CN1266484C - 具有横向磁场的超导开放mri磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁体和磁共振成像系统。该磁体是开放的，磁性线圈设置在关于两个垂直的平面即中平面和反射平面分开的象限中，以及其中绕组被构造成在工作中使电流相对于反射平面对称和相对于中平面反对称以在垂直于反射平面的方向上在中心产生净磁场。

Description

具有横向磁场的超导开放MRI磁体
发明领域
本发明涉及磁体，具体地说(但不必限于)，涉及用于磁共振成像设备的磁体，特别是涉及开放的磁体，即成像空间(要成像的患者的该部分设置在其中)没有被磁体所包围的磁体。
背景描述
MRI的特殊要求是较强的均匀磁场，通常为0.2至2特斯拉，在成像空间中每百万个部件中少数几个部件的磁场均匀性，通常直径为30厘米至50厘米的球体。最普通的是这种磁场由具有螺线管结构的电磁体产生，但这需要通过磁体包围患者并且封闭在中心孔管中。虽然这种孔管的长度通常为1.6米或更短，但它仍然导致幽闭恐怖的感觉，某些患者对它是非常紧张的。此外，这种设计不能提供对于介入过程可能是必不可少的或者在要求伙伴靠近以使患者感觉轻松些时对患者的任何接近。但是，通过使用开放的磁体，这些问题都可以被克服，或者至少基本被减轻。
在MRI系统中使用的开放的磁体大家非常熟悉。一种形式的开放的电磁体通常描述为“分裂对”，包括通常为螺线管结构的一对并置的线圈组，并且可以包括在轴线周围的孔管。通过在组件之间具有间隙的支撑结构保持线圈组分开足够容许人站立的宽度，因此沿系统的任何主轴可以进入在它们之间的成像空间。通常，患者可以沿螺线管的轴线站立。在螺线管组件之间的间隙适合于进入以进行介入工作。这种系统描述在US-A-5,381,122中和在Laskaris等人在IEEETransactions in Applied Superconductivity，Volume 5，Number2，June 1995中发表的题为“A Cryogen-Free Open SuperconductingMagnet for Interventional MRI Applications”的文章中。
另一种方案是两组螺线管线圈在垂直轴线上同心的设计。这种设计描述在US-A-5,874,882中。然而，这种设计的缺点在于对于给定的中心磁场强度形成了较大的杂散场。通过增加所谓的屏蔽线圈的大小可以减小杂散场的大小。然而，屏蔽线圈的大小的增加可能减小中心磁场。反过来这又要求实质增加驱动线圈的大小。结果对于给定的中心磁场包括间隔开以允许良好地接近患者的同心轴线线圈的磁体要求基本量的导体以将杂散磁场保持在合理的大小。
在Huson等人的PCT WO93/15514中，公开了一种电磁体，该电磁体包括一对并置的相对极性的磁极，在它们之间形成了成像空间，并通过铁轭或提供磁通量返回通路的超导螺线管链接和支撑该磁极。铁轭主要包括基本C-形的铁框架。因为要求大量的铁轭，因此这些公知的磁体非常重，特别是对于要求许多吨的铁轭来确定磁通返回路径的高磁场磁体。Huson等人进一步公开了使用限制返回磁通的屏蔽线圈，但是使用了大量的导体，因此成本较高。
在这些公知的开放的每种磁体中磁场的方向都是沿着线圈的轴线，因此垂直于间隙的平面。在这些公知的开放的磁体的并置的磁极之间的磁力非常大，并且在进入间隙的方向上作用。这给用于支撑磁极的结构施加了较大的压力，并且要求这些结构具有足够大强度和稳定性以抵抗这些力。因此，该结构必须是坚固的，并成为自由进入成像空间的严重的阻碍。
US-A-4339718提供了一种具有两个余弦线圈(cosinusoidalciol)的线圈组件。
发明目的
本发明试图提供一种改进的磁体。本发明进一步试图提供一种适合于磁共振成像的磁体。
本发明还试图提供一种磁体结构以便不妨碍接近患者，同时提供了具有良好的均匀性和较强的磁场。本发明还试图提供一种在磁性线圈结构中具有较小的杂散磁场同时减少对导体的要求的磁体结构。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供一种磁体组件，包括一组四套磁性线圈(110-116)，每个磁性线圈包括导电材料的绕组；其中所述四套磁性线圈布置为关于中平面(XY)和反射平面(YZ)相交的轴(Y)对称，所述反射平面与中平面垂直，从而使得所述线圈具有相对于另一个平面(XZ)对称的平面，该另一个平面(XZ)同时垂直于所述中平面和反射平面，每个线圈围绕垂直于中平面的一个轴绕制，且其中所述绕组被构造成在工作中使电流相对于反射平面对称和相对于中平面反对称，以在垂直于反射平面的方向上在系统的中心产生合成磁场。
根据本发明的另一方面，提供一种磁共振成像系统，包括初级磁体组件、低温恒温器单元和梯度磁体组件，其中初级磁体组件包括根据上述第一方面的磁体组件；其中初级磁体位于低温恒温器中，由此提供可实现超导性的工作温度，以及其中梯度磁体可工作以在预定的平面上提供磁场，由此实现磁共振成像。
根据本发明的进一步方面，提供一种在低温恒温器内操作如上述第一方面所述磁体组件的方法，该方法包括如下的步骤：将磁体组件冷却到使超导成为可能的温度，以及使电流在磁性线圈中流动以使电流流动的方向关于反射平面对称和关于中平面反对称。
因此，在本发明的一方面提供一种适合于磁共振成像设备的磁体，该磁体以对导体较低的要求提供了一种高均匀性的较强的磁场和较小的杂散磁场。在这种导体由超导体(比如NbTi)构成的磁体中，导体用量的这种减少将会实质性地减轻重量和成本。
附图概述
为更好地理解本发明以及如何地实施本发明，现在参考附图仅通过举例的方式描述根据本发明的具体的实施例、方法和过程，在附图中：
附图1所示为根据本发明的第一方面的四个磁体线圈的结构设置的透视图；
附图2和3所示为两个香蕉状线圈结构的比较；
附图4所示为根据本发明的另一方面的四个线圈组件的结构设置的透视图；
附图5所示为根据本发明的进一方面的导体结构的剖视图；
附图6所示为带有凹口的扇形线圈组的透视图；
附图7所示为相对于MRI系统的其它部件线圈的结构设置本发明的一种实施例在XZ平面中的截面图；
附图8所示为在附图7中所示的线圈结构在XZ平面中的磁场的方向；
附图9所示为在根据附图7的系统的XZ平面中的5条高斯线；和
附图10、11和12所示为变型实施例。
本发明的详细描述
现在通过举例的方式描述本发明人设计的实施本发明的最佳模式。在下文的描述中阐述大量的具体细节以便提供对本发明的完整的理解。但是，很显然，对于本领域的普通技术人员，本发明可以不使用这些具体的细节实施。在另一方面，没有详细地描述十分公知的方法和结构以免不必要地淡化了本发明。例如，虽然附图中显示患者进入平面或中平面处于水平平面上，但是在垂直取向上也可以有患者进入平面。
附图1所示为包括四个线圈110、112、114、116的结构设置和下文将要参考的XYZ参考坐标系。在附图1中所示的线圈110-116相对于XY平面(也称为中平面)对称设置，并且也相对于YZ平面(称为反射平面)对称设置。这些线圈具有相对于XZ平面对称的平面。在这些线圈上所显示的箭头118说明电流彼此的方向。线圈110(位于中平面(X-Y平面)之上)的电流与线圈114(位于中平面之下)的电流相反(反对称)。此外，线圈112、116在正X空间中的电流的旋转方向与线圈110、114在负X空间中的电流的方向相反。在附图1中所示的每个线圈(有时称为“香蕉状”线圈)的形状并不是直接通过常规的绕制过程制造的，因为在最靠近反射平面的线圈的侧面上的相反的曲率半径。
附图2和3所示为两个香蕉状线圈的结构，但每个产生的磁场相同。附图2所示为嵌套的香蕉状线圈，其中在第一方向上输送100A的电流的120°弧度的香蕉状线圈210在其内部嵌套了60°弧度的香蕉状线圈212。60°的线圈在与第一方向相反的方向上传输200A的电流，导致在整个120°弧度结构的中心60°弧度的第二方向上产生了总共100A的电流。这等效于在附图3中所示的结构，在附图3中在第二方向上有传输100A电流的中心60°弧度的香蕉状线圈214而在第一方向上有传输100A电流的两个外围30°弧度香蕉状线圈216、218。
虽然制造这种香蕉状线圈的方法十分公知，但是通过在附图4中所示的重叠的D-形线圈更容易地制造基本相同的磁场。这就在定位D的直边侧中提供了附加的自由度，由此有助于改善磁场的均匀性。D形线圈可以交错和/或重叠。参考下部线圈，可以看到线圈410、412和414在形状和相应的电流方向方面具有镜像线圈416、418和420，由于附图4也显示了在每个D形线圈中的电流422的方向。每个D形线圈缠绕在轴线上，该轴线在工作中与Z-轴平行排列。虽然线圈是非圆形的，但是绕组是直的，因为它在绕组的曲率半径上没有反向。虽然通常希望D形在一侧上具有直的部分，但在实际中该侧面不需要完全是直的，但可以仅具有非常大的半径，以有助于导线的绕制。由于类似的原因，在直的部分的端部上的转角优选是圆的，而不包括锐角转角。这样使用常规的导线绕制过程容易绕制基本D形线圈，同时具有可变的曲率半径而不是用于圆形线圈的固定半径。虽然每个单个的线圈的绕组轴平行于Z轴，但是在不同的线圈中的电流的结构在垂直于Z轴的系统的中心上产生了合成的磁场。类似地，在该系统之外的区域中，单个的线圈的磁场作用彼此抵消，由此在该系统之外产生了非常低的杂散磁场，而不需要附加的屏蔽措施比如额外的线圈。
附图5所示为产生均匀性的平面线圈组的顶视图，该均匀性在40厘米的球体上具有预计的6ppm的峰-峰值。线圈510和512与在X＝O平面上镜像的电流方向(未示)相同。这些线圈与公知的平面或梯度线圈的结构类似。与被构造成在完整的MRI系统的中心上提供零磁场的梯度线圈相反，该电流连接不同之处在于每个象限的线圈串联连接由此在工作中在MRI系统的中心提供了高的均匀性的磁场。
附图6所示为导体610、612、614、616以极区格网的方式的结构设置的透视图。在中心导体610、614之间的中心间隙618提供了用于RF线圈、梯度线圈和调整片的足够空间，虽然在外部线圈612、616之间的间隙620较小。这改善了磁场的均匀性并减小了产生给定的中心磁场所要求的导体用量。为进行计算，分段地示出这些线圈，但这并没有精确地反应它们的实际结构。
附图7所示为具有与在附图4中所示的导体类似的导体的结构的MRI扫描器的ZX平面的截面图。导体设置成两组710和712。组710对应于具有增加的间隙的导体。导体以公知的超导方式工作。导体的外部部分标示为712。本超导体要求在低的温度下工作，并且在本实例中的导体由用作热辐射屏蔽的外壳714包围。此外，这个外壳也可用于容纳冷却剂。导体710和712和外壳714都由气密外壳716包围。在这个壳体的里面排空以使自外壳716的内表面通过对流到导体的热传导最小。外壳720具有容纳梯度线圈组件和RF线圈(都未示)的部分。对于35兆安米导体，已经计算中心磁场为1T，同时在40厘米直径的球体上具有143ppm的均匀性。导体的外部直径是1.9米，同时在导体之间的间隙是0.7米，在内导体之间的间隙是0.9米。
附图8所示为在附图7中描述的实施例的Z-X(y＝0)平面中的磁通量线810。这些线虽然不表示磁场强度，但确实说明了通过本发明所产生的较高的理想的平行的磁场(用于磁共振成像目的)。附图8a至8c所示分别为在X-Z(y＝0)平面、y＝0.1m平面和y＝0.2m平面中描述|B|的恒定的磁场线。本发明因此方便地提供了一种能够实现0.2半径诊断空间的实施例。
附图9所示为在ZX平面中用于计算在附图7所示的导体组件的高斯曲线910。在该附图中仅示出了在+X+Y象限中的5高斯线。这清楚地显示了本发明的低杂散磁场的特性。
附图10所示为一种实施例1000的所有的初级磁体的透视图。每个象限包括以并排关系的三个线圈1010、1012、1014...1032，而中心线圈在y＝0平面中，在一个象限的每个线圈中的电流方向1034-1040相同。附图11所示为与附图10类似的结构，但在每个象限中有六个线圈1110-1120。应该理解的是，对于某些应用具有较宽的成像区域比较理想。可替换的是，使用许多较小的子线圈可以实现降低制造成本。附图12对应于附图1，但每个香蕉状线圈1210、1214、1218、1222具有在香蕉状的里面弧度上的补充矩形线圈1212、1216、1220、1224，其中象限的相应的线圈的电流方向相反。
已经描述了适合于放置磁共振成像组件的磁性线圈的新结构。这种设计的优点有许多：通过开口设计提供了较高程度的患者进入；因为产生了垂直于该结构的净磁场，所以在成像空间的每一侧上的相对线圈之间的吸引磁力减小以允许在线圈组之间的支撑结构基本小于常规的开口或C-磁体；患者可以沿着任何角度的磁场使患者从头到脚对齐；使用更小的磁体同时减小导体导线用量可以实现制造成本的有效节省。

Claims (13)

1.一种磁体组件，包括一组四套磁性线圈(110-116)，每个磁性线圈包括导电材料的绕组；其中所述四套磁性线圈布置为关于中平面(XY)和反射平面(YZ)相交的轴(Y)对称，所述反射平面与中平面垂直，从而使得所述线圈具有相对于另一个平面(XZ)对称的平面，该另一个平面(XZ)同时垂直于所述中平面和反射平面，每个线圈围绕垂直于中平面的一个轴绕制，且其中所述绕组被构造成在工作中使电流相对于反射平面对称和相对于中平面反对称，以在垂直于反射平面的方向上在系统的中心产生合成磁场。
2.根据权利要求1所述的磁体组件，其中磁性线圈包括D线圈。
3.根据权利要求1所述的磁体组件，其中磁体线圈包括香蕉状线圈。
4.根据权利要求1所述的磁体组件，其中磁体线圈包括子线圈。
5.根据权利要求4所述的磁体组件，其中子线圈提供在嵌套的和/或重叠的结构中。
6.根据权利要求1至5中的任何权利要求所述的磁体组件，其中线圈是非平面的。
7.根据权利要求6所述的磁体组件，其中所述磁体组件适合于在磁共振成像系统中使用。
8.一种磁共振成像系统，包括初级磁体组件、低温恒温器单元和梯度磁体组件，其中初级磁体组件包括一组四套磁性线圈(110-116)，每个磁性线圈包括导电材料的绕组，其中所述四套磁性线圈布置为关于中平面(XY)和反射平面(YZ)相交的轴(Y)对称，所述反射平面与中平面垂直，从而使得所述线圈具有相对于另一个平面(XZ)对称的平面，该另一个平面(XZ)同时垂直于所述中平面和反射平面，每个线圈围绕垂直于中平面的一个轴绕制，且其中所述绕组被构造成在工作中使电流相对于反射平面对称和相对于中平面反对称，以在垂直于反射平面的方向上在系统的中心产生合成磁场；其中初级磁体位于低温恒温器中，由此提供可实现超导性的工作温度，以及其中梯度磁体可工作以在预定的平面上提供磁场，由此实现磁共振成像。
9.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其中磁性线圈包括D线圈。
10.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其中磁体线圈包括香蕉状线圈。
11.根据权利要求8所述的磁共振成像系统，其中磁体线圈包括子线圈。
12.根据权利要求11所述的磁共振成像系统，其中子线圈提供在嵌套的和/或重叠的结构中。
13.根据权利要求6至12中的任何权利要求所述的磁共振成像系统，其中线圈是非平面的。
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