專利名稱：自屏蔽梯度線圈的制作方法
技術領域：
本申請涉及用于磁共振成像(“MRI”)的系統和方法并且特別地涉及梯度線圈組件和它們的制造方法以及在磁共振成像系統中的用途。
背景技術：
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磁共振成像或核磁共振成像主要是在放射學中最常用于可視化身體的內部結構和功能的醫學成像技術。MRI例如由E. MARK HAACKE等人的“MAGNETIC RESONANCE IMAGING PHYSICAL PRINCIPLES AND SEQUENCE DESIGN”(Wiley-Liss 1999)描述，上述文獻通過引用被合并于此。本發明涉及磁共振領域并且具體地涉及水平(螺線管磁體)MRI。它特別地結合醫學磁共振成像得到應用并且將特別地參考其進行描述。然而應當領會，本發明也結合其它類型的磁共振成像系統、磁共振光譜系統等得到應用。在磁共振成像中，線性磁場梯度用于空間編碼。梯度線圈用于產生這些線性磁場梯度。典型的水平的MRI具有跨越裝置的長度的水平圓柱形梯度線圈。已開發出用于幽閉恐怖癥患者的水平“開放式”MRI。開放式MRI具有在中心具有間隙的斷開的主磁體并且也典型地具有斷開的梯度線圈以提供用于患者的凈空。最近，希望與MRI和開放式MRI組合包括各種治療和成像手段，例如放射治療裝置、活檢針、消融裝置、手術裝置、超聲波、PET、SPECT、CT等。例如，希望將這樣的儀器放置在開放式MRI的間隙區域中。然而，由于來自與MRI的操作關聯的各種磁場的干擾以及梯度線圈附近加熱導體的問題，該放置存在問題。因此，需要改進的MRI梯度線圈組件和MRI梯度線圈組件的制造方法。還需要用于水平開放式MRI的改進的梯度線圈組件，以及允許與附加的醫療裝置結合操作水平開放式MRI的梯度線圈組件。
發明內容
本發明公開了梯度線圈組件和它們的制造方法以及在水平MRI中的用途。一些實施例可以與開放式MRI和放置在它的間隙內的儀器結合使用。本文中所公開的梯度線圈組件的實施例可以包括初級梯度線圈和屏蔽線圈，并且也可以包括在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的電連接，所述電連接可以被布置成離所述開放式MRI間隙具有足夠的距離，從而減小可能在所述間隙內放置的任何儀器中感生的渦電流。在一些實施例中，所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈可以形成為大致圓柱形導體。在另外的其它實施例中，所述組件中的導體被布置成使得在徑向方向上定向的導體的任何集中位于離所述開放式MRI的所述間隙至少5厘米處。在另外的實施例中，連接所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈的所述電連接或導體可以位于離所述間隙至少5厘米處或者可以位于所述MRI的外端部。 在一些實施例中，所述初級梯度線圈的每一個可以直接被冷卻并且也可以是空心導體。在一些實施例中，所述梯度線圈組件可以安裝在所述MRI的外端部和面對間隙的端部。在與開放式MRI結合使用的本發明的另外的實施例中，本文中所公開的梯度線圈組件可以包括支撐結構，所述支撐結構包含所有所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈并且具有橫越所述開放式MRI的所述間隙的部分，以便于所述線圈的對準。
在一些實施例中，橫越所述間隙的所述支撐結構的部分可以是內部線圈架的一部分。在另外的實施例中，橫越所述間隙的所述支撐結構的部分可以具有在所述結構上均勻的放射衰減值并且也可以具有對于鈷60伽馬放射束小于百分之五的放射衰減值。在與開放式MRI和通過開放式MRI的間隙瞄準的放射束結合使用的本發明的一些實施例中，本文中所公開的梯度線圈組件可以具有橫越所述開放式MRI的所述間隙的所述初級梯度線圈中的至少一個，所述至少一個線圈具有第一放射衰減值并且所述組件也包括支撐結構，所述支撐結構橫越所述間隙并且具有大致等于所述第一放射衰減值的第二放射衰減值，使得當放射束穿過所述支撐結構和橫越所述間隙的所述至少一個梯度線圈時放射束的衰減將是大致均勻的。在一些實施例中，橫越所述間隙的所述至少一個初級梯度線圈可以是鋁。在另外的其它實施例中，橫越所述間隙的所述支撐結構的部分可以含有氧化鋁。參考以下描述和權利要求將更好地理解本發明的這些和其它特征、方面和優點。
結合附圖描述本發明的特征、方面和實施例，其中圖I顯示了可以用于本發明的一些實施例的水平開放式MRI的透視圖，在其中心間隙區域中定位有儀器；圖2顯示了圖I中所示的系統的一些實施例的簡化橫截面圖；圖3顯示了圖2中所示的梯度線圈組件的一些實施例的簡化和放大橫截面圖；圖4顯示了圖2中所示的梯度線圈組件的可選實施例的簡化和放大橫截面圖；圖5A顯示了 X梯度初級線圈的實施例的簡化布局；圖5B顯示了用于圖5A中所示的X梯度初級線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖；圖5C顯示了圖5A中所示的X梯度初級線圈的實施例的展開的單象限的電流路徑的圖形；圖6A顯示了 X梯度屏蔽線圈的實施例的簡化布局；圖6B顯示了用于圖6A中所示的X梯度屏蔽線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖6C顯示了圖6A中所示的X梯度屏蔽線圈的實施例的展開的單象限的電流路徑的圖形；圖7A顯示了 Y梯度 初級線圈的實施例的簡化布局；圖7B顯示了用于圖7A中所示的Y梯度初級線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖；圖7C顯示了圖7A中所示的Y梯度初級線圈的實施例的展開的單象限的電流路徑的圖形；圖8A顯示了 Y梯度屏蔽線圈的實施例的簡化布局；圖8B顯示了用于圖8A中所示的Y梯度屏蔽線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖；圖8C顯示了圖8A中所示的Y梯度屏蔽線圈的實施例的展開的單象限的電流路徑的圖形；圖9A顯示了 Z梯度初級線圈的實施例的簡化布局；圖9B顯示了用于圖9A中所示的Z梯度初級線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖；圖9C顯示了圖9A中所示的Z梯度初級線圈的實施例的半部的軸向位置電流路徑的圖形；圖IOA顯示了 Z梯度屏蔽線圈的實施例的簡化布局；圖IOB顯示了用于圖IOA中所示的Z梯度屏蔽線圈的實施例的導體的實施例的橫截面圖；圖IOC顯示了圖IOA中所示的Z梯度屏蔽線圈的實施例的半部的軸向位置電流路徑的圖形；
具體實施例方式本發明的梯度線圈組件可以用于任何類型的水平磁共振成像(MRI)系統。它特別好地適合用于包括兩個水平MRI磁體半部之間的間隙的斷開螺線管式或水平“開放式”MRI。本文中所公開的梯度線圈組件還很好地適合用于水平開放式MRI，該水平開放式MRI與在其間隙內操作的附加醫療儀器一起使用。圖I描繪了具有水平開放式MRI 100的這樣的布置，所述MRI具有間隙區域102。儀器104在機架110上安裝在間隙區域102中。也描繪了患者106和病床108。在一些實施例中，機架110可以用于圍繞患者106 (即，圍繞圖I中所示的Z軸)再定位儀器104。圖I 的實施例可以包括在名稱為“System for Delivering Conformal RadiationTherapy while Simultaneously Imaging Soft Tissue，，的 Dempsey 的美國專利申請公開2005/0197564(在下文中被稱為“Dempsey ‘564”)中部分描述的本申請的受讓人ViewRay公司的系統的元件，上述申請通過引用被合并于此。例如，儀器104可以包括放射治療裝置和關聯的多葉式準直器(MLC)，所述多葉式準直器與快速成像水平開放式MRI組合允許在治療期間說明目標位置的改進放射治療，如Dempsey ‘564中所述。盡管僅僅單個組件在圖I中被顯示為儀器104，但是一些實施例可以包括與儀器104關聯的多個組件。例如，一些實施例可以包括安裝在間隙102中、圍繞Z軸分布并且在機架102上圍繞Z軸可旋轉的三個放射頭組件(未在圖I中顯示)。盡管本文中所公開的實施例的一些方面關于Dempsey ‘564所公開的ViewRay系統進行了描述，但是這樣的方面不需要用于所公開的梯度線圈組件。可以預料本文中所公開的梯度線圈組件可以用于任何類型的MRI中，使用或不使用關聯的儀器104。此外，對于利用儀器104的系統，這樣的儀器不限于放射治療裝置，例如放射源或LINAC，而是可以包括用于MRI的任何類型的儀器。圖2是圖I中所示的系統的示意性橫截面圖。圖2的實施例描繪了包括由間隙102分離的一對主磁體200a和200b的水平開放式MRI 100。MRI用于成像病床108之上的感 興趣區域202。MRI 100可以包括未顯示的附加常規部件，例如RF系統，包括RF線圈，并且可能是一個或多個勻場線圈。在圖中和在整個發明中使用的坐標系將通過MRI孔腔的縱向軸稱為Z軸。X軸垂直于Z軸從MRI 100的一側延伸到另一側；Y軸垂直于Z軸從MRI 100的底部延伸到頂部。本文中所公開的梯度線圈組件204的實施例在圖2中與在下面詳細描述的它的關聯冷卻器206a，b和放大器208 —起被描繪。在該實施例中，梯度線圈組件204由底座212支撐，所述底座可以位于主磁體的外端部并且靠近MRI間隙。示例性的底座是振動隔離裝置，例如由Aearo Technologies公司的分公司E-A-R Specialty Composites銷售的IsoDamp C 1002:梯度線圈組件204可以直接安裝到主磁體200a，b。然而，在存在主磁場(由主磁體200a，b生成)的情況下梯度線圈組件204中的電流產生扭矩、力和振動，這會在主磁體200a，b中產生振動和熱并且增加蒸發損耗。在主磁體200a，b的外端部和間隙端包括底座212可以提供改善的振動隔離并且減小梯度線圈組件204的無支撐跨度。圖3顯示了梯度線圈組件204的實施例的放大、更詳細橫截面圖。梯度線圈組件204的該實施例包含X、Y和Z屏蔽線圈(分別地，300、302、304)以及Z、X和Y初級梯度線圈(分別地，306、308、310)。實施例也包含位于梯度線圈組件204的外端部(遠離間隙102)的相應線圈對的每一個之間的連接312 (X屏蔽線圈300連接到X初級線圈310，Y屏蔽線圈302連接到Y初級線圈308，并且Z屏蔽線圈304連接到Z初級線圈306)。線圈300-310布置在支撐結構314內，所述支撐結構可以由諸如環氧樹脂的材料制造。作為例子，在該實施例的一些實現方式中，梯度線圈組件204的內徑可以為大約800mm并且外徑可以為大約1044mm，與具有間隙102的MRI100組合，所述間隙具有大約200mm的寬度并且其中梯度線圈組件204的外端部之間的長度為大約2190mm。這些尺寸僅僅作為例子被提供并且不應當被視為限制，原因是尺寸可以變化。所公開的梯度線圈組件204可以形成為兩個獨立半部，從而使間隙102開放以不禁止實際接近患者106。這樣的開放式配置允許使用附加的儀器104，例如放射治療系統。然而，間隙102不必保持完全開放，只要任何障礙物不導致例如可以從儀器104發射的放射束的過度衰減。在本實施例中，梯度線圈組件204具有單一構造，具有支撐結構314的間隙部分316。間隙部分316橫越間隙102并且是被構造成用于均勻和最小放射衰減(例如，在使用60Coy射線源的情況下小于5%衰減)的薄的、均勻的結構。在優選實施例中，間隙部分316是連續內部線圈架的一部分，所述線圈架可以由在放射環境下穩定的材料制造，例如環氧玻璃纖維或環氧碳纖維結構。它的厚度可以為例如大約5mm，并且它的密度可以為例如小于或等于2g/cm3。該連續結構的一個優點在于梯度線圈組件204的相對側自然地對準，消除了兩部分梯度對準的麻煩問題以及關聯的不對稱渦電流和成像場。本實施例的另一個優點是改善機械減震和支撐，機械地平衡并且穩定操作中的梯度線圈受到的力和扭矩。可以預料間隙部分316可以帶有在其中切割而成的進入口或者可以在梯度線圈組件204的安裝之后被去除。圖4描繪了包含橫越間隙102的梯度線圈的支撐結構400的間隙部分的可選實施例。Z梯度線圈自然地有間隙，但是在該實施例中，初級X和Y線圈308和310可以在間隙102上是連續的并且可以例如由鋁制造(例如，片狀線圈或直接冷卻的纏繞導體)。鋁是密度低于銅的導體的例子并且因此在梯度線圈組件與將放射療法輸送到區域202的儀器102一起使用的應用中將是有益的。該實施例的重要方面在于支撐結構400具有匹配所包括的導體的衰減的放射衰減，使得衰減在該結構上將是一致的。在鋁線圈的情況下，支撐結構400可以包括環氧細絲纏繞管，例如具有玻璃或碳細絲和線圈之間的適當填充物(例如氧化鋁)。該備選設計的均勻衰減將便于精確的放射傳遞和劑量計算。圖4的可選實施例將由于它的增加厚度和包括梯度線圈而具有更大的射束衰減(對于包括作為儀器104的放射治療裝置的情況)。然而，該實施例具有增加MRI的可使用視場的優點，原因是它將不受到與斷開設計關聯的梯度場強度的線性損失并且將避免橫向 梯度場的徑向翻轉的問題。現在參見圖5-10，并且參考圖3，將更詳細地解釋梯度和屏蔽線圈的具體實施例。參考具有在間隙中使用的儀器104的水平開放式MRI描述了本實施例，但是應當理解本發明的許多方面可以應用于在沒有關聯儀器的情況下使用的單磁體MRI。本例子的儀器104例如可以是先前所述的輻射治療裝置，但是應當理解許多其它治療或成像手段可以用于本發明，例如活檢針、消融裝置、手術裝置、超聲波、PET、SPECT、CT、LINAC等。本例子的放射裝置包括具有關聯的多葉式準直器(MLC)的三個等間隔的鈷60頭，例如在Dempsey ‘564公開并且通過引用被合并于本文中。MLC典型地由計算機控制的鶴葉片組成，所述鎢葉片移動以形成特定圖案，阻擋部分輻射束并且根據預定治療計劃成形它們。這些MLC優選地靠近間隙102放置或放置在間隙內并且典型地由鎢制造，具有鋁外殼，兩者是導電材料。當這樣的材料放置在梯度線圈組件204的時變電流附近時，將在它們中感生渦電流。在儀器104中感生的渦電流將導致裝置中的功率耗散并且也會干擾成像。在MLC的情況下，熱可以導致單獨葉片的熱膨脹并且干擾它們的操作。可以用于所公開的系統的包括導電材料的其它儀器將面臨類似的問題。當前公開的梯度線圈組件204通過移動導體的共同集中遠離間隙102而部分地減小這些問題。例如，在水平斷開的梯度中的梯度-屏蔽互連典型地鄰近面對間隙102的梯度線圈組件的徑向表面定位。然而，當前公開的梯度線圈組件204移動這樣的連接器312遠離間隙102。例如，連接器可以優選地與間隙102間隔至少50mm，但是本發明預料到連接器可以比離間隙102 50mm更近。在圖3和4所示的實施例中，連接器312位于梯度線圈組件204的外邊緣處。移動由徑向定向導體產生的電流的集中遠離間隙102將減小在任何儀器104中感生的渦電流。另外，縱向定向導體或環的集中在間隙102附近被最小化并且指紋線圈眼優選地位于離間隙102至少50mm處。此外，盡管以前的水平斷開的磁體梯度線圈包括沿著間隙102的區域的徑向定向環，但是本發明優選地將任何這樣的徑向定向導體移動到離間隙102至少50mm。在圖5_10中公開的示例性實施例中，梯度和屏蔽線圈在形狀上為大致圓柱形。盡管圓柱形是優選的，但是所公開的線圈可以是不導致靠近間隙102的附加導體和電流集中的其它形狀。現在參考圖5A中所示的示例性X梯度初級線圈308，線圈包括在其相同象限的每一個中的11個正向匝和2個反向匝。未描繪在本領域中常見的匝之間的連接(例如，匝變)。在圖5C中顯示了電流路徑(所有單匝)的形心。X梯度初級線圈308包括在其遠離間隙102的端部的反向匝以補償推力和扭力。該補償尤其減小作為該實施例的一部分描述的支撐結構316 (或400)的薄的、連續的間隙部分上的力。Y梯度線圈310類似地包括11個正向匝和2個反向匝，如圖7A和7C中所示。用于該實施例的X和Y梯度的屏蔽線圈(300和302)在它們的相同象限的每一個中包括5匝，如圖6A、6C、8A和8C中所示。該實施例的Z梯度初級線圈(306)具有總共42匝，如圖9A和9C中所示，并且Z梯度屏蔽線圈具有總共28匝，如圖IOA和C中所示。用于本文中所述的示例性線圈的一些實現方式的附加參數在下面的表I中詳細列出。
權利要求
1.一種自屏蔽梯度線圈組件，用于與儀器結合使用的水平開放式磁共振成像系統(MRI)，所述開放式MRI具有縱向軸以及由間隙分離的第一磁體和第二磁體，所述儀器位于所述間隙的一部分內，所述梯度線圈組件包括 具有第一部分和第二部分的支撐結構，每個支撐結構部分安裝在相應的第一和第二MRI磁體的內部； 布置在每個支撐結構部分內的多個屏蔽線圈； 在所述屏蔽線圈和所述縱向軸之間布置在每個支撐結構部分內的多個初級梯度線圈；以及 在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的電連接，所述電連接被布置成使得所述電連接位于離所述間隙足夠的距離處以減小在所述儀器中感生的渦電流。
2.根據權利要求I所述的梯度線圈組件，其中在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的所述電連接位于離所述間隙至少5厘米處。
3.根據權利要求I所述的梯度線圈組件，其中所述初級梯度線圈的每一個形成為圍繞所述縱向軸的大致圓柱形導體。
4.根據權利要求I所述的梯度線圈組件，其中所述初級梯度線圈的每一個直接被冷卻。
5.根據權利要求4所述的梯度線圈組件，其中所述初級梯度線圈的每一個包括空心導體。
6.根據權利要求5所述的梯度線圈組件，其還包括兩個冷卻單元。
7.根據權利要求I所述的梯度線圈組件，其中所述MRI具有外端部并且在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的所述電連接大致位于所述MRI的所述外端部。
8.根據權利要求I所述的梯度線圈組件，其中所述MRI具有外端部和面對間隙的端部并且其中每個支撐結構部分安裝在所述MRI的外端部和所述面對間隙的端部。
9.一種自屏蔽梯度線圈組件，用于水平開放式磁共振成像系統(MRI)，所述開放式MRI具有縱向軸以及由間隙分離的第一磁體和第二磁體，所述梯度線圈組件包括 具有第一部分和第二部分的支撐結構，每個支撐結構部分安裝在相應的第一和第二MRI磁體的內部； 布置在每個支撐結構部分內的多個屏蔽線圈，所述屏蔽線圈形成為圍繞所述縱向軸的大致圓柱形導體； 在所述屏蔽線圈和所述縱向軸之間布置在每個支撐結構部分內的多個初級梯度線圈，所述初級梯度線圈形成為圍繞所述縱向軸的大致圓柱形導體；以及在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的連接導體； 所述初級梯度線圈、所述屏蔽線圈和所述連接導體被布置成，相對于所述縱向軸以徑向方向定向的導體的任何集中位于離所述間隙至少5厘米的位置。
10.根據權利要求9所述的梯度線圈組件，其中所述初級梯度線圈的每一個包括直接冷卻式空心導體。
11.根據權利要求9所述的梯度線圈組件，其中所述MRI具有外端部并且在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間的所述連接導體大致位于所述MRI的所述外端部。
12.根據權利要求9所述的梯度線圈組件，其中所述MRI具有外端部和面對間隙的端部并且其中每個支撐結構部分安裝在所述MRI的外端部和所述面對間隙的端部。
13.一種自屏蔽梯度線圈組件，用于水平開放式磁共振成像系統(MRI)，所述開放式MRI具有縱向軸以及由間隙分離的第一磁體和第二磁體，所述梯度線圈組件包括 具有第一部分和第二部分的支撐結構，每個支撐結構部分安裝在相應的第一和第二MRI磁體的內部； 布置在每個支撐結構部分內的多個屏蔽線圈； 在所述屏蔽線圈和所述縱向軸之間布置在每個支撐結構部分內的多個初級梯度線圈；以及 在所述初級梯度線圈和所述屏蔽線圈之間位于離所述間隙至少5厘米處的電連接， 其中所述初級梯度線圈的每一個包括直接冷卻式空心導體。
14.一種梯度線圈組件，用于水平開放式磁共振成像系統(MRI)，所述開放式MRI具有縱向軸以及由間隙分離的第一磁體和第二磁體，所述梯度線圈組件包括 位于所述第一磁體和所述縱向軸之間的第一多個屏蔽線圈； 位于所述第二磁體和所述縱向軸之間的第二多個屏蔽線圈； 位于所述第一多個屏蔽線圈和所述縱向軸之間的第一多個初級梯度線圈； 位于所述第二多個屏蔽線圈和所述縱向軸之間的第二多個初級梯度線圈； 包含所有所述第一和第二多個屏蔽線圈以及所述第一和第二多個初級梯度線圈的支撐結構， 其中所述支撐結構包括橫越所述間隙的部分，以便于所述第一和第二多個線圈的對準。
15.根據權利要求14所述的梯度線圈組件，其中橫越所述間隙的所述支撐結構的部分包括內部線圈架。
16.根據權利要求14所述的梯度線圈組件，其中橫越所述間隙的所述支撐結構的部分具有在所述結構上均勻的放射衰減值。
17.根據權利要求16所述的梯度線圈組件，其中對于鈷60伽馬放射束所述放射衰減值小于百分之五。
18.一種梯度線圈組件，用于水平開放式磁共振成像系統(MRI)和儀器，其中所述開放式MRI具有縱向軸以及由間隙分離的磁體，并且所述儀器包括放射裝置，所述放射裝置產生瞄準正交于所述縱向軸，并且通過所述間隙的放射束，所述梯度線圈組件包括 至少部分位于所述磁體和所述縱向軸之間的多個屏蔽線圈； 至少部分位于所述屏蔽線圈和所述縱向軸之間的多個初級梯度線圈， 其中所述初級梯度線圈中的至少一個橫越所述開放式MRI的所述間隙并且具有第一放射衰減值；以及 支撐結構，包含所述屏蔽線圈和所述初級梯度線圈，所述支撐結構具有橫越所述間隙的部分并且具有大致等于所述第一放射衰減值的第二放射衰減值，使得當放射束穿過所述支撐結構部分和橫越所述間隙的所述至少一個梯度線圈時放射束的衰減將是大致均勻的。
19.根據權利要求18所述的梯度線圈組件，其中橫越所述間隙的所述至少一個初級梯度線圈是鋁。
20.根據權利要求19所述的梯度線圈組件，其中橫越所述間隙的所述支撐結構的部分含有 氧化鋁。
全文摘要
本發明涉及用于水平磁共振成像系統(MRI)的梯度線圈組件及其制造方法。一些實施例可以用于開放式MRI并且可以用于放置在MRI的間隙中的儀器。一般地，導體或徑向定向導體的集中可以移動遠離MRI的間隙，從而減小可能在間隙內放置的任何儀器中感生的渦電流。用于直接冷卻初級梯度線圈和屏蔽線圈的系統可以被使用并且各種線圈支撐結構可以用于幫助線圈對準或便于MRI間隙中的儀器的使用。
文檔編號G01V3/00GK102713682SQ201080060989
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月22日 優先權日2009年11月20日
發明者施瑪瑜·M·施瓦特斯曼, 約翰·L·帕特里克, 詹姆士·F·登普西, 高登·D·戴米斯特 申請人:優瑞公司