CN108700639B - 减低磁共振系统中机械式冷却器振荡引起的磁场不稳定性 - Google Patents

Abstract

在此描述是用于减轻或消除由用于磁共振系统的无冷冻剂磁体系统，如磁共振成像(MRI)及核磁共振(NMR)系统等中冷头波荡引起的短期磁场不稳定性的影响的系统和方法。

Description

减低磁共振系统中机械式冷却器振荡引起的磁场不稳定性

发明背景

本发明范围是磁共振的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于减低由磁共振系统中机械低温冷却器的振荡引起的磁场不稳定性的系统和方法。

无制冷剂传导冷却的磁体系统要求冷头(即冷却源)比含有氦浴的典型磁体系统更靠近磁体绕组。这种需求是因为热量通过沿铜的传导传递，及增加冷头与绕组的距离会显着降低冷却效率。还希望使冷头靠近绕组以减低系统的整体尺寸。

目前有两种类型的冷头：目前最常用的是Gifford-McMahon(GM)冷头，以及脉冲管。在两者中都有一种称为再生器的材料，这种材料负责去除最后一点热量，使其低于4开尔文(K)。再生器材料通常由铒镍化合物组成，当暴出于外部磁场时，该化合物被磁化。材料的磁化强度(其磁矩)取决于施加的磁场的大小及其温度。

在GM冷头中，再生器材料以一个确定的频率上下移动，既暴出在可变磁场中，又在整个冷却循环中改变温度。在脉冲管冷头中，再生器材料不会移动，但其温度仍会波动。在这两种情况下，振荡和温度波动都会使再生器材料像微小的磁偶极子那样波动。在目前可用的磁共振系统中，这种产生的磁偶极子的影响很小，因为冷头远离成像区域。然而，对于无冷冻剂的磁铁，情况并非如此。由此效应引起的短期场不稳定导致图像「重影」。

因此，仍然需要提供用于减低或消除由磁共振系统中机械低温冷却器的振荡引起的磁场不稳定性的系统和方法。

发明内容

本发明通过提供一种降低由磁共振系统中机械低温冷却器中冷头振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性影响的方法克服了上述缺点。该方法包括确定由机械低温冷却器中冷头的振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性的空间轮廓。然后，利用计算机系统及部分地基于磁场不稳定性的决定空间轮廓，与至少一个校正电磁场相关联的控制参数是决定。该至少一个校正电磁场是决定性的，使得当产生时，它将减低由机械低温冷却器中冷头的振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性。跟踪机械低温冷却器的循环，及在机械低温冷却器的循环决定的时间点，产生至少一个校正电磁场，从而减低由振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性。机械低温冷却器中冷头。

本发明的另一方面是提供一种无源补偿线圈，用于降低由以振荡频率振荡的时变偶极场引起的磁场不稳定性，该无源偶极场由形成磁共振系统的一部分的机械低温冷却器产生。此无源补偿线圈通常包括至少一个导电环，该导电环由导电材料构成及定位在机械低温冷却器中冷头附近，其中至少一个导电环的厚度是导电材料的至少一个跳过深度，基于时变偶极场振荡的振荡频率。

本发明的又一个方面是提供一种用于降低由机械低温冷却器产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性的有源护罩，该机械低温冷却器形成磁共振系统的一部分。有源护罩通常包括靠近机械低温冷却器的冷头定位的磁体绕组，并由控制器驱动以产生电磁场，该电磁场减低冷头中再生器材料的磁矩，从而减低由时变引起的磁场不稳定性。由机械低温冷却器产生的偶极场。

本发明的上述和其他方面及优点将从以下描述中显现。在说明书中，参考了形成其一部分的附图，及其中通过图示的方式示出了本发明的优选实施例。然而，这样的实施例不一定代表本发明的全部范围，因此参考权利要求书及在此用于解释本发明的范围。

简要附图说明

图1描绘示例性机械低温冷却器，其具有有源驱动的补偿线圈，用于减轻由冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性。

图2是阐述用于控制有源驱动补偿线圈以减轻由机械低温冷却器中冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性的示例方法的程序的流程图。

图3是阐述用于控制磁共振系统中匀场与或梯度线圈以减轻由机械低温冷却器中冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性的示例方法的程序的流程图。

图4描绘具有一个或多个无源补偿线圈的示例性机械低温冷却器，用于减轻由冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性。

图5描绘具有有源护套的示例性机械制冷机，用于减轻由冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性。

图6描绘一个带有无源护罩的机械制冷机的示例，用于减轻由冷头产生的时变偶极场引起的场不稳定性。

图7是示例磁共振成像(MRI)系统的框图，其可以包括机械低温冷却器。

具体实施例

在此描述的是用于减轻或消除由用于磁共振系统的无冷冻剂磁体系统中冷头振荡引起的短期磁场不稳定性的影响的系统和方法，例如磁共振成像(MRI)系统及核磁共振(NMR)系统等。通常，这种无冷冻剂的磁体系统包括由机械低温冷却器冷却的超导磁体。机械低温冷却器可以是Gifford-McMahon(GM)低温冷却器或脉冲管低温冷却器。此外，脉冲管低温冷却器可包括GM型或斯特林型脉冲管低温冷却器。

由机械低温冷却器引起的场不稳定性是由冷头位置的时变偶极磁场引起的。通常，这些场不稳定性具有约1-1.2Hz的振荡频率。本发明的系统和方法提供了用于减轻或消除由机械低温冷却器产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性的有害影响的技术。

在某实施例中可以使用有源驱动的补偿线圈来减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性。如图1所示，有源驱动的补偿线圈10可以定位在机械低温冷却器的冷头12附近。有源驱动补偿线圈10由控制器14根据下述方法驱动。如下所述，有源驱动的补偿线圈10可包括专门设计的电磁铁。

如上所述，由机械低温冷却器引起的磁场不稳定性是由冷头位置的时变偶极磁场引起的。可以测量或模拟偶极磁场的空间模式，及可以基于那些测量或模拟来设计电磁体以消除时变偶极磁场的影响。提供给电磁铁的电流将被选择为以与场不稳定性相同的频率振荡，从而产生会干扰并减轻场不稳定性的磁场。该实施方式需要跟踪冷头的循环。

现在参照图2，其示出用于减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性的示例方法程序的流程图，所述机械低温冷却器使用电磁体，而所述电磁体被专门设计或操作以提供有源补偿以消除或以其他方式减轻场不稳定。如程序202所示，该方法包括提供与机械低温冷却器产生的时变偶极场有关的信息。在某些情况下，可以通过测量机械低温冷却器在操作中产生的偶极场来提供该信息。在某其他情况下，可以通过模拟机械低温冷却器在操作中应该产生的偶极场来提供该信息。该信息可用于决定校正电磁场，当在冷头附近产生时，该校正电磁场将减轻或消除由时变偶极场引起的磁场不稳定性。在某些情况下，确定电磁铁操作以产生校正电磁场的控制参数是决定。

在任何情况下，然后基于所提供的信息设计用于减轻由偶极场引起的场不稳定性的电磁体，如程序204所示。该设计可以包括电磁体的物理结构，或者可以包括关于如何操作特定电磁体以产生校正电磁场以减轻场不稳定性的信息，例如上面提到的控制参数。在任何一种情况下，最好跟踪机械低温冷却器中冷头的循环。因此，如程序206所示，跟踪机械低温冷却器的循环。跟踪机械低温冷却器的循环，使得电磁铁的操作可以与机械低温冷却器产生的偶极场同步，从而增加场不稳定性的缓解。

举例，机械低温冷却器中冷头的循环可以通过测量偶极场作为时间的函数来跟踪，及可以确定低温冷却器当前正在运行的稳定性循环中位置。该测量可以例如使用磁共振系统本身，或者与可操作地耦合到冷头的霍尔探测器等来执行。在这种情况下，信息可以被中继回有源驱动的补偿线圈的控制器并用于适当地驱动线圈。

再举例，可以跟踪冷头泵的电动机。然后可以将电动机的周期与偶极场相关联，以提供关于机械低温冷却器的循环的信息，因为它涉及在循环中特定点处产生的偶极场。在这种情况下，关于泵电动机循环的信息可以被中继回到用于有源驱动的补偿线圈的控制器及用于适当地驱动线圈。

通过跟踪机械低温冷却器的循环并提供有关低温冷却器产生的偶极场的信息，电磁铁的运行方式可以产生减轻机械低温冷却器引起的磁场不稳定的磁场，如在程序208指示。如上所述，电磁铁可以在结构上设计成在减轻场不稳定性方面提供更高的效率；然而，通常电磁铁设计可以包括关于要提供给电磁铁的电流的信息，该电流将产生所需的场以抵消场不稳定性。因此，使用所提供和收集的信息，如上所述，电磁铁可以作为有源补偿线圈操作，专门用于减轻机械低温冷却器的场不稳定性影响。

在某实施例中，可以使用使用成像线圈和数字处理的有源补偿技术来减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性。由低温冷却器中再生器材料产生的磁场的空间轮廓将大致作为距离冷头的距离的函数下降。可以跟踪场不稳定性振荡的频率，及可以将磁共振系统的孔穴内的电磁铁的组合(如梯度和匀场线圈)与解调频率一起使用以减低振荡的影响。

举例，调制解调频率将消除振荡的平均值，应用具有振荡频率的y梯度将消除场振荡的线性函数，并应用具有振荡的二阶匀场线圈频率将删除场不稳定的二阶项。这种组合方法消除了问题的大部分影响，而不需要磁共振系统上尚未存在的额外硬件。然而，应当理解，这些减轻特征中一个或多个可以单独地或组合地实现，这取决于场不稳定性效应的类型和严重性。

现在参考图3，其示出使用磁共振系统匀场线圈，梯度线圈或两者来减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性的示例方法的的流程图。该方法包括提供与机械低温冷却器产生的时变偶极场有关的信息，如程序302所示。在某些情况下，可以通过测量机械低温冷却器在操作中产生的偶极场来提供该信息。在某其他情况下，可以通过模拟机械低温冷却器在操作中应该产生的偶极场来提供该信息。与时变偶极场相关的信息可包括场的频率，幅度或两者。该信息可用于决定校正电磁场，当在冷头附近产生时，该校正电磁场将减轻或消除由时变偶极场引起的磁场不稳定性。在某情况下，确定匀场线圈，梯度线圈或两者的操作以产生校正电磁场的控制参数是决定。

最好的是跟踪机械低温冷却器的循环，以计算由匀场线圈，梯度线圈或两者产生的电磁场的施加时间。因此，跟踪机械低温冷却器的循环，如程序304所示。

举例，机械低温冷却器中冷头的循环可以通过测量偶极场作为时间的函数来跟踪，及可以确定低温冷却器当前正在运行的稳定性循环中位置。该测量可以例如使用磁共振系统本身，或者与可操作地耦合到冷头的霍尔探测器等来执行。在这种情况下，信息可以被中继回磁共振系统以适当地驱动匀场线圈，梯度线圈或两者。

另一个例子是可以跟踪冷头泵的电机。然后可以将电动机的周期与偶极场相关联，以提供关于机械低温冷却器的循环的信息，因为它涉及在循环中特定点处产生的偶极场。在这种情况下，关于泵马达循环的信息可以被转发回磁共振系统以适当地驱动匀场线圈，梯度线圈或两者。

通过跟踪机械低温冷却器的循环并提供有关低温冷却器产生的偶极场的信息，磁共振系统的匀场线圈，梯度线圈或两者可以以一个或多个场的方式操作如程序306所示，生成减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性。如上所述，调制解调频率将消除振荡的平均值，应用具有振荡频率的y梯度将消除场振荡的线性函数，及应用具有振荡频率的二阶匀场线圈将移除场不稳定的二阶项。因此，使用所提供和收集的信息，如上所述，可以操作磁共振系统以有源补偿机械低温冷却器的场不稳定性影响。

在某实施例中，例如图4中所示的那些实施例，可以使用位于冷头12附近的一个或多个无源导电环16来减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性。举例，导线环或其他导电材料可以放置在冷头的基部附近。随着磁偶极子的大小变化，将产生通过导电材料的变化的磁通量，及这种变化的磁通量将导致感应电流以抵抗磁通量变化。感应电流将起到抵消整个空间偶极子产生的场的作用。导电回路的时间常数(其电阻和电感的函数)应该优选地与振荡频率相比较长，振荡频率约为1-1.2Hz。因此，环应该由极低电阻的材料组成。举例，环可以由厚的冷铜组成。

对于无源导电回路，应基于围绕振荡频率(如约1Hz)的驱动频率的导体材料的肌肤深度来选择导体的厚度。对于低于7K的铜，材料的电阻率为2×10-11Ωm。对于1Hz的驱动频率，铜的肌肤深度约为2.83cm。因此，为了将磁场减小约百分之六十，铜的厚度t必须是一个肌肤深度。为了完全消除这种影响，铜的厚度t应至少为三个皮肤厚度(如约8.5cm)。

在某实施例中，如图5中所示的那些实施例，由机械低温冷却器引起的磁场不稳定性可以通过用靠近冷头12定位的有源护罩18有源地护理冷头12来减轻。由于材料的磁矩取决于外场的大小，如果冷头中材料的磁矩减低，场不稳定性效应也会降低。冷头材料中磁矩可以通过利用由控制器20控制的有源电磁铁18护理冷头周围的磁场来减低。如有源护套可包括设计磁体绕组以包括对冷头周围的低磁场区域的需要。通常，可以设想，可以基于机械低温冷却器中再生器材料的类型，机械低温冷却器的几何形状，机械低温冷却器将在其中定位的局部磁场，或其组合来设计有源护罩。如通常基于特定系统选择有源护罩18中绕组的设计，通过有源护罩18的电流波形或两者。如如果仅更换再生器材料，则可以使用有源护罩18中相同绕组设计，但是提供给有源护罩18的电流波形可以具有不同的幅度，这取决于再生器材料的磁化方式。

在其他实施例中，例如图6中所示的那些实施例，可以通过用无源护套22无源地护理冷头12来减轻由机械低温冷却器引起的场不稳定性。作为一个示例，无源护套22可包括围绕冷头定位的铁磁材料。再举例，无源护套22可以包括围绕冷头放置但不与磁体绕组串联的超导环。在后一个例子中，超导回路将起到通过其中心保持零磁通量的作用，但必须设计成使得斜坡到场不会导致这些超导回路超过其临界电流密度。

现在特别参考图7，其示出了磁共振成像(MRI)系统700的示例。MRI系统700包括操作员工作站702，其通常包括显示器704；一个或多个输入设备706，例如键盘和鼠标；以及处理器708。处理器708可以包括运行商业可用操作系统的市售可编程机器。操作员工作站702提供操作员介面，其使得扫描处方能够被输入MRI系统700。通常，操作员工作站702可以耦合到四个服务器：脉冲序列服务器710；数据获取服务器712；数据处理服务器714；以及数据存储服务器716。操作员工作站702和每个服务器710,712,714和716连接以互相通信。如服务器710,712,714和716可以经由通信系统740连接，通信系统740可以包括任何合适的网络连接，无论是有线、无线、还是两者的组合。作为示例，通信系统740可以包括专有或专用网络，以及诸如因特网的开放网络。

脉冲序列服务器710响应于从操作员工作站702下载的指令而起作用，以操作梯度系统718和射频(RF)系统720。产生执行规定扫描所需的梯度波形并将其应用于梯度系统718，梯度系统718激励组件722中梯度线圈以产生用于对磁共振信号进行位置编码的磁场梯度Gx、Gy、和Gz。梯度线圈组件722形成磁体组件724的一部分，磁体组件724包括极化磁体726和全身RF线圈728。

由RF系统720将RF波形施加到RF线圈728或单独的局部线圈(未示出在图7)，以便执行规定的磁共振脉冲序列。由RF线圈728或单独的局部线圈(未示出在图7)检测到的响应磁共振信号由RF系统720接收，其中它们在由指令产生的指令的指导下被放大，解调，滤波和数字化。脉冲序列服务器710。RF系统720包括RF发射器，用于产生在MRI脉冲序列中使用的各种RF脉冲。RF发射器响应于来自脉冲序列服务器710的扫描处方和方向，以产生所需频率，相位和脉冲幅度波形的RF脉冲。产生的RF脉冲可以施加到全身RF线圈728或一个或多个局部线圈或线圈阵列(未示出在图7)。

RF系统720还包括一个或多个RF接收器通道。每个RF接收器通道包括RF前置放大器和检测器，RF前置放大器放大由其连接的线圈728接收的磁共振信号，检测器检测并数字化接收的磁共振信号的I和Q正交分量。因此，接收的磁共振信号的幅度可以在任何抽样d点处通过I和Q分量的平方和的平方根决定：

接收到的磁共振信号的相位也可以根据以下关系决定：

脉冲序列服务器710还可选地从生理获取控制器730接收患者数据。举例来说，生理获取控制器730可以从连接到患者的多个不同传感器接收信号，例如来自电极的心电图(ECG)信号，或来自呼吸风箱或其他呼吸监测设备的呼吸信号。脉冲序列服务器710通常使用这样的信号来使扫描的性能与主体的心跳或呼吸同步或「门控」。

脉冲序列服务器710还连接到扫描室介面电路732，其接收来自与患者和磁体系统的状况相关联的各种传感器的信号。通过扫描室介面电路732，患者定位系统734接收指令以在扫描期间将患者移动到期望的位置。

由RF系统720产生的数字化磁共振信号抽样由数据获取服务器712接收。数据获取服务器712响应于从操作员工作站702下载的指令而操作，以接收实时磁共振数据并提供缓冲存储，使得数据超限不会丢失数据。在某扫描中，数据获取服务器712仅执行将获取磁共振数据传递到数据处理器服务器714。然而，在需要从获取磁共振数据导出的信息以控制扫描的进一步性能的扫描中，数据获取服务器712被编程以产生这样的信息并将其传送到脉冲序列服务器710。如在预扫描期间，获取磁共振数据并用于校准由脉冲序列服务器710执行的脉冲序列。作为另一示例，导航器信号可以获取及用于调整RF系统720或梯度系统718的操作参数，或者用于控制k空间抽样d的视图顺序。在又一个示例中，数据采集服务器712还可以用于处理用于检测造影剂到达磁共振血管造影(MRA)扫描的磁共振信号。举例来说，数据获取服务器712获取s磁共振数据并实时处理它以产生用于控制扫描的信息。

数据处理服务器714从数据获取服务器712接收磁共振数据，并根据从操作员工作站702下载的指令对其进行处理。这种处理可以例如包括以下中一个或多个：通过执行原始k空间数据的傅里叶变换来重建二维或三维图像；执行其他图像重建算法，例如迭代或反投影重建算法；将滤波器应用于原始k空间数据或重建图像；生成功能性磁共振图像；计算运动或流动图像；如此类推。

由数据处理服务器714重建的图像被传送回操作员工作站702，在那里存储它们。实时图像存储在数据库存储器高速缓冲存储器(未示出在图7)中，从中可以将它们输出到操作员显示器702或位于磁体组件724附近的显示器736以供主治医师使用。批量模式图像或所选实时图像存储在盘存储器738上的主机数据库中。当已经重建这些图像并将其传送到存储器时，数据处理服务器714通知操作员工作站702上的数据存储服务器716。操作员工作站702可以由操作员用于存档图像，产生电影或通过网络将图像发送到其他设施。

MRI系统700还可以包括一个或多个联网工作站742。作为示例，联网工作站742可以包括显示器744；一个或多个输入设备746，例如键盘和鼠标；以及处理器748。联网工作站742可以位于与操作员工作站702相同的设施内，或者位于不同的设施中，例如不同的医疗机构或诊所。

联网工作站742，无论是在与操作员工作站702相同的设施内还是在不同的设施内，都可以经由通信系统740获得对数据处理服务器714或数据存储服务器716的远程访问。因此，多个联网工作站742可以访问数据处理服务器714和数据存储服务器716。以这种方式，可以在数据处理服务器714或数据存储服务器716与联网工作站742之间交换磁共振数据，重建图像或其他数据，使得数据或图像可以由联网工作站742远程处理。该数据可以以任何合适的格式交换，例如根据传输控制协议(TCP)，因特网协议(IP)或其他已知或合适的协议。

已经根据一个或多个优选实施例描述了本发明，及应当理解，除了那些明确陈述的之外，许多等同物，替代物，变化和修改是可能的及在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种用于减低由磁共振系统中机械低温冷却器中冷头的振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性的影响的方法，包括步骤：

(a)确定由机械低温冷却器中冷头振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性的空间轮廓；

(b)利用计算机系统及部分基于确定的磁场不稳定性空间轮廓来确定与至少一个校正电磁场相关联的控制参数，所述至少一个校正电磁场在生成时将减小由机械低温冷却器中的冷头振荡产生之时变偶极场引起的磁场不稳定性；

(c)跟踪机械低温冷却器的循环；

(d)在由机械低温冷却器的循环确定的时间点处以及使用控制参数，确定所述至少一个校正电磁场，从而减低由机械低温冷却器中冷头的振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性振荡，以及

(e)在基于所述时变偶极子场的频率调整所述磁共振系统的解调频率的同时，利用所述磁共振获取数据，以便去除所述磁场不稳定性的平均值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过操作位于机械低温冷却器的冷头附近的电磁体来产生所述至少一个校正电磁场。

3.根据权利要求2所述的方法，其电磁铁部分地基于针对由机械低温冷却器中冷头的振荡产生的时变偶极场引起的磁场不稳定性所确定的空间轮廓来设计。

4.根据权利要求1所述的方法，其中通过操作形成磁共振系统的一部分的匀场线圈或梯度线圈中至少一个来产生所述至少一个校正电磁场。

5.根据权利要求4所述的方法，其中操作所述梯度线圈中至少一个以所述时变偶极场的频率产生磁场，以去除所述磁场不稳定性的线性函数。

6.根据权利要求4所述的方法，其中操作所述匀场线圈中至少一个以所述时变偶极场的频率产生磁场，以去除所述磁场不稳定性的二阶项。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括测量时变偶极场以跟踪机械低温冷却器的循环。

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)包括监测机械低温冷却器的泵马达的循环。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述机械低温冷却器是Gifford-McMahon低温冷却器和脉冲管低温冷却器其中之一。

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