有效屏蔽的超導磁體漂移補償線圈的系統、方法和裝置的製作方法

2023-10-04 20:22:29

專利名稱：有效屏蔽的超導磁體漂移補償線圈的系統、方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明一般性涉及磁場的生成，更具體地講涉及修改生成的磁場。
背景技術：
核磁共振成像(MRI)系統使用磁場感測物體的結構。該結構對磁場的成像體積的強度產生幹擾和變化。磁場強度的這些幹擾和變化被檢測和解譯從而得到物體結構的圖像。在許多MRI系統中，磁場由超導磁體產生以提供強磁場。對磁場的檢測和解譯取的是特定大小的磁場強度。
不幸的是，超導磁體在磁場強度上，經歷每小時每百萬大約0.01的量級的比率的小的衰減。磁場衰減也稱為漂移。為了實現超導MRI系統的優勢，必需獲得高穩定的無衰減場以便正確地解譯磁場。磁場強度的衰減致使對磁場的解譯不正確，並最終致使從磁場產生的圖像發生錯誤。
在NMR試驗中，通過令質子受縛於部分極化了原子核自旋的大磁場檢測質子。然後利用射頻(RF)輻射激發自旋，並且當它們放出時就會發出微弱的射頻輻射。輻射的頻率與它們受縛的磁場成比例。
光譜學和功能性成像fMRI對場衰減特別敏感。在光譜學中，譜線寬度接近1Hz。為了提高信噪比，將幾百個光譜(每個由幾秒間隔)加在一起。因此，幾分鐘上超過1Hz的偏移產生顯著的解析度損失。fMRI圖像也對數Hz的頻率偏差敏感。在30分鐘的掃描下，每小時0.1ppm的A3 Tesla磁場衰減將造成0.15微Tesla(6Hz)的場漂移。
在多數常規的MRI系統中，通過利用昂貴的高規格的導線和精細的接頭製造MRI系統，將衰減率減小到了很低的水平。
在一些常規的MRI系統中，通過在MRI系統中包括具有合適的幾何結構的輔助線圈，將衰減率減小到很低的水平。這些輔助線圈也被稱為漂移補償線圈，因為輔助線圈抵消磁場強度的漂移或衰減。當主線圈的電流隨著時間衰減，輔助線圈依照Len’s定律保持磁通並且積聚電流。因而輔助線圈在成像體積內維持非常穩定的場。這種輔助線圈可以用來滿足非常低的衰減率要求，或簡單地消除由於主線圈中的輔線或接點的缺陷帶來的場衰減的風險。漂移補償線圈也稱為鎖定線圈。漂移補償線圈通常用超導材料製造。
常規的漂移補償線圈與主線圈緊密地電磁耦合。不幸的是，這種耦合導致漂移補償線圈在主線圈失超期間傾向於相當高的峰值感應電流(例如～1000A)。對於有效屏蔽的磁體，漂移補償線圈中這樣的高電流可能導致大範圍的磁場暈，這是潛在危險的並且可能損害磁場範圍內的敏感設備。磁場暈是擴大了的磁場區域，可以被擴展到對設備或人有害或危險的磁場區域。磁場暈可能導致電子醫療設備出故障或人體內的心臟起搏器失效。因而，常規的漂移補償線圈可能具有與它們在其中運行的健康保健裝置的目標相反的危險效果。漂移補償線圈中過量的峰值感應電流還可能損害漂移補償線圈。
在常規的MRI系統中，通過迫使漂移補償線圈早些失超能夠減小由漂移補償線圈和主線圈的耦合引起的峰值感應電流。當主線圈失超時，漂移補償線圈將迅速地積聚電流，並且，在某些點，由於它達到了它在超導狀態下能保持的最大電流或增加的勞倫茲力產生了導致摩擦加熱的線移動，它很可能也失超。
在一個例子中，提早令漂移補償線圈失超是通過利用具有低臨界電流的線圈繞組製造漂移補償線圈來實現的。繞組也稱為線圈匝。在另一個例子中，通過配置由主線圈的失超電壓驅動的失超加熱器而提早令漂移補償線圈失超。
不管漂移補償線圈多早失超，這些線圈通常構成了少量的繞組。因而，漂移補償線圈具有很低的正常電阻，並且因之在失超後能夠繼續積聚電流。增加線圈匝數就會增加了漂移補償線圈中的電阻，也增加了線圈的自感量。這兩個因素都傾向於削弱漂移補償線圈中的峰值感應電流。但是，促使漂移補償線圈在低感應電流失超是困難的。另外，具有增加的繞組的漂移補償線圈將導致在任何給定的電流下邊緣場貢獻增加。如果失超模擬顯示線圈甚至在本身失超之後繼續積聚電流，減少導線中銅芯的截面區域將增加電阻並且因而減少漂移補償線圈在失超期間的電流積聚。但是減少導線中銅芯的截面區域還將減小導線正常的電流攜帶能力，導致增加失超損害的風險。導體中銅芯的截面區域是控制導線在非超導狀態下能夠攜帶的電流量的主要因素。
由於以上所述的原因，以及以下說明的對於本領域技術人員通過閱讀和理解本說明書將顯而易見的原因，本領域中需要MRI系統中在主線圈失超期間不會引起磁場暈的漂移補償線圈。

發明內容
這裡解決了上述的缺點、不利之處和問題，通過閱讀和學習下面的說明將理解這一點。
一方面，一種裝置包括可用來產生磁場的有效屏蔽的主線圈(具有內部直徑和外部直徑)，還包括有效屏蔽的漂移補償線圈，漂移補償線圈具有位於主線圈的內直徑附近的線圈匝和位於主線圈的外直徑附近的反向的線圈匝。
另一方面，一種裝置包括可用來產生磁場的有效屏蔽的主線圈(具有內部直徑和外部直徑)，還包括非耦合的外部幹擾屏蔽線圈，其具有位於主線圈的外直徑附近的線圈匝和位於主線圈的內直徑附近的附加線圈匝。
又一方面，一種裝置包括主線圈和漂移補償線圈，主線圈與並聯的超導開關和保護二極體串聯，漂移補償線圈與並聯的超導修正線圈串聯和保護二極體(或電阻)並聯。在一些實施例中，這個方面還包括非耦合的外部幹擾屏蔽線圈，其與超導修正線圈串聯並與保護二極體(或電阻)並聯。
該裝置減少了在主線圈失超期間該裝置引起的電磁場衰減，而沒有擴大邊緣磁場。另外，不必藉助於阻止漂移補償線圈在失超期間積聚電流的措施而致使磁場暈減小。利用附加的非耦合外部幹擾屏蔽線圈的實現，將成像體積的磁場從由於附近的移動物體(諸如電梯、火車、卡車等)引起的磁場環境幹擾中屏蔽出來。
這裡描述了範圍變化的裝置、系統和方法。除了總結中描述的方面和優點，通過參考附圖和閱讀以下的詳細說明將清楚其它方面和優點。


圖1是依照一個實施例的裝置的截面框圖，其中有效屏蔽的漂移補償線圈位於主線圈的內部直徑附近，並且漂移補償線圈還具有位於主線圈的外部直徑附近的相反的纏繞線圈匝。
圖2是依照一個實施例的裝置的截面框圖，其中非耦合外部幹狀屏蔽線圈位於主線圈的外部直徑附近，並且其還具有位於主線圈的內部直徑附近的以相同方向纏繞的線圈匝。
圖3是依照一個實施例的包括圖1和圖2的所有特徵的裝置的截面框圖。
圖4是其中三個部分作為獨立電路布線的裝置的示意圖。
具體實施例方式
在以下詳細說明中，參考了形成系統一部分並且作為可以實施的特定實施例的說明顯示的附圖。對這些實施例足夠詳細地進行了描述，以便使得本領域的技術人員能夠實施所述實施例，並且理解可以使用其它實施例，並且在不偏離所述實施例的範圍的情況下可以進行邏輯的、機械的、電子的和其它修改。因而以下的詳細說明不是限制的目的。
詳細說明被分為三個章節。在第一章節，描述了系統級別概覽。在第二章節，描述了實施例的裝置。最後，在第三章節，提供了詳細說明的結論。
系統級別概覽圖1是依照本發明一個實施例的系統100的截面框圖，其中有效屏蔽的漂移補償線圈位於主線圈的內部直徑附近，並且其還具有位於主線圈的外部直徑附近的相反纏繞的線圈匝。系統100滿足了本領域中對於核磁共振成像(MRI)系統中的在主線圈的失超期間減少成像體積內磁場的衰減同時沒有擴大邊緣磁場的漂移補償線圈的需要。
系統100包括主線圈102，其能夠生成成像體積104中的均勻磁場。主線圈102具有內部直徑106。
系統100還包括抵消由於主線圈的電阻或「漂移」而引起的磁場衰減的漂移補償線圈的內部線圈匝108。系統100示出了位於內部直徑106之內的有效屏蔽的漂移補償線圈的內部線圈匝108的位置的特定實施例。系統100還包括實質上削弱由漂移補償線圈產生的邊緣場的漂移補償線圈的反向纏繞的外部線圈匝112。
在一些系統100的實施例中，有效屏蔽的漂移補償線圈的內部線圈匝108是沒有分段或細分的單漂移補償線圈(未示出)。在一些實施例中，有效屏蔽的漂移補償線圈的細分內部線圈匝108包括如系統100所示的三個段。在有效屏蔽的漂移補償線圈的分段內部線圈匝108或單有效屏蔽的漂移補償線圈(未示出)的實施例中，有效屏蔽的漂移補償線圈的內部線圈匝108的幾何結構可以被優化，以便平衡低量級的均勻條件，隨著時間產生可忽略的均勻損耗。
主線圈102還具有外部直徑110。漂移補償線圈還具有一個或多個位於主線圈102的外部直徑110附近的反相纏繞的線圈112。在一些諸如圖1所示的實施例中，有效屏蔽漂移補償線圈112更具體地位於外部直徑110之外。位置接近於主線圈102的外部直徑110的有效屏蔽漂移補償線圈112的外部線圈匝減小了漂移補償線圈108對邊緣磁場的貢獻。
如上所述，有效屏蔽漂移補償線圈112具有多個其方向為與內部漂移補償線圈108的線圈匝的方向116相反的方向114的線圈匝或繞組。漂移補償線圈的外部線圈匝112纏繞或布線的方向與內部線圈匝108相反。因此，如果線圈匝108攜帶順時針方向的一定量的電流，那麼外部線圈匝112將攜帶逆時針方向的同等大小的電流。線圈匝112的位置和數目被優化，以便最小化由漂移補償線圈的內部線圈匝108產生的邊緣磁場。因此，圖1所示的方向114和116是啟發性的，不是必須性的示例。例如，如果漂移補償線圈108的內部線圈匝的方向116被表示為+ve，那麼有效屏蔽的漂移補償線圈112的外部線圈匝的方向114被表示為-ve。相反，如果內部漂移補償線圈108的線圈匝的方向116被表示為-ve，那麼有效屏蔽的漂移補償線圈112的外部線圈匝的方向114被表示為+ve。
實施例的裝置在前面章節中，描述了對實施例的操作的系統級別的概要。在本章中，參考一系列附圖描述了這種實施例的特定裝置。
圖2是依照實施例的包括非耦合外部幹擾屏蔽線圈的任意已有技術裝置200的截面框圖。
在裝置200中，非耦合外部幹擾屏蔽線圈的外部線圈匝202位於主線圈102的外部直徑110附近。非耦合外部幹擾屏蔽線圈的內部線圈匝204位於主線圈102的內部直徑106附近。
非耦合外部幹擾屏蔽線圈具有外部線圈匝202中的多數線圈匝，以及內部線圈匝204中的附加線圈匝。外部線圈匝202和內部線圈匝204都以相同的方向116纏繞。位於內部線圈匝204中的附加線圈匝減小了外部幹擾屏蔽線圈202和204與主線圈102之間的電感。非耦合的外部幹擾屏蔽線圈202和204是與主線圈散耦合的，這防止了非耦合的外部幹擾屏蔽線圈202和204在主線圈的失超期間經歷電流的大幅度減小。
非耦合外部幹擾屏蔽線圈與圖1所示的有效屏蔽的漂移補償線圈的不同之處在於外部線圈匝202和內部線圈匝204相對彼此是以相同的方向纏繞或布線的。因此，如果線圈匝202攜帶順時針方向的電流，內部線圈匝204將同樣攜帶順時針方向的電流。
圖3是依照一個實施例的包括圖1和2的所有特徵的裝置300的截面框圖。系統300提供系統100和裝置200的所有優點。具有有效屏蔽的漂移補償線圈108和112的有效屏蔽主線圈102由非耦合的外部幹擾屏蔽線圈202和204補充。成像體積104中的磁場補償在主線圈102失超期間主線圈102的衰減和外部幹擾的影響而不會導致顯著的磁場暈。
圖4是其中三個部分作為獨立電路布線的裝置400的示意圖。
在裝置400的第一個部分402中，主線圈102與並聯的超導開關404和開關保護二極體406串聯。開關保護二極體406限制跨越超導開關404的電壓而不管多高的電流通過超導開關404。
在第二部分408中，有效屏蔽的漂移補償線圈108和112與並聯的超導開關410和開關保護二極體412串聯。
在第三部分414中，非耦合外部幹擾屏蔽線圈202和204與並聯的超導開關416和開關保護二極體418串聯。
在一些實施例中，一個或多個開關保護二極體406、412或418由電阻代替。
結論描述了具有減小的磁漂移而沒有加重邊緣磁場暈的核磁共振成像系統。儘管這裡圖示和說明了特定的實施例，本領域的普通技術人員應理解計劃實現相同目的的任何設置可以用來代替示出的特定實施例。本應用意圖覆蓋任何改變或變化。
具體地，本領域的技術人員將很容易地意識到所述方法和裝置的名稱並非為了限定實施例。另外，在不偏離實施例的範圍的情況下，可以向所述組件增加附加的方法和裝置，在組件之間重新安排功能，引入對應於未來的改進的新組件和實施例中使用的物理設備。本領域的技術人員將很容易地認識到所述實施例適用於將來的MRI設備和新的主線圈。
本申請使用的術語意味著包括提供這裡所描述的相同功能的所有環境和替換技術。
部件列表100依照一個實施例的系統，其中有效屏蔽漂移補償線圈位於主線圈的內部直徑附近，反向纏繞線圈匝位於主線圈的外部直徑附近102能夠產生均勻磁場的主線圈104成像體積106主線圈的內部直徑108漂移補償線圈的內部線圈匝110主線圈的外部直徑112有效屏蔽漂移補償線圈114相反方向116方向200依照一個實施例的包括非耦合外部幹擾屏蔽線圈的當前技術裝置202非耦合外部幹擾屏蔽線圈的外部線圈匝204非耦合外部幹擾屏蔽線圈的內部線圈匝300依照一個實施例的包括圖1和2所有特徵的裝置400其中三個部分布線為獨立電路的裝置402第一部分404超導開關406並聯的開關保護二極體408第二部分410超導開關412並聯的開關保護二極體414第三部分416超導開關418並聯的開關保護二極體
權利要求
1.一種具有使磁場(104)的衰減最小的裝置(100)，所述裝置(100)包括能夠產生磁場(104)的主線圈(102)，主線圈(102)具有內部直徑(106)和外部直徑(110)；有效屏蔽的漂移補償線圈(108)，具有位於主線圈(102)的內部直徑(106)附近的線圈匝和位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的線圈匝。
2.權利要求1所述的裝置，其中位於主線圈(102)的內部直徑(106)附近的線圈匝還包括在主線圈(102)的內部直徑(106)內部的線圈匝。
3.權利要求1所述的裝置，其中位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的線圈匝還包括在主線圈(102)的外部直徑(110)外面的線圈匝。
4.權利要求1所述的系統，其中有效屏蔽的漂移補償線圈(108)還包括分段的有效屏蔽的漂移補償線圈(108)。
5.權利要求1所述的裝置，其中所述裝置還包括位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的非耦合外部幹擾屏蔽線圈(202)，位於主線圈(102)的內部直徑附近的附加的線圈匝。
6.一種具有使磁場的衰減最小的裝置，包括能夠產生磁場的主線圈(102)，主線圈(102)具有內部直徑和外部直徑；有效屏蔽的漂移補償線圈(108)，具有位於主線圈(102)的內部直徑附近的線圈匝和位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的線圈匝；非耦合外部幹擾屏蔽線圈(202)，具有位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的線圈匝和位於主線圈(102)的內部直徑附近的線圈匝。
7.權利要求6所述的裝置，其中位於主線圈(102)的內部直徑附近的有效屏蔽漂移補償線圈(108)的線圈匝還包括位於主線圈(102)的內部直徑之內的線圈匝。
8.權利要求6所述的裝置，其中位於主線圈(102)的外部直徑(110)附近的有效屏蔽漂移補償線圈(108)的線圈匝還包括位於主線圈(102)的外部直徑(110)之內的線圈匝。
9.一種具有使磁場衰減最小化的裝置，所述裝置包括第一部分(402)，包括與並聯的超導開關(404)和開關保護二極體(406)串聯的主線圈(102)；第二部分(408)，包括多個漂移補償線圈(108和112)，漂移補償線圈與並聯的超導開關(410)和開關保護二極體(412)串聯；第三部分(414)，包括多個非耦合外部幹擾屏蔽線圈(202和204)，非耦合外部幹擾屏蔽線圈與並聯的超導開關(416)和開關保護二極體(418)串聯。
10.權利要求9的裝置，其中至少一組開關保護二極體由開關保護電阻代替。
全文摘要
提供系統、方法和裝置，在一些實施例中藉助所述系統、方法和裝置通過包括漂移補償線圈(108)能夠減少核磁共振成像(MRI)系統中的磁場(104)的漂移，所述漂移補償線圈(108)通過與主線圈(102)的電磁互感以與主線圈(102)的衰減成比例的速率積聚電流。在一些實施例中，漂移補償電路(108)包括在外部直徑(110)處的反向線圈匝，以便在主線圈(102)失超期間顯著地減少邊緣場的任何加重。在其他實施例中，有效屏蔽漂移補償線圈(108)由非耦合外部幹擾屏蔽線圈(202和204)來彌補。
文檔編號G01R33/3815GK1834682SQ20061005966
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月17日 優先權日2005年3月18日
發明者T·J·霍利斯 申請人:通用電氣公司