用于磁共振成像设备的螺旋梯度线圈 |
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| 申请号 | CN201210189810.7 | 申请日 | 2012-05-31 | 公开(公告)号 | CN102967835B | 公开(公告)日 | 2017-07-04 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | T·霍利斯; 谭凤顺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 梯度线圈 ，其包括由第一层线圈，第一层线圈的多 匝 导线 从圆柱形 基板 的一周缘以第一螺旋方向沿着基板的内 侧壁 螺旋地行进到另一周缘并穿过基板继续从所穿出的 位置 以第二螺旋方向沿着基板的外侧壁螺旋地行进到所述一周缘，从而使得第一层线圈的每匝导线均围绕基板的侧壁环绕一周并包括沿着内侧壁盘绕的第一部分和沿着外侧壁盘绕的第二部分；以及第二层线圈，第二层线圈的每匝导线均围绕圆柱形基板的侧壁环绕一周并包括沿着内侧壁以第二螺旋 方向盘 绕的第一部分和沿着外侧壁以第一螺旋方向盘绕的第二部分，其中，第一层线圈和第二层线圈的每匝导线的第一部分所对应的方位 角 大于第二部分所对应的方位角。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种梯度线圈，包括： |
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| 说明书全文 | 用于磁共振成像设备的螺旋梯度线圈技术领域[0001] 本发明总体上涉及磁共振成像领域，具体地涉及一种用于磁共振成像设备的梯度线圈。 背景技术[0002] 磁共振成像(MRI，Magnetic resonance imaging)设备的梯度(gradient)线圈提供快速变化的线性场梯度。设计者一直追求用以在梯度线圈电源兼容性和成本这些约束下提高梯度线圈的效率并且同时试图使扫描孔(bore)直径和开口最大化而长度最小化的方法。 [0004] 根据法拉第定律，时变的磁场感应出电场E，并且该电场继而在导电结构中感应出电流。这可以导致周围神经刺激(PNS，peripheral nerve stimulation)以及会威胁生命的非常痛苦的心脏纤维颤动。 [0005] 在现有技术中，某些梯度线圈几何结构可以改进某些方面的性能或减小声学噪声，但这些几何结构通常更加难以制造或损害其它方面的性能。 [0006] 在美国专利US5,561,371中描述了一种折叠梯度线圈，其通过将返回时的线弧折叠在前面的线弧上面，能够减小线圈的长度并改进横向梯度线圈的性能。但是，这样的线圈制造起来是困难的，并且需要在主线圈各匝和屏蔽线圈各匝相对应地具有多个接头，并且可能导致可靠性问题。而且，将非常难以用中空的导体来构造这种类型的线圈。 [0007] 在美国专利US5,554,929中描述了一种月牙形梯度线圈，其非常紧凑且很安静。但是这种线圈必须保证主线圈和屏蔽线圈中具有相同的匝数，从而使得这种线圈不可避免地被过度屏蔽，从而导致与磁体之间有害的相互作用。 [0008] 在Blaine A.Chronik、Andrew Alejski和Brian K.Rutt的“Design and Fabrication of a Three-Axis Edge ROU Head and Neck Gradient Coil”，MRM，44：955-963(2000)中描述了一种不对称梯度线圈。不对称的几何结构可以使得成像区更接近梯度线圈的一端，但是缺乏对称性会导致包括不必要的电磁耦合和作用于线圈的扭矩在内的许多挑战。 [0009] 在另一美国专利US6921042B1中描述了一种双螺旋磁体以及产生多极场的可能性。同心倾斜的双螺旋磁体通过在芯上缠绕完全倾斜的导线而获得。另一美国专利US788904B2描述了利用变化的导线宽度来实施上述双螺旋磁体的具体实施方式。然而，虽然利用这样的配置来制造四极场是可能的，但是这样在单个芯上的完全缠绕导致具有较长的长度和较高的阻抗的几何结构。 发明内容[0010] 因此，需要一种新的梯度线圈几何结构，其可以改进梯度线圈的性能，允许扫描孔(bore)的增大的直径和/或开口。减小声学噪声并减小导致PNS的倾向性，而并不增加制造成本、妨碍空心导线的使用或损害其它方面的性能。 [0011] 为了解决上述问题中的一个或多个，本发明提供一种梯度线圈，其包括： [0012] 由第一多匝导线组成的第一层线圈，所述第一多匝导线以基本平行的轨迹从圆柱形基板的上周缘和下周缘中的一个以第一螺旋方向沿着所述圆柱形基板的内侧壁螺旋地行进到上周缘和下周缘中的另一个并穿过所述基板从所穿出的位置以第二螺旋方向沿着所述圆柱形基板的外侧壁螺旋地行进到所述上周缘和下周缘中的所述一个，从而使得所述第一多匝导线中的每匝导线均围绕所述圆柱形基板的侧壁环绕一周并且均包括沿着所述内侧壁盘绕的第一部分和沿着所述外侧壁盘绕的第二部分；以及 [0013] 由第二多匝导线组成的第二层线圈，所述第二多匝导线以基本平行的轨迹从圆柱形基板的上周缘和下周缘中的一个以第二螺旋方向沿着所述圆柱形基板的内侧壁螺旋地行进到上周缘和下周缘中的另一个并穿过所述基板从所穿出的位置以第一螺旋方向沿着所述圆柱形基板的外侧壁螺旋地行进到所述上周缘和下周缘中的所述一个，从而使得所述第二多匝导线中的每匝导线均围绕所述圆柱形基板的侧壁环绕一周并且均包括沿着所述内侧壁盘绕的第一部分和沿着所述外侧壁盘绕的第二部分， [0014] 其中，所述第一多匝导线和所述第二多匝导线中每匝导线的第一部分所对应的方位角大于第二部分所对应的方位角。 [0015] 根据本发明的一个实施例，所述第一多匝导线和所述第二多匝导线中每匝导线的第一部分组成所述梯度线圈的主线圈，并且所述第一多匝导线和所述第二多匝导线中每匝导线的第二部分组成所述梯度线圈的屏蔽线圈。 [0016] 根据本发明的一个实施例，所述第一螺旋方向和第二螺旋方向相反。 [0017] 根据本发明的一个实施例，所述第一螺旋方向为左旋方向，而第二螺旋方向为右旋方向。 [0018] 根据本发明的一个实施例，所述第一螺旋方向为右旋方向，而第二螺旋方向为左旋方向。 [0019] 根据本发明的一个实施例，所述第一多匝导线和所述第二多匝导线中每匝导线的第二部分穿过基板连接到下一匝导线的第一部分。 [0020] 根据本发明的一个实施例，所述第一层线圈的电流方向与所述第二层线圈的电流方向相同。 [0021] 根据本发明的一个实施例，所述第一层线圈的电流方向和所述第二层线圈的电流方向均为逆时针方向。 [0022] 根据本发明的一个实施例，所述第一层线圈的电流方向和所述第二层线圈的电流方向均为顺时针方向。 [0023] 根据本发明的一个实施例，所述第一多匝导线中各匝导线的第一部分与所述第二多匝导线中各匝导线的第一部分在所述基板的内侧壁上相互交叉成网状，并且所述第一多匝导线中各匝导线的第二部分与所述第二多匝导线中各匝导线的第二部分在所述基板的外侧壁上相互交叉成网状。 [0024] 根据本发明的一个实施例，所述第一层线圈和所述第二层线圈被配置为使得所述主线圈和所述屏蔽线圈在所述基板的轴向上的电流分量基本为零。 [0025] 根据本发明的一个实施例，所述第一层线圈和所述第二层线圈被配置为使得所述主线圈和所述屏蔽线圈在所述基板的侧壁的圆周方向上的电流分量使泄露场最小化。 [0026] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈是X梯度线圈。 [0027] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈是Y梯度线圈。 [0028] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈是Z梯度线圈。 [0029] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈还包括中性垫片，所述垫片与第一或第二层线圈在同一平面内，并且被插入平行于第一或第二层线圈的导线的螺旋形轨迹中。 [0030] 根据本发明的一个实施例，用于中性垫片的插槽在主线圈和屏蔽线圈之间延伸。 [0031] 根据本发明的一个实施例，低阶中性垫片位于梯度线圈的末端。 [0032] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈与传统的Golay绕组或Crescent线圈相结合地使用。 [0033] 根据本发明的一个实施例，在第一和第二层线圈之间横跨有导线，或者在第一和第二层线圈之间形成有电连接。 [0034] 根据本发明的一个实施例，在基板的端部中切割有插槽，以使得梯度线圈的某些导线无法到达端部。 [0035] 根据本发明的一个实施例，在基板的端部中形成有开孔，以容纳患者的肩部。 [0036] 根据本发明的一个实施例，选择梯度线圈的一些导线，以使得这些导线能够被切换或改变极性以改变视场的尺寸、形状或位置。 [0037] 根据本发明的一个实施例，选择梯度线圈的一些导线以使得这些导线能够被并行驱动。 [0038] 根据本发明的一个实施例，基板被细分，以使得多个梯度线圈沿着基板的长度方向被串联地布置。 [0039] 根据本发明的一个实施例，梯度线圈的导线是单根导体、多根导体、中空导体或由金属板经机械加工而成。 [0040] 根据本发明的一个实施例，梯度线圈的导线由导电材料制造而成。 [0042] 根据本发明的一个实施例，梯度线圈的导线由高温或低温超导材料缠绕而成。 [0043] 根据本发明的一个实施例，所述梯度线圈还包括位于梯度线圈的导线之间、以螺旋配置缠绕的冷却管。 [0044] 根据本发明的另一方面，提供一种MR设备，其包括： [0045] 如上面所述的梯度线圈那样的X梯度线圈；以及 [0046] 如上面所述的梯度线圈那样的Y梯度线圈。 [0047] 根据本发明的一个实施例，所述Y梯度线圈与所述X梯度线圈共享同一个基板，并且其中所述Y梯度线圈的导线与所述X梯度线圈的导线相互交错。 [0048] 根据本发明的一个实施例，所述MR设备还包括同样如上面所述的梯度线圈那样的Z梯度线圈。 [0049] 根据本发明的一个实施例，Z梯度线圈被封装在或被部分封装在X梯度线圈和Y梯度线圈的内部。 [0050] 根据本发明的一个实施例，所述MR设备还包括被封装在或被部分封装在X梯度线圈和Y梯度线圈的内部的室温垫片线圈。 [0051] 根据本发明的一个实施例，X和Y梯度线圈具有关于XY平面不对称的几何形状。 [0052] 根据本发明的一个实施例，所述MR设备还包括中央部分凸出以减少幽闭恐惧症或者允许RF线圈或其它成像设备的安装的扫描孔。 [0053] 根据本发明的一个实施例，所述其它成像设备包括PET扫描仪或者聚焦超声设备。 [0054] 根据本发明的一个实施例，所述MR设备还包括具有锥形入口以增大开口的扫描孔。 [0055] 根据本发明的一个实施例，所述MR设备还包括扫描孔，其是卵形的，或者其底部是卵形的或者是平的，以使得MR设备的病床下的导线更靠近视场。 [0056] 本发明将螺旋式几何结构用于梯度线圈，并使用双层的螺旋线圈，使得电流的z分量(沿基板轴向的电流分量)在两层之间被抵消。利用本发明，通过在主线圈和屏蔽线圈之间改变电流矢量的phi分量(沿基板侧壁的圆周方向的电流分量)，可以使泄露场最小化，从而改进了梯度线圈的性能。由于主线圈的弧所对的方位角大于屏蔽线圈的弧所对的方位角，本发明的梯度线圈具有减小的尺寸、减小的声学噪声并可以减小发生PNS的可能性。另外，本发明可适用于对称头梯度设计。附图说明 [0057] 为了更透彻地理解本公开的内容，下面参考结合附图所进行的下列描述，在附图中： [0058] 图1是示出根据本发明的一个实施例的梯度线圈的单匝导线的示意图； [0059] 图2是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的里面部分的示意图； [0060] 图3是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的第一半的完整缠绕的示意图； [0061] 图4是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的第二半的完整缠绕的示意图； [0062] 图5是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的完整缠绕的示意图； [0063] 图6是示出根据本发明的一个实施例的第一和第二层线圈的交叉部分的示意图；以及 [0064] 图7是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的第一半的里面部分以及第二层线圈的第二多匝导线的第一半的里面部分的示意图。 [0065] 图8是示出根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的第一半的完整缠绕以及第二层线圈的第二多匝导线的第一半的完整缠绕的示意图。 [0066] 图9是示出根据本发明的一个实施例的相互交错的X线圈和Y线圈的第一层线圈的第一多匝导线的里面部分的示意图。 [0067] 图10示出具有根据本发明的螺旋梯度线圈的锥形扫描孔配置。 [0068] 图11示意性地示出根据本发明的螺旋梯度线圈与crescent线圈相结合使用的一个实施例。 具体实施方式[0069] 下面将详细描述本发明的具体实施例，但本发明并不限于下述具体实施例。 [0070] 图1示出了根据本发明的一个实施例的梯度线圈的单匝导线的示意图。如图1所示，该匝导线从梯度线圈的圆柱形基板的上周缘上的点A起沿着基板的内侧壁以相对于A点的左旋方向螺旋地行进到下周缘上的点B，并在点B穿过基板的内侧壁到外侧壁，继续沿着外侧壁以相对于A点的右旋方向螺旋地行进到圆柱形基板的上周缘上的点C。图中的箭头方向代表盘绕方向。从点A沿导线的盘绕方向到点C所对应的方位角大约为360度。从而，该匝导线围绕圆柱形基板的侧壁环绕了一周。如图1所示，沿着基板内侧壁的导线部分AB所对应的方位角大于沿着基板的外侧壁的导线部分BC所对应的方位角。换而言之，导线部分BC所对应的方位角小于180度。在以上说明中，以相对于A点左旋的导线部分AB和相对于A点右旋的导线部分BC为例进行了说明。在替换实施例中，也可以使导线部分AB为右旋而导线部分BC为左旋。另外，以上以从上周缘上的某点起开始盘绕为例，但是可以理解的是，也可以从下周缘上的某点起开始盘绕。 [0071] 在盘绕下一匝导线时，导线部分BC的端部C穿过基板侧壁到基板内侧壁上、下周缘上邻近A点的另一点D(如图1所示)。从D点起以与导线ABC基本平行的轨迹围绕基板的侧壁进行盘绕，从而形成又一匝导线。以上述方式围绕基板的侧壁盘绕多匝导线。这多匝导线的轨迹基本平行，它们沿着基板的内侧壁和外侧壁形成梯度线圈的第一层线圈。这多匝导线中的每匝导线均围绕圆柱形基板的侧壁环绕一周并且均包括沿着内侧壁盘绕的第一部分和沿着外侧壁盘绕的第二部分，并且第一部分所对应的方位角大于第二部分所对应的方位角。 [0072] 图2示出了第一和第二层线圈的里面部分的一个示例，其中为了清楚起见未示出基板。 [0073] 图3示出了第一层线圈的第一半的完全缠绕，其中为了清楚起见未示出基板。如图3所示，组成第一层主线圈的多匝导线从基板的下周缘以逆时针螺旋前进到上周缘，并且组成第一层屏蔽线圈的多匝导线继续沿着逆时针的方向从基板的下周缘螺旋前进到上周缘。 [0074] 图4示出第一层线圈的第二半的完全缠绕，其中为了清楚起见未示出基板。如图4所示，组成第一层主线圈的多匝导线从基板的下周缘以逆时针螺旋前进到上周缘，并且组成第一层屏蔽线圈的多匝导线继续沿着逆时针的方向从基板的下周缘螺旋前进到上周缘。 [0075] 图5示出第一层线圈的完全缠绕，其中为了清楚起见未示出基板。 [0076] 上面针对第一层螺旋线圈进行了说明。在本发明中，引入了两层螺旋线圈。第二层螺旋线圈也由多匝导线组成，这多匝导线的各匝导线以基本平行的轨迹围绕基板的侧壁盘绕一周。与第一层螺旋线圈相似，第二层螺旋线圈的每匝导线同样包括沿着基板的内侧壁螺旋地从基板的一个周缘前进到另一周缘的第一部分以及沿着基板的外侧壁从所述另一周缘前进到所述一个周缘的第二部分，并且第一部分所对应的方位角大于第二部分所对应的方位角。与第一层螺旋线圈不同的是，第二层螺旋线圈的每匝导线的第一部分在基板内侧壁上进行盘绕时的螺旋方向与第一层螺旋线圈的每匝导线的第一部分的螺旋方向相反，并且第二层螺旋线圈的每匝导线的第二部分在基板外侧壁上进行盘绕时的螺旋方向与第一层螺旋线圈的每匝导线的第二部分的螺旋方向也相反，从而使得第一层螺旋线圈的各匝导线的第一部分与第二层螺旋线圈的各匝导线的第一部分在基板的内侧壁上相互交叉成网状，并且第一层螺旋线圈的各匝导线的第二部分与第二层螺旋线圈的各匝导线的第二部分在基板的外侧壁上也相互交叉成网状。例如，如果第一层螺旋线圈的各匝导线的第一部分是左旋的且第二部分是右旋的，则第二层螺旋线圈的各匝导线的第一部分是右旋的且第二部分是左旋的。 [0077] 图6示出了第一和第二层螺旋线圈的交叉部分的一个示例，其中为了清楚起见未示出基板。组成第二层螺旋线圈的多匝导线中各匝导线的沿着内侧壁盘绕的第一部分形成第二层主线圈，而各匝导线的沿着外侧壁盘绕的第二部分形成第二层屏蔽线圈。 [0078] 图7示出了第一层线圈的第一多匝导线的第一半的里面部分以及第二层线圈的第二多匝导线的第一半的里面部分。由图7可以看出，由于第一层螺旋线圈和第二层螺旋线圈的各匝导线的第一部分的螺旋方向相反，因此，第一层主线圈的各导线与第二层主线圈的各导线交织成网状。如果第一层螺旋线圈和第二层螺旋线圈的电流方向相同，即均为逆时针或顺时针方向，则第一层主线圈的每个导线和第二层主线圈的导线的电流矢量在Z方向(即基板的轴向方向)上的分量可以部分或完全相互抵消。通过调节每个导线的轨迹方向和/或电流大小，可以使得第一层主线圈和第二层主线圈的电流在Z方向上的分量为零。另外，通过调节每个导线的轨迹方向和/或电流大小，还可以调节第一层主线圈和第二层主线圈的电流在方位角方向(即基板侧壁的圆周方向)上的分量，以使得泄露场最小化。 [0079] 图8示出了根据本发明的一个实施例的第一层线圈的第一多匝导线的第一半的完全缠绕以及第二层线圈的第二多匝导线的第一半的完全缠绕的示意图，其中为了清楚起见未示出基板。与第一和第二层主线圈相似，由于第一层螺旋线圈和第二层螺旋线圈的各匝导线的第二部分的螺旋方向相反，因此，第一层屏蔽线圈的各导线与第二层屏蔽线圈的各导线交织成网状。相似地，可以通过调节每个导线的轨迹方向和/或电流大小来使得第一层屏蔽线圈和第二层屏蔽线圈的电流在Z方向上的分量为零，并且使得泄露场最小化。由于屏蔽线圈的各导线在基板侧壁的圆周方向上所对应的角度小于180度，因此它们比主线圈的各导线具有更小的在圆周方向上的电流分量，这使得能够实现非常好的屏蔽性能。 [0080] 在本发明的一个实施例中，梯度线圈还包括中性垫片，所述垫片与第一和/或第二层线圈在同一平面内，并且被插入平行于第一或第二层线圈的导线的螺旋形轨迹中，其中低阶中性垫片位于梯度线圈的末端。用于中性垫片的插槽在主线圈(里线圈)和屏蔽线圈(返回的外线圈)之间延伸。 [0081] 在本发明的一个实施例中，基板被细分，以使得多个梯度线圈可以沿着基板的长度方向被串联地布置，这对于某些应用来说可能是有益的。在本发明的另一实施例中，在第一和第二层线圈之间横跨有导线，或者在第一和第二层线圈之间形成有电连接。 [0082] 根据本发明的一个实施例，梯度线圈的导线是单根导体、多根导体、中空导体或由金属板经机械加工而成。根据本发明的另一实施例，梯度线圈的导线由导电材料制造而成，所述导电材料诸如铜、铝或者包括铜或铝的合金。在又一实施例中，梯度线圈的导线由高温或低温超导材料缠绕而成。 [0083] 根据本发明的一个实施例，可以选择梯度线圈的一些导线，以使得这些导线能够被切换或改变极性以改变视场的尺寸、形状或位置。在另一实施例中，选择梯度线圈的一些导线以使得这些导线能够被并行驱动。 [0084] 在本发明的一个实施例中，在基板的端部中切割有插槽，以使得梯度线圈的某些导线在到达端部之前就从主线圈过渡到屏蔽线圈，这可以提高线圈的效率。在另一实施例中，在基板的端部中形成有开孔，以容纳患者的肩部。 [0085] 在本发明的一个实施例中，梯度线圈还包括位于梯度线圈的导线之间、以螺旋配置缠绕的冷却管。 [0086] 如上所述的梯度线圈可以与传统的Golay绕组或Crescent线圈相结合地使用(如图11所示)。 [0087] 根据本发明，主线圈和屏蔽线圈的各匝导线都被盘绕成螺旋状，并且这两个螺旋在梯度线圈的末端结合在一起。主线圈和屏蔽线圈上的各匝导线的电流矢量因此具有方位角分量和Z分量。通过使用双层螺旋线圈，在主线圈和屏蔽线圈的层之间电流的Z分量可以被抵消。通过在主线圈和屏蔽线圈之间改变电流矢量的方位角分量，能够使泄露场最小化。主要地，主线圈的弧所对的方位角大于屏蔽线圈的弧所对的方位角，从而导致该设计具有显著改进的性能、减小的物理大小，并且其制造出的声学噪声较小并减小导致PNS的倾向性。 [0088] 初步研究表明，本发明的螺旋线圈具有显著减小的物理尺寸以及提高的性能，并且与传统线圈相比，预期其产生较小的振动和声学噪声。该螺旋几何结构有助于导致比传统的折叠梯度几何结构少得多的焊接点，由此减小制造成本并提高可靠性。 [0089] 一般地，MR设备包括X线圈、Y线圈和Z线圈。根据本发明的一个实施例，X线圈和Y线圈的导线均以上面所述的螺旋方式被缠绕。X线圈除了几何形状是Y线圈旋转90度之外其它与Y线圈完全一样，如图 9可以看出的。因此可以将X梯度线圈的导线嵌在Y梯度线圈的导线的缝隙中，以使得它们占用相同的径向空间。这避免了要为X梯度线圈和Y梯度线圈分别准备基板的需要。也就是说，Y梯度线圈与X梯度线圈共用一个相同的基板，其中Y梯度线圈的导线与X梯度线圈的导线相互交错。在本发明的一个实施例中，X梯度线圈和Y梯度线圈具有关于XY平面不对称的几何结构。通过调整第一和第二层线圈的交叉导线之间所形成的角度以及电流的幅度，可以在X轴和Y轴上获得合适的磁梯度场。图9示出如上所述共用一个相同的基板(未示出)的X梯度线圈和Y梯度线圈的第一层的第一多匝导线的里面部分。在本发明的一个实施例中，MR设备的Z梯度线圈也是如前面所述的螺旋梯度线圈。可选地，Z梯度线圈可以被封装或部分封装在X和Y梯度线圈的内部，并且可能不与X和Y梯度线圈共用相同的基板。 [0090] 这些线圈的配置使得MR设备的扫描孔的中央部分可以凸出，以减少幽闭恐惧症或者允许RF线圈或诸如PET扫描仪或者聚焦超声设备的其它成像设备的安装。 [0091] 在本发明的一个实施例中，MR设备的扫描孔是非圆柱状的，例如是卵形的，或者扫描孔的底部是卵形的或是平的，以使得MR设备的病床下的导线更靠近视场，以便提高线圈的效率。 [0092] 在本发明的一个实施例中，梯度线圈的扫描孔具有锥形入口以增大开口，如图10所示。 |
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