具有梯度線圈系統及導電結構的磁共振裝置的製作方法

2023-10-05 19:49:44

專利名稱：具有梯度線圈系統及導電結構的磁共振裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁共振裝置。
背景技術：
磁共振技術是用於獲得被檢查對象體內圖像的公知技術。其中，在磁共振裝置中，將由基本磁場磁鐵系統產生的靜態基本磁場與由梯度線圈系統產生的、快速接通的梯度磁場相疊加。此外，該磁共振裝置還包括一個高頻系統，它為了觸發磁共振信號而將高頻信號射入被檢查對象，並接收所產生的磁共振信號，在此基礎上產生磁共振圖像。
梯度線圈系統通常包括三個梯度線圈。其中一個梯度線圈對於一個確定的空間方向產生一個梯度磁場，在所希望的理想情況下，至少在一個成像空間內只具有一個與基本磁場共線的主磁場分量。其中，該主磁場分量具有一個可預先給定的主梯度，它在所希望的理想情況下，在各任意時刻至少在成像空間內具有與地點無關的相等的值。因為梯度磁場是隨時間變化的磁場，儘管以上所述適用於任何時刻，但是從一個時刻到另一時刻之間主梯度的強度是可變化的。主梯度的方向通常通過梯度線圈的設計來預先確定地給出。
但根據麥克斯韋基本方程與希望的理想情況相反，不能構成具有僅通過該成像空間的上述主磁場分量的梯度線圈。在此情況下，對於主磁場分量來說，首先至少有一個垂直於該主磁場分量的、與其同時發生的伴隨磁場分量。
為了產生梯度磁場，在梯度線圈中需調節相應的電流。其中，所需電流的振幅值可以達到幾百A。電流的上升及下降速率(轉換速率)可達每秒幾百KA。為了供給電流，將該梯度線圈連接在一個受控的梯度放大器上。
所述梯度線圈系統通常被導電結構包圍，在其中通過接通的梯度磁場感應出渦流。這樣的導電結構例如是一個超導基本磁場磁鐵系統的真空箱和/或低溫板。由渦流產生的磁場是所不希望的，因為其在無反向控制措施的情況下會削弱梯度磁場，並使其隨時間變化的曲線發生畸變。這將損害磁共振圖像的質量。此外在超導基本磁場磁鐵系統部件中感應的渦流會起到使這些部件變熱的作用，以致要維持超導的正常運行就需要明顯提高冷卻功率。在具有永久磁鐵的基本磁場磁鐵系統中，由渦流引起的變熱將導致不希望的基本磁場特性的改變，此外，這種渦流甚至可以導致永久磁鐵的反覆磁化。
上述渦流磁場可以在一定程度上通過用梯度線圈的電流給定值進行相應的預畸變來補償。但通過這種預畸變僅能使在數學意義上近似於梯度磁場的渦流磁場得到補償，即該渦流磁場的變化曲線與所述梯度磁場的相同。公知的預畸變的功能原理例如被描述在US4585995及US4703275中。其中，預畸變的計算實質上基於這樣的知識，即渦流的激發和衰減可以通過一定數目具有不同時間常數的e函數來描述。
但由於渦流所建立的梯度磁場並不是均勻的，因此形成了附加的高次空間磁場畸變。為了對該磁場畸變作進一步的補償，首先使用有源(aktiv)的屏蔽梯度線圈。其中，一個屬於梯度線圈的屏蔽線圈通常具有較少的線圈數，並且它與梯度線圈是這樣連接的即在該屏蔽線圈中流過的電流與流經梯度線圈的電流相同，但方向相反。由於按照屏蔽線圈的導體結構，電流的流動僅能在相應於該導體結構的預先給定的固定路徑上被調節，因此使屏蔽線圈的補償作用受到限制。此外，屏蔽線圈施加它的補償功能並由此伴隨著磁共振裝置成像空間中梯度磁場的衰減，而這與梯度磁場接通的快慢無關。其中，尤其在梯度磁場的頻率很低時不要求屏蔽線圈的補償功能，因為一個接通的、頻率很低的梯度磁場不會引起渦流。

發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種改進的磁共振裝置，其中主要以成本合理的方式來控制接通梯度磁場所產生的不希望的後果。
本發明要解決的技術問題是通過權利要求1的對象來實現的。其有利的構型被描述在從屬權利要求中。
根據權利要求1，一種磁共振裝置具有以下特徵-一個梯度線圈系統，它具有至少一個用於產生梯度磁場的梯度線圈，以及一個導電結構，它是這樣布置及構成的-在磁共振裝置的成像空間以外的區域內使梯度磁場衰減，及-該導電結構的由梯度磁場通過感應效應引起的磁場至少在成像空間內與梯度磁場相似。
由此可為磁共振裝置構成一個梯度線圈系統，其中，可完全放棄屏蔽線圈。相對具有屏蔽線圈的梯度線圈系統這意味著在體積、重量及成本方面的顯著節省的趨向。在此情況下，接通梯度磁場所不希望的後果可以通過導電結構及開始部分所述的預畸變而得到完全控制。相對屏蔽線圈方案來說，具有導電結構的磁共振裝置的另一優點在於，該導電結構的作用僅被限制在隨時間改變的梯度磁場上，對於一個在長時間區段上最大可達到的梯度強度在時間上不變化的梯度磁場下不會減小。
在一個構成大致為空心圓柱形的梯度線圈系統中，所述導電結構以有利的構型構成約為桶殼形狀，並例如被設置在磁共振裝置的梯度線圈系統與基本磁場磁鐵系統之間。在此情況下，該結構的精確構造與梯度線圈的導體結構相關，並可通過數值優化方法精確地確定。
該結構的準確構型例如可用這種方式確定其中梯度線圈的導體結構是不可改變地預先確定的，並且從該結構的一個初始值出發，例如從作為理想的桶殼形狀的構型出發，來求得該結構的最佳構型。對此例如藉助一種有限元方法通過準靜態麥克斯韋方程來計算由梯度線圈中的電流造成的該結構中的渦流分布。其中，上述渦流分布將引起幹擾磁共振記錄的渦流磁場。此外將確定一種估值標準，例如一個在基本磁場方向上的、相應定向的渦流磁場的分量與由流經梯度線圈的電流在磁共振裝置的成像空間的邊緣所產生的梯度磁場的用比例因子規定的分量之間的均方差。這裡該比例因子描述梯度磁場的強度由於該導電結構的存在以及由此伴隨而來的渦流將以怎樣的係數減小。因此該比例因子譬如可作為一個常數被確定。
然後，為了獲得該結構的最佳構型，將該結構的幾何參數在可預先給定的界限中這樣變化即使該估值標準最小化或小於一個預定的閾值，所述預先給定的界限例如是由磁共振裝置的基本磁鐵磁場系統和/或被檢查對象成像空間和/或該結構的幾何可實施性來確定的。為此可使用公知的數值優化方法、如高斯-牛頓方法及其它方法，如在W.H.Press等人著的書「NumericalRecipes in C.The art of scientific computing」(「C語言數值方法，科學計算的藝術」)，劍橋大學出版社，1992年，第408至430頁中所描述的方法。對於估值標準的一個有意義的閾值例如為相對磁共振裝置的基本磁場幅值的3ppm，因為該閾值還體現人體與動物體內佔主要成分的脂肪和水的質子之間可區分的相對頻率差。
在另一優選方式中將確定該結構的幾何形狀，例如理想的桶殼形狀的構型，以及由此出發求得梯度線圈的導體結構。對此在導體結構的設計方法中也考慮了上述估值標準。例如由DE 197 26 332 A1公知了一種用於梯度線圈的導體結構的設計方法，其中，藉助於一個允許邊界條件的、可以最小化的目標函數這樣計算梯度線圈表面的電流分布即在預先給定的各點上，精確地或儘可能好地達到可由梯度線圈產生的梯度磁場的預定值。在該設計方法中對上述估值標準是這樣考慮的即對於該目標函數除其本身外，還將涉及梯度線圈的電感及損耗功率的標準附加到上述估值標準。在此情況下，可通過用一個加權係數對該估值標準加權，使由渦流磁場引起的剩餘幹擾受到控制。此外，在比例因子可變的情況可將其一起計算。
在另一優選方式中將上述兩個優選方式相組合。為此例如交替地使所述結構的幾何形狀與梯度線圈的導體結構相適配，然後使該導體結構與前面求得的所述結構的幾何形狀相適配。這裡幾何形狀適配後接著導體結構的適配具有其優點，由於根據本發明，對於優化來說，對所述結構的幾何形狀的適配比對導體結構的適配有更小的餘地，以及由於該結構對所有三個彼此不同的梯度線圈的剩餘幹擾通常須儘可能地小。在另一實施方式中，在組合中優選一種相應的組合，利用梯度線圈對所述結構直接實施非線性優化任務。
在一種有利的構型中，上述桶殼形狀結構的兩維彎曲幾何形狀可作為一個剛性無隆起(beulfreies)的構件集成在磁共振裝置的部件中，例如一個超導基本磁場磁鐵系統的真空箱中。
在一種有利的構型中，該結構配有一個用於冷卻該結構的冷卻裝置。由此可使由感應效應產生的熱量(尤其當該結構實質上為該磁共振裝置的獨立裝置部件時)能容易地散發。在此情況下，不需改變基本磁場磁鐵系統的敏感的溫度設置和溫度保持。


本發明的其它優點，特徵及細節可從以下參照附圖描述的實施方式中得到。附圖為圖1所示為一個具有桶殼形狀導電結構的磁共振裝置的縱截面圖；及圖2所示為一個具有超導基本磁場磁鐵系統的磁共振裝置的縱截面圖，其中桶殼形狀導電結構與之集成在一起。
具體實施例方式
圖1所示為作為本發明實施方式的具有桶殼形狀導電結構52的磁共振裝置的縱截面圖。為了至少在該裝置的成像空間12內產生均勻基本磁場，該裝置包括一個超導基本磁場磁鐵系統20。該系統包括一個空心圓柱形氦容器24，在該容器中設有超導線圈22，該超導線圈22由包圍它的液態氦相應地冷卻。其中氦容器24至少被一個低溫殼26包圍，該低溫殼起到使儘可能少的熱輻射侵入氦容器24的作用。這裡低溫殼26被一個空心圓柱形真空箱28包圍。
在真空箱28的圓柱形開口中設置有桶殼形狀的導電結構52、梯度線圈系統32及天線系統34。其中，梯度線圈系統32用於至少在成像空間12內產生隨時間變化的梯度磁場。利用天線系統34可以向一個放置在成像空間12中的檢查對象的待成像區域發射高頻信號，以激發磁共振信號，且該天線系統34接收所產生的磁共振信號，在此基礎上產生磁共振圖像。
為了產生梯度磁場，調節梯度線圈系統32的梯度線圈中的相應電流。該電流具有本文開始部分所述的預畸變。在此情況下對預畸變是這樣控制的即由一個梯度線圈的電流在結構52中感應的磁場與由梯度線圈產生的磁場一起，至少在成像空間12中產生一個梯度磁場，該梯度磁場具有所希望的隨時間變化的梯度強度曲線。由於結構52是這樣構成的，即所述磁場與由梯度線圈產生的磁場相似、特別是與其成正比，如果該梯度磁場至少在成像空間12內，則尤其在基本磁場的方向上不會畸變。這對於高質量的未畸變磁共振圖像是重要的。
結構52在基本磁場磁鐵系統20的方向上向外對由梯度線圈產生的磁場施加其屏蔽作用，以使在基本磁場磁鐵系統20中沒有渦流形成，並且不會使基本磁場磁鐵系統20產生不希望的發熱。
在磁共振裝置工作時，由於上述的感應效應，會使結構52變熱，因此在結構52中設置了一個冷卻裝置40，用於冷卻結構52。其中，該冷卻裝置40包括附設在結構52上的用於導入冷卻劑(如冷卻水)的冷卻導管42。為了使冷卻劑循環並將由冷卻劑在結構52上吸收的熱量散發出去，在冷卻導管42上連接了用於循環和熱交換的部件44。
圖2示出了作為本發明另一實施方式的磁共振裝置的縱截面圖，該磁共振裝置具有一個超導基本磁場磁鐵系統20a，它的真空箱28a在一個區域內構成桶殼形狀的導電結構52a。相對於圖1，該桶殼形狀的導電結構52a沒有圖1中的冷卻裝置40作為超導基本磁場磁鐵系統20a的組成部分被集成在真空箱28a中。相應地，結構52a的冷卻由基本磁場磁鐵系統20a一併承擔，對此需要相應的設置及操作。此外，對圖1中的描述在這裡也相應地適用。
權利要求
1.一種磁共振裝置，它具有如下特徵-一個梯度線圈系統(32)，它具有至少一個用於產生梯度磁場的梯度線圈，以及-一個導電結構(52，52a)，它是這樣布置及構成的-在該磁共振裝置的成像空間(12)以外的區域內，使梯度磁場衰減，以及-至少在該成像空間(12)以內，由梯度磁場通過感應效應引起的該結構(52，52a)的磁場與該梯度磁場相似。
2.如權利要求1所述的磁共振裝置，其中，所述結構(52，52a)是這樣布置及構成的即其磁場與梯度磁場成正比。
3.如權利要求1或2所述的磁共振裝置，其中，所述結構(52)配有一個用於冷卻該結構(52)的冷卻裝置(40)。
4.如權利要求3所述的磁共振裝置，其中，所述用於冷卻的冷卻裝置(40)是藉助於冷卻液冷卻的。
5.如權利要求1至4中任一項所述的磁共振裝置，其中，所述梯度線圈系統(32)的構成大致為空心圓柱形。
6.如權利要求5所述的磁共振裝置，其中，所述結構(52，52a)的構成大致為桶殼形狀。
7.如權利要求1至6中任一項所述的磁共振裝置，其中，所述磁共振裝置包括一個基本磁場磁鐵系統(20，20a)。
8.如權利要求7所述的磁共振裝置，其中，所述基本磁場磁鐵系統(20，20a)是作為超導基本磁場磁鐵系統(20，20a)構成的。
9.如權利要求7或8所述的磁共振裝置，其中，成像空間(12)以外的區域至少包括所述基本磁場磁鐵系統(20，20a)的一部分。
10.如權利要求7至9中任一項所述的磁共振裝置，其中，所述結構(52)至少部分地設置在梯度線圈系統(32)和基本磁場磁鐵系統(20)之間。
11.如權利要求7至10中任一項所述的磁共振裝置，其中，所述結構(52a)的一部分配置給梯度線圈系統(32)或基本磁場磁鐵系統(20a)。
12.如權利要求7至11中任一項所述的磁共振裝置，其中，至少所述基本磁場磁鐵系統(20a)的一部分被構成所述結構(52a)的至少一部分。
13.如權利要求1至12中任一項所述的磁共振裝置，其中，所述梯度線圈系統包括一個導體結構，該導體結構的構型適配於導電結構的構型。
全文摘要
一種磁共振裝置,它具有如下特徵:一個梯度線圈系統(32),它具有至少一個用於產生梯度磁場的梯度線圈,以及一個導電結構(52,52a),它是這樣布置及構成的:在該磁共振裝置的成像空間(12)以外的區域內,使梯度磁場衰減,以及至少在該成像空間(12)以內,由梯度磁場通過感應效應引起的該結構(52,52a)的磁場與該梯度磁場相似。
文檔編號G01R33/38GK1384367SQ0114591
公開日2002年12月11日 申請日期2001年12月21日 優先權日2000年12月21日
發明者奧利弗·海德, 馬庫斯·維斯特 申請人:西門子公司