具有橫向磁場的超導開放mri磁體的制作方法

專利名稱：具有橫向磁場的超導開放mri磁體的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁體，具體地說(但不必限于)，涉及用于磁共振成像設備的磁體，特別是涉及開放的磁體，即成像空間(要成像的患者的該部分設置在其中)沒有被磁體所包圍的磁體。
背景描述MRI的特殊要求是較強的均勻磁場，通常為0.2至2特斯拉，在成像空間中每百萬個部件中少數幾個部件的磁場均勻性，通常直徑為30厘米至50厘米的球體。最普通的是這種磁場由具有螺線管結構的電磁體產生，但這需要通過磁體包圍患者并且封閉在中心孔管中。雖然這種孔管的長度通常為1.6米或更短，但它仍然導致幽閉恐怖的感覺，某些患者對它是非常緊張的。此外，這種設計不能提供對于介入過程可能是必不可少的或者在要求伙伴靠近以使患者感覺輕松些時對患者的任何接近。但是，通過使用開放的磁體，這些問題都可以被克服，或者至少基本被減輕。
在MRI系統中使用的開放的磁體大家非常熟悉。一種形式的開放的電磁體通常描述為“分裂對”，包括通常為螺線管結構的一對并置的線圈組，并且可以包括在軸線周圍的孔管。通過在組件之間具有間隙的支撐結構保持線圈組分開足夠容許人站立的寬度，因此沿系統的任何主軸可以進入在它們之間的成像空間。通常，患者可以沿螺線管的軸線站立。在螺線管組件之間的間隙適合于進入以進行介入工作。這種系統描述在US-A-5,381,122中和在Laskaris等人在IEEETransactions in Applied Superconductivity，Volume 5，Number2，June 1995中發表的題為“A Cryogen-Free Open SuperconductingMagnet for Interventional MRI Applications”的文章中。
另一種方案是兩組螺線管線圈在垂直軸線上同心的設計。這種設計描述在US-A-5,874,882中。然而，這種設計的缺點在于對于給定的中心磁場強度形成了較大的雜散場。通過增加所謂的屏蔽線圈的大小可以減小雜散場的大小。然而，屏蔽線圈的大小的增加可能減小中心磁場。反過來這又要求實質增加驅動線圈的大小。結果對于給定的中心磁場包括間隔開以允許良好地接近患者的同心軸線線圈的磁體要求基本量的導體以將雜散磁場保持在合理的大小。
在Huson等人的PCT WO93/15514中，公開了一種電磁體，該電磁體包括一對并置的相對極性的磁極，在它們之間形成了成像空間，并通過鐵軛或提供磁通量返回通路的超導螺線管鏈接和支撐該磁極。鐵軛主要包括基本C-形的鐵框架。因為要求大量的鐵軛，因此這些公知的磁體非常重，特別是對于要求許多噸的鐵軛來確定磁通返回路徑的高磁場磁體。Huson等人進一步公開了使用限制返回磁通的屏蔽線圈，但是使用了大量的導體，因此成本較高。
在這些公知的開放的每種磁體中磁場的方向都是沿著線圈的軸線，因此垂直于間隙的平面。在這些公知的開放的磁體的并置的磁極之間的磁力非常大，并且在進入間隙的方向上作用。這給用于支撐磁極的結構施加了較大的壓力，并且要求這些結構具有足夠大強度和穩定性以抵抗這些力。因此，該結構必須是堅固的，并成為自由進入成像空間的嚴重的阻礙。
發明目的本發明試圖提供一種改進的磁體。本發明進一步試圖提供一種適合于磁共振成像的磁體。
本發明還試圖提供一種磁體結構以便不妨礙接近患者，同時提供了具有良好的均勻性和較強的磁場。本發明還試圖提供一種在磁性線圈結構中具有較小的雜散磁場同時減少對導體的要求的磁體結構。
發明概述根據本發明的一方面，提供一種磁體組件，包括具有導電材料的繞組的多個磁性線圈；其中在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分開的象限中設置磁性線圈，以及其中繞組被構造成在工作中使電流相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱以在垂直于反射平面的方向上在組件的中心產生凈磁場。
磁性線圈可以包括嵌套的子線圈。磁性線圈可以包括重疊的子線圈或者可以包括交錯的子線圈。磁性線圈可以包括在不同的平面中的子線圈。磁性線圈可以包括D線圈或者香蕉狀線圈(正如在本領域的普通技術人員公知的那樣)，該線圈可以包括其它的類型。磁體線圈也可以被構造成與其它的線圈嵌套或重疊的D線圈或香蕉狀線圈。
順便地，磁體線圈包括導電材料比如銅或鋁。可取的是，磁體線圈包括超導材料，它可以是公知的低溫超導體或高溫超導體。所產生的磁場大于0.1T∶大于1T的磁場通常在設備比如磁共振成像設備中使用。
因此，對于磁體組件的每個象限，磁體線圈可以包括基本相同的線圈子組件，由此簡化了磁體組件的制造過程。在本發明的最簡單的形式中，可以有四個線圈子組件。
根據本發明的另一方面，提供一種磁共振成像系統，其中該系統包括磁共振成像系統，該系統包括初級磁體組件、低溫恒溫器單元、RF組件和梯度磁體組件，其中初級磁體組件包括導電材料的繞組；其中磁性線圈設置在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分離的象限中，以及其中繞組被構造成在工作中使電流相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱以在垂直于反射平面的方向上在中心產生磁場，其中初級磁體位于低溫恒溫器中由此提供了線圈產生超導性的工作溫度，其中梯度磁體可工作以在預定的平面上提供磁場，由此能夠實現磁共振成像。
在本發明的這方面中，導體的結構比常規的螺線管線圈磁體結構導致了更小的幽閉恐怖癥的成像系統。
在所感興趣的患者的身體部位周圍朝內和朝中心的面對的低溫恒溫器的中心部分或相應的部分能夠方便地凹下，由此允許梯度線圈和RF線圈的空間。這種空間也可方便地用于初級磁體的調整片的定位。
根據本發明的進一步方面，提供一種在低溫恒溫器內操作磁體組件的方法，該磁體組件包括具有導電材料的繞組的多個磁性線圈，該磁性線圈設置在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面周圍分離的象限中，該方法包括如下的步驟將磁體組件冷卻到可以實現超導性的溫度，以及使電流在磁性線圈中流動以使電流流動的方向相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱。
因此，在本發明的一方面提供一種適合于磁共振成像設備的磁體，該磁體以對導體較低的要求提供了一種高均勻性的較強的磁場和較小的雜散磁場。在這種導體由超導體(比如NbTi)構成的磁體中，導體用量的這種減少將會實質性地減輕重量和成本。
附圖概述為更好地理解本發明以及如何地實施本發明，現在參考附圖僅通過舉例的方式描述根據本發明的具體的實施例、方法和過程，在附圖中附

圖1所示為根據本發明的第一方面的四個磁體線圈的結構設置的透視圖；附圖2和3所示為兩個香蕉狀線圈結構的比較；附圖4所示為根據本發明的另一方面的四個線圈組件的結構設置的透視圖；附圖5所示為根據本發明的進一方面的導體結構的剖視圖；附圖6所示為帶有凹口的扇形線圈組的透視圖；附圖7所示為相對于MRI系統的其它部件線圈的結構設置本發明的一種實施例在XZ平面中的截面圖；附圖8所示為在附圖7中所示的線圈結構在XZ平面中的磁場的方向；附圖9所示為在根據附圖7的系統的XZ平面中的5條高斯線；和附圖10、11和12所示為變型實施例。
本發明的詳細描述現在通過舉例的方式描述本發明人設計的實施本發明的最佳模式。在下文的描述中闡述大量的具體細節以便提供對本發明的完整的理解。但是，很顯然，對于本領域的普通技術人員，本發明可以不使用這些具體的細節實施。在另一方面，沒有詳細地描述十分公知的方法和結構以免不必要地淡化了本發明。例如，雖然附圖中顯示患者進入平面或中平面處于水平平面上，但是在垂直取向上也可以有患者進入平面。
附圖1所示為包括四個線圈110、112、114、116的結構設置和下文將要參考的XYZ參考坐標系。在附圖1中所示的線圈110-116相對于XY平面(也稱為中平面)對稱設置，并且也相對于YZ平面(稱為反射平面)對稱設置。這些線圈具有相對于XZ平面對稱的平面。在這些線圈上所顯示的箭頭118說明電流彼此的方向。線圈110(位于中平面(X-Y平面)之上)的電流與線圈114(位于中平面之下)的電流相反(反對稱)。此外，線圈112、116在正X空間中的電流的旋轉方向與線圈110、114在負X空間中的電流的方向相反。在附圖1中所示的每個線圈(有時稱為“香蕉狀”線圈)的形狀并不是直接通過常規的繞制過程制造的，因為在最靠近反射平面的線圈的側面上的相反的曲率半徑。
附圖2和3所示為兩個香蕉狀線圈的結構，但每個產生的磁場相同。附圖2所示為嵌套的香蕉狀線圈，其中在第一方向上輸送100A的電流的120°弧度的香蕉狀線圈210在其內部嵌套了60°弧度的香蕉狀線圈212。60°的線圈在與第一方向相反的方向上傳輸200A的電流，導致在整個120°弧度結構的中心60°弧度的第二方向上產生了總共100A的電流。這等效于在附圖3中所示的結構，在附圖3中在第二方向上有傳輸100A電流的中心60°弧度的香蕉狀線圈214而在第一方向上有傳輸100A電流的兩個外圍30°弧度香蕉狀線圈216、218。
雖然制造這種香蕉狀線圈的方法十分公知，但是通過在附圖4中所示的重疊的D-形線圈更容易地制造基本相同的磁場。這就在定位D的直邊側中提供了附加的自由度，由此有助于改善磁場的均勻性。D形線圈可以交錯和/或重疊。參考下部線圈，可以看到線圈410、412和414在形狀和相應的電流方向方面具有鏡像線圈416、418和420，由于附圖4也顯示了在每個D形線圈中的電流422的方向。每個D形線圈纏繞在軸線上，該軸線在工作中與Z-軸平行排列。雖然線圈是非圓形的，但是繞組是直的，因為它在繞組的曲率半徑上沒有反向。雖然通常希望D形在一側上具有直的部分，但在實際中該側面不需要完全是直的，但可以僅具有非常大的半徑，以有助于導線的繞制。由于類似的原因，在直的部分的端部上的轉角優選是圓的，而不包括銳角轉角。這樣使用常規的導線繞制過程容易繞制基本D形線圈，同時具有可變的曲率半徑而不是用于圓形線圈的固定半徑。雖然每個單個的線圈的繞組軸平行于Z軸，但是在不同的線圈中的電流的結構在垂直于Z軸的系統的中心上產生了合成的磁場。類似地，在該系統之外的區域中，單個的線圈的磁場作用彼此抵消，由此在該系統之外產生了非常低的雜散磁場，而不需要附加的屏蔽措施比如額外的線圈。
附圖5所示為產生均勻性的平面線圈組的頂視圖，該均勻性在40厘米的球體上具有預計的6ppm的峰-峰值。線圈510和512與在X＝0平面上鏡像的電流方向(未示)相同。這些線圈與公知的平面或梯度線圈的結構類似。與被構造成在完整的MRI系統的中心上提供零磁場的梯度線圈相反，該電流連接不同之處在于每個象限的線圈串聯連接由此在工作中在MRI系統的中心提供了高的均勻性的磁場。
附圖6所示為導體610、612、614、616以極區格網的方式的結構設置的透視圖。在中心導體610、614之間的中心間隙618提供了用于RF線圈、梯度線圈和調整片的足夠空間，雖然在外部線圈612、616之間的間隙620較小。這改善了磁場的均勻性并減小了產生給定的中心磁場所要求的導體用量。為進行計算，分段地示出這些線圈，但這并沒有精確地反應它們的實際結構。
附圖7所示為具有與在附圖4中所示的導體類似的導體的結構的MRI掃描器的ZX平面的截面圖。導體設置成兩組710和712。組710對應于具有增加的間隙的導體。導體以公知的超導方式工作。導體的外部部分標示為712。本超導體要求在低的溫度下工作，并且在本實例中的導體由用作熱輻射屏蔽的外殼714包圍。此外，這個外殼也可用于容納冷卻劑。導體710和712和外殼714都由氣密外殼716包圍。在這個殼體的里面排空以使自外殼716的內表面通過對流到導體的熱傳導最小。外殼720具有容納梯度線圈組件和RF線圈(都未示)的部分。對于35兆安米導體，已經計算中心磁場為1T，同時在40厘米直徑的球體上具有143ppm的均勻性。導體的外部直徑是1.9米，同時在導體之間的間隙是0.7米，在內導體之間的間隙是0.9米。
附圖8所示為在附圖7中描述的實施例的Z-X(y＝0)平面中的磁通量線810。這些線雖然不表示磁場強度，但確實說明了通過本發明所產生的較高的理想的平行的磁場(用于磁共振成像目的)。附圖8a至8c所示分別為在X-Z(y＝0)平面、y＝0.1m平面和y＝0.2m平面中描述|B|的恒定的磁場線。本發明因此方便地提供了一種能夠實現0.2半徑診斷空間的實施例。
附圖9所示為在ZX平面中用于計算在附圖7所示的導體組件的高斯曲線910。在該附圖中僅示出了在+X+Y象限中的5高斯線。這清楚地顯示了本發明的低雜散磁場的特性。
附圖10所示為一種實施例1000的所有的初級磁體的透視圖。每個象限包括以并排關系的三個線圈1010、1012、1014...1032，而中心線圈在y＝0平面中，在一個象限的每個線圈中的電流方向1034-1040相同。附圖11所示為與附圖10類似的結構，但在每個象限中有六個線圈1110-1120。應該理解的是，對于某些應用具有較寬的成像區域比較理想。可替換的是，使用許多較小的子線圈可以實現降低制造成本。附圖12對應于附圖1，但每個香蕉狀線圈1210、1214、1218、1222具有在香蕉狀的里面弧度上的補充矩形線圈1212、1216、1220、1224，其中象限的相應的線圈的電流方向相反。
已經描述了適合于放置磁共振成像組件的磁性線圈的新結構。這種設計的優點有許多通過開口設計提供了較高程度的患者進入；因為產生了垂直于該結構的凈磁場，所以在成像空間的每一側上的相對線圈之間的吸引磁力減小以允許在線圈組之間的支撐結構基本小于常規的開口或C-磁體；患者可以沿著任何角度的磁場使患者從頭到腳對齊；使用更小的磁體同時減小導體導線用量可以實現制造成本的有效節省。
權利要求
1.一種磁體組件，包括具有導電材料的繞組的多個磁性線圈；其中在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分開的象限中設置磁性線圈，以及其中所述繞組被構造成在工作中使電流相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱，以在垂直于反射平面的方向上在組件的中心產生凈磁場。
2.根據權利要求1所述的磁體，其中磁性線圈包括D線圈。
3.根據權利要求1所述的磁體，其中磁體線圈包括香蕉狀線圈。
4.根據權利要求1至3中的任何權利要求所述的磁體，其中磁體線圈包括子線圈。
5.根據權利要求4所述的磁體，其中子線圈提供在嵌套的和/或重疊的結構中。
6.根據權利要求1至5中的任何權利要求所述的磁體，其中線圈是非平面的。
7.根據權利要求1至6中的任何權利要求所述的適合于在磁共振成像系統中使用的磁體。
8.一種磁共振成像系統，包括初級磁體組件、低溫恒溫器單元和梯度磁體組件，其中初級磁體組件包括導電材料的繞組；其中磁性線圈設置在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分開的象限中，其中所述繞組被構造成在工作中使電流相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱，其中初級磁體位于低溫恒溫器中由此提供實現超導性的工作溫度，以及其中梯度磁體可工作以在預定的平面上提供磁場，由此實現磁共振成像。
9.根據權利要求8所述的系統，其中磁性線圈包括D線圈。
10.根據權利要求8所述的系統，其中磁體線圈包括香蕉狀線圈。
11.根據權利要求8至10中的任何權利要求所述的系統，其中存在子線圈。
12.根據權利要求11所述的系統，其中子線圈提供在嵌套的和用于重疊的結構中。
13.根據權利要求8至12中的任何權利要求所述的系統，其中線圈是非平面的。
14.一種在低溫恒溫器內操作磁體組件的方法，該磁體組件包括具有導電材料的繞組的多個磁性線圈，該磁性線圈設置在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分開的象限中，該方法包括如下的步驟將磁體組件冷卻到使超導成為可能的溫度，以及使電流在磁性線圈中流動以使電流流動的方向關于反射平面對稱和關于中平面反對稱。
全文摘要
本發明涉及磁體和磁共振成像系統。該磁體是開放的，磁性線圈設置在關于兩個垂直的平面即中平面和反射平面分開的象限中，以及其中繞組被構造成在工作中使電流相對于反射平面對稱和相對于中平面反對稱以在垂直于反射平面的方向上在中心產生凈磁場。
文檔編號G01R33/3815GK1489700SQ02804490
公開日2004年4月14日 申請日期2002年2月1日 優先權日2001年2月2日
發明者M·J·M·克魯艾普, P·比斯萊, M J M 克魯艾普, 估 申請人:牛津磁體技術有限公司