专利名称：低温冷却超导体rf头部线圈阵列和具有超导的头部专用mri系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及磁共振成像和光谱技术，更具体地，涉及采用超导体组件的磁共振成像和光谱设备以及用于制造这种设备的方法。
背景技术：
磁共振成像(MRI)技术现今用于全世界较大的医疗机构，并且在医疗实践中已经带来了显著和独特的益处。MRI已经被发展为一种用于对结构和解剖进行成像的完善的诊断工具，同时MRI也被发展用于对功能性活动和其他生物物理和生物化学特性或过程(例如血液流、代谢物/新陈代谢、扩散)进行成像，这些磁共振(MR)成像技术中的一些被称为功能性MRI、光谱MRI或磁共振光谱成像(MRSI)、扩散加权成像(DWI)和扩散张量成像(DTI)。这些磁共振成像技术，除了其用于标识和评估病理和确定所检查的组织的健康状态的医疗诊断价值之外，还具有广阔的临床和研究应用。在典型的MRI检查中，患者的身体(或样本对象)被放置在检查区域内，并由MRI扫描器中的患者支撑件支撑，其中，主要(主)磁体提供实质上恒定和均勻的主要(主)磁场。磁场将进动原子(如身体中的氢(质子))的核磁化对齐。磁体内的梯度线圈组件造成给定位置的磁场的小变化，从而提供成像区域中的共振频率编码。在计算机控制下，根据脉冲序列选择性驱动射频(RF)线圈，以在患者中产生临时振荡的横向磁化信号，该信号由RF线圈检测，并可以通过计算机处理被映射至患者的空间上局部化的区域，从而提供所检查的感兴趣区域的图像。在通常的MRI配置中，典型地由螺线管磁体设备来产生静态主磁场，患者平台置于由螺线管绕组(即主磁孔)缠绕的圆柱形空间中。主磁场的绕组典型地实现为低温超导体(LTQ材料，并且利用液氦来进行超冷却，以减小电阻，从而最小化所产生的热量以及创建和维持主场所需的功率的量。现有LTS超导MRI磁体主要由铌-钛(NbTi)和/或Nb3Sn材料制成，利用低温恒温器将该材料冷却至4. 2K的温度。如本领域技术人员所知，磁场梯度线圈一般被配置为沿空间中的三个主要笛卡尔轴中的每一个选择性地提供线性磁场梯度(这些轴之一是主磁场的方向)，使得磁场的幅度随检查区域内的位置而变化，根据在区域内的位置对来自感兴趣的区域内的不同位置的磁共振信号的特性(如信号的频率和相位)进行编码(从而提供空间局部化)。典型地，利用穿过线圈缠绕的鞍座或螺线管绕组(附着至与包含主磁场的绕组在内的较大圆柱体同心并安装于其内的圆柱体)的电流来创建梯度场。与主磁场不同，用于创建梯度场的线圈典型地是通常的室温铜绕组。梯度强度和场线性对于所产生图像的细节的精度以及对于关于组织化学的信息(例如在MRSI中)都至关重要。自从MRI出现起，对改进MRI质量和能力的追求从未停止，例如通过提供更高的空间分辨率，更高的频谱分辨率(例如对于MRSI)、更高的对比度和更快的获取速度。例如，提高的成像(获取)速度有利于最小化由于图像获取期间成像区域中的时间变化(如患者移动造成的变化、自然解剖和/或功能性移动(例如心跳、呼吸、血液流动)和/或自然生物化学变化(例如由于MRSI期间的新陈代谢导致))而导致的成像模糊。类似地，例如，由于在光谱MRI中，用于获取数据的脉冲序列对空间信息和频谱信息进行编码，为了改进临床实用性和光谱MRI的效用，最小化获取充分的频谱和空间信息以提供期望频谱分辨率和空间局部化尤为重要。在高对比度、分辨率和获取速度方面，多种因素有助于更好的MRI图像质量。影响图像质量和获取速度的重要参数是信噪比(SNR)。通过在MRI系统的预放大器之前增大信号来增大SNR对于提高图像质量而言很重要。改进SNR的一种方式是增大磁体的磁场强度，因为SNR与磁场的幅度成比例。然而，在临床应用中，MRI具有磁体场强的上线(USFDA的当前上限为3T(特斯拉))。改进SNR的其他方式包括在合适时通过减小视野(在合适时)来减小样本噪声、减小样本与RF线圈之间的距离、和/或减小RF线圈噪声。尽管为了改进MRI做出了不懈努力和许多进步，然而仍需要不断改进MRI，例如以提供更大对比度、改进的SNR、更高获取速度、更高空间和时间分辨率和/或更高频谱分辨率。此外，影响MRI技术的进一步使用的重要因素是与高磁场系统相关联的高成本，对于购买和维护而言均是如此。因此，提供能够以合理成本制造和/或维护的高质量MRI成像系统，允许MRI技术更广泛地使用，将是有利的。

发明内容
本发明的各个实施例提供了一种低温冷却超导RF头部线圈阵列，可以用于全身MRI扫描器和/或专门的头部专用MRI系统(这里也称为“专用于头部的MRI系统”、“头部专用MRI系统”等等)。本发明的一些实施例提供了一种专用于头部的MRI系统，更具体地，各个实施例提供了一种专用于头部的MRI系统的超导主磁体，在一些实施例中，超导主磁体还包括根据本发明实施例的低温冷却超导RF头部线圈阵列。根据一些实施例，一种用于头部磁共振成像的系统，包括第一组和第二组高温超导体线圈，被配置为相对于公共纵轴同轴；其中，第一组线圈包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第一区域中以覆盖人体的头部和颈部，第二组线圈包括至少一个线圈，所述至少一个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第二区域中以覆盖人体躯干的一部分；第一和第二线圈被配置为在第一区域中提供均勻磁场，以在个人的头部位于第一区域内时对个人的头部的感兴趣区域进行成像。根据一些实施例，可以将每个线圈的纵向位置和延伸、匝数和电流方向设计为在第一区域内提供I-IOppm的均勻磁场以进行头部成像。第一组线圈可以具有25-35cm范围内的内半径，并布置在沿公共轴具有40-60cm范围内的长度的第一区域中；第二组线圈可以具有30-40cm范围内的内半径，并布置在沿公共轴具有15-25cm范围内的长度的第二区域中，以覆盖人体躯干的一部分，所述部分可以包括肩部。根据一些实施例，至少一个线圈可以被卷绕为相对于其他线圈沿相反方向承载电流。所述系统还可以包括屏蔽线圈，环绕所述公共纵轴并与所述第一和第二线圈同轴，并且可以在第一和第二区域的长度上延伸。用于头部磁共振成像的系统还可以包括超导体射频头部线圈阵列模块，布置为关于所述公共纵轴同轴，并被配置为至少接收在所述第一区域内产生的射频信号，所述个人的头部位于所述第一区域中以进行成像。所述射频头部线圈可以包括多个高温超导体线圈，布置为关于公共纵轴成方位角。一些实施例提供了一种超导射频线圈阵列模块，用于进行低温冷却，包括真空隔热外壳，包括双壁密封封套，所述双壁密封封套(i)在真空条件下封装密封的内部空间，并且(ii)实质上封装内部室区域，所述内部室区域与密封的内部空间分离，并被配置为被抽真空至真空条件；多个超导体射频线圈，布置在所述内部室区域中，每个射频线圈被配置用于产生和接收射频信号，以进行磁共振成像和磁共振光谱分析中的至少一个；至少一个散热构件，布置在所述内部室区域中，并与所述超导体射频线圈热接触；以及端口，被配置为至少对散热构件进行低温冷却。所述端口可以被耦合至低温冷却器，所述低温冷却器热耦合至所述至少一个散热构件。在一些实施例中，每个射频线圈与所述散热构件中相应的一个直接热接触，所述散热构件中的每一个与所述散热构件中与低温冷却器热接触的另一个散热构件直接热接触。所述射频线圈可以包括至少8个射频线圈，所述至少8个射频线圈关于公共纵轴以沿纵轴实质上公共的位移成方位角移位，并被配置用于对射频线圈所环绕的区域进行成像。每个射频线圈可以被配置为接收而不发送射频信号。所述真空隔热外壳和射频线圈可以被确定尺寸并配置用于头部成像而非全身成像。在一些实施例中，射频线圈阵列模块可以被确定尺寸并配置用于头部专用磁共振成像系统中，所述头部专用磁共振成像系统包括主磁体系统，所述主磁体系统包括第一组和第二组高温超导体线圈，被配置为相对于公共纵轴同轴；其中，第一组线圈包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第一区域中以覆盖人体的头部和颈部，第二组线圈包括至少一个线圈，所述至少一个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第二区域中以覆盖人体躯干的一部分；第一和第二线圈被配置为在第一区域中提供均勻磁场，以在个人的头部位于第一区域内时对个人的头部的感兴趣区域进行成像。本领域技术人员可以认识到，以上简要描述和以下详细描述是本发明的示例和解释，但是不应限制本发明或限制本发明可以实现的优点。此外，可以理解，以上发明内容表示本发明的一些实施例，而不表示或包括本发明范围内的所有实质内容和实施例。因此，这里引用并构成其一部分的附图示意了本发明的实施例，并与详细描述一起用于解释本发明的原理。通过结合附图进行的以下描述来考虑本发明，本发明实施例的方面、特征和优点将在结构和操作上得以理解并变得更加显而易见，其中，贯穿各个附图，相似的参考标号指示相同或相似的部分。


通过结合附图进行的以下描述来考虑本发明，本发明实施例的方面、特征和优点将在结构和操作上得以理解并变得更加显而易见，其中，贯穿各个附图，相似的参考标号指示相同或相似的部分，附图中图IA和IB示意性示出了根据本发明一些实施例的示意性低温冷却超导RF头部线圈阵列的正交视图；图2示意性示出了根据本发明的一些实施例，在图IA中示出真空室的壁，所述壁被实现为双壁玻璃杜瓦(Dewar)；图3示意性示出了根据本发明的一些实施例，沿与图IA和IB中示出的实施例相对应的超导体RF头部线圈阵列的纵轴的示意截面视图，所述超导体RF头部线圈阵列具有包括根据图2表示的各个实施例的杜瓦1在内的真空室；图4A和4B示出了根据本发明的一些实施例的超导体RF头部线圈阵列(模块)的示意备选实现；图5示意性示出了根据本发明的一些实施例的示意性MRI系统的截面；图6示意性示出了根据本发明的一些实施例，包括热辐射屏蔽的示意性RF头部线圈阵列；图7示意性示出了根据本发明的一些实施例，头部专用MRI系统的超导主磁体的截面视图；图8参照ζ-r平面示出了根据本发明的一些实施例，超导主磁体系统的线圈配置；图9示出了根据本发明的一些实施例，与图7和8的示意性实施例相对应的主磁体线圈布置的归一化电流分布；图10是根据本发明的各个实施例，3T头部磁共振成像扫描器的示意线圈图(在z-r平面中示出，单位归一化为米)；图11是示出了根据本发明的一些实施例，图10中示出的示意性实施例的磁场分布的图；以及图12示出了根据本发明的示意性实施例，图11的场分布的1高斯(IG)、3高斯(3G)和5高斯(5G)线的边缘场。
具体实施例方式以下描述公开了 (i)低温冷却超导RF头部线圈阵列的各个实施例，可以用于全身MRI扫描器和/或专门的头部专用MRI系统(这里也称为“专用于头部的MRI系统”、“头部专用MRI系统”等等)；以及(ii)专用于头部的MRI系统的各个实施例，更具体地，专用于头部的MRI系统的超导主磁体的各个实施例，在一些实施例中，超导主磁体还包括根据本发明实施例的低温冷却超导RF头部线圈阵列。更具体地，根据以下描述，本领域技术人员可以理解，根据本发明各个实施例的低温冷却超导头部线圈阵列可以在多种磁共振成像和光谱系统中实现，如采用传统铜RF线圈的系统、采用超导RF线圈的系统(例如2009年4月1日提交的美国专利申请No. 12/416，606和2009年4月17日提交的临时申请No. 61/170，135中公开的系统，其通过引用并入此处)、全身系统、专门的头部专用系统、具有垂直或水平朝向的主磁场的系统、开放或封闭系统等等。类似地，根据以下描述，本领域技术人员可以理解，根据本发明各个实施例的采用超导主磁体的专用于头部的MRI系统可以在多种磁共振成像和光谱系统中实现，如采用传统铜RF线圈的系统、采用超导RF线圈的系统(例如2009年4月1日提交的美国专利申请No. 12/416，606和2009年4月17日提交的临时申请No. 61/170，135中公开的系统，其通过引用并入此处)、采用传统(例如铜)头部线圈或线圈阵列的系统、和/或采用超导RF头部线圈阵列(例如根据这里描述的超导RF头部线圈实施例)的系统等等。类似地，本领域技术人员还可以理解，尽管可以在可以用于患者的结构检查的MRI系统的上下文中阐述以下描述的各个部分，但是根据发明各个实施例的低温冷却超导梯度线圈模块可以与操作和/或配置为其他形态的磁共振(MR)系统相结合来使用，如功能性MRI、扩散加权和/或扩散张量MRI、MRI光谱和/或光谱成像等等。此外，这里使用的MRI包括并涵盖磁共振光谱成像、扩散张量成像(DTI)以及基于核磁共振的任何其他成像形态。图IA和IB示意性示出了根据本发明的一些实施例的示意性低温冷却超导RF头部线圈阵列10的正交视图。(为了方便和易于引用以及更加清楚的说明，示出了正交的X、y、ζ坐标作为参考框架。)更具体地，图IA是由图IB中的参考标记IA-IA’指示的χ-y平面中的截面视图，并示意了 8个超导RF线圈3a-3h(这里也统称为超导体RF线圈3或RF线圈阵列3)的配置，每个超导RF线圈布置为与8个热导体5a4h (例如非金属高导热率材料，如高导热率陶瓷，如蓝宝石或氧化铝)中相应的一个热接触，其中RF线圈3a-;3h和热导体布置在具有真空室壁2的密封真空室内。图IB是沿图IA中的参考标记IB指示的方向看去，沿纵轴(即ζ轴)的侧视图，并示意了构成超导RF头部线圈阵列10的冷却系统的组件，所述冷却系统包括热导体15 (例如非金属高导热率材料，如高导热率陶瓷，如蓝宝石或氧化铝)，与每个热导体热接触；冷头9，与热导体(散热器)15热接触；以及低温冷却器7，被配置用于将冷头9维持在期望低温温度。然而，为了说明清楚，图IB未示出(i)包括真空壁2的真空室；(ii)线圈北和3d;以及(iii)热导体恥和5d(根据以下描述(例如结合图3)可以进一步理解，图IB还未示出其中安装有低温冷却器7的真空室部分)。相应地，在图IA和IB所示的超导RF头部线圈阵列10的配置中，线圈3a_;3h处于真空并由热导体5a4b冷却，热导体5a4b将热量从线圈传导至热导体/散热器15，热导体/散热器15与低温冷却器7热耦合。本领域技术人员可以理解，在一些实施例中(例如低主磁场实现，如小于3T或小于1. 5T等等)，少量金属(如铜)可以用于热导体/散热器15和/或可能用于热导体fe_5h。在一些实施例中，热导体与热导体/散热器15整体形成，而在一些实施例中，热导体5a-5h中的一个或多个是与热导体/散热器15机械接合(例如使用环氧树脂等等)以提供其间的良好导热的单独构件。在各个实施例中，线圈3a-;3h可以被冷却至约4K至100K范围内的温度，更具体地，冷却至低于超导材料的临界温度的温度(例如，在一些实施例中，低于用于RF线圈3a-3h的高温超导体(HTS)材料的临界温度)。更具体地，根据本发明的各个实施例，每个RF线圈元件3a_;3h可以实现为高温超导体(HTQ，如TOCO和/或BSCCO等等(例如使用HTS薄膜或HTS带)，但是在各个实施例中可以使用低温超导体(LTS)。例如，在一些实施例中，每个RF线圈元件
93a-;3h是基板(如蓝宝石或铝酸镧)上的HTS薄膜螺旋线圈和/或HTS薄膜螺旋交叉线圈。这种线圈的设计和制造在以下文献中进一步描述，和/或可以通过以下文献来进一步理解，例如Ma et al. , "Superconducting RF Coils for Clincical MR Imagingat Low Field, ”Academic Radiology, vol. 10, no. ,9, Sept. 2003, pp. 978-987 ；Gaoet al. , "Simulation of the Sensitivity of HTS Coil and Coil Array for HeadImaging,"ISMRM-2003,no. 1412 ；Fang et al. ,"Design of Superconducting MRI Surfaceby Using Method of Moment,，，IEEE Trans, on Applied Superconductivity, vol. 12,no. 2, pp. 1823-1827(2002) ；1 Miller et al. , "Performance of a High TemperatureSuperconducting Probe for In Vivo Microscopy at 2. 0T,，，Magnetic Resonance inMedicine, 41 :72-79 (1999)，其全部公开通过引用并入此处。相应地，在一些实施例中，超导RF头部线圈阵列10被实现为HTS薄膜RF头部线圈阵列。如图2所示，根据本发明的一些实施例，包括壁2的真空室可以包括双壁杜瓦1，由玻璃和/或其他非导电性、机械强度大的材料制成，如G10、RF4、塑料和/或陶瓷。更具体地，图2示意性示出了根据本发明的一些实施例，在图IA中示出真空室的壁2，所述壁2被实现为双壁玻璃杜瓦1。可以理解，低温冷却超导RF头部线圈阵列模块的尺寸和形状可以根据本发明的各个实施例进行修改。根据一些实施例，图2示意性示出了可以用于例如专用于头部成像的磁共振成像系统的低温冷却超导RF头部线圈阵列模块的玻璃杜瓦部分1，其中，玻璃杜瓦组件可以具有以下近似尺寸(仅作为示例提供，用于更清楚说明)圆柱体60的内直径、外直径和轴长度分别为230mm、236mm和254mm ；圆柱体62的内直径、外直径和轴长度分别为246mm、252mm和254mm ；圆柱体64的内直径、外直径和轴长度分别为观0讓、286mm和312mm ；圆柱体66的内直径、外直径和轴长度分别为296mm、302mm和330mm ；内底板(圆形/圆柱形)74具有236mm的直径和12. 7mm的厚度；外底板(圆形/圆柱形)76具有252mm的直径和12. 7mm的厚度；环(环形)66的内直径、外直径和厚度(轴向)分别为246mm、286mm和12. 7mm ；环(环形)68的内直径、外直径和厚度(轴向)分别为230mm、302mm和12. 7mm;环(环形)72的内直径、外直径和厚度(轴向)分别为^Omm、302mm和12. 7mm。还示出了 8个小间隔盘78中的两个，具有近似5mm的直径以及提供内底板74与外底板76之间约5mm的间隙的高度。在本示例实施例中，插件70封住环68中的标准真空端口(通过该端口对杜瓦内的腔抽真空)。可以理解，可以以各种方式将构造双壁杜瓦1构造为连续的、密封的玻璃外壳，封装内部室(或腔)4，在所述内部室4中维持至少低真空条件，根据一些实施例，优选地至少高度真空条件(例如约10_6托或更低压力)。例如，根据一些实施例，双壁杜瓦1可以如下制造(i)形成两个总体上圆柱形(例如，但是在穿过纵向/圆柱入口的截面中为六边形)的双壁结构，每个具有总体上U形的壁截面，第一个对应于连续玻璃壁部分Ia (包括圆柱体60和66、环68和板74)，第二个对应于连续壁部分Ib (包括圆柱体62和64、环66和板76) ； (ii)将总体上圆柱形的连续玻璃壁部分Ib装入总体上圆柱形的连续玻璃壁部分Ia的环形空间中，其间可以使用玻璃分隔物(例如在图2中标识为盘78) ； (iii)对Ia和Ib之间的开口端(即随后可密封地安装至不锈钢室8的端部，以下结合图3进一步描述)进行玻璃粘接、熔合或密封(例如通过将环72粘接、熔合或密封至开口端)，以将腔4密封于高度真空下；以及(iv)通过所示的标准真空端口，将腔4抽至高度真空，在抽至所需真空压力之后，(例如使用盖70)将真空端口密封。可以认识到，可以以多种方式执行真空密封步骤。例如，可以在真空室内将部分Ia和Ib彼此接合和密封，或者如上所述，Ia和Ib的端部可以彼此熔合，只留下小区域，该小区域用作抽真空端口并且在通过该小区域将腔抽至高度真空之后密封。在各个实施例中，双壁杜瓦1可以根据或类似于在2008年9月17日提交的美国申请No. 12/212，122中和2008年9月17日提交的美国申请No. 12/212，147中描述的密封的双壁结构(和真空隔热外壳)来实现，其全部内容通过引用并入此处。图3示意性示出了根据本发明的一些实施例，沿与图IA和IB中示出的实施例相对应的超导体(例如HTS)RF头部线圈阵列的纵轴的示意截面视图，所述超导体RF头部线圈阵列具有包括根据图2表示的各个实施例的杜瓦1在内的真空室。如图所示，杜瓦1可密封地接合至双壁不锈钢室8，双壁不锈钢室8包括凸缘，低温冷却器7可密封地安装至该凸缘。在各个实施例中，双壁不锈钢室8密封，封装内部室(或腔)12，在所述内部室12中维持至少低真空条件，根据一些实施例，优选地至少高度真空条件(例如约10_6托或更低压力)。作为示例，可以通过环氧粘接、焊接、或其他密封凸缘连接来形成密封的双壁杜瓦1(例如玻璃)与不锈钢室之间的接合，提供充分密封以在容纳超导RF线圈3和热导体5(即5a-5h)和15的内部室部分6中维持至少低真空条件(例如约10_2至约10_5托)。此外，作为示例，可以通过0环或其他密封机构(例如金属衬垫/刀口连接)来提供低温冷却器7与不锈钢室8的凸缘之间的真空密封，以类似地在容纳RF线圈3和热导体5和15的内部室部分6中维持至少低真空条件。然而，本领域技术人员理解，室8可以由不同于不锈钢的材料制成，例如铝或其他金属或非金属材料，如玻璃、陶瓷、塑料或这些材料的组合，这些其他材料可以合适地接合至杜瓦1和低温冷却器7。在各个实施例中，低温冷却器7可以被实现为各种单级或多级低温冷却器中的任一种，例如Gifford McMahon (GM)低温冷却器、脉冲管(PT)冷却器、Joule-Thomson (JT)冷却器、Striling冷却器或其他低温冷却器。在各个备选实施例中，超导体RF头部线圈阵列10可以被配置用于冷却，使得利用致冷剂(如液氦和液氮)来冷却线圈3。可以理解，尽管图中未示出，但是根据本发明各个实施例的低温冷却超导体RF线圈阵列(例如阵列10)包括至少一个电馈通(例如通过室8)，以提供将电信号耦合入和/或出阵列(例如用于RF线圈、用于控制和/或监视可以在模块中提供的任何传感器(例如压力和/或温度等等))。此外，可以理解，可以在真空室内提供每个RF线圈的接收机和/或(如果合适)发射机电路的至少一部分(例如放大器和/或滤波器和/或合适的匹配和/或去耦合电路)；例如，所述至少一部分可以布置在热导体5a4h上并与热导体5a4h热接触，其中，这种冷却可以提供用于改进噪声属性和/或使用超导组件用于这种电路的至少一部分。根据以上描述可以理解，根据本发明的各个实施例，超导RF头部线圈阵列10被实现为接收专用阵列，RF发射机被实现为单独的RF线圈(未示出)，在各个实施例中，所述单独的RF线圈可以是传统(例如非超导、如传统铜RF线圈)RF发射机线圈或超导RF发射线圈。这种单独的发射机线圈可以被配置在包括壁2的真空室外部(例如在杜瓦1外部)，或者在一些实施例中，可以被配置在包括壁2的真空室内(例如杜瓦1内)。例如，在RF发射线圈被实现为与RF接收机线圈分离的一个或多个超导RF发射线圈(例如高温超导体(HTS) RF发射机)的情况下，则在一些实施例中，这种一个或多个超导RF发射线圈可以被配置为与热导体中的一个或多个热接触。在一些实施例中，超导RF头部线圈阵列10可以实现为发射和接收天线阵列(收发机阵列)，其中超导RF线圈3a-3h中的一个或多个用于发送和接收RF信号。根据本发明的各个实施例，超导RF线圈元件3a_3h的一个或多个可以实现为多共振RF线圈元件(例如，包括具有不同共振频率的两个或更多接收线圈，例如用于检测在给定磁场(例如在3特斯拉(T))处的钠和氢共振)。在一些实施例中，超导RF线圈元件3a-3h中的两个或更多不同的元件可以被设计为具有不同的共振频率；例如，RF线圈元件3a.3c.3e和3g可以被调谐至第一共振频率(例如在3T处氢核子的共振频率)；RF线圈元件!3b、3d、3f和池可以被调谐至第二共振频率(例如在3T处钠核子的共振频率)。因此，根据本发明的各个实施例的超导RF头部线圈阵列可以用于同时或以时间复用的方式从不同类型的核子获取磁共振信号。还应理解，尽管上述附图示出了具有8个RF接收通道的超导RF头部线圈阵列的示例实施例(例如8个接收机线圈)，但是本发明的备选实施例可以包括具有少于或多于8个超导RF接收通道的超导RF头部线圈阵列(例如少于或多于8个RF接收机)。此外，如上所述，应当理解，根据本发明的一些实施例，根据本发明各个实施例的低温超导RF头部线圈阵列可以在采用超导梯度线圈的磁共振成像系统中实现(例如2009年4月1日提交的美国专利申请No. 12/416，606和2009年4月17日提交的临时申请No. 61/170，135中公开的超导梯度线圈，其全部内容通过引用并入此处)。在一些实施例中，超导梯度线圈中的一个或多个可以布置在与超导RF线圈相同的真空室内(例如，梯度线圈可以与热导体中与线圈3a-;3h接触的表面相对的表面热接触)。现在参照图4A和4B，示出了根据本发明一些实施例的超导体RF头部线圈阵列(模块)的示意备选实现。更具体地，图4A示意性示出了在包含纵轴的平面中的截面视图，与关于图3的实施例示出的截面视图类似(例如，使用与图1A、1B、2和3的实施例类似朝向的坐标系，查看x-z平面截面)；而图4B总体示出了从图4A的左侧看去的平面或端部视图，但是示出了不锈钢室8的切面或截面，以示出室8内的低温冷却器7的一部分。可以认识到，由于图4A和4B所示的实施例类似于图1A、1B、2和3的实施例，为了方便和易于引用，使用相同的参考标号来标识相应或相似的元件。还可以理解，图1B、2和3所示的实施例与图4A和4B所示的实施例的差别在于，前者的实施例被配置为使得布置在低温冷却器附近的端部封闭，而后者的实施例的杜瓦1和室8 (经由例如环氧粘接/密封16可密封地连接)被配置为使得布置在低温冷却器附近的端部开放。类似地，与图4A和4B的开放端设计相结合，导热环25(圆柱环)热耦合至每个热导体fe-h (图4A所示的如和5e)和低温冷却器7，低温冷却器7可密封地安装(例如经由0环密封凸缘19)至室8。本领域技术人员可以理解，如上述实施例中示出的总体上圆柱形的RF头部线圈阵列模块可以很好适用于例如采用产生实质上均勻的水平磁场的圆柱形螺线管主磁体结构的MRI系统。例如，在图5中示意性示出了这种MRI系统的纵截面，所述MRI系统包括圆柱形主磁体17，具有孔，与图4A和4B的超导体RF头部线圈阵列(模块)10相对应的超导体RF头部线圈阵列(模块)10布置在所述孔，所述孔还包括梯度线圈13。然而可以理解，可以利用不同于提供水平场的圆柱形螺线管磁体的主磁体配置来实现低温冷却超导RF头部线圈模块10，和/或例如可以利用开放磁体(如垂直磁体或双环磁体)来实现。还可以理解，根据各个实施例，主磁体17可以是全身扫描器的主磁体，或者可以是专用(例如头部专用)系统的主磁体(例如以下结合图7-12描述的主磁体)。图6示意性示出了根据本发明的一些实施例，包括热辐射屏蔽的示意RF头部线圈阵列。更具体地，图6示出了图4A所示的线圈的上半部，还示出了热辐射屏蔽17，热辐射屏蔽17用作进一步保护RF线圈3a和非金属热导体fe的低温免受来自双壁玻璃杜瓦的外壁和杜瓦外部环境的辐射加热的选项。热辐射屏蔽17可以由一个或多个材料制成，例如泡沫、纺织品、棉花或其他非金属良好隔热材料或其组合。如上所述，尽管根据上述实施例的超导体RF头部线圈阵列可以与全身MRI扫描器相结合来实现，但是这种RF头部线圈阵列可以备选地用于专门的头部专用MRI扫描器。根据本发明的一些实施例，专门的头部专用扫描器可以实现根据由以下附图表示并结合以下附图描述的实施例的超导体主磁体。然而可以理解，采用根据以下实施例的超导体主磁体的MRI扫描器可以采用各种RF线圈配置(例如阵列、非阵列类型、超导、非超导等等)，尽管一些实施例可以采用根据本发明的上述实施例实现的超导RF头部线圈阵列。图7示意性示出了头部专用MRI系统的超导主磁体的截面视图，超导主磁体包括双壁外壳41和螺线管/螺旋线圈42，其中所示的对象置于其中，对象的头部布置在主磁体的直径敏感体积43内。如图所示，双壁外壳41封装密封区域47，密封区域47处于至少低真空条件，但是优选地处于高度真空(例如10_6至10_12托)，还封装内部室区域45，内部室区域45中布置有超导线圈42，并且处于至少低真空条件(例如10_3至10_6托)。更具体的，根据一些实施例，超导主磁体是电磁系统，包括与低温系统(未示出)集成的真空隔热外壳41 (例如杜瓦)，以提供经由与超导线圈热接触的热导管(未示出)和散热器组件(未示出)来冷却超导线圈42。超导线圈可以实现为高温超导体(HTS)线圈，在一些实施例中，超导线圈可以包括以下超导体材料中的至少一个YBaCuO，BiSrCaCuO,TIBiCaCuO和MgB2。作为示例，内部室区域(其中布置线圈)中的温度可以在约77K-80K范围内。根据一些实施例，如图所示，线圈被配置为(i)第一组线圈，布置在第一区域中，以覆盖或环绕个人的头部，或者布置为与个人的头部相邻；以及(ii)第二组线圈，与第一组线圈同轴，并被布置在第二区域中，以覆盖或环绕个人肩部或躯干上部，或者布置为与个人肩部或躯干上部相邻，其中，第一组线圈的内半径小于第二组线圈的内半径，并且线圈被配置为在个人的头部的区域中提供均勻磁场。根据这里的公开，本领域技术人员可以理解，各个实施例可以改变每组线圈的数目、线圈半径、匝数、纵向位置和长度、以及每个线圈中的电流幅度和方向，以提供所需磁场分布。根据本发明的一些实施例，每个线圈的纵向位置和延伸、匝数和电流长度被设计为在第一区域内提供I-IOppm的均勻磁场以进行头部成像。作为示例，第一组线圈可以包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有约25-35cm范围内的内半径，并被布置在沿公共轴具有40-60cm范围内的长度的第一区域中，以覆盖人体的头部和颈部；第二组线圈可以包括至少一个线圈，所述至少一个线圈可以具有约30-40cm范围内的内半径，并被布置在沿公共轴具有15-25cm范围内的长度的第二区域，以覆盖人体躯干的一部分。在各个备选实施例中，第一和第二区域的长度可以例如分别在约20-70cm和10-40cm的范围内，第一和第二组线圈的内半径可以分别在约10-40cm和20-50cm的范围内。一些实施例可以采用分别在约10-20cm和20-30cm范围内的第一和第二区域的长度。此外，一些实施例可以采用分别在约10-20cm和20-30cm的第一和第二线圈的内半径。作为示意性示例，图8参照z-r平面，示出了根据本发明的一些实施例的示意性示例，以米(m)为单位的尺寸，具有0. 米的内半径的第一组线圈(例如对应于图7所示的4个最左侧线圈组)的纵向延伸L2，具有0. 38米的内半径的第二组线圈(例如对应于图7中最右侧的线圈组)的纵向延伸Li，以及DSV 43具有约0.1米的半径并相对于从第一至第二组线圈的转移(从L2至Li)沿ζ轴偏移约0. 05米。图9示出了与图7和8的示意实施例相对应的主磁体线圈布置的归一化电流分布。如图所示，根据一些实施例，至少一个线圈被卷绕为相对于其他线圈沿相反方向承载电流。图10是根据本发明的各个实施例，3T头部磁共振成像扫描器的示意性线圈图(在z-r平面中示出，单位归一化为米)。更具体地，有源屏蔽线圈51布置在外侧，主磁体线圈52包括8个线圈组，均质场的直径敏感体积(DSV) 53的直径约200mm(即约0. 1米的半径)。屏蔽线圈51可以具有在约60-70cm范围内的半径，尽管根据具体实现其他半径也是可能的。作为示意性非限制示例，下表提供了根据图10的实施例布置的线圈的尺寸和电流方向，其中第一组线圈包括线圈编号1至6 ；第二组线圈包括线圈编号7和8，屏蔽线圈标识为线圈9，Rl是内半径，R2是外半径，Zl是第一纵向位置，Z2是第二纵向位置，电流方向J标识为正⑴或负㈠。
权利要求
1.一种用于头部磁共振成像的系统，包括第一组和第二组高温超导体线圏，被配置为相对于公共纵轴同轴； 其中，第一组线圈包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第一区域中以覆盖人体的头部和颈部，第二组线圈包括至少ー个线圈，所述至少ー个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第二区域中以覆盖人体躯干的一部分，其中第二组线圈的内半径大于第一组线圈的内半径；以及其中，第一和第二线圈被配置为在第一区域中提供均勻磁场，以在个人的头部位于第一区域内时对个人的头部的感兴趣区域进行成像。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，每个线圈的纵向位置和延伸、匝数和电流方向被设计为在第一区域内提供I-IOppm的均勻磁场以进行头部成像。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，第一组线圈包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有25-35cm范围内的内半径，并布置在沿公共轴具有40-60cm范围内的长度的第一区域中；第二组线圈包括至少ー个线圈，所述至少一个线圈具有30-40cm范围内的内半径，并布置在沿公共轴具有15_25cm范围内的长度的第二区域中，以覆盖人体躯干的一部分。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述人体躯干的一部分包括肩部。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括真空隔热外売，包括双壁密封高真空封套，所述双壁密封高真空封套处于约10_6至10_12托的压力，并且封装了处于10_3至10_6托之间的压カ的低真空空间，其中高温超导体线圈布置在所述低真空空间中。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述低真空空间中的温度在大约77K-80K的范围内。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，高温超导体线圈包括从YBaCuO，BiSrCaCuO, TIBiCaCuO和MgB2构成的组中选择的至少ー个超导体材料。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，至少ー个线圈被卷绕为相对于其他线圈沿相反方向承载电流。
9.根据权利要求1所述的系统，还包括屏蔽线圈，环绕所述公共纵轴并与所述第一和第二线圈同轴。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述屏蔽线圈在第一和第二区域的长度上延伸。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述屏蔽线圈具有60-70cm范围内的半径。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，磁场的強度在约3.0至5. OT的范围内。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，第一和第二区域的长度分别为10-20cm和 20-30cmo
14.根据权利要求1所述的系统，其中，第一和第二组线圈的内半径分别为10-20cm和 20-30cmo
15.根据权利要求1所述的系统，还包括屏蔽线圏，其中所述第一组线圈包括6个线圏， 第二组线圈包括2个线圏，第一、第二和屏蔽线圈的尺寸和电流方向如下
16.根据权利要求1所述的系统，还包括超导体射频头部线圈阵列模块，布置为关于所述公共纵轴同轴，并被配置为至少接收在所述第一区域内产生的射频信号以进行成像， 所述个人的头部位于所述第一区域中。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述头部线圈阵列包括多个高温超导体线圈，布置为关于公共纵轴成方位角。
18.—种超导射频线圈阵列模块，用于进行低温冷却，包括真空隔热外売，包括双壁密封封套，所述双壁密封封套(i)在真空条件下封装密封的内部空间，并且(ii)实质上封装内部室区域，所述内部室区域与密封的内部空间分离，并被配置为被抽真空至真空条件；多个超导体射频线圏，布置在所述内部室区域中，每个射频线圈被配置用于产生射频信号和接收射频信号中的至少ー个，以进行磁共振成像和磁共振光谱分析中的至少ー个；至少ー个散热构件，布置在所述内部室区域中，并与所述超导体射频线圈热接触；以及端ロ，被配置为至少对散热构件进行低温冷却。
19.根据权利要求18所述的模块，其中，所述端ロ被耦合至低温冷却器，所述低温冷却器热耦合至所述至少ー个散热构件。
20.根据权利要求19所述的模块，其中，所述低温冷却器与所述端ロ的耦合提供了对所述内部室区域的密封，使得所述内部室区域处于真空条件下。
21.根据权利要求18所述的模块，其中，所述密封封套密封地接合至具有内部空间的室，所述具有内部空间的室与所述内部室区域同延并被配置为被抽真空至与所述内部室区域实质上相同的真空条件，其中，所述端ロ在所述室中提供。
22.根据权利要求21所述的模块，其中，所述室被配置为双壁室，所述双壁室封装处于真空的密封的壁内腔。
23.根据权利要求21所述的模块，其中，所述端口被耦合至低温冷却器，所述低温冷却器热耦合至至少一个散热构件。
24.根据权利要求23所述的模块，其中，低温冷却器与端口的耦合提供对所述内部室区域的密封，使得内部室区域处于真空条件下。
25.根据权利要求21所述的模块，其中，所述室是双壁不锈钢室。
26.根据权利要求21所述的模块，其中，密封的内部空间处于具有在约10_6至约10_12托范围内的真空压力的真空条件下；所述内部室区域处于具有在约10_2至约10_6托范围内的真空压力的真空条件下。
27.根据权利要求26所述的模块，其中，所述室被配置为双壁室，所述双壁室封装密封的壁内腔，所述密封的壁内腔处于具有在约10_6至约10_12托范围内的真空压力的真空条件下。
28.根据权利要求18所述的模块，其中，密封的内部空间处于具有在约10_6至约10_12托范围内的真空压力的真空条件下；所述内部室区域处于具有在约10_2至约10_6托范围内的真空压力的真空条件下。
29.根据权利要求18所述的模块，其中，每个射频线圈与所述散热构件中相应的一个直接热接触，所述散热构件中的每一个与所述散热构件中与低温冷却器热接触的另一个散热构件直接热接触。
30.根据权利要求18所述的模块，其中，所述射频线圈包括至少8个射频线圈，所述至少8个射频线圈关于公共纵轴以沿纵轴实质上公共的位移成方位角移位，并被配置用于对射频线圈所环绕的区域进行成像。
31.根据权利要求18所述的模块，其中，每个射频线圈被配置为接收而不发送射频信号。
32.根据权利要求18所述的模块，其中，所述超导体材料包括HTS材料。
33.根据权利要求18所述的模块，其中，所述真空隔热外壳和射频线圈被确定尺寸并配置用于头部成像而非全身成像。
34.根据权利要求33所述的模块，其中，所述射频线圈包括至少8个射频线圈，所述至少8个射频线圈关于公共纵轴以沿纵轴实质上公共的位移成方位角移位，并被配置用于对射频线圈所环绕的区域进行成像。
35.根据权利要求18所述的模块，其中，射频线圈阵列模块被确定尺寸并配置用于头部专用磁共振成像系统中，所述头部专用磁共振成像系统包括主电磁体系统，所述主电磁体系统包括第一组和第二组高温超导体线圈，被配置为相对于公共纵轴同轴；其中，第一组线圈包括至少两个线圈，所述至少两个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第一区域中以覆盖人体的头部和颈部，第二组线圈包括至少一个线圈，所述至少一个线圈具有内半径并布置在沿公共轴具有长度的第二区域中以覆盖人体躯干的一部分；其中，第一和第二线圈被配置为在第一区域中提供均勻磁场，以在个人的头部位于第一区域内时对个人的头部的感兴趣区域进行成像，而不是全身成像。
全文摘要
本发明提供了一种低温冷却超导RF头部线圈阵列，可以用于全身MRI扫描器和/或专门的头部专用MRI系统。还提供了一种专用于头部的MRI系统的超导主磁体系统，头部专用MRI系统可以包括这种超导主磁体和低温冷却超导RF头部线圈阵列。超导主磁体包括第一和第二组同轴线圈，其中第二组线圈的内半径大于第一组线圈的内半径。
文档编号G01R33/3415GK102597794SQ201080027525
公开日2012年7月18日 申请日期2010年4月20日 优先权日2009年4月20日
发明者马启元, 高尔震 申请人:美时医疗控股有限公司