CN1798981B - 磁共振成像扫描器及制造磁共振扫描器的方法 - Google Patents

Abstract

一种磁共振成像扫描器包括定义圆筒轴(16)的大体上圆筒形的主磁体组件(10)。第一组垫片(60)刚性地放置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)约第一距离(d₁)处。第二组垫片(62)刚性地放置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)约第二距离(d₂)处。第二距离(d₂)不同于第一距离(d₁)。大体上圆筒形的射频线圈(26)设置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)约第三距离(d₃)处。多个梯度线圈(26)设置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)约第四距离(d₄)处。

Description

磁共振成像扫描器及制造磁共振扫描器的方法

技术领域

本发明涉及诊断成像技术。本发明尤其应用于采用强场、短孔磁体的磁共振成像中，且将具体参照上述进行描述。然而，本发明还应用于其它类型的磁共振成像扫描器中。

背景技术

在磁共振成像中，强主(B₀)磁场是有益的。强主磁场产生更强的磁共振信号，并继而得到更高的信噪比。目前，高分辨率磁共振成像扫描器的主磁体提供约1.5特斯拉的主B₀磁场强度。目标是具有产生高于3特斯拉的磁场的主磁体的扫描器。

然而，对于固定的磁体长度，随着磁场强度的增加，保持磁场均匀变得越来越困难。因此，更高强度的主磁体通常产生相应的更小可用成像视场。通过穿过更长的磁体孔可扩大视场。但是更长的孔会增加患者通道并引起幽闭恐怖症和其它问题。

每个扫描器通常采用钢材或其它磁性材料垫片定制地用垫片调整磁场，以补偿磁场的不均匀性。在一种设置中，垫片安装在由梯度线圈线圈架支撑的托盘中。由于在磁体孔内还放置了大量的其它部件，所以将固定钢材靠近成像体积放置是复杂的。这些其它部件包括整体射频线圈和可选局部射频线圈，用于在x-、y-和z-方向产生磁场梯度的梯度线圈，以及用于屏蔽附近结构使其不受梯度线圈影响的屏蔽线圈。特别是，射频线圈放置在梯度线圈和其它金属结构内，从而梯度线圈不会影响射频线圈。射频线圈优选放置在尽可能靠近成像体积处。放置在靠近成像体积处的钢材对于展宽视场更为有效，且对高阶磁场项产生更强的影响。为获得最佳性能，精确放置固定钢材阵列是重要的。

发明内容

本发明设想一种克服上述局限性和其它缺陷的改进的设备和方法。

根据一方面，公开了一种磁共振成像扫描器，包括：限定圆筒轴的圆筒形的主磁体组件；第一组垫片，刚性地放置在主磁体组件内距圆筒轴第一距离处；第二组垫片，刚性地放置在主磁体组件内距圆筒轴第二距离处，所述第二距离不同于所述第一距离；圆筒形的射频线圈，设置在主磁体组件内距圆筒轴第三距离处；和多个梯度线圈，设置在主磁体组件内距圆筒轴第四距离处；其中所述第一组垫片包括：圆筒形的介电线圈架；布置在圆筒形的介电线圈架上的磁性材料组；和封装该磁性材料组的塑料封装，其中所述塑料封装包括开口，模制固定装置通过该开口取出。

根据另一方面，提供一种制造磁共振扫描器的方法，该方法包括：将第一组垫片刚性地放置在主磁体组件内距主磁体组件的圆筒轴第一距离处；将第二组垫片刚性地放置在主磁体组件内距圆筒轴第二距离处，第二距离不同于第一距离；将圆筒形的射频线圈安装在主磁体组件内距圆筒轴第三距离处；和将多个梯度线圈安装在主磁体组件内距圆筒轴第四距离处；其中所述第一组垫片的放置包括：在第一组垫片周围模制塑料材料，所述模制包括：在圆筒形的介电线圈架上布置磁性材料组；和使用塑料材料的塑料封装来封装该磁性材料组，将模制的塑料材料结合到圆筒形的介电线圈架上，其中所述塑料封装包括开口，模制固定装置通过该开口取出。

根据又一方面，提供一种利用磁共振成像扫描器进行磁成像的方法。该扫描器包括定义圆筒轴的大体圆筒形主磁体组件，刚性地放置在主磁体组件内距圆筒轴约第一距离处的第一组垫片，刚性地放置在主磁体组件内距圆筒轴约第二距离(不同于第一距离)处的第二组垫片，设置在主磁体组件内距圆筒轴约第三距离处的大体上圆筒形的射频线圈和设置在主磁体组件内距圆筒轴约第四距离处的多个梯度线圈。通过主磁体组件以及第一和第二组垫片的协作在视场内生成基本均匀的磁场。采用大体上圆筒形的射频线圈和另一个射频线圈中的一个在视场内激发磁共振。采用由多个梯度线圈产生的磁场梯度对磁共振进行空间编码。采用大体上圆筒形的射频线圈和另一个射频线圈中的一个检测所激发的和被空间编码的磁共振。

本发明的优点在于节省了制造时间和精力，以及现代化的建造工作流程。

另一优点在于垫片的对称封装布置构造成具有小的净Z推力，以及大体向外朝向封装支撑结构的径向力。

另一个优点在于精度提高，固定钢材在磁体孔内放置的公差减小。

另一优点在于更有效地使用磁体孔内的空间。

还有一个优点在于将钢材放置得靠近成像体积以扩大视场。对于给定量的钢材，与将钢材放置得远离成像体积相比，将钢材放置得靠近成像体积对磁场的影响更为有效。

在阅读下面优选实施例的详细描述后，本发明的许多其它优点和有益效果将对本领域技术人员变得更为明显。

附图说明

本发明可以采取各种元件和元件布置的形式，且可采取各种处理操作和处理操作的安排的形式。附图仅是为解释说明优选实施例的目的而不是要限制本发明。

图1图示出磁共振成像系统，其包括磁共振成像扫描器的图解侧剖面图。

图2图示出图1中磁共振成像扫描器的端部视图。

图3示出磁共振成像扫描器的介电线圈架的透视图，其上固定有鸟笼射频线圈和固定垫片组。

图4示出图3的透视图，其中固定垫片组固定到介电线圈架上。在图4的视图中鸟笼射频线圈已被取下。

图5示出示例性模块，其包含有结合到单独模制的托盘上的固定垫片组。

图6示出图5中的模块和单独模制的托盘的一部分的剖视图，其中由该截面显示被该模块封装的垫片组。

图7示出图5中模块之一以及单独模制的托盘一部分的放大透视图。

图8示出图7中模块和托盘部分的剖视图，其中由该截面显示所封装的垫片组。

具体实施方式

参见图1-3，磁共振成像扫描器(图解地示出其横截面)包括环形主磁体组件10，其优选为超导的且由冷防护罩12包围。该主磁体组件通常包括有源屏蔽线圈。主磁体10和冷防护罩12限定磁体孔14，病人或其它成像对象放置在所述磁体孔14内以进行成像。主磁体10产生在空间上和时间上恒定且均匀的主磁场，该主磁场的方向为沿着孔14的纵轴方向。代替超导磁体，也可采用非超导磁体。在优选实施例中，主磁体10限定约1.5米或更短的短孔磁体，并在磁体孔14内产生3特斯拉或更强的强磁场。然而，磁体也可是孔较长的磁体和/或产生较低强度的磁场。

磁场梯度线圈20在孔14内产生磁场梯度以用于对磁共振信号进行空间编码或产生磁化干扰(magnetization-spoiling)磁场梯度等。优选地，磁场梯度线圈20包括构造成在包括平行于主磁场的纵轴方向在内的三个正交方向上产生磁场梯度的线圈。例如，梯度线圈20可包括x-梯度线圈、y-梯度线圈和纵向z-梯度线圈。屏蔽梯度线圈22将主磁体10和冷防护罩12的导电部分以及周围结构与梯度磁场屏蔽开。

一个大体圆筒形介电线圈架24支撑射频线圈组件26，其生成用于激发磁共振的射频脉冲。射频线圈组件26还用于检测磁共振信号。可选择地，可包括额外的局部射频线圈或相控射频线圈阵列(未示出)，以用于激发和/或检测孔14内局部区域处的磁共振。

梯度脉冲放大器30向磁场梯度线圈20传递受控电流，以产生选定的磁场梯度。磁场梯度控制器32控制该梯度脉冲放大器30。优选为数字式的射频发射器34向射频线圈组件26施加射频脉冲或脉冲群，以产生选定的磁共振激发。也耦合到射线圈组件26的射频接收器36接收磁共振信号。如果设置一个以上的射频线圈(如局部线圈或相控线圈阵列)，则不同线圈任选地用于磁共振激发和检测操作。

为采集对象的磁共振成像数据，将对象放置在磁体孔14内，优选在主磁场等角点处或等角点附近。顺序控制器40与梯度控制器32和射频发射器34通信，以在对象内产生选定的瞬时或稳态磁共振配置、对该磁共振进行空间编码、有选择地干扰(spoil)磁共振、或生成对象的选定磁共振信号特征。所生成的磁共振信号由射频接收器36检测，并存储在k-空间存储器44内。成像数据由重建处理器46重建，以产生存储在图像存储器48内的图像表示。在一个适当的实施例中，重建处理器46进行反向傅里叶变换重建。

得到的图像表示由视频处理器50处理，并显示在用户界面52上，所述用户界面52优选为个人计算机、工作站或其它类型的计算机。图像表示也可不产生视频图像，而是由打印机驱动器处理并打印，或在计算机网络或因特网等上传送等等。优选地，用户界面52还允许放射师或其他操作者与磁共振顺序控制器40通信，以选择磁共振成像顺序、修改成像顺序和执行成像顺序等。

主磁体10在成像视场上产生基本均匀的磁场。为扩展或延伸该视场，在与由主磁体10定义的圆筒轴16相距径向距离约d₁处放置固定第一组垫片60的推进环(booster ring)。优选地，每个固定第一组垫片60包括一个或多个钢片或另一种磁性材料片，这些片固定在一起形成第一组垫片60。每个第一组垫片60中的磁性材料的量对应于所固定的钢片的数目和厚度。虽然优选采用垫片组以有利于可变质量垫片的大规模生产，也可考虑每个固定垫片包括具有选定质量的单个整体钢片或其它材料片，每个固定垫片的选定质量通常是不同的。

此外，可调整垫片62优选可选择地设置在距圆筒轴16径向距离d₂处，以校正制造缺陷或视场内磁场的其它非均匀性。通常，可调整垫片62也是钢片或另一种磁性材料片，其在主磁体10制造第一组垫片60的推进环定位后，可选择地放置在垫片托盘内或其它垫片容器内。在初始磁体校正期间，选择性地插入可调整垫片62以提高视场内的磁场均匀性。可选择地，在初级梯度线圈线圈架内安装直径更大的铁垫片环64(如图1所示)。

射频线圈组件26设置与圆筒轴16相距径向距离约d₃处，而磁场梯度线圈20设置在距圆筒轴16径向距离约d₄处。金属射频防护罩66将梯度线圈20和其它外部元件与由射频线圈26所生成的射频信号屏蔽开。通常，在小于有源元件径向距离的径向距离处设置孔衬垫(未示出)，以防止在成像期间与扫描器有源元件的接触，并提高磁共振成像扫描器10的外观美感。

在示出的实施例中，第一和第二组垫片60，62、射频线圈26和梯度线圈20具有或设置成约圆形截面的形状或轮廓，且由是为径向距离的距离d₁，d₂，d₃，d₄进行适当的描述。然而，本领域技术人员将会意识到，第一和第二组垫片、射频线圈和梯度线圈中的一个或多个可选择地具有或被设置成椭圆形或其它截面形状或轮廓，而不是所示出的示范性圆形截面轮廓。这种非径向结构由与圆筒轴的适当距离进行描述。例如，具有或被设置成约椭圆形轮廓的鸟笼射频线圈由沿椭圆长轴从圆筒轴到线圈的距离、沿椭圆短轴从圆筒轴到线圈的距离或沿椭圆中间轴从圆筒轴到线圈的距离进行适当的描述。

在优选的实施例中，推进环的固定第一组垫片60所处的距离d₁小于可调整垫片62可选择设置的距离d₂。放置在相对靠近视场处的垫片对较高阶磁场谐波具有较强作用，因此，该优选的较小距离d₁使固定第一组垫片60调整较高阶谐波，以有效地扩展或延伸视场、即基本均匀磁场的区域。可调整垫片62可选择设置在较大距离d₂处，在该处其对较低阶磁场项具有较大作用。

为了有效利用孔14内成像体积附近的空间，在优选设置中，固定第一组垫片60放置在与射频线圈组件相同的介电线圈架24上。在这种设置中，固定第一组垫片60的距离d₁基本上等于射频线圈组件26的距离d₃。梯度线圈20的距离d₄优选远大于距离d₁、d₃。在一优选实施例中，可调整垫片62可选择设置在初级梯线圈20的外侧；也就是说，距离d₂大于距离d₄。然而，可调整垫片62也可放置在初级梯度线圈20内部；也就是说，梯度线圈的距离d₄可以大于或等于可调整垫片的距离d₂。

固定第一组垫片60设置在射频线圈组件26的横挡70之间，该射频线圈组件26在一优选实施例中为鸟笼线圈。在示例性示出的实施例中，鸟笼线圈组件26具有16个大体上平行于圆筒轴16的横挡70，且推进环包括设置在射频线圈横挡70之间径向位置处的16排固定第一组垫片60。如图2中所最佳示出的那样，固定第一组垫片60优选以相对于圆筒轴16径向对称的方式设置。固定第一组垫片60还优选设置成关于孔14的纵向对称平面72(如图1所示)左右对称。径向和左右对称促进受控地和对称地改变主(B₀)磁场的较高阶项。相反，可调整垫片可任选地没有关于圆筒轴16的径向对称和关于纵向对称平面72的左右对称中的一个或两个都没有。

通过将推进环的固定第一组垫片60靠近成像体积放置，利用有限量的钢材或其它磁性材料就可获得成像体积的大幅伸展。然而，这种靠近放置还会导致对固定第一组垫片60精确放置的高灵敏度。此外，第一组垫片60通常承受来自主B₀磁场和来自由梯度线圈20所产生的磁场梯度的大量磁力。因此，固定第一组垫片60应当精确并刚性地固定到介电线圈架24上。在一优选实施例中，固定第一组垫片60通过采用塑料封装固定到介电线圈架24上。

参见图4和5，其中示出了12个固定第一组垫片60₁、60₂、60₃、60₄、60₅、60₆、60₇、60₈、60₉、60₁₀、60₁₁、60₁₂的模制条80。图6示出包含有前七个固定垫片组60₁、60₂、60₃、60₄、60₅、60₆、60₇的模制条80的部分的剖面图。在示出的实施例中，在每个模块中封装一至三个固定垫片组。这样，模块82包括垫片组60₁、60₂、60₃；模块84包括垫片组60₄、60₅；模块86包括垫片组60₆；模块88包括垫片组60₇；模块90包括垫片组60₈、60₉；以及模块92包括垫片组60₁₀、60₁₁、60₁₂。虽然在所示出实施例的每个模制组中包含一至三个垫片组，但是可考虑在一个封装模块中包含三个以上的垫片组。

模块82、84、86、88、90、92固定到单独模制的托盘96上。在优选实施例中，模块82、84、86、88、90、92通过超声结合到单独模制的托盘96上而被固定。每个模块82、84、86、88、90、92包括与单独模制的托盘96的相应表面配合并超声结合的配合延伸部100(见图6和8)。此外，单独模制的托盘96包括延长的边102(见图5-7)，其进一步支撑和定位模块82、84、86、88、90、92。虽然优选采用超声结合，也可考虑采用其它结合技术、例如灌封或采用机械紧固件进行固定，将模块固定到托盘上。单独模制的托盘96通过紧固件或超声结合等固定到大体圆筒形的介电线圈架22上。

具体参见图7和8，其中示例性模块82封装固定垫片组60₁、60₂、60₃。在封装前，将钢片或其它磁性材料片通过铆钉104固定在一起，以形成垫片组60₁、60₂、60₃。每个垫片组内的磁性片数目通常可不同。例如，图8示出垫片组60₁、60₂比垫片组60₃包含更多的磁性片。在一优选实施例中，垫片组60₁、60₂、60₃利用弹簧偏置销或其它模制固定装置定位在模块内，且塑料模块82利用注模、树脂转移模制(resin transfermolding，RTM)、压模或其它合适的技术模制在钢片周围。穿过模块82中的开口106取出模制固定装置。

在选择模制材料时考虑与钢或其它磁性材料的热匹配。大的热不匹配可能导致模块82在安装期间断裂或其它损坏。本发明人已进行了热模拟并已确定按以下定义封装材料的极限应变：

ε_ult≥(Δα·ΔT)F.S.            (1)，

其中

Δα＝α_{encapsulation}-α_shim      (2)，

ΔT＝T_g-T_min                      (3)，

ε_ult是封装材料的极限应变，α_{encapsulation}是封装材料的热膨胀系数，α_shim是垫片材料的热膨胀系数，T_g是封装材料的玻璃化转变温度，T_min是最低使用温度，以及F.S.是安全因数。在优选实施例中，模块82由

(通用电气的聚醚酰亚胺热塑塑料，其热膨胀系数为5.6×10^-5mm/mm·℃)制成。

具有约为60％的较大极限应变、有利的U.L.率和高强度、韧性和稳定性。然而，根据方程(1)-(3)可选择其它的热塑料。当采用优选的

封装材料时，使模块82有利地进行四到八小时退火，以加速应力释放。或者，在不退火的情况下，应力释放要经历大约一至两个星期的周期。在一实施例中，使固定垫片堆60₁、60₂、60₃的角成圆形，以便减少在角处的应力。

再返回具体参见图5和6，模块82、84、86、88、90、92还可设计成承受由主B₀磁场和磁场梯度施加在固定垫片组60₁、60₂、60₃、60₄、60₅、60₆、60₇、60₈、60₉、60₁₀、60₁₁、60₁₂上的相当大的力。用于减小这些力的一种技术是模块内的力平衡。也就是，单个模块内的两或三个垫片组优选是力平衡的，使得它们在垫片组之间的模制材料上施加压缩力。模制材料的抗压力的能力比抗张应力的能力更强。也可不采用结合到单独模制的托盘96上的多个模块82、84、86、88、90、92，而考虑制成包含固定垫片组60₁、60₂、60₃、60₄、60₅、60₆、60₇、60₈、60₉、60₁₀、60₁₁、60₁₂的单个模块。

本发明已参照优选实施例进行了描述。显然，在阅读和理解前述具体描述的基础上可进行其它修改和改变。旨在将本发明解释为包括全部这些修改和改变，只要它们落入附加权利要求或其等同表述的范围内。

Claims (19)

1.一种磁共振成像扫描器，包括：

圆筒形的主磁体组件(10)，所述圆筒形的主磁体组件限定圆筒轴(16)；

第一组垫片(60)，刚性地放置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第一距离(d₁)处；

第二组垫片(62)，刚性地放置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第二距离(d₂)处，所述第二距离(d₂)不同于所述第一距离(d₁)；

圆筒形的射频线圈(26)，设置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第三距离(d₃)处；和

多个梯度线圈(20)，设置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第四距离(d₄)处；

其中所述第一组垫片(60)包括：

圆筒形的介电线圈架(24)；

布置在圆筒形的介电线圈架(24)上的磁性材料组；和

封装该磁性材料组的塑料封装(82，84，86，88，90，92)，其中所述塑料封装包括开口(106)，模制固定装置通过该开口(106)取出。

2.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述第二距离(d₂)大于所述第一距离(d₁)。

3.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述第一距离(d₁)等于所述第三距离(d₃)。

4.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述第一组垫片(60)具有相对于所述圆筒轴(16)的径向对称性。

5.根据权利要求4所述的磁共振成像扫描器，其中所述第一组垫片(60)具有相对于纵向对称平面(72)的左右对称性，所述纵向对称平面(72)垂直于所述圆筒轴(16)。

6.根据权利要求5所述的磁共振成像扫描器，其中所述第二组垫片(62)关于所述圆筒轴(16)和所述纵向对称平面(72)中的至少一个不对称。

7.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述塑料封装(82，84，86，88，90，92)包括：

单独模制的托盘，每个单独模制的托盘将一个或多个磁性材料组固定到圆筒形的介电线圈架(24)上。

8.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述塑料封装(82，84，86，88，90，92)具有热膨胀系数α_{oncapsulation}，使得ε_ult≥(Δα·ΔT)F.S.，其中Δα＝α_{encapsulation}-α_shim，ΔT＝T_g-T_min，ε_ult是封装材料的极限应变，数α_{oncapsulation}是封装材料的热膨胀系数，α_shim是垫片材料的热膨胀系数，T_g是封装材料的玻璃化转变温度，T_min是最低使用温度，以及F.S.是安全因数。

9.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中所述塑料封装(82，84，86，88，90，92)由聚醚酰亚胺热塑塑料制成。

10.根据权利要求1所述的磁共振成像扫描器，其中每个磁性材料组包括：

通过至少一个紧固件(104)固定在一起的一个或多个钢片。

11.根据权利要求10所述的磁共振成像扫描器，其中所述钢片具有圆形边缘，以减小钢片和塑料封装(82，84，86，88，90，92)之间的应力。

12.一种制造磁共振扫描器的方法，该方法包括：

将第一组垫片(60)刚性地放置在主磁体组件(10)内距主磁体组件(10)的圆筒轴(16)第一距离(d₁)处；

将第二组垫片(62)刚性地放置在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第二距离(d₂)处，第二距离(d₂)不同于第一距离(d₁)；

将圆筒形的射频线圈(26)安装在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第三距离(d₃)处；和

将多个梯度线圈(20)安装在主磁体组件(10)内距圆筒轴(16)第四距离(d₄)处；

其中所述第一组垫片(60)的放置包括：

在第一组垫片(60)周围模制塑料材料，所述模制包括：

在圆筒形的介电线圈架(24)上布置磁性材料组；和

使用塑料材料的塑料封装(82，84，86，88，90，92)来封装该磁性材料组，

将模制的塑料材料结合到圆筒形的介电线圈架(24)上，其中所述塑料封装包括开口(106)，模制固定装置通过该开口(106)取出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述模制包括：

利用至少一个紧固件将所述第一组垫片(60)紧固到注模中；和

在第一组垫片(60)的周围注模所述塑料材料。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述模制还包括：

在注模后，去除该至少一个紧固件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述模制还包括：

在将第一组垫片(60)中的每个紧固到注模内之前，将选定数量的金属片固定在一起以定义第一组垫片(60)。

16.根据权利要求12所述的方法，其中将模制的塑料材料结合到圆筒形的介电线圈架(24)上包括：

将模制的塑料材料超声结合到单独模制的托盘(96)上；和

将单独模制的托盘(96)紧固到圆筒形的介电线圈架(24)上。

17.根据权利要求12所述的方法，其中在所述第一组垫片(60)周围模制塑料材料产生多个模块，其中每个模块包括所述第一组垫片(60)中的至少一个垫片，以及将模制的塑料材料结合到圆筒形的介电线圈架(24)上包括：

将模块结合到圆筒形的介电线圈架(24)周围的径向间隔开的位置处。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

将射频线圈(26)的横挡(70)在模块之间的径向间隙中固定到圆筒形的介电线圈架(24)上。

19.根据权利要求12所述的方法，其中在第一组垫片(60)周围模制塑料材料包括：

热退火以释放第一组垫片(60)和该塑料材料之间的应力。

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