具体实施方式

本发明提供了一种梯度线圈系统，其具有一个或多个锥形(或截头圆锥形)部分，并且在一些实施例中，具有一个或多个圆柱形部分。本发明便于磁共振图像的信号编码和DSV内部的静磁场均匀性的增强，并且对于人类头部、四肢和/或新生儿图像等特别有用。

梯度线圈系统具有两个端部，其中一个端部具有大的孔径以允许肩部进入，而另一个端部具有显著更小的孔径以改进梯度效率和磁场梯度的线性度，以及缩短梯度长度。

较小的梯度孔还允许四肢进入以用于整形外科成像。

在一些实施例中，截头圆锥形或圆柱形无源/有源匀场被包括在梯度系统中，用于匀场(即均化)在球形体积的直径(DSV)的区域中的磁场(B₀)。

梯度线圈系统包括梯度线圈组件，该梯度线圈组件具有带多个截头圆锥形和/或圆柱形部分的主层结构，以及取决于磁体配置可以是截头圆锥形或圆柱形的屏蔽层结构。

主层结构包括三个线圈分段，其在DSV区域中生成三个正交的线性梯度场，其中一个被称为轴向线圈，其生成沿着纵轴(z轴)的梯度场，而另外两个被称为横向线圈，其相对于彼此旋转90度。

屏蔽层结构还包括三个线圈段，其生成与由相关初级线圈生成的梯度场相反的三个正交梯度场，以便主动屏蔽初级梯度场并且减少磁体中和DSV

中的涡流。

在初级线圈中，宽孔的直径要足够大以允许肩部进入，优选地大于500mm，而窄孔的直径要设想为足够小以具有磁场梯度的高效率和线性以及较短的梯度长度(相对于纯圆柱形系统)，并且仍然提供为四肢提供通路。在这方面，可以设想，窄孔的直径将在100mm和500mm之间。

为了改善或优化屏蔽性能，屏蔽线圈尽可能远离初级线圈。结果，屏蔽线圈对于圆柱形磁体孔可以是圆柱形的。

现在转到图1，示出了用于磁共振成像(MRI)系统的截头圆锥形梯度线圈系统01。截头圆锥形梯度线圈系统01包括截头圆锥形梯度体102，其插入到具有相关球形体积的直径(DSV)111的磁体101的腔室(即轴向开口)中。

梯度体102限定了基本上截头圆锥形的孔104，其沿着梯度体102的长度轴向延伸。如可以看到的，孔104包括第一开口104a和第二开口104b。

第一开口104a旨在允许患者的肩部进入以进行成像，并且因此必须相应地确定尺寸。

如上文简要提及的，期望第一开口104a(即较大的开口)的尺寸被适当地确定以允许患者的肩部进入。因此，可以设想，第一开口104a将具有不小于500mm的直径D11，而第二开口104b(即，较小的开口)的直径D13应当足够小，以提供梯度场的高效率和梯度线性以及较短的梯度长度，并且仍然为四肢(例如，手和手臂)提供通路。

梯度线圈组件120位于梯度体102内。梯度线圈组件120包括包括初级线圈121的三个截头圆锥形部分121a、121b、121c，以及包括屏蔽线圈122的屏蔽线圈122a、122b、122c的三个截头圆锥形部分。还存在截头圆锥形无源匀场装置123，其包括容纳一个或多个匀场部分的匀场袋。所述匀场部提供磁场的无源匀场且包括铁磁材料。

每个初级线圈部分121a、121b或121c具有相对于磁体101的纵向轴线105的不同角度θ1a、θ1b、θ1c以及不同的平均直径D11、D12、D13。然而，每个屏蔽线圈部分122a、122b、122c的角度θ2a、θ2b、θ2c可以相同或不同。有利地，由初级线圈部分121a-c和屏蔽线圈部分122a-c的不同角度提供的各种配置在DSV中产生最佳和期望的磁场，并使杂散磁场最小化。

如关于孔104的第一开口104a所述，最里面的初级线圈部分初级线圈121a的直径被间隔足够宽以允许接患者的肩部进入。因此，如同第一开口104a，优选的是初级线圈121a具有不小于500mm的最大直径，但是可以想到的是，初级线圈121a可以是任何尺寸。

初级线圈121和次级线圈122中的每一个分别包括三个线圈分段(z、x和y线圈)，其在三个正交的z、x和y轴上生成三个正交梯度场。

屏蔽线圈122中的电流方向与相应初级线圈121中的电流方向相反。这将在涉及进一步实施例的后面的图中更清楚地说明。

如图所示，初级线圈121和屏蔽线圈122被充分地间隔开，以使无源匀场袋123在其间从梯度体102的窄端(邻近第二开口104b)延伸到梯度体102的宽部分(邻近第一开口104a)中。

通过将无源匀场袋123定位在初级线圈121和屏蔽线圈122之间，匀场部分可被定位在匀场袋123中，从而将磁体DSV 111匀场到期望的场均匀性水平。

图2中所示的梯度线圈系统02包括三阶梯状梯度体202，其被插入到具有相关球形体积的直径(DSV)211的磁体201的室(即，轴向开口)中。

梯度体202限定沿梯度体202的长度轴向延伸的阶梯孔204。如可以看到的，孔204包括第一开口204a和第二开口204b。

第一开口204a旨在允许患者的肩部进入以进行成像，并且因此必须相应地确定尺寸。如上文关于系统01所述，预期第一开口204a(即较大开口)的直径将不小于500mm，而第二开口204b(即较小开口)应足够小以提供梯度场的高效率和梯度线性以及较短的梯度长度，且仍对四肢(例如手和手臂)提供通路。

位于梯度体202内的有包括初级线圈221的三个阶梯状圆柱形初级线圈部分221a、221b、221c和截头圆锥形初级线圈部分221d以及包括屏蔽线圈222的三个阶梯状圆柱形屏蔽线圈部分222a、222b、222c和截头圆锥形屏蔽线圈部分222d。

另外，存在两个阶梯状圆柱形无源匀场设备223a和223b。每个匀场设备223a、223b基本上类似于上述具有容纳一个或多个铁磁材料匀场件的匀场袋的匀场设备123。

如可以看到的，初级线圈部分221a和屏蔽线圈部分222a以及初级线圈部分221c和屏蔽线圈部分222c径向分离并且围绕孔204间隔开，以便为匀场设备223a、223b提供空间以使分别位于其间。如上所述，位于匀场设备223a和223b的匀场袋中的匀场件一起工作以将磁体DSV 211匀场到所需的场均匀性水平(例如，在300mm DSV中为10ppm)。

初级线圈部分221a、221b、221c、221d的每个阶梯分别有具有不同平均直径D21、D22、D23、D24的部分。

部分221a的直径D21应该足够大以允许患者的肩部进入，部分221c的直径D24应该足够大以允许四肢进入。

尽管初级线圈部分221a-c的每个阶梯的直径D21-D24不同，但是每个屏蔽线圈部分222a-c的直径可以可选地不同或基本相等。

梯度线圈220的每个部分，包括初级线圈221和屏蔽线圈222，包括称为z、x和y线圈的三个线圈分段，其在三个正交z、x和y轴上生成三个正交梯度场。

屏蔽线圈222a-c中的电流方向与相应初级线圈221a-c中的电流方向相反。

参考图3，存在截头圆锥形梯度线圈系统03形式的本发明的另一实施例。截头圆锥形梯度线圈系统03基本上类似于上述截头圆锥形梯度线圈系统01。然而，初级线圈部分321a平行于磁体301的纵向轴线305，这与成角度的系统01的初级线圈部分121a相反。

截头圆锥形梯度线圈系统03包括截头圆锥形梯度体302，其插入到具有相关球形体积的直径(DSV)311的磁体301的室(即，轴向开口)中。

梯度体302限定了基本上截头圆锥形的孔304，其沿着梯度体302的长度轴向延伸。如可以看到的，孔304包括第一开口304a和第二开口304b。

第一开口304a旨在允许患者的肩部进入以进行成像，并且因此必须相应地确定尺寸。

如上文简要提及的，期望第一开口304a(即较大的开口)的尺寸被适当地确定以允许患者的肩部进入。因此，可以设想，第一开口304a将具有不小于500mm的直径D31，而第二开口304b(即，较小的开口)的直径D33应当足够小，以提供梯度场的高效率和梯度线性以及较短的梯度长度，并且仍然为四肢(例如，手和手臂)提供通路。

梯度线圈组件320位于梯度体302内。梯度线圈组件320包括包括初级线圈321的三个截头圆锥形部分321a、321b、321c以及包括屏蔽线圈322的屏蔽线圈322a、322b、322c的三个截头圆锥形部分。还存在截头圆锥形无源匀场设备323，其包括容纳一个或多个匀场部分的匀场袋。所述匀场部分提供磁场的无源匀场且包括铁磁材料。

初级线圈部分322c、322b各自具有相对于磁体301的纵向轴线305的不同的相应角度θ3a、θ3b，以及不同的平均直径D31、D32、D33。然而，相应屏蔽线圈部分322c、322b的角度θ3c、θ3d可以相同或不同。有利地，由初级线圈部分321a-c和屏蔽线圈部分322a-c的不同角度提供的各种配置在DSV中产生最佳和期望的磁场，并且使杂散磁场最小化。

如关于孔304的第一开口304a所述，最里面的初级线圈部分初级线圈321a的直径被间隔足够宽以允许患者的肩部进入。因此，如同第一开口304a，优选的是初级线圈321a具有不小于500mm的最大直径，但是可以想到的是，初级线圈321a可以是任何尺寸。

初级线圈321和屏蔽线圈322中的每一个分别包括三个线圈分段(z、x和y线圈)，其在三个正交的z、x和y轴上生成三个正交梯度场。

屏蔽线圈322中的电流方向与相应初级线圈321中的电流方向相反。这将在涉及进一步实施例的后面的图中更清楚地说明。

如图所示，初级线圈321和屏蔽线圈322充分地间隔开，以使无源匀场袋323在其间从梯度体302的窄端(邻近第二开口304b)延伸到梯度体102的宽部分(邻近第一开口304a)。

通过将无源匀场袋323定位在初级线圈321和屏蔽线圈322之间，匀场部可以定位在匀场袋323中，从而将磁体DSV 311匀场到期望的场均匀性水平。

此外，截头圆锥形梯度线圈系统03还包括位于延伸穿过梯度体302的孔304的内表面上的截头圆锥形射频(RF)线圈303。应该理解，RF线圈可以是体积线圈、表面线圈或两者的组合。

这些截头圆锥形RF线圈303被配置为适于接收磁共振成像系统的射频信号的接收器。

类似于系统01，每个初级线圈321和屏蔽线圈322分别包括三个线圈分段(z、x和y线圈)，其在三个正交z、x和y轴上生成三个正交梯度场。屏蔽线圈322a-c中的电流方向与相应初级线圈321a-c中的电流方向相反。

图4中示出了阶梯状梯度线圈系统04形式的本发明的另一实施例。

阶梯状梯度线圈系统04基本上类似于上述和图2所示的梯度线圈系统02。然而，阶梯状梯度线圈系统04还包括位于延伸穿过梯度体202的孔204的内表面上的截头圆锥形射频(RF)线圈203。

这些截头圆锥形RF线圈203被配置为适于接收磁共振成像系统的射频信号的接收器。

如在此所述的实施例，屏蔽线圈222a-c中的电流方向与相应初级线圈221a-c中的电流方向相反。

在图5所示的特别优选的实施例中，基本上类似于梯度线圈系统01的截头圆锥形梯度线圈系统05的DSV 511具有300mm(x-)x300mm(y-)x300mm(z-)的尺寸。

梯度线圈系统05包括两个截头圆锥形部分：形成在梯度体502中的宽部分502a和窄部分502b。

梯度线圈组件520包括包含初级线圈521的两个截头圆锥形部分521a

和521b，以及包含屏蔽线圈522的屏蔽线圈522a和522b的两个截头圆锥形部分。

相对于梯度的轴向(由线505表示)，宽部分502a的角度θ5a等于5度，窄部分502b的角度θ5b等于16度。

最宽梯度孔504a的最大半径R51是300mm(等于600mm的直径)，最窄孔504b的最小半径R52是60mm(等于120mm的直径)。

在该特别优选的实施例中，窄部分502b的长度显著地长于宽部分502a的长度，以增加系统05的磁场的效率和线性。

如在所示的图中可以看到的，初级线圈521和屏蔽线圈522按照从内到外的顺序布置：Z初级线圈、X初级线圈、Y初级线圈、X屏蔽线圈、Y

屏蔽线圈，然后是Z屏蔽线圈。

基本上类似于上述匀场设备123的匀场设备523位于初级线圈521和屏蔽线圈522之间。

屏蔽线圈522中的电流方向(图6、7a和7b中所示)与相应初级线圈521中的电流方向相反。

在使用中，上述实施例提供了磁场梯度的高效率和线性。此外，系统05在第一端使用5度的较小角度而在第二端使用16度的较大角度为患者肩部提供足够的通路。

在根据图8的另一特别优选的实施例中，基本上类似于三阶梯状梯度线圈系统02并使用许多类似编号的部件的三阶梯状梯度线圈系统06具有尺寸为300mm(x-)x300mm(y-)x300mm(z-)的DSV 611。

如上所述，梯度线圈组件220包括三个阶梯状圆柱形部分202a、202b、202c和位于圆柱形部分202b和202c之间的截头圆锥形部分202d。部分202a-d中的每一个分别具有不同的半径R21、R22、R23、R24。

最宽梯度孔204a的半径R21是280mm(相当于560mm的直径)，最窄孔204b的半径R24是105mm(相当于210mm的直径)。

初级线圈221和屏蔽线圈222按照从内部(邻近孔204)到外部(从孔204径向向外移动)的顺序布置：Z初级线圈、X初级线圈、Y初级线圈、X屏蔽线圈、Y屏蔽线圈，然后是Z屏蔽线圈，这可以在图中清楚地看到。

屏蔽线圈222中的电流方向(图9和10中所示)与相应初级线圈221中的电流方向相反。

在使用中，上述系统06在最宽梯度孔204a处为患者的肩部提供通路，并且在最窄孔204b处为患者的四肢提供通路，同时维持磁场的高效率和线性。

在一些实施例中，由截头圆锥形孔提供的较大开口(相对于圆柱形系统)可以减小系统中所需的磁体的总长度。

虽然本文描述的实施例包括无源磁匀场设备，但是备选实施例也可以包括有源磁匀场设备。

本文描述的本发明的实施例旨在提供高效率、高梯度强度以及因此改进的用于头成像的转换速率、改进的用于缩短的梯度长度的线性度以及适合于头和四肢进入的系统。如将可能理解的，增加的梯度强度和高转换速率对于心脏和头部(即大脑)成像可能是特别重要的(并且通常是必需的)。

此外，本发明的实施例具有多个具有不同角度和直径的截头圆锥形梯度线圈的部分，包括提供核磁共振(NMR)信号的有效和高速空间编码的匀场，以及用于肩部和四肢容易进入MRI系统。

具有以不同角度定位的初级线圈部分的本发明的实施例在DSV中产生最佳磁场并使杂散磁场最小化。

有利地，上文关于本发明的各种实施例描述的部件的截头圆锥形性质允许DSV从孔的中心移位。这与典型的圆柱形设计的DSV形成对比，典型的圆柱形设计的DSV典型地具有位于中心的DSV。在本文描述的本发明的实施例中，这允许更容易地定位患者以用于成像区内的头部成像(从大端)和四肢成像(从窄端)。

在另一优点中，本发明的实施例的截头圆锥形设计允许使用较小的磁体，从而减少功率消耗和总成本，包括与材料和安装相关联的成本。此外，较小尺寸的扫描器需要较少的安装空间，从而使扫描器的占地面积最小化。

当在现代医院中安装扫描器时，这可能是关键的考虑。

在本说明书中，形容词例如第一和第二、左和右、顶部和底部等可以仅用于将一个元件或动作与另一个元件或动作区分开，而不一定要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在上下文允许的情况下，对整数或组件或步骤(或类似者)的参考不应被解释为限于所述整数、组件或步骤中的仅一者，而是可为所述整数、组件或步骤等中的一者或多者。

为了描述的目的，向本领域的普通技术人员提供了本发明的各种实施例的以上详细描述。其不是穷举的，也不是要将本发明限制为单个公开的实施例。如上所述，本发明的许多替代和变化对于上述教导的本领域技术人员来说是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些替代实施例，但是本领域普通技术人员将清楚或相对容易地开发其他实施例。本发明旨在包括已经在此讨论的本发明的所有替换、修改和变化，以及落入上述发明的精神和范围内的其他实施例。

在本说明书中，术语“包括”、“包含”、“包括”或类似术语意在表示非排他性的包括，使得包括一系列元件的方法、系统或装置不仅仅包括那些元件，而是可以包括未列出的其他元件。

在整个说明书和权利要求书(如果存在)中，除非上下文另有要求，术语“基本上”或“约”将被理解为不限于由术语限定的具体值或范围。