CN105283934B - 具有包括铝的外层线圈的梯度线圈组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于磁共振成像系统(110)中的梯度线圈组件(122)，包括内层线圈的集合(142)和外层线圈的集合(144)，所述内层线圈的集合和所述外层线圈的集合关于所述内层线圈的集合(142)和所述外层线圈的集合(144)的共同旋转轴同中心地布置，其中，所述内层线圈的集合(142)和所述外层线圈的集合(144)能够被控制为在所述梯度线圈组件(122)的内层空间内生成梯度磁场，并且所述外层线圈的集合(144)中的至少一个线圈(152、154、156)至少部分地由铝制成。本发明还提供一种包括上述磁梯度线圈组件(122)的磁共振(MR)成像系统(110)。通过用铝代替所述外层线圈中的一个线圈的至少一部分，所述梯度线圈组件(122)能够在成本和重量方面得到显著改善，而不降低在基于磁共振信息对诊断图像的生成方面的准确度。因此，MR扫描的结果未被减少。所述外层线圈通常包含现有技术的梯度线圈组件使用的铜的重量的约一半。

Description

具有包括铝的外层线圈的梯度线圈组件

技术领域

本发明涉及用于磁共振成像系统的梯度线圈组件领域，以及包括这样的梯度线圈组件的磁共振成像系统。

背景技术

在磁共振(MR)成像系统中，梯度线圈组件被用于生成梯度磁场。这些梯度磁场是在三个轴向上生成的，即在梯度线圈组件的x、y和z方向上生成的。因此，梯度线圈组件包括x-线圈、y-线圈和z-线圈。z-线圈及各自的z-方向对应于梯度线圈组件的纵向。

现有技术的梯度线圈组件包括内层线圈的集合和外层线圈的集合，针对每个方向一个线圈，其中，所述外层线圈的集合和所述内层线圈的集合被提供在间隔开的同中心的圆柱体中。所述外层线圈的集合一般提供对所述内层线圈的集合的屏蔽，以避免因梯度线圈组件的变化的磁场造成的涡电流的生成。当提及线圈时，通常也提及导体，这是因为它们负责传导电流并生成梯度场。其他部件，例如支撑结构等等，未被明确提到。

这样的现有技术的梯度线圈组件，例如根据US 5426845 A已知的，包括一般由铜制成的线圈，以使其中的耗散最小化。耗散包括因铜的电和磁性质造成的损耗。而且，铜是在电流和热方面具有优异传导性质的材料。使用铜的缺点在于，铜是昂贵并且重的材料，使得梯度线圈组件以及包括这样的梯度线圈组件的MR成像系统难以搬运和安装，并且涉及高的制作成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于磁共振成像系统的梯度线圈组件，以及包括这样的梯度线圈组件的磁共振(MR)成像系统，它们易于搬运、具有成本效率，并且使得能够在MR成像过程期间可靠地生成磁共振信息。

该目标通过这样的一种用于磁共振成像系统的梯度线圈组件得以实现，所述梯度线圈组件包括内层线圈的集合和外层线圈的集合，它们关于所述内层线圈的集合和所述外层线圈的集合的共同旋转轴同中心地布置，其中，所述内层线圈的集合和所述外层线圈的集合能够被控制为在所述梯度线圈组件的内层空间内生成梯度磁场，并且所述外层线圈的集合中的至少一个线圈至少部分地由铝制成。

该目标进一步通过一种磁共振(MR)成像系统得以实现，所述磁共振(MR)成像系统包括：用于在检查空间内生成静磁场的主磁体，用于生成被叠加到所述静磁场的梯度磁场的磁梯度线圈组件，以及用于向所述检查空间施加RF场以激励感兴趣对象的原子核的射频天线设备。

梯度线圈被设计为能够处理尽可能高的Grms，所述Grms为梯度场的rms值。因此，Irms(其为电流的rms值)应尽可能地高。然而，Irms受梯度线圈中的热点(即许多导体彼此接近导致高电流密度的区域)限制。在梯度线圈中相对冷的区域(即具有低电流密度的区域)中，耗散的增加不会导致新的热点，所述新的热点为允许的Irms设置更低的边界。相比于所述内层线圈的集合，所述外层线圈的集合为相对的区域。因此，通过用铝代替所述外层线圈的集合中的一个线圈的至少一部分，梯度线圈能够在成本和重量方面得到显著改善，而不降低在基于磁共振信息对诊断图像的生成方面的准确度。换言之，MR扫描的结果未被减少。尤其地，所述外层线圈被提供用于屏蔽的目的，使得在所述外层线圈中的耗散并非关键性的，即使是针对高性能线圈而言。由于所述外层线圈通常包含现有技术的梯度线圈组件中使用的铜的重量的约一半，能够通过用铝至少部分地代替来自至少一个外层线圈的铜来实现的重量和价格上的减少是高的。

要指出，这里使用的术语“线圈”仅指导电部件，即用于传导电流的导体。这里不考虑例如出于机械完整性的其他目的可能需要的另外的部件。

根据优选的实施例，所述外层线圈的集合中的z-线圈包括平行导电环的集合，其中，所述导电环的第一子集由铝制成。所述导电环的所述平行布置指所述导电环的空间平行的布置。在电学上，所述导电环串联连接。所述平行导电环的集合方便对所述部分地由铝制成的线圈的提供，这是因为能够容易地用为铝的导电环来代替例如为铜的个体导电环。

根据优选的实施例，所述外层线圈的集合中的至少一个线圈完全由铝制成。能够容易地提供完整的线圈，从而不需要在所述线圈内的不同材料之间的连接。在铝与其他材料之间的连接可能由于不同材料的不同性质而难以创建，并且可能引起腐蚀，腐蚀会降低所述连接的耐久性。在针对铝与铜之间的连接时尤其如此。单种材料的线圈的制作因此是易于实现的。能够通过用铝代替来自整个外层线圈的铜实现的在重量和价格上的减少比仅在线圈中部分地代替铜要更高。

根据优选的实施例，所述外层线圈的集合由铝制成。这提供了在所述梯度线圈组件的重量和价格上的良好减少，这能够在不减少使用该梯度线圈执行的MR扫描的结果的情况下得以实现。而且，所述外层线圈的集合能够以均匀特性并且无需不同材料之间的连接来提供。铝与其他材料之间的连接可能因不同材料的不同性质而难以创建，并且可能引起腐蚀，腐蚀会降低所述连接的耐久性。在针对铝与铜之间的连接时尤其如此。所述外层线圈中的耗散并非关键性的，即使是对于高性能线圈而言。由于所述外层线圈通常包含现有技术的梯度线圈组件中使用的铜的重量的约一半，能够通过用铝代替来自所述外层线圈的集合的铜来实现的重量和价格上的减少是高的。

根据优选的实施例，所述内层线圈的集合由铜制成。通过提供为铜的所述内层线圈的集合，所述内层线圈适用于高质量MR扫描。耗散在所述内层线圈中是最关键的，这是因为电流密度比在所述外层线圈中更高。梯度线圈组件的性能因所述内层线圈中的热点而受限，所述内层线圈中的热点能够通过提供由铜制成的所述内层线圈的集合而减少。

根据优选的实施例，所述内层线圈的集合中的至少一个线圈至少部分地由铝制成。取决于所述梯度线圈组件的设计，所述内层线圈的集合中的至少一个线圈的至少一部分能够由铝提供，而不减少所述MR扫描的结果。优选地，所述至少一个线圈中经受低发热的部分由铝制成。进一步优选地，至少部分地对所述内层线圈的集合施加冷却，使得因铝的使用造成的耗散的则更加得以减少或者甚至平衡，并且铝能够被至少部分地用于至少一个线圈而不减少所述MR扫描的结果。进一步优选地，所述内层线圈的集合被提供有冷却装置，用于冷却所述内层线圈的集合中的所述至少一个线圈的所述部分。

根据优选的实施例，所述内层线圈的集合中的z-线圈包括平行导电环的集合，其中，所述导电环的第一子集由铝制成。所述导电环的所述平行布置指所述导电环的空间平行的布置。在电学上，所述导电环串联连接。所述平行导电环的集合方便对所述部分地由铝制成的线圈的提供，这是因为能够容易地用为铝的导电环代替例如为铜的个体导电环。

根据优选的实施例，所述内层线圈的集合中的至少一个线圈由铝制成。所述内层线圈的集合中使用越多的铝，所述梯度线圈组件以及所述使用该梯度线圈组件的MR成像系统的成本和重量上的减少越高。

根据优选的实施例，所述内层线圈的集合由铝制成。即使因铝的使用造成热点的生成被增加，所述内层线圈的集合仍适用于提供适用于MR图像生成的MR信息。取决于使用实例，所述MR扫描的结果仍足以提供低性能的MR扫描。然而，如果对所述内层线圈的集合施加足够的冷却，则整体MR成像系统的性能能够得到改善为高的。高性能的MR成像系统能够大致上以至少40mT/m的梯度和至少200T/ms的转换速率为特征。

根据优选的实施例，所述平行导电环的集合包括由铜制成的导电环的第二子集，并且所述导电环的第一子集和第二子集中的所述导电环沿z-线圈的纵轴交替布置。取决于由铝制成的导电环的数目，耗散的增加能够被控制并限制到适于执行高质量MR扫描的水平。优选地，所述导电环的第二子集中的所述导电环被提供为由铜制成的固体导电环，以进一步改善耗散。

根据优选的实施例，至少一个线圈至少部分地装备有用于循环冷却剂的空心导体。所述空心导体实现了在所述线圈中生成的热的源处的有效冷却。因此，所述冷却减少了热点在所述导体自身中以及还在其附近的形成，所述附近被循环在所述空心导体中的所述冷却剂间接冷却。所述冷却改善了所述梯度线圈组件的以及包括所述梯度线圈组件的所述MR成像系统的性能，这是因为其减少了所述梯度线圈组件中的耗散。因此，热点得以减少，并且所述Irms以及因此所述Grms能够相比于没有冷却的梯度线圈组件而得以增大。优选地，所述冷却剂为液体，这是因为液体一般具有高的热容。进一步优选的冷却剂为水，其容易获得并且具有好的热容。此外，水在大多数地方都是容易获得的。优选地，所述内层和/或外层线圈的集合中的所述z-线圈的导电环被提供为空心导体，用于循环所述冷却剂。由于所述z-线圈的所述布置，能够容易地在所述z-线圈中实施冷却。这适用于所述内层线圈的集合中的所述z-线圈并且适用于所述外层线圈的集合中的所述z-线圈。然而，在所述内层线圈的集合中生成更大量的热，使得对所述内层线圈的集合的冷却是最重要的。还要进一步优选地，所述内层和/或外层线圈的集合中的所述z-线圈的所述导电环的第一子集被各自地提供为空心导电环。所述空心导体能够由铝或铜制成。

根据优选的实施例，所述梯度线圈组件中的铝与不同的导电材料之间的界面被防潮密封所包封。这样的界面出现在其中铝与所述不同的导电材料接触的任何地方。因此，这样的界面能够存在于线圈内(当在所述线圈内使用不同的材料时)，或不同线圈之间(当一个线圈由铝制成并且另一个线圈由不同的导电材料制成时)。例如，所述内层和外层线圈通过导体电连接。因此，当所述外层线圈由铝制成并且所述内层线圈为不同的导电材料时，必然存在在一个线圈与所述导体之间或者沿所述导体的界面。优选地，所述不同的导电材料为铜。铝与铜或其他导电材料之间的界面的最大风险之一是腐蚀。只要使湿气远离所述界面，这便不是问题。该目的通过防潮密封得以实现，其保护所述界面抵抗腐蚀。优选地，所述防潮密封被提供为覆盖所述界面的环氧包封物。所述环氧材料能够被容易地施加并且提供可靠的防潮密封。

根据优选的实施例，所述至少一个线圈至少部分地由包铜的铝制成。包铜的铝能够以与铜板相同的方式被焊接，从而针对所述梯度线圈组件的制作过程不必须从当前已知的制作过程发生改变。此外，腐蚀的风险得以降低，这是因为铝不被暴露于湿气和氧。

根据优选的实施例，所述梯度线圈组件包括用于间接冷却所述内层和/或外层线圈的集合的冷却装置。所述冷却装置降低了所述内层和/或外层线圈的集合中热点的风险，使得铝能够被至少部分地用在所述线圈中，而不降低所述梯度线圈组件以及包括所述梯度线圈组件的所述MR成像系统的性能。优选地，用于间接冷却所述内层和/或外层线圈的集合的所述冷却装置包括分别定位于所述内层和/或外层线圈的集合附近的冷却通道。在所述梯度线圈组件的操作期间，冷却剂通过所述冷却通道被循环。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些及其他方面将变得显而易见并将得以阐明。然而，这样的实施例不必须代表本发明的完整范围，并且因此参考权利要求和本文用于解释本发明的范围。

在附图中：

图1示出对根据本发明的磁共振成像系统的第一实施例的示意性图示，

图2示出图1的MR成像系统的梯度线圈组件的横截面视图，

图3示出图2的梯度线圈组件的内层线圈的集合中的z-线圈的透视图，

图4示出图2的梯度线圈组件的内层线圈的集合中的x-线圈的透视图，

图5示出图2的梯度线圈组件的外层线圈的集合中的z-线圈的透视图，

图6示出图2的梯度线圈组件的外层线圈的集合中的x-线圈的透视图，

图7示出图2的梯度线圈组件在其外周的纵向截面图，该截面图通过省略对本发明而言不重要的部件而被简化，

图8作为示意图示出图2的梯度线圈组件的纵向截面图，

图9示出根据第二实施例图2的梯度线圈组件在其外周的纵向截面图，包括对本发明而言不重要的部件，以及

图10作为示意图示出图9的梯度线圈组件的纵向截面图。

附图标记

110 磁共振(MR)成像系统

112 磁共振(MR)扫描器

114 主磁体

116 RF检查空间

118 中心轴

120 感兴趣对象

122 磁梯度线圈组件

124 RF屏蔽

126 MR成像系统控制单元

128 监视器单元

130 MR图像重建单元

132 控制线

134 RF发射器单元

136 RF切换单元

138 控制线

140 射频(RF)天线设备

142 内层线圈的集合

144 外层线圈的集合

146 内层x-线圈

148 内层y-线圈

150 内层z-线圈

152 外层x-线圈

154 外层y-线圈

156 外层z-线圈

158 内层导电环

159 外层导电环

160 内层载体管

162 外层载体管

164 中空区

166 导体

168 水管

172 垫片托盘

174 匀场线圈

176 拉挤轮廓层

178 玻璃增强环氧层

具体实施方式

图1示出磁共振(MR)成像系统110的实施例的示意图示。MR成像系统110包括MR扫描器112并且包括被提供用于生成静磁场的主磁体114。主磁体114具有中心膛，中心膛在中心轴118周围提供针对感兴趣对象120的检查空间116，通常为患者的感兴趣对象120要被定位在检查空间116内。在该实施例中，中心膛以及因此主磁体114的静磁场具有根据中心轴118的水平取向。在备选的实施例中，主磁体114的取向能够是不同的。另外，MR成像系统110包括磁梯度线圈组件122，其被提供用于生成被叠加到静磁场的梯度磁场。磁梯度线圈组件122被同中心地布置在主磁体114的膛内，如本领域已知的。

另外，MR成像系统110包括射频(RF)天线设备140，其被设计为具有管状体的全身线圈。RF天线设备140被提供用于在RF发射阶段期间对检查空间116施加RF磁场，以激励感兴趣对象120的原子核。RF天线设备140也被提供为在RF接收阶段期间从所激励的原子核接收MR信号。在MR成像系统110的操作状态中，RF发射阶段与RF接收阶段是以相继的方式发生的。RF天线设备140被同中心地布置在主磁体114的膛内。如本领域已知的，圆柱形金属RF屏蔽124被同中心地布置在磁梯度线圈组件122与RF天线设备140之间。

此外，MR成像系统110包括被提供用于从所采集的MR信号构建MR图像的MR图像重建单元130，以及具有被提供为控制MR扫描器112的功能的监测器单元128的MR成像系统控制单元126，如本领域公知的。控制线132被安装在MR成像系统控制单元126与RF发射器单元134之间，RF发射器单元134被提供为在RF发射阶段期间经由RF切换单元136向RF天线设备140馈送MR射频的RF功率。RF切换单元136继而也受MR成像系统控制单元126控制，并且另一控制线138被安装在MR成像系统控制单元126与RF切换单元136之间，以为该目的服务。在RF接收阶段期间，RF切换单元136将MR信号在前置放大之后从RF天线设备140导向到MR图像重建单元130。

在图2至图10中在两个实施例中详细示出MR成像系统110的梯度线圈组件122。首先，将参考图2至图8描述通用的第一实施例。

梯度线圈组件122包括两组线圈142、144，内层线圈的集合142和外层线圈的集合144，如在图2中可见。每组线圈142、144都包括针对各自的x、y和z-方向的三个个体线圈146、148、150、152、154、156。因此，线圈146、148、150、152、154、156被称作x-线圈146、152，y-线圈148、154以及z-线圈150、156。图3示出所述内层线圈的集合142的z-线圈150。图4示出所述内层线圈的集合142的x-线圈146。图5示出所述外层线圈的集合144的z-线圈156。图6示出所述外层线圈的集合144的x-线圈152。y-线圈148、154未在附图中完整示出，但类似于x-线圈146、152，具有关于梯度线圈组件122的纵轴——其对应于z-轴——为90度的旋转角。

在图7中可见个体线圈146、148、150、152、154、156的布置。所述内层线圈的集合142以圆柱形方式被布置在梯度线圈组件122的内部部分中，其中，所述内层线圈的集合142被布置为其中在梯度线圈组件122的径向向外方向上x-线圈146为内层线圈，y-线圈148为中心线圈，并且z-线圈150为外层线圈。所述外层线圈的集合144以圆柱形方式被布置在梯度线圈组件122的径向向外区域中，其中，所述外层线圈的集合144被布置为其中在梯度线圈组件122的径向向外方向上z-线圈156为内层线圈，x-线圈152为中心线圈，并且y-线圈154为外层线圈。

如在图7中进一步可见，所述内层和外层线圈142、144的集合的z-线圈150、156分别包括内层和外层导电环158、159的集合，它们沿梯度线圈组件122的z-轴彼此平行布置。导电环158、159的平行布置指导电环158、159的空间平行的布置。在电学上，导电环158、159串联连接。导电环158、159被提供为中空导电环158、159，用于在其中循环冷却剂，如在图7中最佳地可见。

在该实施例中，所述外层线圈的集合144以及所述内层线圈的集合142的z-线圈150由铝制成，而所述内层线圈的集合142的y-线圈148和x-线圈146由铜制成。x-线圈146、152和y-线圈148、154被提供为大规模线圈。

如在图8中可见，所述内层线圈的集合142被附接到内层载体管160的内侧，并且所述外层线圈的集合144被附接到外层载体管162的外侧。载体管160、162被中空区164分开。如在图8中进一步可见，所述内层和外层线圈142、144的集合的线圈146、148、150、152、154、156借助于导体被电气连接，通过举例的方式在图8中示出在y-线圈148、154之间的导体166。导体166由铝制成。

因此，在导体166与所述内层线圈的集合142的y-线圈148之间形成有在y-线圈148的铜与导体166的铝之间的界面。该界面以在附图中未示出的方式被防潮密封所包封，防潮密封被提供为对界面的环氧包封物。

此外，在中空区164中提供水管168，水管168被连接到两组线圈142、144中的z线圈150、156的空心导电环158。在操作期间，冷却剂(其在该实施例中为水)被循环通过水管168以及z-线圈150、156，用于对梯度线圈组件122的冷却。

在图9和图10中示出根据第二实施例的梯度线圈组件122。梯度线圈组件122实质上与第一实施例的相同，带有额外的部件，如下文进一步描述的。因此，将仅描述第一与第二实施例的梯度线圈组件122之间的差异，并将使用相同的附图标记。

第二实施例的梯度线圈组件122除了第一实施例的梯度线圈组件122以外还包括垫片托盘172(其被填充以铁垫板并且被布置在中空区164中)，以及匀场线圈174(其被布置在内层载体管160中)。匀场管172和匀场线圈174被提供为实现匀场以消除磁场中的不均匀。垫片托盘172和匀场线圈174被拉挤轮廓层(pulltrusion profile layer)176分离。玻璃增强环氧层178被提供在所述外层线圈的集合144的内侧。

第一与第二实施例的梯度线圈组件144之间的一个差异在于，所述外层线圈的集合144以及所述内层线圈的集合142中的z-线圈150由铜包铝制成。所述内层线圈的集合142的y-线圈148和x-线圈146根据梯度线圈组件122的第一实施例由铜制成。在备选的实施例中，省略在界面处的防潮密封。

尽管已在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但要将这样的图示和描述视为说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和权利要求，在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开实施例的其他变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (13)

1.一种用于在磁共振成像系统(110)中使用的梯度线圈组件(122)，包括内层线圈的集合(142)和外层线圈的集合(144)，所述内层线圈的集合和所述外层线圈的集合关于所述内层线圈的集合(142)和所述外层线圈的集合(144)的共同旋转轴同中心地布置，其中，

所述内层线圈的集合(142)和外层线圈的集合(144)能够被控制为在所述梯度线圈组件(122)的内层空间内生成梯度磁场，

所述外层线圈的集合(144)中的至少一个线圈(152、154、156)至少部分地由铜包铝制成。

2.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述外层线圈的集合(144)中的z-线圈(156)包括平行导电环的集合(159)，其中，外层导电环(159)的第一子集由铝制成。

3.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述外层线圈的集合(144)中的至少一个线圈(152、154、156)完全由铝制成。

4.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述外层线圈的集合(144)中的至少一个线圈(152、154、156)至少部分地由铝制成。

5.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述内层线圈的集合(142)由铜制成。

6.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述内层线圈的集合(142)中的z线圈(150)至少部分地由铝制成。

7.根据权利要求6所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述内层线圈的集合(142)中的z-线圈(150)包括平行导电环的集合(158)，其中，内层导电环(158)的第一子集由铝制成。

8.根据权利要求6所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述内层线圈的集合(142)中的所述z线圈(150)由铝制成。

9.根据权利要求2和7中的任一项所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述平行导电环的集合(158、159)包括导电环(158、159)的第二子集，所述导电环的第二子集是由铜制成的，并且

所述导电环(158、159)的第一子集和所述导电环的第二子集中的所述导电环(158、159)沿z-线圈(150、156)的纵轴交替布置。

10.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

至少一个线圈(146、148、150、152、154、156)至少部分地被提供有用于循环冷却剂的空心导体。

11.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述梯度线圈组件(122)中的所述铝与不同导电材料之间的界面被防潮密封所包封。

12.根据权利要求1所述的梯度线圈组件(122)，其中，

所述内层线圈的集合(142)中的x线圈(146)和y线圈(148)由铜制成。

13.一种磁共振(MR)成像系统(110)，包括：

主磁体(114)，其用于在检查空间内生成静磁场，

如权利要求1-12中的任一项所述的梯度线圈组件(122)，其用于生成被叠加到所述静磁场的梯度磁场，以及

射频(RF)天线设备(140)，其用于向所述检查空间(116)施加RF场以激励感兴趣对象(120)的原子核。