專利名稱：磁共振成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁共振成像系統(tǒng)，其包括基本上圓筒形的空腔，其中該空腔具有z軸方向上的對(duì)稱軸，其中對(duì)象可以空腔內(nèi)接受檢查，且其中對(duì)象在垂直于z軸的xy平面內(nèi)具有不是各向同性的電導(dǎo)率。
該系統(tǒng)可以是MRI設(shè)備或射頻(RF)線圈，其中后者可用于NMR設(shè)備和基于NMR的成像系統(tǒng)，如磁共振成像或功能磁共振成像(fMRI)。
經(jīng)常需要對(duì)人體內(nèi)組織進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷成像。為此目的，(核)磁共振成像(MRI)已使用了近30年。這些技術(shù)利用原子例如在人體內(nèi)約占95％的氫原子可具有奇數(shù)核子這一事實(shí)。在這種情況下，原子具有核子自旋。
當(dāng)原子暴露于外部磁場(chǎng) 時(shí)，該自旋可與磁場(chǎng)軸平行或反向平行地排列。這兩種自旋排列的可能性代表以前退化的Kramer dublett的兩種能量水平。根據(jù)波爾茲曼統(tǒng)計(jì)，這兩個(gè)能量水平具有不同的粒子數(shù)，從而被檢查對(duì)象具有總磁化強(qiáng)度(bulk magnetisation) 。 平行于磁場(chǎng) 。
如果被檢查對(duì)象受到與磁場(chǎng) 不平行的另外的磁場(chǎng) 的作用，則磁化強(qiáng)度 發(fā)生傾斜，偏離與 的平行配置。而后磁化強(qiáng)度以拉莫爾頻率ω＝γB0繞 軸進(jìn)動(dòng)。γ是每個(gè)原子特有的旋磁比。對(duì)于氫原子，如果磁場(chǎng)強(qiáng)度為3T，則拉莫爾頻率是128MHz。
施加磁場(chǎng) 通常由將RF波耦合到待檢測(cè)對(duì)象中來(lái)完成，其中磁場(chǎng)向量 的方向垂直于 ，且其中該頻率對(duì)應(yīng)于所考慮的原子的拉莫爾頻率。為本公開(kāi)的目的，考慮射頻包括在約1MHz至約100GHz之間的頻率。
如果RF波耦合到樣品中，磁化強(qiáng)度如上所述發(fā)生傾斜，偏離與 的平行配置。則松弛設(shè)置成磁化強(qiáng)度 在一定松弛時(shí)間后再次平行于磁場(chǎng) 。詳細(xì)研究松弛時(shí)間以使得能導(dǎo)出被檢查對(duì)象的空間分辨圖像。完成此項(xiàng)任務(wù)的一個(gè)可能方法是進(jìn)行時(shí)問(wèn)相關(guān)自旋-自旋松弛時(shí)間的富里葉變換。
為獲得被檢查對(duì)象的精確圖像，在施加RF脈沖之后，總磁化強(qiáng)度 必須具有相對(duì)于空間內(nèi)所有點(diǎn)的靜態(tài)磁化強(qiáng)度定義明確的角度α。該靜態(tài)磁化強(qiáng)度平行于 。然而，如果RF場(chǎng)在空間上是不均勻的，則角度α頻譜產(chǎn)生自旋-自旋松弛時(shí)間的頻譜。然而這會(huì)產(chǎn)生具有一些強(qiáng)度變化的圖像。由于強(qiáng)度變化不影響組織的特性變化，這可以妨礙診斷。這就是為什么用于NMR目的的RF線圈必須設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生空間均勻磁場(chǎng)的原因。不均勻性可由于線圈自身的設(shè)計(jì)而導(dǎo)致或可由位于RF線圈內(nèi)的樣品而導(dǎo)致。
在現(xiàn)有技術(shù)中許多人試圖提高RF線圈的均勻性。例如，US5,017,872解決了由線圈內(nèi)樣品導(dǎo)致的不均勻性問(wèn)題。本專利的作者建議將高介電常數(shù)材料放置在線圈和周圍屏蔽之間以減少圓圓形線圈磁場(chǎng)的徑向變化。這補(bǔ)償了由被檢查對(duì)象的介電常數(shù)導(dǎo)致的對(duì)非均勻性產(chǎn)生的影響。
在US6,633,161B1中采用一種類似的方法，該專利公開(kāi)一種用于成像系統(tǒng)的RF線圈。該線圈具有由周圍導(dǎo)電罩形成的介電填充腔。此外，可使被檢查病人的頭部枕在介電枕頭上以控制病人頭部感興趣區(qū)域內(nèi)的RF磁通量。
增加磁場(chǎng)強(qiáng)度有助于獲得提高的信噪比以及增加空間分辨率。在具有至少3特斯拉的磁場(chǎng)且體尺寸為30cm或更大的系統(tǒng)中，RF場(chǎng)的波長(zhǎng)大約與人體尺寸為同數(shù)量級(jí)或甚至更小。由于RF場(chǎng)在人體內(nèi)產(chǎn)生渦流以及由于介電反射等，這會(huì)導(dǎo)致不均勻 場(chǎng)。這種不均勻性比較低場(chǎng)強(qiáng)情況下要高得多。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種在開(kāi)始段落提到的那種磁共振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)于高場(chǎng)強(qiáng)具有改進(jìn)的均勻性，尤其是對(duì)于3特斯拉或3特斯拉以上的場(chǎng)強(qiáng)。
為實(shí)現(xiàn)所述目的，根據(jù)本發(fā)明磁共振成像系統(tǒng)的特征在于在空腔內(nèi)放置導(dǎo)電材料，其中該材料具有使空腔內(nèi)xy平面中的總電導(dǎo)率呈現(xiàn)各向同性的導(dǎo)電性和厚度。
本發(fā)明基于的構(gòu)思是，由于空腔內(nèi)的對(duì)象使空腔內(nèi)的電導(dǎo)率呈現(xiàn)為各向異性，從而對(duì)RF場(chǎng)的非均勻性做出額外貢獻(xiàn)。
在以下描述中將僅參照以人或動(dòng)物做為在空腔內(nèi)被檢查的“對(duì)象”的情況。然而本發(fā)明不限于這種情況。如本領(lǐng)域技術(shù)人員易于理解的，還可在檢查空腔中的“物體”，如植物或其它無(wú)生命材料。
如果選擇具有對(duì)稱軸的圓筒形空腔，該對(duì)稱軸定義為z軸，則由于存在被檢查對(duì)象，空腔內(nèi)在垂直于上述z軸的平面內(nèi)的電導(dǎo)率不是各向同性的。這是由于對(duì)象是非圓柱形的且具有σ≠0的電導(dǎo)率。
上述垂直于z軸的平面將被稱為xy平面。x軸、y軸和z軸表示軸彼此相互垂直的三維坐標(biāo)系統(tǒng)。
被檢查對(duì)象的導(dǎo)電率σ是形成RF場(chǎng)衰減的原因。在微觀等級(jí)(microscopic scale)上，用阻尼幅度描述RF波，阻尼幅度使該波對(duì)對(duì)象進(jìn)行有限的穿透。然而，當(dāng)被檢查對(duì)象位于空腔內(nèi)時(shí)，空腔內(nèi)的衰減程度在空間上是不均勻的。根本原因是被檢查對(duì)象的空間伸展度。
如果病人位于空腔內(nèi)，他通常躺在基本水平的病床表面上。選擇病床的法線作為y軸。病人的身體在x方向比在y方向具有更大的伸展度。x軸位于代表病床的基本水平的表面內(nèi)，正如可從上面的解釋中得出的。這常常導(dǎo)致RF場(chǎng)在x方向上比在y方向上的衰減更大。
為補(bǔ)償該效應(yīng)，將一種導(dǎo)電材料放置在空腔內(nèi)，其中該材料具有使得空腔內(nèi)xy平面中總電導(dǎo)為各向同性的導(dǎo)電率和厚度。該總電導(dǎo)包括病人的電導(dǎo)和材料的電導(dǎo)。
該另外的材料具有的厚度和導(dǎo)電性的值選擇為使xy平面內(nèi)的所有徑向的總電導(dǎo)率是相同的。這導(dǎo)致xy平面內(nèi)的電導(dǎo)率的平面各向同性，其反過(guò)來(lái)減少了RF場(chǎng)的不均勻性。
如可從上述解釋得出的，用于磁共振成像的系統(tǒng)可以是MRI設(shè)備或用于磁共振成像的射頻線圈。
存在若干種將材料放置在空腔的可能方式。在空腔內(nèi)設(shè)置另外的保持裝置是一種可能方式。然而如果將該材料的至少一部分附著到圓筒狀空腔內(nèi)壁上則更為容易。當(dāng)以空腔截面的圓形平面作為xy平面時(shí)，該材料可固定到內(nèi)壁的一段上。
此外，該材料的至少一部分可附著到對(duì)象位于其上的基本上平的表面(病床)的底部。而后該材料可作為病床的一個(gè)組成部分。
這進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷，并不總是需要對(duì)病人的全身進(jìn)行檢查，而是可能只需檢查腹部、脊柱或病人的頭部。由于在這些情況下感興趣區(qū)域的幾何形狀不同，如果導(dǎo)電材料可拆地附著到空腔內(nèi)，例如如上所述附著到空腔內(nèi)壁上或病床上，就可達(dá)到如上所述的更靈活的補(bǔ)償。在這種情況下，材料在x方向和在y方向上的尺寸和/或?qū)щ娦钥筛鶕?jù)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。
為了實(shí)用的原因，該材料僅基本放置在被檢查對(duì)象的上方和下方，因?yàn)檫@在病人躺在病床的情況下就足夠了。在這種情況下，病人平行于z軸對(duì)準(zhǔn)，且他的身體在xy平面內(nèi)的伸展不是圓形。雖然非常健壯的人在該xy平面內(nèi)的伸展可接近圓形，但大多數(shù)人可被模擬成在前述圓形內(nèi)裝配(fitting)的橢圓形。呈圓柱形形式的身體和在xy平面內(nèi)具有這種伸展的身體之間存在一個(gè)區(qū)域。由于該區(qū)域的未填充有人體組織，該區(qū)域關(guān)于z軸不對(duì)稱，從而產(chǎn)生不均勻性。因而，放置在空腔內(nèi)的材料具有補(bǔ)償該缺少電導(dǎo)性區(qū)域以確保xy平面內(nèi)的電導(dǎo)率是各向同性的功能。
從上述解釋可能看出，缺少電導(dǎo)性的區(qū)域?yàn)槊嫦蛉说谋巢亢托夭康膬蓚€(gè)鐮刀狀區(qū)域。在最簡(jiǎn)單的情況下，導(dǎo)電材料僅放置在病人的上方和下方以補(bǔ)償這兩個(gè)鐮刀狀區(qū)域。在大多數(shù)情況下，將導(dǎo)電材料放置在躺在病床上的病人的左側(cè)和右側(cè)是不需要的。
將該材料放置在空腔內(nèi)的另一種可能方式是將材料放置在病人的頂部和/或下面。這可通過(guò)選擇將材料做成薄片形狀來(lái)完成。病人身體的至少一部分可由這種薄片覆蓋，該薄片可用作毯子。
實(shí)驗(yàn)表明，采用具有約5Ω和約20Ω之間的平面電阻的材料可達(dá)到良好補(bǔ)償。
優(yōu)選在被檢查對(duì)象上方的材料比在對(duì)象下方的材料具有較低的平面電阻。當(dāng)需要對(duì)病人全身進(jìn)行檢查時(shí)這是有利的，這是因?yàn)橛捎诮馄蕦W(xué)的原因，在y方向上的補(bǔ)償必需與在-y方向上的補(bǔ)償不同。
實(shí)驗(yàn)表明，采用具有約5Ω和約10Ω之間的平面電阻的對(duì)象上方的材料以及具有約12Ω和約16Ω之間的平面電阻的對(duì)象下方的材料可達(dá)到良好補(bǔ)償。
可選擇現(xiàn)有技術(shù)中許多種已知材料用于上述補(bǔ)償。該材料可以是至少部分由導(dǎo)電層覆蓋的薄片，例如塑料的碳涂覆片。這種薄片或箔可附著到空腔的內(nèi)孔上和/或病床上。
此外，上述材料，例如薄片，可以不是MRI設(shè)備或線圈的一部分，而是與之分離和與之不同的一部分。病人則可躺在這種輔助材料上和/或他部分地由另外的材料覆蓋。在導(dǎo)電材料薄片的情況下，這種輔助薄片可類似于毯子一樣使用。在這種情況下，該導(dǎo)電材料可用于提高M(jìn)RI系統(tǒng)內(nèi)RF場(chǎng)的均勻性。這種用途在該設(shè)備設(shè)計(jì)成工作于至少3特斯拉磁場(chǎng)的情況下特別有用。
雖然在空腔內(nèi)通常需要具有均勻RF場(chǎng)，在特定的場(chǎng)合可能會(huì)故意選擇不均勻性。在這種情況下，可采用帶圖案的材料，該帶圖案的材料具有局部變化的導(dǎo)電性。例如，可選擇僅其表面的預(yù)定部分由導(dǎo)電層覆蓋的薄片。這種圖案例如可通過(guò)化學(xué)蒸汽淀積處理來(lái)獲得。
根據(jù)本發(fā)明的磁共振成像系統(tǒng)的實(shí)施例將在下面參照附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，附圖中

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的RF線圈的頂側(cè)視圖；圖2示出當(dāng)從z方向觀看時(shí)圖1中的RF線圈的內(nèi)部；和圖3示出根據(jù)本發(fā)明的MRI設(shè)備。
圖1示出具有沿z方向的對(duì)稱軸的根據(jù)本發(fā)明的圓筒形鳥(niǎo)籠線圈1。線圈1的開(kāi)口形成垂直于z軸的xy平面。線圈1的內(nèi)部形成空腔2。
該線圈1裝備有固定到內(nèi)壁5上的導(dǎo)電材料4。xy平面和線圈之間的截面平面是圓形，其內(nèi)部邊界部分由材料4覆蓋。材料4形成上部段和下部段。
圖2示出當(dāng)從z方向上觀看時(shí)圖1中的線圈。線圈1具有作為病床的上表面的基本上平的表面7。病人3以極其簡(jiǎn)化的形式示出為一個(gè)橢圓形身體，因?yàn)槿梭w在xy平面內(nèi)的形狀可以以這種方式近似。導(dǎo)電材料4附著在線圈1的內(nèi)壁5上，以及在病床底部6的下面。
病人3由具有碳涂層(未示出)的塑料片8覆蓋。在模仿人體尺寸、縱橫比和導(dǎo)電性的鹽水模型實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)薄片8放置在病人3的頂部時(shí)具有8Ω的平面電阻和當(dāng)放置在模型底部時(shí)具有約12Ω至6Ω時(shí)，獲得了良好的結(jié)果。這些薄片具有70cm長(zhǎng)度，形成5cm和10cm寬度帶條的交替序列的形式，這些帶條之間有縫隙。底部的薄片是相同的，除了帶條之間的縫隙非常窄之外。
圖3示出裝備有線圈1的根據(jù)本發(fā)明的MRI設(shè)備10。設(shè)備10具有帶有表面7的病床，病人躺在病床上。該圖示出僅對(duì)病人的頭部進(jìn)行檢查的應(yīng)用，例如對(duì)病人頭部?jī)?nèi)的腫瘤進(jìn)行診斷。
特定的自旋成像可能會(huì)經(jīng)受 場(chǎng)的不均勻性。其根本原因是該自旋可準(zhǔn)確地與MRI圖像中發(fā)現(xiàn)的從具有不均勻射頻場(chǎng)的區(qū)域滋生出來(lái)的黑斑重合。對(duì)于這種應(yīng)用，以非對(duì)稱方式放置導(dǎo)電薄片可以是有利的。采用具有9Ω平面電阻、10cm寬的兩個(gè)薄片并將其放置在模型下面的實(shí)驗(yàn)證明是成功的。以減少別處的強(qiáng)度為代價(jià)可降低熱點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于磁共振成像的系統(tǒng)，包括基本上圓筒形的空腔(2)；其中空腔(2)在z軸方向具有對(duì)稱軸；其中對(duì)象(3)可以在空腔內(nèi)受到檢查；其中對(duì)象(3)具有電導(dǎo)率，該電導(dǎo)率在垂直于z軸的xy平面內(nèi)不是各向同性的；其特征在于將導(dǎo)電材料(4)放置在空腔(2)內(nèi)，其中材料(4)所具有的導(dǎo)電性和厚度使得空腔內(nèi)xy平面中的總電導(dǎo)率呈現(xiàn)各向同性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)是磁共振成像設(shè)備或用于磁共振成像的射頻(RF)線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于材料(4)的至少一部分附著到圓筒形空腔(2)的內(nèi)壁(5)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于材料(4)的至少一部分附著到基本上平的表面(7)的底部(6)上，對(duì)象(3)位于該基本上平的表面(7)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于該基本上平的表面(7)是病床的一部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求3，4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于導(dǎo)電材料(4)可拆地附著到空腔(2)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于材料(4)基本上在基本上平的表面(7)的上方和下方，對(duì)象(3)可位于基本上平的表面(7)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于材料(4)具有在約5Ω和約20Ω之間的平面電阻。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)象上方的材料具有在約5Ω和約10Ω之間的平面電阻。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于對(duì)象(3)下方的材料具有在約12Ω和約16Ω之間的平面電阻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于材料(4)是由導(dǎo)電層(9)覆蓋的薄片。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于只有薄片(8)的預(yù)定部分由導(dǎo)電層(9)覆蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于其設(shè)置成以3特斯拉或高于3特斯垃的磁場(chǎng)進(jìn)行工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁共振成像(MRI)系統(tǒng)。當(dāng)施加高磁場(chǎng)時(shí)，這種系統(tǒng)會(huì)面臨對(duì)射頻(RF)場(chǎng)不均勻性產(chǎn)生額外作用的問(wèn)題。本發(fā)明試圖改進(jìn)對(duì)于高場(chǎng)強(qiáng)的RF場(chǎng)的均勻性，特別是對(duì)于3特斯拉或3特斯拉以上的高場(chǎng)強(qiáng)的RF場(chǎng)的均勻性。為了改進(jìn)均勻性，在系統(tǒng)的空腔(2)內(nèi)定位導(dǎo)電材料(4)。該材料具有確保在垂直于空腔對(duì)稱軸的xy平面內(nèi)總徑向電導(dǎo)變?yōu)楦飨蛲缘膶?dǎo)電率和厚度。
文檔編號(hào)G01R33/34GK1938600SQ200580010099
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
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