用于头和手足成像的磁体的制作方法

本发明涉及用在专业磁共振成像(MRI)应用中用于产生均匀磁场(B₀场)的紧凑式、屏蔽非对称超导磁体。所述磁体具有不同孔直径的多个部分并且被配置为用于以廉价方式产生受试者的头和手足关节的图像以及新生儿图像。

背景技术：

磁共振成像于二十世纪八十年代引入，并且已经发展成主要的全局成形模态。

临床MRI依赖于生成强且纯净的磁场而取得成功。MRI中的静态场的主要规格为其必须在预定区域上基本上均匀，本领域中称为“直径球形成像体积”或“dsv”。dsv一般要求误差小于每一百万峰-峰20部分(或每一百万rms10部分)。

自从引入首批封闭圆柱体系统以来，MRI设备已经经历许多改良。特别地，通过改善的信噪比和引入高和超强的磁场，已经在图像的质量/分辨率上发生了改进。改进的图像分辨率转而已经导致MRI成为用于结构性解剖学成像和功能性人体MRI成像的优选选择。

用于生成用于人体研究的诊断图像的一般磁共振系统的基本部件包括主磁体(通常为在dsv中产生基本上均匀的磁场(B₀场)的超导磁体)、一组或多组匀场线圈、一组梯度线圈及一个或多个RF线圈。对MRI的讨论例如可以在下述文献中找到：Haacke等的Magnetic Resonance Imaging:Physical Principles and Sequence Design,John Wiley&Sons有限公司,纽约,1999。还可以参见Crozier等的美国专利No.5,818,319、6,140,900和6,700,468，Dorri等的美国专利No.5,396,207和5,416,415，Knuttel等的美国专利No.5,646,532，以及Laskaris等的美国专利No.5,801,609，将上述专利公开的全部内容并入在本文中。

全身MRI磁体长度一般约1.6-2.0米，孔径在0.6-0.8米的范围。通常，磁体是对称的以使得dsv的中点位于磁体的结构的沿其主轴线的几何中心处。不必惊讶，当被安置在这样的空间中时许多人遭受幽闭恐怖症之苦。另外，受试者身体的被成像的部分和磁体系统端部之间的大距离意味着在MRI程序期间医生不能容易地辅助受试者或亲自监视受试者。

除了磁体的尺寸对受试者的影响之外，磁体的尺寸还是确定MRI机器的成本以及设置这样的机器涉及的成本方面的主要因素。另一重要考量是将系统保持在低温温度所需的氦气的体积。归因于全身磁体的大尺寸，这种全身磁体对于产生小尺寸对象(例如，头、手足和新生儿等)的图像的应用来说是昂贵的。

已知的超导头磁体包括在颁布给Dorri等的美国专利No.5396207和5416415以及颁布给Laskaris等的美国专利5801609中公开的那些。那些磁体的应用有限并且主要适于脑成像。它们不适用于手足成像，例如对膝关节的成像，原因是归因于从端部到dsv的长距离和例如安置并容纳另一条腿的难处，对于大多数人而言所述关节不能到达成像区域。

用于MRI的截头圆锥磁体公开于美国专利No.5307039和7498810中。然而，美国专利No.5307039的磁体仍然具有磁体相对较大但是产生的场强度仅约0.5T的缺点。尽管美国专利No.7498810的磁体较小并且提供从两端的入口，但是其配置特别适用于手足成像而不是人头的成像。

本发明的目的是提供用于人头、手足以及新生儿等的成像的相对小并且因此廉价的磁体以及磁共振系统。

技术实现要素：

在一个形式中，本发明提供一种紧凑式超导磁体，其适于用在用于成像人头、手足以及新生儿等的MRI系统中。

所述磁体具有沿所述磁体的轴线延伸的孔并且能够在所述孔内的成像区域中产生至少1.5特斯拉的磁场。

所述磁体包括具有沿轴线定位并且沿轴线同轴对齐的至少第一组、第二组和第三组线圈的初级线圈结构或布置，每一组线圈都具有布置在孔周围的一个或多个初级线圈并且每一组线圈都具有与其他组不同的内径。

第一组中的初级线圈靠近磁体的第一轴向端定位，第三组中的初级线圈靠近与第一轴向端相对的磁体的第二轴向端定位，并且第二组定位在第一组和第三组初级线圈之间。第二组的所述线圈或每个线圈的内径小于第一组的所述线圈或每个线圈的内径但是大于第三组的所述线圈或每个线圈的内径。

具有分级直径或“多孔”磁体配置的优点是dsv足够靠近用于手足进入的较小孔侧，同时保持从另一侧的合适肩进入。因此，本发明的通用的直径分级的磁体系统允许头和肩从较大孔侧进入dsv并且手足/四肢从较小孔侧进入dsv。

优选地，第二组的所述线圈或每个线圈的外部直径小于第一组的所述线圈或每个线圈但是大于第三组的所述线圈或每个线圈。

优选地，第二组和第三组线圈沿轴线的总长度小于第一组线圈沿轴线的长度的一半，并且第三组线圈沿轴线的长度小于第二组线圈沿轴线的长度。

所述磁体一般具有初级线圈架，所述初级线圈架具有用于相应的线圈组的至少三个架部分或架段。第一组线圈、第二组线圈和第三组线圈中的每一组分别围绕孔布置在第一、第二和第三架部分或架段上。第一架段(其上具有第一线圈组)的内径大于第二架段(其上具有第二线圈组)的平均内径，第二架段的平均内径转而大于第三架段(其上具有第三线圈组)的内径。优选地，第一架段的外直径大于第二架段的平均外直径，第二架段的平均外直径转而大于第三架段的外直径。

优选地，第一组中的两个线圈分别缠绕在第一架段的两个相对的轴向端部分周围，而优选地第二组中的两个线圈缠绕在第二架段的两个相对的轴向端部分周围，并且第三组中的至少一个线圈缠绕在第三架段周围。

第一和第三架段优选为圆柱形形状。第二架可为圆柱形形状或为圆锥形或截头圆锥形形状。

架限定直径分级的孔。可以给磁体提供两部分梯度线圈，其中梯度线圈的第一部分具有第一直径并且位于第一架部分内，并且梯度线圈的第二部分具有第二直径并且位于第二架部分内，第一直径大于第二直径。

在实施方式中，第一线圈组的内径大于80cm而小于110cm，并且第三线圈组的内径小于40cm。第一线圈组的内径与第三线圈组的内径的比率大于2，并且优选地大于3。

所述磁体优选地具有小于100cm的冷孔轴向长度，并且成像区域沿轴向方向的尺寸优选地为至少20cm。

优选地在初级线圈结构周围径向地提供屏蔽线圈结构，其大约延伸磁体的第一架部分的轴向长度。屏蔽线圈结构可具有其自己的架，并且具有直径比初级线圈大的至少一个屏蔽线圈。一般地，屏蔽线圈具有与初级线圈的大多数相反的电流极性。

优选地，在磁体的设计中使用力平衡来最小化在线圈上的净力。在实现力平衡的步骤中，将麦克斯韦力包括在要被最小化的误差函数中。

在实施方式中，多个周向地间隔开的第一增强部分(例如板构件)被附接到第二架段并且延伸到第一架段的右端的顶部部分，并且多个周向地间隔开的第二增强部分(例如板构件)被附接到第三架段并且延伸到第二架段的右端的顶部部分。板构件形状可为三角形，并且被用于经受由在第二和第三架段上的线圈施加的轴向电磁力和弯曲力矩。取决于磁体设计要求，间隔开的板还可以附接到第一架段并延伸到屏蔽架。

磁体可具有形成在较大直径的圆柱形部分和较小直径的圆锥形或截头圆锥形部分之间的外部真空室。

所述磁体特别适于用在对成人身体部分(例如头、手足)和婴儿、动物和其他小尺寸的对象的成像中。

在另一形式中，本发明提供了具有上述磁体的磁共振成像系统。

本发明的上述发明内容和某些实施方式仅为了读者的方便而不打算并且不应当被解读为限制本发明的范围。更一般地，应当要理解，前面的一般描述以及下面的详细描述都仅是本发明的示例，并且用于提供用于理解请求保护的发明的性质和特性的概述或框架。

本发明的附加特征和优点在随后的详细描述中阐述。本发明的这些附加特征和上面讨论的特征可单独使用或以任何和全部组合的方式使用。

包括了附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图结合在本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图通过举例的方式示意了本发明的各种实施方式，并且连同具体实施方式一起用于说明本发明的原理和操作。在附图和说明书中，由相同标号识别相关附图中相同的部件。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的示意性横截面视图。

图2是本发明的第二实施方式的示意性横截面视图。

图3示意了本发明的实施方式的头-手足磁体和已知的头磁体之间的差异。

图4是示意了适用于设计图1-2的磁体的过程的流程图。

图5示意性示出用于第一实施方式的3T磁体示例的线圈配置和dsv尺寸。

图6示出图5的全身磁体外部的杂散场，特别是5高斯(5x10^-4特斯拉)等值线。

图7是示出在图5的全身磁体的线圈内的总磁场的计算量级的绘图。场的强度按特斯拉示出。

图8是示出在图5的全身磁体的线圈内的总电磁力的计算量级的绘图。力的强度按牛顿示出。

图9是第一实施方式的架结构的示意图。

图10示意性示出用于第二实施方式的1.5T磁体示例的线圈配置和dsv尺寸。

图11示出图10的全身磁体外部的杂散场，特别是5高斯(5x10^-4特斯拉)等值线。

图12是示出在图10的全身磁体的线圈内的总磁场的计算量级的绘图。场的强度按特斯拉示出。

图13是示出在图10的全身磁体的线圈内的总电磁力的计算量级的绘图。力的强度按牛顿示出。

图14是第二实施方式的架结构的示意图。

具体实施方式

超导磁体一般具有包括线圈的布置的初级线圈结构。初级线圈结构被也由一个或多个线圈的布置构成的屏蔽线圈结构或层包围。在其优选实施方式中，本发明提供了具有初级线圈结构的磁共振系统，所述初级线圈结构包括具有显著不同的内径的至少三组或三级线圈。线圈示意性地示意在附图中。

如图1和2的实施方式中示意的，在磁体的初级线圈结构中，存在不同内径或孔的三个架段，线圈缠绕在该三个架段上。这三个架段一个接着另一个地连接以构造与纵轴线轴向对齐的三孔磁体结构。具有最大直径的孔在磁体的允许人头和肩进入的一侧上，而具有最小直径的孔在磁体的允许人手足(手和腿)进入的另一侧上，中等尺寸的孔位于最大和最小的孔之间。三个架段的材料可为金属(例如但不限于非磁性不锈钢)或非金属(例如，玻璃纤维增强聚合物(GFRP))。

图1示出了本发明的磁体01的第一优选实施方式。具有相同或相似内径的两个(但不限于两个)超导初级线圈105a和105b缠绕在圆柱形的第一架段101周围，线圈在段101的相对侧或端上并且被架段101的中间部分112分离。类似地，具有相同或相似内径的两个(但不限于两个)其他初级超导线圈106a和106b缠绕在圆柱形的第二架段102周围，线圈在被架段102的中间部分113分离的段的相对侧上或端上。单个超导初级线圈107缠绕在圆柱形的第三架段103周围。

具有与初级线圈的大多数相反电流极性的两个(但不限于两个)超导屏蔽线圈108a和108b缠绕在屏蔽架104周围，以便减少杂散磁场。屏蔽线圈的总长度约为第一架段101的轴向长度。

在1.5特斯拉或以上的场强，在初级超导线圈中产生非常大的轴向电磁力，在电磁力将段101上最左侧的线圈推向右侧并且将其他线圈(特别是在较小直径的架段102和103上的那些线圈)推向左侧时，其导致非常大的弯曲力矩。为了支撑或经受轴向力和弯曲力矩，多个周向地间隔开的增强部分(一般是三角形板构件109)被附接到第三架段103并且径向延伸到第二架段102的右端128的顶部部分，并且多个周向地间隔开的增强部分(一般是三角形板构件110)被附接到第二架段102并且径向延伸到第一架段101的右端129的顶部部分。取决于初级线圈105a和105b中以及屏蔽线圈108a和108b中的轴向力的值，可以应用多个周向地间隔开的增强部分(一般是板构件111)以连接第一架段101的两端和中间部分112，或连接第一架段101的右端129和中间部分112，并且所述多个周向地间隔开的增强部分优选地径向延伸以支撑屏蔽架104。

磁体01具有由邻近第一架段101的内部真空室117的直径限定的最大直径的第一孔114，并且具有由邻近第二架段102的内部真空室118的直径限定的中等直径的第二孔115，并且具有由邻近第三架段103的内部真空室119的直径限定的最小直径的第三孔116。磁体01包括具有圆柱形部分120a和圆锥形或截头圆锥形部分120b的外部真空室。磁体01还包括两级的梯度线圈，其中第一级梯度线圈121a设置在第一孔114中并且第二级梯度线圈121b设置在第二孔115中。

尽管磁体01被用于其他应用，例如新生儿成像，但是其特别设计用于对人头和手足进行成像并且在位于第一孔和第二孔114和115中并且以沿纵向延伸的轴线127为中心的球形体积直径(‘dsv’)126内产生至少1.5特斯拉的磁场强度。第一孔和第二孔114和115的尺寸优选地被设置成使得在患者的头123部分地延伸到第二孔115的情况下患者的肩122容纳在第一孔114内，并且使得第二孔115的直径小于患者的肩122的宽度。第三孔116的尺寸优选地设置为使得患者的手足124(例如腿)容纳在第三孔116内。第二孔和第三孔115和116的长度近似设计成使得患者的手足的关节125在dsv 126内。外部真空室的圆锥形或截头圆锥形部分120b优选地设计为在成像患者的腿时为另一条腿时提供舒适的位置或休息处。

图2示出了本发明的磁体02的第二优选实施方式。具有相同或相似内径的两个(但不限于两个)超导初级线圈205a和205b缠绕在圆柱形的第一架段201周围，线圈在被架段201的中间部分212分离的段的相对侧上或端部上。两个(但不限于两个)其他超导线圈206a和206b(其中一个超导线圈的内径大于另一线圈的内径)缠绕在圆锥形或截头圆锥形的第二架段202周围，其中一个线圈在架段202的顶端而另一个线圈在架段202的底端。单个超导线圈207缠绕在圆柱形的第三架段203周围。

除了初级线圈之外，具有与初级线圈的大多数相反的电流极性的两个(但不限于两个)超导屏蔽线圈208a和208b缠绕在屏蔽架204周围，以便减少杂散磁场。屏蔽线圈的总长度约为第一架段201的轴向长度。

在1.5特斯拉或以上的场强，在初级超导线圈中产生非常大的轴向电磁力，在电磁力将段201上最左侧线圈推向右侧并且将其他线圈(特别是在较小直径的架段202和203上的那些线圈)推向左侧时，其导致非常大的弯曲力矩。为了支撑或经受轴向力和弯曲力矩，多个周向地间隔开的三角形板构件210被附接到线圈206a缠绕在其上的第二架段202，并且径向延伸到第一架段201的右端229的顶部部分。取决于初级线圈205a和205b中以及屏蔽线圈208a和208b中的轴向力的值，可以应用多个周向地间隔开的板构件211以连接第一架段201的两端和中间部分212，或连接第一架段201的右端229和中间部分212，并且所述多个周向地间隔开的板构件211优选地径向延伸以支撑屏蔽架204。

磁体02具有由邻近第一架段201的内部真空室217的直径限定的最大直径的圆柱形的第一孔214，并且具有由邻近圆锥形或截头圆锥形的第二架段202的内部真空室218的两端直径限定的中等平均直径的圆锥形或截头圆锥形的第二孔215，并且具有由邻近第三架段203的内部真空室219的直径限定的最小直径的第三孔216。磁体02包括外部真空室，所述外部真空室具有圆柱形部分220a和圆锥形或截头圆锥形部分220b，圆锥形或截头圆锥形部分220b优选地设计为在成像患者的腿时为另一条腿提供舒适位置或休息处。磁体02还包括两级的梯度线圈，其中第一级圆柱形梯度线圈221a设置在第一孔214中并且第二级圆锥形或截头圆锥形梯度线圈221b设置在第二孔215中。

与已知超导头磁体相比(见图3)，本发明的示意的实施方式

(1)提供具有新颖线圈和支撑结构的三孔磁体，其允许人头和肩从最大的孔进入以进行成像并且手足从最小的孔进入以进行成像；

(2)使用两级梯度线圈来产生所需梯度的磁场；并且

(3)具有包括两部分的外部真空室，所述两部分为：较大直径的圆柱形部分和较小直径的圆锥形或截头圆锥形部分。

在本发明的优选实施方式中，磁体实现下列性能标准中的一些并且最优选地实现全部：

(1)外部屏蔽线圈半径小于或等于85cm，并且优选地小于或等于75cm，

(2)小于或等于100cm的整体冷孔长度，

(3)在均场之后具有+/-10ppm的均匀度的至少30cm(d)x30cm(z)的充分大的dsv尺寸，

(3线圈之间充足的间隔以允许有效的低温冷却，

(4)线圈内的低峰值磁场以允许使用比较便宜的超导导线(例如，在多个载流线圈中的任一个内的计算的峰值磁场，其量级小于约7.5特斯拉)，以及

(5)低杂散场(例如在与dsv几何中心的距离大于4米所有位置处磁体外部的计算的杂散磁场小于5x10^-4特斯拉)，以及

(6)具有小于或等于100MPa环形应力的低应力值。

在不限制本发明的范围的情况下，现在将更全面地描述本发明的磁体的示例以及用于确定磁体的线圈配置和电流分配功能的程序。

在优化过程中确定线圈位置(见图4)。利用基于非线性最小二乘法的约束数值优化技术执行优化(见例如，Matlab优化工具箱，http://www.mathworks.com)。程序使用场生成元件的几何形状和位置作为参数并使用以上提及的误差项来计算用于磁体的最终线圈几何形状。

示例1(3.0T磁体)

图5示意性示出了根据本发明的第一实施方式的超导磁体。磁体利用五个初级线圈(两个线圈在第一架段处、另外两个线圈在第二架段处并且一个线圈在第三架段处)和一个屏蔽线圈。在广泛的概述上，磁体具有约0.92米的冷孔长度和分别为约0.46和0.13米的冷孔最大内部半径和最小内部半径。磁体具有近似球形的dsv，球形具有约27厘米的直径。

图5示出了磁体和dsv内的场。图6示出了磁体产生的计算的杂散外部场和轴向磁场。图7示出了在磁体的各个线圈内由磁体产生的总磁场的计算量级。图8示出了在磁体的各个线圈内由磁体产生的总电磁力的计算量级。图9示出了可应用到该磁体的示意性架结构。

如图6所示，磁体还具有5高斯的线，其在dsv的中心的约4.4米内，轴向约4.4m并且径向约2.9m。如图6所示，峰值计算的磁场为约6特斯拉，其允许利用易获得的超导导线来构建磁体。

示例2(1.5T磁体)

图10示意性示出了利用根据本发明的第二实施方式的结构的1.5T超导磁体设计。

磁体利用五个初级线圈(两个线圈在第一架段处、另外两个线圈在第二架段处并且一个线圈在第三架段处)和两个屏蔽线圈。在广泛的概述上，磁体具有约0.78米的冷孔长度和分别为约0.45和0.16米的冷孔最大内部半径和最小内部半径。磁体具有近似椭圆的dsv，椭圆具有约20厘米的轴向直径和约30厘米的径向直径。

图10示出了磁体和dsv内的场。图11示出了磁体产生的计算的杂散外部场和轴向磁场。图12示出了在磁体的各个线圈内由磁体产生的总磁场的计算量级。图13示出了在磁体的各个线圈内由磁体产生的总电磁力的计算量级。图14示出了可应用到该磁体的示意性架结构。

如图11所示，磁体具有5高斯的线，其在dsv的中心的约3.25米内，轴向约3.25m并且径向约2.4m。如图12所示，峰值计算的磁场为约4.2特斯拉，其允许利用易获得的超导导线来构建磁体。

前面的实施例用于示意本发明，而不限制本发明的范围。能够用本领域技术人员将容易想到的各种修改和添加来实践本发明。

在合适或适当的情况下，一个实施方式中的一个或多个特征可以与另一实施方式的一个或多个特征组合使用。