CN1684330B - 保护磁共振成像系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

保护磁共振成像系统的方法和装置一种保护包括多个线圈组(92、94)的MR成像系统(10)的方法，所述方法包括：将至少一个第一二极管(1 00)连接在第一线圈组(92)的各端子之间；将至少一个第二二极管(100)连接在第二线圈组(94)的各端子之间，其中，所述第二线圈组通过隔离线(96)连接到所述第一线圈组；以及将至少一个熄灭加热器(98)连接在所述隔离线与所述第一和第二二极管之间。

Description

保护磁共振成像系统的方法和装置
技术领域
本发明涉及磁共振成像(MRI)系统。更准确地说，本发明涉及熄灭保护电路。
背景技术
众所周知，可以通过将超导材料绕制的线圈(磁体线圈)放入极端冷却的环境中来使所述线圈成为超导。例如，可以通过将线圈封入致冷器或盛有冷却剂的压力容器中来使线圈成为超导。极度的冷却能使超导线以超导状态工作。在所述状态下，超导线的电阻实际为零。为了将电流引入所述线圈，最初要把电源与线圈作短时段的连接。在超导状态下，电流将连续流过所述线圈，从而维持很强的磁场。换句话说，由于在低温下超导绕组对于流过的电流不呈现电阻，所以超导磁体是持久的。流经所述磁体的电流就保持在磁体中，并不会随时间明显地减小。超导磁体在磁共振成像(“MRI”)领域有着广泛的应用。
在一种典型的MRI磁体中，主超导磁体线圈被封入圆柱形的冷却剂压力容器中。冷却剂容器处在真空容器中并被加工成具有位于中心的成像腔。主磁体线圈在轴向腔体的成像区域中产生很强的磁场。
通常的冷却剂为液氦。在超导工作期间，液氦沸腾形成氦气体。所述气体或者被再冷凝以便再循环和重新利用或者被排入大气。
这种装置的一个令人担心的问题是超导工作的不连续性(即”熄灭”)。熄灭会在磁体内产生不希望有的并且可能是破坏性的高温和电压。在熄灭事件期间，在持久的超导线圈中的电流将迅速衰减。所述迅速衰减是线圈中出现电阻区的结果，例如它是由热或机械干扰引起的。熄灭可能由能量干扰(例如，磁体线圈的摩擦运动)引起。能量干扰将超导线的一部分加热，把它的温度上升到超导工作的临界温度以上。被加热的那部分导线变成具有一定电阻的通常的(即非超导)的导线。所产生的I2R焦耳热量将进一步提高导线的非超部分的温度，使所述非超导部分的范围增大。然后出现称作熄灭的不可逆转的作用。在熄灭期间，磁体的电磁能量通过所述增加的焦耳热量被迅速地释放或转换成热量。
对于MRI应用，在成像区域中需要均匀的磁场。为了提供所需的均匀性，将磁体线圈分成多个线圈。这些线圈沿着或围绕着超导磁体的轴隔开，使得它们的热量不会相互传导。这样，当只有一个超导线圈熄灭时，强磁场的整体能量可能被释放到熄灭的线圈中。如果没有合适的熄灭保护系统，就会引起热点和可能的损坏。熄灭保护可以通过快速熄灭其它线圈来实现。从而避免由温度和电压的快速上升、或磁体中快速的电磁力变化引起的损坏。现在已有一些保护超导磁体的熄灭系统。例如，Huang等的美国专利No.6147844，Gross的美国专利No.5739997以及Gross等的美国专利Nos.5650903和5731939涉及超导磁体的熄灭保护电路。
一种有源屏蔽式MRI磁体由主线圈和屏蔽线圈(本文中也称为补偿线圈)组成。主线圈和屏蔽线圈在成像区域产生均匀的磁场，并产生边缘磁场。大多数超导MRI磁体都是由相对于对称的中间平面为对称的线圈组成。在熄灭期间，不同线圈中的电流不可能以精确相同的速率衰减。因而将导致作用于线圈和支持结构上的净差动力。在左右平分的磁体和/或主线圈和补偿线圈结构之间的净差动力将导致不平衡的熄灭。根据不平衡的严重性，不平衡的熄灭可能损坏线圈支持结构和热屏蔽。
由于不同线圈中的电流不可能以完全相同的速率减小这种完全相同的原因，由补偿线圈产生的屏蔽磁场和由主线圈产生的主磁场不可能相互完全抵消，从而导致瞬时边缘场散焦，这是一种静态边缘场力线(例如，0.5mT线)瞬时地延伸到正常工作区域之外的现象。边缘场散焦是不希望有的。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的实施例提供一种熄灭保护电路，它包括：第一线圈组；第二线圈组；线圈隔离线，它将所述第一线圈组连接到所述第二线圈组；第一熄灭加热器，它直接连接到所述线圈隔离线；以及第一二极管和所述第一熄灭加热器与所述第一线圈组并联，其中所述第一线圈组两端的电压等于所述第一二极管和所述第一熄灭加热器之间的电压之和，并且其中流经所述第一熄灭加热器的电流与流经所述第一二极管的电流不同。
按照部分的实施例，主动检测出现在线圈系统任何地方的熄灭并且防止在熄灭期间破坏磁体、具有允许高的患者通过速度的零涡流时间常数、在熄灭期间没有或很少不平衡磁场强度和边缘磁场散焦、允许早期检测在包括小线圈的任何线圈中引起的任何熄灭、以及在熄灭期间具有低的热点温度。
在一个方面，提供一种制造包括多个线圈组的成像系统的方法。所述方法包括在第一线圈组的端子之间连接至少一个第一二极管，在第二线圈组的端子之间连接至少一个第二二极管，其中，第二组通过隔离线连接到第一线圈组，并且在隔离线和第一及第二二极管之间连接至少一个熄灭加热器。
在另一个方面，提供一种用于调节输入到熄灭加热器能量的方法。所述方法包括：将至少一个二极管与熄灭加热器串联并且与至少一个线圈并联；以及将至少一个分流电阻与所述二极管串联，以便调节输入到熄灭加热器的能量。
在又一个方面，提供一种用于调节流经线圈隔离线的电流的方法，所述隔离线将至少一个线圈组与另一个线圈组分离。所述方法包括：将至少一个熄灭加热器连接到与至少一个线圈组并联的线圈隔离线；以及将至少一个分流电阻并联连接到熄灭加热器，以便调节流过线圈隔离线的电流。
在还有另一个方面，熄灭保护电路包括第一线圈组、第二线圈组和将第一组连接到第二组的线圈隔离线。所述电路还包括：连接到线圈隔离线的第一熄灭加热器；以及第一二极管，它与第一熄灭加热器串联使得该第一二极管和第一熄灭加热器与第一线圈组和第二线圈组中的至少一个并联。
在另一个方面，磁共振成像(MRI)系统包括：射频(RF)线圈组件和将对象体积成像的梯度线圈组件；以及与射频线圈和梯度线圈连接的计算机，其中，计算机配置成产生被扫描对象的图像，磁共振成像磁体由熄灭保护电路保护。熄灭保护系统包括第一线圈组、第二线圈组和将第一组连接到第二组的线圈隔离线。所述电路还包括：与线圈隔离线连接的第一熄灭加热器；以及与第一二极管，它与第一熄灭加热器串联，使得该第一二极管和第一熄灭加热器与第一线圈组和第二线圈组中的至少一个并联。
在还有另一个方面，提供一种保护包括多个线圈组的MR成像磁体的方法。所述方法包括提供熄灭保护电路，这样配置所述熄灭保护电路，使得各线圈组具有基本上为零的涡流时间常数。
在又一个方面，提供一种保护包括多个线圈组的MR成像磁体的方法，其中，所述方法包括提供熄灭保护电路，这样配置所述熄灭保护电路，使得在熄灭事件期间各线圈组基本上不具有不平衡的熄灭磁力。
在又一个方面，一种连接所述各线圈以便实现上述特征的方法包括以下步骤：没有两个镜像线圈被单独地连接成两个不同的熄灭保护回路；必须将补偿线圈或补偿线圈的一部分与主线圈一起分组；可以将补偿线圈或主线圈细分成若干个子线圈，以便实现最小的边缘场散焦。
附图说明
图1是磁共振成像(MRI)系统的方框图。
图2说明熄灭保护电路。
图3说明图2所示的带有分流电阻的熄灭保护电路。
图4说明图3所示的带有保护二极管的熄灭保护电路。
具体实施方式
下面描述用于多线圈应用中多个线圈的更均匀的熄灭过程的方法和装置，其中熄灭是在一个线圈中开始的。
本文中，以单数形式列举的并且从不定冠词”a”或”an”开始的元件或步骤应理解为没有排除一个以上的所述元件或步骤，除非这种排除是明确地指出的。此外，引用本发明的”一个实施例”并不是要解释为排除也包括列举的特征的其他实施例的存在。此外，本领域中众所周知，对主线圈的引用考虑到多个线圈，因此，术语“主线圈”和“各主线圈”在这里可互换使用。同样的理由，术语“隔离(或补偿)线圈”和“各隔离(或补偿)线圈”在这里也是可互换的。
图1是磁共振成像(MRI)系统10的实施例的方框图，可以在MRI系统10中实现本文中描述的系统和方法。MRI 10包括操作控制台12，后者包括键盘和控制面板14以及显示器16。操作控制台12通过链路18与独立的计算机系统20通信，从而使操作员能够控制图像的产生及其在荧光屏16上的显示。计算机系统20包括多个模块22，所述多个模块通过底版相互通信。在所述说明性实施例中，模块22包括图像处理器模块24、CPU模块26和存储器模块28(本文中也称为帧缓冲器，用于存储图像数据矩阵)。计算机系统20与磁盘存储器30和磁带驱动器32链接，便于存储图像数据和程序。计算机系统20通过高速串行链路36与独立的系统控制器34通信。
系统控制器34包括使用底版(未示出)进行电连接的多个模块38。在所述说明性实施例中，模块38包括CPU模块40和脉冲发生器模块42，脉冲发生器模块利用串行链路44与操作控制台12电连接。链路44便利于在操作控制台12和系统控制器34之间传送和接收命令，从而使操作员可以输入MRI系统10执行的扫描序列。脉冲发生器模块42操作系统部件以便执行所需的扫描序列，并产生代表将要产生的RF脉冲的时序、强度和形状的数据以及数据获取窗口的时序和长度。脉冲发生器模块42与梯度放大器系统46电连接，并将扫描期间产生的表示梯度脉冲的时序和形状的信号提供给梯度放大器系统46。脉冲发生器模块42还配置成接收来自生理数据采集控制器48的患者数据。在所述说明性实施例中，任选的生理数据采集控制器48配置成接收来自多个传感器的表示患者生理状态的输入(例如，来自安装在患者身上的电极的ECG信号，但是不局限于此)。脉冲发生器模块42与扫描室的接口电路50电连接，所述扫描室接口电路配置成接收来自多个传感器的表示患者状态的信号和来自磁体系统的信号。扫描室接口电路50还配置成发送命令信号，例如把将患者移动到所需位置的命令信号发送给患者定位系统52，但并不局限于此。
由脉冲发生器模块42产生的梯度波形输入到梯度放大器系统46，所述梯度放大器系统包括Gx放大器54、Gy放大器56和Gz放大器58。放大器54、56和58中的每一个都激励梯度线圈组件60中相应的梯度线圈，产生多个磁场梯度，用于将编码的采集信号定位。在所述说明性实施例中，梯度线圈组件60包括磁体组件62，所述磁体组件包括极化磁体64和RF线圈66。线圈66可以是整个身体的线圈、头部线圈或任何RF线圈。
在应用中，设置在系统控制器34中的收发信机模块70产生多个由RF放大器72放大的电脉冲，所述RF放大器利用收发转换开关74与RF线圈66连接。由激活的患者原子核辐射的结果信号被RF线圈66感测并通过收发转换开关74发送给前置放大器76。然后，放大后的NMR(核磁共振)信号在收发信机70的接收机部分被调制、滤波及数字化。收发转换开关74由来自脉冲发生器模块42的信号控制，以便将RF放大器72在发送方式期间电连接到线圈66，而在接收方式期间电连接到前置放大器76。收发转换开关74还使独立的RF线圈(例如，表面线圈)能够用于发送或接收方式。
由RF线圈66接收的NMR信号被收发信机模块70数字化，并被传送给系统控制器34中的存储器模块78。这时，扫描完成，原始的k空间数据阵列被采集到存储器模块78中。原始的k空间数据被重新排列成将每一个待重构的图像的独立的k空间数据阵列，这些数据阵列中的每一个都被输入到阵列处理器80，后者配置成将所述数据傅立叶变换成图像数据阵列。所述图像数据通过串行链路36发送给计算机系统20，存储到磁盘存储器30中。为了响应从操作控制台12接收到的命令，可以将所述图像数据归档到磁带驱动器32，或者它可以由图像处理器24作进一步处理并传送给操作控制台12，显示在显示器16上。
图2说明了熄灭保护电路90，所述电路包括超导开关91、第一线圈组92和通过隔离线连接到第一线圈组92的第二线圈组94。连接到隔离线96的是多个熄灭加热器98′/98″。虽然图2中示出两个熄灭加热器98′/98″，但是可以预期，具有仅仅一个熄灭加热器的电路90和具有两个以上的熄灭加热器的电路90也将得益于本发明。多个二极管100′/100″将每一个熄灭加热器90连接到第一和第二线圈组92和94的相应的端子。线圈组92和94各自可以是单个线圈或者可以是多个线圈。在一个说明性实施例中，在磁体中间平面的两侧没有镜像线圈被分离成不同的组，并且补偿(或隔离)线圈(或者它们的一部分)处在与大的主磁体线圈或它们的一部分相同的组。换句话说，其对称性被保持，并且将主线圈的至少一部分与屏蔽线圈的至少一部分组合在一起，以便减少或消除熄灭期间场边缘散焦。例如，在一个实施例中，场边缘散焦很小(小于半米)。
如图2所说明的，至少一个二极管100′/100″跨接在每一个线圈组92和94的两个端子上。在一个说明性实施例中，一对极性相反[背对背]的二极管100′/100″跨接在每一个线圈组92和94的两个端子上。熄灭加热器98′/98″连接到两组隔离线96，两组隔离线96处在二极管100′/100″的连接点和磁体线圈的两个组(92和94)的连接点之间。在一个说明性实施例中，设置磁体等变率下降单元(ramp downunit)99。
分流电阻95可以与上述熄灭加热器98′/98″并联，以便获得调节流经中间隔离线96的合适的不平衡电流所需的电阻值。此外，如图3所示，放电电阻102′/102″可以与二极管100′/100″中的一个或两个串联，以便调节输入到熄灭加热器的能量。虽然图3示出每一个线圈组92和94一个放电电阻102′/102″，但是在其它实施例中，至少一个线圈组没有与二极管100′/100″串联的放电电阻。
在系统10的正常运行中，电通过隔离导线96从开关91流到第一线圈组92，然后，在返回开关91之前，流到第二线圈组94。在正常运行期间，由于第一线圈组92为超导，所以没有或者很小电压加在跨接于第一线圈组92两个端子上的二极管两端。然而，如果在第一线圈组92的任何部分出现熄灭，那么二极管两端将产生电压。一旦二极管两端的电压达到其触发电压，二极管立即导通，并将电流提供给熄灭加热器98′/98″，所述熄灭加热器同时熄灭两个线圈组中的所有线圈。短时间后，随着第二线圈组94的熄灭，当二极管两端的电压达到其触发电压时，第二线圈组94的端子之间的二极管也导通。此外，可以利用磁体等变率下降单元99在紧急情况下实现快速等变率下降。使用时，当操作员希望快速等变率下降线圈时，操作员触发磁体等变率下降单元99，以便导致第二线圈94熄灭，就象上面刚刚说明的关于在第一线圈组92出现的初始熄灭那样，所述熄灭将使所有线圈同时产生熄灭。虽然利用设置成熄灭第二线圈组94的磁体等变率下降单元99进行了说明，但是可以把单元99设置成熄灭任何线圈组。
图4包括保护二极管106，在一个实施例中，当加热器98′/98″两端的电压至少等于二极管106的击穿电压时，所述二极管106通过提供与加热器98′/98″并联的闭合电路来保护加热器98′/98″。一般地说，二极管106与容易烧坏的低电压熄灭加热器一起使用。
电路90的技术作用包括主动检测出现在线圈系统任何地方的熄灭并且防止在熄灭期间破坏磁体、具有允许高的患者通过速度的零涡流时间常数、在熄灭期间没有或很少不平衡磁场强度和边缘磁场散焦、允许早期检测在包括小线圈的任何线圈中引起的任何熄灭、以及在熄灭期间具有低的热点温度。此外，电路90保证在磁体等变率期间没有或很少与熄灭保护部件相关联的氦汽化、保证没有对磁体等变率(磁体可以以高的电压等变率，只要它不熄灭所述磁体)的不利影响、并且电路90提供低成本的熄灭保护。
虽然已经以各种各样的实施例说明了本发明，但是，本专业的技术人员将明白，可以利用在权利要求书的精神和范围内的修改来实现本发明。

Claims (8)

1.一种熄灭保护电路(90)，它包括：
第一线圈组(92)；
第二线圈组(94)；
第一二极管(100)；
第二二极管(100)；
第三二极管(100)；
线圈隔离线(96)，位于第一二极管和第二二极管的连接点与第一线圈组和第二线圈组的连接点之间；
第一熄灭加热器(98)，它直接连接到所述线圈隔离线；
连接到所述线圈隔离线的第二熄灭加热器(98)，
其中第一二极管(100)与第一熄灭加热器(98)串联，使得第一二极管(100)和第一熄灭加热器(98)与第一线圈组(92)并联，其中第一线圈组(92)两端的电压等于第一二极管和第一熄灭加热器的电压之和，
其中第二二极管(100)与第一熄灭加热器(98)串联，使得第二二极管(100)和第一熄灭加热器(98)与第二线圈组(94)并联，以及
其中第三二极管(100)与第二熄灭加热器(98)串联，使得第三二极管(100)和第二熄灭加热器(98)与所述第二线圈组(94)并联。
2.如权利要求1所述的电路(90)，其中所述第二二极管设置成具有与所述第一二极管的极性相反的极性。
3.如权利要求1所述的电路(90)，还包括至少一个分流电阻(95)，所述分流电阻连接到所述线圈隔离线(96)，同所述第一熄灭加热器(98)和所述第二熄灭加热器(98)并联。
4.如权利要求3所述的电路(90)，其中，所述第一线圈组(92)包括至少一部分主线圈和至少一部分屏蔽线圈。
5.如权利要求1所述的电路(90)，其中，所述第一线圈组(92)包括至少一部分主线圈和至少一部分屏蔽线圈。
6.如权利要求1所述的电路(90)，还包括：
第三熄灭加热器(98)，它与所述线圈隔离线(96)连接。
7.如权利要求1所述的电路(90)，还包括保护二极管(106)，所述保护二极管与所述第二熄灭加热器并联。
8.如权利要求1所述的电路(90)，还包括：
分流电阻(95)，它设置成与所述第一熄灭加热器并联，以便调节流经所述熄灭加热器的电流。
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