專利名稱：用于有效冷卻圓筒形磁共振成像系統(tǒng)中的患者膛的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來(lái)講，本發(fā)明涉及磁共振成像(MRI)系統(tǒng)，更具體來(lái)講，涉及為驅(qū)散MRI中使用的梯度線圈和RF線圈所產(chǎn)生的熱量而設(shè)計(jì)的組件。
背景技術(shù)：
當(dāng)諸如人體組織之類的物質(zhì)遇到均勻磁場(chǎng)(極化場(chǎng)B0)時(shí)，組織中自旋的各個(gè)磁矩試圖與極化場(chǎng)對(duì)齊，但在其特征拉莫爾頻率上按照隨機(jī)順序圍繞它進(jìn)動(dòng)。如果該物質(zhì)或組織遇到處于x-y平面中且接近拉莫爾頻率的磁場(chǎng)(激勵(lì)場(chǎng)B1)，則凈對(duì)齊力矩或“縱向磁化”Mz可以被旋轉(zhuǎn)或“翻倒”到x-y平面中，從而產(chǎn)生凈橫向磁運(yùn)動(dòng)Mt。在激勵(lì)信號(hào)B1結(jié)束之后由激勵(lì)的自旋發(fā)出信號(hào)，此信號(hào)可被接收和處理以形成圖像。
在患者掃描過(guò)程中，產(chǎn)生上述磁場(chǎng)的梯度線圈放出大量的熱，通常大約為數(shù)十千瓦。此熱量的大部分是通過(guò)當(dāng)激勵(lì)x、y和z軸梯度線圈時(shí)形成這些線圈的銅導(dǎo)電體的電阻加熱來(lái)產(chǎn)生的。所產(chǎn)生的熱量與施加到梯度線圈的電力成正比。大功耗不僅導(dǎo)致梯度線圈的溫度提高，而且所產(chǎn)生的熱在梯度線圈組件或共振模塊中散布，影響其它兩個(gè)臨界區(qū)域的溫度。這兩個(gè)區(qū)域位于梯度組件的邊界上，并且包括與容納磁體的低溫恒溫器相鄰的患者膛壁和暖膛壁。這三個(gè)區(qū)域中的每一個(gè)具有特定的最高溫度限制。在共振模塊中，存在材料溫度限制，如玻璃轉(zhuǎn)變溫度。也就是說(shuō)，雖然線圈的銅和纖維補(bǔ)強(qiáng)的襯板可容許超過(guò)120℃的溫度，用于把各層粘合在一起的環(huán)氧樹脂通常具有低得多的大約從70℃到100℃的最高工作溫度。調(diào)節(jié)極限決定了41℃的患者或表面的峰值溫度。暖膛壁還具有被限制為大約40℃的最高溫度，以防止過(guò)度熱量通過(guò)暖膛壁傳遞到低溫恒溫器中。此外，超過(guò)20℃的溫度變化可能因隨溫度呈現(xiàn)磁性變化的磁場(chǎng)墊片材料的溫度相關(guān)性而引起磁場(chǎng)均勻性變化。
傳統(tǒng)的梯度線圈中采用的高電流電平在線圈附近產(chǎn)生大量的熱。必須從線圈和磁體膛區(qū)域消除這種熱量，以免損壞線圈及相關(guān)結(jié)構(gòu)，從而避免因磁體元件發(fā)熱而引起磁場(chǎng)的不希望的變化，以及防止對(duì)膛中的患者或其它對(duì)象的不可接受的加熱。
用于梯度線圈的冷卻系統(tǒng)一般依靠把線圈的有效電路中產(chǎn)生的熱引導(dǎo)到與梯度線圈相距可能多達(dá)10mm的距離的輸水管。有效電路與水管之間的空間通常為具有良好隔熱性的材料、如玻璃纖維，使熱傳導(dǎo)效率低。輸水管也是從線圈發(fā)熱區(qū)域沿徑向向外的，導(dǎo)致最熱的區(qū)域最靠近被掃描的患者，而在熱區(qū)域與患者之間沒(méi)有直接冷卻。結(jié)果熱產(chǎn)生對(duì)線圈的操作施加了熱限制。一般來(lái)講，增大的峰值強(qiáng)度和高的患者吞吐量提高了工作電流和電壓。工作電流的增大產(chǎn)生附加熱負(fù)荷，超越現(xiàn)有熱系統(tǒng)的能力。
一般來(lái)講，先有裝置已經(jīng)采用某種形式的冷卻劑、通常為水或乙二醇，并且已經(jīng)提供了熱隔離。但是，更新的成像協(xié)議采用更高的功率級(jí)，并且要求進(jìn)行更多工作以允許這些高級(jí)研究而不超過(guò)溫度限制。另一些裝置采用空氣冷卻法，其中空氣直接吹進(jìn)患者膛。這種方法的主要限制在于，患者經(jīng)常抱怨太冷。另一缺點(diǎn)在于，氣流量可能根據(jù)患者體型而有極大變化，使得在一些情況下，不充分或不規(guī)則的氣流根本無(wú)法對(duì)患者進(jìn)行冷卻。

發(fā)明內(nèi)容
RF線圈創(chuàng)建B1磁場(chǎng)，B1磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)脈沖序列中的凈磁化。這些RF線圈在XY平面中產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)時(shí)還檢測(cè)橫向磁化。為了創(chuàng)建B1磁場(chǎng)，電流通過(guò)RF線圈以產(chǎn)生磁場(chǎng)。大電流引起的電阻加熱使患者不適，在極端情況下可能導(dǎo)致灼傷。因此，一個(gè)目的是提供這樣一種設(shè)備，除了保持RF線圈的電和磁性能之外，還通過(guò)減少患者膛中的熱負(fù)荷來(lái)使患者更舒適。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目的。本發(fā)明提供患者膛組件和RF線圈以及用于RF線圈的冷卻系統(tǒng)，其中包括內(nèi)圓筒、外圓筒和設(shè)置在圓筒之間的多個(gè)縱向隔板，從而建立多個(gè)冷卻劑通道。本發(fā)明的一個(gè)類似實(shí)施例在以螺旋形狀纏繞的內(nèi)和外圓筒之間提供連續(xù)隔板，從而為冷卻劑流形成連續(xù)通道。
本發(fā)明提供一種冷卻系統(tǒng)，用于循環(huán)冷卻劑以冷卻患者膛。在一個(gè)實(shí)施例中，患者膛包括兩個(gè)由縱向或螺旋狀敷設(shè)的隔板分隔的同心圓筒。隔板之間建立的間隙則用來(lái)傳遞冷卻流體、如空氣。如果采用除空氣之外的冷卻流體，則一般通過(guò)歧管將流體引入間隙，然后再通過(guò)另一端的第二歧管來(lái)收集流體，從而可以再循環(huán)。不產(chǎn)生MR信號(hào)的材料、如全氟化碳也可用來(lái)代替空氣。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，流體可沿結(jié)合到患者膛的外徑的管子傳送，使得朝向患者的膛的這些部分直接被冷卻。顯然，在患者膛中的加熱是不均勻的情況下，可優(yōu)化流體路徑，以便把流體引向需要最大冷卻的那些區(qū)域。在第三實(shí)施例中，RF線圈可形成患者膛的一部分，而螺旋形流體通道圍繞患者膛。
本發(fā)明還提供患者膛組件，它具有氣候控制系統(tǒng)，其中包括在患者膛內(nèi)的多個(gè)溫度傳感器，所述溫度傳感器以電子方式連接到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)則調(diào)節(jié)冷卻劑泵，使得冷卻劑的流量在溫度傳感器記錄到較高溫度時(shí)增加，而在達(dá)到適當(dāng)溫度時(shí)減少。


圖1是沿通過(guò)先有技術(shù)的MR梯度線圈組件的中心縱軸的面截取的剖面圖。
圖2是沿通過(guò)本發(fā)明的第二實(shí)施例的中心縱軸的面截取的剖面圖。
圖3是沿通過(guò)本發(fā)明的第三實(shí)施例的中心縱軸的面截取的剖面圖。
圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施例的從右上方看去的截面透視圖，說(shuō)明冷卻管的縱向取向。
圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施例的從右上方看去的截面透視圖，說(shuō)明冷卻管的螺旋取向。
圖6是本發(fā)明的第一實(shí)施例的從右上方看去的截面透視圖，說(shuō)明縱向取向的冷卻空間。
圖7是本發(fā)明的第一實(shí)施例的正視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在詳細(xì)地參照附圖，其中類似編號(hào)的元件對(duì)應(yīng)于所有圖中的類似元件，圖1表示MRI成像系統(tǒng)100包括先有技術(shù)的RF線圈130、梯度線圈114、磁體116和患者膛壁的那個(gè)部分。圖1所示的還有雙層環(huán)氧樹脂類材料123、125，用來(lái)隔開導(dǎo)電層。圖2表示MRI成像系統(tǒng)200包括用于本發(fā)明的MR成像系統(tǒng)的磁體216、梯度線圈214、患者膛壁240和RF磁體線圈230的那個(gè)部分。更具體地參照附圖，圖2表示用于MR成像系統(tǒng)(未示出)的MRI組件200，其中包括分別相對(duì)于公共通路A設(shè)置成同心配置的MR磁體216、圓筒形梯度線圈繞組214和RF線圈230。一般來(lái)講，連續(xù)冷卻管以螺旋式卷繞通過(guò)梯度線圈繞組214。梯度線圈繞組214彼此之間以及相對(duì)于磁體116和RF線圈通過(guò)用于層223和225的環(huán)氧樹脂保持為徑向間隔開的共軸關(guān)系，所述環(huán)氧樹脂包含氧化鋁微粒材料來(lái)增加其導(dǎo)熱性。
圖2中所示的還有患者膛圍壁240和RF線圈230，其中RF線圈230處于梯度線圈214之內(nèi)并與梯度線圈214同心。RF線圈230創(chuàng)建B1磁場(chǎng)，B1磁場(chǎng)在脈沖序列中旋轉(zhuǎn)凈磁化。這些RF線圈在XY平面中產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)時(shí)還檢測(cè)橫向磁化。通過(guò)讓電流經(jīng)過(guò)線圈、正如在梯度線圈214中那樣，實(shí)現(xiàn)RE線圈230的磁化。顯然，這也導(dǎo)致線圈的電阻加熱。RF線圈230接近患者造成患者不適的高可能性，尤其對(duì)于體型肥大的患者。
因此，如圖6和圖7所示，本發(fā)明的RF線圈的第一實(shí)施例在RF線圈130與患者膛壁140之間提供冷卻通道。此第一實(shí)施例提供內(nèi)圓筒131、同心外圓筒132和多個(gè)縱向隔板133?？v向隔板133把內(nèi)圓筒131連接到外圓筒132。兩個(gè)同心圓筒之間的縱向隔板之間的孔用于冷卻劑通道134。本發(fā)明所提供的還有連續(xù)螺旋隔板(未示出)，它也把內(nèi)圓筒131連接到外圓筒132，并通過(guò)螺旋通道(未示出)提供冷卻劑通道。隔板以及內(nèi)、外圓筒通常由復(fù)合材料制成。如上所述的隔板135的螺旋取向可增加患者膛管140的強(qiáng)度和硬度。這種配置所建立的間隙則用于讓冷卻流體、如空氣或某種不產(chǎn)生MR信號(hào)的流體通過(guò)其中。流體通常通過(guò)一端的第一歧管引入冷卻通道，并通過(guò)另一端的第二歧管收集。以通常均勻的方式分配流體并收集加熱的流體的任何類型的歧管可用來(lái)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)，所采用的歧管類型不是本發(fā)明的限制。顯然，如果空氣用來(lái)冷卻RF線圈130，則不需要輔助歧管。
雖然沒(méi)有具體表明，但在冷卻流體通過(guò)RF線圈循環(huán)之后，在歧管中被收集。一旦處于歧管中，通常采用泵來(lái)首先把流體抽運(yùn)通過(guò)熱交換器，以便消除因電阻加熱而產(chǎn)生的熱量，然后再使流體通過(guò)冷卻通道循環(huán)。
如圖2所示的本發(fā)明的第二實(shí)施例在患者膛圍壁240與RF線圈230之間提供結(jié)合到患者膛圍壁240的多個(gè)管子。如前面所述，冷卻管232可相對(duì)于RF線圈230設(shè)置成螺旋或縱向關(guān)系。顯然，在此實(shí)施例中，不需要歧管在冷卻劑通過(guò)冷卻管232之后收集它，只是將它輸送到泵，通過(guò)熱交換器，然后再送回冷卻管232中。
如圖3所示的本發(fā)明的第三實(shí)施例300同樣在梯度線圈314與磁體316之間提供RF線圈330、梯度線圈314和環(huán)氧樹脂層325。第三實(shí)施例還提供構(gòu)成患者膛圍壁340的組成部分的多個(gè)冷卻管332。此實(shí)施例的冷卻管也可相對(duì)于RF線圈設(shè)置成螺旋或縱向關(guān)系。此第三實(shí)施例是本發(fā)明的最具空間效率的實(shí)施例。顯然，在任何實(shí)施例中，管道系統(tǒng)可經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，使得冷卻劑流可引向加熱更強(qiáng)烈的區(qū)域。
圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施例的示范，表示冷卻管232的縱向配置。為了進(jìn)行比較，在圖4中說(shuō)明對(duì)于第二實(shí)施例所述的冷卻管232的螺旋配置。
梯度線圈114在產(chǎn)生磁場(chǎng)時(shí)因銅線圈的電阻而產(chǎn)生數(shù)千瓦的熱量。為了MRI機(jī)器的正常工作以及為了患者的舒適，必須驅(qū)散這種熱量。如上所述，冷卻劑，諸如水、空氣、全氟化碳、乙二醇、丙二醇或者上述任何物質(zhì)的混合物循環(huán)通過(guò)梯度線圈。冷卻劑則從RF線圈中帶走熱量。雖然圖4和圖5中只表示了用于冷卻劑的單個(gè)入口和單個(gè)出口，但在其它實(shí)施例中，或者因?yàn)槔鋮s管/通道134、232、332是圍繞成像體積的環(huán)狀，或者因?yàn)樾枰蟮妮d熱容量來(lái)消除擴(kuò)展MRI研究引起的熱負(fù)荷，所以可以有多個(gè)入口和出口。
有許多可能性可用于讓冷卻劑循環(huán)通過(guò)RF線圈，并且意味著沒(méi)有任何特定方法和設(shè)備是本發(fā)明的限制。但是，提供冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的一種可能方式是提供冷卻劑泵，使冷卻劑以隨系統(tǒng)需要而定的溫度并根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行循環(huán)。
進(jìn)入RF線圈130、230、330的冷卻劑通過(guò)冷卻管/通道134、232、332，同時(shí)從線圈中吸收熱量。然后，傳輸熱負(fù)荷的冷卻劑被從RF線圈中排出，并退出到熱交換器中。熱交換器設(shè)置成消除從冷卻劑吸收的熱量，并把冷卻劑溫度降低到計(jì)算機(jī)控制(未示出)所規(guī)定的預(yù)期溫度。
計(jì)算機(jī)控制器將從用于調(diào)節(jié)患者膛的溫度的溫度傳感器中取得信息。如果溫度傳感器讀取高于預(yù)期水平的溫度，則計(jì)算機(jī)向泵發(fā)送信號(hào)以增加冷卻劑流量。如果溫度下降到指定值以下，則計(jì)算機(jī)可減少或暫停冷卻劑流量，例如在MRI沒(méi)有工作時(shí)。
因此，已經(jīng)公開了一種用于冷卻MRI磁體中的RF線圈的改進(jìn)裝置。本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)提供一種冷卻劑泵，用于讓冷卻劑循環(huán)通過(guò)RF線圈130四周。冷卻劑流量由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)，計(jì)算機(jī)從位于患者膛140內(nèi)的多個(gè)溫度傳感器接收信息。如果計(jì)算機(jī)讀取的溫度高于或低于所需溫度，則向冷卻劑泵發(fā)送信號(hào)以增加或減少冷卻劑流量。
應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，用于冷卻RF線圈的上述發(fā)明可應(yīng)用于開放式體系結(jié)構(gòu)MRI成像系統(tǒng)。雖然沒(méi)有用圖來(lái)表示，但開放式體系結(jié)構(gòu)MRI成像系統(tǒng)包括患者膛壁、RF線圈，并且還可包括連接到患者膛圍壁或?qū)嶋H嵌入RF線圈之中的冷卻管。
雖然極為具體地描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但是要理解，只要不背離本發(fā)明的范圍，可對(duì)所公開的改進(jìn)方案進(jìn)行修改。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的范圍不受說(shuō)明和附圖的過(guò)多限制，而是由權(quán)利要求的最廣義的可能解釋來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種患者膛冷卻組件，用于圓筒形MR成像系統(tǒng)中的RF線圈(330)，包括具有內(nèi)壁的一般圓筒形的RF線圈(330)，以及連接到所述RF線圈(330)的多個(gè)冷卻通道(332)。
2.如權(quán)利要求1所述的患者膛冷卻組件，其特征在于，所述多個(gè)冷卻通道還包括外圓筒(132)，連接到所述RF線圈(130)的內(nèi)壁，與所述外圓筒(132)同心的內(nèi)圓筒(131)，以及多個(gè)縱向隔板(133)，從所述內(nèi)圓筒(131)向外徑向延伸并連接到所述外圓筒(132)。
3.一種患者膛冷卻組件，用于圓筒形MR成像系統(tǒng)(100)中使用的RF線圈，包括空心圓筒配置的梯度線圈繞組(114)，空心圓筒形RF線圈(130)，與所述梯度線圈(114)同心并且略小于所述梯度線圈(114)，外圓筒(132)，連接到所述RF線圈(130)，與所述外圓筒(132)同心的內(nèi)圓筒(131)，以及多個(gè)隔板(133)，從所述內(nèi)圓筒(131)向外徑向延伸并連接到所述外圓筒(132)，形成所述內(nèi)外同心圓筒(131)和(132)之間的冷卻通道(134)。
4.如權(quán)利要求3所述的患者膛冷卻組件，其特征在于，所述圓筒(131)具有軸，以及所述隔板(133)沿所述圓筒(131)的軸縱向設(shè)置。
5.如權(quán)利要求4所述的患者膛冷卻組件，其特征在于，所述隔板(133)圍繞所述內(nèi)圓筒(131)螺旋式設(shè)置。
6.一種患者膛冷卻組件，用于圓筒形MR系統(tǒng)中的RF線圈(130)，包括空心圓筒配置的梯度線圈繞組(114)，所述梯度線圈繞組(114)內(nèi)的空心圓筒配置的RF線圈(230)，在具有內(nèi)壁和外壁的所述RF線圈(114)之內(nèi)的一般圓筒形的患者膛(240)，以及螺旋配置的冷卻管(232)，連接到所述患者膛(240)的外壁。
7.如權(quán)利要求6所述的患者膛冷卻組件，其特征在于還包括多個(gè)連接管，使流體通過(guò)所述循環(huán)連接管的泵，以及熱交換器，冷卻所述連接管中的流體。
8.如權(quán)利要求7所述的患者膛冷卻組件，其特征在于還包括設(shè)置在所述患者膛組件(240)內(nèi)的多個(gè)溫度傳感器，計(jì)算機(jī)，以電子方式鏈接到所述冷卻劑泵以及所述溫度傳感器，所述計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)編程，從而在患者膛(240)溫度上升的情況下增加冷卻劑流量，并在冷卻劑溫度下降的情況下減少冷卻劑流量。
9.一種患者膛冷卻組件，用于圓筒形MR系統(tǒng)中的RF線圈(130)，其中包括多個(gè)縱向冷卻通道，所述冷卻通道嵌入所述圓筒形RF線圈(130)本身內(nèi)。
10.如權(quán)利要求9所述的患者膛冷卻組件，其特征在于還包括多個(gè)連接管，吸入歧管，把冷卻劑從連接管引向所述縱向管，排出歧管，把冷卻劑從所述縱向管收集到連接管，泵，使流體通過(guò)所述循環(huán)連接管，以及熱交換器，冷卻所述連接管中的流體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種冷卻系統(tǒng)，用于循環(huán)冷卻劑以冷卻患者膛(140)。在一個(gè)實(shí)施例中，患者膛(140)包括兩個(gè)由縱向或螺旋狀敷設(shè)的隔板(133)分隔的同心圓筒(131，132)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，流體可沿結(jié)合到患者膛(240)的外徑的管子(232)以螺旋形或縱向傳送，使得朝向患者的膛的這些部分直接被冷卻。在第三實(shí)施例中，RF線圈(330)可形成患者膛(340)的一部分，而螺旋或縱向流體通道332圍繞患者膛(340)。
文檔編號(hào)H01F7/20GK1623504SQ200410056398
公開日2005年6月8日 申請(qǐng)日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月7日
發(fā)明者N·克拉克, M·B·塞勒斯, M·L·阿爾福特, A·曼通 申請(qǐng)人:Ge醫(yī)療系統(tǒng)環(huán)球技術(shù)有限公司