КАТУШКА ЭКРАНИРОВАНИЯ ГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ С МЕАНДРОВОЙ ОБМОТКОЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВА МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2022 года по МПК G01R33/421 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области магнитно-резонансной томографии, в частности к катушкам экранирования градиента для устройства магнитно- резонансной томографии.

Уровень техники

В магнитно-резонансной томографии (МРТ) (или визуализации) используется магнитное поле для выравнивания ядерных спинов атомов в рамках процедуры получения изображений внутри тела пациента. Это магнитное поле называется основным магнитным полем или полем B0. Во время МРТ-сканирования радиочастотные (РЧ) импульсы, генерируемые передатчиком или усилителем и антенной, вызывают возмущения в локальном магнитном поле и могут использоваться для управления ориентацией ядерных спинов относительно поля B0. Пространственное кодирование магнитных спинов может быть выполнено с использованием так называемых градиентных катушек, которые применяются для наложения градиента магнитного поля на магнитное поле B0. РЧ сигналы, испускаемые ядерными спинами, обнаруживаются приемной катушкой, и эти РЧ сигналы используются для создания МРТ-изображений.

Магниты, применяемые для создания поля B0, обычно используют сверхпроводящие катушки. Магнитное поле, создаваемое градиентными катушками, может вызывать вихревые токи и, следовательно, рассеяние внутри сверхпроводящих катушек и внутри электропроводящих структур внутри сверхпроводящего магнита. Эти вихревые токи можно уменьшить, используя градиентные катушки с активным экранированием. В документе US 2016/0139221 A1 раскрывается такое активное экранирование в виде катушек экранирования градиента, которые окружают градиентные катушки устройства МРТ.

Согласно US 2016/0139221 A1 обеспечена магнитная градиентная катушка для системы магнитно-резонансной томографии. Магнитная градиентная катушка активно экранирована, при этом она служит для генерирования магнитного поля. Магнитное поле имеет цилиндрическую ось симметрии, причем градиентная катушка имеет длину, параллельную цилиндрической оси симметрии. Катушка с градиентным магнитным полем имеет внешнюю поверхность. Магнитное поле представляет собой внешнее магнитное поле снаружи внешней поверхности. Этовнешнее магнитное поле имеет по меньшей мере четыре области пониженного поля по длине, в которых модуль магнитного поля меньше, чем среднее значение модуля магнитного поля по длине.

Кроме того, из US 2010/0194393 А1 известно градиентное катушечное устройство, которое может подавлять генерирование ошибочного магнитного поля и, таким образом, вихревого тока, и которое может улучшать качество изображения поперечного сечения. Соответствующее устройство МРТ включает в себя первую катушку, генерирующую линейное распределение магнитного поля в области визуализации устройства МРТ, и вторую катушку, которая подавляет утечку магнитного поля от первой катушки к катушечному устройству с катушкой со статическим магнитным полем, создавая равномерное распределение магнитного поля в области визуализации.

Заявка на патент США предназначена для обеспечения надлежащей функции экранирования для экранированной градиентной катушки, в которой зазор между катушкой возбуждения и катушкой экранирования изменяется в зависимости от направления по окружности. Эта градиентная катушка с экранированием имеет схему намотки с двумя окружными извилистыми обмотками в радиально противоположных местах рядом с узкими областями зазора между катушкой возбуждения и катушкой экранирования.

Раскрытие сущности изобретения

Целью изобретения является дальнейшее уменьшение рассеяния в сверхпроводящих катушках и других электропроводящих структурах магнита системы МРТ.

Согласно изобретению, эта задача решена посредством объектов независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

Таким образом, в соответствии с изобретением обеспечена катушка экранирования градиента для устройства МРТ, содержащая обмотки вокруг своей продольной оси, при этом по меньшей мере одна обмотка выполнена в виде меандровой обмотки, содержащей множество смежных секций по ее окружности, причем в каждой из этих секций предусмотрена пара проводящих петель таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях.

Согласно изобретению большие циркулирующие токи в цилиндрических частях магнита преобразуются во множество локальных вихревых токов, которые вызывают меньшее рассеяние и меньшее механическое возбуждение этих частей. Оптимальное распределение тока для активного экранирующего слоя z-градиентной катушки обычно имеет низкую плотность тока на концах и возле средней плоскости катушки. Аппроксимация этого идеального распределения тока набором дискретных витков с пустыми промежутками между ними приводит к несовершенствам внешнего поля, что вызывает значительный циркулирующий ток в таких структурах, как радиозащитный экран или внутренняя обшивка туннеля магнита. Эти токи приводят к рассеянию и к механическому возбуждению этих компонентов. Путем преобразования этих круговых обмоток по меньшей мере в одну меандровую обмотку, как раскрыто выше, индуцированные токи в магните можно преобразовать в структуру очень локально циркулирующих токов. Эти вихревые токи затухают быстрее, меньше рассеиваются и вызывают меньшее механическое возбуждение. Таким образом, согласно изобретению рассеяние в магните можно уменьшить по меньшей мере в 2 раза.

Две проводящие петли, в общем, могут быть замкнутыми или почти замкнутыми. Однако, когда речь идет об этих проводящих петлях и о том, что ток течет в этих проводящих петлях в противоположных направлениях, это также включает в себя любой случай, когда эти проводящие петли образованы только частями меандровой обмотки, которые частично проходят в разных, предпочтительно в противоположных, направлениях, предпочтительно на одной длине окружности меандровой обмотки, то есть на одном участке меандровой обмотки.

В общем, проводящие петли могут располагаться в пределах секций по-разному. Однако согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения в каждой секции две проводящие петли расположены рядом друг с другом на одной длине по окружности обмотки.

Положительного результата изобретения можно достичь уже за счет обеспечения единственной пары проводящих петель в каждой секции. Альтернативно, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, в каждой секции предусмотрено множество пар петель так, чтобы ток в меандровой обмотке проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях соответствующей пары. В этой ситуации предпочтительно, чтобы в каждой секции проводящие петли располагались рядом друг с другом на одной длине по окружности обмотки.

Для достижения положительных результатов изобретения можно использовать различное расположение секций по окружности меандровой обмотки. Однако, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, секции с парами проводящих петель расположены на регулярном расстоянии друг от друга по окружности меандровой обмотки.

Кроме того, предпочтительно, чтобы градиентная катушка имела цилиндрическую форму с двумя открытыми концами, и чтобы по меньшей мере одна меандровая обмотка располагалась на одном из этих открытых концов. Также предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна меандровая обмотка располагалась на обоих этих открытых концах, соответственно. Кроме того, предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна меандровая обмотка располагалась возле средней плоскости катушки. Предпочтительно, чтобы плотность обмоток была меньше в области открытых концов и в области средней плоскости. Кроме того, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере две меандровые обмотки расположены в ее средней области.

Предпочтительно, рядом с меандровой обмоткой предусмотрена по меньшей мере одна криволинейная обмотка, при этом криволинейная обмотка не проходит прямо, но также не содержит каких-либо проводящих петель в виде меандровых обмоток. Предпочтительно, рядом с каждой меандровой обмоткой расположена криволинейная обмотка.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, меандровая обмотка изготовлена из медной пластины с использованием такого способа, как штамповка или резка водяной струей. Альтернативно, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения меандровая обмотка намотана из полого проводника.

Изобретение также относится к устройству МРТ, содержащему сверхпроводящий магнит для генерирования основного магнитного поля устройства МРТ и по меньшей мере одну градиентную катушку для генерирования градиентного магнитного поля, накладываемого на основное магнитное поле, причем градиентная катушка окружена сверхпроводящим магнитом, при этом сверхпроводящий магнит экранирован от градиентного магнитного поля вышеописанной катушкой экранирования градиента, которая расположена между сверхпроводящим магнитом и градиентной катушкой.

Согласно предпочтительному варианту осуществления устройства МРТ, градиентная катушка содержит седловидные обмотки возле средней плоскости градиентной катушки, при этом по меньшей мере одна меандровая обмотка расположена над седловидными обмотками возле средней плоскости градиентной катушки в области с плотностью обмоток, более низкой, чем в других областях, так что сверхпроводящий магнит экранирован от этих седловидных обмоток.

Изобретение также относится к способу экранирования сверхпроводящего магнита от градиентного магнитного поля, создаваемого градиентной катушкой устройства МРТ, путем размещения катушки экранирования градиента между сверхпроводящим магнитом и градиентной катушкой, причем катушка экранирования градиента содержит обмотки вокруг своей продольной оси, при этом по меньшей мере одна обмотка выполнена в виде меандровой обмотки, содержащей множество смежных секций по ее окружности, причем в каждой из этих секций предусмотрена пара проводящих петель таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях.

Предпочтительные варианты осуществления устройства МРТ и способ экранирования сверхпроводящего магнита от градиентного магнитного поля, генерируемого градиентной катушкой устройства МРТ, также являются результатом предпочтительных вариантов осуществления вышеописанных катушек экранирования градиента.

Краткое описание чертежей

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и объяснены при рассмотрении вариантов осуществления, раскрытых ниже в настоящем документе. Однако эти варианты осуществления не обязательно представляет полный объем изобретения, а для толкования объема изобретения в настоящем документе приведена формула изобретения.

На чертежах:

на фиг. 1 в разрезе схематически изображено устройство МРТ согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения,

на фиг. 2 на виде сбоку схематически изображена катушка экранирования градиента согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, и

на фиг. 3 схематично изображен увеличенный вид части меандровой обмотки 7 с фиг. 2.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 в разрезе схематично изображено устройство 1 МРТ согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления изобретения. Это устройство 1 МРТ содержит сверхпроводящий магнит 2 для генерирования основного магнитного поля (поле В0) устройства 1 МРТ. Этот сверхпроводящий магнит 2 содержит сверхпроводящие катушки, поскольку для MP томографии (визуализации) обычно требуется магнитное поле в несколько тесла. При визуализации это магнитное поле используется для выравнивания ядерных спинов атомов внутри объекта исследования, как правило - пациента 12, лежащего на столе 11 пациента в туннеле 14 устройства 1 МРТ. Во время МРТ-сканирования для генерирования радиочастотных (РЧ) импульсов, вызывающих возмущения локального магнитного поля используют РЧ катушку 3. Таким способом можно управлять ориентацией ядерных спинов относительно поля В0. Для пространственного кодирования магнитных спинов предусмотрены градиентные катушки 4, то есть катушки 4 с х-, у- и z-градиентом, которые накладывают градиент магнитного поля на магнитное поле В0, создаваемое сверхпроводящим магнитом 2.

Внешнее магнитное поле, генерируемое градиентными катушками 4, может вызывать вихревые токи и, следовательно, рассеяние в сверхпроводящих катушках сверхпроводящего магнита 2. Эти вихревые токи могут быть уменьшены с помощью катушек 5 экранирования градиента, то есть катушек 5 экранирования х-, у- и z -градиента, окружающих градиентные катушки 4 и, таким образом, экранирующих сверхпроводящие катушки сверхпроводящего магнита 2 от градиентных полей, генерируемых градиентными катушками 4. Как градиентные катушки 4, так и катушки 5 экранирования градиента могут охлаждаться, например, за счет протекания воды через полые проводники (не показано).

На фиг. 2 подробнее на виде сбоку схематично изображена катушка 5 экранирования z-градиента согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения. Как показано на фиг. 2, катушка 5 экранирования градиента имеет цилиндрическую форму с двумя открытыми концами и содержит прямые обмотки 6, криволинейные обмотки 13 и меандровые обмотки 7 вокруг своей продольной оси А. Катушка 5 с экранированием z-градиента антисимметрична относительно средней плоскости z=0.

На левом и правом конце катушки 5 экранирования z-градиента, а также в середине катушки экранирования z-градиента в области вокруг z=0 плотность обмоток меньше. В этих областях расположены меандровые обмотки 7. Рядом с меандровыми обмотками 7 предусмотрены криволинейные обмотки 13, которые проходят не прямо, как прямые обмотки 6, а имеют волнообразную форму. Между криволинейными обмотками 13 расположены регулярные, проходящие прямо обмотки 6. Расстояние друг от друга между прямыми обмотками 6 меньше, чем расстояние криволинейных обмоток 13 и меандровых обмоток 7 от соседних обмоток в областях на конце и в середине катушки 5 экранирования z-градиента. Следует отметить, что фиг. 2 представляет собой схематический вид, на котором для ясности и простоты понимания показано только уменьшенное количество обмоток 6, 7, 13.

Меандровые обмотки 7 содержат множество смежных секций 8, 8', 8'', 8''' по их окружности, причем в каждой из этих секций 8, 8', 8'', 8''' пара проводящих петель 9, 10 выполнена таким образом, что ток в меандровой обмотке 7 течет в противоположных направлениях в двух проводящих петлях 9, 10. Это показано подробнее на фиг. 3, которая представляет собой схематический увеличенный вид части меандровой обмотки 7 с фиг. 2, при этом направление электрического тока указано последовательными стрелками. Тогда как электрический ток в петле 9 с левой стороны имеет направление против часовой стрелки, электрический ток в петле 10 с правой стороны имеет направление по часовой стрелке.

Таким образом, большие циркулирующие токи в цилиндрических частях сверхпроводящего магнита 2 преобразуются во множество локальных вихревых токов, вызывающих меньшее рассеяние и меньшее механическое возбуждение в магните 2. За счет обеспечения меандровых обмоток 7 на обоих концах катушки 5 экранирования градиента и в области возле средней плоскости (z=0) катушки, индуцированные токи в сверхпроводящем магните 2 преобразуются в структуру токов, которые циркулируют только локально. Эти локальные вихревые токи затухают быстрее, меньше рассеиваются и вызывают меньшее механическое возбуждение в сверхпроводящем магните 2. Таким образом, рассеяние в сверхпроводящем магните 2 может быть уменьшено по меньшей мере в 2 раза.

Согласно настоящему предпочтительному варианту осуществления изобретения меандровые обмотки 7 и криволинейные обмотки 13 изготовлены из медной пластины, изготовленной штамповкой или водоструйной резкой. Альтернативно, согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения, меандровые обмотки 7 и криволинейные обмотки 13 могут быть намотаны из полого проводника.

Как можно понять из фиг. 2 и 3, в каждой секции 8 две проводящие петли 9, 10 расположены рядом друг с другом на одной длине по окружности меандровой обмотки 7. Хотя согласно предпочтительному варианту осуществления, представленному на фиг. 2 и 3, показана только одна пара петель 9, 10, следует подчеркнуть, что изобретение также позволяет обеспечить множество пар петель 9, 10 в каждой секции 8 таким образом, чтобы ток в меандровых обмотках 7 проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях 9, 10 соответствующей пары.

Кроме того, на фиг. 2 можно видеть, что в каждой секции проводящие петли 9, 10 расположены рядом друг с другом на одной длине по окружности меандровой обмотки 7, причем секции 8 с парами проводящих петель 9, 10 расположены на равном расстоянии друг от друга по окружности меандровой обмотки 7.

Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно раскрыто на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Другие варианты раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и реализованы специалистами в данной области техники при практическом применении заявленного изобретения на основе изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит/содержащий» не исключает других элементов или шагов, а употребление единственного числа не исключает множественности. Сам факт того, что определенные признаки изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих признаков не может применяться для получения преимуществ. Любые номера позиций в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем. Кроме того, для ясности, не все элементы на чертежах могли быть снабжены номерами позиций.

Перечень ссылочных обозначений

устройство МРТ - 1

магнит - 2

РЧ катушка - 3

градиентные катушки - 4

катушки экранирования градиента - 5

регулярные обмотки - 6

меандровые обмотки - 7

секции - 8

проводящая петля - 9

проводящая петля - 10

стол пациента - 11

пациент - 12

криволинейные обмотки - 13

туннель - 14

продольная ось катушки экранирования градиента - А

Использование: для магнитно-резонансной томографии (МРТ). Сущность изобретения заключается в том, что катушка экранирования градиентного магнитного поля для устройства магнитно-резонансной томографии содержит обмотки вокруг своей продольной оси, при этом по меньшей мере одна обмотка выполнена в виде меандровой обмотки, содержащей множество смежных секций по ее окружности, причем в каждой из этих секций предусмотрена пара проводящих петель таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях. Технический результат: обеспечение возможности дополнительного уменьшения рассеяния в сверхпроводящих катушках сверхпроводящего магнита устройства МРТ. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля для устройства (1) магнитно-резонансной томографии, содержащая обмотки (6, 7) вокруг своей продольной оси (A), при этом по меньшей мере одна обмотка (7) выполнена в виде меандровой обмотки (7), содержащей множество смежных секций (8) по ее окружности, причем в каждой из этих секций (8) предусмотрена пара проводящих петель (9, 10) таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке (7) проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях (9, 10).

2. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 1, в которой в каждой секции (8) две проводящие петли (9, 10) расположены рядом друг с другом на одной длине по окружности меандровой обмотки (7).

3. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 1 или 2, в которой в каждой секции (8) множество пар проводящих петель (9, 10) расположено таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке (7) проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях (9, 10) соответствующей пары.

4. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 3, в которой в каждой секции (8) проводящие петли (9, 10) расположены рядом друг с другом на одной длине по окружности меандровой обмотки (7).

5. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по любому из предшествующих пунктов, в которой секции (8) с парами проводящих петель (9, 10) расположены на регулярном расстоянии друг от друга по окружности меандровой обмотки (7).

6. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по любому из предшествующих пунктов, в которой катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля имеет цилиндрическую форму с двумя открытыми концами, при этом по меньшей мере одна меандровая обмотка (7) расположена на одном из этих открытых концов.

7. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 6, в которой по меньшей мере одна меандровая обмотка (7) расположена на обоих этих открытых концах, соответственно.

8. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 6 или 7, в которой по меньшей мере две меандровые обмотки (7) расположены в ее средней области.

9. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по любому из предшествующих пунктов, в которой рядом с меандровой обмоткой (7) расположена по меньшей мере одна криволинейная обмотка (13), при этом криволинейная обмотка (13) не проходит прямо в цилиндрической поверхности катушки экранирования градиентного магнитного поля, но также не содержит каких-либо проводящих петель, как меандровые обмотки (7).

10. Катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля по п. 9, в которой указанная криволинейная обмотка (13) расположена рядом с каждой меандровой обмоткой (7).

11. Устройство (1) магнитно-резонансной томографии, содержащее сверхпроводящий магнит (2) для генерирования основного магнитного поля устройства (1) магнитно-резонансной томографии и по меньшей мере одну градиентную катушку (4) для генерирования градиентного магнитного поля, накладываемого на основное магнитное поле, причем градиентная катушка (4) окружена сверхпроводящим магнитом (2), при этом сверхпроводящий магнит (2) экранирован от градиентного магнитного поля катушкой (5) экранирования градиентного магнитного поля по любому из пп. 1-7, которая расположена между сверхпроводящим магнитом (2) и градиентной катушкой (4).

12. Устройство (1) магнитно-резонансной томографии по п. 11, в котором градиентная катушка (4) содержит седловидные обмотки возле средней плоскости градиентной катушки (4), при этом по меньшей мере одна меандровая обмотка (7) расположена над седловидными обмотками возле средней плоскости градиентной катушки (4) таким образом, чтобы сверхпроводящий магнит (2) был экранирован от этих седловидных обмоток.

13. Способ экранирования сверхпроводящего магнита (2) от градиентного магнитного поля, генерируемого градиентной катушкой (4) устройства (1) магнитной резонансной томографии, путем размещения катушки (5) экранирования градиентного магнитного поля между сверхпроводящим магнитом (2) и градиентной катушкой (4), причем катушка (5) экранирования градиентного магнитного поля содержит обмотки (6, 7) вокруг своей продольной оси, при этом по меньшей мере одна обмотка (7) выполнена в виде меандровой обмотки (7), содержащей множество смежных секций (8) по ее окружности, при этом в каждой из этих секций (8) предусмотрена пара проводящих петель (9, 10) таким образом, чтобы ток в меандровой обмотке (7) проходил в противоположных направлениях в двух проводящих петлях (9, 10).