Комплект сверхпроводящих рч-катушек с криогенным охлаждением для головы и система магнитно-резонансной томографии (мрт) только для головы, использующая такой комплект рч-катушек
Изобретение относится вообще к магнитно-резонансной томографии и спектроскопии. Система для магнитно-резонансной томографии головы, содержащая асимметричный основной магнит, который содержит первый и второй наборы катушек из высокотемпературного сверхпроводника, скомпонованные таким образом, что они расположены коаксиально относительно общей продольной оси, при этом первый набор катушек содержит по меньшей мере две катушки, имеющие внутренний радиус и размещенные в первой зоне по длине вдоль общей продольной оси так, чтобы охватывать голову и шею человека, а второй набор катушек содержит по меньшей мере одну катушку, имеющую внутренний радиус и размещенную во второй зоне по длине вдоль общей продольной оси так, чтобы охватывать часть туловища человека, когда голова и шея расположены в указанной первой зоне по длине вдоль общей продольной оси, при этом внутренний радиус катушек второго набора больше, чем внутренний радиус катушек первого набора, причем катушки первого и второго наборов асимметричны вдоль указанной общей продольной оси и сконфигурированы с возможностью создания однородного основного магнитного поля, имеющего однородность 1-10·10-6 в чувствительном объеме, определяемом диаметром, в пределах первой зоны, для получения магнитного резонансного изображения исследуемой области головы, размещенной в пределах первой зоны. Технический результат - повышение пространственной и временной разрешающей способности. 15 з.п. ф-лы, 1 табл., 12 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится вообще к магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, и, в частности, к аппаратуре для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, использующей элементы из сверхпроводника, и к способам изготовления такой аппаратуры.
Уровень техники
Технические средства магнитно-резонансной томографии (МРТ) широко используются в настоящее время в больших медицинских учреждениях во всем мире и создали значительные и уникальные преимущества при использовании в медицинской практике. Хотя МРТ была разработана как надежный общепризнанный инструмент визуализации структуры и анатомии, она также была разработана для визуализации функциональной активности и других биофизических и биохимических характеристик или процессов (например, ток крови, метаболиты/обмен веществ, метаболизм, диализ). Некоторые из методов магнитно-резонансной томографии известны как функциональная МРТ, спектроскопическая МРТ или магнитно-резонансная спектроскопическая томография (МРСТ), диффузно-взвешенная томография (ДВТ), диффузионно-тензорная томография (ДТТ). Эти методы магнитно-резонансной томографии получили широкое клиническое и научное применение в дополнение к их значению в медицинской диагностике для идентификации и оценки патологии и определения состояния жизнеспособности обследуемой живой ткани.
При проведении обычного обследования с помощью магнитно-резонансной томографии тело пациента (или выбранный тестовый объект) размещают в зоне исследования и поддерживают с помощью стола для пациента в магнитно-резонансном томографе, где с помощью главного (основного) магнита создается по существу постоянное и однородное главное (основное) магнитное поле. Магнитное поле упорядочивает ядерную намагниченность прецессирующих в теле пациента атомов водорода (протонов). Система градиентных катушек, размещенная с внутренней стороны вышеупомянутого магнита, создает небольшие изменения магнитного поля в заданном месте, обеспечивая тем самым кодирование резонансной частоты в зоне визуализации. Для генерирования в пациенте кратковременного сигнала осциллирующей поперечной намагниченности избирательно в импульсном режиме и с управлением от компьютера приводят в действие радиочастотную катушку (РЧ-катушку) для генерирования в пациенте кратковременного сигнала осциллирующей поперечной намагниченности. Генерируемый кратковременный сигнал осциллирующей поперечной намагниченности детектируется РЧ-катушкой и посредством компьютерной обработки может быть отображен для пространственно локализованных зон пациента, обеспечивая тем самым получение изображения обследуемой зоны.
В обычной конструкции магнитно-резонансного томографа статическое основное магнитное поле, как правило, создают с помощью электромагнита, а стол с пациентом размещают в цилиндрическом объеме, ограниченном обмотками соленоида (т.е. во внутреннем канале основного магнита). Обмотки основного поля обычно выполняют из низкотемпературного сверхпроводящего материала и охлаждают с помощью жидкого гелия для снижения электрического сопротивления и, следовательно, для минимизации количества выделяемой теплоты и количества энергии, необходимой для создания и поддерживания основного поля. Большинство существующих сверхпроводящих магнитов для МРТ, использующих низкотемпературные сверхпроводники, изготавливают из сплава титан-ниобий (NbTi) и/или материала, содержащего Nb3Sn, который охлаждают с помощью криостата до температуры 4,2 К.
Как известно специалистам в данной области техники, градиентные катушки обычно сконфигурированы для избирательного создания линейных градиентов магнитного поля вдоль каждой из трех основных осей декартовой системы в пространстве (одна из этих осей является направлением основного поля), так что величина магнитного поля изменяется в зависимости от места в зоне исследования, и характеристики сигналов магнитного резонанса из различных мест исследуемой области зоны, такие как частота и фаза сигналов, кодируют в соответствии с координатой внутри этой области (обеспечивая тем самым пространственную локализацию). Как правило, градиентные поля формируются электрическим током, протекающим через обмотки, навитые на электромагнит или седлообразную катушку, которые прикреплены к цилиндрам, установленным коаксиально внутри цилиндра большего диаметра, содержащего обмотки основного магнитного поля. В отличие от основного магнитного поля, катушки, используемые для создания градиентных полей, как правило, представляют собой обычные медные обмотки, имеющие комнатную температуру. Градиентная напряженность и линейность поля имеют фундаментальное значение, как для точности деталей полученного изображения, так и для информации о химическом составе исследуемой ткани (например, в МРСТ).
Со времени возникновения МРТ проводились непрерывные поиски улучшения качества и характеристик МРТ, например, за счет обеспечения более высокой пространственной разрешающей способности, лучшего разрешения по спектру (например, для МРСТ), большей контрастности и повышения скорости получения необходимых данных (скорости проведения исследования). Например, желательна повышенная скорость визуализации (скорость получения необходимых данных) для того, чтобы минимизировать размытие изображения, вызванное временными изменениями, происходящими в области, отображаемой в процессе проведения томографии, например, изменений вследствие движений пациента, естественных анатомических и/или функциональных движений (например, сокращение сердца, дыхание, ток крови) и/или естественные биохимические изменения (вызванные при проведении МРТ, например, метаболизмом). Подобным образом, например, поскольку при проведении спектроскопической МРТ импульсный режим получения данных кодирует спектральные данные в дополнение к данным о пространственных параметрах, минимизация времени, необходимого для получения достаточной спектральной и пространственной информации для получения желаемого спектрального разрешения и пространственной локализации, является в особенности важным фактором улучшения клинической полезности и ценности спектроскопической МРТ.
Различные факторы вносят вклад в лучшее качество изображения в МРТ с точки зрения высокой контрастности, разрешающей способности и скорости сбора необходимых данных. Важным параметром, влияющим на качество изображения и скорость сбора данных, является отношение «сигнал-шум» (ОСШ). Увеличение ОСШ за счет увеличения сигнала перед предварительным усилителем системы МРТ является важным с точки зрения улучшения качества изображения. Один путь улучшения (увеличения) ОСШ заключается в повышении магнитной индукции магнита, поскольку величина ОСШ пропорциональна величине магнитного поля. В клинических применениях, однако, МРТ имеет потолок по величине напряженности поля магнита (в настоящее время этот потолок согласно стандарту US FDA (Управление пищевых продуктов и медицинских препаратов США) составляет 3 Тл (тесла)). Другие пути улучшения ОСШ включают, где это возможно, снижение шума от тестового объекта за счет уменьшения области сканирования (где это возможно), уменьшения расстояния между тестовым объектом и радиочастотными катушками и/или уменьшения шума от радиочастотных катушек.
Несмотря на непрерывные усилия по усовершенствованию МРТ и многочисленные достижения в этом направлении, тем не менее, существует постоянная необходимость в еще больших усовершенствованиях в области МРТ, например, для обеспечения большей контрастности, улучшенного ОСШ, быстродействия, более высокой пространственной и временной разрешающей способности, и/или более высокого разрешения по спектру.
Кроме того, значительным фактором, влияющим на дальнейшее применение метода МРТ, являются высокие затраты, связанные с созданием систем с сильными магнитными полями, как по их приобретению, так и по эксплуатации. Таким образом, может быть выгодным создание высококачественной системы визуализации с применением МРТ, которую можно было бы изготовить и/или эксплуатировать при умеренных допустимых затратах, позволяющих использовать метод МРТ более широко.
Раскрытие изобретения
Различные воплощения настоящего изобретения обеспечивают комплект сверхпроводящих РЧ-катушек для головы с криогенным охлаждением, которые могут быть использованы в магнитно-резонансных томографах для томографии всего тела и/или в системах МРТ, специально предназначенных только для томографии головы (называемые здесь также «системы МРТ, специально предназначенные для головы», «системы МРТ только для головы» или тому подобное). Некоторые воплощения изобретения обеспечивают систему МРТ, специально предназначенную для головы, и, в частности, различные воплощения обеспечивают сверхпроводящий основной магнит для системы МРТ, специально предназначенной для головы, и в некоторых воплощения, кроме того, содержащей комплект сверхпроводящих РЧ-катушек с криогенным охлаждением, соответствующих воплощениям настоящего изобретения.
В соответствии с некоторыми воплощениями система магнитно-резонансной томографии головы содержит: первый и второй набор катушек из высокотемпературного сверхпроводника, которые скомпонованы таким образом, что они расположены коаксиально относительно общей продольной оси; при этом первый набор катушек содержит, по меньшей мере, две катушки, имеющие некоторый внутренний радиус и размещенные в первой зоне некоторой длины вдоль общей оси так, чтобы охватывать голову и шею тела человека, а второй набор катушек содержит, по меньшей мере, одну катушку, имеющую некоторый внутренний радиус и размещенную во второй зоне некоторой длины вдоль общей оси так, чтобы охватывать часть туловища человека; при этом первая и вторая катушки сконфигурированы для создания однородного магнитного поля в первой зоне для получения изображения исследуемой области головы человека, размещенной в пределах первой зоны.
Продольное местоположение и протяженность, количество витков и направление электрического тока для каждой катушки могут быть в соответствии с некоторыми воплощениями рассчитаны для получения в пределах первой зоны томографии головы однородного магнитного поля с относительной неоднородностью 1-10 ppm. Первый набор катушек может иметь внутренний радиус в интервале 25-35 см и расположен в первой зоне, длина которой вдоль общей оси находится в интервале 40-60 см, а второй набор катушек может иметь внутренний радиус в интервале 30-40 см и расположен во второй зоне, длина которой вдоль общей оси находится в интервале 15-25 см так, что он охватывает часть туловища человека, которая может включать в себя плечи.
В соответствии с некоторыми воплощениями, по меньшей мере, одна катушка может быть намотана таким образом, чтобы проводить ток в противоположном направлении относительно тока в остальных катушек. Система МРТ может, кроме того, содержать экранирующую катушку, которая охватывает указанную общую продольную ось, расположена коаксиально с первой и второй катушками, и может иметь протяженность, соответствующую длине первой и второй зон.
Система магнитно-резонансной томографии головы может содержать также модуль с комплектом радиочастотных сверхпроводящих катушек для головы, расположенных соосно по отношению к указанной общей продольной оси и сконфигурированных, по меньшей мере, для приема радиочастотных сигналов, генерируемых в пределах указанной первой зоны, в которой размещают голову человека для получения ее изображения. Такой комплект радиочастотных катушек для головы может содержать большое число катушек и высокотемпературные сверхпроводники, расположенные азимутально вокруг общей продольной оси.
Некоторые воплощения обеспечивают модуль, содержащий комплект радиочастотных сверхпроводящих катушек, сконфигурированных для криогенного охлаждения, содержащий: корпус с вакуумной тепловой изоляцией, представляющий собой герметично уплотненный кожух с двойными стенками, который (i) заключает в себе герметично уплотненную внутреннюю полость, находящуюся в условиях вакуума, и (ii) по существу вмещает часть внутренней полости (вакуумную камеру), которая отделена от герметично уплотненной внутренней полости и выполнена с возможностью ее откачивания до условий вакуума; большое количество радиочастотных катушек из сверхпроводника, размещенных в указанной отдельной части внутренней полости, при этом каждая радиочастотная катушка выполнена для генерирования и/или приема радиочастотного сигнала для осуществления магнитно-резонансной томографии и/или магнитно-резонансной спектроскопии; по меньшей мере, один теплоотводящий элемент, размещенный в указанной отдельной части внутренней камеры и находящийся в тепловом контакте со сверхпроводящими радиочастотными катушками; и отверстие, сконфигурированное для криогенного охлаждения, по меньшей мере, указанного теплоотводящего элемента. Отверстие может быть соединено с криогенным охладителем, который имеет тепловую связь, по меньшей мере, с одним теплоотводящим элементом.
В некоторых воплощениях каждая радиочастотная катушка находится в непосредственном тепловом контакте с одним из соответствующих теплоотводящих элементов, каждый из которых находится в непосредственном контакте с другим из теплоотводящих элементов, находящемся в тепловом контакте с криогенным охладителем.
Радиочастотные катушки могут включать в себя, по меньшей мере, восемь радиочастотных катушек, которые расположены азимутально вокруг общей продольной оси по существу при их общем расположении вдоль продольной оси, и сконфигурированы для получения визуального изображения зоны, окруженной радиочастотными катушками. Каждая из радиочастотных катушек может быть сконфигурирована для того, чтобы принимать и не передавать радиочастотные сигналы.
Корпус с вакуумной тепловой изоляцией и радиочастотные катушки могут иметь размеры и конфигурацию для томографии только головы, а не всего тела. В некоторых воплощениях модуль с комплектом радиочастотных катушек имеет геометрические размеры и конфигурацию для использования в магнитно-резонансном томографе только для головы, который содержит систему с основным электромагнитом, содержащую: первый и второй набор катушек из высокотемпературного сверхпроводника, которые сконфигурированы так, чтобы они были расположены коаксиально по отношению к общей продольной оси; при этом первый набор катушек содержит, по меньшей мере, две катушки, имеющие внутренний радиус и расположенные в первой зоне вдоль общей оси так, чтобы они охватывали голову и шею тела человека, и второй набор катушек содержит, по меньшей мере, одну катушку, имеющую внутренний радиус и расположенную во второй зоне вдоль общей оси так, чтобы охватывать часть туловища человека; при этом первая и вторая катушка сконфигурированы так, чтобы создавать однородное магнитное поле в первой зоне для получения визуального изображения выбранной для исследования области головы человека при ее размещении в указанной первой зоне.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что вышеприведенное краткое описание и нижеследующее подробное описание являются для настоящего изобретения иллюстративными и поясняющими, и не предназначены для его сужения или ограничения преимуществ, которые могут быть достигнуты этим изобретением. Кроме того, понятно, что изложенная выше сущность изобретения является характеристикой некоторых воплощений изобретения, и не является ни показательной, ни охватывающей весь объект и все воплощения в пределах объема настоящего изобретения. При этом сопровождающие чертежи, на которые здесь даны ссылки и которые являются частью, иллюстрирующей воплощения этого изобретения, служат вместе с подробным описанием для пояснения принципов воплощений изобретения. Аспекты, характерные особенности и преимущества воплощений изобретения, как в части конструктивного выполнения, так и в части их функционирования, будут понятны и станут более очевидными после раскрытия изобретения в нижеследующем описании, изложенном в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых одинаковыми ссылочными номерами позиции обозначены одни и те же или сходные элементы для всех различных фигур.
Краткое описание чертежей
Аспекты, характерные особенности и преимущества воплощений изобретения, как в части конструкции, так и в части их функционирования будут понятны и станут более очевидно выраженными при раскрытии изобретения в нижеследующем описании, изложенном в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых одинаковыми ссылочными номерами позиции обозначены одни и те же или сходные элементы для всех различных фигур.
Фиг. 1А и фиг. 1B - схематическое изображение взаимно перпендикулярных видов, иллюстрирующих комплект сверхпроводящих РЧ-катушек для головы с криогенным охлаждением, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 2 - схематическое изображение стенки (стенок) вакуумной камеры, показанной на фиг. 1А, выполненной в виде стеклянного сосуда Дьюара с двойными стенками, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 3 - схематическое изображение иллюстративного вида в разрезе вдоль продольной оси комплекта РЧ-катушек из сверхпроводника, предназначенных для томографии головы, в соответствии с воплощениями, представленными на фиг. 1A и фиг. 1В, вместе с вакуумной камерой сосуда Дьюара 1, соответствующего воплощению, представленному на фиг. 2.
Фиг. 4А и фиг. 4В - иллюстративное альтернативное воплощение модуля с комплектом РЧ-катушек из сверхпроводника, предназначенного для томографии головы, соответствующего некоторым воплощениям настоящего изобретения.
Фиг. 5 - схематическое изображение вида в разрезе иллюстративной системы магнитно-резонансной томографии в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 6 - схематическое изображение предназначенного для головы иллюстративного комплекта РЧ-катушек, который предусматривает экранирование от теплового излучения, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 7 - схематическое изображение вида в разрезе сверхпроводящего основного магнита системы магнитно-резонансной томографии только для головы в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 8 - конфигурация катушек системы, включающей в себя сверхпроводящий основной магнит, показанных в плоскости z-r, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 9 - нормализованное распределение тока для системы катушек основного магнита, соответствующей иллюстративному воплощению, представленному на фиг. 7 и фиг. 8, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 10 - иллюстративная картина расположения катушек (показанных в плоскости z-r, с использованием единиц измерения, нормализованных к метрам) магнитно-резонансного томографа для головы (напряженность магнитного поля 3Т), в соответствии с несколькими различными воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 11 - график, отображающий распределение магнитного поля для иллюстративного воплощения, представленного на фиг. 10, в соответствии с несколькими различными воплощениями настоящего изобретения.
Фиг. 12 - периферийные краевые магнитные поля, показанные линиями, соответствующими напряженности один Гаусс (1G), три Гаусса (3G) и пять Гаусс (5G), в соответствии с иллюстративным воплощением настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание раскрывает (i) различные воплощения комплекта охлаждаемых сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, которые могут быть использованы в томографах для исследования всего тела и/или в системах МРТ, специально предназначенных для томографии только головы ((называемые здесь также «системы МРТ, специально предназначенные для головы», «системы МРТ только для головы» или тому подобное) и (ii) различные воплощения системы МРТ, специально предназначенной для томографии головы, и, в частности, некоторые различные воплощения сверхпроводящего основного магнита для системы МРТ, специально предназначенной для головы, которая, в некоторых воплощениях содержит, кроме того, комплект сверхпроводящих РЧ-катушек для томографии головы, выполненных с криогенным охлаждением в соответствии с воплощением настоящего изобретения.
В частности, как это будет в дальнейшем понятно специалистам в данной области техники из нижеследующего описания изобретения, катушка из указанного комплекта сверхпроводящих РЧ-катушек для томографии головы, выполненных с криогенным охлаждением в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения, может быть практически осуществлена в большом количестве систем для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, таких как системы, использующие обычные медные градиентные катушки, системы, использующие сверхпроводящие градиентные катушки (например, такие как описаны в заявке на выдачу патента США №12/416606, дата подачи 01.04.2009 и в предварительной заявке на патент США №61/170135, дата подачи 17.04.2009, каждая из которых включена полностью в настоящее описание посредством ссылки), системы для всего тела, системы, предназначенные специально только для головы, системы с вертикально или горизонтально ориентированным полем основного магнита, открытые или закрытые системы и т.п.
Подобным же образом, как это будет в дальнейшем понятно специалистам в данной области техники из нижеследующего описания изобретения, система МРТ. специально предназначенная для томографии головы, использующая сверхпроводящий основной магнит в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения, может быть практически осуществлена посредством большого количества систем магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, таких как системы, использующие обычные медные градиентные катушки, системы, использующие сверхпроводящие градиентные катушки (например, такие как описаны в заявке на выдачу патента США №12/416606, дата подачи 01.04.2009 и в предварительной заявке на патент США №61/170135, дата подачи 17.04.2009, каждая из которых включена полностью в настоящее описание посредством ссылки), системы, использующие обычные (например, медные) катушки для головы или комплекты катушек и/или системы, использующие комплекты сверхпроводящих РЧ-катушек для головы (например, в соответствии с описанными здесь воплощениями сверхпроводящей РЧ- катушки для головы), и т.п.
Подобным образом, специалистам будет также понятно, что хотя различные части нижеследующего описания могут быть изложены в отношении системы МРТ, которая может быть использована для исследования структур тела пациента, различные воплощения настоящего изобретения могут быть использованы применительно к магнитно-резонансным (MP) системам, функционирующим и/или сконфигурированным для осуществления других методов, таких как функциональная МРТ, диффузионно-взвешенная или диффузионно-тензорная МРТ, MP-спектроскопия и/или спектроскопическая томография и т.п. Кроме того, используемая для целей настоящего описания МРТ включает и охватывает магнитно-резонансную спектроскопическую томография, диффузионно-тензорную томографию (ДТВ), а также любые другие методы визуализации, основанные на ядерном магнитном резонансе.
На фиг. 1А и фиг. 1В схематически представлены взаимно перпендикулярные виды типичного комплекта 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, выполненных с криогенным охлаждением, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения (для удобства и простоты ссылки и дополнительной ясности описания взаимно-перпендикулярные координаты х, у, z представлены в виде системы координат). В частности, на фиг. 1А изображен вид в разрезе, проведенном в плоскости х-у, показанном на фиг. 1В позицией IA-IA′, и показана конфигурация восьми сверхпроводящих РЧ-катушек 3a-3h (именуемых здесь также, как сверхпроводящие РЧ-катушки 3 или комплект 3 сверхпроводящих катушек), каждая из которых размещена в тепловом контакте с соответствующим одним из восьми теплопроводящих элементов (теплопроводов) 5a-5h (например, неметаллические материалы с высокой теплопроводностью, например, керамический материал с высокой теплопроводностью, такой как сапфир или оксид алюминия), с РЧ-катушками 3a-3h и теплопроводящими элементами 5a-5h, которые размещены внутри герметизированной вакуумной камеры, имеющей стенку (стенки) 2.
На фиг. 1В представлен вид сбоку в направлении продольной оси (т.е. если смотреть в направлении, показанном на фиг. 1А позицией IB), который иллюстрирует элементы, образующие систему охлаждения комплекта 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, при этом указанная система охлаждения содержит теплопроводящий элемент 15 (для которого используют, например, неметаллические материалы с высокой теплопроводностью, например, керамический материал с высокой теплопроводностью, такой, как сапфир или оксид алюминия), находящийся в тепловом контакте с каждым из теплопроводящих элементов 5a-5h, холодный верхний элемент 9, находящийся в тепловом контакте с теплопроводящим элементом (теплоотводом) 15, и криогенный охладитель 7, сконфигурированный для поддерживания указанного холодного верхнего элемента 9 при желаемой криогенной температуре. Для ясности изображения на фиг. 1В, однако, не показаны (i) вакуумная камера, имеющая стенку (стенки) 2, (ii) катушки 3b и 3d, и (iii) теплопроводящие элементы 5b и 5d (как будет в дальнейшем понятно из нижеследующего описания (например, со ссылкой на фиг. 3)), на фиг. 1B также не показана часть вакуумной камеры, в которую вставлен криогенный охладитель 7).
Соответственно, в конфигурации комплекта 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, показанной на фиг. 1A и 1В, катушки 3a-3h находятся в условиях вакуума и охлаждаются с помощью теплопроводящих элементов 5а-5b, которые отводят теплоту от катушек к теплопроводящему элементу/теплоотводу 15, который имеет тепловую связь с криогенным охладителем 7. Специалистам в данной области техники будет понятно, что в некоторых воплощениях (например, примеры реализации при низкой величине основного магнитного поля, к примеру, менее 3 Тл или менее 1,5 Тл и т.п.) небольшие количества металла, такого как медь, могут быть использованы для изготовления теплопроводящего элемента/теплоотвода 15 и/или, возможно, теплопроводящих элементов 5a-5h. В некоторых воплощениях теплопроводящие элементы 5a-5h могут быть выполнено заодно целое с теплоотводящим элементом/теплоотводом 15, в то же время в некоторых воплощениях один или большее число теплопроводящих элементов 5a-5h выполнены в виде отдельных элементов, которые механически соединены (например, с помощью эпоксидной смолы и т.п.) с теплоотводящим элементом/теплоотводом 15 для обеспечения хорошей передачи между ними тепла путем теплопроводности. В различных воплощениях катушки 3a-3h могут быть охлаждены до температуры в интервале от приблизительно 4 до 100 К, и, в частности, до температуры ниже критической температуры сверхпроводящего материала (например, в некоторых воплощениях ниже критической температуры материала высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), используемого для изготовления РЧ-катушек 3a-3h).
В частности, в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения каждая из РЧ-катушек 3a-3h выполнена в виде высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), такого как YBCO (оксид меди, бария и иттрия) и/или BSCCO (композиция оксидов висмута, стронция, кальция и меди), и т.п.(используя, например, тонкую пленку или ленту из ВТСП), хотя в различных воплощениях может быть использован низкотемпературный сверхпроводник (НТСП). Например, в некоторых воплощениях каждая из РЧ-катушек 3a-3h представляет собой спиральную катушку из тонкой пленки ВТСП и/или спиральную катушку со встречной намоткой, выполненную из тонкой пленки НТСП, нанесенной на подложку, например, из сапфира или алюмината лантана. Конструкция и изготовление таких катушек описаны и/или могут быть понятными, например, с учетом следующих источников информации: Ma et al., "Superconducting RF Coils for Clinical MR Imaging at Low Field," Academic Radiology, vol. 10, no., 9, Sept. 2003, pp. 978-987; Gao et al., «Simulation of the Sensitivity of HTS Coiland Coil Array for Head Imaging», ISMRM-2003, no. 1412; Fang et al., «Design of Superconducting MRI Surface Coil by Using Method of Moment», IEEE Trans. on Applied Superconductivity, vol. 12, no. 2, pp. 1823-1827 (2002): and Miller et al., "Performance of a High Temperature Superconducting Probe for In Vivo Microscopy at 2.0 T," Magnetic Resonance in Medicine, 41: 72-79 (1999). Содержание каждого из указанных источников включено полностью в настоящее описание посредством ссылки. Соответственно, в некоторых воплощениях комплект 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для томографии головы на практике реализуют в виде комплекта РЧ-катушек для томографии головы, изготовленных из тонкой пленки высокотемпературного сверхпроводящего материала.
В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, вакуумная камера, содержащая стенку (стенки) 2, может представлять собой камеру сосуда Дьюара 1 с двойными стенками, изготовленного из стекла и/или другого не проводящего тепло, механически прочного материала (материалов), такого как G10, RF4, пластмасса и/или керамический материал. В частности, на фиг. 2 схематически показана стенка (стенки) 2 вакуумной камеры, изображенной на фиг. 1А, реализованной в соответствии с некоторыми воплощениями в виде камеры стеклянного сосуда 1 Дьюара с двойными стенками. Следует понимать, что размеры и форма модуля, содержащего комплект сверхпроводящих РЧ-катушек с криогенным охлаждением, предназначенных для исследования головы, могут быть изменены в соответствии с различными вариантами практического осуществления настоящего изобретения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, на фиг. 2 схематически показана часть 1 модуля, содержащего комплект предназначенных для головы сверхпроводящих РЧ-катушек с криогенным охлаждением, включающая стеклянный сосуд Дьюара, который может быть использован, например, в системах магнитно-резонансной томографии, специально предназначенных для томографии головы, при этом элементы конструкции, образующие стеклянный сосуд Дьюара, могут иметь следующие приблизительные размеры, приведенные только в качестве примера и для дополнительной ясности представленного изображения:
цилиндр 60 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и осевую длину равные 230 мм, 236 мм и 254 мм соответственно; цилиндр 62 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и осевую длину, составляющие 246 мм, 252 мм и 254 мм соответственно; цилиндр 64 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и осевую длину 280 мм, 286 мм и 312 мм соответственно; цилиндр 66 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и осевую длину 296 мм, 302 мм и 330 мм соответственно (дискообразная/цилиндрическая) 76 имеет диаметр 252 длину, составляющие 296 мм, 302 мм и 330 мм соответственно; внутренняя плита основания (дискообразная/цилиндрическая) 74 имеет диаметр 236 мм и толщину 12,7 мм; внешняя плита основания (дискообразная/цилиндрическая) 76 имеет диаметр 252 мм и толщину 12,7 мм; кольцо (круговое) 66 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и толщину (вдоль оси) равные 246 мм, 286 мм и 12,7 мм соответственно; кольцо (круговое) 68 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и толщину (вдоль оси), составляющие 230 мм, 302 мм и 12,7 мм соответственно; и кольцо (круговое) 72 имеет внутренний диаметр, внешний диаметр и толщину (вдоль оси), составляющие 280 мм, 302 мм и 12,7 мм соответственно. Кроме того, показаны два из восьми дистанционирующих разделительных дисков 78, имеющих диаметр приблизительно равный 5 мм, а также высоту, которая обеспечивает зазор приблизительно равный 5 мм, образованный между внутренней плитой 74 основания и внешней плитой 76 основания. В этом иллюстративном воплощении пробка 70 герметизирует калиброванное отверстие для вакуумирования в кольце 68, через которое осуществляется откачивание воздуха из полости, образованной внутри между двойными стенками сосуда Дьюара.
Следует понимать, что сосуд Дьюара 1 с двойными стенками может быть выполнен различными путями в виде сплошного, стеклянного герметизированного корпуса, ограничивающего снаружи внутреннюю камеру (или полость) 4, в которой поддерживают, по меньшей мере, условие низкого вакуума и в соответствии с некоторыми воплощениями предпочтительно, по меньшей мере, поддерживают условие высокого вакуума (например, приблизительно 10-6 Торр или более низкое давление). Например, в соответствии с некоторыми воплощениями сосуд Дьюара 1 с двойными стенками может быть изготовлен следующим образом: (i) формование двух, в целом цилиндрических структур с двойными стенками (например, восьмиугольных в сечении, поперечном относительно продольного цилиндрического внутреннего отверстия), имеющих каждая в целом U-образную форму продольного сечения стенки; первая структура, соответствующая части 1а со сплошными стеклянными стенками (содержащей цилиндры 60 и 66, кольцо 68 и плиту 74), и вторая, соответствующая части 1b со сплошными стеклянными стенками (содержащей цилиндры 62 и 64, кольцо 66 и плиту 76), (ii) установку в целом цилиндрической сплошной части 1b со стеклянными стенками в кольцевой зазор, образованный в цилиндрической в целом части 1а со сплошными стеклянными стенками, используя, по возможности, размещенные между этими частями стеклянные дистанционирующие элементы (например, показанные на фиг. 2, как диски 78); (iii) герметизация открытого торца, образованного между частями 1а и 1b (т.е. торца, который впоследствии герметично присоединяют к камере 8 из нержавеющей стали, более подробно описанной ниже со ссылкой на фиг. 3), посредством склеивания стекла, сваривания или иным способом, (например, посредством герметичного присоединения к указанному открытому торцу кольца 72 посредством склеивания, сваривания или иным способом) для герметичного уплотнения внутренней полости 4, находящейся под высоким вакуумом; и (iv) откачивание полости 4 до высокого вакуума через показанное на фигуре стандартное отверстие для вакуумирования, которое герметизируют (например, с помощью заглушки 70) после откачивания полости до желаемого вакуумметрического давления. Следует принимать во внимание, что указанная стадия вакуумного уплотнения (герметизации) может быть осуществлена множеством путей. Например, указанные части 1а и 1b могут быть соединены и уплотнены относительно друг друга внутри вакуумной камеры, или, как описано, торцы частей 1а и 1b могут быть приварены друг к другу, за исключением небольшого участка, который используют в качестве отверстия для вакуумирования и уплотняют после откачивания через него воздуха из внутренней полости до высокого вакуума. В различных воплощениях сосуд Дьюара 1 с двойными стенками может быть реализован в виде герметично уплотненных конструкций с двойными стенками (и корпусом с вакуумной тепловой изоляцией) или подобных конструкций, описанных в заявке на патент США №12/212122, дата подачи - 17.09.2008 и в заявке на патент США №12/212147, дата подачи - 17.09.2008, каждая из которых включена в настоящее описание полностью посредством ссылки.
На фиг. 3 схематически представлен иллюстративный вид в разрезе вдоль продольной оси комплекта РЧ-катушек для головы, выполненных из сверхпроводника (например, из ВТСП), соответствующих воплощениям, показанным на фиг. 1А и фиг. 1В, вместе с вакуумной камерой, представляющей собой камеру сосуда 1 Дьюара, соответствующего различным воплощениям, представленным на фиг. 2. Как показано, сосуд 1 Дьюара герметично соединен с камерой 8, изготовленной из нержавеющей стали, имеющей двойные стенки и фланец, к которому с обеспечением герметичности присоединен криогенный охладитель 7. В различных воплощениях камеру 8 из нержавеющей стали, выполненную с двойными стенками, герметично уплотняют с образованием внутренней камеры (или полости) 12, в которой сохраняется, по меньшей мере, условие низкого вакуума и, в соответствии с некоторыми воплощениями, предпочтительно, по меньшей мере, условие высокого вакуума (например, вакуумметрическое давление приблизительно равное 10-6 Торр или более низкое давление). В качестве примера, соединение между герметично уплотненным сосудом Дьюара 1 (например, стеклянным), имеющим двойные стенки, и камерой из нержавеющей стали может быть образовано посредством соединения эпоксидной смолой, сварки или другого герметично уплотненного фланцевого соединения, обеспечивая достаточное уплотнение для поддерживания, по меньшей мере, условия низкого вакуума (например, в интервале от приблизительно 10-2 до приблизительно 10-5 тор) в отдельной части 6 внутренней полости (в вакуумной камере), которая вмещает в себя сверхпроводящие РЧ-катушки 3 и теплопроводящие элементы 5 (т.е. 5a-5h) и 15. Кроме того, как пример, вакуумное уплотнение между криогенным охладителем 7 и фланцем камеры 8 из нержавеющей стали может быть обеспечено с помощью уплотнительного кольца с круглым сечением или с помощью другого средства герметизации (например, соединение с помощью металлической прокладки и острой кромки) для сохранения, подобным образом, указанного, по меньшей мере, условия низкого вакуума в отдельной части 6 внутренней полости, которая вмещает РЧ-катушки 3 и теплопроводящие элементы 5 и 15. Специалистам в данной области техники, однако, понятно, что камера 8 может быть изготовлена из материалов, отличающихся от нержавеющей стали, например, из алюминия или других металлических или неметаллических материалов, таких как стекло, керамические материалы, пластмассы или из комбинации этих материалов, и такие другие материалы могут быть надлежащим образом присоединены к сосуду Дьюара 1 и криогенному охладителю 7.
В различных воплощениях криогенный охладитель 7 может быть реализован в виде любого из различных одноступенчатых или многоступенчатых криогенных охладителей, например, криогенного охладителя Gifford McMahon (GM), охладителя с пульсационной трубой, охладителя Джоуля-Томпсона, охладителя Стерлинга или криогенного охладителя другого типа. В различных альтернативных воплощениях набор 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы может быть сконфигурирован для охлаждения таким образом, чтобы катушки 3 охлаждались криогенным веществом, например, жидким гелием и жидким азотом.
Понятно, что хотя на фигурах и не показано, комплект сверхпроводящих РЧ-катушек с криогенным охлаждением (например, комплект 10 катушек) в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения содержит по меньшей мере один электрический ввод (например, проходящий через камеру 8), служащий для передачи и/или получения электрических сигналов к и/или от указанного комплекта катушек (например, для РЧ-катушек, для управления и/или непрерывного контроля с помощью любых датчиков (например, датчиков давления и/или температуры и т.п.), которые могут быть установлены в указанном модуле. Кроме того, следует понимать, что, по меньшей мере, некоторая часть схемы приемника и/или, если применяется, электрической схемы передачи сигнала (например, усилители и/или фильтры и/или подходящая схема согласования и/или схема развязки) может быть обеспечена для каждой РЧ-катушки, размещенной внутри вакуумной камеры. Например, она может быть размещена на теплопроводящих элементах 5a-5h, находясь в тепловом контакте с ними, при этом такое охлаждение может обеспечить улучшение шумовых характеристик и/или использование сверхпроводящих элементов, по меньшей мере, для некоторой части такой электрической схемы.
Из вышеизложенного понятно, что в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения комплект 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы осуществляют в виде набора катушек только для приема сигнала, при этом РЧ-передатчик реализуется в виде отдельной РЧ-катушки (не показано), которая в различных воплощениях может быть обычной (например, не сверхпроводящей, к примеру, обычной медной РЧ-катушкой) РЧ-катушкой передатчика или сверхпроводящей передающей РЧ-катушкой. Такая отдельная катушка передатчика может быть сконфигурирована внешней по отношению к вакуумной камере, содержащей стенку (стенки) 2 (например, внешней к сосуду Дьюара 1), или, в некоторых случаях, сконфигурирована внутри вакуумной камеры, содержащей стенку (стенки) 2 (например, внутри сосуда Дьюара 1). Например, в том случае, если передающая РЧ-катушка выполнена в виде одной или большего количества сверхпроводящих передающих РЧ-катушек (например, РЧ-передатчик из высокотемпературного сверхпроводника), которые расположены отдельно от РЧ-катушек приемника, то в некоторых воплощениях, такая одна или большее число сверхпроводящих передающих РЧ-катушек могут быть размещены в тепловом контакте с одним или большим числом теплопроводящих элементов 5a-5h.
В некоторых воплощениях комплект 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы может быть осуществлен как комплект катушек для передачи и приема сигнала (комплект приемопередающих катушек), при этом каждую из одной или большего числа сверхпроводящих РЧ-катушек 3a-3h используют как для передачи, так и для приема сигналов.
Согласно различным воплощениям настоящего изобретения одна или большее число сверхпроводящих РЧ-катушек 3a-3h могут быть практически осуществлены в виде элемента, содержащего некоторое количество резонансных РЧ-катушек (например, содержащего две или более приемных катушек, имеющих различные резонансные частоты, к примеру, для обнаружения резонансов натрия и водорода при заданной величине магнитного поля (например, 3 тесла (Т)). В некоторых воплощениях две или большее количество различных сверхпроводящих РЧ-катушек 3a-3h могут быть выполнены так, что они имеют различные резонансные частоты; например, РЧ-катушки 3а, 3с, 3е и 3g могут быть настроены на первую резонансную частоту (например, на резонансную частоту ядер натрия при магнитном поле 3 Тл). Как таковой, набор сверхпроводящих РЧ-катушек для головы в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения, может быть использован для генерирования сигналов магнитного резонанса, поступающих от различных видов ядер одновременно или с временным мультиплексированием.
Следует также понимать, что хотя описанные выше фигуры отображают иллюстративное воплощение комплекта сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, имеющего восемь принимающих РЧ каналов (например, содержащего восемь приемных катушек), альтернативные воплощения настоящего изобретения могут включать использование комплектов сверхпроводящих РЧ-катушек, имеющих меньше или больше восьми каналов приема со сверхпроводящими РЧ-катушками (например, меньше или больше восьми приемных РЧ-катушек).
Кроме того, как отмечено выше, понятно, что согласно некоторым воплощениям настоящего изобретения катушка из комплекта сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, выполненных с криогенным охлаждением, соответствующего различным воплощениям настоящего изобретения, может быть осуществлена в системе магнитно-резонансной томографии, в которой используют градиентные катушки, такие как описаны в заявке на выдачу патента США №12/416606, дата подачи 1.04.2009, и в предварительной заявке на патент США №61/170135, дата подачи 17.04.2009, каждая из которых включена полностью в настоящее описание посредством ссылки. В некоторых воплощениях одна или большее количество сверхпроводящих градиентных катушек могут быть размещены внутри той же вакуумной камеры, что и сверхпроводящие РЧ-катушки (например, градиентные катушки могут находиться в тепловом контакте с поверхностями теплопроводящих элементов 5a-5h, которые являются оппозитными поверхностям, контактирующим с катушками 3a-3h).
На фиг. 4А и фиг. 4В представлено иллюстративное альтернативное воплощение модуля с комплектом сверхпроводящих РЧ-катушек для головы в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения. В частности, на фиг. 4А схематически показан вид в разрезе в плоскости, в которой находится продольная ось, подобный виду в разрезе для воплощения, представленного на фиг. 3 (к примеру, отображающий разрез в плоскости x-z, используя систему координат, ориентированную подобно системе координат для воплощения, отображенного на фиг. 1А, 1В, 2 и 3), в то время как фиг. 4В в целом отображает вид в плане и с торца, если смотреть на фиг. 4А на торец с левой стороны, но иллюстрирует сечение или разрез камеры 8, изготовленной из нержавеющей стали так, чтобы показать часть криогенного охладителя 7, размещенную внутри камеры 8. Поскольку воплощение, показанное на фиг. 4А и 4В, подобно изображенному на фиг. 1А, 1В, 2 и 3, то в целях удобства и простоты изложения для обозначения соответствующих сходных элементов были использованы одинаковые ссылочные номера позиции. Можно понять, что различие между воплощением, изображенным на фиг. 1B, 2 и 3, и воплощением, показанным на фиг. 4А и 4В, заключается в том, что первое из этих воплощений сконфигурировано таким образом, что торец, находящийся вблизи криогенного охладителя, выполнен закрытым, в то время как в последнем из указанных воплощений сосуд 1 Дьюара и камера 8 (герметично соединенные посредством, например, эпоксидной смолы и сварки 16) сконфигурированы с выполнением торца, находящегося вблизи криогенного охладителя, открытым. При этом в конструкции с открытым тором, показанной на фиг. 4А и 4В, теплопроводящее кольцо 25 (цилиндрическое кольцо) имеет тепловую связь с каждым из теплопроводящих элементов 5a-5h (на фиг. 4А показаны теплопроводящие элементы 5а и 5е) и с криогенным охладителем 7, который герметично присоединен к камере 8, например, с помощью фланца 19, герметизированного посредством уплотнительного кольца.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что в целом цилиндрической формы модуль с комплектом РЧ-катушек для головы, такой как раскрыт в описанных выше воплощениях, может быть достаточно подходящим для использования, например, в системе МТР, использующей конструкцию основного магнита в виде цилиндрического электромагнита, который создает по существу однородное горизонтальное магнитное поле. Например, подобная система МРТ, схематически показанная на фиг. 5 в продольном разрезе, содержит цилиндрический основной магнит 17, имеющий внутренний цилиндрический канал, в котором размещают модуль с комплектом 10 сверхпроводящих РЧ катушек для головы, соответствующий показанному на фиг. 4А и фиг. 4В, а также градиентную катушку (катушки) 13. Следует, однако, понимать, что комплект 10 сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, выполненных с криогенным охлаждением, может быть практически реализован вместе с конфигурациями основного магнита, отличающимися от цилиндрического электромагнита, который создает горизонтальные поля и/или, например, может быть реализован в виде незамкнутого магнита, такого как вертикальный магнит или магнит с двумя кольцами. Кроме того, понятно, что в соответствии с различными воплощениями основной магнит 17 может быть основным магнитом сканнера для томографии всего тела или это может быть основной магнит системы МРТ специального назначения (например, только для головы), например, такой как описан ниже со ссылками на фиг. 7- 12.
Фиг. 6 отображает иллюстративный комплект РЧ-катушек для головы, который снабжен средствами экранирования теплового излучения в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения. В частности, на фиг. 6 показана верхняя половина катушки, изображенной на фиг. 4А, и, кроме того, показаны экраны 17 для теплового излучения РЧ-катушки 3а, которые используют как возможный вариант дополнительной защиты для сохранения низкой температуры РЧ-катушки и неметаллического теплопроводящего элемента 5 а от нагревания за счет теплового излучения от внешней стенки стеклянного сосуда Дьюара с двойными стенками и за счет окружающей среды снаружи сосуда Дьюара. Экран 17 от теплового излучения может быть выполнен из одного или большего числа материалов, таких как пена, ткань, хлопок или другие неметаллические материалы, обладающие хорошими теплоизоляционными свойствами, или может быть использована комбинация этих материалов.
Как показано выше, хотя комплект сверхпроводящих РЧ-катушек, соответствующих рассмотренным выше воплощениям изобретения, может быть реализован применительно к системе МРТ для томографии всего тела, такие комплекты РЧ-катушек в качестве альтернативы могут быть использованы в томографах, предназначенных только для магнитно-резонансной томографии головы. В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения томограф, предназначенный только для исследования головы, может использовать сверхпроводящий основной магнит в соответствии с воплощениями, представленными и описанными со ссылками на рассмотренные ниже чертежи. Следует, однако, понимать, что МРТ-томографы, использующие сверхпроводящий основной магнит в соответствии с рассмотренными ниже воплощениями, могут использовать различные конфигурации РЧ-катушек (например, в виде комплекта катушек, не в виде комплекта, сверхпроводящие, не сверхпроводящие катушки и т.п.), хотя в некоторых воплощениях могут быть использованы комплекты сверхпроводящих РЧ-катушек для головы, осуществленные в соответствии с рассмотренными выше воплощениями
На фиг. 7 представлен вид в разрезе сверхпроводящего основного магнита системы МРТ, предназначенной только для головы, при этом сверхпроводящий основной магнит включает в себя корпус 41 с двойными стенками и электромагнитами/спиральными катушками 42. На фигуре также показан размещенный внутри корпуса исследуемый объект, при этом голова исследуемого объекта размещена в пределах чувствительного объема, определяемого диаметром (DSV), 43 основного магнита. Как показано, внутри корпуса 41 с двойными стенками имеется герметизированная область 47, которая находится, по меньшей мере, в условиях низкого вакуума, но предпочтительно находится в условиях высокого вакуума (например, в интервале от 10-6 до 10-12 Торр), и имеется также отдельная область 45, представляющая собой внутреннюю камеру, в которой размещены сверхпроводящие катушки 42 и которая находится, по меньшей мере, в условиях низкого вакуума (например, в интервале от 10-3 до 10-6 Торр).
В частности, в соответствии с некоторыми воплощениями сверхпроводящий основной магнит представляет собой электромагнитную систему, содержащую корпус 41 с вакуумной тепловой изоляцией (например, сосуд Дьюара) который соединен с криогенной системой (не показана) с тем, чтобы обеспечить охлаждение сверхпроводящих катушек 42, с помощью конструкции, состоящей из тепловой трубы (не показана) и теплоотвода (не показан), находящегося в тепловом контакте со сверхпроводящими катушками. Сверхпроводящие катушки могут быть реализованы в виде катушек из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) и в некоторых воплощениях могут содержать по меньшей мере один из следующих сверхпроводящих материалов: YBaCuO, BiSrCaCuO, TIBiCaCuO и MgB2. Температура в указанной области внутренней камеры, в которой размещены катушки, может, к примеру, находиться в интервале приблизительно 77-80 К.
В соответствии с некоторыми воплощениями, как показано, катушки сконфигурированы с образованием (i) первого набора катушек, которые размещены в первой зоне таким образом, чтобы охватить или окружить голову человека, или размещен иным образом в непосредственной близости от головы человека, и (ii) второго набора катушек, соосного первому набору катушек и размещенного во второй зоне так, чтобы катушки охватывали или окружали плечи или верхнюю часть туловища, или были размещены иным образом в непосредственной близости от плеч или верхней части туловища, при этом внутренний радиус первого набора катушек меньше внутреннего радиуса второго набора катушек, и указанные катушки сконфигурированы для создания однородного магнитного поля в зоне нахождения головы пациента. Специалистам в данной области техники, исходя из приведенного выше описания, будет понятно, что согласно различным воплощениям количество катушек в наборе, радиус катушек, число витков, расположение относительно продольной оси и длина катушек, величина и направление электрического тока в каждой катушке могут быть изменены для получения желаемого распределения магнитного поля. В соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения расположение и протяженность вдоль продольной оси, число витков, направление электрического тока в каждой катушке рассчитаны для создания однородного магнитного поля с неоднородностью 1-10·10-6 в пределах первой зоны для томографии головы.
В качестве примера первый набор катушек может содержать по меньшей мере две катушки, имеющие внутренний радиус в интервале приблизительно 25-35 см и расположенные в первой зоне вдоль общей оси на длине в интервале 40-60 см для охвата головы и шеи тела человека, а второй набор катушек может содержать, по меньшей мере, одну катушку, имеющую внутренний радиус в интервале 30-40 см и размещенную во второй зоне вдоль общей оси на длине в интервале 15-25 см для охвата части туловища человека. В различных альтернативных воплощениях длина первой и второй зон может, например, находиться в интервале приблизительно 20-70 см и 10-40 см соответственно, а внутренний радиус первого и второго набора катушек может находиться в интервале приблизительно 10-40 см и 20-50 см соответственно. Некоторые воплощения могут быть осуществлены с длиной первой и второй зон в интервале приблизительно 10-20 см и 20-30 см соответственно. Помимо того, в некоторых воплощениях внутренний радиус первой и второй катушек может составлять приблизительно 10-20 см и 20-30 см соответственно.
В качестве иллюстративного примера фиг. 8 отображает в плоскости z-r и с размерами в метрах (м) протяженность L2 в продольном направлении первого набора катушек (например, соответствующую четырем крайним слева группам катушек, показанным на фиг. 7), имеющих внутренний радиус 0,28 м; протяженность L1 в продольном направлении второго набора катушек (например, соответствующую крайней справа группе катушек на фиг. 7), имеющих внутренний радиус равный 0,38 м; DSV 43 с радиусом, составляющим приблизительно 0,1 м; и смещение приблизительно на 0,05 м при переходе от первого набора ко второму набору катушек (от L2 к L1) вдоль оси z согласно иллюстративному примеру, соответствующему некоторым воплощениям настоящего изобретения.
На фиг. 9 представлено нормализованное распределение тока для схемы расположения катушек основного магнита, соответствующей иллюстративному воплощению на фиг. 7 и фиг. 8. Как показано, в соответствии с некоторыми воплощениями по меньшей мере одна катушка намотана так, что по ней проходит ток в обратном направлении относительно других катушек.
Фиг. 10 иллюстрирует картину расположения катушек томографа (отображенных в плоскости z-r с использованием относительных размеров, отнесенных к метрам), предназначенного для магнитно-резонансной томографии головы при магнитном поле с индукцией 3 Тл в соответствии с различными воплощениями настоящего изобретения. В частности, катушка 51 активного экранирования размещена с внешней стороны, катушки 52 основного магнита включают в себя восемь групп катушек, а чувствительный объем, определяемый диаметром (DSV) 53, однородного поля имеет диаметр приблизительно равный 200 мм (т.е. радиус составляет примерно 0,1 м). Радиус экранирующей катушки 51 может находиться, например, в интервале приблизительно 60-70 см, хотя возможны и другие радиусы, в зависимости от конкретного применения. В качестве иллюстративного, не ограничивающего примера в приведенной ниже таблице приведены размеры и направление тока для катушек, расположенных в соответствии с воплощением, представленным на фиг. 10, при этом первый набор катушек включает в себя номера 1-6 катушек, второй набор катушек включает катушки с номерами 7 и 8, экранирующая катушка обозначена номером 9, R1 - внутренний радиус, R2 - внешний радиус, Z1 - первая продольная граничная координата катушки, Z2 - вторая продольная граничная координата катушки, а направление J тока определяют как положительное (+) и отрицательное (-).
На фиг. 11 представлен график, иллюстрирующий распределение магнитного поля для иллюстративного воплощения, показанного на фиг. 10, с иллюстративными размерами и направлениями тока согласно приведенной выше Таблице. Как показано, однородное поле с индукцией 3 Тл обеспечивает DSV с диаметром 200 мм.
На фиг. 12 линиями показаны периферийные поля с магнитной индукцией в один Гаусс, три Гаусса и пять Гаусс для распределения магнитной индукции, иллюстрируемого на фиг. 11, согласно иллюстративному воплощению настоящего изобретения.
В соответствии с изложенным можно понять, что фиг. 10 иллюстрирует пример воплощения, не ограничивающий настоящее изобретение. Согласно этому примеру внешний слой является активной экранирующей катушкой 51, а изображенный внутренний слой содержит катушки 52 основного магнита, включающие восемь групп катушек, создающих ассиметричную конструкцию, при этом катушки с правой стороны (в направление увеличения z) имеют больший диаметр для того, чтобы обеспечить размещение плеч пациента. В этом иллюстративном и не ограничивающем воплощении общая длина магнита составляет 0,86 м, пиковая величина магнитного поля составляет 5,04 Тл при плотности тока J=1,2×108 А/м2, и DSV 53 характеризуется диаметром 200 мм. В соответствии с этими параметрами фиг. 11 графически отображает распределение магнитного поля в цилиндре с параметрами: z=-0,1; +-0,1 м, r=0,2 м. Для цилиндра с параметрами: z=-0,1; +-0,1 м, r=0,15 м на фиг. 12 показаны периферийные поля с магнитными линиями для одного Гаусса, трех Гаусс и пяти Гаусс, и объем DSV с диаметром 200 мм находится внутри линии в один Гаусс, как это ожидается и желательно.
Исходя из изложенного выше, можно также понять, что для магнитно-резонансного томографа, предназначенного для томографии только головы, соответствующего воплощениям настоящего изобретения, цилиндрический внутренний канал, окружающий DSV 43 однородного поля, предпочтительно имеет диаметр немного больший, чем необходим для размещения головы пациента, в то же время внутренний канал основного магнита также содержит участок с диаметром, имеющим подходящий размер для размещения плеч, как это показано на фиг. 7. В отличие от МРТ всего тела, постоянный магнит, используемый только для головы, в соответствии с некоторыми воплощениями настоящего изобретения имеет меньшую величину DSV, поэтому размер сверхпроводящего магнита может быть уменьшен, и сосуд Дьюара и система магнитов могут быть выполнены с меньшими габаритами, и, кроме того, могут быть уменьшены затраты.
Настоящее изобретение было пояснено и описано в отношении определенных его воплощений. Эти воплощения только поясняют основные идеи изобретения и не являются единственными или иным образом ограничивающими воплощения изобретения. Поэтому, несмотря на то, что вышеприведенное описание поясняющих воплощений настоящего изобретения, также как и различные иллюстративные модификации и характеристики изобретения, раскрывают много особенностей, эти сведения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения, и специалистам в данной области техники будет легко понять, что настоящее изобретение допускает множество модификаций, видоизменений, вариантов, исключений, дополнений и эквивалентных воплощений без выхода за границы этого объема и уменьшения присущих ему преимуществ. Например, за исключением случаев, когда это является необходимым или присуще самим процессам, не предусматривается определенный порядок осуществления ступеней или стадий способов или процессов, раскрытых в этом описании и на фигурах. Во многих случаях порядок проведения стадий процесса может быть изменен, и различные иллюстративные стадии могут быть скомбинированы, изменены, или исключены без изменения задачи, достигаемого результата или сущности описанных способов. Следует также отметить, что употребляемые термины и выражения были использованы в целях описания, а не для ограничения. При этом отсутствует намерение использовать эти термины и выражения с тем, чтобы исключить любые эквиваленты иллюстрируемых или описанных признаков или их частей. Кроме того, настоящее изобретение может быть осуществлено при отсутствии необходимости достижения одного или большего числа преимуществ, раскрытых здесь или иным образом понятых с учетом изложенного описания изобретения и/или которые могут быть реализованы в некоторых его воплощениях. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми выше воплощениями, но его границы должны быть установлены в соответствии с нижеследующими пунктами формулы изобретения.
1. Система для магнитно-резонансной томографии головы, содержащая асимметричный основной магнит, который содержит
первый и второй наборы катушек из высокотемпературного сверхпроводника, скомпонованные таким образом, что они расположены коаксиально относительно общей продольной оси,
при этом первый набор катушек содержит по меньшей мере две катушки, имеющие внутренний радиус и размещенные в первой зоне по длине вдоль общей продольной оси так, чтобы охватывать голову и шею человека, а второй набор катушек содержит по меньшей мере одну катушку, имеющую внутренний радиус и размещенную во второй зоне по длине вдоль общей продольной оси так, чтобы охватывать часть туловища человека, когда голова и шея расположены в указанной первой зоне по длине вдоль общей продольной оси, при этом внутренний радиус катушек второго набора больше, чем внутренний радиус катушек первого набора,
причем катушки первого и второго наборов асимметричны вдоль указанной общей продольной оси и сконфигурированы с возможностью создания однородного основного магнитного поля, имеющего однородность 1-10·10-6 в чувствительном объеме, определяемом диаметром, в пределах первой зоны, для получения магнитного резонансного изображения исследуемой области головы, размещенной в пределах первой зоны.
2. Система по п. 1, в которой первый набор катушек содержит по меньшей мере две катушки, имеющие внутренний радиус в интервале 25-35 см и расположенные в первой зоне по длине вдоль общей продольной оси в интервале 40-60 см, а второй набор катушек содержит по меньшей мере одну катушку, имеющую внутренний радиус в интервале 30-40 см и расположенную во второй зоне по длине вдоль общей продольной оси в интервале 15-25 см.
3. Система по п. 1, в которой указанная часть туловища человека включает плечи.
4. Система по п. 1, в которой асимметричный основной магнит дополнительно содержит корпус с вакуумной тепловой изоляцией, содержащий герметизированный кожух с двойными стенками, находящийся под высоким вакуумом, соответствующим давлению приблизительно от 10-6 до 10-12 Торр, который охватывает полость с низким вакуумом, соответствующим давлению в интервале приблизительно от 10-3 до 10-6 Торр, при этом катушки из высокотемпературного сверхпроводника размещены в указанной полости с низким вакуумом.
5. Система по п. 4, в которой температура в указанной полости с низким вакуумом находится в интервале приблизительно 77-80 К.
6. Система по п. 1, в которой катушка из высокотемпературного сверхпроводника содержит по меньшей мере один сверхпроводящий материал, выбранный из группы, включающей YBaCuO, BiSrCaCuO, TIBiCaCuO и MgB2.
7. Система по п. 1, в которой по меньшей мере одна катушка из указанных наборов катушек намотана для прохождения по ней тока в противоположном направлении относительно направления тока в остальных катушках.
8. Система по п. 1, в которой асимметричный основной магнит дополнительно содержит экранирующую катушку, которая охватывает указанную общую продольную ось и коаксиальна с указанными первым и вторым наборами катушек.
9. Система по п. 8, в которой протяженность экранирующей катушки соответствует длине первой и второй зон.
10. Система по п. 8, в которой радиус экранирующей катушки находится в интервале 60-70 см.
11. Система по п. 1, в которой величина индукции однородного основного магнитного поля находится в интервале приблизительно 3,0-5,0 Тл.
12. Система по п. 1, в которой длина первой и второй зон составляет 10-20 см и 20-30 см соответственно.
13. Система по п. 1, в которой внутренний радиус катушек первого и второго набора составляет 10-20 см и 20-30 см соответственно.
14. Система по п. 1, в которой асимметричный основной магнит дополнительно содержит экранирующую катушку, при этом первый набор катушек содержит шесть катушек, второй набор катушек содержит две катушки, размеры и направление тока в первой, второй и экранирующей катушках следующие:
при этом первый набор катушек включает в себя номера 1-6 катушек, второй набор катушек содержит катушки с номерами 7 и 8, экранирующая катушка обозначена номером 9, R1 - внутренний радиус, R2 - внешний радиус, Z1 - первое продольное положение катушки, Z2 - второе продольное положение, направление J тока определяют как положительное (+) или отрицательное (-).
15. Система по п. 1, дополнительно содержащая модуль, включающий в себя комплект сверхпроводящих радиочастотных катушек для головы, размещенный коаксиально относительно указанной общей продольной оси и сконфигурированный, по меньшей мере, для приема радиочастотных сигналов, генерируемых в пределах указанной первой зоны, в которой размещена голова пациента для проведения томографии.
16. Система по п. 15, в которой указанный комплект катушек для головы содержит множество катушек из высокотемпературного сверхпроводника, размещенных азимутально вокруг указанной общей продольной оси.
