CN1834682B - 有效屏蔽的超导磁体漂移补偿线圈的系统、方法和装置 - Google Patents
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Abstract
有效屏蔽的超导磁体漂移补偿线圈的系统、方法和装置提供系统、方法和装置，在一些实施例中借助所述系统、方法和装置通过包括漂移补偿线圈(108)能够减少核磁共振成像(MRI)系统中的磁场(104)的漂移，所述漂移补偿线圈(108)通过与主线圈(102)的电磁互感以与主线圈(102)的衰减成比例的速率积聚电流。在一些实施例中，漂移补偿电路(108)包括在外部直径(110)处的反向线圈匝，以便在主线圈(102)失超期间显著地减少边缘场的任何加重。在其他实施例中，有效屏蔽漂移补偿线圈(108)由非耦合外部干扰屏蔽线圈(202和204)来弥补。
Description
技术领域
本发明一般性涉及磁场的生成，更具体地讲涉及修改生成的磁场。
背景技术
核磁共振成像(MRI)系统使用磁场感测物体的结构。该结构对磁场的成像体积的强度产生干扰和变化。磁场强度的这些干扰和变化被检测和解译从而得到物体结构的图像。在许多MRI系统中，磁场由超导磁体产生以提供强磁场。对磁场的检测和解译取的是特定大小的磁场强度。
不幸的是，超导磁体在磁场强度上，经历每小时每百万大约0.01的量级的比率的小的衰减。磁场衰减也称为漂移。为了实现超导MRI系统的优势，必需获得高稳定的无衰减场以便正确地解译磁场。磁场强度的衰减致使对磁场的解译不正确，并最终致使从磁场产生的图像发生错误。
在NMR试验中，通过令质子受缚于部分极化了原子核自旋的大磁场检测质子。然后利用射频(RF)辐射激发自旋，并且当它们放出时就会发出微弱的射频辐射。辐射的频率与它们受缚的磁场成比例。
光谱学和功能性成像fMRI对场衰减特别敏感。在光谱学中，谱线宽度接近1Hz。为了提高信噪比，将几百个光谱(每个由几秒间隔)加在一起。因此，几分钟上超过1Hz的偏移产生显著的分辨率损失。fMRI图像也对数Hz的频率偏差敏感。在30分钟的扫描下，每小时0.1ppm的A3 Tesla磁场衰减将造成0.15微Tesla(6Hz)的场漂移。
在多数常规的MRI系统中，通过利用昂贵的高规格的导线和精细的接头制造MRI系统，将衰减率减小到了很低的水平。
在一些常规的MRI系统中，通过在MRI系统中包括具有合适的几何结构的辅助线圈，将衰减率减小到很低的水平。这些辅助线圈也被称为漂移补偿线圈，因为辅助线圈抵消磁场强度的漂移或衰减。当主线圈的电流随着时间衰减，辅助线圈依照Len’s定律保持磁通并且积聚电流。因而辅助线圈在成像体积内维持非常稳定的场。这种辅助线圈可以用来满足非常低的衰减率要求，或简单地消除由于主线圈中的辅线或接点的缺陷带来的场衰减的风险。漂移补偿线圈也称为锁定线圈。漂移补偿线圈通常用超导材料制造。
常规的漂移补偿线圈与主线圈紧密地电磁耦合。不幸的是，这种耦合导致漂移补偿线圈在主线圈失超期间倾向于相当高的峰值感应电流(例如～1000A)。对于有效屏蔽的磁体，漂移补偿线圈中这样的高电流可能导致大范围的磁场晕，这是潜在危险的并且可能损害磁场范围内的敏感设备。磁场晕是扩大了的磁场区域，可以被扩展到对设备或人有害或危险的磁场区域。磁场晕可能导致电子医疗设备出故障或人体内的心脏起搏器失效。因而，常规的漂移补偿线圈可能具有与它们在其中运行的健康保健装置的目标相反的危险效果。漂移补偿线圈中过量的峰值感应电流还可能损害漂移补偿线圈。
在常规的MRI系统中，通过迫使漂移补偿线圈早些失超能够减小由漂移补偿线圈和主线圈的耦合引起的峰值感应电流。当主线圈失超时，漂移补偿线圈将迅速地积聚电流，并且，在某些点，由于它达到了它在超导状态下能保持的最大电流或增加的劳伦兹力产生了导致摩擦加热的线移动，它很可能也失超。
在一个例子中，提早令漂移补偿线圈失超是通过利用具有低临界电流的线圈绕组制造漂移补偿线圈来实现的。绕组也称为线圈匝。在另一个例子中，通过配置由主线圈的失超电压驱动的失超加热器而提早令漂移补偿线圈失超。
不管漂移补偿线圈多早失超，这些线圈通常构成了少量的绕组。因而，漂移补偿线圈具有很低的正常电阻，并且因之在失超后能够继续积聚电流。增加线圈匝数就会增加了漂移补偿线圈中的电阻，也增加了线圈的自感量。这两个因素都倾向于削弱漂移补偿线圈中的峰值感应电流。但是，促使漂移补偿线圈在低感应电流失超是困难的。另外，具有增加的绕组的漂移补偿线圈将导致在任何给定的电流下边缘场贡献增加。如果失超模拟显示线圈甚至在本身失超之后继续积聚电流，减少导线中铜芯的截面区域将增加电阻并且因而减少漂移补偿线圈在失超期间的电流积聚。但是减少导线中铜芯的截面区域还将减小导线正常的电流携带能力，导致增加失超损害的风险。导体中铜芯的截面区域是控制导线在非超导状态下能够携带的电流量的主要因素。
由于以上所述的原因，以及以下说明的对于本领域技术人员通过阅读和理解本说明书将显而易见的原因，本领域中需要MRI系统中在主线圈失超期间不会引起磁场晕的漂移补偿线圈。
发明内容
这里解决了上述的缺点、不利之处和问题，通过阅读和学习下面的说明将理解这一点。
一方面，一种装置包括可用来产生磁场的有效屏蔽的主线圈(具有内部直径和外部直径)，还包括有效屏蔽的漂移补偿线圈，漂移补偿线圈具有位于主线圈的内直径附近的线圈匝和位于主线圈的外直径附近的反向的线圈匝。
另一方面，一种装置包括可用来产生磁场的有效屏蔽的主线圈(具有内部直径和外部直径)，还包括非耦合的外部干扰屏蔽线圈，其具有位于主线圈的外直径附近的线圈匝和位于主线圈的内直径附近的附加线圈匝。
又一方面，一种装置包括主线圈和漂移补偿线圈，主线圈与并联的超导开关和保护二极管串联，漂移补偿线圈与并联的超导修正线圈串联和保护二极管(或电阻)并联。在一些实施例中，这个方面还包括非耦合的外部干扰屏蔽线圈，其与超导修正线圈串联并与保护二极管(或电阻)并联。
该装置减少了在主线圈失超期间该装置引起的电磁场衰减，而没有扩大边缘磁场。另外，不必借助于阻止漂移补偿线圈在失超期间积聚电流的措施而致使磁场晕减小。利用附加的非耦合外部干扰屏蔽线圈的实现，将成像体积的磁场从由于附近的移动物体(诸如电梯、火车、卡车等)引起的磁场环境干扰中屏蔽出来。
这里描述了范围变化的装置、系统和方法。除了总结中描述的方面和优点，通过参考附图和阅读以下的详细说明将清楚其它方面和优点。
附图说明
图1是依照一个实施例的装置的截面框图，其中有效屏蔽的漂移补偿线圈位于主线圈的内部直径附近，并且漂移补偿线圈还具有位于主线圈的外部直径附近的相反的缠绕线圈匝。
图2是依照一个实施例的装置的截面框图，其中非耦合外部干状屏蔽线圈位于主线圈的外部直径附近，并且其还具有位于主线圈的内部直径附近的以相同方向缠绕的线圈匝。
图3是依照一个实施例的包括图1和图2的所有特征的装置的截面框图。
图4是其中三个部分作为独立电路布线的装置的示意图。
具体实施方式
在以下详细说明中，参考了形成系统一部分并且作为可以实施的特定实施例的说明显示的附图。对这些实施例足够详细地进行了描述，以便使得本领域的技术人员能够实施所述实施例，并且理解可以使用其它实施例，并且在不偏离所述实施例的范围的情况下可以进行逻辑的、机械的、电子的和其它修改。因而以下的详细说明不是限制的目的。
详细说明被分为三个章节。在第一章节，描述了系统级别概览。在第二章节，描述了实施例的装置。最后，在第三章节，提供了详细说明的结论。
系统级别概览
图1是依照本发明一个实施例的系统100的截面框图，其中有效屏蔽的漂移补偿线圈位于主线圈的内部直径附近，并且其还具有位于主线圈的外部直径附近的相反缠绕的线圈匝。系统100满足了本领域中对于核磁共振成像(MRI)系统中的在主线圈的失超期间减少成像体积内磁场的衰减同时没有扩大边缘磁场的漂移补偿线圈的需要。
系统100包括主线圈102，其能够生成成像体积104中的均匀磁场。主线圈102具有内部直径106。
系统100还包括抵消由于主线圈的电阻或“漂移”而引起的磁场衰减的漂移补偿线圈的内部线圈匝108。系统100示出了位于内部直径106之内的有效屏蔽的漂移补偿线圈的内部线圈匝108的位置的特定实施例。系统100还包括实质上削弱由漂移补偿线圈产生的边缘场的漂移补偿线圈的反向缠绕的外部线圈匝112。
在一些系统100的实施例中，有效屏蔽的漂移补偿线圈的内部线圈匝108是没有分段或细分的单漂移补偿线圈(未示出)。在一些实施例中，有效屏蔽的漂移补偿线圈的细分内部线圈匝108包括如系统100所示的三个段。在有效屏蔽的漂移补偿线圈的分段内部线圈匝108或单有效屏蔽的漂移补偿线圈(未示出)的实施例中，有效屏蔽的漂移补偿线圈的内部线圈匝108的几何结构可以被优化，以便平衡低量级的均匀条件，随着时间产生可忽略的均匀损耗。
主线圈102还具有外部直径110。漂移补偿线圈还具有一个或多个位于主线圈102的外部直径110附近的反相缠绕的线圈112。在一些诸如图1所示的实施例中，有效屏蔽漂移补偿线圈112更具体地位于外部直径110之外。位置接近于主线圈102的外部直径110的有效屏蔽漂移补偿线圈112的外部线圈匝减小了漂移补偿线圈108对边缘磁场的贡献。
如上所述，有效屏蔽漂移补偿线圈112具有多个其方向为与内部漂移补偿线圈108的线圈匝的方向116相反的方向114的线圈匝或绕组。漂移补偿线圈的外部线圈匝112缠绕或布线的方向与内部线圈匝108相反。因此，如果线圈匝108携带顺时针方向的一定量的电流，那么外部线圈匝112将携带逆时针方向的同等大小的电流。线圈匝112的位置和数目被优化，以便最小化由漂移补偿线圈的内部线圈匝108产生的边缘磁场。因此，图1所示的方向114和116是启发性的，不是必须性的示例。例如，如果漂移补偿线圈108的内部线圈匝的方向116被表示为+ve，那么有效屏蔽的漂移补偿线圈112的外部线圈匝的方向114被表示为-ve。相反，如果内部漂移补偿线圈108的线圈匝的方向116被表示为-ve，那么有效屏蔽的漂移补偿线圈112的外部线圈匝的方向114被表示为+ve。
实施例的装置
在前面章节中，描述了对实施例的操作的系统级别的概要。在本章中，参考一系列附图描述了这种实施例的特定装置。
图2是依照实施例的包括非耦合外部干扰屏蔽线圈的任意已有技术装置200的截面框图。
在装置200中，非耦合外部干扰屏蔽线圈的外部线圈匝202位于主线圈102的外部直径110附近。非耦合外部干扰屏蔽线圈的内部线圈匝204位于主线圈102的内部直径106附近。
非耦合外部干扰屏蔽线圈具有外部线圈匝202中的多数线圈匝，以及内部线圈匝204中的附加线圈匝。外部线圈匝202和内部线圈匝204都以相同的方向116缠绕。位于内部线圈匝204中的附加线圈匝减小了外部干扰屏蔽线圈202和204与主线圈102之间的电感。非耦合的外部干扰屏蔽线圈202和204是与主线圈散耦合的，这防止了非耦合的外部干扰屏蔽线圈202和204在主线圈的失超期间经历电流的大幅度减小。
非耦合外部干扰屏蔽线圈与图1所示的有效屏蔽的漂移补偿线圈的不同之处在于外部线圈匝202和内部线圈匝204相对彼此是以相同的方向缠绕或布线的。因此，如果线圈匝202携带顺时针方向的电流，内部线圈匝204将同样携带顺时针方向的电流。
图3是依照一个实施例的包括图1和2的所有特征的装置300的截面框图。系统300提供系统100和装置200的所有优点。具有有效屏蔽的漂移补偿线圈108和112的有效屏蔽主线圈102由非耦合的外部干扰屏蔽线圈202和204补充。成像体积104中的磁场补偿在主线圈102失超期间主线圈102的衰减和外部干扰的影响而不会导致显著的磁场晕。
图4是其中三个部分作为独立电路布线的装置400的示意图。
在装置400的第一个部分402中，主线圈102与并联的超导开关404和开关保护二极管406串联。开关保护二极管406限制跨越超导开关404的电压而不管多高的电流通过超导开关404。
在第二部分408中，有效屏蔽的漂移补偿线圈108和112与并联的超导开关410和开关保护二极管412串联。
在第三部分414中，非耦合外部干扰屏蔽线圈202和204与并联的超导开关416和开关保护二极管418串联。
在一些实施例中，一个或多个开关保护二极管406、412或418由电阻代替。
结论
描述了具有减小的磁漂移而没有加重边缘磁场晕的核磁共振成像系统。尽管这里图示和说明了特定的实施例，本领域的普通技术人员应理解计划实现相同目的的任何设置可以用来代替示出的特定实施例。本应用意图覆盖任何改变或变化。
具体地，本领域的技术人员将很容易地意识到所述方法和装置的名称并非为了限定实施例。另外，在不偏离实施例的范围的情况下，可以向所述组件增加附加的方法和装置，在组件之间重新安排功能，引入对应于未来的改进的新组件和实施例中使用的物理设备。本领域的技术人员将很容易地认识到所述实施例适用于将来的MRI设备和新的主线圈。
本申请使用的术语意味着包括提供这里所描述的相同功能的所有环境和替换技术。
部件列表
100依照一个实施例的系统，其中有效屏蔽漂移补偿线圈位于主线圈的内部直径附近，反向缠绕线圈匝位于主线圈的外部直径附近
102能够产生均匀磁场的主线圈
104成像体积
106主线圈的内部直径
108漂移补偿线圈的内部线圈匝
110主线圈的外部直径
112有效屏蔽漂移补偿线圈
114相反方向
116方向
200依照一个实施例的包括非耦合外部干扰屏蔽线圈的当前技术装置
202非耦合外部干扰屏蔽线圈的外部线圈匝
204非耦合外部干扰屏蔽线圈的内部线圈匝
300依照一个实施例的包括图1和2所有特征的装置
400其中三个部分布线为独立电路的装置
402第一部分
404超导开关
406并联的开关保护二极管
408第二部分
410超导开关
412并联的开关保护二极管
414第三部分
416超导开关
418并联的开关保护二极管
Claims (5)
1.一种具有磁场的最小衰减的装置，所述装置包括：
能够产生磁场的主线圈(102)，所述主线圈(102)具有内部直径和外部直径；
有效屏蔽的漂移补偿线圈(108)，具有位于所述主线圈(102)的所述内部直径附近的线圈匝和位于所述主线圈(102)的所述外部直径(110)附近的线圈匝；
非耦合外部干扰屏蔽线圈(202)，具有位于所述主线圈(102)的所述外部直径(110)附近的线圈匝和位于所述主线圈(102)的所述内部直径附近的线圈匝。
2.如权利要求1所述的装置，其中位于所述主线圈(102)的所述内部直径附近的所述有效屏蔽的漂移补偿线圈(108)的线圈匝还包括：
位于所述主线圈(102)的所述内部直径之内的线圈匝。
3.如权利要求1所述的装置，其中位于所述主线圈(102)的所述外部直径(110)附近的所述有效屏蔽的漂移补偿线圈(108)的线圈匝还包括：
位于所述主线圈(102)的所述外部直径(110)之内的线圈匝。
4.一种具有磁场的最小衰减的装置，所述装置包括：
第一部分(402)，包括与并联的超导开关(404)和开关保护二极管(406)串联的主线圈(102)；
第二部分(408)，包括多个漂移补偿线圈(108和112)，所述多个漂移补偿线圈与并联的超导开关(410)和开关保护二极管(412)串联；以及
第三部分(414)，包括多个非耦合外部干扰屏蔽线圈(202和204)，所述多个非耦合外部干扰屏蔽线圈与并联的超导开关(416)和开关保护二极管(418)串联。
5.如权利要求4所述的装置，其中至少一组开关保护二极管由开关保护电阻代替。
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