用于磁场匀场的装置和方法

专利名称：用于磁场匀场的装置和方法
技术领域：
本发明涉及磁场勻场的装置和方法。在诸如磁共振成像(MRI)的应用中，有必要 提供非常均勻的背景磁场。比如，在一个例如直径50cm的球的成像体积内，磁通密度为 0. IT或更大的磁场必须具有峰到峰值为百万分之40或更小的不均勻性。
背景技术：
常规地，在本领域技术人员所知的“无源勻场”的过程中，小片状的铁磁性材料，如 片状低碳钢，被策略地安排在成像体积周围适当的位置，用于补偿磁体造成的磁场不均勻 性。比如，一种典型的MRI磁体可为圆柱形形状，由超导电线线圈形成并封装在一个圆柱形 冷冻剂导管中，其自身封装在一个与环境温度热隔离的中空圆柱形的外真空室(OVC)内。 在外真空室的孔内安置了一个圆柱形梯度线圈组件。这是一个典型的在陶制材料如环氧树 脂内包含电阻线圈的模制品，用于产生正交磁场梯度。电阻线圈包括梯度线圈本身，并且 在梯度线圈的径向外侧，梯度屏蔽线圈可选择地设置为用于减少从梯度线圈到达外真空室 (OVC)的磁场强度。模制品内提供了勻场槽。这些是孔，典型地为矩形截面，且典型地设置 在梯度线圈和梯度屏蔽线圈之间。具有相似矩形截面的勻场盘位于勻场槽内。每个勻场盘 包括沿着其长度的许多勻场室。成片的铁磁材料，被称作勻场板，典型地，诸如那些用于变 压器叠片中的、具有可再生磁性的低碳钢，被置于勻场盘的勻场室内。勻场盘装入梯度线圈 组件内。成片的铁磁材料影响磁体产生的磁场，可用于提高生成的磁场的均勻性。一种勻场 算法被用于计算需要将成像体积内磁场不均勻性减小到所需水平的勻场板的数量和分布。 勻场盘也可或可选地置于梯度线圈组件的径向外表面和OVC的孔之间，或在梯度线圈组件 的径向内表面和梯度线圈组件的孔内的体(RF)线圈之间。勻场常规地进行如下。首先将磁体带入磁场中，典型地使用核磁共振(NMR)探针 阵列，测量成像体积内的磁场变化。将磁体带入磁场中导致流过超导线圈的电流逐渐增加， 一个被称为坡升的过程。由于加热发生在冷冻导管内，坡升过程花费时间，并消耗冷冻剂。 除此坡升花费的时间之外，其中该坡升花费的时间典型地至少为半小时，可能为数小时，必 须允许磁体达到平衡，这还要花费1-2小时。一旦测量到磁场变化，这可使用NMR场相机绘制球面表面流量密度并将它分解为 球谐函数之和以描述不均勻性来实现，已知算法可用于计算勻场板合适的分布从而提高成 像体积内磁场的均勻性。然后移除超导磁体中的电流。与上述坡升过程相似，该“坡降”步 骤消耗时间和制冷剂。当磁体已经完成坡降时，勻场盘从梯度线圈组件中移出。勻场板被 放置在勻场盘内勻场室中适当的位置。然后勻场盘被放回梯度线圈组件中。由于安全的原因勻场板不能在场被加载或移出在圆柱形磁体孔的开口端，当勻 场板移动通过陡磁场梯度，要经历上百牛顿的相当大的力。已经对取出并用“在场”磁体替 换勻场盘做了一些实验，但已证明不够令人满意。然后重复坡升和测量磁场均勻性的过程。由于各勻场板设置精度的小误差，因此 在一次反复操作中这种勻场不大可能实现足够均勻的磁场。典型地，需要二或三次勻场反
5复操作，这需要三或四个坡升和二或三个坡降过程。这样费时并浪费制冷剂。

发明内容
本发明的目的是提供一些方法和设备，用于使由磁体特别是超导磁体产生的磁场 有效勻场，而不需要在勻场操作之间坡降磁体。避免重复坡循环节约了安装或重新启用超 导磁体的时间，并减少了冷冻剂的消耗。当随着热量进入冷冻剂而超导磁体恢复到电阻状 态并失去储存的能量时，淬火典型地仅发生在坡期间。通过减少对坡循环的需求，本发明减 少了淬火的可能性。本发明的方法和装置可适用于圆柱形超导磁体。本发明相应地提供附属权利要求中限定的方法和装置。特别地，本发明提供装置 和方法，用于通过在位于待勻场的磁场周围的勻场通道内移动勻场件使磁场勻场。在勻场 操作时，勻场通道内没有加入或移出勻场件。由于勻场件不需要横穿圆柱形磁体孔的开口 端处的陡磁场梯度，因此勻场操作可在磁体在场的情况下实施。根据本发明的方法，勻场时 根本不必将磁体坡降。


在考虑以下仅通过非限制性的例子给出的特定实施例的描述后，本发明的以上以 及进一步的目标、特点和优点将变得显而易见，其中图1示出了根据本发明的实施例修改的超导磁体组件的示意性端视图；图2A和2B分别示出了根据本发明实施例修改的梯度线圈组件的示意性的部分的 径向截面图；图3示出了根据本发明实施例的穿过超导磁体和梯度线圈组件的轴向截面的部 分放大视图；图4-5示出了在本发明的一些实施例中有用的保持或夹紧装置的例子；图6-10示意地图解了本发明中实施例有用的勻场件；图11A-11B示出了根据本发明实施例的勻场件和互补的勻场通道轮廓的例子；图12A-12B示出了根据本发明的实施例的另一种勻场件和互补的勻场通道轮廓 的例子；图13示出了具有为了调节温度允许流体循环的通孔的勻场件的例子；图14示出了作为勻场板位置的函数的通量密度的轴向分量；图15示出了在不同轴向位置处勻场件上的力；图16示出了勻场通道设置于梯度线圈组件径向外表面和OVC的孔管表面之间；图17示出了图16实施例的勻场通道怎样设置在如图1描述的中空圆柱形超导磁 场发生器中；图18示出了在多于一个离梯度线圈组件的轴的径向距离处设置勻场通道；图19示出了勻场通道被设置在梯度线圈组件的径向内表面上，介于梯度线圈组 件的径向内表面和在孔内的均勻区域之间；以及图20示出图19实施例的勻场通道可怎样设置在如图1描述的中空圆柱形超导磁 场发生器中。
具体实施例方式图1示意地描述了根据本发明修改的超导磁体装置的端视图。空心的圆柱形超导 磁场发生器包括含有超导磁体的外部真空容器1，以及冷却装置，如制冷机2，以保持超导 磁体足够的冷从而超导成为可能。入口转台3被示意性的描述，其能使进入外部真空容器 1，以到达磁体，增减冷冻剂，必要时穿过电缆或管道。空心的圆柱形梯度线圈组件4，位于圆柱形外部真空容器1的孔5内，并在其中设 置一个孔，成像对象，如病人，可置于其中。梯度线圈组件一般被设置在圆柱形外部真空容 器的孔内，例如像在圆柱形MRI (磁性共振成像)磁体中所用的。根据发明实施例阐明的特 点，在梯度线圈组件的材料内设置了许多勻场通道6。这些通道在轴向，也就是说，与圆柱形 外部真空容器1的轴A-A(图3)平行的方向，延伸过梯度线圈组件。在本说明书和所附权 利要求中，术语“径向”将用于指与圆柱形外部真空容器1的轴A-A(图3)垂直的方向。这将在下面予以更详细的描述，勻场通道也可以或可选地被放置于梯度线圈组件 的径向外表面和OVC的孔表面之间，或者在梯度线圈组件径向内表面和均勻区域之间。一 个体(RF)线圈可设置在梯度线圈组件的孔内，勻场通道可被设置在径向位于梯度线圈组 件和体(RF)线圈之间的位置。图2A示出了图1所示的梯度线圈组件4的放大的部分径向截面图。许多常规的 梯度线圈7和梯度屏蔽线圈7A被设置成嵌入陶制材料8中，典型地为环氧树脂中。梯度线 圈能够产生在ζ方向取向的快速变化的磁场，其具有正交方向X，1，ζ的梯度。梯度线圈组 件如此布置，以便这些勻场通道6可被设置成，通过梯度线圈7和梯度屏蔽线圈7A之间的 梯度线圈组件的轴向长度，而不阻碍它们的操作。勻场通道6类似于已知的勻场槽，但是截面直径d可能仅为5_15mm。在一个典型 的全身MRI系统中，可设置数量相对较大的勻场通道6。比如，在本发明描述的实施例中，勻 场通道的数量可在90-400的范围内，尽管为了清楚图中示出的少得多。由于机械强度，期 望勻场通道在横截面上将为圆形，具有大约5-15mm的直径d，尽管本发明不限于该尺寸范 围或任何特别的截面形状的勻场通道。相较于少量(典型的16，20或24)矩形截面通道， 提供具有相似的总体积的大量较小的、圆形截面通道更可取，因为梯度线圈组件可制造的 更硬，对振动和挠曲更加有抗性。所有的勻场通道6可被布置成距离梯度线圈轴的径向距 离相同(如图2A所示)，或在离梯度线圈轴的不同径向距离之处(如图2B所示)设置不止 一圈勻场通道。勻场通道可有不同的直径dl，d2。在优选实施例中，设置了 128个勻场通 道，每个直径8mm，在两个不同的半径交错布置，如图2B所示。本发明涉及一种特殊类型的勻场装置，包括可设置在勻场通道6中的勻场设备； 和一种使用该勻场装置使磁体的磁场勻场的方法。本发明应用于设置在勻场通道中的勻场 设备，不限于在梯度线圈组件内形成的勻场通道。实际上，本发明的勻场通道可设置在任何 方便主体中，或在主体间的空间(如在OVC孔表面和梯度线圈组件的外径之间)，且在磁场 发生器1和均均勻场区域10之间的体积内如直径50cm的球内延伸。勻场通道可置于梯度 线圈组件的径向外表面和OVC的孔表面之间，或梯度线圈组件的径向内表面和均勻区域之 间。一个体(RF)线圈可被设置于梯度线圈组件的孔内，勻场通道可径向设置在梯度线圈组 件和体(RF)线圈之间。根据本发明的一个实施例，图3示出了类似于图1中示出的通过超导磁体装置的
7轴向截面。示出了轴A-A，整个组件相对于这个轴大体对称。在磁体组件内的中央，示出了 成像区域10。超导磁体需要在成像区域内产生一个非常均勻的磁场，也可称为均勻区域。 本发明的勻场设备被设置成用于补偿在由成像区域内的磁体产生的磁场中的不均勻性。根据本发明的实施例，如图3所示，设置了勻场件12，每个勻场通道6中两个勻场 件。每个勻场件12与杆14相连，杆足够长以允许操作者沿着勻场通道的至少一半长度，优 选其全长，移动勻场件12。在每个勻场通道的端部附近，如在梯度线圈组件4的端部上，设 置夹具16。这些夹具对于用户是能够接近的，能使杆14能在任何希望的位置被夹住，从而 将相应的勻场件12保持在勻场通道6中选定的位置。夹具16可用任何合适的保持装置替 代。勻场件被定位成以便影响在成像区域中由超导磁体产生的磁场，从而改变其均勻性。根 据本发明的特征，勻场通道6内勻场件12的位置会在磁体在场时被改变。尽管勻场件可在 勻场通道内被轴向移动，但是勻场期间和磁体在场时，没有勻场件需要被移出勻场通道，没 有勻场件需要引入通道。本发明避免了需要改变存在于磁体1的孔内的勻场材料数量，并 且通过重新排列已经存在的勻场件提供勻场。本发明利用了下述事实，即磁体在场时当勻场件12在勻场通道6的内部之时，作 用于勻场件上的力较小，那些力为几牛顿量级。在另一方面，已经观察到，当勻场件移出勻 场通道，或者进入勻场件通道时，作用于勻场件的力(数百牛顿)大得多。这是因为相较于 沿着勻场通道长度的小得多的磁场强度梯度，由于接近圆柱形磁场发生器的开口端，大的 磁场强度梯度存在于勻场通道的端部。结果，已经发现沿着勻场通道6移动勻场件12是容 易和安全的，只要没有试图从勻场通道移出勻场件，和没有试图将另外的勻场件引入到勻 场通道中。因此，根据本发明，勻场件阵列12，如铁或钢，在坡升磁体之前，被引入勻场通道 6。使用一种合适的装置沿着相应的勻场通道移动每个勻场件，可以在磁场在场时调整勻场 件的位置。比如，可通过驱动附着于每个勻场件12且操作者容易接近的杆14，进出相关勻 场通道来实现，如箭头17示意指示。比如，杆14可通过夹具装置16被保持在希望的位置， 以固定相应勻场件的位置。在图3示出的实施例中，每个勻场通道6插入两个杆14，每端一个。在示例实施 例中，杆14是柔韧的玻璃纤维杆，如用于排水沟清理设备，其被切到合适的长度，至少勻场 通道6的一半长度，但优选全长。勻场件12可通过夹持，胶接，或使用弹簧钩分别附着于相 应的杆。可使用任何保持方法，只要允许勻场件抵抗一个最大约为100N的力，在勻场通道 6内被往复驱动。每个杆有一个勻场件12附着于它的端部。勻场件可为铁，或合适的钢或 任何其它合适的磁性材料。每个勻场件能被制成认为合适的形状，比如圆盘、平板、球、柱、 长方体等。勻场件和附着杆在磁体坡升前被安装在勻场通道内。这个安装可在磁体组件运到 客户方之前在工厂完成。在操作中，通过在附着的杆14上推拉，勻场件12可在勻场通道内被往复移动。在 勻场通道的开口处使用一个合适的简单夹具16，可在任何需要的位置夹持杆。当启用或重新启用磁体时，磁体可优选被坡升到场中，使杆14最大程度地拉出， 将勻场件12尽量远地带离成像区域10，以使它们对成像区域10中的磁场的影响最小化。 通过夹持16各勻场通道开口端附近的附着杆14，勻场件12被固定在这些位置。然后磁体被坡到场，其磁场在成像区域10的表面绘制。在这些位置作用在勻场件12上的力被示出 为是小而安全的。勻场是通过将选定的勻场件的位置移动计算的或估算的距离得以实现的，从而可 以改变成像区域10内磁场的均勻性。计算或估算不同勻场件的最佳位置可基于熟练用户 的经验，或者基于数学算法完成。可以用合适的勻场算法找到需要的每个勻场件12轴向位 置。目标是使勻场件对均勻区域内磁场的最终影响与来自该区域内超导磁体的场的不均勻 性相同并对立，和传统的无源勻场一样。以毫米分辨率调整每个勻场件的轴向位置是可能的，不像有固定室的传统勻场盘 的分辨率为好几个厘米。典型地，本发明的勻场装置允许设置许多比传统勻场盘可能提供 的更多的勻场通道6。典型地，有相比于传统盘6至少六倍多的勻场通道的空间，可能12-24 倍那么多(如192-384个勻场通道6)。相较于传统盘和室勻场，这补偿了存在于每个通道 内的勻场元件的减少的数量。仅通过使用尺子测量从勻场通道6端部伸出的杆14的剩余量，勻场件12可被移 动到它们计算要求的位置。可选的，杆本身可以标记有刻度指示附着的勻场件例如相对于 勻场通道6的开口端或相对于成像区域的轴向中心的位置。根据本发明，这种勻场件12的 重置可在磁体在场时予以实施，典型地每个勻场件的移动需要不多于约100N的力，尽管这 个最大力将随着磁场梯度和勻场件大小的增加而增加。没有勻场件在勻场过程中被移出勻 场通道，没有另外的勻场件在勻场过程中被增加到勻场通道中。一旦勻场件12被重新安置到它们的计算或估算的要求的位置，杆14被夹持就位， 成像区域10的磁场能被重新绘制。如果在成像区域的磁场仍然不够均勻，计算或估算勻场 件要求的位置、移动勻场件到它们所要求的位置，并重新绘制成像区域的磁场的过程可被 重复。这个过程可在磁体在场时实施。不要求磁体坡变，所以这是一种非常快速和有效的 勻场方法。当成像区域中改变的磁场均勻性令人满意时，杆14的端部伸出部分将被简单地 切断。依赖于杆材料的柔韧性，它们可选地弯过90度并用系节系在旁边。无论使用哪种方 法，梯度线圈组件的端部、勻场通道6、杆14和夹具16典型地被孔端部“注视”盖隐藏，该盖 被常规地设置成对操作者和病人隐藏磁体组件的工作部分。如图4所示，设想了比如使用在张力下的合成橡胶限位器20被夹持在简单的V形 槽18中的柔韧的玻璃纤维杆14的使用。可以使用其它任何合适的装置，例如图5中所示 的螺钉夹具22，优选非磁性材料，如黄铜或尼龙。受控温度的空气或者其他流体可循环过勻场通道6，以将勻场件12保持在一个稳 定的温度，这样避免其磁化强度的改变。勻场件应被制成相对宽松安装在勻场通道内，或者 通孔应当被设置成穿过勻场件，如以下关于图13的描述。如图2B中示明，勻场通道6能被设置在两个或更多不同的径向位置。勻场件通道 的直径dl，d2可与放置在勻场通道中勻场件的径向截面直径一起变化。使用不同大小和在 不同径向位置的勻场件的能力，为勻场计算提供进一步的自由度，有助于寻找将磁场勻场 到满意的均勻性的勻场件位置分布。不需要改变成像体积内磁场的均勻性的勻场件可留在勻场通道的端部，以它们对 成像区域10内磁场的影响最小化。
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图16-20进一步图解了本发明的实施例，其中勻场通道布置被设置成不在梯度线 圈组件内。如图16所示，勻场通道61可设置于梯度线圈组件4径向外表面和OVC的孔管表 面102之间。在这个图示的实施例中，梯度线圈组件包括梯度线圈7，但是没有梯度屏蔽线 圈。如果优选，梯度屏蔽线圈可包含在这个实施例的梯度线圈组件中。勻场通道61可以是 中空的塑胶管道，例如能通过张力皮带连接或用别的方法被保持在梯度线圈组件上。优选 在勻场通道之间设置间隔，以保持其各自的相对位置。如103中示出的特征能被模制到梯 度线圈组件4的径向外表面，以帮助勻场通道在合适的位置定位和保持。优选设置如此数 目的勻场通道，它们在梯度线圈组件整个径向外周靠着彼此，以便确保勻场件通道之间恒 定的间隔。可选地，勻场通道可设置为孤立的框架，其包括轴向勻场通道本身，被两个或多 个支撑环连接。这样的组件可用模压塑料或加工的复合材料如玻璃纤维增强树脂，优选不 导电、非磁性、刚性且不贵的材料制造而成。这样的勻场通道组件可首先被安装在外部真空 容器(OVC)I的孔5中，然后将梯度线圈组件4加入到勻场通道组件内。在勻场通道沿径向定位在梯度线圈组件4的外部的实施例中，将它们与梯度线圈 组件热隔离是有利的；替代地，或另外，强迫液体冷却整个勻场通道。图17示出了图16实施例的勻场通道怎样设置在如参照图1描述的中空圆柱形超 导磁场发生器1中。图18示出了图16实施例的一种变体。如图18所示，可能在多于一个离梯度线圈 组件的轴的径向距离处设置勻场通道62，63。每组勻场通道62，63可具有不同于其他勻场 通道组直径的直径dl ;d2。机械间隔片可被设置成将勻场通道保持在需要的相对位置。在 变体中，模制特征可设置在梯度线圈组件的径向外表面，以帮助将径向内部的那组勻场通 道62保持在合适的位置，下一组勻场通道63被居中放置在第一组中邻近的勻场通道之间， 并，例如通过张力俘获件(trap)保持在合适的位置。再者，勻场通道可具体为塑料管道，被 粘结或者以别的方式保持在合适位置。可选地，勻场通道和间隔片可为柔韧模制，弯成圆柱 形，并通过任何合适的布置或来自模制材料的回弹力保持自身在合适的位置。图19示出了本发明的一种可选实施例。如图19所示，勻场通道64能被设置在梯 度线圈组件4的径向内表面上，介于梯度线圈组件4的径向内表面和在孔5内的均勻区域 之间。图19还示出的是一体(RF)线圈104，如用于在MRI系统中成像并设置在梯度线圈组 件的孔内。成像对象，如病人，被放置在体(RF)线圈内。如所示，勻场通道64可设置在梯 度线圈组件4的径向内表面和体(RF)线圈104之间。在这个示出的实施例中，梯度线圈组 件4包含梯度线圈7，但是没有梯度屏蔽线圈。在这个实施例中，如果优选，梯度屏蔽线圈能 被包含在梯度线圈组件内。勻场通道6可为中空塑料管，其被粘结或者用其他方法保持在 梯度线圈组件上。在这样一个装置中，优选将间隔片设置在勻场通道之间，以将它们保持在各自的 相对位置。特征可模制到梯度线圈组件的径向外表面，帮助定位和保持勻场通道在合适的 位置。优选设置如此数目的勻场通道，以使它们在梯度线圈组件的整个径向外周彼此抵靠， 从而确保勻场通道之间恒定的间距。在实施例中，包括形成勻场通道6的管道的塑料模件设置有将管道连接在一起的 柔韧的间隔件。这可能形成为一段模件，其在管道和间隔件之间交变。这个模件随后可被切割成比梯度线圈组件的径向内部周长稍微小的长度，绕成一个圆柱形，并滑入梯度线圈 组件。模件材料自身的弹性能足以保持勻场通道在合适的位置。可选的，固体的、非磁性 的且非导电性的材料如玻璃纤维的环，能够被引入以压着勻场通道就位，与梯度线圈组件4 的内表面接触。在一些布置中，体(RF))线圈104可适合用于保持勻场通道在合适的位置。 位于梯度线圈组件4和体(RF)线圈104之间的勻场元件会妨碍RF返回磁通量，这能通过 返回体(RF)线圈得以消除。图20示出图19实施例的勻场通道64可怎样设置在如参照图1描述的中空圆柱 形超导磁场发生器1中。虽然本发明已按一般形式进行了描述，但是现在将描述勻场件本身各种可能的实 施例以及它们的附属益处。图6示出了一个能被本发明采用的简单勻场件612的例子。勻场件由磁性材料如 铁或钢的圆柱体22组成，其附着于合适的杆14。圆柱体的径向截面直径能使勻场件612贴 合地装在勻场通道，但足够松弛以致几乎不施力就可将其在勻场件通道内轴向移动。如图 3示出，每个勻场通道6可容纳两个这样的勻场件，每个从相应的勻场通道端部引入。通过 设置比勻场通道的半长还长的杆14，两个勻场件能被设置在相同的勻场通道轴向的一半， 如果需要的话，提供勻场的增加范围。如果发现需要额外的自由度以求出提供成像区域10中可接受的磁场均勻性的勻 场解，进一步的改良是可能的。图7示出了具有偏心放置的勻场材料的勻场件712的例子。勻场件的圆柱体形状 与图6中的勻场件612的圆柱体形状相似。但是，圆柱体被轴向的分成了两等分。圆柱体 的一半24由磁性材料组成，而另一半26由非磁性材料组成。杆14被连接在圆柱体径向截 面的中心。这个勻场件的勻场效果与磁性材料半圆柱体相当，非磁性半圆柱体仅被设置为 用于确保磁性半圆柱体保持在勻场通道内合适的位置。通过转动杆14，磁性材料26的质 心的径向位置能调整几个毫米。在一个相似的实施例中，一个平面被放在其他圆柱形勻场 件的一边，有效地导致了偏心磁性效果。勻场件对均勻区域勻化的磁场的影响对各勻场件 的径向位置非常敏感，其效果是在勻场通道径向截面内偏心的勻场件的特征可用来微调勻 场。与移动勻场材料轴向位置相比，这种装置的一个特别的优点，是当勻场件转动时，它贡 献的调和校正将在强度上改变，但将保持同样的相对比例。在另一个可选特征中，比如通过改变勻场件的径向截面或轴向长度，来改变在邻 近的勻场通道内的勻场件(们)的体积。一个特别有利的布置提供了具有重复勻场效应
模式的勻场件的串行勻场通道，比如(1,3,5,3,1) (3,1,5,1,3) (5,3,1,3,5)......即，勻
场件的体积可按指示的比例变化，和/或可使用不同的材料以得到指示的勻场效应比。根 据它们在磁体孔5附近的角度位置，将小勻场件放置在大勻场件附近，给优化算法以额外 的自由度。比如，如果优化算法需要集中大量的勻场材料到一点，以补偿磁场中一个非均勻 局部区域，则所有(1，3，5，3，1)组的勻场件中能被轴向移到与局部非均勻性相应的位置， 给予总的2X1+2X3+3X5 = 13单位。如果仅需要少量铁，则仅使用单独的1单位的勻场 件。可使用其他局部组的元件的组合在这两个极值之间实现准连续变化，覆盖1-13单位范 围内所有梯级。比如4 = 3+1或者9 = 5+3+1。此外，勻场算法可从给定组中选择任一个 特定的值的勻场元件，作为最适抑制局部不均勻性。通过(1,3,5,3,1)和(3,1,5,1,3)和(5,3,1,3,5)组之间的交替，甚至更多的自由度被提供。为了勻场算法的简单化，希望使用 一种重复的模式，不是随意的。这个技术允许勻场件的离散阵列以提供准连续的变化。如图8A-9中所示，多于一个的勻场元件可置于每个勻场通道轴向的一半。在图8A 示出的布置中，图6的勻场件已经在直接上被分成两半。每半个28，30附着在其各自的杆 14上。这两个勻场件28，30能被一起放置在一个相同的轴向位置，给予相似于从图6所示 的勻场件得到的效果的勻场效果。可选的，这两个勻场件28，30能被设置在不同的轴向位 置，在勻场通道中滑开。如在图8B中最佳所见，勻场件28，30的边缘32可倒角以帮助勻场 件移动经过彼此。如果需要，两个部分28，30能被做成不同大小，允许更进一步改良勻场通 道的勻场能力。图9示意一种具有相似效果的不同布置。在图9中，勻场件912其径向截 面分为两个同轴部分外部，中空圆柱体34和内部圆柱体36，各有自己的杆14。这两个部 分34，36可有相同的体积，所以有大体上相同的勻场效果，或者可以具有不同体积，允许勻 场通道勻场能力进一步的改良。部分34，36中一个或两个都有倒角边缘38以帮助勻场件 移动经过彼此。图10示出了一个可选的布置，允许两个勻场件在单独的勻场通道中独立地设置。 设置两个圆柱体勻场件40，42，每个具有它自己的杆14。勻场件被插入到勻场件通道6中， 以致勻场件42比勻场件40轴向更靠近勻场通道6的中心。勻场件40有一个通孔44，通过 它勻场件42的杆14能穿过，能独立的控制勻场件42的位置。勻场件42可设置有相似的 通孔以使这两件的勻场效果相等，或简化制造。虽然参考图6-10描述的勻场件的各种可选特征已特别参照圆柱体勻场件进行了 描述，但是勻场件可另外被成形为圆盘，板，球，立方体等。图11A-11B和12A-12B示出可选的实施例，其中设置了用于在勻场通道内移动勻 场件的可选的杆14。并非具有一个刚性附着于勻场件的杆14，图11和12的勻场件有一个 螺纹杆46轴向穿过各勻场件1112，1212。勻场件1112，1212有一个协作的螺纹通孔，螺纹 杆穿过其中。并非通过推或拉固定的杆在勻场通道内移动勻场件，图11A，12A中的勻场件 通过转动螺纹杆46而移动。勻场件不能在勻场通道内转动，并且通过操作在螺纹杆46和 螺纹通孔上的协作螺纹，沿着勻场通道受到轴向驱动。长度与勻场通道轴向半长相同的螺 纹杆可连同勻场件1112，1212从各勻场通道的每一端引入。螺纹杆不需要从勻场件通道端 部伸出，但必须设置有一种使其转动的工具，如一个把手或轮子。一个电动马达，比如步进 马达，可提供来转动螺纹杆46，在勻场过程中增加一定程度的自动化。在这些实施例中，确 保勻场件1112，1212自身不能在勻场通道内转动是重要的。这可以通过使用非圆形径向截 面的勻场件和勻场通道轻易达成。在图11A-11B的实施例中，勻场件1112和勻场通道都有 一个方形的径向截面。在图12A-12B的实施例中，勻场件和勻场通道具有设置了键48的径 向截面，允许勻场件在勻场通道内轴向移动，但阻止它转动。在实施例中使用了螺纹杆46， 可以发现不必提供独立的保持装置。发现各螺纹杆和各自勻场件内的螺纹通孔之间的相互 作用可以足够维持勻场件在合适的位置。比如通过合适的安装在勻场通道开口处，螺纹杆 将需要轴向保持在勻场通道内合适的位置。图13示出了具有通孔50的勻场件1312的例子，其容许气体或其他流体通过勻场 件，允许控制其温度。材料的磁性随其温度而变化，梯度线圈在操作中由于欧姆损耗发热， 所以通过稳定其温度稳定勻场件的磁效果变得重要。
尽管已经参照勻场件的移动和保持在合适的位置对本发明进行了描述，但是无论 是通过简单杆14和夹具16，或者螺纹杆46和螺纹勻场件1112，1212，任何适合的布置可被 设置成用于使每个勻场件在它的勻场通道内轴向移动，并保持在合适的位置。如以上讨论的，勻场件径向截面的大小可不同，勻场通道的径向截面面积可相应 不同。在特定实施例中，可在离轴的恒定的径向位置处设置128个勻场通道，每个直径 11mm。相较于传统的布置，其设置了 16个勻场槽，各为矩形横截面85X20mm，本发明要求 移除的材料体积仅仅是传统布置中移除的材料体积的45%。保留的梯度线圈组件的硬度 可以比传统布置更大，减少在MRI成像系统的成像序列中使梯度线圈脉动时的振动。勻场 组件可仅占用梯度线圈组件的Ilmm的径向尺寸，而不是典型地传统勻场件槽所占用的超 过20mm，允许梯度线圈组件在径向尺寸约9mm的减少量。这可转化为相应的更大的内孔直 径，增加可容纳病人的体积，或者减少磁场发生器的直径，如包括超导磁体线圈，导致成本 减少。可选的，或另外，由于在线圈设计中允许更多自由，因此根据在产生给定梯度场强度 所需电流，梯度线圈组件能被重设计得更有效率。梯度线圈组件的共振模式将改变，期望变 成更高频率，其在使用中激发到共振的可能性更少。已经参照图2A和2B，将勻场通道6本身描述为设置在梯度线圈7和梯度屏蔽线圈 7A之间的梯度线圈组件的径向间隙中。然而，本发明的勻场件布置能被径向地设置在梯度 线圈组件内，在梯度线圈7和梯度线圈组件的孔之间的梯度线圈内部，或者它们可被放置 在梯度线圈组件内，在梯度屏蔽线圈7A和外部真空容器的孔表面之间。在其它实施例中， 本发明的勻场件布置可不设置在梯度线圈组件内，如在梯度线圈组件径向内侧，或可被径 向地放置在梯度线圈组件外侧，在梯度线圈组件4和外部真空容器(OVC)的孔表面间。可 发现后者位置能提供更好的稳定性，因为勻场件的材料不直接被梯度线圈加热，能更容易 被冷却。在成像区域10如此增大的径向间距下，相同的勻场效果需要更大量的勻场材料。本发明也兼容所谓“有源”勻场调整适合位于系统中为电阻的或超导的附加线圈 中的电流以改进均勻性的技术，这是熟悉本领域的人员所知的。实际上，比如通过为了勻场 目的而非成像使用而保留一部分可用的梯度线圈电流，并施加DC偏置以减少一级错误，设 想本发明与传统的一级有源勻场联合使用。勻场算法可计算为提供最佳勻场分布解所需的 梯度线圈电流。本发明相应地提供勻场布置，和相应的勻场方法，其中勻场件存在于勻场通道，并 且通过在勻场通道内重新定位勻场件进行勻场。在勻场过程中没有勻场件加入或移除，该 过程优选在磁体在场时进行。在勻场件不需要勻场之处，该勻场件被简单的移动到离成像 区域10最远的范围，以便最小化它对成像区域磁场的影响。根据本发明，在磁体坡升之前， 一些勻场材料被放置在勻场通道内，从而通过重新排列这些勻场材料进行勻场。在勻场过 程中，没有勻场材料加入或移除，整个勻场过程中，磁体都在场内。这样通过避免需要在勻 场反复操作之间坡降磁体并再回升而节约了很多时间和金钱。尽管已经特别参照用于MRI成像的磁体的成像区域内的磁场的勻场描述了本发 明，但是其可能应用到在任何均勻场区域内改进磁场的均勻性，不管结果均勻场的目的为 何。尽管已经特别参照磁体在场下实施的勻场方法描述了本发明，但是本发明的勻场布置也能被用于涉及在勻场反复操作之间坡降磁体的方法。已知问题是，在如上所述初始勻场被实施后，无源勻场磁体的均勻性受加热或勻 场件热致运动引起的温度不稳定性的影响。在本发明的另一些实施例中，在完成初始勻场 之后，勻场件布置被安排校正成像区域中的场的均勻性的变化。更特别的，提供自动漂移补 偿以周期地测量均勻场区域的磁场的均勻性，典型地使用MRI方法，计算出勻场件移动，其 能补偿任何测得均勻性的降级，并根据计算的移动来移动勻场件。已发现以下文件对相似问题提供了大不同的解决方案US6313634、US6617853、 US7224167 和 US20070216413A1。为校正由于温致磁化变化或无源勻场件位置变化造成的均勻性场区域内磁场的 均勻性降级，可提供附加特征，根据本发明特定的实施例，使勻场元件在轴向主动移动较小 的量作为反馈回路的一部分。可设置传感器以探测和测量磁场均勻性的改变。传感器可为患者台中传统结构的 MRI影象，或其它任何传统替代品。还需要一个计算设备，计算勻场件移动，其会校正探测到 的不均勻性。这些计算设备是本领域技术人员熟知并且可得到的。还需要促动器，使勻场 元件移动计算得到的移动量。这样的促动器可以是气动的，电动的，或者实际上任何合适的 设备。理想地，为避免妨碍在那个区域中的场，促动器将远离均勻场区域。方便的，如上所 述的杆14或者螺纹杆46可与合适的勻场设备相结合使用，电动马达，如步进马达，可布置 成以适当地驱动杆14或螺纹杆46引起勻场件需要的移动。传统无源勻场装置的一个重要缺点是勻场难以获得，勻场只能通过坡降磁体，改 变勻场材料的分布和再次坡升磁体被改变。这是一个如此繁重的任务，在初始勻场之后，无 源勻场很少调整以校正均勻场区的改变，这些改变是如由磁体环境中的铁质量和位置的改 变，如在建设过程中重设置铁梁，引起的。根据本发明，各勻场通道包括很少的能轻易从勻场件通道端部接近的勻场元件。 勻场件的位置可在磁体在场下进行调整，场均勻性的测量，勻场件校正移动量的计算，以及 勻场件的相应移动能根据本发明的特定实施例自动予以实施。本发明开启了在成像过程中，为补偿温度漂移，主动地控制勻场件位置的有吸引 力的可能性。理想的，这可以由连在柔韧的杆14上的缆驱动装置实现。关联的马达可被安 装在OVCl上，磁屏蔽均勻场区。可选的可使用气动的或水压的定位和移动。当应用于MRI或NMR成像系统，可设想一个有源反馈回路，其中来自成像区域(比 如传统的位于患者台中)中的一或多个样品的成像信号被监视，调和计算和勻场位置校正 被确定和应用以实时补偿漂移。并不需要调整所有勻场件位置以控制很多谐频。相信少至 8或16个勻场件的移动将提供大体上的漂移补偿。因此本发明的这些实施例提供了一种方法和装置，其使用勻场通道阵列中连接在 可移动的杆上的勻场件的阵列来调整磁体在场的勻场，勻场通道阵列可以位于梯度线圈组 件内，比如在梯度线圈和梯度屏蔽线圈之间。一些或所有勻场元件的轴向位置能受到反馈 回路的促动器的控制，以保持在均勻场区域内的磁场的均勻性。这可有用地补偿由于温度 引起的变化，比如在使用中由梯度线圈组件的加热引起的，或成像区域中使磁场均勻性改 变的任何其它来源。作为帮助理解磁场与勻场件相互作用，图14中示出了作为由硅钢制成的尺寸为
1465 X 80 X 0. 28mm的饱和立方体勻场板的ζ位置的函数的通量密度的轴向分量(单位微特斯 拉)，该勻场在径向方向距离测量点位移了 0. 16m。图15示出作用在勻场件不同径向位置的力，并表明作用在勻场件上的力是相当 的低直到尝试从磁体中移除勻场件。作用在勻场件上的力给出为 其中M是磁化强度，V是体积，dB/dz是通量密度梯度。特别地，图15示出了，在典 型的1. 5T螺线管超导磁体中，作用于体积为1. 4cm3圆柱体勻场件上的力怎样沿着半径为 0. 4m处的勻场槽的长度变化。
权利要求
一种圆柱形超导磁体装置包括具有孔(5)的中空圆柱形超导磁场发生器(1)；还包括匀场装置(6，12，14，16)，用于改变在均匀场区(10)内的磁场的均匀性，所述匀场装置本身包括在所述孔内轴向延伸的匀场通道(6)，该匀场通道在所述磁场发生器和所述均匀场区之间的体积中，至少一个包含磁性材料的匀场件(12)，该匀场件位于各匀场通道(6)内；保持装置(16；46)，该保持装置用于在轴向位置保持各匀场件；装置(14；46)，该装置用于当所述磁场发生器在产生磁场时，在相应的匀场通道内轴向移动各匀场件，从而在相应的匀场通道内重新定位匀场件，因此在均匀场区(10)范围内改变磁场的均匀性；其中所述保持装置(16；46)用于将各垫匀场件保持在其调整了的轴向位置。
2.根据权利要求1的圆柱形超导磁体装置，其中用于在相应的勻场通道内轴向移动各 勻场件的所述装置(14;46)是可操作的以便在相应勻场通道内调整各勻场件的轴向位置 而没有从勻场通道增加和移出任何勻场件。
3.根据权利要求1或2的圆柱形超导磁体装置，还包括位于所述孔内的中空圆柱形梯 度线圈组件(4)，并包括位于所述孔内的用于在均勻场区(10)中产生磁场梯度的线圈(7)。
4.根据权利要求3的圆柱形超导磁体装置，其中勻场通道(6)位于所述梯度线圈组件 的径向外表面和所述中空超导磁场发生器的孔壁之间。
5.根据权利要求3的圆柱形超导磁体装置，其中勻场通道(6)位于所述梯度线圈组件 的径向内表面和所述均勻场区之间。
6.根据权利要求3的圆柱形超导磁体装置，其中勻场通道(6)位于所述梯度线圈组件 的径向内表面和所述梯度线圈组件的所述孔内的体(RF)线圈之间。
7.根据权利要求3的圆柱形超导磁体装置，其中勻场通道(6)在梯度线圈组件(4)内 形成且穿过该梯度线圈组件轴向延伸。
8.根据权利要求7的圆柱形超导磁体装置，其中所述梯度线圈组件包括梯度线圈(7) 和位于该梯度线圈的径向外侧的梯度屏蔽线圈(7A)；所述梯度线圈和所述梯度屏蔽线圈 被嵌入陶制材料(8)，所述勻场通道在所述陶制材料内形成，径向介于所述梯度线圈和所述 梯度屏蔽线圈之间。
9.根据权利要求7的圆柱形超导磁体装置，其中所述梯度线圈组件包括梯度线圈和位 于该梯度线圈径向外侧的梯度屏蔽线圈；所述梯度线圈和所述梯度屏蔽线圈被嵌入在陶制 材料(8)内，所述勻场通道在所述陶制材料内形成，径向位于所述梯度线圈和所述梯度屏 蔽线圈的外侧。
10.根据权利要求7的圆柱形超导磁体装置，其中所述梯度线圈组件包括梯度线圈和 位于该梯度线圈的径向外侧的梯度屏蔽线圈，所述梯度线圈和所述梯度屏蔽线圈被嵌在陶 制材料(8)内，所述勻场通道在所述陶制材料中形成，径向位于所述梯度线圈和所述梯度 屏蔽线圈内。
11.根据前面的任一权利要求的圆柱形超导磁体装置，其中用于沿着相应的勻场通道移动各勻场件的所述装置包括多个附着在各自勻场件上的杆(14)，以便能通过驱动相应的 杆进出所述勻场通道调整勻场件在所述勻场通道内的位置。
12.根据权利要求11的圆柱形超导磁体装置，其中用于保持各勻场件在合适的位置的 所述保持装置(16 ；46)包括用于将各杆保持在所述勻场通道端部附近的夹具装置(16)。
13.根据权利要求1到10中任一项的圆柱形超导磁体装置，其中用于沿着相应的勻场 通道移动各勻场件的所述装置(46)包括多个螺纹杆(46)，各个螺纹杆与在各自勻场件内 的螺纹通孔协作，以便勻场件在勻场通道内的位置能通过相对于各自的勻场件转动螺纹杆 进行调整。
14.根据权利要求13的圆柱形超导磁体，其中用于保持各勻场件在合适的位置的所述 保持装置(16 ；46)包括在各螺纹杆(46)和在各自勻场件内的螺纹通孔之间的相互作用。
15.根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体，还包括用于导引受控温度下的流体的 流动穿过所述勻场通道中的至少一个的装置。
16.根据权利要求13或任一从属于权利要求13的权利要求的超导磁体装置，其中勻场 件(1112 ；1212)和所述勻场通道有相应的非圆形径向截面。
17.根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体装置，其中所述勻场通道中的至少一个 包括多个勻场件(28，30 ；34，36)，各所述勻场件设置有各自的用于移动勻场件的装置，以 及用于保持所述勻场件在合适的位置的保持装置，所述勻场件有互补的径向截面面积，以 便所述多个勻场件可在所述勻场通道内叠置。
18.根据权利要求17的圆柱形超导磁体装置，其中所述多个勻场件，在叠置时合起来 看，具有组合的径向截面，该径向截面大体上与所述勻场通道的径向截面相同。
19.根据权利要求17或18的圆柱形超导磁体装置，其中所述多个勻场件(28，30)具有 与所述勻场通道的径向截面积的部分相对应的径向截面面积。
20.根据权利要求17或18的圆柱形超导磁体装置，其中所述多个勻场件包括有轴向通 孔的第一勻场件(34)，和径向被做成一定尺寸以穿过所述第一勻场件的通孔的互补的第二 勻场件(36)。
21.根据权利要求1到16中任一项的圆柱形超导磁体装置，其中所述勻场通道中的至 少一个包括多个勻场件(40，42)，各所述勻场件设置有各自的用于移动所述勻场件的装置 和用于保持所述勻场件在合适的位置的保持装置，所述勻场件被安排在所述勻场通道内的 不同位置，一个或多个通孔(44)被设置成以允许用于移动一个勻场件(42)的装置(14)穿 过另一个勻场件(40)。
22.根据权利要求15或任一从属于权利要求15的权利要求的圆柱形超导磁体装置，其 中一个或多个勻场件(1312)设置有允许流体穿过所述勻场件的通孔(50)。
23.根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体装置，其中在连续的勻场通道内的磁性 材料的体积和/或类型是变化的，以便相对勻场效果以大体上比率为1，3，5，3，1，3，1，5，1， 3,5,3,1,3,5. · ·等提供。
24.根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体装置，其中所述磁场发生器在所述均勻 场区内产生磁通量密度为0. IT或更大的磁场。
25.根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体装置，还包括用于校正所述均勻场区中 磁场均勻性的降级的装置，包括一个或多个传感器，该一个或多个传感器被布置成用于探测和测量所述磁场均勻性的 改变；计算设备，该计算设备被布置成用于计算某些勻场件想要的移动量，其适合校正探测 到的所述磁场均勻性的改变；促动器，该促动器被布置成用于使某些勻场元件移动计算所希望的移动量。
26.—种MRI系统，包括根据前面任一权利要求的圆柱形超导磁体装置。
27.一种用于改变圆柱形超导磁体装置中均勻场区(10)内的磁场均勻性的方法，其中 所述圆柱形超导磁体装置包括有孔的中空圆柱形超导磁场发生器(1)，该方法包括在磁场发生器和均勻场区之间的体积中，提供在孔内轴向延伸的勻场通道(6)，提供位于各勻场通道(6)内的至少一片勻场材料(12)；激活所述磁场发生器以在所述均勻场区内产生磁场；在整个所述均勻场区内测量磁场的均勻性；在磁场发生器仍然运行的情况下，沿着相应的勻场通道移动至少一些勻场件，从而改 变整个所述均勻场区的磁场均勻性，以便在该步骤自始自终，各勻场件保持在相应的勻场 通道内，在该步骤中没有另外的勻场件被引入所述勻场通道；通过使用保持装置将所述勻场件保持在它们的位置。
28.根据权利要求27的方法，还包括步骤在整个所述均勻场区测量改变的磁场均勻性。
29.根据权利要求27或28的方法，其中所述磁场发生器在所述均勻场区内产生磁通量 密度为0. IT或更大的磁场，在整个所述均勻场区改变的磁场均勻性具有峰到峰值为百万 分之40或更小的不均勻性。
30.根据权利要求29的方法，其中所述均勻场区包括直径为50cm的球。
全文摘要
一种用于提高在均匀场区(10)内的磁场的均匀性的匀场装置和方法，所述匀场装置包括在磁场发生器(1)和均匀场区(10)之间的体积内延伸的匀场通道(6)；位于每个匀场通道(6)内的至少一片匀场材料(12)；用于沿着相应的匀场通道移动每个匀场件的装置(14；46)；以及用于保持每个匀场件在合适的位置的保持装置(16；46)。在磁体在场下，匀场通过在匀场通道内移动匀场件进行。在匀场阶段中，没有匀场件加入或移出匀场通道。
文档编号G01R33/38GK101916640SQ201010223949
公开日2010年12月15日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者罗伯特·斯莱德 申请人:英国西门子公司