CN109313245A - 用于补偿磁共振成像磁体中的磁场变化的低温场感测 - Google Patents

用于补偿磁共振成像磁体中的磁场变化的低温场感测 Download PDF

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Abstract

一种超导磁体包括：超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)，其被设置在磁体低温恒温器(12)内部。当电流在超导磁体线圈中流动时，超导磁体线圈生成静态(B0)磁场。超导B0补偿电路(30、60、70)也被设置在磁体低温恒温器内部，并且与超导磁体线圈耦合以被动地减少由超导磁体线圈生成的B0磁场中的时间变化。电流传感器(40)也被设置在磁体低温恒温器内部并且被连接以测量在超导B0补偿电路中流动的电流。主动B0补偿部件(50)与电流传感器可操作地连接以接收在超导B0补偿电路中流动的电流的测量结果，并且基于所测量的电流来提供主动B0磁场补偿。

Description

用于补偿磁共振成像磁体中的磁场变化的低温场感测
技术领域
下文总体上涉及超导磁体技术，以及采用该超导磁体技术的磁共振成像和光谱学技术。
背景技术
磁共振(MR)成像受益于随时间稳定的静磁场。MRI扫描器的主(或静态)磁场通常被表示为B0磁场，并且具有高值以对准核自旋(在统计意义上)。在用于医学成像的一些MR扫描器中，B0在0.2特斯拉到3.0特斯拉的范围内，并且甚至更高的值，例如，B0＝7特斯拉，用于研究应用中。超导磁体通常用于实现这些高磁场。用于制造超导磁体绕组的一些合适的超导材料包括铌-钛、铌-锡等，其临界温度(TC)通常低于20K。因此，超导磁体绕组浸入包含在真空夹套LHe杜瓦瓶中的液氦(LHe)中或者被设置在一些其他类型的低温恒温器中以将绕组维持在适当的低温下。在采用具有较高TC的超导材料的磁体中，磁体低温恒温器可以采用其他形式，例如浸入在液氮(LN2)或真空中。
然而，仅几nT量级的小的时间B0变化会降低MR图像质量。在典型的医学成像应用中可以容忍的nT变化量取决于频率，并且在0.01至100Hz下范围为约1至100nT。因此，可容忍的变化在十亿分之一(ppb)范围内。大于此的B0变化很容易由MR扫描器周围的外部源引起，例如电力线或移动的磁性对象，如扫描器附近的火车、汽车、电梯。因此，通常提供MR磁体以补偿外部场变化，以便具有良好的图像质量。这种规定在本文中称为B0补偿系统。B0补偿系统的设计目标通常是将外部B0磁场干扰减少因子10到100。B0磁场干扰减少因子在本文中称为屏蔽因子—越高的屏蔽因子对应于越好的B0补偿。(“外部”B0场是指磁体本身外部的B0场，并且通常是指成像视场(FOV)中的B0场，例如在水平膛类型的MR扫描器的膛的等中心处)。
已经开发了各种类型的B0补偿系统。在主动补偿方法中，磁场传感器安装在成像FOV中或附近，并且测量到的磁场用于反馈控制以主动抵消B0磁场干扰。主动补偿B0变化的一种方法是主动施加补偿磁场。例如，控制电子器件可以驱动一个或多个线圈以在磁体处生成补偿场。备选地，由于磁共振频率与磁场成比例(旋磁比用作比例常数)，所以主动补偿可以是(例如，在软件中)对测量到的MR信号执行的频率调节。
其他类型的B0补偿系统是被动的，并且需要在磁体低温恒温器中添加设置有超导磁体绕组的超导电路。一些被动B0补偿系统在例如Reichert的美国专利No.4,926,289(“Actively shielded,superconducting magnet of an NMR tomography apparatus”)和Overweg的美国专利No.5,426,366(“Magnetic resonance apparatus comprising asuperconducting magnet”)中描述。这些设计基于超导电路保持其磁通量恒定的原理。在一种设计中，B0补偿电路与磁体绕组电连接，其中连接在策略选择的位置处进行，通常在绕组线圈内。通过适当地设计连接点，可以获得大于100的屏蔽因子。在备选设计中，B0补偿电路的绕组与磁体绕组的磁性耦合代替电连接。再次，通过适当的耦合设计，可以获得大于100的屏蔽因子用于准DC干扰。
本文认识到，这些现有的B0补偿系统具有某些缺点。在主动B0补偿的情况下，由于诸如难以将磁场传感器定位为靠近(并且优选地对称于)成像FOV的因素，难以获得足够准确的B0测量结果(ppb范围内的准确度)。在被动B0补偿的情况下，增益是固定的，并且不能针对不太均匀的干扰源进行调节。补偿非准DC的干扰通常也是不可行的。这种类型的干扰具有固定的频率响应。磁体的金属低温恒温器影响被动B0补偿系统的响应，并且这是无法校正的，因为补偿是被动的且不可调节的。在被动B0补偿系统电连接到MR磁体的情况下，最佳连接点通常在MR磁体的线圈绕组内部，在线圈处需要额外的引入引出连接，这增加了制造成本和复杂性。在被动B0补偿系统与MR磁体电感耦合的情况下，补偿电路需要额外缠绕的超导线圈，其必须被设计为满足屏蔽因子设计基础(例如，在一些设计中屏蔽因子至少为100)，这又增加了成本和制造复杂性。
下文公开了解决上述问题和其他问题的新的且改进的系统和方法。
发明内容
在一个公开的方面中，一种超导磁体包括：磁体低温恒温器；超导磁体线圈，其被设置在所述磁体低温恒温器内部，并且被配置为当电流在所述超导磁体线圈中流动时生成静态(B0)磁场；超导B0补偿电路，其被设置在所述磁体低温恒温器内部，并且与所述超导磁体线圈耦合以减少由所述超导磁体线圈生成的所述B0磁场中的时间变化；以及电流传感器，其被设置在所述磁体低温恒温器内部并且被连接以测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流。
在另一公开的方面中，公开了一种操作超导磁体的方法。所述方法包括：使用磁体低温恒温器来冷却超导磁体线圈和与所述超导磁体线圈耦合的超导B0补偿电路；电激励所述超导磁体线圈以生成静态(B0)磁场；使用所述超导B0补偿电路来减少所述B0磁场中的时间变化；使用被设置在所述磁体低温恒温器内部的电流传感器来测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流；并且基于测量到的在所述超导B0补偿电路中流动的电流来执行主动B0补偿(和/或具有源位置的先验知识的梯度补偿)。
在另一公开的方面中，公开了一种磁共振(MR)成像设备。超导磁体包括磁体低温恒温器、被设置在所述磁体低温恒温器内部的超导磁体线圈、被设置在所述磁体低温恒温器内部并且与所述超导磁体线圈耦合的超导B0补偿电路、以及被设置在所述磁体低温恒温器内部并且被连接以测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流的电流传感器。主动B0补偿部件与所述电流传感器可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路中流动的电流的测量结果。所述主动B0补偿部件被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流来提供主动B0磁场补偿。
一个优点在于提供具有降低的制造成本的B0补偿系统。
另一优点在于提供具有宽松的设计约束的B0补偿系统。
另一优点在于提供具有主动感测的B0补偿系统，而无需在成像视场(FOV)中或附近安装磁场传感器。
另一优点在于提供一种B0补偿系统，其协同利用被动超导B0补偿电路作为外部磁场传感器的替代以提供主动B0补偿。
另一优点在于提供一种B0补偿系统，其协同利用被动超导B0补偿电路以提供粗略B0补偿，以及提供主动B0补偿的额外分量的低温磁场传感器。
另一优点在于提供一种B0补偿系统，其具有安装在磁体低温恒温器内部的磁场传感器并且因此与外部定位的磁场传感器相比具有降低的热传感器噪声。
给定实施例可以不提供前述优点，可以提供前述优点中的一个、两个、更多个或全部，并且/或者可以提供其他优点，这对于本领域普通技术人员在阅读和理解本公开内容后将变得显而易见。
附图说明
本发明可以采用各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅用于说明优选实施例，而不应被解释为限制本发明。除非另有说明，否则附图是图解性的，不应被解释为按比例或图示不同部件的相对尺寸。
图1示意性地示出了包括具有如本文所公开的B0补偿系统的超导磁体的磁共振(MR)成像设备的侧面截面视图。
图2示意性地示出了图1的B0补偿系统的放大侧面截面视图。
图3和图4图解性地示出了可以替代图1和图2的B0补偿系统的备选B0补偿系统实施例。
图5图解性地示出了例示在本文公开的B0补偿系统实施例中获得信号放大的方法的电气示意图。
图6图解性地示出了权利要求1的MR成像设备的主动B0补偿部件的说明性实施例，其中主动B0补偿通过频率调节来实施。
具体实施方式
在本文公开的B0补偿设备实施例中，超导B0补偿电路与被设置在磁体低温恒温器内部的低温电流传感器协同组合，该低温电流传感器感测在超导B0补偿电路中流动的电流。除了由超导B0补偿电路提供的粗略B0补偿之外，低温电流传感器还用作磁场传感器的替代以执行主动B0补偿。从另一方面来看，被动超导B0补偿电路除了其提供被动B0补偿的常见功能之外，还起到用于对要校正的干扰进行主动补偿的替代磁场传感器的额外作用。
这种布置具有显著的优点。超导B0补偿电路的设计和生产公差不太重要，因为它仅执行部分屏蔽(即，粗略B0补偿)。有效屏蔽因子是通过来自超导B0补偿电路的被动补偿和基于测量到的电流(其用作在主动补偿中通常使用的B0磁场测量的替代)提供的主动补偿的组合来实现的。这使得超导B0补偿电路的设计和制造成本降低。另一优点在于可以在增益中以及在频率响应中调节屏蔽因子，由此实现改进的性能。另一优点在于低温电流传感器可以采用螺线管线圈/磁场传感器来提供高灵敏度，因为通过多匝螺线管线圈的通量变换和/或磁场传感器相对于磁体低温恒温器内部的B0场的适当取向可用于放大由磁场传感器测量到的相对于任何干扰源场的磁场。此外，无论设计如何，低温电流传感器都具有降低的固有热噪声，因为它在低温下操作。另一优点是传统上用于主动B0补偿并且必须放置在成像视场(FOV)中或附近的磁场传感器由位于磁体低温恒温器内部的电流传感器代替，释放成像FOV中或附近的宝贵空间。
参考图1，说明性磁共振(MR)成像设备8包括被设置在磁体低温恒温器12中的超导磁体10。磁体低温恒温器12将磁体10的超导线圈维持在低于超导临界温度的温度处。适用于制造超导磁体线圈的一些说明性超导材料包括铌-钛、铌-锡等，其临界温度(TC)通常低于20K。在一些实施例中，磁体低温恒温器12包括真空夹套液氦(LHe)杜瓦瓶，并且磁体线圈浸入LHe杜瓦瓶内部的LHe中，以将绕组维持在适当的低温下。然而，预见到其他磁体低温恒温器设计，例如，其中磁体线圈被设置在维持在低于TC的温度处的真空空间中的设计。在说明性实施例中，磁体10是水平螺线管超导磁体10，其限定水平膛14，患者或其他成像对象在装载到卧榻或其他患者支撑件16上之后插入该水平膛中用于MR成像和/或光谱学。这仅仅是说明性实施例，并且可以预见到其他超导磁体设计，例如垂直膛磁体。
超导磁体10生成如图1所示的静态(B0)磁场。在说明性水平膛设计中，B0向量水平取向，但是取决于磁体设计可以采用其他取向。静态(B0)磁场旨在在时间上恒定(除了在使MR成像设备8在线时的初始斜升期间；或者在用于维护的斜降期间，等等)，并且通常是强场，例如，在一些设计中具有范围在0.2-0.27特斯拉内的幅度|B0|，但是也预见到更高或更低的场强。说明性MR成像装置8还包括射频(RF)线圈18，其在说明性实施例中是圆柱形全身鸟笼线圈，但是可以使用诸如横向电磁(TEM)RF线圈的其他设计。另外，说明性的单个全身RF线圈18可以由一个或多个局部RF线圈替换或补充，例如，作为另一非限制性说明性示例，全身RF线圈可以用作发射线圈以激励对象中的MR，并且单独的本地接收线圈、相控阵线圈阵列等可以用作MR信号接收器。所选择的(一个或多个)RF线圈配置由发送/接收(Tx/Rx)电子器件20驱动，例如，射频发送器被调谐以在磁共振频率(本文表示为f0)处激励RF线圈以在成像对象中生成磁共振，并且RF接收电子器件接收MR信号。图1是图解性的，并且MR成像设备通常包括图1中未示出的许多其他传统部件，例如用于操纵和/或空间编码MR信号的电阻磁场梯度线圈。
MR成像系统8适合以已知方式用于采集MR成像和/或光谱数据。例如，在一个说明性成像序列中，操作超导磁体10在膛14内的成像FOV中产生静态(B0)磁场。B0磁场(统计地)取向核自旋，其由通过RF系统18、20施加的RF脉冲激发。激发的磁共振在空间上受到由磁场梯度线圈(未示出)施加的磁场梯度的限制和/或由磁场梯度线圈(未示出)施加的磁场梯度相位编码和/或频率编码，并且由此操纵的激发的磁共振被RF系统18、20检测到，并由MR成像数据采集硬件22处理，以生成MR成像数据。采集硬件22可以例如包括计算机，其被编程为从RF收发器20接收数字化的MR信号(或者在RF收发器20产生模拟输出时可以包括模数转换电路)，并且可选地执行对MR信号的预先处理，例如频率和/或相位调节或校正，格式化为k空间数据，等等。采集硬件22通常还包括用于存储(可选地预处理的)MR数据的非瞬态存储介质，例如，非瞬态存储介质可以是硬盘、RAID磁盘组件、固态驱动器(SSD)等。例如由具有可选额外部件(例如专用集成电路(ASIC))的适当编程的计算机实现的图像重建部件24执行适合于所选空间编码的图像重建算法，以根据采集的MR成像数据来重建MR图像。额外地或备选地，可以对激发的和检测到的磁共振进行光谱分析。得到的数据被显示在计算机28或其他电子数据呈现设备的显示部件26上(例如，打印在打印机上，等等)。在一些实施例中，呈现计算机28还可以体现各种处理部件22、24。
继续参考图1并进一步参考图2，更详细地描述了设置在磁体低温恒温器12中的超导磁体10。注意，磁体10的大多数部件在图2中标出，但在图1中没有。超导磁体10包括多个超导磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2，其被设置在磁体低温恒温器12内部，并且被配置为当电流在超导磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2中流动时生成静态(B0)磁场。说明性超导磁体10包括六个主线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6和两个屏蔽线圈S1、S2；然而，主线圈的数量可以不是六个，并且屏蔽线圈的数量可以不是两个。此外，预见到完全省略屏蔽线圈。超导磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2可以包括任何合适的超导材料的绕组，例如被设置在铜基质中的铌-钛、铌-锡等；还预见到使用高温超导材料。超导磁体10可以包括图2中未示出的其他部件，例如可经由磁体低温恒温器12中的端口访问的终端，以连接DC电源来使磁体电流斜变，磁体低温恒温器12的真空夹套，等等。每个线圈中的绕组的位置、数量以及磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2的其他设计特性被设计用于在成像FOV中产生静态B0磁场并且在FOV上具有高空间均匀性。
继续参考图1和图2，超导磁体10还包括超导B0补偿电路30，其被设置在磁体低温恒温器12内部并且与超导磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2耦合以减少由超导磁体线圈生成的B0磁场中的时间变化。在图2的实施例中，该耦合是通过具有连接在主磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6与屏蔽线圈S1、S2之间的终端的超导B0补偿电路30的电连接32、34来进行的。说明性超导B0补偿电路30包括跨主磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6(或等效地，跨屏蔽线圈S1、S2)的超导短路。超导B0补偿电路30还包括超导开关36，其用于重置电路30以消除不希望的累积电流，或者用于在磁体斜变和失超(quench)期间断开电路30。超导B0补偿电路30的一些合适的设计被描述于例如Reichert的美国专利No.4,926,289(“Actively shielded,superconducting magnet of an NMR tomography apparatus”)和Overweg的美国专利No.5,426,366(“Magnetic resonance apparatus comprising a superconductingmagnet”)中。然而，超导B0补偿电路30仅提供粗略B0补偿(例如，大约10的屏蔽因子，但是预见到更高或更低的值)就足够了。因此，可以放松设计约束，例如，虽然这种超导B0补偿电路通常必须连接在磁体线圈内部以实现基于设计的屏蔽因子，但是在图2的实施例中，连接32、34是在任何超导磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2外部的终端处进行的，这简化了制造。
图1和图2的B0补偿还包括基于替代信号操作的主动分量，所述替代信号代替在成像FOV中(或附近)的外部B0磁场的常见测量。为此，电流传感器40被设置在磁体低温恒温器12的内部，并且被连接以测量在超导B0补偿电路30中流动的电流。在超导B0补偿电路30中流动的电流的该测量是用于主动B0补偿的替代信号。电流传感器40是低温电流传感器，因为在操作期间它被设置在磁体低温恒温器12内部并因此保持在低温温度处，例如低于用于超导磁体线圈的超导电性的临界温度TC。说明性电流传感器40包括：超导传感器线圈42，其与超导B0补偿电路30电连接以响应于在超导B0补偿电路30中流经超导传感器线圈40的电流而生成传感器线圈磁场；以及磁场传感器44，其被布置为测量传感器线圈磁场。可选的磁屏蔽46可以围绕超导传感器线圈42和磁场传感器44。通过说明的方式，在一个实施例中，磁场传感器可以是霍尔效应传感器，但是可以采用其他磁场传感器。应当注意，在该说明性电流传感器设计中，传感器线圈42是超导的，但是磁场传感器44不一定是超导部件(虽然它可在低温温度下操作，例如低于TC)。虽然未在图2中示出，但是为了最大灵敏度，磁场传感器44优选被设置在超导传感器线圈42内部，该超导传感器线圈例如可以是螺线管线圈，使得由在B0补偿电路30中(并且因此也通过传感器线圈42)流动的电流生成的磁场被螺线管线圈的匝数放大。可选的磁屏蔽46阻挡磁体低温恒温器12内部的B0场和/或任何磁干扰来干扰电流传感器的操作。在一些合适的实施例中，磁屏蔽46可以是至少部分地围绕线圈/传感器组件42、44的铝或铜圆柱形屏蔽。磁性干扰的减少可以额外地或备选地通过部件42、44的适当取向来获得，在说明性图2中，螺线管传感器线圈42被取向为产生横向于B0场向量取向的其磁场向量，并且如果磁场传感器44是平面霍尔效应传感器，那么它可以被取向为检测由螺线管传感器线圈42生成的磁场，但对B0磁场不敏感。
继续参考图1和图2，并且特别关注图1，低温电流传感器40输出由主动B0补偿部件50接收到的信号。在说明性的图1和图2中，该信号经由电连接52(例如，与磁场传感器44连接并经过低温恒温器馈通(未示出)的电线)传送到主动B0补偿部件50。(注意，由于磁场传感器44本身不是超导部件，因此该电线不需要是超导的，由此简化了结构)。在备选实施例(未示出)中，预见到低温电流传感器40包括无线发送器，其将磁场传感器44的输出无线地发送到主动B0补偿部件50。
主动B0补偿部件50可以使用任何传统的B0补偿机制。例如，在一些实施例中，主动B0补偿部件50基于在超导B0补偿电路30中流动的电流通过调节由MR成像设备8采集的MR成像数据的MR频率来提供主动B0磁场补偿。在图1中通过将B0补偿部件50的输出馈送到成像数据采集硬件22中的实线箭头图解性地指示了该方法，并且在下文中参考图6进一步详细描述该方法。在另一实施例中，主动B0补偿部件50通过调节MR成像设备8的MR频率，例如如图1中通过从B0补偿部件50延伸到RF收发器部件20的虚线输出箭头图解性地指示的通过控制RF收发器部件20，来提供主动B0磁场补偿。在另一说明性方法中，主动B0补偿部件50通过生成补偿磁场，例如通过电激励电阻或超导补偿线圈(未示出)，来提供主动B0磁场补偿。例如，参见Ham等人的美国专利No.6,731,113(“Method of and device for thecompensation of variations of the main magnetic field during magneticresonance imaging”)。
参考图3，在备选实施例中，图2的超导B0补偿电路30及其与磁体线圈的电连接32、34由通过在B0补偿电路60的补偿电路线圈CC1、CC2与超导主磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6之间的电感耦合而与超导磁体线圈耦合的超导B0补偿电路60代替。图3的超导B0补偿电路60还包括前面描述的用于重置电路60的超导开关36，并且已经连接了先前描述的低温电流传感器40，该低温电流传感器(在说明性示例中)包括超导传感器线圈42和被布置为测量传感器线圈磁场的磁场传感器44以及可选的磁屏蔽46。与图2的实施例一样，图3的超导B0补偿电路60仅提供粗略的B0补偿就足够了(例如，屏蔽因子大约为10)。因此，可以放松设计约束，例如，更少数量的补偿电路线圈CC1、CC2可以用于耦合，例如，在说明性图3中仅示出了两个补偿电路线圈CC1、CC2，这简化了制造。
参考图4，在另一备选实施例中，超导B0补偿电路70类似于图3的电路60，但是与屏蔽线圈S1、S2耦合—具体地，在图1的说明性示例中，补偿电路线圈CC1与屏蔽线圈S1耦合，并且补偿电路线圈CC2与屏蔽线圈S2耦合。图4的超导B0补偿电路70还包括前面描述的用于重置电路70的超导开关36，并且已经连接了先前描述的低温电流传感器40，该低温电流传感器(在说明性示例中)包括超导传感器线圈42和被布置为测量传感器线圈磁场的磁场传感器44以及可选的磁屏蔽46。再次，超导B0补偿电路70仅提供粗略的B0补偿(例如，屏蔽因子大约为10)就足够了。因此，可以放松设计约束，例如，可以使用更少数量的补偿电路线圈CC1、CC2。
在图4的实施例中，B0补偿电路70的补偿电路线圈CC1、CC2位于相对于膛14的轴线的较大半径处(即，远离磁体等中心)，并且位于屏蔽线圈S1、S2附近。这可以具有某些优点。这种布置中的补偿电路线圈CC1、CC2可以具有大的拾取区域，在成像FOV处生成相对小的校正场，并且在成像FOV处生成相对均匀的场。本领域技术人员可以期望B0补偿电路70的配置导致小的被动补偿，因为补偿线圈CC1、CC2远离磁体等中心，但这不一定是真的，因为在图4的配置中也存在补偿线圈CC1、CC2与主磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6的耦合。B0补偿电路70中的电流变化将引起磁体的主磁体线圈C1、C2、C3、C4、C5、C6中的电流变化，这也给出贡献于被动B0补偿元件的补偿场。
现在参考图5，示出了与B0补偿电路60或B0补偿电路70串联连接的额外场线圈的电气示意图。参考图5，解释了如何在这些实施例中获得场放大。补偿线圈CC1、CC2的设计被优化为在磁场传感器44处相对于干扰场Bdist给出最大场放大(换句话说，最佳地将场集中在磁场传感器44处)。来自外部源的干扰场Bdist由B0补偿电路60、70的大直径补偿线圈CC1、CC2拾取。补偿电路的所有补偿线圈CC1、CC2串联电连接并且有效地作为单个拾取线圈操作用于耦合干扰场Bdist，该单个有效拾取线圈在图5中表示为电感Lp。所有补偿线圈CC1、CC2的总求和面积为Ap。此外，存在围绕磁场传感器44(或至少与其耦合)的超导传感器线圈42，并且该传感器线圈42的电感由电感Ls表示。传感器线圈42具有ns匝数，总求和面积As和场常数ks。
如果外部场(或实际上其z分量)改变量Bdist(这是干扰场Bdist)，则这在B0补偿电路60或B0补偿电路70中生成磁通量Bdist·Ap。这给出电流变化，在图5中用I表示，在B0补偿电路中，在磁场传感器44处给出磁场变化Bs＝I·ks。感应电流I可以根据超导电路中的总磁通量保持恒定这一事实来计算。因此，我们可以得到：
Bs＝I·ks且
Bdist·Ap+I·(Lp+Ls)＝0
使得
Bs/Bdist＝-ks·Ap/(Lp+Ls)
说明性设计过程如下。从遵循实际考虑的给定补偿线圈CC1、CC2开始，例如补偿线圈CC1、CC2可以容易缠绕的地方以及实际使用多少匝。这些考虑定义了补偿线圈CC1、CC2，更具体地说是它们的Ap和Lp的值。然后优化Ls和ks的值，使得比率Bs/Bdist被最大化。可以看出，提供Ls的传感器线圈42应该是小线圈，具有相对于Lp的高匝数。在合适的方法中，通过实际考虑来选择电感Ls。合适的目标是Ls≈Lp，因为这产生了最佳的通量变换器。然后，确定刚好适合磁场传感器44周围的线圈Ls的最小直径。最后，传感器线圈42的匝数ns增加直到Ls≈Lp。
作为示例，如果限定Lp的补偿线圈CC1、CC2具有每个1.50米直径的两个匝，则可以找到以下近似值，而限定Ls的传感器线圈42具有缠绕在6mm直径的小管上的68匝。在这种情况下，Ap＝1.8m2，Lp＝18μH，Ls＝18μH，并且ks＝0.01T/A。然后，这将提供Bs/Bdist＝500的场放大。这仅仅是说明性示例，并且更一般地，可以基于线圈的实际几何形状来选择值。此外，任选地考虑与磁体的主线圈的耦合，但是为了说明简单起见在前述示例中忽略了这一点。可以看出，通过前述方法可以获得非常显著的场放大。由于这种放大，可以使用成本更低的磁场传感器，和/或对于给定的磁场传感器可以获得更好的灵敏度。
磁场传感器44优选地位于磁体低温恒温器12中的磁体10的主B0场的幅度和空间梯度相对较低的位置处。而且，磁场传感器44也应该横向于主B0磁场取向，使得它对B0场具有低灵敏度或零灵敏度。这些方法备选地或组合地减少振动感应的场误差的潜在影响，并且便于使用具有有限范围的磁场传感器，例如传统的霍尔探头、巨磁阻(GMR)传感器或通量门磁力计。
备选地，磁场传感器可以是基于磁共振(MR)的探头，因为MR设备8具有驱动和读取这种MR探头的基础结构。在该变型实施例中，MR探头取向必须与主B0磁场对准。应该选择磁体中磁场合理均匀的位置，并且如果这是高场区域，则没有问题。利用该探头，放大Bs/Bdist变得不太重要，因为MR探头具有高灵敏度。
现在参考图6，描述了主动B0补偿部件50的说明性实施例，其基于在超导B0补偿电路30(或在电路60中，或在电路70中)中流动的电流通过调节由MR成像设备8采集的MR成像数据的MR频率来提供主动B0磁场补偿。在该方法中，使用传递函数来处理磁场感测的增益和频率相关特性。磁场传感器44位于低温恒温器12内部，该低温恒温器是金属壳体，其表现为用于磁场的低通滤波器；因此，随着外部干扰的频率增加，磁场传感器44的灵敏度将降低。这可以使用已经例如在超导磁体10的开发阶段期间被测量或计算一次的传递函数来校正。测量可以如下进行。它需要在磁体处生成均匀外部场的源线圈。接下来，当用频率扫描驱动该源线圈时，应该用磁场传感器44以及位于磁体10的等中心中的另一校准探头来测量该场(该另一校准探头将在室温下操作)。假设H(ω)为用低温磁场传感器44测量的响应，而G(ω)是在磁体等中心处用室温校准探头测量的场响应。那么G(ω)是在由被动B0补偿电路30(或电路60，或电路70)提供的被动B0补偿之后产生的净场；B0场变化的其余部分将被主动地补偿。H(ω)是与剩余场对应的传感器信号。因此G(ω)/H(ω)可以用作用于有效B0补偿的传递函数(这为由低温磁场传感器44测量到的信号设置增益以及频率校正)。然后，MR成像设备8使用经校正的信号来补偿B0中的剩余偏差。这可以通过如前所述的几种方式完成，例如，通过校正MR数据，或调节RF频率，或通过施加补偿磁场。在图6的说明性实施例中，信号被转换为经校正的MR频率f0，其作为频率校正被馈送到MR成像数据采集硬件22。这种主动B0补偿方法基于以下观察：由于42.58MHz/T的旋磁关系，移位B0或f0是等效的。通过校正原始MR数据，可以在软件中完成移位的MR频率f0，如图6所示。备选地，如来自图1中所示的主动B0补偿部件50的虚线输出箭头所示，可以通过移位RF收发器硬件20的频率在硬件中应用该经校正的MR频率f0。
通常，主动B0补偿部件50包括电子处理器(例如，计算机、控制器等)，其被编程为实施前述信号处理，作为实施传递函数G(ω)/H(ω)和到经校正的MR频率f0的转换的数字信号处理(DSP)。对于基于软件的校正，这可以与MR成像数据处理软件集成，例如，实施图像重建24。对于其中控制RF收发器硬件20的实施例，该方法可以将经校正的f0馈送到该硬件20的数字或模拟频率设定点控制中。在备选实施例中，预见到使用模拟数字处理电路来实施信号处理，例如，采用基于运算放大器(op amp)的电路，可选地，如果需要经数字校正的f0输出，则利用模数(A/D)转换器。
说明性B0补偿实施例补偿外部干扰场的均匀部分，这通常是足够的。在其他预见到的实施例中，B0补偿可以类似地应用于外部干扰场的x、y和/或z梯度。该方法类似于干扰场的均匀部分的校正，但是拾取线圈的几何形状被选择为类似于x、y和z梯度线圈的几何形状。该扩展改善了靠近磁体定位的干扰源的补偿。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解前面的详细描述时，其他人可能会想到修改和变化。本发明旨在被解释为包括所有这些修改和变化，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内。

Claims (20)

1.一种超导磁体，包括：
磁体低温恒温器(12)；
超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)，其被设置在所述磁体低温恒温器内部，并且被配置为当电流在所述超导磁体线圈中流动时生成静态(B0)磁场；
超导B0补偿电路(30、60、70)，其被设置在所述磁体低温恒温器内部，并且与所述超导磁体线圈耦合以减少由所述超导磁体线圈生成的所述B0磁场中的时间变化；以及
电流传感器(40)，其被设置在所述磁体低温恒温器内部并且被连接以测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流。
2.根据权利要求1所述的超导磁体，还包括：
主动B0补偿部件(50)，其与所述电流传感器(40)可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流的测量结果，并且被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流通过调节由包括所述超导磁体(10)的磁共振(MR)成像设备(8)采集的MR成像数据的频率(f0)来提供主动B0磁场补偿。
3.根据权利要求1所述的超导磁体，还包括：
主动B0补偿部件(50)，其与所述电流传感器(40)可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流的测量结果，并且被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流通过调节包括所述超导磁体(10)的磁共振(MR)成像设备(8)的MR频率(f0)来提供主动B0磁场补偿。
4.根据权利要求1所述的超导磁体，还包括：
主动B0补偿部件(50)，其与所述电流传感器(40)可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流的测量结果，并且被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流通过生成补偿磁场来提供主动B0磁场补偿。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的超导磁体，其中，所述电流传感器(40)包括：
超导传感器线圈(42)，其与所述超导B0补偿电路(30、60、70)电连接以响应于在所述超导B0补偿电路中流经所述超导传感器线圈的电流而生成传感器线圈磁场；以及
磁场传感器(44)，其被布置为测量所述传感器线圈磁场。
6.根据权利要求5所述的超导磁体，其中，所述磁场传感器(44)包括霍尔效应传感器。
7.根据权利要求5-6中的任一项所述的超导磁体，其中：
所述超导传感器线圈(42)被取向为生成横向于所述电流传感器(40)处的所述B0磁场取向的所述传感器线圈磁场；并且
所述磁场传感器(44)被取向为感测所述传感器线圈磁场，并且不感测横向于所述传感器线圈磁场取向的所述B0磁场。
8.根据权利要求5-7中的任一项所述的超导磁体，其中，所述电流传感器(40)还包括：
围绕所述超导传感器线圈(42)和所述磁场传感器(44)的磁屏蔽(46)。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的超导磁体，其中，所述超导B0补偿电路(30)通过电连接(32、34)与所述超导磁体线圈耦合。
10.根据权利要求1-8中的任一项所述的超导磁体，其中，所述超导B0补偿电路(60、70)包括补偿电路线圈(CC1、CC2)，并且通过在所述补偿电路线圈与所述超导磁体线圈之间的电感耦合而与所述超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)耦合。
11.根据权利要求10所述的超导磁体，其中：
所述超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)包括主线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6)和屏蔽线圈(S1、S2)；并且
所述超导B0补偿电路(60、70)通过在所述补偿电路线圈(CC1、CC2)与(1)主线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6)和(2)所述屏蔽线圈(S1、S2)中的一个之间的电感耦合而与所述超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)耦合。
12.一种磁共振(MR)成像设备，包括：
根据权利要求1-11中的任一项所述的超导磁体(10)；以及
主动B0补偿部件(50)，其与所述电流传感器(40)可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流的测量结果，并且被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流来提供主动B0磁场补偿。
13.一种操作超导磁体(10)的方法，所述方法包括：
使用磁体低温恒温器(12)来冷却超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)和与所述超导磁体线圈耦合的超导B0补偿电路(30、60、70)；
电激励所述超导磁体线圈以生成静态(B0)磁场；
使用所述超导B0补偿电路来减少所述B0磁场中的时间变化；
使用被设置在所述磁体低温恒温器内部的电流传感器(40)来测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流；并且
基于测量到的在所述超导B0补偿电路中流动的电流来执行主动B0补偿。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，执行主动B0补偿包括：
基于测量到的在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流来调节从被设置在所述静态(B0)磁场中的对象采集的磁共振(MR)成像数据的频率(f0)。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述执行包括：
基于测量到的在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流来调节MR成像设备(8)的磁共振(MR)频率(f0)，所述MR成像设备被配置为从被设置在所述静态(B0)磁场中的对象采集MR成像数据。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述执行包括：
基于测量到的在所述超导B0补偿电路(30、60、70)中流动的电流来生成补偿磁场。
17.一种磁共振(MR)成像设备，包括：
超导磁体(10)，其包括磁体低温恒温器(12)、被设置在所述磁体低温恒温器内部的超导磁体线圈(C1、C2、C3、C4、C5、C6、S1、S2)、被设置在所述磁体低温恒温器内部并且与所述超导磁体线圈耦合的超导B0补偿电路(30、60、70)、以及被设置在所述磁体低温恒温器内部并且被连接以测量在所述超导B0补偿电路中流动的电流的电流传感器(40)；以及
主动B0补偿部件(50)，其与所述电流传感器可操作地连接以接收在所述超导B0补偿电路中流动的电流的测量结果，并且被配置为基于在所述超导B0补偿电路中流动的所述电流来提供主动B0磁场补偿。
18.根据权利要求17所述的MR成像设备，其中，所述主动B0补偿部件(50)被配置为通过调节由所述磁共振(MR)成像设备(8)采集的MR成像数据的频率(f0)来提供主动B0磁场补偿。
19.根据权利要求17所述的MR成像设备，其中，所述主动B0补偿部件(50)被配置为通过调节所述磁共振(MR)成像设备(8)的MR频率(f0)来提供主动B0磁场补偿。
20.根据权利要求17-19中的任一项所述的MR成像设备，其中，所述电流传感器(40)包括：
超导传感器线圈(42)，其与所述超导B0补偿电路(30、60、70)电连接；以及
磁场传感器(44)，其被布置为测量由所述超导传感器线圈生成的磁场。
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