矩阵匀场线圈设备的制作方法

矩阵匀场线圈设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种矩阵匀场线圈设备，矩阵匀场线圈设备包括配置为提供高阶匀场的多个线圈。每个线圈具有数字8形状以及第一回路和第二回路。在另一个实施例中，每个线圈被沿着线圈的轴进一步折叠，从而形成具有上部和下部的折叠线圈。
【专利说明】矩阵匀场线圈设备
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及磁共振成像(MRI)系统，特别涉及用于有源高阶匀场的设备。【背景技术】
[0002]磁共振成像(MRI)是一种医疗成像方式，其不使用X射线或其他电离辐射而生成人体内部的图片。MRI使用强大的磁体生成强大的均匀静磁场(即主磁场)。当人体或者人体的一部分置入主磁场中时，与组织水中的氢核关联的原子核自旋被极化。这意味着与这些自旋关联的磁矩变为优先沿着主磁场的方向对齐，引起沿该轴(按照惯例称为ζ轴)的小的净组织磁化。MRI系统还包括被称为梯度线圈的部件，当向梯度线圈施加电流时，其产生幅度较小、在空间上变化的磁场。通常，梯度线圈设计为产生沿ζ轴对齐并且幅度随着沿X、y或ζ轴之一的位置线性变化的磁场分量。梯度线圈的效果是沿单轴在磁场强度上产生小斜坡(ramp)，并在原子核自旋的共振频率上伴随地产生小斜坡。具有正交轴的三个梯度线圈被使用以通过在体内的每个位置处生成标识共振频率(signature resonancefrequency)，从而对MR信号进行“空间编码”。使用射频(RF)线圈在氢核的共振频率处或其附近生成RF能量脉冲。使用RF线圈以受控方式向原子核自旋系统增加能量。当原子核自旋然后弛豫回到其静止能量状态时，它们放出RF信号形式的能量。该信号被MRI系统检测，并使用计算机和已知的重建算法转换为图像。
[0003]MRI系统中使用的梯度线圈组件可以是屏蔽的梯度线圈组件，其包括通过诸如环氧树脂的材料粘接在一起的内梯度线圈组件和外梯度线圈组件。通常，内梯度线圈组件包括X、Y和Z梯度线圈对或线圈组的内(或主)线圈，并且外梯度线圈组件包括对应的X、Y和Z梯度线圈对或线圈组的外(或屏蔽)线圈。Z梯度线圈通常是圆柱形的，导体绕圆柱形表面螺旋式缠绕。横向的X和Y梯度线圈通常由具有绝缘背衬层的铜板形成。可以在梯度线圈的铜层中切割导体旋转图案(例如指纹图案)。
[0004]MRI系统要求在成像体积内具有均匀的主磁场Btl，但是各种因素，例如制造公差、环境影响、设计局限、磁体中的瑕疵、安装地附近的铁磁材料等，可能引入磁场中的不均匀性。磁场Btl中的不均匀性会不利地影响MR图像的数据获取和重建。例如，磁场不均匀性可使扫描体积中的位置信息失真，降低图像质量。可以使用被称为“匀场”的方法来补偿或消除来自于磁场BO的不均匀性。可以使用匀场线圈或校正线圈(有源匀场)或者例如几片铁磁材料的无源匀场片(无源匀场)对MRI磁体进行匀场。
[0005]有源匀场使用磁体中的专用线圈来生成校正的磁场。通常，电流通过匀场线圈以产生校正磁场。可以调节或调整通过匀场线圈的电流，以提供适当的校正场。匀场线圈可以是电阻性的、超导的或者二者的组合。超导匀场线圈布置在磁体内部，并在氦环境中操作。使用超导匀场线圈来补偿制造公差或者扫描室的磁性环境所引起的不均匀性(谐波)。通常，在MRI扫描仪的安装或维护过程中，将超导匀场线圈中的电流调节至恰当值。一旦电流被调节至恰当值，就固定该电流值，超导线圈在持久模式下操作。为了提供病人感应谐波(在每次扫描中可能发生变化)的静态补偿，可以使用电阻性匀场线圈(称为高阶匀场线圈)。电阻性匀场线圈经常包含在MRI扫描仪的梯度组件中，并通常包括二阶匀场线圈组，其电流可在多次扫描之间调节。
[0006]目前，许多MRI系统采用较宽的病人腔，其在梯度线圈系统中留下较小的径向空间以容纳高阶匀场线圈。需要提供一种可用在小的径向空间内以及考虑到二阶和更高阶的匀场线圈设计。

【发明内容】

[0007]根据实施例，提供一种矩阵匀场线圈设备，其包括配置为提供高阶匀场的多个线圈，每个线圈具有数字8形状，并包括第一回路和第二回路。
[0008]优选的，每个线圈由连续的导线回路形成。
[0009]优选的，所述多个线圈设置为nxm阵列。
[0010]优选的，所述多个线圈中的每个线圈与相邻的线圈重叠。
[0011 ] 优选的，每个线圈的所述第一回路和所述第二回路具有基本上相同的尺寸。
[0012]优选的，每个线圈的所述第一回路和所述第二回路具有不同的尺寸。
[0013]优选的，还包括电路板，其中所述多个线圈中的每个线圈被刻蚀在所述电路板上。
[0014]优选的，所述多个线圈中的每个线圈与另一个线圈同心。
[0015]优选的，所述nxm阵列中的η排沿ζ方向布置。
[0016]根据另一个实施例，提供另一种一种矩阵匀场线圈设备，其包括配置为提供高阶匀场的多个线圈，每个线圈具有数字8形状，并且其中，每个线圈被沿着线圈的轴进一步折叠，从而形成具有上部和下部的折叠线圈。
[0017]优选的，所述上部定位在第一径向位置处，所述下部定位在第二径向位置处。
[0018]优选的，每个线圈由连续的导线回路形成。
[0019]优选的，所述多个线圈设置为nxm阵列。
[0020]优选的，还包括电路板，其中，所述多个线圈中的每个线圈被刻蚀在所述电路板上。
[0021 ] 优选的，所述nxm阵列中的η排沿ζ方向布置。
【专利附图】

【附图说明】
[0022]结合附图，通过以下具体描述，将可以更全面地理解本发明，其中相同的附图标记指代相同的部件，其中:
[0023]图1是根据实施例的示例性磁共振成像(MRI)系统的示意性框图；
[0024]图2是根据实施例的共振组件的示意性侧视图；
[0025]图3是根据实施例的示例性矩阵匀场线圈的视图；
[0026]图4是根据替代实施例的示例性矩阵匀场线圈的视图；
[0027]图5是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图；
[0028]图6是根据替代实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图；
[0029]图7是根据实施例的使用扭转线圈的矩阵匀场线圈的视图；
[0030]图8是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图；
[0031]图9是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转和折叠线圈的视图。【具体实施方式】
[0032]图1是根据实施例的示例性磁共振成像(MRI)系统的示意性框图。通过操作者控制台12控制MRI系统10的操作，其中操作者控制台12包括键盘或其他输入装置13、控制面板14和显示器16。控制台12通过链路18与计算机系统20通信，并为操作者提供指定MRI扫描、显示结果图像、在图像上执行图像处理、以及存档数据和图像的接口。计算机系统20包括多个模块，所述多个模块通过电和/或数据连接(例如使用背板20a所提供的)彼此进行通信。数据连接可以是直接的有线链路，或者可以是光纤连接，或者是无线通信链路等。计算机系统20的模块包括图像处理器模块22、CPU模块24和包括用于存储图像数据阵列的帧缓存器的存储器模块26。在替代实施例中，图像处理器模块22可以被CPU模块24上的图像处理功能代替。计算机系统20连接至归档媒体装置、永久或备用存储装置或网络。计算机系统20还可以通过链路34与分离的系统控制计算机32通信。输入装置13可以包括鼠标、操纵杆、键盘、跟踪球、触摸屏、光棒、语音控制器或者任何类似或等效的输入装置，并可用于交互式几何指示(interactive geometry prescription)。
[0033]系统控制计算机32包括通过电和/或数据连接32a彼此进行通信的一组模块。数据连接32a可以是直接的有线链路，或者可以是光纤连接，或者是无线通信链路等。在替代实施例中，计算机系统20和系统控制计算机32的模块可以在同一计算机系统或多个计算机系统上实施。系统控制计算机32的模块包括CPU模块36和脉冲发生器模块38，脉冲发生器模块38通过通信链路40连接至操作者控制台12。脉冲发生器模块38可以可替代地集成在扫描器设备(例如共振组件52)中。通过链路40，系统控制计算机32从操作者接收用于指示待执行的扫描序列的命令。脉冲发生器模块38通过发出描述RF脉冲的定时、强度和形状、待生成的脉冲序列的指令、命令和/或要求、以及通过发出描述数据采集窗口的定时和长度的指令、命令和/或要求，来操作发出(即执行)期望的脉冲序列的系统部件。脉冲发生器模块38连接至梯度放大器系统42，并产生被称为梯度波形的数据，梯度波形控制扫描过程中使用的梯度脉冲的定时和形状。脉冲发生器模块38还可以从生理采集控制器44接收病人数据，其中生理采集控制器44从连接至病人的多个不同传感器接收信号，例如来自于附接于病人的电极的ECG信号。脉冲发生器模块38连接至扫描室接口电路46，扫描室接口电路46从与病人状况和磁系统关联的不同传感器接收信号。同样通过扫描室接口电路46，病人定位系统48接收用于将病人检查台移动至扫描所需位置的命令。
[0034]脉冲发生器模块38产生的梯度波形应用于由Gx，Gy和Gz放大器构成的梯度放大器系统42。每个梯度放大器激发梯度线圈组件(总体由50表示)中相应的物理梯度线圈，以产生用于对采集的信号进行空间编码的磁场梯度脉冲。梯度线圈组件50形成共振组件52的一部分，共振组件52包括具有超导主线圈54的极化超导磁体。共振组件52可包括整体RF线圈56、表面线圈或并行成像线圈76或这二者。RF线圈组件的线圈56和76可配置为用于发送和接收二者，或者仅用于发送，或者仅用于接收。病人或成像对象70可布置在共振组件52的圆柱形病人成像体积72内。系统控制计算机32中的收发器模块58产生脉冲，该脉冲被RF放大器60放大，并通过发送/接收开关62耦合至RF线圈56和76。病人体内被激发的原子核所发出的结果信号可被相同的RF线圈56感测，并通过发送/接收开关62耦合至前置放大器64。或者，被激发的原子核所发出的信号被分离的接收线圈(例如并行线圈或表面线圈76)感测。放大的MR信号在收发器58的接收器部分被解调、滤波和数字化。发送/接收开关62由来自于脉冲发生器模块38的信号控制，以便在发送模式期间将RF放大器60电连接至RF线圈56，在接收模式期间将前置放大器64电连接至RF线圈56。发送/接收开关62还使得分离RF线圈(例如并行或表面线圈76)能够用于发送或接收模式中。
[0035]被RF线圈56或者并行或表面线圈76感测的MR信号被收发器模块58数字化，并被转送至系统控制计算机32中的存储器模块66。通常，对应于MR信号的数据帧临时存储在存储器模块66中，直到其后续被转换以产生图像。阵列处理器68使用已知的转换方法从MR信号产生图像，最常用的是傅里叶变换。这些图像通过链路34传输至计算机系统20，在此它存储在存储器中。响应从操作者控制台12接收的命令，该图像数据被归档为长期存储，或者其可以被图像处理器22进一步处理并传输至操作者控制台12以及呈现在显示器16上。[0036]图2是根据实施例的共振组件的示意性侧视图。共振组件100可用于MRI系统中，例如图1所示的MRI系统10。共振组件100为圆柱形，其中包括超导磁体102、梯度线圈组件104、RF屏蔽部105和RF线圈106等。为清楚起见，图2中省略了各种其他元件，例如盖板、支撑件、悬架构件、端盖、支架等。圆柱形病人体积或腔108被病人腔管110包围。病人腔108可配置为标准腔尺寸(大约60厘米)或者作为较宽腔尺寸(大约70厘米或更大)。RF线圈106为圆柱形，绕病人腔管110的外表面布置，并且安装在圆柱形梯度线圈组件104内部。RF屏蔽部105为圆柱形，并围绕RF线圈106布置。梯度线圈组件104围绕RF屏蔽部105布置，RF线圈106为间隔开的同轴关系，梯度线圈组件104在圆周上包围RF屏蔽部105和RF线圈106。梯度线圈组件104安装在磁体102内部，并被磁体102在圆周上包围。
[0037]病人或成像对象112可在病人检查台或支架116上沿中心轴114(例如Z轴)插入在共振组件100中。病人检查台或支架116在共振组件的“病人端” 142插入共振组件中，圆柱形共振组件的相对端是“服务端” 140。中心轴114沿共振组件100的管轴对齐，平行于磁体102产生的主磁场B。的方向。可以使用RF线圈106向病人或对象112施加射频脉冲(或多个脉冲)以及可以使用RF线圈106接收从对象112返回的MR信息，如MR成像领域所公知的。RF屏蔽部105用于将RF线圈106与外部RF辐射源屏蔽。RF屏蔽部105可以由任何适当的导电材料制造，例如铜片、具有微量导电铜的电路板、铜丝网、不锈钢丝网、其他导电丝网等。梯度线圈组件104产生与时间相关的梯度磁脉冲，梯度磁脉冲用于以已知方式对成像体积内的点进行空间编码。
[0038]超导磁体102例如可包括若干径向对齐并纵向间隔的超导线圈118，每个线圈能够承载大电流。超导线圈118设计为生成病人体积108中的磁场仏。超导线圈118被包围在低温外壳122之内的低温环境中。低温环境设计为将超导线圈118的温度保持在适当的临界温度以下，以便超导线圈118处于具有零电阻的超导状态中。低温外壳122例如可包括以已知方式容纳和冷却磁体绕组的氦容器(未显示)和热或冷屏蔽(未显示)。超导磁体102被例如低温恒温容器的磁体容器120包围。磁体容器120配置为保持真空以及防止热传递至低温外壳122。
[0039]梯度线圈组件104是自屏蔽梯度线圈组件。梯度线圈组件104包括相对于公共轴114以同轴形式布置的圆柱形内梯度线圈组件或绕组124和圆柱形外梯度线圈组件或绕组126。内梯度线圈组件124包括内(或主)X、Y和Z梯度线圈，外梯度线圈组件126包括相应的外(或屏蔽)X、Y和Z梯度线圈。通过使电流通过线圈，可以触发梯度线圈组件104的线圈，从而在病人体积108中产生MR成像所需要的梯度场。内梯度线圈组件124和外梯度线圈组件126之间的体积138或空间可填充粘接材料，例如环氧树脂、粘弹性树脂、聚亚安酯等。可替代的，可以使用具有填充材料(例如玻璃珠、二氧化硅和氧化铝)的环氧树脂作为粘接材料。应理解，可以使用以上参考图1和2描述的圆柱形组件以外的磁体和梯度结构。例如，分割开的MRI系统中的平面梯度几何形状也适用于下述的本发明的实施例。
[0040]高阶矩阵匀场线圈130布置在磁体组件100内部的第一半径处。在图2中，矩阵匀场线圈130布置在梯度线圈组件104的内部。例如，矩阵匀场线圈130可以布置在内梯度线圈组件124和外梯度线圈组件126之间的体积或空间138中。通过将矩阵匀场线圈130设置在RF屏蔽部105之后，与RF线圈106的相互作用被限制。矩阵匀场线圈130包括二阶或更高阶的非屏蔽电阻性匀场线圈(未显示)。矩阵匀场线圈130配置为提供磁场不均匀性(例如病人感应的谐波)的补偿。矩阵匀场线圈130可以由匀场驱动器140驱动。匀场驱动器140和矩阵勻场线圈130可以由电源136供电。电源136和勻场驱动器140可以由计算机系统137 (例如图1所示的计算机20或系统控制计算机42)操作。计算机137和匀场驱动器140配置为控制供给至矩阵匀场线圈130的电流。
[0041]矩阵匀场线圈130包括布置在围绕内梯度线圈组件124的圆柱形表面上的多个匀场线圈。匀场线圈可以设置(或刻蚀)在电路板上，例如多层卡普顿(Kapton)电路板，并卷成适当的尺寸，以便放置在梯度线圈组件104内部(例如内梯度线圈组件124和外梯度线圈组件126之间的体积138中)。优选地，矩阵匀场线圈130的尺寸允许其放置在小半径(例如〈2_)空间中。矩阵匀场线圈包括沿ζ方向的η排匀场线圈，且绕圆柱形结构的圆周的m个勻场线圈。
[0042]图3是根据实施例的示例性矩阵匀场线圈的视图。图3所示的示例性矩阵匀场线圈330包括沿ζ方向332设置为4排、沿圆柱形结构的圆周在每排中具有七个(7)匀场线圈的多个匀场线圈334。矩阵匀场线圈330总共具有二十八(28)个匀场线圈334。具有至少7x4矩阵的设计能够产生三阶谐波。在矩阵匀场线圈330中，矩形匀场线圈的对336以重叠方式定位。匀场线圈334可以具有不同的形状，例如匀场线圈334可以是P边形(包括圆形)。图4是根据替代实施例的示例性矩阵匀场线圈的视图。图4所示的矩阵匀场线圈430包括多个正方形匀场线圈434。匀场线圈434的对436设置为匀场线圈434是同心的，一个回路位于另一个回路内部。
[0043]回到图2，(具有P边的)多边形匀场线圈(包括圆形)可耦合至梯度线圈104，在脉冲过程中，梯度线圈104感应矩阵匀场线圈130中的大电压，需要匀场驱动器140中的大电压进行补偿。为了将矩阵匀场线圈130与梯度线圈104解耦，可以将单个的匀场线圈扭转成数字8或者沙漏形状。图5是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图。可通过将矩形或正方形线圈回路扭转成数字8或沙漏形状而形成匀场线圈500。数字8形状的线圈500的两个回路可以具有不同的形状。图6是根据替代实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图。在图6中，线圈600的两个回路具有方整的(squared off)边。或者，两个回路可以带有圆角，或者为以下参考图8进一步描述的矩形或正方形。此外，在不同实施例中，两个回路可以具有相同的尺寸或者不同的尺寸，即非对称的数字8或沙漏形状。图7是根据实施例的使用扭转线圈的矩阵匀场线圈的视图。图7所示的矩阵匀场线圈730包括多个扭转(例如数字8形状)匀场线圈734。如上所述，匀场线圈734沿ζ方向732设置为η排，绕圆周具有m个线圈。每个匀场线圈734具有非对称的数字8形状。在另一个实施例中，扭转匀场线圈的回路可具有正方形或矩形回路，如图8所示。图8是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转线圈的视图。扭转匀场线圈800以形成重叠区域838，在该重叠区域，线圈回路的上部842在线圈回路的下部840的上方。对于匀场线圈800，扭转设计的第一回路850比线圈800的第二回路852大(即非对称线圈)。
[0044]回到图2，在另一个实施例中，矩阵匀场线圈130可包括被扭转和折叠的单个的匀场线圈，以便减小在ζ方向中占用的空间以及提高矩阵匀场线圈130的效率。图9是根据实施例的用于矩阵匀场线圈的扭转和折叠线圈的视图。通过对折数字8形状的线圈回路902形成匀场线圈900 (显示了折叠线圈的俯视图)。例如，沿着轴904，线圈的上部902被折叠到线圈900的下部908的上方。通过这种方式，产生Bz场的回路902的直边910基本上加倍。该设计还考虑到提高矩阵匀场线圈的效率的交流电流返回路径。通过使用扭转和折叠线圈900形成矩阵匀场线圈，矩阵匀场线圈在ζ方向所需的空间量减小，矩阵匀场线圈可以与视野(FOV)中心不在梯度线圈中心的非对称梯度线圈兼容。在一个实施例中，当匀场线圈900被布置在梯度线圈组件104中时(如图2所示)，折叠线圈的上部可位于第一径向位置，折叠线圈的下部可位于第二径向位置。
[0045]本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳实施方式，并使任何本领域技术人员能实施和使用本发明。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求书的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等同结构元件。根据替代实施例，可以改变或重新安排任何过程或方法步骤的顺序和序列。
[0046]在不背离本发明的精神的前提下，可以对本发明进行多种其他改变和修改。从所附权利要求书，这些以及其他改变的范围将清晰呈现。
【权利要求】
1.一种矩阵匀场线圈设备，包括: 配置为提供高阶匀场的多个线圈，每个线圈具有数字8形状以及包括第一回路和第二回路。
2.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，每个线圈由连续的导线回路形成。
3.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述多个线圈设置为nxm阵列。
4.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述多个线圈中的每个线圈与相邻的线圈重叠。
5.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，每个线圈的所述第一回路和所述第二回路具有基本上相同的尺寸。
6.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，每个线圈的所述第一回路和所述第二回路具有不同的尺寸。
7.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，还包括电路板，其中所述多个线圈中的每个线圈被刻蚀在所述电路板上。
8.根据权利要求1所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述多个线圈中的每个线圈与另一个线圈同心。
9.根据权利要求3所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述nxm阵列中的η排沿ζ方向布置。
10.一种矩阵匀场线圈设备，包括: 配置为提供高阶匀场的多个线圈，每个线圈具有数字8形状；以及 其中，每个线圈被沿着所述线圈的轴进一步折叠，从而形成具有上部和下部的折叠线圈。
11.根据权利要求10所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述上部定位在第一径向位置处，所述下部定位在第二径向位置处。
12.根据权利要求10所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，每个线圈由连续的导线回路形成。
13.根据权利要求10所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述多个线圈设置为nxm阵列。
14.根据权利要求10所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，还包括电路板，其中，所述多个线圈中的每个线圈被刻蚀在所述电路板上。
15.根据权利要求13所述的矩阵匀场线圈设备，其特征在于，所述nxm阵列中的η排沿ζ方向布置。
【文档编号】A61B5/055GK103901374SQ201310741075
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2012年12月27日
【发明者】D.A.西伯, B.安姆, J-B.马蒂厄 申请人:通用电气公司