专利名称：具有纵向磁场梯度系统的磁共振扫描仪的制作方法
技术领域：
下文涉及磁共振领域。它特别适用于磁共振成像，并且结合具体引用 的应用来对其进行描述。然而，更一般而言，它还适用于磁共振成像、磁 共振映射、磁共振光谱分析等。
背景技术：
为了减小磁共振扫描仪的体积和成本，将梯度线圈的绕组靠近主磁体 的绕组放置是有利的，通常它的半径比主磁体绕组的半径稍小。然而，该 布置难以包括用于梯度线圈的屏蔽。
在没有屏蔽的情况下， 一般发现在纵向或Z梯度线圈与孔式扫描仪的 主磁体之间存在相当大的电磁耦合。例如，本发明人已经进行了如下估计 外部切换所产生的纵向磁场梯度会在主磁体绕组中感应出ioooo伏或更高 的电压。
这些感应电压加重了主磁体电路的电气绝缘的压力。另外，由感应电 压引起的介质电流会导致类似涡流的场误差。更进一步来说，感应电压使 得主磁体的失超检测和保护电路的设计变得复杂。
发明内容
根据一个方面，公开了一种磁共振扫描仪。主磁体系统被缠绕成用于 至少在扫描区中产生纵向方向的主磁场。主磁体系统包括设置在外部磁体 绕组区之间的逐层缠绕的中央磁体绕组区。纵向磁场梯度系统包括设置在 外部梯度绕组区之间的中央梯度绕组区，其中所述中央梯度绕组区被缠绕 成用来产生纵向方向的主磁场梯度，而所述外部梯度绕组区被缠绕成用来 产生补偿性的纵向方向的磁场梯度，它的极性与纵向方向的主磁场梯度的 极性相反。将所述外部梯度绕组区如此布置，使得在外部磁体绕组区与纵 向磁场梯度系统之间的互感基本为零。根据另一方面，公开了一种主磁体系统，用于至少在磁共振扫描仪的 扫描区中产生纵向方向的主磁场。磁体绕组区设置在中央扫描仪平面上。 磁体绕组区是逐层缠绕的。
根据另一方面，公开了一种纵向磁场梯度系统，其被缠绕成用来至少 在磁共振扫描仪的扫描区中产生纵向方向的磁场梯度。中央梯度绕组区关 于中央扫描仪平面对称布置，并且所述中央梯度绕组区被缠绕成用来产生 纵向方向的主磁场。外部梯度绕组区在中央扫描仪平面的两侧对称布置， 并且围绕中央梯度绕组区。外部梯度绕组区被缠绕成用来产生补偿性的纵 向方向的磁场梯度，其具有的极性与纵向方向的主磁场梯度的极性相反。 将所述外部梯度绕组区如此布置，使得磁共振扫描仪的主磁体系统的外部 绕组与纵向磁场梯度系统之间的互感基本为零。
一个优点在于减小了主磁体绕组与靠近所述主磁体绕组布置的梯度线 圈绕组之间的电磁耦合。
另 一优点在于减小了对主磁体绝缘的压力。
另一优点在于简化了主磁体与相关失超和保护电路的设计。
另一优点在于实现了更大的孔开口直径和/或更小的磁体直径。
另一优点在于减少了扫描仪的制造成本。
在阅读了下面详细描述的优选实施例以后，许多附加的优点和益处对 本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
本发明可以具体化为各种部件和这些部件的布置，以及具体化为各种 过程操作以及这些过程操作的布置。附图仅用于说明优选实施例而不应被 理解为限制本发明。
图1示出了示例性磁共振扫描仪的示意性透视图，其中该磁共振扫描 仪包括主磁体系统和磁场梯度系统。扫描仪的铁磁通旁轭被部分去除以露 出内部的扫描仪部件。
图2示出了图1的示例性磁共振扫描仪的示意性截面图，其中省略了 铁磁通旁轭，并指示出扫描区和中央扫描仪平面。
图3示出了图1的示例性磁共振扫描仪的主磁体系统和纵向磁场梯度系统的示意性透视图。
图4示出了图3的主磁体系统和纵向磁场梯度系统的示意性透视图， 但去除了主磁场线圈的一半圆周。
图5示出了图3的主磁体系统和纵向磁场梯度系统的90°弧形的示意性 透视图。容纳中央和外部磁体绕组区的真空夹套由虚线示意性指示。
图6示出了与图l-5的主磁体系统和纵向磁场梯度系统类似的主磁体系 统和纵向磁场梯度系统的90°弧形的示意性透视图，但其中纵向磁场梯度系 统的中央梯度绕组区的半径被设置得比主磁体绕组的半径小。
图7示意性说明了使用图1和图2的横向磁场梯度系统来产生横向磁 场梯度。
具体实施例方式
参照图1-5，磁共振扫描仪8适用于执行磁共振成像、磁共振光谱分析 等，它包括主磁体系统IO(在图2-5中标记的系统)、纵向磁场梯度系统12(在 图2-5中标记的系统)、横向磁场梯度系统14(在图1-2中标记的系统)、以 及铁磁通旁轭16(在图1中示出，去除了磁轭16的一部分以露出内部的扫 描仪部件)。
主磁体系统10被缠绕成用于至少在扫描区20中产生纵向方向的主磁 场B"在图2和5中示意性示出)。主磁体系统10关于中央扫描仪平面22 纵向对称。主磁体系统10包括设置在外部磁体绕组区32、 34之间的逐层 缠绕的中央磁体绕组区30。外部磁体绕组区32、 34关于中央扫描仪平面 22对称布置。中央磁体绕组区在外部磁体绕组区32、 34之间相对于中央扫 描仪平面22对称设置。在所述的实施例中，中央磁体绕组区30的每一层 绕组连续跨越了中央磁体绕组区30的纵向长度L(在图2中示出)，改变所 述层的纵向绕组密度以产生纵向方向的静态主磁场Bo，其在扫描区20内基 本均匀。在其它想到的实施例(未举例说明)中，中央磁体绕组区的每一层绕 组可以分成多组间隔开的绕组，其共同跨越了中央磁体绕组区的纵向长度 L，并且将中央磁体绕组区的每一层绕组布置成在扫描区内产生基本均匀的 纵向方向的主磁场Bo。
纵向磁场梯度系统12被缠绕成用于至少在扫描区20中产生纵向方向
的磁场梯度。该纵向磁场梯度系统12包括中央梯度绕组区，在所述的实施 例中，该纵向磁场梯度系统12包括两个间隔开的绕组部40、 42，它们关于 中央扫描仪平面22对称设置。中央梯度绕组区40、 42被缠绕成用于产生 纵向方向的主磁场梯度。例如，在某些实施例中，绕组部40、 42恰当地串 联连接，但以相反方向缠绕，形成与反亥姆霍兹线圈对类似的结构，其中 由绕组部40、 42中的一个产生的磁场的纵向方向的分量与纵向方向的主磁 场Bo—致且使纵向方向的主磁场Bo增强，而绕组部40、 42中的另一个产 生的磁场的纵向方向的分量与纵向方向的主磁场Bo相反且将其削弱。
另外，纵向磁场梯度系统12包括外部梯度绕组区44、 46，其在中央扫 描仪平面22的两侧对称布置并且围绕着中央梯度绕组区40、 42。换言之， 中央梯度绕组区40、 42设置在外部梯度绕组区44、 46之间。外部梯度绕 组区44、 46被缠绕成用于产生补偿性的纵向方向的磁场梯度，其具有的极 性与由中央梯度绕组区40、 42产生的纵向方向的主磁场梯度的极性相反。 例如，在某些实施例中，外部梯度绕组部44、 46恰当地串联连接，但以相 反方向缠绕，以形成与反亥姆霍兹线圈对类似的结构，其具有的极性与中 央梯度绕组区40、 42的结构的极性相反。
该补偿性的纵向方向的磁场梯度远远弱于纵向方向的主磁场梯度，使 得纵向磁场梯度系统12所产生的纵向方向的磁场梯度的极性对应于纵向方 向的主磁场梯度的极性。然而，正如所讨论的，补偿性的纵向方向的磁场 梯度具有有利的效果，即减小了外部磁体绕组区32、 34与纵向磁场梯度系 统12之间的相互耦合。
公开的主磁体系统10和纵向磁场梯度系统12被有利地构造为通过切 换纵向磁场梯度系统12来显著地减小在主磁体系统10中感应的电压。在 一个方面中，对于中央磁体绕组区30，使用逐层绕法。也就是说，铺设跨 越纵向长度L的一层绕组，接着铺设跨越纵向长度L的第二层绕组，随后 再铺设跨越纵向长度L的第三层绕组，依次类推。逐层缠绕结构使得由梯 度切换感应出来的电压接近于零。
应该意识到，无论哪种绕组结构，由于磁线圈(具有亥姆霍兹对型对称 性)与纵向梯度线圈(具有反亥姆霍兹对型对称性)之间对称的差异，因此由 纵向磁场梯度在主磁体绕组中感应出来的净电压通常为零。然而，当磁体
绕组不是逐层缠绕时，响应于纵向磁场梯度的切换，在主磁体绕组的一些 部分中建立了高的感应电压。这些高的感应电压会对绝缘完整性具有有害 影响并且会在磁共振扫描数据中产生电磁失真或假象。通过逐层缠绕中央
磁体绕组区30，至少逐层缠绕在梯度绕组40、 42之间延伸的外部层，则在 逐层的基础上消除了感应的电压，使得不会在中央磁体绕组30的任意部分 中建立大的感应电压。
逐层缠绕的方法恰当地避免了高的感应电压，并且在某些想到的实施 例中，逐层缠绕包括中央磁体绕组和外部磁体绕组区32、 34的整个主磁体 系统。该方法需要通过铺设外部磁体绕组区32的绕组、中央磁体绕组区30 的绕组、以及外部磁体绕组区34的绕组来缠绕第一层，接着铺设返回的串 联连接的线段，其回到外部磁体绕组区32以开始第二层的缠绕，以此类推。 在逐层缠绕整个主磁体的实施例中，可以任意省略外部梯度绕组区44、 46， 其被缠绕以产生补偿性的纵向方向的磁场梯度。
然而，这种完全逐层缠绕的结构使得制造复杂化，并在磁体绕组区30、 32、 34之间引入了大量很长的串联的线段连接。
因此，在所述的实施例中，仅逐层缠绕中央磁体绕组区30。外部磁体 绕组区32、 34不是逐层缠绕的。相反，在一个实施例中，将整个外部磁体 绕组区32缠绕成一个单元，将整个外部磁体绕组区34缠绕成一个单元， 两个串联的线段连接将外部磁体绕组区32、中央逐层缠绕的磁体部30以及 外部磁体绕组区34串联连接。在其它实施例中，可以将外部磁体绕组区32、 34缠绕成两个单元、三个单元、四个单元，或更多单元。在另一实施例中， 共同缠绕外部层，而将端部32、 34的内部层与内部30的内部层分开缠绕。
为了避免在非逐层缠绕的外部磁体绕组区32、 34中出现高感应电压， 布置外部梯度绕组区44、 46，以使外部磁体绕组区32、 34与纵向磁场梯度 系统12之间的互感基本为零。在一个方法中，通过将外部梯度绕组部44、 46的半径设置得与主磁体系统10的半径大致相同(例如，梯度绕组部44、 46的绕组的半径在主磁体系统10的绕组的半径的大约1±5%内)并且使外 部梯度绕组区44、 46之间的纵向间隔小于外部磁体绕组区32、 34之间的 纵向间隔(也就是说，外部梯度绕组区44、 46在外部磁体绕组区32、 34的 "内部")，实现互感基本为零。利用这种布置，外部梯度绕组区44、 46
所产生的相反极性的补偿性纵向磁场梯度强烈地影响附近的外部磁体绕组
区32、 34，使得互感为零。
参照图5，在一些实施例中，主磁体系统10包含在真空夹套50中(在 图5中，以虚线示意性示出)，以有助于冷却或制冷主磁体系统10。在一些 实施例中，主磁体系统10的绕组由高温超导材料制成，例如钇-钡-铜-氧化 物(YBCO)或基于铋的BSCCO。这样的高温超导导体典型地在大约30K至 70K的温度下工作，以承载恰当大的超导电流。相应地，通过热传导、诸 如液态氮或液态氦之类的低温流体的流动等，冷却或制冷真空夹套50和其 容纳的东西。在所述的实施例中，纵向磁场梯度系统12的绕组也由高温超 导材料制成，并且中央梯度绕组区和外部梯度绕组区40、 42、 44、 46也容 纳在真空夹套50中。
在图1-5的实施例中，中央梯度绕组区40、 42围绕着中央磁体绕组区 30。换言之，中央梯度绕组区40、 42的半径大于主磁体系统10的半径。 作为替换，如图6所示，纵向磁场梯度系统12'具有由中央磁体绕组区30 围绕的中央梯度绕组区40'、 42'。换言之，在图6的实施例中，中央梯度 绕组区40'、 42'的半径小于主磁体系统10的半径。
返回来参照图1和图2，并进一步参照图7，所述的横向磁场梯度系统 14包括多个铁磁横条60，其中每个铁磁横条60由绕组62磁性驱动以限定 条形电磁体。在图7的示例中，顶部铁磁横条60由产生指向右边的磁通的 电流驱动；而底部铁磁横条60由产生指向左边的磁通的电流驱动。漏磁通 66(在图7中，由箭头示意性指示)产生所示的叠加在主磁场Bo上的横向磁 场梯度Gt^s。虽然图7使用两个相对的铁磁横条60说明了操作，但是应该 意识到，通过利用额外的铁磁横条60，可以获得均匀性提高的横向磁场梯 度。例如，图1将横向磁场梯度系统14描绘成包括八个铁磁横条60，它们 可以一起用于在扫描区20上产生基本均匀的横向磁场梯度。
所述的横向磁场梯度系统14设置在主磁体系统10的外侧。换言之， 将所述的横向磁场梯度系统14的半径设置得比主磁体系统10的半径大。 虽然未说明，但是例如如果绕组62由超导导体制成，那么可以想到将横向 磁场梯度系统14的铁磁条60和绕组62容纳在真空夹套50的内部。
在其它实施例中，可以使用其中采用了常规的"指纹螺纹"线圈对的横向磁场梯度系统。这种常规的横向磁场梯度系统典型设置在主磁体系统
IO的内部，也就是说，其半径小于主磁体系统10的半径。如果指纹螺纹线 圈对是超导的，那么可以想到将它们设置在真空夹套50的内部。
已经参照优选实施例描述了本发明。显而易见的是，基于阅读和理解 前面的详细描述，可以想到许多变形和变换。旨在将本发明理解为包括落 入所附权利要求或其等价物的保护范围内的所有这些变形和变换。
权利要求
1、一种主磁体系统(10)，其用于至少在磁共振扫描仪的扫描区(20)中产生纵向方向的主磁场(B0)，所述主磁体系统包括设置在中央扫描仪平面(22)上的中央磁体绕组区(30)，所述中央磁体绕组区(30)是逐层缠绕的。
2、 一种磁共振扫描仪，包括 如权利要求1所述的主磁体系统(10);以及纵向磁场梯度系统(12、 12，)，其包括缠绕的用于产生纵向方向的主磁 场梯度的中央梯度绕组区(40、 40'、 42、 42')。
3、 如权利要求2所述的磁共振扫描仪，其中所述中央梯度绕组区包括 关于所述中央扫描仪平面(22)对称设置的多个间隔开的绕组部(40、 40'、 42、 42，)，并且所述中央磁体绕组区(30)最靠近所述间隔开的绕组部的至少若干 层各自包括长度与沿圆周缠绕在所述扫描区(20)周围的所述间隔开的绕 组部之间的间隔相当的片。
4、 如权利要求2所述的磁共振扫描仪，其中所述中央磁体绕组区(30) 的每一层绕组连续跨越所述中央磁体绕组区(30)的纵向长度(L)，改变所述 层的纵向绕组密度以至少在所述扫描区(20)内产生基本均匀的纵向方向的 主磁场(Bo)。
5、 如权利要求2所述的磁共振扫描仪，其中所述主磁体系统(10)进一 步包括外部磁体绕组区(32、 34)，其布置在所述磁体绕组区(30)的外侧并且关 于中央扫描仪平面(22)对称布置。
6、 如权利要求5所述的磁共振扫描仪，其中所述纵向磁场梯度系统(12、 12')进一步包括 外部梯度绕组区(44、 46)，所述中央梯度绕组区(40、 40'、 42、 42，)设 置在所述外部梯度绕组区之间，所述外部梯度绕组区产生补偿性的纵向方 向的磁场梯度，其具有的极性与所述纵向方向的主磁场梯度的极性相反， 使得在所述外部磁体绕组区(32、 34)与所述纵向磁场梯度系统(12、 12')之间 的互感基本为零。
7、 如权利要求6所述的磁共振扫描仪，其中所述主磁体系统(10)关于 所述中央扫描仪平面(22)对称，并且所述纵向磁场梯度系统(12、 12')关于所 述中央扫描仪平面(22)对称。
8、 如权利要求7所述的磁共振扫描仪，其中所述外部梯度绕组区(44、 46)之间的纵向间隔小于所述外部磁体绕组区(32、 34)之间的纵向间隔。
9、 如权利要求6所述的磁共振扫描仪，其中所述中央梯度绕组区(40、 40，、 42、 42')的半径与所述主磁体系统(10)的半径不同，而所述外部梯度绕 组区(44、 46)的半径与所述主磁体系统(IO)的半径大致相同。
10、 如权利要求9所述的磁共振扫描仪，其中所述外部梯度绕组区(44、 46)的半径在所述主磁体系统(10)的半径的大约1±5%之内。
11、 如权利要求6所述的磁共振扫描仪，其中所述中央梯度绕组区(40、 42)的半径大于所述主磁体系统(10)的半径，而所述外部梯度绕组区(44、 46) 的半径与所述主磁体系统(10)的半径大致相同。
12、 如权利要求6所述的磁共振扫描仪，其中所述主磁体系统(10)和所 述纵向磁场梯度系统(12、 12，)的绕组是超导绕组，并且所述扫描仪进一步 包括真空夹套(50)，其容纳了所述主磁体系统(10)和所述纵向磁场梯度系统 (12、 12，)的所述超导绕组。
13、 如权利要求6所述的磁共振扫描仪，进一步包括横向磁场梯度系统(14)，其被缠绕成用来至少在所述扫描区(20)中产生 横向方向的磁场梯度。
14、 如权利要求13所述的磁共振扫描仪，其中所述横向磁场梯度系统 (14)的半径被设置得比所述主磁体系统(10)的半径大。
15、 一种纵向磁场梯度系统(12、 12，)，其被缠绕成用来至少在磁共振 扫描仪的扫描区(20)中产生纵向方向的磁场梯度，所述纵向磁场梯度系统包 括中央梯度绕组区(40、 40，、 42、 42，)，其关于中央扫描仪平面(22)对称 布置，并且被缠绕成用来产生纵向方向的主磁场；以及外部梯度绕组区(44、 46)，其在所述中央扫描仪平面(22)的两侧对称布 置并且围绕所述中央梯度绕组区(40、 40，、 42、 42，)，所述外部梯度绕组区 (44、 46)被缠绕成用来产生补偿性的纵向方向的磁场梯度，其具有的极性与 所述纵向方向的主磁场梯度的极性相反，布置所述外部梯度绕组区(44、46)， 使得所述磁共振扫描仪的主磁体系统(10)的外部绕组(32、 34)与所述纵向磁 场梯度系统(12、 12')之间的互感基本为零。
16、 如权利要求15所述的纵向磁场梯度系统，其中所述中央梯度绕组 区包括关于所述中央扫描仪平面(22)对称设置的多个间隔开的绕组部(40、40，、 42、 42，)。
17、 如权利要求15所述的纵向磁场梯度系统，其中所述中央梯度绕组 区(40、 40，、 42、 42，)的绕组的半径与所述主磁体系统(10)的所述绕组的半 径不同，而所述外部梯度绕组区(44、46)的绕组的半径与所述主磁体系统(10) 的所述绕组的半径大致相同。
18、 如权利要求17所述的纵向磁场梯度系统，其中所述外部梯度绕组 区(44、 46)的所述绕组的半径在所述主磁体系统(10)的所述绕组的所述半径的大约1±5%内。
19、 如权利要求15所述的纵向磁场梯度系统，其中所述中央梯度绕组 区(40、 42)的绕组的半径大于所述磁共振扫描仪的所述主磁体系统(10)的所 述绕组的半径。
20、 如权利要求15所述的纵向磁场梯度系统，其中所述中央梯度绕组 区(40、 40'、 42、 42，)和所述外部梯度绕组区(44、 46)设置在真空夹套(50) 的内部，其中所述真空夹套(50)还容纳了所述磁共振扫描仪的所述主磁 体系统(10)的所述绕组。
21、 一种磁共振成像系统，包括 如权利要求1所述的主磁体系统(IO)。
22、 如权利要求21所述的磁共振成像系统，进一步包括 如权利要求15所述的纵向磁场梯度系统。
全文摘要
在磁共振扫描仪中，缠绕主磁体系统(10)以至少在扫描区(20)中产生纵向方向的主磁场(B<sub>0</sub>)。该主磁体系统包括设置在外部磁体绕组区(32、34)之间的逐层缠绕的中央磁体绕组区(30)。纵向磁场梯度系统(12、12′)包括设置在外部梯度绕组区(44、46)之间的中央梯度绕组区(40、40′、42、42′)，其中，所述中央梯度绕组区(40、40′、42、42′)被缠绕成用来产生纵向方向的主磁场梯度，所述外部梯度绕组区(44、46)被缠绕成用来产生补偿性的纵向方向的磁场梯度，其具有的极性与纵向方向的主磁场梯度的极性相反。布置外部梯度绕组区，以使外部磁体绕组区(32、34)与纵向磁场梯度系统(12、12′)之间的互感基本为零。
文档编号G01R33/385GK101341418SQ200680048218
公开日2009年1月7日 申请日期2006年12月12日 优先权日2005年12月20日
发明者J·A·奥弗韦格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司