专利名称：自屏蔽梯度线圈的制作方法
技术领域：
本申请涉及用于磁共振成像(“MRI”)的系统和方法并且特别地涉及梯度线圈组件和它们的制造方法以及在磁共振成像系统中的用途。
背景技术：
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磁共振成像或核磁共振成像主要是在放射学中最常用于可视化身体的内部结构和功能的医学成像技术。MRI例如由E. MARK HAACKE等人的“MAGNETIC RESONANCE IMAGING PHYSICAL PRINCIPLES AND SEQUENCE DESIGN”(Wiley-Liss 1999)描述，上述文献通过引用被合并于此。本发明涉及磁共振领域并且具体地涉及水平(螺线管磁体)MRI。它特别地结合医学磁共振成像得到应用并且将特别地参考其进行描述。然而应当领会，本发明也结合其它类型的磁共振成像系统、磁共振光谱系统等得到应用。在磁共振成像中，线性磁场梯度用于空间编码。梯度线圈用于产生这些线性磁场梯度。典型的水平的MRI具有跨越装置的长度的水平圆柱形梯度线圈。已开发出用于幽闭恐怖症患者的水平“开放式”MRI。开放式MRI具有在中心具有间隙的断开的主磁体并且也典型地具有断开的梯度线圈以提供用于患者的净空。最近，希望与MRI和开放式MRI组合包括各种治疗和成像手段，例如放射治疗装置、活检针、消融装置、手术装置、超声波、PET、SPECT、CT等。例如，希望将这样的仪器放置在开放式MRI的间隙区域中。然而，由于来自与MRI的操作关联的各种磁场的干扰以及梯度线圈附近加热导体的问题，该放置存在问题。因此，需要改进的MRI梯度线圈组件和MRI梯度线圈组件的制造方法。还需要用于水平开放式MRI的改进的梯度线圈组件，以及允许与附加的医疗装置结合操作水平开放式MRI的梯度线圈组件。
发明内容
本发明公开了梯度线圈组件和它们的制造方法以及在水平MRI中的用途。一些实施例可以与开放式MRI和放置在它的间隙内的仪器结合使用。本文中所公开的梯度线圈组件的实施例可以包括初级梯度线圈和屏蔽线圈，并且也可以包括在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的电连接，所述电连接可以被布置成离所述开放式MRI间隙具有足够的距离，从而减小可能在所述间隙内放置的任何仪器中感生的涡电流。在一些实施例中，所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈可以形成为大致圆柱形导体。在另外的其它实施例中，所述组件中的导体被布置成使得在径向方向上定向的导体的任何集中位于离所述开放式MRI的所述间隙至少5厘米处。在另外的实施例中，连接所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈的所述电连接或导体可以位于离所述间隙至少5厘米处或者可以位于所述MRI的外端部。 在一些实施例中，所述初级梯度线圈的每一个可以直接被冷却并且也可以是空心导体。在一些实施例中，所述梯度线圈组件可以安装在所述MRI的外端部和面对间隙的端部。在与开放式MRI结合使用的本发明的另外的实施例中，本文中所公开的梯度线圈组件可以包括支撑结构，所述支撑结构包含所有所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈并且具有横越所述开放式MRI的所述间隙的部分，以便于所述线圈的对准。
在一些实施例中，横越所述间隙的所述支撑结构的部分可以是内部线圈架的一部分。在另外的实施例中，横越所述间隙的所述支撑结构的部分可以具有在所述结构上均匀的放射衰减值并且也可以具有对于钴60伽马放射束小于百分之五的放射衰减值。在与开放式MRI和通过开放式MRI的间隙瞄准的放射束结合使用的本发明的一些实施例中，本文中所公开的梯度线圈组件可以具有横越所述开放式MRI的所述间隙的所述初级梯度线圈中的至少一个，所述至少一个线圈具有第一放射衰减值并且所述组件也包括支撑结构，所述支撑结构横越所述间隙并且具有大致等于所述第一放射衰减值的第二放射衰减值，使得当放射束穿过所述支撑结构和横越所述间隙的所述至少一个梯度线圈时放射束的衰减将是大致均匀的。在一些实施例中，横越所述间隙的所述至少一个初级梯度线圈可以是铝。在另外的其它实施例中，横越所述间隙的所述支撑结构的部分可以含有氧化铝。参考以下描述和权利要求将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。
结合附图描述本发明的特征、方面和实施例，其中图I显示了可以用于本发明的一些实施例的水平开放式MRI的透视图，在其中心间隙区域中定位有仪器；图2显示了图I中所示的系统的一些实施例的简化横截面图；图3显示了图2中所示的梯度线圈组件的一些实施例的简化和放大横截面图；图4显示了图2中所示的梯度线圈组件的可选实施例的简化和放大横截面图；图5A显示了 X梯度初级线圈的实施例的简化布局；图5B显示了用于图5A中所示的X梯度初级线圈的实施例的导体的实施例的横截面图；图5C显示了图5A中所示的X梯度初级线圈的实施例的展开的单象限的电流路径的图形；图6A显示了 X梯度屏蔽线圈的实施例的简化布局；图6B显示了用于图6A中所示的X梯度屏蔽线圈的实施例的导体的实施例的横截面图6C显示了图6A中所示的X梯度屏蔽线圈的实施例的展开的单象限的电流路径的图形；图7A显示了 Y梯度 初级线圈的实施例的简化布局；图7B显示了用于图7A中所示的Y梯度初级线圈的实施例的导体的实施例的横截面图；图7C显示了图7A中所示的Y梯度初级线圈的实施例的展开的单象限的电流路径的图形；图8A显示了 Y梯度屏蔽线圈的实施例的简化布局；图8B显示了用于图8A中所示的Y梯度屏蔽线圈的实施例的导体的实施例的横截面图；图8C显示了图8A中所示的Y梯度屏蔽线圈的实施例的展开的单象限的电流路径的图形；图9A显示了 Z梯度初级线圈的实施例的简化布局；图9B显示了用于图9A中所示的Z梯度初级线圈的实施例的导体的实施例的横截面图；图9C显示了图9A中所示的Z梯度初级线圈的实施例的半部的轴向位置电流路径的图形；图IOA显示了 Z梯度屏蔽线圈的实施例的简化布局；图IOB显示了用于图IOA中所示的Z梯度屏蔽线圈的实施例的导体的实施例的横截面图；图IOC显示了图IOA中所示的Z梯度屏蔽线圈的实施例的半部的轴向位置电流路径的图形；
具体实施例方式本发明的梯度线圈组件可以用于任何类型的水平磁共振成像(MRI)系统。它特别好地适合用于包括两个水平MRI磁体半部之间的间隙的断开螺线管式或水平“开放式”MRI。本文中所公开的梯度线圈组件还很好地适合用于水平开放式MRI，该水平开放式MRI与在其间隙内操作的附加医疗仪器一起使用。图I描绘了具有水平开放式MRI 100的这样的布置，所述MRI具有间隙区域102。仪器104在机架110上安装在间隙区域102中。也描绘了患者106和病床108。在一些实施例中，机架110可以用于围绕患者106 (即，围绕图I中所示的Z轴)再定位仪器104。图I 的实施例可以包括在名称为“System for Delivering Conformal RadiationTherapy while Simultaneously Imaging Soft Tissue，，的 Dempsey 的美国专利申请公开2005/0197564(在下文中被称为“Dempsey ‘564”)中部分描述的本申请的受让人ViewRay公司的系统的元件，上述申请通过引用被合并于此。例如，仪器104可以包括放射治疗装置和关联的多叶式准直器(MLC)，所述多叶式准直器与快速成像水平开放式MRI组合允许在治疗期间说明目标位置的改进放射治疗，如Dempsey ‘564中所述。尽管仅仅单个组件在图I中被显示为仪器104，但是一些实施例可以包括与仪器104关联的多个组件。例如，一些实施例可以包括安装在间隙102中、围绕Z轴分布并且在机架102上围绕Z轴可旋转的三个放射头组件(未在图I中显示)。尽管本文中所公开的实施例的一些方面关于Dempsey ‘564所公开的ViewRay系统进行了描述，但是这样的方面不需要用于所公开的梯度线圈组件。可以预料本文中所公开的梯度线圈组件可以用于任何类型的MRI中，使用或不使用关联的仪器104。此外，对于利用仪器104的系统，这样的仪器不限于放射治疗装置，例如放射源或LINAC，而是可以包括用于MRI的任何类型的仪器。图2是图I中所示的系统的示意性横截面图。图2的实施例描绘了包括由间隙102分离的一对主磁体200a和200b的水平开放式MRI 100。MRI用于成像病床108之上的感 兴趣区域202。MRI 100可以包括未显示的附加常规部件，例如RF系统，包括RF线圈，并且可能是一个或多个匀场线圈。在图中和在整个发明中使用的坐标系将通过MRI孔腔的纵向轴称为Z轴。X轴垂直于Z轴从MRI 100的一侧延伸到另一侧；Y轴垂直于Z轴从MRI 100的底部延伸到顶部。本文中所公开的梯度线圈组件204的实施例在图2中与在下面详细描述的它的关联冷却器206a，b和放大器208 —起被描绘。在该实施例中，梯度线圈组件204由底座212支撑，所述底座可以位于主磁体的外端部并且靠近MRI间隙。示例性的底座是振动隔离装置，例如由Aearo Technologies公司的分公司E-A-R Specialty Composites销售的IsoDamp C 1002:梯度线圈组件204可以直接安装到主磁体200a，b。然而，在存在主磁场(由主磁体200a，b生成)的情况下梯度线圈组件204中的电流产生扭矩、力和振动，这会在主磁体200a，b中产生振动和热并且增加蒸发损耗。在主磁体200a，b的外端部和间隙端包括底座212可以提供改善的振动隔离并且减小梯度线圈组件204的无支撑跨度。图3显示了梯度线圈组件204的实施例的放大、更详细横截面图。梯度线圈组件204的该实施例包含X、Y和Z屏蔽线圈(分别地，300、302、304)以及Z、X和Y初级梯度线圈(分别地，306、308、310)。实施例也包含位于梯度线圈组件204的外端部(远离间隙102)的相应线圈对的每一个之间的连接312 (X屏蔽线圈300连接到X初级线圈310，Y屏蔽线圈302连接到Y初级线圈308，并且Z屏蔽线圈304连接到Z初级线圈306)。线圈300-310布置在支撑结构314内，所述支撑结构可以由诸如环氧树脂的材料制造。作为例子，在该实施例的一些实现方式中，梯度线圈组件204的内径可以为大约800mm并且外径可以为大约1044mm，与具有间隙102的MRI100组合，所述间隙具有大约200mm的宽度并且其中梯度线圈组件204的外端部之间的长度为大约2190mm。这些尺寸仅仅作为例子被提供并且不应当被视为限制，原因是尺寸可以变化。所公开的梯度线圈组件204可以形成为两个独立半部，从而使间隙102开放以不禁止实际接近患者106。这样的开放式配置允许使用附加的仪器104，例如放射治疗系统。然而，间隙102不必保持完全开放，只要任何障碍物不导致例如可以从仪器104发射的放射束的过度衰减。在本实施例中，梯度线圈组件204具有单一构造，具有支撑结构314的间隙部分316。间隙部分316横越间隙102并且是被构造成用于均匀和最小放射衰减(例如，在使用60Coy射线源的情况下小于5%衰减)的薄的、均匀的结构。在优选实施例中，间隙部分316是连续内部线圈架的一部分，所述线圈架可以由在放射环境下稳定的材料制造，例如环氧玻璃纤维或环氧碳纤维结构。它的厚度可以为例如大约5mm，并且它的密度可以为例如小于或等于2g/cm3。该连续结构的一个优点在于梯度线圈组件204的相对侧自然地对准，消除了两部分梯度对准的麻烦问题以及关联的不对称涡电流和成像场。本实施例的另一个优点是改善机械减震和支撑，机械地平衡并且稳定操作中的梯度线圈受到的力和扭矩。可以预料间隙部分316可以带有在其中切割而成的进入口或者可以在梯度线圈组件204的安装之后被去除。图4描绘了包含横越间隙102的梯度线圈的支撑结构400的间隙部分的可选实施例。Z梯度线圈自然地有间隙，但是在该实施例中，初级X和Y线圈308和310可以在间隙102上是连续的并且可以例如由铝制造(例如，片状线圈或直接冷却的缠绕导体)。铝是密度低于铜的导体的例子并且因此在梯度线圈组件与将放射疗法输送到区域202的仪器102一起使用的应用中将是有益的。该实施例的重要方面在于支撑结构400具有匹配所包括的导体的衰减的放射衰减，使得衰减在该结构上将是一致的。在铝线圈的情况下，支撑结构400可以包括环氧细丝缠绕管，例如具有玻璃或碳细丝和线圈之间的适当填充物(例如氧化铝)。该备选设计的均匀衰减将便于精确的放射传递和剂量计算。图4的可选实施例将由于它的增加厚度和包括梯度线圈而具有更大的射束衰减(对于包括作为仪器104的放射治疗装置的情况)。然而，该实施例具有增加MRI的可使用视场的优点，原因是它将不受到与断开设计关联的梯度场强度的线性损失并且将避免横向 梯度场的径向翻转的问题。现在参见图5-10，并且参考图3，将更详细地解释梯度和屏蔽线圈的具体实施例。参考具有在间隙中使用的仪器104的水平开放式MRI描述了本实施例，但是应当理解本发明的许多方面可以应用于在没有关联仪器的情况下使用的单磁体MRI。本例子的仪器104例如可以是先前所述的辐射治疗装置，但是应当理解许多其它治疗或成像手段可以用于本发明，例如活检针、消融装置、手术装置、超声波、PET、SPECT、CT、LINAC等。本例子的放射装置包括具有关联的多叶式准直器(MLC)的三个等间隔的钴60头，例如在Dempsey ‘564公开并且通过引用被合并于本文中。MLC典型地由计算机控制的鹤叶片组成，所述钨叶片移动以形成特定图案，阻挡部分辐射束并且根据预定治疗计划成形它们。这些MLC优选地靠近间隙102放置或放置在间隙内并且典型地由钨制造，具有铝外壳，两者是导电材料。当这样的材料放置在梯度线圈组件204的时变电流附近时，将在它们中感生涡电流。在仪器104中感生的涡电流将导致装置中的功率耗散并且也会干扰成像。在MLC的情况下，热可以导致单独叶片的热膨胀并且干扰它们的操作。可以用于所公开的系统的包括导电材料的其它仪器将面临类似的问题。当前公开的梯度线圈组件204通过移动导体的共同集中远离间隙102而部分地减小这些问题。例如，在水平断开的梯度中的梯度-屏蔽互连典型地邻近面对间隙102的梯度线圈组件的径向表面定位。然而，当前公开的梯度线圈组件204移动这样的连接器312远离间隙102。例如，连接器可以优选地与间隙102间隔至少50mm，但是本发明预料到连接器可以比离间隙102 50mm更近。在图3和4所示的实施例中，连接器312位于梯度线圈组件204的外边缘处。移动由径向定向导体产生的电流的集中远离间隙102将减小在任何仪器104中感生的涡电流。另外，纵向定向导体或环的集中在间隙102附近被最小化并且指纹线圈眼优选地位于离间隙102至少50mm处。此外，尽管以前的水平断开的磁体梯度线圈包括沿着间隙102的区域的径向定向环，但是本发明优选地将任何这样的径向定向导体移动到离间隙102至少50mm。在图5_10中公开的示例性实施例中，梯度和屏蔽线圈在形状上为大致圆柱形。尽管圆柱形是优选的，但是所公开的线圈可以是不导致靠近间隙102的附加导体和电流集中的其它形状。现在参考图5A中所示的示例性X梯度初级线圈308，线圈包括在其相同象限的每一个中的11个正向匝和2个反向匝。未描绘在本领域中常见的匝之间的连接(例如，匝变)。在图5C中显示了电流路径(所有单匝)的形心。X梯度初级线圈308包括在其远离间隙102的端部的反向匝以补偿推力和扭力。该补偿尤其减小作为该实施例的一部分描述的支撑结构316 (或400)的薄的、连续的间隙部分上的力。Y梯度线圈310类似地包括11个正向匝和2个反向匝，如图7A和7C中所示。用于该实施例的X和Y梯度的屏蔽线圈(300和302)在它们的相同象限的每一个中包括5匝，如图6A、6C、8A和8C中所示。该实施例的Z梯度初级线圈(306)具有总共42匝，如图9A和9C中所示，并且Z梯度屏蔽线圈具有总共28匝，如图IOA和C中所示。用于本文中所述的示例性线圈的一些实现方式的附加参数在下面的表I中详细列出。
权利要求
1.一种自屏蔽梯度线圈组件，用于与仪器结合使用的水平开放式磁共振成像系统(MRI)，所述开放式MRI具有纵向轴以及由间隙分离的第一磁体和第二磁体，所述仪器位于所述间隙的一部分内，所述梯度线圈组件包括 具有第一部分和第二部分的支撑结构，每个支撑结构部分安装在相应的第一和第二MRI磁体的内部； 布置在每个支撑结构部分内的多个屏蔽线圈； 在所述屏蔽线圈和所述纵向轴之间布置在每个支撑结构部分内的多个初级梯度线圈；以及 在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的电连接，所述电连接被布置成使得所述电连接位于离所述间隙足够的距离处以减小在所述仪器中感生的涡电流。
2.根据权利要求I所述的梯度线圈组件，其中在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的所述电连接位于离所述间隙至少5厘米处。
3.根据权利要求I所述的梯度线圈组件，其中所述初级梯度线圈的每一个形成为围绕所述纵向轴的大致圆柱形导体。
4.根据权利要求I所述的梯度线圈组件，其中所述初级梯度线圈的每一个直接被冷却。
5.根据权利要求4所述的梯度线圈组件，其中所述初级梯度线圈的每一个包括空心导体。
6.根据权利要求5所述的梯度线圈组件，其还包括两个冷却单元。
7.根据权利要求I所述的梯度线圈组件，其中所述MRI具有外端部并且在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的所述电连接大致位于所述MRI的所述外端部。
8.根据权利要求I所述的梯度线圈组件，其中所述MRI具有外端部和面对间隙的端部并且其中每个支撑结构部分安装在所述MRI的外端部和所述面对间隙的端部。
9.一种自屏蔽梯度线圈组件，用于水平开放式磁共振成像系统(MRI)，所述开放式MRI具有纵向轴以及由间隙分离的第一磁体和第二磁体，所述梯度线圈组件包括 具有第一部分和第二部分的支撑结构，每个支撑结构部分安装在相应的第一和第二MRI磁体的内部； 布置在每个支撑结构部分内的多个屏蔽线圈，所述屏蔽线圈形成为围绕所述纵向轴的大致圆柱形导体； 在所述屏蔽线圈和所述纵向轴之间布置在每个支撑结构部分内的多个初级梯度线圈，所述初级梯度线圈形成为围绕所述纵向轴的大致圆柱形导体；以及在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的连接导体； 所述初级梯度线圈、所述屏蔽线圈和所述连接导体被布置成，相对于所述纵向轴以径向方向定向的导体的任何集中位于离所述间隙至少5厘米的位置。
10.根据权利要求9所述的梯度线圈组件，其中所述初级梯度线圈的每一个包括直接冷却式空心导体。
11.根据权利要求9所述的梯度线圈组件，其中所述MRI具有外端部并且在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间的所述连接导体大致位于所述MRI的所述外端部。
12.根据权利要求9所述的梯度线圈组件，其中所述MRI具有外端部和面对间隙的端部并且其中每个支撑结构部分安装在所述MRI的外端部和所述面对间隙的端部。
13.一种自屏蔽梯度线圈组件，用于水平开放式磁共振成像系统(MRI)，所述开放式MRI具有纵向轴以及由间隙分离的第一磁体和第二磁体，所述梯度线圈组件包括 具有第一部分和第二部分的支撑结构，每个支撑结构部分安装在相应的第一和第二MRI磁体的内部； 布置在每个支撑结构部分内的多个屏蔽线圈； 在所述屏蔽线圈和所述纵向轴之间布置在每个支撑结构部分内的多个初级梯度线圈；以及 在所述初级梯度线圈和所述屏蔽线圈之间位于离所述间隙至少5厘米处的电连接， 其中所述初级梯度线圈的每一个包括直接冷却式空心导体。
14.一种梯度线圈组件，用于水平开放式磁共振成像系统(MRI)，所述开放式MRI具有纵向轴以及由间隙分离的第一磁体和第二磁体，所述梯度线圈组件包括 位于所述第一磁体和所述纵向轴之间的第一多个屏蔽线圈； 位于所述第二磁体和所述纵向轴之间的第二多个屏蔽线圈； 位于所述第一多个屏蔽线圈和所述纵向轴之间的第一多个初级梯度线圈； 位于所述第二多个屏蔽线圈和所述纵向轴之间的第二多个初级梯度线圈； 包含所有所述第一和第二多个屏蔽线圈以及所述第一和第二多个初级梯度线圈的支撑结构， 其中所述支撑结构包括横越所述间隙的部分，以便于所述第一和第二多个线圈的对准。
15.根据权利要求14所述的梯度线圈组件，其中横越所述间隙的所述支撑结构的部分包括内部线圈架。
16.根据权利要求14所述的梯度线圈组件，其中横越所述间隙的所述支撑结构的部分具有在所述结构上均匀的放射衰减值。
17.根据权利要求16所述的梯度线圈组件，其中对于钴60伽马放射束所述放射衰减值小于百分之五。
18.一种梯度线圈组件，用于水平开放式磁共振成像系统(MRI)和仪器，其中所述开放式MRI具有纵向轴以及由间隙分离的磁体，并且所述仪器包括放射装置，所述放射装置产生瞄准正交于所述纵向轴，并且通过所述间隙的放射束，所述梯度线圈组件包括 至少部分位于所述磁体和所述纵向轴之间的多个屏蔽线圈； 至少部分位于所述屏蔽线圈和所述纵向轴之间的多个初级梯度线圈， 其中所述初级梯度线圈中的至少一个横越所述开放式MRI的所述间隙并且具有第一放射衰减值；以及 支撑结构，包含所述屏蔽线圈和所述初级梯度线圈，所述支撑结构具有横越所述间隙的部分并且具有大致等于所述第一放射衰减值的第二放射衰减值，使得当放射束穿过所述支撑结构部分和横越所述间隙的所述至少一个梯度线圈时放射束的衰减将是大致均匀的。
19.根据权利要求18所述的梯度线圈组件，其中横越所述间隙的所述至少一个初级梯度线圈是铝。
20.根据权利要求19所述的梯度线圈组件，其中横越所述间隙的所述支撑结构的部分含有 氧化铝。
全文摘要
本发明涉及用于水平磁共振成像系统(MRI)的梯度线圈组件及其制造方法。一些实施例可以用于开放式MRI并且可以用于放置在MRI的间隙中的仪器。一般地，导体或径向定向导体的集中可以移动远离MRI的间隙，从而减小可能在间隙内放置的任何仪器中感生的涡电流。用于直接冷却初级梯度线圈和屏蔽线圈的系统可以被使用并且各种线圈支撑结构可以用于帮助线圈对准或便于MRI间隙中的仪器的使用。
文档编号G01V3/00GK102713682SQ201080060989
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月22日 优先权日2009年11月20日
发明者施玛瑜·M·施瓦特斯曼, 约翰·L·帕特里克, 詹姆士·F·登普西, 高登·D·戴米斯特 申请人:优瑞公司