为RF电流提供多路容性信道的用于MR系统RF线圈的屏蔽

摘要

RF屏蔽防止MR成象系统的梯度线圈与RF线圈间的耦合,RF磁场绕RF线圈轴转动。屏蔽包括多个同轴导电圆筒,还包括由多个介电材料制成的圆筒,各介电圆筒设置在相邻的导电圆筒之间。各导电圆筒由铜层制成,各铜层上形成导电回路图型,各回路有有关的间隙,防止MR系统梯度线圈产生的梯度磁场在其中的涡流感应。选择导电圆筒的特定数量和其相互相对的角度取向,为RF磁场所感应的RF图象电流提供多个闭合通路。

说明书

概括地说，本发明涉及一种层叠的RF屏蔽，其定位在磁共振(MR)成象系统的梯度线圈与RF线圈之间。特别是，本发明涉及一种RF屏蔽，其实质上可以透过梯度磁场，同时可以用以防止梯度线圈的RF能量损耗。

众所周知，MR系统需要RF线圈来产生B₁磁场，其对于产生MR数据是必要的。MR系统还需要一组三个梯度线圈，用以空间地将MR数据编码。RF和梯度线圈二者绕MR磁铁芯定位，其可接收病人或其它成象目标。梯度线圈典型地在RF线圈的外侧定位，使得由梯度线圈所产生的磁场必须延伸通过RF线圈，以便于达到磁铁芯。

如果耦合出现在RF和梯度线圈之间的话，梯度线圈将吸收或“吸入”RF线圈能量。这使得RF线圈的Q即品质因数，以及其信噪比会大大降低。为了防止RF线圈功率或能量的这种吸收，通常采取的方式就是将屏蔽放置在RF线圈与梯度线圈之间。从防止RF线圈能量吸收的观点来看，理想的屏蔽将是固态铜或类似导电材料的圆筒，其定位在RF线圈与梯度线圈之间。RF磁场将会在固态铜圆筒中感应图象电流，其将会用以反射RF磁场，使导其不会与梯度线圈相互作用。然而，这种固态屏蔽还将严重地衰减延伸到MR磁铁芯中的梯度磁场。

因此，现有技术已经开发出一种屏蔽装置，其公知是双侧边屏蔽用于磁共振RF线圈，例如，1989年11月7日公告的，Roemer等人的美国专利号4,879,515就是一例。该专利教导了一种设置，其中定位在RF和梯度线圈之间的圆筒形屏蔽包括导体-介质-导体层。每层导电层包括有铜层或类似层，其上形成有导电回路图型。导电层的图型实质上是相似的，并且各层分别地定位，使得其各导电回路图型在介电层的相对侧上成对准关系。每个导电层的导电回路其上形成有切口或断口，其可作为涡流电流所感应梯度的阻挡层。由此，只在导电层之一上不能建立用于电流流动的闭合通路。因此，导电层本身也不能支持感应的涡流。

对于RF频率来说，其是在大约10-100MHz下，层状RF屏蔽起着低阻抗电容的作用。因此，RF磁场可以在屏蔽中感应图象电流，其中电流通路包括在每个导电屏蔽层中的导电回路或其部分。电流容性地通过介质在该回路之间传递。然而，处于大约1-10KHz的梯度磁场频率下的电流将不能传递通过介质。由于在各导电通路上的断口防止了电流绕单一导电层流动，所以，在该梯度磁场频率下在RF磁场中将不能支持涡流电流。因此，屏蔽对于梯度磁场是可穿透的。

在近年来，人们已越来越对加快MR成象技术感兴趣，如高速成象(HSI)和回波平面成象(EPI)，其中实质上使用了较高速梯度脉冲速度和放大水平。还有，人们已日益地共同使用RF线圈，其可产生正交RF磁场。该发展可以以1994年8月5日由Roemer和Perry S.Frederick(这里是发明人)申请的受理待审的美国专利申请号08/286,366为例。该申请教导了改进的屏蔽设置，其中上述的两层屏蔽导电层相互相对以90度取向。还有，可选择地使在两层导电层各回路上的切口或断口交错。

虽然由该申请的发明提供了改进，但是，对于RF屏蔽的要求持续地越来越高。例如，现在对于将通常的MR系统的孔径由55厘米扩大到60厘米非常感兴趣。这要求将RF线圈更靠近梯度线圈。因此，RF磁场耦合变大，使得RF屏蔽更加困难。另外，在现有技术的RF屏蔽中，当RF磁场相对于屏蔽成特定角度取向时，试图将在各导电层上所形成的导电回路与由RF磁场所感应的电流对准。然而，当RF磁场绕RF线圈轴转动的同时，导电回路图型保持静止或局部固定。因此，RF屏蔽在除特定取向以外的RF磁场取向下具有较低的效果。由此，屏蔽效果在RF线圈周围是不对称的。

本发明通常涉及一种RF屏蔽装置，用以防止在MR成象系统中梯度线圈与RF线圈之间的耦合，其中RF磁场绕RF线圈的轴转动。该装置包括特定数量的同轴导电圆筒，并进一步包括由选择的介电材料所制成的圆筒，其介电材料分别设置在相邻RF屏蔽圆筒之间，用以形成层状结构。每个导电圆筒包括两个相对的电气导电材料层，其中在每层上进行切割或蚀刻以形成同心导电回路图型。每个回路具有间隙或通过其所形成的断口，用以防止其中由各梯度线圈所产生梯度磁场的涡流感应。可选择导电圆筒的数量和相互相对的角度取向，用以提供多个闭合回路用于RF磁场所感应的RF电流，其中各闭合回路是由给定导电圆筒的给定导电回路与给定圆筒以外的不同导电圆筒中的导电回路之间的容性耦合而建立的。

在优选实施例中，在特定导电圆筒的导电层上所形成的导电回路实质上与图象电流的电流流动通路对准，其中图象电流是在RF磁场在其绕RF线圈轴转动中处于特定角度位置上时由RF磁场在特定导电圆筒中感应的。导电圆筒包括第一和第二圆筒对，其中每对包括内和外圆筒，每对的内圆筒相对于其外圆筒以90度角的取向定位。最好是，第一对外导电圆筒相对于第二对的外圆筒以45度角的取向定位，并且相对于内圆筒以135度角的取向定位。还有，在各导电层上所形成的导电回路图型实质上对于所有圆筒来说都是一样的。

本发明的目的就是提供一种改进的用于MR成象系统的RF屏蔽，其中屏蔽的有效性实质上随着RF磁场绕系统的RF线圈轴的转动而保持一致。

本发明的另一目的就是提供一种用于MR系统的改进RF屏蔽，其中MR磁心被扩大，使得RF与梯度线圈之间的间隙必然会减小。

本发明还一个目的就是提供一种由多个同轴导电圆筒组成的上述类型的RF屏蔽，其中在导电圆筒之一上流动的RF感应图象电流可以容性地与多个其它导电圆筒中的每个进行耦合。

本发明的再一个目的实质上就是要减少不间断铜导体区域，以便不支持与较快梯度回转率和强度有关的梯度感应涡流电流。

本发明的这些和其它目的将通过结合附图和所作的说明而变得更为清楚。

附图的简要说明。

图1是表示RF鸟笼式线圈的示意图；

图2是表示相对于MR成象系统其它部件定位的本发明实施例的简化透视图；

图3是表示具有断开部分的图2实施例的透视图；

图4是表示图2和3所述实施例的外圆筒形层的透视图，其中该层为说明的目的已经整平了；

图5是沿图3中的线5-5所截的截面图；

图6是为了说明本发明原理的简化示意图。

优选实施例的详细描述

参见图1，其示出了RF线圈10，它是现有技术中公知的类型，即鸟笼式线圈。该类型的线圈广泛地用于为MR成象系统产生RF磁场。通常，线圈10包括分段端环12a和12b，其具有线性导体或通路14在其间延伸。线圈10示出了十六条通路14，标号为R1-R16(一些通路只示出了一部分)，虽然可以使用不同数量的通路，但这要取决于特定的场合。电容16串联连接在每段环12a和12b上，如图1所示。

操作中，RF放大器18a将正弦I-信道的RF信号以特定的时间间隔如10毫秒提供给通路R1。这使得电流分布流动，其中最大电流在时间t时流过由通路R1，绕线圈10与R1相差180度取向的通路R8，和环12a和12b的部分组成的路径。该电流的流动在鸟笼式线圈10内产生RF磁场的I部分。同时，将正弦Q-信道的RF信号通过RF放大器18b提供给通路R121，其绕端环12a和12b与通路R1以270度或90度取向。Q-信道RF信号与I-信道RF信号相同，只是Q-信道信号在相位上要延迟90度。Q-信道信号使电流分布流动，其中最大的是在时间t+T/4(其中T＝RF激励频率的周期)下通过通路R12和R4，同样也相互相差180度取向，用以产生RF磁场的Q部分。

随着特定的时间间隔，在相应的连续时间间隔过程中，I信道信号持续地提供给通路R2-R16。因此，通过持续激励而产生的I信道磁场部分会绕RF鸟笼式线圈10的轴旋转。Q信道信号同样地可提供给连续的通路，使得RF磁场的Q部分绕RF线圈轴旋转，在I与Q部分之间保持90度的相位角。由于旋转的I和Q磁场部分总的包括B₁或RF磁场，因此，该磁场绕RF线圈轴在与其正交的平面上旋转。

参见图2，示出了RF线圈10，其定位在MR主磁铁22的芯20内。磁铁22可包括在现有技术中公知类型的超导、永久或其它磁铁，以产生MR成象所需要的静态B₀磁场。RF线圈10与芯20成成同轴关系，并且B₀沿芯轴而定向，其与由RF线圈10所产生的B₁磁场成正交的关系。

图2进一步示出了梯度线圈组件24，其包括空心的筒形结构，其同样绕RF线圈10定位在芯20中。正如所知的，梯度线圈组件24包含有线圈(未示出)，用以在磁心20内分别产生MR成象所需的X-、Y-、和Z-梯度磁场。梯度磁场分别相对于X-、Y-、和Z-坐标轴而取向，其中Z-轴沿芯20的轴对准。如上所述，防止RF磁场与组件24的梯度线圈耦合是很重要的。同时，梯度磁场必须能够通过RF线圈10延伸到芯20中。因此，按照本发明所构成的RF屏蔽26要放置在RF线圈10与组件24的梯度线圈之间。

通过集中考虑图3-5将会更好地理解RF屏蔽26。图3表示屏蔽26，其包括叠层或层状结构，其具有空心的圆筒形式。最外层包括圆筒形导电层28，如图4中详细示出的。

参见图4，示出了导电圆筒28，其包括两片铜层28a和28b。其各片在图4中是处于整平状态下示出的同时，其每片形成半个圆筒，并且它们一起定位以形成完整的圆筒层28。铜层28a和28b分别定位使得在其共同相邻的边缘之间留下窄的间隙或空间。也就是说，分别在铜层28a和28b向左和向右的边缘上具有相互紧密的间隔间隙30a，如图4所示。当形成完整的圆筒28时，分别在铜层28a和28b向右和向左的边缘上将同样定位，如图4所示，其间具有窄的间隙30b(如图5中所示)。间隙30a和30b用于使半个圆筒28a和28b之间相互电气隔离。下面将描述制造铜层28a和28b以及RF屏蔽26其它部分的方法。

图4进一步示出了通过每个铜层28a和28b所蚀刻或切割的曲线或轮廓线32的图型。可以理解，梯度感应电流不能流过轮廓线32。因此，轮廓线32在每个铜层的中心上确定了盘34，并且同心导电同路36的图型环绕着每个盘。下面将讨论设计导电回路36图型的方法。盘34和回路36一起覆盖了每个铜层28a和28b所有表面区域。图4也示出了线38，其切割或蚀刻了每个回路36，其包括势垒，用于与轮廓线32类似的方法的梯度感应电流。由此，各铜层28a和28b的回路36均不会提供只位于或沿导电圆筒28的连续低频电流通路。由图4将可以看到，对于两个相邻的回路36，其各电流阻挡线38位于其相关中心盘34的相对侧上。

现进一步参见图4，其示出了直线电流势垒线40，其通过铜层28a和28b的表面区域而切割或蚀刻，其各线还没有包括在轮廓线32内。因此，在每个铜层28a和28b上没有足够的区域支持将具有有效大小的梯度感应涡流流动的闭合通路。因此，导电层28的导电铜层实质上对于由组件24所产生梯度磁场是可穿透的。各铜层28a和28b具有大约1.4密耳的厚度。线32，38，和40的宽度分别为大约20密耳。由于导电圆筒28的铜层被制成圆筒形，所以就可以为圆筒28选择零度参考位置，用以根据相关结构识别其角度取向。有用的是，如图4所示，可将铜层28a靠右的边缘选作该参考位置。在由导电圆筒28的圆周组成的铜层28的下边缘上以π/2或90度的间隔标记弧度。

参见图5，其示出了层状屏蔽26，它包括除导电圆筒28以外的圆筒形导电层42，44和46，该导电圆筒相互并与圆筒28成同轴关系。还进一步示出了圆筒48，50和52，其每个是由介电材料制成的，并且分别以同轴的关系定位在相邻导电圆筒之间。例如，每个介电圆筒均可由材料如由AlliedSignal公司所制造的聚四氟乙烯纤维叠层制成，其具有大约.0030英寸的厚度，并且介电常数大约为2.57。

每个导电圆筒42，44和46在结构上基本与导电圆筒28相同，只是在比例上略有减小以适应其各自的小直径。还有，圆筒42的切线38通过相对于圆筒28定位的一个回路36而偏移。以类似方式，圆筒46的切线38通过相对于圆筒44的一个回路36而偏置。由此，每个圆筒42，44和46包括两个半圆形铜层(未示出)即28a和28b。每个该铜层带有轮廓线32，用以形成类似于铜层28a和28b回路图型的导电回路36的图型，以及类似于或与其线38和40相同的线。另外，各间隔或空隙30a和30b设置在每个导电圆筒42，44和46的两个铜半圆形筒之间。当带有圆筒28时，可选择空隙30b作为每个其它导电圆筒的零度参考位置，用以表示其相互相对的角度取向，如图5中所示。导电圆筒42，44和46的该参考位置分别在图5中表示为42a，44a，和46a。

进一步如图5所示，导电圆筒28和相对于共同的角度参考位置的42-46的角度取向相互是不同的。因此，图5表示与共同的角度参考位置R对准的最外导电层28的零度参考位置，并且层42的零度参考位置42a与参考位置R成90度取向。导电圆筒44和46的零度参考位置44a和46a分别相对于位置R以45度和135度取向。因此，圆筒28和42相互相对以90度取向，圆筒44和46同样相互相对以90度取向。

RF屏蔽26可以通过将上述类型的介电材料层放置在两个铜层之间而有效地制成，其每个均为铜层28a或28b的两倍。该结构要经受基本压力和加热，由此，介电材料将形成与两铜层的粘接。然后，将铜层之一进行蚀刻或切割以形成轮廓线32，电流阻挡线38和直线40，并由此形成铜层28a或28b的图型，如上所述。空隙30a也通过铜层进行切割，用以将其分成两个电气绝缘的半筒28a或28b。

在粘接到介电材料相对侧的铜层上蚀刻类似的图型，而位移π/2的弧度，以便形成导电圆筒42的两个半圆层。将复合层的相对端结合在一起以形成圆筒结构，在圆筒28和42之间的介电材料由此形成介电圆筒48。

通过类似方式，形成层状结构，其包括导电圆筒44和46以及介电圆筒52。然后，如上所述，结合两个圆筒结构，并且其间设置介电圆筒50，用以形成完整的屏蔽26。屏蔽26绕梯度线圈组件24的圆筒形内壁定位，并且可借助于带条(未示出)保持在适当位置上。

为了更全面地理解本发明及其优点，现将描述铜层28a或28b的导电回路36以及其它导电圆筒层的特殊设计或图型。在参照图1，屏蔽26相对于RF鸟笼式线圈10的取向，使得导体28的零度角的位置处于相对于线圈10通路R1的前述角度下。对于该取向，首先要考虑的是，如果铜层28a或28b没有在其上蚀刻或切割线32或38的话，当将RF I-信道信号施加给通路R1时，如上所述，将在各铜层28a或28b中感应具有电流通路特定图型的RF图象电流。因此，轮廓线32被刻在铜层上，以形成与该电流通路基本对准的导电回路36。由此，流过各导电回路36的感应RF图象电流将使铜层28a或28b起全发射器的作用，并且因此作为全屏蔽，用于通过通路R1供电所产生的I部分RF磁场。

如上所述，感应图象电流将在RF频率下流过各回路36，尽管还有电流阻挡线38。在RF频率下，在导电圆筒28与相邻导电圆筒42之间会出现耦合电容。因此，电流会在圆筒28导电回路36与导电圆筒42的各相应回路之间容性地传输，由此有效地在RF频率下短路阻挡线38。

如上所述，导电圆筒42，包括基本与铜层28a或28b相同的铜层，相对于导电圆筒28以90度的角取向。因此，导电圆筒42象圆筒28具有通路R1一样具有相对于通路R12相同角度取向。因此，当在将I信道信号提供给通路R1的同时将Q信道RF信号提供给通路R12时，导电圆筒42将作为RF磁场Q部分的近全反射器操作。因此，导电圆筒28和42将对于整个RF磁场提供很有效的屏蔽。然而，如上所述，RF磁场会随着I-和Q-信道RF信号连续地分别提供给通路R2和R3，和通路R13和R14而转动。当磁场转动时，只由圆筒28和42组成的屏蔽的有效性会减小。这是因为圆筒28和42会随着RF磁场的转动保持部分的固定，使得导电回路图型与全RF磁场反射的理想图型之间的匹配降低。

在屏蔽26中提供导电圆筒44和46已成功地克服了上述缺陷。这是通过在导电回路即铜层28a或28b的回路36中以多流动通路而不是单通路提供电流而获得。多流动通路提供了附加图象电流通道，其在发射RF磁场方面更为有效，由此，保持了RF线圈的品质因数(Q)，其与RF磁场在X-Y平面上的磁场取向无关。由本发明所提供的多流动通路示于图6中。

参见图6A，其示出了铜层28a的导电回路36，其与导电圆筒44的导电回路36a重叠，两个回路相互偏移45度或π/4弧度。因此，流过导电回路36的RF图象电流Ia会与导电回路36a容性地耦合，以形成由两个通路36和36a组成的第一电流通路，并由此绕回路36上的电流阳挡线38以及导电回路36a上的电流阻挡线38a通过。

同样地，图6B表示相同的层28a的导电回路36，其与导电圆筒46的导电回路36a重叠，两个回路相互偏移135度或3π/4弧度。流过导电回路36的图象电流Ib与导电回路36b容性地耦合，以形成由两个通路36和36b组成的第二电流通路，由此电流Ib绕回路36的电流阻挡线38和导电回路36b的电流阻挡线38b通过。

在上述指导下可以对本发明进行各种改型或改变。但应当知道，在所公开的概念范围内，完全可以实施本发明而不只是上述特定的描述。