CN109642932A - 用于磁共振检查系统的主动屏蔽梯度线圈组件 - Google Patents

Abstract

一种用于磁共振检查系统的梯度线圈组件，包括在主圆柱表面与屏蔽圆柱表面之间的相邻的轴向端部处的锥形端凸缘表面。互连的绕组部分在所述主绕组与设置在所述锥形表面上的屏蔽绕组之间并且将所述屏蔽绕组中的至少一些串联连接到所述主绕组中的一些。该渐缩的连接减少了径向向外的杂散梯度磁场。锥形表面上的绕组部分对离散误差很不敏感。

Description

用于磁共振检查系统的主动屏蔽梯度线圈组件

技术领域

本发明涉及一种梯度线圈组件，其具有主梯度线圈，以用于在磁共振检查系统的检查区域中生成梯度磁场。

背景技术

这样的梯度线圈组件可从J.W.Carlson等人在MRM 26(1992)191-206中的文章“Design and evaluation of shielded gradient coils”获知。已知的主动屏蔽的梯度线圈组件在内圆柱和外圆柱上具有电流分布。强加的屏蔽要求是磁场在外圆柱体外部消失。这可以通过由内圆柱和外圆柱上的电流分布生成的磁梯度场的干涉来实现。也就是说，通过该干涉，磁梯度场在外圆柱外部抵消。已知梯度线圈组件的电流分布，或者等效地，在圆柱上的电导体布局，进一步使得梯度线圈组件的电感最小化以减小驱动梯度线圈组件所需的功率。国际申请WO 2010/064197公开了一种磁共振成像系统，其包括梯度线圈系统。已知的梯度线圈系统包括内线圈、卫星线圈和屏蔽线圈。在倾斜的结构凸缘上提供卫星线圈和屏蔽线圈的电互连。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种梯度线圈组件，其在梯度线圈组件外部具有较低的杂散梯度场。

该目的在用于磁共振检查系统的梯度线圈组件中实现，并且包括：

-主梯度线圈，其具有在主圆柱表面上的主绕组，

-屏蔽线圈，其具有在屏蔽圆柱表面上的屏蔽绕组，

-所述屏蔽圆柱表面被定位为相对于所述主圆柱表面径向地向外，

-锥形端部凸缘表面，其在所述主圆柱表面与所述屏蔽圆柱表面之间，在所述主圆柱表面与所述屏蔽圆柱表面的相邻的轴向端部处，

-互连的绕组部分，其在所述主绕组与所述屏蔽绕组之间，被设置在所述锥形表面上，并且将所述屏蔽绕组中的至少一些串联连接到所述主绕组中的一些。

本发明的一个洞悉是由绕组部分在锥形表面上形成的锥形互连减小了径向向外的杂散梯度磁场。此外，看来锥形表面上的绕组部分的图案对所谓的离散化误差很不敏感。这些离散误差的产生是因为梯度线圈组件的(物理)绕组的离散模式构成了物理电流分布，所述物理电流分布偏离了从内部和外部磁梯度场分布和需要驱动梯度线圈组件的功率的优化得到的空间连续计算电流分布，如可以使用梯度线圈组件的模型来计算。

作为本发明的另一个目的，梯度线圈组件中散发的热量应保持受限。该模型还可以优化梯度线圈组件的散热和电感。由于这种离散误差，可能出现相对于基于模型的计算的空间连续电流分布更强的杂散梯度磁场。因此，减少离散化误差减少了不想要的杂散梯度磁场。将参考从属权利要求中限定的实施例来进一步详细说明本发明的这些和其他方面。

在本发明的梯度线圈组件的优选实施例中，凹陷的绕组片从屏蔽圆柱表面径向向内设置。该凹陷的贴片的绕组进一步有效地减少了由于物理绕组之间的较大间距而可能产生的离散误差。凹陷的贴片的绕组减小了杂散磁梯度场并补偿了离散误差的影响。在梯度线圈组件的轴向中心附近最需要减少这些离散误差，所述轴向中心邻近或围绕关于轴向中心径向延伸的中间平面。值得注意的是，在该中中央平面附近，物理绕组间隔相对较宽地，因此如果不采取步骤则会产生较大的离散误差。值得注意的是，提供凹陷的绕组的贴片用于减少横向(x，y)屏蔽梯度的物理绕组图案中的离散误差，所述物理绕组被成形为鞍形线圈。这些横向梯度线圈施加横向于主磁场方向取向的梯度磁场。

在本发明的另一个实施例中，梯度线圈组件具有z梯度主线圈和z梯度屏蔽线圈。这些z梯度线圈施加沿主磁场方向取向的梯度磁场。

靠近中心(围绕中央平面)的z梯度屏蔽线圈的同轴屏蔽绕组比更朝向梯度线圈组件的轴向端的同轴屏蔽绕组具有更小的直径。在这种布置中，屏蔽绕组的一部分设置在锥形中间凸缘表面上，其半径朝向梯度线圈组件的一个轴向端部增加。该锥形中间凸缘表面位于靠近中心的同轴屏蔽绕组与位于朝向梯度线圈组件的一个轴向端部的同轴屏蔽绕组之间。以这种方式，在中央平面周围实现增加的绕组密度，从而避免可能更大的离散误差。轴向端部处的屏蔽绕组相对于位于中央平面区域与轴向端部之间的屏蔽绕组的较大直径也具有减小的直径。首先从线圈的中央平面开始，具有在减小的直径上的屏蔽绕组，然后是屏蔽绕组具有恒定大直径的区域，最后是屏蔽绕组的直径朝向主绕组的直径减小的端部区域。

提供横向(x，y)梯度屏蔽线圈的凹陷的绕组的贴片和z梯度屏蔽线圈的同轴绕组的较小直径实现了较低的梯度杂散场。因此，本发明的梯度线圈组件在低温磁体的导电部分中感生出较少的电流，从而将较少的功率传递到磁共振检查系统的冷却系统中，从而提高了维持主磁体线圈中的超导性的功率效率。

通常，锥形凸缘表面孔的范围为30-45°。较陡的角度(60°或更大)不具有所需的效果。角度越小，线圈效率越低，因为屏蔽导体然后更强地抵消工作体积中的场。此外，通过将凹陷的贴片从屏蔽圆柱表面向内放置10-20mm，可以很好地抑制离散误差并因此降低梯度杂散场。更靠近屏蔽的其余部分的圆柱形表面的凹陷的贴片不能有效地增加贴片中的缠绕密度，将贴片放置在更大的距离处仅降低线圈的效率而不进一步减少杂散场。在从屏蔽圆柱表面向内约15mm处获得对离散误差的最佳抑制。

本发明还涉及用于磁共振检查系统的磁体组件。所述磁体组件包括主磁体线圈的集合，以用于在磁体组件的检查区域中生成静止的、通常在空间上均匀的主磁场。检查区通常位于磁体孔内。主磁体线圈可以被冷却到其超导状态。此外，磁体组件设置有本发明的梯度线圈组件。梯度线圈组件具有杂散场。实际上，梯度线圈的杂散场可以看作残留的杂散场，尽管有锥形端部凸缘和锥形中间凸缘表面以及屏蔽梯度绕组和具有在中央平面附近减小的直径z梯度屏蔽同轴绕组和电导体的凹陷的贴片的群体，所述残留的杂散场仍然存在。杂散场可以具有一个或多个高场区域，其中存在相对强的梯度杂散场强度。梯度线圈组件和主磁体线圈优选地在空间上布置，使得高场区域延伸穿过主磁体线圈之间的间隙。以这种方式，避免了向超导主磁体线圈中的能量耗散，并且减少了将主磁体线圈保持在其超导状态的额外冷却的需要。

通过梯度线圈和超导磁体绕组之间的最佳磁去耦，由感应电流引起的磁体的冷质量中的耗散可以减少到几百毫瓦。然后，不再需要依靠磁体辐射屏蔽中的感应电流来衰减作用在冷质量上的梯度线圈的杂散场。屏蔽可以被制作为不导电的。不能感生出涡电流的辐射屏蔽具有许多优点。它不会在MRI系统的成像体积中产生不需要的场，并且在磁体淬火的情况下不会经历大的磁力。可以利用这些优点来设计具有改进性能并且成本更低的辐射屏蔽。

附图说明

参考下文描述的实施例并参考附图，将阐明本发明的这些和其它方面，其中：

图1示出了并入了本发明的磁共振检查系统的示意图；

图2示出了本发明的梯度线圈组件的示意性三维视图；

图3示出了本发明的梯度线圈组件内部的一部分的示意性三维视图；

图4示出了本发明的设置有凹陷的绕组片的梯度线圈组件的外侧的一部分的示意性三维视图；

图5示出了本发明的梯度线圈组件内部的一部分的示意性三维视图，其提供了朝向凹陷的绕组片的内部视图。

具体实施方式

图1示意性地示出了并入使用本发明的磁共振成像系统。所述磁共振成像系统包括具有主线圈10的集合的主磁体，由其生成稳定、均匀的磁场。主线圈例如以这样的方式构造，使得它们从膛中包围隧道形检查空间。将待检查的患者放在患者承载体上，所述承载体滑入该隧道的形检查空间。磁共振成像系统还包括多个梯度线圈11、12，由其生成表现出空间变化的磁场，特别是在各个方向上的时变梯度的形式，从而叠加在均匀磁场上。梯度线圈11、12连接到梯度控制器21，梯度控制器21包括一个或多个梯度放大器和可控电源单元。借助于电源单元21施加电流来激励梯度线圈11、12；为此，电源单元配备有电子梯度放大电路，所述电路将电流施加到梯度线圈，以便生成适当时间形状的梯度脉冲(也称为“梯度波形”)。通过控制电源单元来控制梯度的强度、方向和持续时间。磁共振成像系统还包括发射和接收天线(线圈或线圈阵列)13、16，用于分别生成RF激励脉冲和拾取磁共振信号。发射线圈13优选地被构造为体线圈13，由其可以包围待检查对象(的一部分)。体线圈通常以这样的方式布置在磁共振成像系统中：当待检查的患者30被布置在磁共振成像系统中时，他或她被体线圈13包围。体线圈13用作发射RF激励脉冲和RF重聚焦脉冲的发射天线。优选地，体线圈13涉及发射的RF脉冲(RFS)的空间均匀的强度分布。通常交替使用相同的线圈或天线作为传输线圈和接收线圈。通常，接收线圈包括多个元件，每个元件通常形成单个回路。回路的形状的各种几何形状和各种元件的布置是可能的。发射和接收线圈13连接到电子发射和接收电路15。

需要注意的是，存在可以用于发射和接收的一个(或几个)RF天线元件；另外，通常，用户可以选择使用通常形成为接收元件阵列的专用接收天线。例如，表面线圈阵列16可用作接收和/或发射线圈。这种表面线圈阵列在相对小的体积内具有高灵敏度。接收线圈连接到前置放大器23。前置放大器23放大由接收线圈16接收的RF谐振信号(MS)，并且放大的RF谐振信号被施加到解调器24。诸如表面线圈阵列的接收天线连接到解调器24，并且借助于解调器24解调接收的预放大的磁共振信号(MS)。前置放大器23和解调器24可以数字地实现并集成在表面线圈阵列中。经解调的磁共振信号(DMS)被应用于重建单元。解调器24解调放大的RF谐振信号。经解调的谐振信号包含关于待成像的对象的部分中的局部自旋密度的实际信息。此外，发射和接收电路15被连接到调制器22。调制器22和发射和接收电路15激活发射线圈13，以便发射RF激励和重新聚焦脉冲。特别地，表面接收线圈阵列16通过无线链路耦合到发射和接收电路。由表面线圈阵列16接收的磁共振信号数据被发射到发射和接收电路15，并且控制信号(例如，用于对表面线圈进行调谐和去谐)通过无线链路发射到表面线圈。

重建单元从解调的磁共振信号(DMS)导出一幅或多幅图像信号，所述图像信号表示待检查对象的成像部分的图像信息。在实践中，重建单元25优选地被构造为数字图像处理单元25，其被编程以便从解调的磁共振信号导出表示要成像的对象的一部分的图像信息的图像信号。重建的输出上的信号被施加到监视器26，使得重建的磁共振图像可以显示在监视器上。替代地可以将来自重建单元25的信号存储在缓冲单元27中，同时等待进一步处理或显示。

根据本发明的磁共振成像系统还被提供有控制单元20，例如以包括(微)处理器的计算机的形式。控制单元20控制RF激励的执行和临时梯度场的应用。为此，根据本发明的计算机程序例如被加载到控制单元20和重建单元25中。

图2示出了本发明的梯度线圈组件的示意性三维视图。主梯度线圈201的主绕组位于主圆柱表面上。屏蔽线圈202的绕组位于屏蔽圆柱表面上。主圆柱表面和屏蔽圆柱表面均同轴布置并且具有共同的纵向轴线205。在梯度线圈组件10的每个轴向端部处，设置有锥形端部凸缘表面203。这些锥形端部凸缘表面具有向内渐缩的形状，使得锥形端部凸缘表面的径向尺寸远离梯度线圈组件的轴向中心减小。主梯度线圈和屏蔽梯度线圈的相应绕组通过互连绕组部分204连接，互连绕组部分204分别在锥形端部凸缘表面的外表面和内表面上延伸，以提供主绕组与屏蔽绕组之间电串联连接。互连使得主线圈和屏蔽线圈中的电流处于相反的方向，这实现了径向向外的屏蔽效果。电流的方向由绕组上的小箭头表示。此外，主梯度线圈和屏蔽梯度线圈被成形为几个所谓的指纹线圈图案210、211。图3示出了本发明的x或y梯度线圈组件内部的一部分的示意性三维视图。梯度线圈组件被显示为定位于主磁线圈10的内部。这里没有显示低温恒温器结构。图3提供了从屏蔽圆柱形表面内到屏蔽绕组上的视图。在图3中仅可看到锥形端部凸缘表面203中的一个的一部分。

图4示出了本发明的梯度线圈组件的外侧的一部分的示意性三维视图。图4中示出了电导体402的凹陷的贴片401。凹陷的贴片401的这些电导体402与形成屏蔽梯度线圈的指纹线圈210的一些绕组(靠近凹陷的贴片)串联电连接。凹陷的贴片401位于圆柱形表面的径向内侧，屏蔽梯度线圈的指纹图案线圈绕组位于圆柱形表面上。因为屏蔽梯度线圈的绕组电连接到它们的主梯度线圈的相应绕组，所以凹陷的贴片的绕组连接到贴片附近的屏蔽梯度线圈的那些绕组，最终这些贴片的电导体是串联电连接到主梯度线圈的一些电导体。凹陷的贴片可以优选地轴向定位在梯度线圈组件的轴向中央平面403处。

梯度线圈的缠绕图案通过在允许放置导体的表面上的连续流函数来建模。为成像体积中的场设定合适的目标外部场和可选的其他约束，例如最大电流密度或主磁体场中的力，二次规划优化算法然后生成最佳流函数分布。然后将流函数的等高线轮廓作为3D绕组轨迹。该离散化步骤不可避免地导致与理想表现的偏差，并且外部场中的所得峰值将导致磁体的导电表面中的感应电流的峰值。数值实验表明，在末端带有锥形法兰的线圈拓扑结构得到这样的离散效应保持很小的流函数分布。此外，因为与理想电流分布的偏差现在距离磁体内表面的距离比具有两个直圆柱表面的情况大得多，所以由于离散化导致的误差场的大小进一步减小。

线圈离散化可能引起外场峰值的另一区域位于中央平面附近，在垂直于梯度方向的坐标方向上。通过在模型化屏蔽线圈的圆柱形外表面中有意地形成切口并且在比屏蔽线圈的半径小约15mm的半径处添加辅助圆柱形凹陷的贴片，可以减小离散化误差的大小。这些辅助的凹陷的贴片可以保持与其余屏蔽绕组电断开。将这些贴片纳入到优化中会导致这些贴片中出现一些小电流回路。上述措施的效果是绕组图案的局部密度已经变得足够高，使得离散效应仍然比仅存在屏蔽层上的绕组时小得多，结果很大程度上避免了外场中的峰值。获得这些优点，同时对线圈效率的影响极小。

将这些上述措施组合成一个线圈设计，实现了本发明的梯度线圈组件可以在操作中在超导磁体的不锈钢内衬中生成小于250mW的热量，而没有辐射屏的任何阻尼效应。实际的绕组可以通过任何已知的梯度线圈制造技术制造，例如通过切割和弯曲铜板金属，或者对预先加工的导体进行弯曲和绕组。

图5示出了本发明的梯度线圈组件的z梯度线圈部分内部的一部分的示意性三维视图，其在内部视图中朝向z梯度屏蔽线圈提供。在图5中还示意性地示出了屏蔽线圈的绕组的直径在靠近中央平面(z＝0)的区域和线圈的末端处减小。直径的减小使得这些绕组位于与大多数屏蔽绕组所在的中心圆柱表面相邻的假想锥形表面上。这些变化导致线圈区域中的绕组密度增加，否则绕组密度将非常低，使得离散误差将导致外场的大幅增加。屏蔽线圈外壳的优化成形使得可以将冷质量的不锈钢衬里中的耗散减少到1kHz时小于150mW，并且在梯度幅度10mT/m的高频极限中降低400mW。相比之下，对于传统的直圆柱形屏蔽线圈，这种耗散将超过50W。如果屏蔽匝绕组的直径朝向中央平面逐渐减小并且朝向线圈的末端不完全遵循锥形状，则可以获得类似的结果。

Claims (8)

1.一种用于磁共振检查系统并且包括以下项的梯度线圈组件：

主梯度线圈，其具有在主圆柱表面上的主绕组，

屏蔽线圈，其具有在屏蔽圆柱表面上的屏蔽绕组，

所述屏蔽圆柱表面被定位为相对于所述主圆柱表面径向地向外，

锥形端部凸缘表面，其在所述主圆柱表面与所述屏蔽圆柱表面之间，在所述主圆柱表面与所述屏蔽圆柱表面的相邻的轴向端部处，

互连的绕组部分，其在所述主绕组与所述屏蔽绕组之间，被设置在所述锥形表面上，并且将所述屏蔽绕组中的至少一些串联连接到所述主绕组中的一些，并且其中，

所述屏蔽线圈被提供为其中电导体的凹陷的贴片被定位为相对于所述屏蔽圆柱表面径向地向内。

2.根据权利要求1所述的梯度线圈组件，其中，横向梯度线圈的所述屏蔽线圈被提供为其中电导体的凹陷的贴片被定位为相对于所述屏蔽圆柱表面径向地向内。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的梯度线圈组件，包括z梯度主线圈和z梯度屏蔽线圈，所述z梯度屏蔽线圈具有：

由方位线圈环形成的同轴屏蔽绕组，

所述同轴屏蔽绕组的定位为靠近所述组件的轴向中心的中心组和所述同轴屏蔽绕组的定位在所述组件的轴向外围的外围组，并且

所述中心组的所述同轴屏蔽绕组的直径小于所述外围组中的所述同轴屏蔽绕组的直径。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的梯度线圈组件，其中，所述锥形凸缘表面的孔在30°-45°的范围内。

5.根据权利要求2或3所述的梯度线圈组件，其中，所述凹陷的贴片的向内径向位置在距离所述屏蔽圆柱表面10-20mm的范围内，优选为15mm。

6.根据权利要求4所述的梯度线圈组件，其中，所述凹陷的贴片被定位为轴向地靠近所述组件的轴向中心。

7.根据权利要求3所述的梯度线圈组件，其中，在所述中心组与所述外围组之间提供有锥形中间凸缘表面，并且所述中心组的所述同轴屏蔽绕组和所述外围组的所述同轴屏蔽绕组由设置在所述锥形中间凸缘表面上的互连中心绕组串联连接。

8.一种用于磁共振检查系统的磁体组件，包括：

主磁体线圈的集合，其具有主绕组和根据前述权利要求中的任一项所述的梯度线圈组件，

所述梯度线圈具有梯度杂散场，所述梯度杂散场具有一个或多个径向延伸的高场区域，并且

所述梯度线圈组件相对于所述主磁体线圈在空间上被布置为使得所述高场区域通过间插在所述主磁体线圈之间而延伸。