专利名称：适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯度线圈模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振成像及波谱学，特别是涉及一种磁共振成像与采用超导体组件 的波谱仪，具体涉及一种适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯度线圈模块。
背景技术：
当前，磁共振成像(MRI)技术已广泛应用于全球较大的医疗机构，给医疗实践领 域带来了显著和独特的益处。尽管MRI已经演变成一种成熟的基于结构和解剖的成像诊断 工具，人们还在不断地发展MRI，使之适用于脑功能成像和其它生物物理与生物化学特性或 过程(如血流、代谢/新陈代谢、扩散)。这些磁共振(MR)成像技术的例子包括功能MRI、 波谱MRI或磁共振波谱成像(MRSI)、磁共振扩散加权成像(DWI)及弥散张量成像(DTI)。 这些磁共振成像技术除了具有检查和评估病理学，确定受检组织健康状态的医疗诊断价值 外，还广泛地应用于临床和科研领域。在典型的MRI检查中，患者的身体(或受测对象标本)放置在检查区内，并使用患 者支架支撑好，置于MRI扫描仪环境中。MRI扫描仪的主磁体提供恒定、均勻的主磁场。磁 场将进动原子核，例如体内的氢(质子)定向。磁体内的梯度线圈组在既定位置对均勻磁场 产生小的修正，从而为成像区的共振频率提供编码。在计算机控制下，根据脉冲序列，有选 择地驱动射频(RF)线圈，在患者身上生成瞬时的振荡横磁化信号，该信号可由RF线圈检测 而得，并且通过计算机处理再映射到患者身上空间确定的区域，从而生成受检区域的图像。在一般的高场MRI配置中，静态主磁场一般由螺管式磁体生成，患者平台放置于 圆柱空间中(即主磁孔)。主磁场绕组一般为低温超导体(LTQ材料，可以使用液氦制冷， 从而减少电阻，因此，可将产生的热量和生成磁场所必需的功率下降到最低，从而维持主磁 场。目前，大部分LTS超导MRI磁体均由铌钛(NbTi)和/或铌三锡(Nb3Sn)合金超导线材 料制成，可由低温恒温器冷却至4. I。正如本领域的技术人员所知，磁场梯度线圈一般配置为可以有选择地沿着空间内 的三个主要的直角坐标轴(其中一个坐标轴与主磁场方向相同)，分别提供线性磁场梯度， 以便磁场大小随着检查区域内位置的变化而变化，而感应区域不同位置发出的磁共振信号 (如信号频率和相位)，其特点是可以根据区域内的位置被编码(从而提供空间定位)。在 通常情况下，梯度磁场由经过电磁绕组的电流生成，这些电磁绕组被安装在同轴的支架上， 并安装在含有主磁场绕组的较大容器的中心。与主磁场不同的是，用来生成梯度磁场的线 圈一般为室温铜绕组。梯度强度和磁场线性无论对生成图像的细节准确性，还是提供的组 织化学(如在MRSI中)信息的准确性都至关重要。自从引入MRI之后，人们始终致力于改进MRI质量和功能，如通过提供更大的空间 分辨率、更高的波谱分辨率(如用于MRSI)、更大的对比度和更快的采集速度。例如，需要 不断提高成像(采集)速度，将图像采集过程中成像区域的瞬时修正导致的成像模糊下降 到最低，此类修正可能由患者移动、自然的解剖和/或功能性移动(如心跳、呼吸、血流)和 /或自然的生物化学修正(如在MRSI过程中新陈代谢引发)等原因造成。同样的，在波谱MRI中，由于采集数据的脉冲序列将空间信息及波谱信息进行编码，因此，将采集足够的波 谱和空间信息，以获得需要的波谱分辨率，并将空间定位所需的时间最小化，这对于改进临 床可行性和波谱MRI实用性特别重要。高对比度、分辨率和采集速度等因素可提高MRI图像质量。影响图像质量和采集 速度的一个重要参数就是信噪比(S·)。在MRI系统前置放大器之前增强信号，提高SNR， 对于提高图像质量非常重要。提高SNR的方法之一就是提高磁体的磁场强度，因为SNR与 磁场强度成比例。然而，在临床应用中，MRI对于磁体的磁场强度有所限制(美国视频药物 管理局现行的上限是3T (Tesla))。其它提高SNR的方法包括在适用时，通过降低视场(若 适用)降低样品噪声、缩短样品与射频线圈之间的距离和/或减少射频线圈噪声。尽管人们始终坚持不懈地改进MRI并不断取得进步，进一步提高MRI的需求仍持 续存在，如借此提供更大的对比度、提高SNR、加快采集速度、提高空间及时间分辨率和/或 提高波谱分辨率。此外，影响MRI技术得到更广泛应用的一个重要因素就是高磁场系统的高采购和 保养成本。因此，提供以合理成本制造和保养的优质MRI成像系统，让MRI技术得到更广泛 应用，将会使人们受益匪浅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯 度线圈模块，能提高磁共振成像仪的性能，降低制造和保养成本。为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯 度线圈模块，包含一个真空隔热外壳，包含一个双层气密夹套，可(i)封闭出一个具有第 一真空压力的高真空空间，(ii)封闭出一个具有第二真空压力的真空空间；至少一个超导 体梯度线圈，位于真空空间内；一个散热元件，位于真空空间内，与至少一个超导体梯度线 圈热接触；以及一个端口，至少用来低温冷却该散热元件。本发明的有益效果在于本发明提出了使用超导体制作梯度线圈并提供了相应的 降温技术。超导体梯度线圈可以提高磁共振成像仪的磁场梯度和空间分辨率，也可以降低 电能损耗和发热，节约冷却用水。请注意，对于本领域的技术人员而言，上述介绍和下述详细说明仅为本发明的示 范和解释，并非限制本发明或本发明所创造的优势。此外，本发明的上述内容总结代表本发 明的部分实施例，不能代表或涵盖本发明范围内的所有主旨和实施例。因此，本文的附图， 与此相关的信息，本文中的图例说明，及详细的介绍都用来解释本发明实施例的原理。本发 明实施例结构和操作的各个方面、特征及优势，若结合附图并根据下述介绍进行思考，将易 于理解，接合起来看，会更清楚；在各个附图中，相同的参考编号指代相同或相似的部件。
图IA和图IB是根据本发明部分实施例大致描绘的具有一般圆柱形状的低温冷却 的超导体梯度线圈模块10的正交视图；图IA是沿着纵轴的截面图，图IB是从图IA左侧观 察的俯视图或端视图；图2A是图IA和图IB描述的低温冷却超导体梯度线圈模块10相对应的超导体梯度线圈3的侧视图；图2B是图2A描述的圆柱形χ梯度支架258的平面图；图3是采用图IA和图IB所示的圆柱形状的低温冷却的超导体梯度线圈模块10 的MRI系统的截面示意图；图4是本发明实施例之一适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯度线圈模块 的正交视图；图5是专为用于头部成像的磁共振成像系统而设计的低温冷却的超导体梯度冷 却模块的真空隔热外壳的示意图(尺寸仅供示例)。
具体实施例方式鉴于下文介绍，本领域的技术人员应了解，根据本发明各个实施例的低温冷却的 超导体梯度线圈模块(如嵌件)可在多种磁共振成像和波谱系统中实施，如采用传统RF铜 线圈的系统、采用超导线RF线圈的系统、全身系统、专用系统(如关节、头部、宠物、婴儿等 磁共振成像仪)、具有垂直或水平定向的主磁场的系统、开放或封闭的系统等。同样地，本领 域的技术人员众所周知，尽管下文介绍的多个方面均可在应用于患者结构检查的MRI系统 中提出，根据本发明各个实施例的低温冷却的超导体梯度线圈模块可以与针对其它形态操 作和配置的磁共振(MR)系统结合使用，如功能MRI、弥散加权和/或弥散张量MRI、MR波谱 和/或波谱成像等。此外，如本发明所采用的MRI包括和包含磁共振波谱成像、弥散张量成 像(DTI)以及基于核磁共振的其它任何成像形态。图IA和图IB是根据本发明部分实施例大致描绘的具有一般圆柱形状的低温冷却 的超导体梯度线圈模块10的正交视图。更具体地说，图IA是沿着纵轴的截面图，图IB是 从图IA左侧观察的俯视图或端视图，但显示了不锈钢隔舱8的剖视图或截面，以展现隔舱 8内的制冷机7。如图IA和图IB所示，在部分实施例中，低温冷却的超导体梯度线圈模块10包括 (i) 一个真空隔热外壳1，包含一个双层气密夹套，由玻璃和/或其它非导电的、机械性能强 大的材料制成，如G10、RF4、塑料和/或陶瓷；(ii) 一个散热元件2，由非金属热导体制成， 如高导热性的陶瓷，如蓝宝石或氧化铝陶瓷；(iii)超导体梯度线圈3(即，在正交的x、y、z 方向形成B磁场修正的三个梯度)，与散热元件2热接触良好，由诸如低温超导体(LTS)线 (如NbTi、Nb3Sn等)或高温超导体(HTS)带(如YBCO、BSCCO等)制成；(iv) 一个双层不 锈钢隔舱8，与真空隔热外壳1密封耦合；以及(ν) —个制冷机7，与散热元件2热耦合，可 密封安装到不锈钢隔舱8的法兰中。请了解，真空隔热外壳1可以由各种方式构成，它是一种连续、气密的玻璃外壳， 封闭出一个具有第一真空压力的高真空空间4和一个具有第二真空压力的真空空间5，高 真空空间4内可维持高真空环境(如第一真空压力为10_6托或以下)。例如，根据部分实 施例，真空隔热外壳1的制造方法可为如下(i)形成两个大体为圆柱形的双层结构，每个 结构的截面均为U型壁，第一个结构与连续的玻璃壁部分Ia对应，第二个接口与连续的玻 璃壁部分Ib对应；(ii)将所述大体为圆柱形的连续的玻璃壁部分Ib安装到大体为圆柱形 的连续的玻璃壁部分Ia的环形空隙中，可在二者之间使用玻璃垫片；(iii)将高真空空间 4抽吸到高真空，利用玻璃粘结、烧熔或密封Ia和Ib之间的开口端(即稍后将密封安装到不锈钢隔舱8的末端)，以便在真空环境中密封高真空空间4。请注意，可以多种方式完成 真空密封。例如，可以完全在真空隔舱内进行真空密封，或者可以烧熔Ia和Ib末端使之熔 合，并留出一个小区域作为真空抽吸端口，并在高真空空间4抽吸到真空环境之后再加以 密封。在各个实施例中，真空隔热外壳1可作为气密双层结构(和真空隔热外壳)或与之 类似的方式。通过示例，可以通过环氧结合、焊接或其他气密的法兰连接，在真空隔热外壳 1 (如玻璃)和不锈钢隔舱8之间形成焊缝6，可提供足够的密封，维持安放超导体梯度线圈 3和散热元件2的真空空间5为低真空环境(如第二真空压力为10_2托至10_6托左右)。 同样地，通过示例，制冷机7和不锈钢隔舱8的法兰之间的真空密封可以通过0型圈或其他 密封机构9 (如金属垫圈/刀型连接)完成，同样，此举的目的在于在安放超导体梯度线圈 3和散热元件2的真空空间5维持低真空环境。但是，本领域的技术人员了解到，隔舱8也 可由不锈钢之外的其他材料制成，包括铝或其它金属或非金属材料，如玻璃、陶瓷、塑料或 这些材料的组合，以及可适用于连接到真空隔热外壳1和制冷机7的其他材料。在各个实施例中，制冷机7可以是各种单级或多级的制冷机，如Gifford McMahon (GM)制冷机、脉冲管(PT)制冷机、Joule-Thomson (JT)制冷机、Stirling制冷机或 其它任何制冷机。在各种替代实施例中，梯度线圈模块10可被冷却，使得超导体梯度线圈 3由液氦和液氮等制冷剂冷却。现在参照图2A，这是根据本发明的部分实施例，进一步描述与图IA和IB描述的 低温冷却超导体梯度线圈模块10相对应的超导体梯度线圈3的侧视图。在此类实施例中， 如图2A所示，三个相应的共轴圆柱形支架结构，即χ梯度支架258，y梯度支架262和ζ梯 度支架264表面之上和/或表面之内形成或配备三个独立的梯度线圈，用于沿着三个正交 方向形成调制磁场。根据一般约定，χ和y表示垂直于主磁场的两个正交方向(有时指横 向)，ζ表示主磁场的方向。因此，χ梯度支架258、y梯度支架262和ζ梯度支架264支撑 相应的梯度线圈，分别沿着x、y和ζ方向形成磁场梯度。例如，梯度支架258、262和264可 由GlO或其它非铁磁、非导电(如非金属、绝缘)的材料制成。在本实施例中，ζ梯度支架 线圈为螺线管线圈，χ和y梯度线圈为鞍形线圈，每个线圈都在圆周方向上覆盖一半的与之 相应的圆柱支架。1梯度支架262与χ梯度支架258和ζ梯度支架264热接触良好，后者与 图IA和图IB中的散热元件2热接触良好。在各种替代实施例中，可额外安装或替换安装 一个散热片，使之与χ梯度支架258接触。在使用散热元件2时，与χ梯度支架258接触的 散热片可能会被散热元件2的同一制冷机或其它制冷机冷却。根据本发明的一个实施例，图2Β是图2Α描述的圆柱形χ梯度支架258的平面图， 显示了一个线圈268，它是χ梯度支架258支撑的整体χ梯度线圈的四分之一。χ梯度支架 258的表面通常内凹(如蚀刻或雕刻)，梯度线圈沈8 (导线)位于内凹处，梯度线圈导线固 定并粘结在内凹处，以便当电流传导经过磁场内的梯度线圈导线时，导线不会移动(在洛 伦兹力作用下)。y梯度支架262上配备的y向梯度线圈，其设计和结构基本上与χ梯度支 架258上配备的χ向梯度线圈268 —致，但尺寸方面存在些许修正y梯度支架的直径可以 略小于χ向梯度支架的直径。如图2A和图2B所示，χ梯度线圈沈8的中心260朝着χ方 向，而y梯度线圈则与χ梯度线圈成直角正交。螺线管ζ梯度线圈(未在图中详细示出)以 相似的方式形成在ζ梯度支架264表面之上和/或表面之内，但ζ梯度线圈围绕ζ梯度支架264的圆柱轴绕成螺旋形，其中沿着圆柱轴有一板线圈以主磁体绕组的同一方向缠绕，以便 ζ梯度线圈在该线圈一半的范围内增大磁场，而沿着圆柱轴的另一半线圈则以相反的方向 缠绕，以便ζ梯度线圈在该线圈另一半的范围内降低磁场。本领域的技术人员应了解，图IA和图IB描述的为普通圆柱形的梯度线圈模块10 非常适用于采用圆柱螺旋主磁体结构并形成大体均勻、水平磁场的MRI系统等。例如，图3 即为此类MRI系统的截面图示，该系统包括圆柱形主磁体17，该磁体上具有安放梯度线圈 模块10和射频线圈13(可为任何形式的射频线圈或适用于全身、特殊身体部位(如头部或 上肢)、婴儿或宠物等成像场合的线圈组)的内孔。但是，应了解，低温冷却的超导体梯度线 圈模块10除了适用于提供水平磁场的圆柱形螺管式主磁体外，而且可以用于开放式磁体， 如垂直磁体或双圈磁体。此外，还应了解，尽管根据本发明的部分实施例，图1A、图IB和图3所示实施例可 与低温冷却的超导体梯度线圈模块10外部的一个或多个射频线圈结合使用，一个或多个 射频线圈可以替换或额外安装在梯度线圈模块中。例如，根据如图4所述的部分实施例，射 频线圈13和超导体梯度线圈3与同一散热元件2保持热接触。在各种实施例中，射频线圈 13与散热元件2热接触，因此在低温冷却时，射频线圈13可以是一个或多个传统的铜线圈 和/或一个或多个超导体射频线圈(LTS和/或HTS)线圈和/或一个或多个线圈，包含一 个非超导线材料，该材料在冷却到低于室温的温度时，其导电性高于低于室温的同一温度 的铜(如，基于碳纳米管的材料和/或二维电子枪半导体结构)。通过示例，适用于本应用的HTS射频线圈的适当形态为由铋锶钙铜氧(BSCCO)制 成的超导体带材。例如，美国专利6，943，550介绍了利用HTS带材制成HTS RF线圈的过程， 本文在此引用此公开信息。在替代实施例中，超导线射频线圈可以为超导薄膜，如一个包含 HTS材料(如钇钡铜氧(YBCO)、铊钡钙铜氧(TBCCO)、MgB2或MB)的超导薄膜，其中M可从 以下元素中选择Be、Al、Nb、Mo、Ta、Ti、Hf、V 和 Cr。在发表于 Proc. Mag. Res. Medicine, 1，171 (1999)的Ma等人撰写的“用于人体成像的超导MR表面线圈”中详细介绍了在平面 基片上形成HTS薄膜线圈的过程，本文引用此公开信息的全部内容。在2003年9月9日 "Academic Radiology”杂志第10卷第978至987页刊登的Ma等人撰写的“在低场实现临 床MR成像的超导线射频线圈”以及Miller等人撰写的“2. OT下活体显微成像的高温超导 探头的性能”(MagneticResonance in Medicine,41 :72-79(1999))中进一步介绍了其他与 HTS线圈相关的信息，本文引用此公开信息的全部内容。本领域的技术人员应了解，无论射频线圈13位于梯度模块10之内还是之外，射频 线圈13均可为射频发射器和射频接收器的单独线圈，或者是发射和接收的共用线圈(即收 发线圈)。此外，在部分实施例中，发射器和接收器线圈为分开的单独线圈，只有一个线圈 (如接收器线圈)是超导线圈(如另一个线圈可以是位于梯度模块10外部的传统铜线圈， 而超导线圈可以敷设在梯度模块10内的热导体2表面)。此外，在部分实施例中，无论射频 线圈13位于模块10之内还是之外，它可以是一个射频线圈列阵，在部分情况下该射频线圈 列阵可以为超导线射频线圈列阵，如HTS线圈列阵。此外，应了解，低温冷却的超导梯度线圈模块的尺寸和形状可以根据具体的应用 场合进行修改。例如，根据本发明的部分实施例，图5描述的低温冷却的超导体梯度冷却模 块的玻璃(或玻璃钢)容器部分(尺寸仅供示例)专为用于头部成像的磁共振成像系统而设计。另外应了解，虽然未在附图中示出，但是根据本发明的各个实施例，低温冷却的超 导体梯度线圈模块(如模块10)包括至少一个电流馈线(如通过隔舱8)，以将耦合电流信 号提供至模块中(如，用于驱动梯度线圈)，控制和/或监控模块中配备的梯度线圈和/或 射频线圈。根据本发明的各个实施例，应了解，含有玻璃容器的梯度线圈模块(如模块10)， 可包括(i)在玻璃上的涂层(如塑料或聚合体)，以提供保护(如防止断裂、剥落或破裂) 和/或增加强度等，以及/或者(ii)刚性套管(如由塑料或GlO或金属构成)，玻璃容器可 安装在该套管中，以提供上述保护和/或增加强度。本发明根据特定实施例进行描述和介绍，这些实施例仅用于描述本发明的原理， 并非排除或限制实施例。因此，尽管本发明实施例的上述介绍和各种描述性修改和特征提 供了许多特性，这些详情不应构成对本发明范围的限制，而且，本领域的技术人员应了解， 在不偏离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种修改、改编、变动、删节、增加及类似操 作。例如，除了由于过程本身的需要或固有的原因，本次公开并未暗示其所述步骤或方法阶 段或过程的特定顺序，包括图形。在许多不改变目的、效果或主要方法的情况下，过程步骤 的顺序可以不同，各个描述步骤可以结合、修改或省略。还应注意，术语和表达是作为描述 性术语，而非限制性术语。本文无意使用排除同类产品的术语或表达。此外，本发明可以在 不必提供此处所述的一个或多个优势的情况下实施，或者可以通过本次公开进行理解和/ 或本发明的部分实施例实现。因此，本发明并不局限于所公开的实施例，而应根据下述权利 要求进行界定。
权利要求
1.一种适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯度线圈模块，其特征在于，包含真空隔热外壳，包含双层气密夹套，用于封闭出具有第一真空压力的高真空空间和具 有第二真空压力的真空空间；至少一个超导体梯度线圈，位于所述真空空间内；散热元件，位于所述真空空间内，与所述至少一个超导体梯度线圈热接触；以及一个端口，用于低温冷却至少该散热元件。
2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述端口与至少热耦合到该散热元件的 制冷机耦合。
3.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，进一步包含一个与所述双层气密夹套连 接的隔舱，其内空间与所述真空空间的压力相同，所述端口安装在所述隔舱中。
4.根据权利要求3所述的模块，其特征在于，所述端口与至少热耦合到该散热元件的 制冷机耦合。
5.根据权利要求3所述的模块，其特征在于，所述隔舱为双层不锈钢隔舱。
6.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述第一真空压力为10_6托至10_12托，所 述第二真空压力为10_2托至10_6托。
7.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述超导体梯度线圈在χ梯度支架、y梯 度支架和Z梯度支架表面之上和/或表面之内形成，用于沿着三个正交方向形成调制磁场。
8.根据权利要求7所述的模块，其特征在于，所述y梯度支架与χ梯度支架和ζ梯度支 架热接触，该ζ梯度支架与所述散热元件热接触，该χ梯度支架与另一散热片接触，在使用 散热元件时，与χ梯度支架接触的散热片可能会被散热元件的同一制冷机或其它制冷机冷 却。
9.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述模块之内或之外设有一个或多个射频线圈。
10.根据权利要求9所述的模块，其特征在于，所述模块之内设有一个或多个射频线 圈，所述射频线圈与所述散热元件热接触。
11.根据权利要求9所述的模块，其特征在于，所述射频线圈为射频发射器和射频接收 器的单独线圈，或者是射频发射器和射频接收器的共用线圈。
12.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，还包括至少一个电流馈线，以将耦合电 流信号提供至模块中，控制模块中配备的梯度线圈和/或射频线圈。
13.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，在所述真空隔热外壳上设有涂层和/或 刚性套管，所述真空隔热外壳安装在该刚性套管中，该涂层采用塑料或聚合体，该刚性套管 采用塑料或GlO或金属。
全文摘要
本发明公开了一种适用于磁共振成像的低温冷却的超导体梯度线圈模块，包含一个真空隔热外壳，包含一个双层气密夹套，可(i)封闭出一个具有第一真空压力的高真空空间，(ii)封闭出一个具有第二真空压力的真空空间；至少一个超导体梯度线圈，位于真空空间内；一个散热元件，位于真空空间内，与至少一个超导体梯度线圈热接触；以及一个端口，至少用来低温冷却该散热元件。本发明结构简单，能提高磁共振成像仪的性能，降低制造和保养成本。
文档编号G01R33/385GK102062844SQ20091020182
公开日2011年5月18日 申请日期2009年11月18日 优先权日2009年11月18日
发明者马启元, 高而震 申请人:美时医疗技术(上海)有限公司