專利名稱：冷卻的mr線圈布置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁共振線圈布置，還涉及一種磁共振成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，利用磁場和核自旋之間的相互作用以形成二維或三維圖像的圖像形成MR方法得到了廣泛使用，特別是在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，因為針對軟組織的成像，該方法在很多方面優(yōu)于其他成像方法，該方法不需要電離輻射，并且通常是無創(chuàng)的。根據(jù)一般的MR方法，將患者的身體或者一般而言的檢查對象布置到強(qiáng)的均勻磁場Btl內(nèi)，同時該磁場的方向定義了測量所基于的坐標(biāo)系的軸,一般為z軸。
磁場產(chǎn)生各核自旋的不同能級，所述能級依賴于所施加的磁場強(qiáng)度，可以通過施加具有規(guī)定頻率的，即所謂的拉莫爾頻率或MR頻率的交變電磁場(RF場)激發(fā)所述自旋(自旋共振)。從宏觀的角度來看，各核自旋的分布將產(chǎn)生總體磁化，可以通過施加具有適當(dāng)頻率(RF脈沖)的電磁脈沖而使所述總體磁化偏離平衡狀態(tài)，而磁場垂直于z軸延伸，這使得所述磁化進(jìn)行關(guān)于z軸的進(jìn)動?？梢酝ㄟ^接收RF天線探測所述磁化的任何變化，所述天線在MR裝置的檢查體積內(nèi)以一種方式布置和取向，即使得沿垂直于z軸的方向測量所述磁化的變化。為了實現(xiàn)體內(nèi)的空間分辨率，使沿三個主軸延伸的磁場梯度疊加到均勻磁場上，這將導(dǎo)致自旋共振頻率的線性空間依賴性。因而，所述接收天線拾取的信號將含有不同頻率的分量，可以將所述分量與體內(nèi)的不同位置相關(guān)聯(lián)。經(jīng)由接收天線獲得的信號數(shù)據(jù)對應(yīng)于空間頻率域并被稱為k空間數(shù)據(jù)。所述k空間數(shù)據(jù)通常包括采用不同的相位編碼獲取的多條線。通過收集若干樣本使每條線數(shù)字化。將k空間數(shù)據(jù)的樣本的集合轉(zhuǎn)換為MR圖像，例如，通過傅里葉變換。因而，可以總結(jié)出，線圈在磁共振成像中起著重要作用。線圈設(shè)計中的一個重要參數(shù)是線圈能夠處理的最大均方根(rms)電流。提高最大rms電流允許在更短的時間內(nèi)提供更多的流經(jīng)線圈的電流，即，其允許提供更高的功率。因此，可以減少掃描時間。限制最大rms電流,尤其是限制線圈系統(tǒng)中的最大rms電流的一個方面是線圈在工作期間所散發(fā)的熱量。MR系統(tǒng)中的(例如)梯度線圈的軸需要通過絕緣層的方式相互電絕緣。通常，在這一層中，采用玻璃布作為間隔體使所述軸就位并且通過在所述軸之間建立足夠的距離而降低這一區(qū)域內(nèi)的電場。典型地，將使用環(huán)氧樹脂灌注這一結(jié)構(gòu)，從而將所有的部分固定到一起。具有開放結(jié)構(gòu)的玻璃布旨在吸收所述軸之間的樹脂，從而將所述結(jié)構(gòu)結(jié)合到一起。對于高電壓梯度線圈而言，線圈軸之間的用以降低線圈軸之間的電場的足夠的距離對于避免局部放電變得更加重要，所述局部放電在MR系統(tǒng)中特別是指擊穿(spikes)。然而，通過(例如)提高絕緣厚度來增大所述距離同時增大了流向(例如)梯度線圈的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的熱流的熱障，從而降低梯度線圈的最大rms電流。
存在幾種提高最大rms電流的選擇。一種選擇是簡單地提高線圈的工作溫度。然而，這種選擇需要耐受更高的溫度的環(huán)氧樹脂，并且所耗散的功率將對周圍的MR系統(tǒng)加熱，而周圍的MR系統(tǒng)的溫度也應(yīng)當(dāng)保持在一定的限度內(nèi)。提高最大rms電流的第二種選擇是降低通往冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的熱障。這一點(diǎn)可以通過為這些層使用具有更高的導(dǎo)熱率的材料來實現(xiàn)。為了提高梯度線圈軸之間的層的導(dǎo)熱率，通常使用填充的環(huán)氧樹脂，其中，填充劑通常是混合到環(huán)氧樹脂內(nèi)的陶瓷粉末，其將改進(jìn)機(jī)械和熱特性。然而，在線圈軸之間的開口窄的情況下，由于混合了陶瓷粉末而具有高粘性的環(huán)氧樹脂不能均勻地滲透到線圈軸之間的間隔內(nèi)，其可能導(dǎo)致環(huán)氧樹脂填充區(qū)域內(nèi)的氣泡。這些氣泡又可能導(dǎo)致(例如)電場集中，在線圈工作時，所述電場集中將促使局部放電的出現(xiàn)。US7554326B2公開了一種磁共振成像設(shè)備，其包括具有多個按照預(yù)定纏繞模式建立的線構(gòu)件的梯度磁線圈，其中，第一樹脂材料填充多個線圈之間的縫隙，并且具有比第一樹脂材料更高的導(dǎo)熱率的第二樹脂材料填充給定線圈的線構(gòu)件之間形成的縫隙。

發(fā)明內(nèi)容
從上文將容易地意識到，需要一種具有提高的熱性能的改進(jìn)的磁共振線圈布置以及一種改進(jìn)的磁共振成像系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種包括用于生成磁場的電導(dǎo)體的磁共振線圈布置，其中，所述電導(dǎo)體通過電絕緣體相互電絕緣，其中，所述絕緣體包括作為電絕緣材料的氮化物或氧化招。本發(fā)明的實施例的優(yōu)點(diǎn)在于，能夠為磁共振線圈布置提供高導(dǎo)熱率，從而降低了通往相應(yīng)的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的熱障。因而，避免了過熱，并且提高了線圈布置的最大rms電流。根據(jù)本發(fā)明的實施例，以“指紋”狀線圈結(jié)構(gòu)(圖樣)纏繞電導(dǎo)體，其中，絕緣體位于所述指紋狀線圈結(jié)構(gòu)的單個線圈繞組之間和/或位于不同的線圈軸之間。梯度線圈構(gòu)造通常針對X軸和y軸使用分布式的“指紋”狀線圈。在制造過程中，可以從銅片上切割或蝕刻出這些線圈。在替代的情況下，所述“指紋”線圈圖樣可以由圓形或矩形導(dǎo)體、空心導(dǎo)體或(一條或多條)導(dǎo)線所制成。通常將螺旋狀圖樣制成平的以保持適當(dāng)?shù)木€圈尺寸。在最新的制造過程中，將例如FR-4預(yù)浸潰層壓體的絕緣襯墊材料結(jié)合至所述圖樣，從而在構(gòu)建線圈和提供一部分絕緣體的進(jìn)一步的處理過程中保持明確限定的繞組的位置。之后，將銅和襯墊材料卷繞成適當(dāng)?shù)男螒B(tài)，用于組裝到梯度管上，在該處，能夠?qū)⑺鼈兌询B到其他線圈結(jié)構(gòu)的頂部。通過使用氮化物或氧化鋁的熱傳遞特性，改進(jìn)了分布式指紋狀線圈結(jié)構(gòu)的各個線圈層之間的熱傳輸。根據(jù)本發(fā)明的實施例，將氮化物或氧化鋁作為填充物材料包含在作為絕緣體的部分的預(yù)浸潰層壓體內(nèi)。因而，在線圈圖樣的襯墊材料內(nèi)使用作為填充物材料包含的氮化物或氧化鋁的導(dǎo)熱預(yù)浸潰體來增強(qiáng)熱傳輸特性。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述線圈布置包括堆疊在彼此頂部的單個線圈的集合，其中，所述單個線圈通過絕緣體相互分離。這種方案在針對X、y、z方向的梯度線圈堆疊在彼此頂部的情況特別合適。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，所述單個線圈通過灌注的間隔體相互分開。可以將這一間隔體與一個或多個絕緣層組合成堆疊，以形成絕緣，或者可以簡單地使用所述間隔體創(chuàng)建絕緣。對于作為絕緣的部分的間隔體而言，就像所述堆疊內(nèi)的其他絕緣層一樣，使用氮化物或氧化鋁材料同樣是有利的。就通常為布的間隔體而言，間隔體材料內(nèi)的氮化物材料將為復(fù)合材料(在用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌注時)提供高的導(dǎo)熱率。因此，解決了混合到用于灌注的環(huán)氧樹脂內(nèi)的填充物材料可能堵塞堆疊在彼此頂部的單個線圈之間的通常較小的空間的問題。因而，仍然可以將所建立的能很好地工作的環(huán)氧樹脂用作灌注材料，但是與此同時朝向冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的熱障也降低了。因而，不將具有高導(dǎo)熱率的材料用作環(huán)氧樹脂中的填充劑，而是將具有更好的導(dǎo)熱性的材料用作通常使用的玻璃布的替代。根據(jù)本發(fā)明的實施例，采用樹脂對所述布進(jìn)行灌注，其中，所述布的介電常數(shù)與樹脂的介電常數(shù)匹配，并且/或者其中，所述氮化物為氮化硼、氮化硅或氮化鋁。在布的介電常數(shù)與樹脂的介電常數(shù)匹配的情況下，這允許也將其用到高電壓線圈布置內(nèi)，在所述高電壓線圈布置內(nèi)，除了要求高導(dǎo)熱率之外，還要求相近的介電常數(shù)以避免電場集中，因而能夠克服局部放電。 一般來講，必須指出，在低電壓線圈中這樣的介電常數(shù)匹配可能不是必須的，因而可以采用其他類型的氮化物來實現(xiàn)本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，通過一個或多個灌注間隔體使毗鄰地堆疊在彼此頂部的線圈相互分開，所述間隔體有可能與絕緣層相結(jié)合，其中，所述絕緣層的介電常數(shù)與所述樹脂的介電常數(shù)匹配。而且，這也允許將所述線圈布置用作高電壓線圈。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，所述氮化物為氮化硼、氮化硅或氮化鋁。特別是氮化硼具有幾個優(yōu)點(diǎn)氮化硼是極佳的電絕緣體并且具有高的導(dǎo)熱率，其中，額外地，氮化硼的介電常數(shù)還匹配通常采用的用作灌注材料的環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)以及在上文提及的預(yù)浸潰體或絕緣層中通常應(yīng)用的FR-4的介電常數(shù)。因而，氮化硼的使用不是所述布和其他絕緣層的更好的導(dǎo)熱材料的隨意選擇，而是仔細(xì)地對其選擇，使得滿足兩個條件，也就是滿足高導(dǎo)熱率以及所述絕緣體、樹脂和又一絕緣層的介電常數(shù)的匹配。盡管氮化硅和氮化鋁的介電常數(shù)未能準(zhǔn)確地匹配通常使用的環(huán)氧樹脂和FR-4的介電常數(shù)，但是它們?nèi)匀皇窃诘碗妷壕€圈中應(yīng)用的極佳選擇。對于氧化鋁上述內(nèi)容同樣成立。根據(jù)本發(fā)明的又一實施例，所述線圈布置是成像梯度線圈布置，其中，所述線圈是梯度線圈。然而，必須指出，本發(fā)明不僅僅局限于梯度線圈，而是可以將本發(fā)明應(yīng)用于MR系統(tǒng)中使用的任何種類的線圈，例如，用于自旋系統(tǒng)激勵的勻場線圈或RF線圈，所述線圈要求在(例如)單個線圈繞組之間或者堆疊在彼此頂部的線圈的各個層之間存在電絕緣。另一方面，本發(fā)明涉及一種包括上述線圈布置的磁共振成像系統(tǒng)。


在下文中僅以示例的方式更加詳細(xì)地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。因而，附圖僅僅是出于圖示的目的而設(shè)計的，而不是作為本發(fā)明的范圍限制。在附圖中圖I示出了用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的線圈布置的MR系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了線圈布置的示意圖。
具體實施例方式參考圖1，示出了 MR成像系統(tǒng)I的示意圖。所述系統(tǒng)包括超導(dǎo)或電阻主磁體線圈2，從而沿z軸建立通過檢查體積的基本均勻的在時間上恒定的主磁場IV磁共振生成操縱系統(tǒng)通過施加一系列RF脈沖和切換的磁場梯度以反轉(zhuǎn)或激發(fā)核磁自旋、誘發(fā)磁共振、使磁共振重新聚焦、操縱磁共振、空間地或者以其他形式對磁共振進(jìn)行編碼、使自旋飽和等，以執(zhí)行MR成像。更具體而言，梯度脈沖放大器3向沿檢查體積的x、y和ζ軸向全身梯度線圈4、5、6中的選定線圈施加電流脈沖。RF發(fā)射器7經(jīng)由發(fā)送/接收開關(guān)8向RF天線9發(fā)射RF脈沖或脈沖包，以將RF脈沖發(fā)射到檢查體積內(nèi)。典型的MR成像序列由短時長RF脈沖序列的包構(gòu)成，所述RF脈沖序列與所施加的任何磁場梯度一起將實現(xiàn)對核磁共振的選定操縱。采用所述RF脈沖使共振飽和、激發(fā)共振、反轉(zhuǎn)磁化、使共振重新聚焦或者操縱共振、以及選擇處于檢查體積內(nèi)的身體10的部分。也可以通過RF天線9拾取MR信號?！?br> 為了身體或者一般而言的對象10的有限區(qū)域的MR圖像的生成，例如通過并行成像的方式，將本地陣列RF線圈11、12和13的集合定位于鄰近所選定的要成像的區(qū)域。可以使用陣列線圈11、12和13接收經(jīng)由RF天線實現(xiàn)的RF發(fā)射所感生的MR信號。然而，也可以使用陣列線圈11、12和13向檢查體積發(fā)射RF信號。所產(chǎn)生的MR信號通過RF天線9和/或通過RF線圈11、12、13的陣列拾取，并通過優(yōu)選地包括前置放大器(未示出)的接收器14解調(diào)。所述接收器14經(jīng)由發(fā)送/接收開關(guān)8連接至RF線圈9、11、12和13。主計算機(jī)15控制梯度脈沖放大器3和發(fā)射器7以生成多個成像序列中的任何一個，例如，回波平面成像(EPI)、回波體積成像、梯度和自旋回波成像、快速自旋回波成像等。針對選定的序列，接收器14在每個RF激發(fā)脈沖之后以快速接續(xù)的方式接收單條或者多條MR數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16對接收到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將每一 MR數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)換成適合進(jìn)一步處理的數(shù)字格式。在新型的MR裝置中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)16是專門用于采集原始圖像數(shù)據(jù)的單獨(dú)計算機(jī)。最后，重建處理器17采用傅里葉變換或者其他適當(dāng)?shù)闹亟ㄋ惴▽?shù)字原始圖像數(shù)據(jù)重建為圖像表示。MR圖像可以表示通過患者的平面切片、平行的平面切片的陣列、三維體積等。之后，將所述圖像存儲到圖像存儲器內(nèi)，可以在所述圖像存儲器內(nèi)對所述圖像進(jìn)行訪問，從而將圖像表示的切片或者其他部分轉(zhuǎn)換成用于可視化的適當(dāng)形式，例如，經(jīng)由視頻監(jiān)視器18，該視頻監(jiān)視器將提供所產(chǎn)生的MR圖像的人類可讀顯示。圖2是圖示了根據(jù)本發(fā)明的梯度線圈布置202的橫截面的示意圖。已經(jīng)參考圖I進(jìn)行了討論的線圈在這里堆疊在彼此的頂部，通過所灌注的間隔體以及必要時采用的額外的絕緣層205/207分開。線圈4、5、6是堆疊到一起的梯度線圈軸X、y、ζ的線圈。在圖I中,所述線圈之一包括空心導(dǎo)體,所述空心導(dǎo)體承載冷卻流體,然而線圈之間的單獨(dú)的冷卻回路(不承載電流)也是一種選擇。所述線圈通常包括銅導(dǎo)體，其中，X線圈4和y和線圈5可以包括銅板，電流能夠通過所述銅板傳輸，從而生成梯度磁場。例如，線圈4和線圈5可以包括利用電絕緣204相互分開的銅板。如圖2所示，毗鄰堆疊的梯度線圈4和梯度線圈5通過一個或兩個間隔體206彼此分開，所述一個或兩個間隔體206與一個或兩個絕緣層205、207組合。這里，層205是結(jié)合到先前討論的指紋圖樣上的襯墊材料。在最新的線圈布置中，線圈4和線圈5之間的層結(jié)構(gòu)(環(huán)氧玻璃布/絕緣體)是針對X線圈4和y線圈5生成的熱量的熱障?？梢酝ㄟ^在這一區(qū)域內(nèi)使用具有更高的導(dǎo)熱性材料來降低這種障礙。采用環(huán)氧樹脂灌注的玻璃布層206具有大約O. 5W/m/K的復(fù)合導(dǎo)熱率。所述玻璃布(Si02)具有大約lW/m/K的導(dǎo)熱率，所述環(huán)氧樹脂具有大約O. 2-0. 3ff/m/K的導(dǎo)熱率。額外的絕緣層205、207，通常為FR4片材，也具有大約O. 5ff/m/K的復(fù)合導(dǎo)熱率。特別是，對于高電壓梯度線圈，需要線圈軸之間具有充分大的距離，以降低線圈軸之間的電場，從而避免局部放電，所述局部放電在MR系統(tǒng)中特別是指擊穿。然而，通過增加玻璃布層的厚度而實現(xiàn)增大距離也會增大朝向梯度線圈的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施的熱流的熱障，從而降低梯度線圈的最大rms電流。
本發(fā)明通過采用具有高導(dǎo)熱率的材料替代標(biāo)準(zhǔn)的玻璃布，而解決了這一問題，所述材料作為絕熱體并且具有與環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)匹配的介電常數(shù)。所述優(yōu)選的材料是氮化硼，其中，所述氮化硼用作布，可以進(jìn)一步采用最新的樹脂對其進(jìn)行灌注，從而在提供電絕緣和導(dǎo)熱性的同時，避免在介電常數(shù)有差別的區(qū)域內(nèi)的電場集中。重新參考圖2，沿半徑R增大的方向，在線圈5和線圈6之間使用如線圈4和線圈5之間所提供的絕緣204。在這種情況下，將包括空心環(huán)的ζ梯度線圈6放置到最后的一個絕緣層204的頂部，諸如水的冷卻液體能夠通過所述空心環(huán)流動。因而，由梯度線圈4和5生成的熱通過層204和線圈5向線圈6提供的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施傳輸，在所述冷卻基礎(chǔ)設(shè)施處，借助冷卻液體去除所生成的熱量。在圖2中僅示意性地示出的是又一屏蔽設(shè)置212，其用來提供梯度磁場屏蔽。也可以按照剛剛關(guān)于包括絕緣204的線圈4、5、6討論過的方式設(shè)計設(shè)置212中采用的相應(yīng)的線圈。如已經(jīng)詳細(xì)討論過的，氮化硼是優(yōu)選的間隔體材料，其對204內(nèi)的其他層也是這樣，這是由于和最新的線圈布置中采用的只具有l(wèi)W/m/K的導(dǎo)熱率的石英玻璃(Si02)相比，氮化硼具有大約20W/m/K的高導(dǎo)熱率。此外，使用氮化硼的優(yōu)點(diǎn)在于，其大約為4的介電常數(shù)與到目前為止通常使用的環(huán)氧樹脂以及在層204、205、206、207中通常使用的FR-4材料的介電常數(shù)匹配。盡管關(guān)于圖2的討論與圓柱MR系統(tǒng)相關(guān)，但是本發(fā)明也適用于其他種類的MR系統(tǒng)，這樣的MR系統(tǒng)具有的MR膛未必為圓柱形。
權(quán)利要求
1.一種磁共振線圈布置(202)，其包括用于生成磁場的電導(dǎo)體，其中，所述電導(dǎo)體通過電絕緣體(204)相互電絕緣,其中，所述絕緣體(204)包括氮化物或氧化招作為電絕緣材料。
2.如權(quán)利要求I所述的線圈布置，其中，按照指紋狀線圈結(jié)構(gòu)布置所述電導(dǎo)體，其中，所述絕緣體位于所述指紋狀線圈結(jié)構(gòu)的單個線圈繞組之間和/或位于不同的線圈軸之間。
3.如權(quán)利要求2所述的線圈布置，其中，所述氮化物或氧化鋁包含在支持層(205)內(nèi)。
4.如權(quán)利要求I所述的線圈布置(202)，其中，所述線圈布置(202)包括一組堆疊在彼此的頂部的單個線圈(4 ;5 ;6)，其中，所述單個線圈通過所述絕緣體(204)相互分開。
5.如權(quán)利要求4所述的線圈布置(202)，其中，通過用樹脂灌注的間隔體和/或另一絕緣層(207)使所述單個線圈相互分開，其中，所述絕緣體(204)的介電常數(shù)與所述樹脂和/或所述另一絕緣層(207)的介電常數(shù)匹配。
6.如權(quán)利要求4所述的線圈布置(202)，其中，通過灌注的間隔體(206)使所述單個線圈相互分開，其中，所述絕緣體(204)是由所述間隔體給出的。
7.如權(quán)利要求6所述的線圈布置(202)，其中，所述間隔體是布，其中，用樹脂灌注所述布，其中，所述絕緣體(204)的介電常數(shù)與所述樹脂的介電常數(shù)匹配，并且/或者其中，所述氮化物為氮化硼、氮化硅或氮化鋁。
8.如權(quán)利要求7所述的線圈布置(202)，其中，所述樹脂包含所述氮化物或所述氧化招。
9.如權(quán)利要求7所述的線圈布置(202)，其中，通過所述灌注的間隔體(206)中的兩個間隔體使毗鄰地堆疊在彼此的頂部的線圈(4 ；5 ;6)相互分開，其中，通過另一絕緣層(207)使所述兩個間隔體相互分開，其中，所述另一絕緣層(207)的介電常數(shù)與所述樹脂的介電常數(shù)匹配，并且/或者其中，所述氮化物為氮化硼、氮化硅或氮化鋁。
10.如權(quán)利要求I所述的線圈布置(202)，其中，所述氮化物為氮化硼、氮化硅或氮化招。
11.如權(quán)利要求I所述的線圈布置(202)，其中，所述線圈布置(202)是成像梯度線圈布置(202)，其中，所述線圈為梯度線圈(4 ；5 ;6)。
12.一種磁共振成像系統(tǒng)(1)，其包括根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的線圈布置(202)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁共振線圈布置(202)，其包括用于生成磁場的電導(dǎo)體，其中，所述電導(dǎo)體通過電絕緣體(204)相互電絕緣，其中，所述絕緣體(204)包括氮化物或氧化鋁作為電絕緣材料。
文檔編號G01R33/385GK102959424SQ201180032610
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者S·A·J·拉斯特, S·馬利奇 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司