CN107621615A - 嵌入式梯度及射频集成线圈及带有该集成线圈的磁共振设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌入式梯度及射频集成线圈及带有该集成线圈的磁共振设备。该嵌入式梯度及射频集成线圈，包括至少一个梯度线圈和一个射频线圈，梯度线圈的导体在一空心圆柱体的区域内延伸，其中梯度线圈由X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈组成，射频线圈包括高频天线和射频屏蔽，高频天线设置在空心圆柱体的中部区域，射频屏蔽沿径向在外面围绕高频天线延伸的布置，高频天线由射频屏蔽包裹形成谐振腔，梯度线圈穿过高频天线与射频屏蔽之间，或者射频屏蔽卡固在梯度线圈内。本发明的优点在于：梯度线圈嵌入到谐振腔中，节省了空间，从而梯度线圈的性能可以设计得更高,并且节省了成本，相同成本制造的磁体给病人的空间可以更大。

Description

嵌入式梯度及射频集成线圈及带有该集成线圈的磁共振设备

技术领域

本发明涉及一种嵌入式梯度及射频集成线圈及带有该集成线圈的磁共振设备。

技术背景

在现代医疗技术中，磁共振成像设备是一种常用的医疗设备，其原理是利用磁共振现象来检测被测的人体或样品，检查被测部分的密度分布、松弛时间分布等,并由测得的数据以图像形式显示出被检查的人体或样品部分的断面图像或三维图像。在这种磁共振设备中，由一基本磁场磁体产生的静态基本磁场，与由一梯度线圈系统产生的快速切换的梯度磁场重叠。在此磁共振设备中还包括一用于向被检查的人体或样品施加高频旋转磁场以激发磁共振信号或可以接受人体或样品中产生的磁共振信号的射频线圈装置。

为了产生梯度磁场，需要调节在梯度线圈系统的梯度线圈中相应的电流，需要的电流根据不同的磁场场强及爬升率大约在几十安培到几百安培。由于梯度线圈系统通常会被导电结构包围，因此切换的梯度磁场会在该结构中感应出涡流。伴随涡流产生的磁场是不希望得到的，因为它会在没有反向控制措施的情况下消弱梯度磁场，并且使它的随时间变化的曲线失真，这将损害磁共振图像的品质。

涡流磁场造成的梯度磁场失真可以通过控制参数的预失真来补偿。此外，使用带主动屏蔽的梯度线圈系统也是一种有效的方法。

为了消除高频线圈和梯度线圈之间的耦合，通常在梯度线圈和高频线圈之间有高频屏蔽层，起到隔离及消除耦合的作用。这种高频屏蔽层的特点是允许由梯度线圈系统产生的低频段内的电磁场通过，但不允许由高频天线产生的高频区段内的磁场通过。

磁共振设备中的高频天线有很多种类和不同形状。通常的类型有鸟笼线圈、螺旋管线圈、鞍状线圈、亥姆霍兹线圈、相控阵线圈、横向电磁模线圈、环状线圈等。

高频天线一般来说，屏蔽层是和线圈是可分离的独立的两部分。

在水平场的超导磁体的磁共振系统中，常用的高频发射天线通常需要直径660mm的空间，内表面直径600mm,对于带有主动屏蔽的梯度线圈通常需要直径880mm的空间。

在MRI系统中，梯度线圈(gradient coils)性能的好坏直接影响到MRI系统的成像速度和成像质量。线性磁场梯度用于空间编码,梯度线圈用于产生这些线性磁场梯度。梯度线圈是核磁共振系统的关键部件，其性能决定着成像速度、清晰度、噪音大小等。而提高梯度线圈性能的关键在于梯度线圈的设计方法。

通常地，一个梯度线圈整体包括三个互为正交方向的X轴梯度线圈组件，Y轴梯度线圈组件以及Z轴梯度线圈组件，以对物体进行三维成像，其中各方向的梯度线圈组件分别可以包括一个梯度线圈和一个反向梯度线圈，反向梯度线圈也称屏蔽线圈。图1为Y轴梯度线圈组件的结构示意图，包括Y梯度线圈106和Y反向梯度线圈102，其中Y反向梯度线圈包围在Y梯度线圈的外侧，对于X轴其结构示意图是类似的，且围绕中心轴相差90度布置。图2为Z轴梯度线圈组件的结构示意图，包括环形的Z梯度线圈107和环形的Z反向梯度线圈103，Z反向梯度线圈包围在Z梯度线圈的外侧。

具有较大FOV(感兴趣区域)的梯度线圈需要比具有较小FOV的梯度线圈更多的电力来产生给定的梯度强度。因为线圈电感随FOV大小增加，对于给定的电力供应，转换率(即可以由具有大FOV的梯度线圈产生的磁场梯度的最大变化率)被降低。另外，因为具有较大FOV的梯度线圈典型地将患者暴露于较高的磁场变化率(dB/dt)，其可导致外周神经刺激，利用较高梯度功率和较高转换率的成像规程一般在配备有小FOV梯度设置的MRI系统上执行。

现有梯度及射频线圈的缺点在于，成本高，给病人的空间小，而且整体结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种嵌入式梯度及射频集成线圈，可产生随时间变化的梯度磁场及高频磁场，且结构简单，尺寸小。

本发明的另一目的在于，提供一种带有该集成线圈的磁共振设备，其结构紧凑，从而节省磁体内的空间，减小磁体的成本费用；在同样成本的磁体中，使得用于接受检查的对象的预定空间更大，开放性更好。

一种嵌入式梯度及射频集成线圈，包括至少一个梯度线圈和一个射频线圈，所述梯度线圈的导体在一空心圆柱体的区域内延伸，其中梯度线圈由X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈组成，射频线圈包括高频天线和射频屏蔽，高频天线设置在所述空心圆柱体的中部区域，射频屏蔽沿径向在外面围绕所述高频天线延伸的布置，高频天线由射频屏蔽包裹形成谐振腔，梯度线圈穿过高频天线与射频屏蔽之间，或者射频屏蔽卡固在梯度线圈内。

作为优选，与所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈分别对应配设X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈和Z反向梯度线圈。

作为优选，所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈分别相对于所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈沿径向设置在内并与之相隔一定径向距离。

作为优选，X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、射频屏蔽、X梯度线圈、Y梯度线圈、Z梯度线圈和高频天线由外至内依次排布。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换，所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈位置任意两个可以互换。

作为优选，X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、X梯度线圈、Y梯度线圈、射频屏蔽、Z梯度线圈和高频天线由外至内依次排布。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换，所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈位置任意两个可以互换。

作为优选，X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、X梯度线圈、Y梯度线圈、Z梯度线圈、射频屏蔽和高频天线由外至内依次排布，且射频屏蔽嵌入Z梯度线圈内并抵靠Y梯度线圈。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换，所述X梯度线圈和所述Y梯度线圈位置可以互换。

进一步地，梯度线圈和射频线圈通过填充介质融为一体，所述填充介质为环氧树脂。

一种磁共振设备，包括上述的嵌入式梯度及射频集成线圈。

本发明的优点在于：

1)梯度线圈嵌入到谐振腔中，节省了空间，从而节省了成本，相同成本制造的磁体给病人的空间可以更大。

2)梯度线圈嵌入到谐振腔中，在不降低射频线圈的效率时，对梯度线圈的性能没有任何影响，相反发射线圈占用空间的缩小使得梯度线圈性能更容易提高，有利于成像，成像质量高。

3)本发明能够在发射线圈附近的区域产生线性的梯度场及均匀射频场，并且节省空间，品质因数高。

附图说明

图1为背景技术中Y轴梯度线圈组件的结构示意图。

图2为背景技术中Z轴梯度线圈组件的结构示意图

图3为磁共振成像系统中梯度信号和射频信号的时序图。

图4为本发明第一种嵌入式梯度及射频集成线圈和磁体沿中心轴纵向切面的上半部结构示意图。

图5为本发明第二种嵌入式梯度及射频集成线圈和磁体沿中心轴纵向切面的上半部结构示意图。

图6为本发明第三种嵌入式梯度及射频集成线圈和磁体沿中心轴纵向切面的上半部结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例只用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例一，如图4所示，一种嵌入式梯度及射频集成线圈100，包括由外至内依次排布的X反向梯度线圈101、Y反向梯度线圈102、Z反向梯度线圈103、射频屏蔽104、X梯度线圈105、Y梯度线圈106、Z梯度线圈107和高频天线108。嵌入式梯度及射频集成线圈外部设有磁体109。X反向梯度线圈101、Y反向梯度线圈102、Z反向梯度线圈103、Z梯度线圈107、X梯度线圈105、Y梯度线圈106、射频屏蔽104和高频天线108均为圆筒形，且其之间通过填充介质110融为一体，填充介质优选为环氧树脂。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换；所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈位置任意两个可以互换。

本发明实施例二，如图5所示，一种嵌入式梯度及射频集成线圈100，包括由外至内依次排布的X反向梯度线圈101、Y反向梯度线圈102、Z反向梯度线圈103、X梯度线圈105、Y梯度线圈106、射频屏蔽104、Z梯度线圈107和高频天线108。嵌入式梯度及射频集成线圈外部设有磁体109。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换；所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈位置任意两个可以互换。

本发明实施例三，如图6所示，一种嵌入式梯度及射频集成线圈100，包括由外至内依次排布的X反向梯度线圈101、Y反向梯度线圈102、Z反向梯度线圈103、X梯度线圈105、Y梯度线圈106、Z梯度线圈107、射频屏蔽104和高频天线108，射频屏蔽104嵌入Z梯度线圈107内并抵靠Y梯度线圈106。嵌入式梯度及射频集成线圈外部设有磁体109。其中，所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和Z反向梯度线圈位置任意两个可以互换，所述X梯度线圈和所述Y梯度线圈位置可以互换。

本发明中，射频屏蔽104可以为但不限于金属箔面或金属丝网格。

X梯度线圈及X反向梯度线圈用于在磁体的成像空间产生笛卡尔坐标系的X方向的梯度磁场，同理，Y梯度线圈及Y反向梯度线圈用于在磁体的成像空间产生Y方向的梯度磁场，Z梯度线圈及Z反向梯度线圈用于在磁体的成像空间产生Z方向的梯度磁场。

如图3所示是磁共振成像系统中梯度信号和射频信号的时序图，梯度磁场的激励源是直流脉冲信号，频率周期通常都是ms级别的，大约不超过10KHz，瞬态来看在梯度脉冲的工作时间内接近于直流信号；而射频磁场的激励源是调制的射频信号，射频信号的频率和磁共振系统的拉莫尔频率相同，对于1.5T的系统是63MHz左右，3T的系统对应的工作频率就是127MHz附近。可见将梯度线圈和发射线圈集成在一起，同时发生梯度磁场和射频磁场是可行的。实验证明梯度线圈在低频率脉冲信号激励下的瞬态响应并没有影响射频磁场的工作，同样的射频发射线圈也没有屏蔽/影响梯度线圈正常的工作，它们之间的耦合完全可以控制在可以接受的范围。

一种磁共振设备，其内部的嵌入式梯度及射频集成线圈可以选用以上三个实施例的任意一种。

本发明在有限的体积和厚度下，能减小目标场半径，使得梯度线圈的设计会变得更容易，并获得更强大的性能提升。梯度线圈性能的提升会降低对梯度功率放大器的要求。

本发明的射频线圈的方案是：将射频屏蔽层嵌入到梯度线圈的特定层当中去，在梯度线圈的内表面布置多根对称均匀排列的谐振臂，例如16根谐振臂，围绕着中心成像区域，谐振臂之间由电容元件电连接,形成一个谐振腔。屏蔽层与谐振臂之间的距离满足发射效率的需要。由于射频线圈的谐振臂与屏蔽之间的空间利用了梯度线圈内部绕线的空隙，从而使得谐振臂超出梯度线圈的尺寸十分有限，计算约为5mm即可，足够满足射频发射效率的要求。这样，射频线圈的内孔径也即磁共振系统的内孔径可以放大。

另一方面，如果内孔径保持为常规尺寸600mm，可以推算出梯度线圈可以缩小尺寸，那么梯度线圈的设计变得从容，可以布线更多匝数，铜线更粗，使得场强更强，效率更高，从而大幅度的提高梯度线圈的效率和梯度场均匀性。

本发明的嵌入式梯度及射频集成线圈，通过电磁场技术在磁共振成像上的应用，将射频屏蔽设置于梯度线圈的相应层之间，射频屏蔽并不将梯度线圈完全屏蔽，允许梯度线圈的部分设置在发射谐振腔当中，极大限度地提高了空间利用率，实现了提高梯度线圈性能，降低梯度设计难度，增大系统孔径、免除病人幽闭感等目标。极大限度地利用了磁体内部昂贵的空间，带来了梯度优化，大孔径等优点，并且简化了系统硬件构成，方便了安装调试，优化了售后服务流程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：包括至少一个梯度线圈和一个射频线圈，所述梯度线圈的导体在一空心圆柱体的区域内延伸，其中梯度线圈由X梯度线圈、Y梯度线圈和Z梯度线圈组成，射频线圈包括高频天线和射频屏蔽，高频天线设置在所述空心圆柱体的中部区域，射频屏蔽沿径向在外面围绕所述高频天线延伸的布置，高频天线由射频屏蔽包裹形成谐振腔，梯度线圈穿过高频天线与射频屏蔽之间，或者射频屏蔽卡固在梯度线圈内。

2.根据权利要求1所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：与所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈分别对应配设X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈和Z反向梯度线圈。

3.根据权利要求2所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈分别相对于所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈沿径向设置在内并与之相隔一定径向距离。

4.根据权利要求3所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、射频屏蔽、X梯度线圈、Y梯度线圈、Z梯度线圈和高频天线由外至内依次排布。

5.根据权利要求3所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、X梯度线圈、Y梯度线圈、射频屏蔽、Z梯度线圈和高频天线由外至内依次排布。

6.根据权利要求3所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：X反向梯度线圈、Y反向梯度线圈、Z反向梯度线圈、X梯度线圈、Y梯度线圈、Z梯度线圈、射频屏蔽和高频天线由外至内依次排布，且射频屏蔽嵌入Z梯度线圈内并抵靠Y梯度线圈。

7.根据权利要求4或5任一项所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个互换，所述X梯度线圈、所述Y梯度线圈和所述Z梯度线圈位置任意两个互换。

8.根据权利要求6所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：所述X反向梯度线圈、所述Y反向梯度线圈和所述Z反向梯度线圈位置任意两个互换，所述X梯度线圈和所述Y梯度线圈位置互换。

9.根据权利要求1所述的嵌入式梯度及射频集成线圈，其特征在于：梯度线圈和射频线圈通过填充介质融为一体，所述填充介质为环氧树脂。

10.一种磁共振设备，其特征在于：包括如权利要求1所述的嵌入式梯度及射频集成线圈。