專利名稱：用于降低磁共振成象設(shè)備中的渦流的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種極靴的設(shè)計結(jié)構(gòu)，用以顯著地降低由用于醫(yī)用磁共振成象設(shè)備或MRI設(shè)備中的梯度脈沖引起的不良渦流效應(yīng)。
在MRI設(shè)備中，必須在非常均勻的靜磁場上疊加強的快速變化的梯度場。這些梯度場在空間上確定了成象容積，并且它們是由載有精確控制的電流脈沖的線圈產(chǎn)生的。由于需要磁場非?？焖俚刈兓?，因此在所有靠近梯度線圈的導(dǎo)電部件中會感應(yīng)產(chǎn)生渦流。這些渦流會阻止場的快速增強。在采用極靴產(chǎn)生強均勻場的MRI磁體中，這是一個困難的問題，它減小了梯度并導(dǎo)致在復(fù)雜形狀極靴中產(chǎn)生具有各種衰減時間的渦流。對此所做的電補償通常不是完全成功的，而且渦流使極靴發(fā)熱。這對靜磁場的穩(wěn)定具有不利影響。
為解決上述問題，已通過在極靴中采用非導(dǎo)電的燒結(jié)鐵氧體做了努力。這僅在較弱的磁體中是有效的，因為鐵氧體的導(dǎo)磁率在強場中會因飽和而降低。美國專利4827235描述了這樣一種方案，通過采用電阻率較高的材料替代極靴中的鐵，梯度上升時間由3毫秒降至1毫秒。美國專利5124651描述了這樣一種解決方案，采用緊密固裝在一起的絕緣鐵磁極靴，這些極靴的最短尺寸正交于極靴的對稱軸。然而，這種結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)實際上所需的高機械精度。而且優(yōu)選采用極靴表面上的各向同性路徑，梯度線圈的回歸磁通量會具有可能的最低磁阻。此專利的另一個實施例采用了相互正交排列的薄片層。不過，這不能滿足各向同性要求，因為最外層在薄片方向上載有比正交方向上更多的磁通量，因此無法實現(xiàn)軸對稱磁體設(shè)計結(jié)構(gòu)。
美國專利4827235提出的極靴是由例如昂貴的非晶(amorph)金屬混合物或復(fù)合混合物制造的，復(fù)合混合物也是昂貴的且不能滿足充分高的導(dǎo)磁率的要求。美國專利5124651的極靴造價極高，因為必須將數(shù)千靴安裝成一個具有遠(yuǎn)優(yōu)于毫米精度的適當(dāng)形式的結(jié)構(gòu)，并使所有靴穩(wěn)定于其位置。此外，為實現(xiàn)磁體中的高均勻性，極靴形狀必須嚴(yán)格限定，即，極靴面應(yīng)同心地排成環(huán)形，且不能是一個大致平坦的表面，正如這里所提出的。
在1990年10月2日公開的日本專利摘要第14卷第457號的第51頁記載的日本專利申請JP2-184002的英文摘要描述了一種MRI磁體，該磁體具有一個由塊體部件和層疊部分構(gòu)成的磁性極靴，塊體部件由具有中心突臺的盤狀磁材構(gòu)成。層疊部分具有磁性薄板和電絕緣部件，它們圍繞突臺螺旋形交替疊置于塊體部分的平面上。層疊部分由多個徑向槽分隔，這些槽從突臺的中心徑向向外排列。
1990年6月15日公開的日本專利摘要第14卷第278號的第5頁記載的日本專利申請JP2-87505的英文摘要描述了一種MRI磁體，該磁體具有一個由中央塊體部分形成的圓板形磁極部分，其中氣隙面對的表面由一平坦表面構(gòu)成。磁體的外周邊由具有多個徑向槽的外周邊部分構(gòu)成，這些槽從塊體部分的中心徑向向外排列。外周邊部分的表面由這些槽分成多個部分，這些部分面對一個傾斜的磁場線圈。此傾斜磁場線圈在磁極部分附近產(chǎn)生渦流。
在以上的兩件日本專利申請所述的結(jié)構(gòu)中，渦流能進入磁極面的外周邊部分的塊體部分，即平行于靜磁場的方向，因此會阻止成象容積中磁場的快速變化。另外，在JP2-87505所示的結(jié)構(gòu)中，位于磁極面的外周邊部分中的槽使得靠近槽的磁場所受的磁阻高于無槽部分中的磁阻。這種磁阻增大的路徑使得靠近這些槽的磁場相對于穿過無槽部分的磁場產(chǎn)生了非均勻性。
本發(fā)明的特征在于，在非?？拷荻染€圈處，采用含鐵的薄片，最好是如變壓器中使用的硅鐵片材料，成為極靴表面上的層狀絕緣盤，以使這些片構(gòu)成相對于極靴軸基本旋轉(zhuǎn)對稱定位的圓盤。通過采用至少一個或多個板疊置并用漆或機械手段固定這些板，來形成這些盤并安裝于其位置。
盤的設(shè)計結(jié)構(gòu)有兩種在盤沿極靴面的平面取向的那些部分中，它們由從鐵片上切割成的環(huán)形板構(gòu)成;在沿極靴面的軸取向的部分中，它們由用帶狀鐵片螺旋繞成的環(huán)構(gòu)成。在環(huán)形板情況下，通過在大致正交于已建立的梯度電流的路徑的方向切制窄槽來截斷渦流的路徑，這些槽通常徑向地取向。而且，在維持靜磁場的均勻性的情況下，渦流的路徑會進一步由以相互疊置的幾個絕緣薄層的方式安裝的板阻斷，這些板最好是彼此相對取向，以使它們的相應(yīng)槽不是對準(zhǔn)的。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是，降低了各板的周邊方向和/或平行于靜磁場的方向上的渦流。
另一優(yōu)點是，改善了槽附近的靜磁場的均勻性。
再一優(yōu)點是，容易實施且不需要昂貴的材料。
通過閱讀和理解下面的詳細(xì)說明，其它優(yōu)點也將變得清楚明了。


圖1示出帶極靴的MRI設(shè)備。
圖2示出帶梯度線圈的極靴。
圖3示出極靴的四分之一。
圖4A和4B示出本申請的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖5示出所測得的響應(yīng)于梯度場的階躍的升速。
圖1示出用于給患者取象的設(shè)備，其中，患者1躺在極靴23之間，處于由線圈2中流動的電流所產(chǎn)生的磁場中。線圈的頸部4將極靴連接至C形磁體3。這些部分是鐵制的，其功能是構(gòu)成磁體的回歸磁通的路徑。本發(fā)明還可很好地用于以永磁材料為基礎(chǔ)的磁體設(shè)計。其區(qū)別僅在于，采用永磁材料塊替代磁體3與極靴23之間的線圈2和頸部4。
圖2示出帶梯度線圈的極靴的斷面。在此圖中，Z梯度線圈31最靠近極靴設(shè)置。X梯度線圈對32處于第二層，正交于X對的Y梯度線圈對位于最外層。這種排序僅是一個例子，梯度線圈可按與此不同的順序布置。線圈通常含有10匝導(dǎo)體，這里示出的線圈形式是為圖示方便而簡化的。極靴必須包括軸對稱環(huán)，即所謂的補償環(huán)，以便最大限度地實現(xiàn)靜磁場的均勻性。這些環(huán)中最大的一個，即所謂的第一補償環(huán)231構(gòu)成外緣，第二環(huán)232通常位于第一環(huán)的的二分之一半徑處，并且作為一個例子，最內(nèi)側(cè)的環(huán)233是一個位于中心軸上的小環(huán)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道如何設(shè)計這些環(huán)的形狀以及如體設(shè)計梯度線圈的形狀，本發(fā)明不以任何方式改變計算這些形狀所依據(jù)的原則。
圖3示出本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，但本發(fā)明并不僅限于這里所示元件的一種特定組合。這里示出極靴的四分之一，此極靴帶有薄片44和42以及用鐵帶繞制的部分41，此圖中以某剖面示出Z梯度線圈和X梯度線圈32。在這些線圈下面，已在極靴面上加工有多個槽，以便容納環(huán)形層疊片42和44以及繞成環(huán)形的帶41。這些槽的尺寸如此設(shè)定，以使片42、44和帶繞制的環(huán)41緊密裝配于槽中，從而保持極靴面中的鐵質(zhì)材料的整體尺寸和量，也因此保持場的均勻性，與基于相同尺寸的極靴的現(xiàn)有設(shè)計結(jié)構(gòu)相比是不變的。而且，可以在盤42和44上切制出槽43和45，槽的尺寸是不重要的。這些槽增大了電阻，尤其是圓周方向上。主磁通的方向未顯著改變，因為在由幾個疊層組成板的情況下，不同層中槽的位置是相對轉(zhuǎn)向的。
圖4A示出當(dāng)極靴基本上呈平坦形時本發(fā)明的一個簡單實施例。為更清楚起見，未示出梯度線圈。盤44安裝于補償環(huán)233中形成的槽中，在盤44與外環(huán)之間安裝盤42。兩個盤最方便地以膠固位。盤如此排列，即，槽46與最近的盤的槽45處于不同位置。這些槽45以虛線示出，因為它們位于第一層板之下。盤42采用相同排列方式。層數(shù)例如為4層。當(dāng)采用半毫米厚的片時，總厚度為2毫米，這僅是100毫米以上的極靴總厚度的一小部分。當(dāng)每塊板具有間隔20度的18個徑向槽時，在采用圖4A所示結(jié)構(gòu)并具有4層0.5毫米厚米的FeSi變壓器板的情況下所得到的測量結(jié)果表明，梯度場斜率增加一個數(shù)量級。板數(shù)增加超過4后并未明顯增大斜率。
圖4B示出具有更優(yōu)異的極靴構(gòu)造的一個例子，用以進一步改善靜磁場的均勻性。在極靴中間有一個最內(nèi)側(cè)補償環(huán)233，具有較大尺寸的第二補償環(huán)232已由繞成螺旋狀的帶所覆蓋，此帶由某些含鐵的鐵磁材料制備，最好由0.3-0.5毫米厚的變壓器片制備。可采用非取向結(jié)晶的廉價材料。在外緣的內(nèi)表面上，相似地安裝有幾層相同類型的帶而形成環(huán)41。此環(huán)內(nèi)側(cè)有一組薄盤42，薄盤上切制出既不伸到盤的內(nèi)緣也不伸到外緣的徑向槽，從而保持盤的整體性和裝載這些盤的容易性，但仍然顯著增大了此板切向的電阻。繞成螺旋形狀的這種結(jié)構(gòu)，與鐵質(zhì)極靴中那些區(qū)域未被覆蓋時的情況相比，使渦流降至最小。
鐵板的厚度可在0.2-5毫米、最好是0.3-1毫米范圍內(nèi)選擇，板上可切制徑向槽，以便增大切向電阻。這些板相互疊置，數(shù)量為1至10，它們相互電絕緣并且以徑向槽不重合的方式轉(zhuǎn)位。這樣就能在所有方向保持高的磁通承載能力，并且特別是，梯度磁通量沿這些板所處平面方向形成，因此可防止改變梯度場進入至鐵塊中的深度而引生有害的渦流。在旋轉(zhuǎn)軸方向的表面中，結(jié)構(gòu)也是基本上旋轉(zhuǎn)對稱的，這種對稱是通過將片卷成螺旋形實現(xiàn)的。片由膠或漆電絕緣，以使各匝的金屬表面彼此不接觸或不接觸腔體壁。由于片的高導(dǎo)磁率，這種設(shè)計使梯度場強度增大至幾乎為自由空間中的測量值的兩倍。這是在沒有現(xiàn)有極靴所遇到的渦流問題的情況下實現(xiàn)的。對這種出乎意料的良好結(jié)果可作如下解釋本發(fā)明使渦流方向的電阻增大至鐵塊電阻值的多個數(shù)量級以上。相應(yīng)地，梯度場的上升時間降至十分之一以下。
根據(jù)本發(fā)明的裝置使設(shè)計高導(dǎo)磁率的極靴成為可能的和簡單的，這種極靴可產(chǎn)生強磁場，同時消除了渦流，因此允許采用呈現(xiàn)200微秒短的上升時間的極快速陡變。極靴中的渦流損耗和溫升也是很低的。
圖5表現(xiàn)出曲線1和2的比較，曲線1表示采用現(xiàn)有極靴時梯度場的上升，曲線2表示在完全相同條件下采用本發(fā)明時梯度場的上升時間。時間單位是在橫軸上每格為500微秒，縱軸表示兩種情況下相同的任意單位的梯度場。這個結(jié)果是在下列條件下實現(xiàn)的4層0.5毫米厚的環(huán)形變壓器板，板上有間隔20度的徑向槽，板通過膠互連并粘至極靴上。
權(quán)利要求
1.一種磁共振成象系統(tǒng)，包括一個可導(dǎo)磁的鐵芯；兩個極靴，每個極靴具有一端面，所述極靴如此設(shè)置于所述鐵芯上，即極靴端面處于相對置關(guān)系，其間形成一氣隙；用于在氣隙中產(chǎn)生主磁場的裝置；一梯度線圈，它設(shè)置于極靴端面之間并與極靴端面之一相鄰；以及兩個或更多個電絕緣鐵磁材料層，這些層彼此疊置并與梯度線圈所倚貼的極靴端面相鄰設(shè)置，每層具有一個或更多個槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，每一層由一盤狀板構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，每一層基本平行于極靴端面設(shè)置，并且相對于極靴是對稱的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，每個槽沿徑向延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，一層的兩個或多個相鄰槽之間的角位移最好為15至30度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，每個槽基本上在相應(yīng)層的整個半徑上延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，各層以其相應(yīng)槽不重合的方式彼此疊置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，盤狀層是由卷成螺旋形的磁敏電絕緣帶構(gòu)成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，至少一個盤狀層由在變壓器或電器中常用的硅鐵組成，其具有的典型厚度在0.3-0.6毫米范圍內(nèi)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振成象系統(tǒng)，進一步包括一個環(huán)形層，該層由薄的且基本上絕緣的鐵磁帶構(gòu)成，它相鄰于梯度線圈所倚貼的極靴端面設(shè)置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，相鄰于梯度線圈的極靴端面包括一個通常延伸入氣隙中的軸對稱補償環(huán)，所述的環(huán)形層位于所述補償環(huán)的內(nèi)側(cè)部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，環(huán)形層是通過同心地卷繞薄且基本上絕緣的鐵磁帶形成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，補償環(huán)位于極靴的外緣，至少補償環(huán)的內(nèi)側(cè)部分與極靴端面是正交的，以便位于所述補償環(huán)上的環(huán)形層正交于極靴端面。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁共振成象系統(tǒng)，其中，環(huán)形層由在變壓器或電器中常用的硅鐵組成，其具有的典型厚度在0.3-0.6毫米范圍內(nèi)。
全文摘要
兩個相對的極靴在其間的患者成象容積中產(chǎn)生磁場。極靴含鐵，因而是導(dǎo)電的。梯度線圈設(shè)在極靴端面上，因此梯度脈沖電流在極靴端面中產(chǎn)生渦流。圖中的限制渦流產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示出圓形極靴(23)的四分之一，并示出梯度線圈的部分，即Z和X梯度線圈(31，32)。在極靴表面上裝有由變壓器片材料合理切制出的多層疊置成的薄盤狀(42、44)或環(huán)狀鐵磁部件，每一層通過漆或固位膠與相鄰表面電絕緣。疊裝前在這些層上切制出窄的徑向槽(43、45)，以減小渦流。相鄰層中的槽轉(zhuǎn)位至不重合，從而導(dǎo)致在所有方向上均勻傳導(dǎo)磁通。
文檔編號A61C17/34GK1102971SQ9410886
公開日1995年5月31日 申請日期1994年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月8日
發(fā)明者I·開南倫 申請人:皮克北極星有限公司