷却散热部件。
21.根据权利要求16所述的全身磁共振成像系统，其中每个超导射频线圈元件对应于用于在所述视场中提供成像的相应信道。
22.根据权利要求21所述的全身磁共振成像系统，其中每个超导射频线圈元件都与相应的前置放大器相关联。
23.根据权利要求22所述的全身磁共振成像系统，其中信道的数量被选择，以在所述视场内提供足够用于全身成像的信噪比(SNR)。
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