CN207323541U - 一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构。磁体(60)为开放式U型结构，磁体间隙大于500mm，极板(3)半径为350mm至400mm。本实用新型的结构保证微创手术所需的系统开放度、安全性和便利性；尤其是，为了改善磁共振成像质量和实时性并保证手术器械精准定位和手术路线精准控制。

Description

一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构

技术领域

本实用新型涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构。

背景技术

精准微创治疗技术有利于提高疗效并减轻患者痛苦，在临床医疗上获得越来越多的应用。激光、X射线、伽马射线等放疗技术、高强度聚焦超声技术以及热消融和冷冻消融等介入治疗技术和其它各种微创手术都需要借助影像引导技术精确定位病灶并在治疗过程中实时精确监控电磁波、超声波或手术器械在靶标上的作用范围和疗效。与超声和CT等影像技术相比，磁共振影像(MRI)技术不仅具有高分辨率和多方位多参数成像优点，还能清晰显示解剖结构的边界、神经和血管，甚至实时监控人体生理活动和检测代谢产物以及靶标区域的温度，对人体无任何侵害和辐射损伤，故特别适合应用于影像导航。

现代MRI引导的立体定向脑外科等介入治疗系统通常由微创手术器械(或手术机器人)、光学跟踪定位子系统和MRI影像引导及导航子系统构成。对于MRI术中导航，磁体开放度、扫描速度和图像伪影是最为重要的技术指标，图像信噪比和分辨率要求能准确显示靶标位置和医疗器械位置，温度分布监控对于热/冷冻消融这类介入治疗要求精确可靠。由于上述技术要求，迄今为止进入临床应用的MRI影像导航产品为数不多，以开放式中低场MRI系统为主。例如，美国通用电气公司的Signa SP(0.5T)是中场超导开放式系统，通过铌锡合金材料制作的两个超导线圈垂直放置产生水平磁场，增加了可进入区域的宽度；德国西门子公司的Magnetom Open 0.2T和荷兰飞利浦公司的Proview0.23T Open是低场常导开放式系统，由上下两个阻抗型磁体产生垂直磁场，允许从一侧接近患者，并在近280°范围开展介入手术操作。此类影像导航系统对磁兼容手术器械的要求较低，且成像质量和速度能满足一般临床介入治疗需求，例如，前列腺癌、子宫肌瘤和关节疾病的活检或微创手术治疗。尽管高场强或超高场强的MRI系统为许多重要的成像方法和技术的应用提供了必需的高信噪比或高分辨率条件，但是超导磁体的圆柱形封闭结构和高成本严重限制了MRI技术在介入治疗和微创手术中的应用。长期以来，超导MRI介入治疗系统主要用于术前手术路线规划和术后疗效评估，而在术中导航中常常使用分时扫描方案，例如，GE的IntraOp SignaHD 3T系统在扫描和手术操作时需要通过滑轨在屏蔽室和手术室之间来回搬运，还需要借助立体定位技术(如光学跟踪技术)并通过物理空间和逻辑空间(即图像域)的转换实现器械标记跟踪，甚至需要开发繁琐复杂且必须高效运算的校正算法修正组织器官的术中位移误差，这使得这类高场MRI系统在介入治疗中的应用受到相当大的限制。相对而言，放射治疗较少受制于超导磁体的封闭结构，这可能允许超导MRI系统与直线加速器联用实现术中导航介入治疗，但要求肿瘤放疗的剂量和靶向精度能得到安全有效的控制。不管怎样，现代磁共振成像设备向开放式结构发展是大势所趋，这不仅可为患者(特别是幽闭症患者)改善检查的舒适度，尤其可为术中MRI影像引导应用开辟广阔空间。

我国自上世纪90年代以来也有少量永磁MRI系统用于医学研究机构的介入治疗临床试验，但基本上都是现有诊断型永磁成像系统与通用的光学跟踪定位仪的简单组合，还没有开发出独具MRI技术优势的专用导航系统和适合导航用的成像方法广泛应用于微创手术和介入治疗。

实用新型内容

为了克服现有成像仪磁体和线圈结构的开放度限制，并针对颅脑与关节疾病的活检和微创手术(如药物注射和穿刺引流等)治疗需要，本实用新型提出一种用于开放度高且定位精准的专用磁共振影像导航系统的成像磁体结构。

本实用新型提供了一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构。磁体(为开放式U型结构，磁体间隙大于500mm，极板半径为350mm至400mm。

优选的，所述极板半径为380mm。

优选的，磁体场强在0.2T至0.7T之间。

优选的，磁体场强为0.3T。

优选的，磁体的射频线圈为双平面圆极化结构，在外导体环与内导体环之间设置若干无磁电容；射频线圈通过T/R开关实现发射和接收的转换。

优选的，所述无磁电容数量为100以上。

优选的，X，Y和Z轴平面梯度线圈各有两组，一组置于一个磁极内侧，另一组置于另一个磁极内侧，线圈平面均平行于极板表面，并通过抗涡流板与极板隔开；其中，Z轴梯度线圈均由主梯度线圈和轴向屏蔽线圈构成，属于MAXWELL线圈，绕线为同心圆样式，主梯度线圈13匝，轴向屏蔽线圈14匝，接头标号为X+、X-、Y+、Y-、Z+和Z-的6根梯度电缆将两组梯度线圈经梯度电源滤波器连接至梯度功放13，接头标号同为X₀/Y₀/Z₀的梯度电缆之间互联。

优选的，主梯度线圈和轴向屏蔽线圈采用印刷电路板技术制作而成；轴向屏蔽线圈置于主梯度线圈外侧并靠近极板，轴向屏蔽线圈和主梯度线圈的梯度电流方向相反，磁场梯度限制在轴向屏蔽线圈圆周内，使线圈内电流脉冲与静磁场相互作用产生的推力被抵消。

优选的，主梯度线圈、轴向屏蔽线圈之间设置绝缘层。

优选的，主梯度线圈、轴向屏蔽线圈和绝缘层半径优选为350mm，每个线圈厚度为4mm至5mm，主梯度线圈和轴向屏蔽线圈间距为2mm至3mm。

有益效果：本实用新型的结构保证微创手术所需的系统开放度、安全性和便利性；尤其是，为了改善磁共振成像质量和实时性并保证手术器械精准定位和手术路线精准控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的用于微创手术导航系统结构图。

图2为图1中A-A向截面图。

图3为本实用新型实施例提供的平面射频线圈结构图。

图4为本实用新型实施例提供的梯度线圈结构图。

图5为本实用新型实施例提供的双平面主线圈和双平面轴向屏蔽线圈的绕线方式示意图。

图6为本实用新型实施例的MRI影像导航的信息化手术室示意图。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

如图1所示，将本磁体结构用于微创手术导航系统，所述微创手术导航系统包括：磁轭1、磁钢2、极板3、屏蔽线圈4、梯度线圈5、射频线圈6、扫描床7、加热棒8、加热片9、温度传感器10、外壳11、T/R接发开关12、梯度功放13、射频功放14、前置放大器15、温控单元16、光学跟踪定位系统17、线圈调谐控制单元18、扫描床控制单元19、导航成像控制单元20、系统控制接口21、主机22、显示器23。

磁体60设计为图1及图2所示的开放式U型结构，磁体场强在0.2T至0.7T范围，优先为0.3T以避免高场强加重图像的磁化率伪影或金属伪影。不同于传统磁体设计的重要技术指标是，磁体间隙大于450mm，极板3半径比常规诊断型减小1/5至1/4，以便增加手术操作的便利性。射频线圈6设计为双平面圆极化类型，在外导体环50与内导体环52之间设置若干无磁电容51，如图3所示，不同于诊断扫描用的平板射频线圈，这里通过T/R开关12同时实现发射和接收功能，避免独立接收线圈对微创手术的空间限制，特别是无磁电容51数量至少100以上，充分改善射频场发射和信号接收的均匀性，配套的射频功放具有15kW或更高功率以满足超快速导航成像序列的需要。

如图4所示，梯度线圈4设计为三组双平面主梯度线圈101，每组两个分别位于成像区上下并靠近极板3位置，分别在X轴、Y轴和Z轴方向产生线性梯度场，并在轴向主梯度线圈101外侧附加双平面轴向屏蔽线圈102，用目标场方法计算得到轴向双平面主梯度线圈101和轴向屏蔽线圈102的绕线形式，为如图5所示的同心圆样式，采用印刷电路板技术制作而成，轴向屏蔽线圈102接线方式与图4所示的梯度电缆接线方式类似，但梯度电流方向相反，主梯度线圈安装位置如图1和图2所示；另外，在双平面轴向主梯度线圈和轴向屏蔽线圈之间加绝缘层103并紧密连接，主梯度线圈101与极板3之间加装高导磁率高电阻率的涡流屏蔽板，充分减弱梯度切换时产生的涡流和推力并限制梯度线圈厚度增加。

其他参数如下：磁体60场强优选为0.3T，气隙优选为500mm，磁体极板3半径小于380mm，磁体60上方安装一个激光定位仪1，采用12V直流供电，一字线光斑形状，输出波长为635nm至650nm范围，位置坐标精确到0.1mm。梯度线圈最大梯度强度为15mT/m，切换速率为50mT/m/ms或更高，主梯度线圈101和轴向屏蔽线圈102半径优选为350mm，厚度4mm至5mm，间距2mm至3mm,且梯度线性度通常约束在5％以内，有效成像区DSV不小于250mm×250mm×300mm，并根据Biot-Savart定理计算梯度线性区域大小进行设计确认。

整套装置构成一个适合MRI影像导航的信息化手术室，如图6所示，包括：磁体60，激光定位仪61，扫描床7，卡口63，超大型液晶显示屏64，，键盘66，机柜67(内有主机和磁场报警器)，手术床68，辅助定位标线69。控制台采用移动式小型电脑桌，下放主机并安装一个磁场报警器，用于预防电脑桌进入10高斯范围受到强磁场干扰。成像数据采用光纤传输方式和双屏显示方式，小型液晶显示器65(医用触摸屏显示器)固定在电脑桌的桌面上，超大型液晶显示屏64安装在成像仪背面墙壁上。手术床68通过卡口63与扫描床7对接，病人可推入成像区，在扫描的同时进行手术，也可根据手术需要移出成像区进行某些特殊的手术操作。在临床扫描和手术期间，主机加载导航序列到导航成像控制单元，后者按照导航序列和导航参数控制射频发射线圈产生所需的射频脉冲，并控制梯度线圈产生所需的梯度电流脉冲，在人体成像部位产生三维空间编码的磁共振信号，然后，磁共振信号经射频接收线圈接收后通过导航成像控制单元上传到主机并由导航控制软件实时进行数据处理和图像显示，医师由此可及时获得手术器械和靶标位置信息。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，磁体(60)为开放式U型结构，磁体间隙大于500mm，极板(3)半径为350mm至400mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，所述极板(3)半径为380mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，磁体(60)场强在0.2T至0.7T之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，磁体(60)场强为0.3T。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，磁体的射频线圈(6)为双平面圆极化结构，在外导体环(50)与内导体环(52)之间设置若干无磁电容(51)；射频线圈(6)通过T/R开关实现发射和接收的转换。

6.根据权利要求5所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，所述无磁电容(51)数量为100以上。

7.根据权利要求1至4任一项所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，X，Y和Z轴平面梯度线圈各有两组，一组置于一个磁极内侧，另一组置于另一个磁极内侧，线圈平面均平行于极板(3)表面，并通过抗涡流板与极板(3)隔开；其中，Z轴梯度线圈均由主梯度线圈(101)和轴向屏蔽线圈(102)构成，属于MAXWELL线圈，绕线为同心圆样式，主梯度线圈(101)13匝，轴向屏蔽线圈(102)14匝，两组梯度线圈通过6根梯度电缆(104)经梯度电源滤波器连接至梯度功放13。

8.根据权利要求7所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，主梯度线圈(101)和轴向屏蔽线圈(102)采用印刷电路板技术制作而成；轴向屏蔽线圈(102)置于主梯度线圈(101)外侧并靠近极板(3)，轴向屏蔽线圈(102)和主梯度线圈(101)的梯度电流方向相反，磁场梯度限制在轴向屏蔽线圈(102)圆周内，使线圈内电流脉冲与静磁场相互作用产生的推力被抵消。

9.根据权利要求7所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，主梯度线圈(101)、轴向屏蔽线圈(102)之间设置绝缘层(103)。

10.根据权利要求7所述的一种用于微创手术导航系统的成像磁体结构，其特征在于，主梯度线圈(101)、轴向屏蔽线圈(102)和绝缘层(103)半径优选为350mm，每个线圈厚度为4mm至5mm，主梯度线圈(101)和轴向屏蔽线圈(102)间距为2mm至3mm。