用于磁共振成像系统的非对称超短梯度线圈

摘要

磁场梯度线圈包括上面部分和下面部分(40，42)，它们限定在其间的线圈腔(40)。上面部分(40)具有横截于纵向的弧形曲率(Cupper)和沿纵向的长度(Lupper)，该长度小于下面部分(42)的纵向长度(Llower)。梯度线圈绕组(70，72，74，76，102，104，112，114)在通常沿纵向方向取向的静磁场上施加一个或多个横向磁场梯度。线圈绕组由线圈支架的上面和下面部分(40，42)支撑。由上面部分(40)支撑的线圈绕组在纵向上被限于分布到上面部分(40)的纵向长度(Lupper)，该纵向长度短于它的直径。由下面部分(42)支撑的线圈绕组在纵向上被分布为基本跨下面部分(42)的纵向长度(Llower)。

说明书

以下内容涉及磁共振领域。它在磁共振成像中得到具体的应用，并且将具体参考其来进行描述。然而，它在磁共振分光术(spectroscopy)和其它磁共振技术中也得到应用。

具有在轴方向或z方向上短的磁体腔(magnet bore)的磁共振成像扫描仪减小了病人幽闭恐怖感并且可以提供对病人的改进的接触以用于介入性过程。短腔磁体例如可以具有1.0米或更小的腔长度。

在短腔磁体中，腔直径不能随腔的缩短而缩小。最小的腔直径受成像对象的横截面影响。而且，减小的腔直径促成病人幽闲恐怖感。因此，短腔磁体优选地具有小的长度-直径比。例如，在短腔磁体中一个短于腔直径的腔长度可以是有利的。

如果梯度线圈组件的长度被做成更小的，特别是如果长度-直径比是1.1或更小，则横向梯度线圈的效率变得更差。这是因为用来做成这些线圈的鞍状线圈的回路导线必须定位为更靠近线圈的工作容积；这导致磁场集中到梯度线圈的导线附近，因此导致线圈的磁储存能量的增加。要被传递到线圈以便在一定的时间内生成一定的梯度场振幅的峰值功率直接正比于线圈的储存能量。因此，为了限制梯度放大器的尺寸和成本，重要的是最小化线圈的磁贮存能量。对于生成z方向的梯度场的梯度线圈而言，减小长度所带来的效率的减小远没有对横向线圈那样严重。

本发明设想了一种克服上述的局限性等的改进的设备和方法。

按照一方面，公开了用于短腔磁共振成像扫描仪的磁场梯度线圈。上部和下部磁场梯度线圈绕组限定了对象接纳腔，且生成一个横向磁场梯度，施加在通常沿通过腔的纵向取向的相关联静磁场上。上部梯度线圈绕组具有横截于纵向的弧形曲率(C_upper)和沿纵向的纵向长度(L_upper)，该纵向长度小于下部梯度线圈绕组的纵向长度(L_lower)。

按照另一个方面，公开了磁共振成像扫描仪。外壳具有(i)由扫描仪成像的成像容积，和(ii)布置在成像容积下面的成像对象支撑部分。成像对象支撑部分延伸到磁体腔的长度以外。射频线圈被安排成把射频信号注入到扫描仪腔中。磁场梯度线圈包括被布置在外壳的成像对象支撑部分中的下面部分和一个上面部分，该上面部分连同下面部分一起来限定包含成像容积的线圈腔。上面部分具有弧形曲率和跨越第一长度的线圈绕组。下面部分具有跨越大于第一长度的第二长度的线圈绕组。

按照再一个方面，提供了磁共振成像的方法。在对象接纳腔中生成主磁场。通过组合(i)具有短于腔直径(D_bore)的第一纵向长度(L_upper)的上部梯度线圈和(ii)长于腔直径的第二纵向长度(L_lower)的下部梯度线圈，跨该腔而生成磁场梯度。第一纵向长度(L_upper)通常短于腔的长度以及第二纵向长度(L_lower)基本上等于或长于腔的长度。

一个优点在于，提供了一种磁共振成像设备，其具有由病人看来减小的腔长度，但与用于现有技术的、允许在病人支架上方的可比腔形状的短腔梯度线圈的相比，具有高得多的梯度效率。

另一个优点在于，对短腔磁共振成像系统的水平延伸底部部分中空间的有效使用。

再一个优点在于提供非对称的短的梯度线圈，它在两个横截的平面内方向上提供对称的梯度。

在阅读以下的优选实施例的详细说明后，本领域技术人员将明白许多附加优点和好处。

本发明可以采取各种部件和部件的安排、以及各种处理操作和处理操作的安排的形式。附图仅仅用于示例优选实施例，而不被看作为限制本发明。

图1A和1B分别示意地显示包括短的非对称磁场梯度线圈的磁共振成像系统的侧视图和端视图。

图2显示图1的、短的非对称磁场梯度线圈的线圈支架的线框表示的透视图。

图3显示图2的线框表示的透视图，其具有被叠加在其上的初级(primary)和屏蔽(shield)线圈设计。

图4显示图2的线圈支架的端视图，其具有被配置成产生两个横向梯度的线圈绕组，该横向梯度被相对于磁场梯度线圈的左右对称性(bilateral symmetry)而被对称地安排。

参照图1A和1B，磁共振成像扫描仪8包括外壳10，限定由病人见到的通常圆柱形的扫描仪腔。主磁场生成线圈12限定磁体腔14包含扫描仪成像容积16(由画阴影线的区域示意地表示)，在该容积之上磁共振成像扫描仪8被配置以便成像。外壳包括被布置在成像容积16的下面的成像对象支撑部分20。人或其它成像对象被引入到扫描仪腔中来进行成像，这典型地是在一个平板架22或者其它支架上，该平板架或者支架在限定腔底部的、该成像对象支撑部分20的上部基本平坦的表面上滑入该扫描仪腔中。磁体腔14具有沿纵向的腔长度L_bore，和横截于该纵向的直径D_bore。在优选实施例中，腔长度L_bore与腔直径D_bore大约相同或者比其短。也就是，对于短腔扫描仪，L_bore/D_bore的比值小于或约为单位1。

对象支撑部分20具有大于腔长度L_bore的纵向长度L_support。较短的腔长度L_bore减小病人幽闭恐怖感，以及便于在成像期间插入和操纵介入工具，诸如导管。外壳10包含或支撑射频线圈28(以点状虚线表示)、磁场梯度线圈30(以短划虚线表示)、和主磁场生成线圈12，它们典型地是低温掩蔽的(cryoshrouded)超导线圈。磁场梯度线圈30被使用来生成横向梯度，诸如在x-y平面上的梯度。附加的z梯度线圈(图1A和1B上未示出)提供沿纵向或z方向的磁场梯度。

主磁场生成线圈12生成时间上静止的和基本上均匀的主B₀磁场，其通常定向为图1A和1B的笛卡尔坐标系中的z方向。射频线圈28被选择地供应能量，在成像容积16中激励磁共振。磁场梯度线圈30被选择地供应能量，在成像容积16中产生一个或多个选择的磁场梯度，以空间地编码磁共振。磁共振信号由梯度场产生并且空间地编码。磁共振信号由射频线圈28或由另一个线圈接收，以及通过使用基于傅立叶变换的重建算法、基于滤波的后投影重建、或另一个适当的重建算法而被重建。重建的图像被显示、打印、存储或另外地被利用。

射频线圈28在所显示的实施例中是非对称线圈或具有基本上平坦的下面部分28₁和圆弧形的上面部分28₂的线圈阵列。射频线圈28的下面和上面部分28₁，28₂适合于腔的非对称性，和使得线圈28能够布置成靠近成像容积16。适当的非对称射频线圈例如在Overweg等的美国专利No.6,462,636中和在Leussler的国际公布号WO 02/095435 A1中加以描述。替换地，可以利用诸如圆柱形鸟笼式线圈那样的对称线圈。而且，局部线圈可以结合或替代整体射频线圈28被使用。在一个实施例中，例如整体线圈28被使用来激励磁共振，以及一个或多个局部接收线圈被使用来接收磁共振信号。

通过继续参考图1A和1B和进一步参考图2，磁场梯度线圈30的机械线圈支架被划分成上面部分40和下面部分42。上面部分40具有沿纵向(即，在使用图1A，1B和2的笛卡尔坐标系的水平腔磁体的情形下沿z方向)的长度L_upper。下面部分42具有大于上面部分40的纵向长度L_upper的长度L_lower。上面和下面部分40，42协作地限定其中的线圈腔44。

线圈支架的上面部分40具有横截于纵向的弧形曲率C_upper(图2上由弯曲的双头箭头表示)，以及在纵向基本上无曲率，虽然它可以向外端张开。上面部分40限定外表面50和内部的线圈腔限定的表面52。线圈支架的下面部分42还限定外表面54和内部的线圈腔限定的表面56。下面部分42的外表面54具有与上面部分40的弧形曲率C_upper基本上相同的曲率，这样，梯度线圈30的外表面50、54具有圆形、椭圆形、或其它平滑的截面。然而，下面部分42的内部的线圈腔限定的表面56是更平坦的，例如与病人平板架22的下表面56是保形的(conformal)，使得与下表面56具有弧形曲率C_upper的情况中的情形相比，该下表面56被放置成更加靠近成像容积16。所显示的线圈30具有相对于平行于y-z平面的对称平面58(线圈对称平面58被标记在图1B上)的左右对称性。

虽然下面部分42的内部线圈腔限定的表面56是基本上平坦的，但它可以具有某一曲率，如图1B和2所示，然而该曲率大大地小于上面部分40的弧形曲率C_upper。在另一个实施例中，内部的线圈腔限定的表面56具有弧形曲率C_upper，这样，线圈的内部线圈腔限定的表面56具有圆形、椭圆形、或其它平滑的截面。弧形的上面部分40的上表面和下表面50、52通过一个张开的(flared)连接面60进行连接，该连接面具有相对于线圈腔限定的表面52的、除90°之外的角度。在所显示的实施例中，张开的连接面60相对于线圈腔限定的表面52具有约45°的角度。下面部分50的上表面和下表面54、56通过一个连接面62进行连接，该连接面具有相对于线圈腔限定的表面56的90°的角度。所显示的实施例使用用于弧形上面部分40的张开的连接面60并且易于使得扫描仪腔在腔的末端附近向外张开。这样的张开还可通过使得扫描仪腔似乎更“开放”而减小病人幽闭恐怖感，因此可以改进接入。然而，也打算为两个部分都使用正交连接面，或为两个部分都使用张开的连接面，或为上面部分使用正交连接面而为下面部分使用张开的连接面。

继续参考图1A、1B和2，以及进一步参考图3，磁场梯度线圈30包括线圈绕组。具体地，初级线圈绕组70、72分别被布置在上面部分和下面部分40、42的线圈腔限定的表面52、56上。屏蔽线圈绕组74、76分别被布置在上面部分和下面部分40、42的外表面50、54上。被布置在上面部分40上的初级和屏蔽绕组70、74在纵向分布上被限制到上面部分40的纵向长度L_uuper。被布置在下面部分42上的初级和屏蔽绕组72、76被纵向分布为基本跨下面部分42的纵向长度L_lower。各个初级绕组70、74中的至少某些可以通过位于张开的连接面60上的场生成导线而被连接到某些屏蔽绕组72、76。

虽然线圈绕组70、72、74、76被描述为被布置在线圈支架上面部分和下面部分40、42的外部和内部线圈腔限定的表面上，但将会意识到，这些绕组可以用树脂或环氧树脂封装或密封，可以用电介质外罩覆盖或密封，等等。在诸如垂直和水平横向梯度绕组那样的一个以上的梯度绕组被布置在同一个表面的情形下，电介质外罩或其它绝缘分隔器被适当地布置在垂直和水平绕组之间，以确保电绝缘。而且，打算把某些或所有的绕组布置在线圈支架内。再者，虽然在显示的实施例中，初级和屏蔽绕组被包括在单个线圈支架上，但也打算省略该屏蔽绕组或者把该屏蔽绕组移到分开的线圈支架上。

初级线圈绕组70、72被串联地或以另外的电构形被电连接，以限定一个或多个横向梯度线圈，这样当加上能量时，在由主磁场生成线圈12产生的主B₀磁场上加上一个或多个横向梯度。屏蔽绕组74通过连接导线80而与在张开的连接面60上的相应的初级绕组70相连接。同样地，下面部分42的初级和屏蔽绕组72、76通过连接导线82而被连接到连接面62，使得给初级线圈70、72加上能量便也给屏蔽线圈74、76加上能量，从而在扫描仪成像容积16中产生磁场梯度，在梯度线圈30的外面只产生有限的杂散磁场。

与被限于线圈支架上面部分40的纵向长度L_upper的、上部线圈绕组70、74的分布的纵向长度相比较，基本上与线圈支架下面部分42的纵向长度L_lower同延地分布的、下部线圈绕组72、76的分布的更大纵向长度具有某些优点。在伸展的长度部分72、76中的鞍形线圈的回路导线远离梯度线圈的工作容积，并且产生较小的与想要的梯度场相反的较小的场。对于在一定的工作电流下某个梯度强度所需要的匝数因此可以减小。这减小了在导线处的磁场且从而减小线圈的总的磁储存能量。与恒定长度的短的梯度圆柱形线圈相比较，这种储存能量的减小可以是2-4倍。线圈30的上面部分被限于线圈支架的上面部分40的纵向长度L_upper。在所显示的实施例中，纵向长度L_upper基本上等于磁体腔14的腔长度L_bore。梯度线圈30因此正好适配于外壳10的上面部分，如图1A所示。线圈30的下面部分42的较长纵向长度L_lower易于被布置在成像容积16下面的纵向较长的成像对象支撑部分20所容纳，该支撑部分具有长度L_suppot＞L_bore。

磁梯度场生成绕组的纵向伸展对于其中磁体腔14的截面与腔长度L_bore是大约相同的尺寸或大于它的尺寸的扫描仪特别有利。在这样的短腔结构中，因为短的梯度线圈的固有低效率，很难生成强的和快速切换的梯度场。下面部分42的纵向长度L_lower典型地延伸到超过磁体腔14的长度L_bore。在具有较长腔的扫描仪中，减小梯度线圈的上面部分的长度以便增加系统的开放性可能是有利的。具有增加的下面长度的梯度线圈对于仅仅头部的扫描仪也可能是有用的，这里梯度线圈的直径如此之小，以致病人的肩部不适合于该腔。

磁场梯度线圈30在垂直方向或y方向是非对称的，在纵向上在顶部比在底部短。这种垂直的非均匀性会引入在垂直方向上的梯度的非均匀性。这样的梯度的非均匀性通过使用被布置在线圈支架的较短弧形上面部分40上的线圈绕组70、74的相对较高绕组密度和被布置在线圈支架的较长下面部分42上的线圈绕组72、76的相对较低绕组密度而被适当地补偿。具体地参照图1B，在用于提高磁场梯度线圈30效率的再一个方法中，绕组70、72、74、76被设计成产生相对于成像容积16被垂直向上移位的、垂直(y)磁场梯度的零点86(图1B上用十字叉表示的)。也就是，梯度线圈绕组70、72、74、76被设计成在通过零点86的水平平面上提供该场的零z分量，该零点在扫描仪成像容积16的几何中心的上方。通过移动零点86来相对更加接近于短的上面部分40和相对更加远离长的下面部分42，梯度线圈30的上面部分40的相对贡献，以及因而是线圈的这个部分对于总的磁储存能量的贡献被进一步减小。线圈30的更有效的下面部分42必须生成更多的场，但零场平面的移动的总的效果是线圈的效率的提高。

在设计线圈绕组70、72、74、76时，包括在顶部处相对底部使用更高密度的绕组和/或垂直地向上移动零点的、以上技术的任何组合，可以在有限元模型最佳化期间或线圈绕组70、72、74、76的其它设计中被使用。在设计线圈绕组70、72、74、76时，线圈支架的上面部分和下面部分40、42的物理的几何形状和尺度也被输入到有限元模型最佳化或其它设计最佳化。

通过使用在G.N.Peeren，“Stream function approach fordetermining optimal surface currents”，Journal of ComputationalPhysics，vol.191，No.1，pp.305-321(2003)中描述的方法，可以对于磁场梯度线圈30进行仿真。示例的仿真参数包括0.7的内部梯度线圈绕组的长度-直径比，这适用于具有小于1的磁体腔长度/直径比(在图1A和1B上的L_bore/D_bore)的短腔磁共振成像扫描仪。仿真的垂直横向梯度通道的储存能量约为2焦耳，以及仿真的水平横向梯度通道的储存能量约为4焦耳。这些仿真结果是对线圈30而言，其中下部纵向长度L_lower大于上部纵向长度L_upper。为了比较起见，当线圈仿真通过减小L_lower到等于L_upper和设置线圈的内部形状为圆柱形而进行修改时，对于垂直和水平两个通道，仿真的横向梯度通道的储存能量增加到约7焦耳。

参照图4，在另一个实施例中，适当地包括线圈支架40、42的磁场梯度线圈100具有第一梯度线圈组102、104，被安排成产生第一磁场梯度106。线圈100还具有第二梯度线圈组112、114，被安排成产生第二磁场梯度116。第一磁场梯度106被定向为相对于左右对称的线圈支架40、42的对称平面58的45°角。同样地，第二磁场梯度116也被定向为相对于该对称平面58的45°角。磁场梯度106、116是互相横截的。

图4的实施例有利地具有相对于左右对称平面58对称地取向的两个横向磁场梯度106、116。结果，在仿真中，两个磁场梯度106、116的每个磁场梯度的储存能量是相同的，具体地对于包括0.7的长度-直径比的示例性仿真参数，约为3.3焦耳。

图2和3的比较结果表明，第一梯度线圈组的线圈102和第二线圈组的线圈112被布置在线圈支架的上面部分40的内部线圈腔限定的表面52上。也就是，对于生成对称的横向梯度106、116的实施例，这些线圈是初级线圈绕组70的一部分。另一方面，第一梯度线圈组的线圈104和第二线圈组的线圈114被布置在线圈支架的上面部分和下面部分40、42的内部线圈腔限定的表面52，56上。也就是，对于利用对称横向梯度106、116的实施例，线圈104、114是初级线圈绕组70、72的一部分。

虽然在这里描述了水平腔扫描仪，但通过重新取向线圈以使得纵向(相应于水平扫描仪中的z方向)被取向为垂直方向，磁场梯度线圈30、100便易于适合于在垂直磁扫描仪中使用。

本发明是参照优选实施例进行描述的。显然，在阅读和了解前面的详细说明后其它人可以想到修改和改变。旨在使本发明被看作为包括属于所附权利要求及其等价物范围的所有的这样的修改和改变。