用于nmr設(shè)備的帶有無源rf屏蔽的有源屏蔽圓柱形梯度線圈系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本公開涉及用于NMR設(shè)備的帶有無源RF屏蔽的有源屏蔽圓柱形梯度線圈系統(tǒng)。主梯度線圈從至少兩個部分線圈系統(tǒng)構(gòu)成，至少兩個部分線圈系統(tǒng)與z軸共線性，從圍繞z軸以最大外半徑R1gradientoutmax纏繞的電導(dǎo)體區(qū)段構(gòu)成，有源屏蔽線圈從圍繞z軸在最小內(nèi)半徑R1shieldinmin處的電導(dǎo)體構(gòu)成，其中R1shieldinmin>R1gradientOutmax。沒有梯度線圈系統(tǒng)的電導(dǎo)體元件存在于沿軸向長度L1、在主梯度線圈最小內(nèi)半徑R1gradientinmin和R1shieldinmin之間的半徑范圍內(nèi)相對于中心對稱的空心圓柱區(qū)段中，提供無源RF屏蔽，無源RF屏蔽從至少三個電互連的部分區(qū)段構(gòu)建，兩個部分區(qū)段以最大外半徑R1hfoutmax圍繞z軸安置，兩者中，具有軸向長度L2和最小內(nèi)半徑R2hfinmin和最大外半徑R2hfOutmax的第三部分區(qū)段圍繞所述z軸安置，其中下列適用：R1hfOutmax<R1gradientinmin并且R1gradientoutmax<R2hfinmin<R2hfoutmax并且L2<L1。
【專利說明】[0001] 用于NMR設(shè)備的帶有無源RF屏蔽的有源屏蔽圓柱形梯度線 圈系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及用于帶有生成在z軸的方向?qū)R的主磁場的主場磁體的MR( =磁共振） 波譜儀中的有源屏蔽圓柱形梯度線圈系統(tǒng)，其中當(dāng)電流在z軸穿過的測量容積之一中流動 時，梯度線圈系統(tǒng)生成Z梯度場，其零通過點位于測量容積的中心，并且其中梯度線圈系統(tǒng) 具有至少一個主梯度線圈和至少一個有源屏蔽線圈，其中主梯度線圈是用至少兩個圓柱形 部分線圈系統(tǒng)構(gòu)成的，所述至少兩個圓柱形部分線圈系統(tǒng)在z方向沿著軸方向彼此分隔長 度L1并相對于測量容積的中心對稱，所述圓柱形部分線圈系統(tǒng)的軸與z軸共線性地延伸， 其中圓柱形部分線圈系統(tǒng)至少部分地由圍繞z軸以最大外半徑Rlgradient^^纏繞的電 導(dǎo)體區(qū)段構(gòu)成，其中有源屏蔽線圈中的至少一個是由圍繞z軸在最小內(nèi)半徑Rlshield inmin 處的電導(dǎo)體構(gòu)成的，其中Rlshieldinmin > Rlgradient^t1?。用于成像NMR設(shè)備的這種梯 度線圈系統(tǒng)，例如，由US-A5, 296, 810公開。
【背景技術(shù)】
[0003] 現(xiàn)代的核磁共振（NMR)波譜儀由用于生成強(qiáng)的靜磁場的電磁體，用于均勻化靜磁 場的勻磁系統(tǒng)（shim system)以及NMR探頭構(gòu)成，包括至少一個用于發(fā)射RF脈沖和接收信 號的發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)，測量樣本，以及用于生成脈沖式場梯度的梯度線圈系統(tǒng)。此 夕卜，NMR波譜儀包括用于生成和檢測電信號的必要設(shè)備，所述電信號是在前述組件中生成和 /或檢測的。
[0004] 大多數(shù)現(xiàn)代NMR探頭都包含用于生成Z梯度場的有源屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)，其偶 爾還用于生成X、Y和Z梯度場。有源屏蔽是必要的，因為許多NMR脈沖序列都要求梯度 場的快速切換，這種快速切換，在未屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)的情況下，會在周圍的金屬結(jié)構(gòu) (具體而言，在探頭的外套中、勻磁系統(tǒng)的線圈架（former)以及超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的各種金屬元 件，其中一些是低溫冷卻的，以及低溫勻磁系統(tǒng)）中導(dǎo)致渦電流的感應(yīng)。有源屏蔽（active shielding)的目標(biāo)是將渦電流降低到最低，減少由測量容積中剩余渦電流所引起的測量偽 像（artifact)。這些測量偽像歸類在梯度線圈系統(tǒng)的術(shù)語"恢復(fù)特性"下，包括要被接收的 NMR線的相位和振幅錯誤。
[0005] 在現(xiàn)有技術(shù)中，有源屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)通常這樣制造，以便梯度線圈和相關(guān)聯(lián) 的屏蔽線圈的匝（turn)對于每一個梯度位于兩個不同的半徑。內(nèi)半徑的匝用于生成梯度 場，而外半徑負(fù)責(zé)屏蔽朝向外面的梯度場。在一些情況下，可以由外直徑的匝執(zhí)行特定的線 性化任務(wù)，屏蔽的一部分位于內(nèi)圓柱體的最外面的軸區(qū)。
[0006] 此設(shè)計原理在制造和計算梯度線圈時具有較大的優(yōu)點。具體而言，制造被簡化， 因為當(dāng)從切割的導(dǎo)電管、箔、金屬片、PCB材料構(gòu)建梯度線圈，或在圓柱形襯底上涂布和構(gòu)建 時，在每種情況下，只有兩個管狀的對象必須彼此對齊。在多層梯度線圈的情況下，必須執(zhí) 行額外的徑向和軸向定位，這通常會降低制造過程中的產(chǎn)量。
[0007] 具體而言，在Z梯度系統(tǒng)中，可以為梯度選擇這樣的設(shè)計，其中主梯度線圈的電導(dǎo) 體的分布表現(xiàn)出軸向分隔，相對于測量容積的中心對稱。取決于概念設(shè)計，這也可以應(yīng)用于 有源的梯度屏蔽。這種梯度的分配的示例例如在US-A4, 733, 189中提供。
[0008] 梯度的匝通常是串行連接的，以便能夠確保恒定電流通過所有導(dǎo)體。并行連接將 導(dǎo)致由于不同的部分線圈的電流的變化而導(dǎo)致的梯度場的波動，具體而言，當(dāng)單個導(dǎo)體的 溫度由于不均勻的冷卻、不同導(dǎo)體長度以及所產(chǎn)生的電阻等等而在操作過程中變化時。然 而，在實踐中也使用并行連接，這要求在生成和調(diào)節(jié)梯度電流時花更多的努力。
[0009] 在主梯度線圈和有源屏蔽線圈的對稱兩半之間進(jìn)行電連接的通常方式是將它們 布線在其中它們被隔開的中間區(qū)域中，其中用于連接的導(dǎo)體可以與圓柱軸同軸地或者沿 著任何曲線延伸。在US7, 109,712B2中或在US6,456,076B1中提供了彎曲輪廓的示例。 [0010] 例如在在引言中引用的US-A5, 296, 810或在作為現(xiàn)有技術(shù)引用的文檔 US7, 109, 712B2或US6, 456, 076B1中給出直的輪廓的示例。
[0011] 除管狀梯度線圈系統(tǒng)之外，現(xiàn)有技術(shù)還包括其他幾何形狀，其中主和/或屏蔽梯 度線圈的匝位于更復(fù)雜的表面上：
[0012] US-A5, 512, 828公開了包括一個主梯度線圈和一個有源屏蔽線圈的梯度，其中兩 個線圈之間的距離在遠(yuǎn)離中心的區(qū)域比在中心附近的區(qū)域更大。
[0013] US-A5, 939, 882公開了其中梯度線圈不占用整個空間的梯度線圈系統(tǒng)。然而，這是 彎曲表面上的雙平面梯度線圈系統(tǒng)(而不是圓柱形梯度線圈系統(tǒng)）的修改。在RF線圈的區(qū) 域，至少對于部分xy平面提供了由梯度線圈對空間的占用。
[0014] US6, 933, 723B2公開了其中主梯度線圈在RF線圈的區(qū)域中重新定位的梯度線圈 系統(tǒng)。此處，218/221代表對稱軸X和z，211代表用于生成靜磁場的磁體，212代表梯度線 圈系統(tǒng)的有源屏蔽線圈，213/213'代表梯度線圈系統(tǒng)的主梯度線圈，而219代表RF線圈。 由于說明書和附圖都沒有描述用于限制可以被RF系統(tǒng)訪問的容積的RF屏蔽，因此，必須假 定在此配置中沒有RF屏蔽。
[0015] 在US7, 852, 083B2中公開了同樣的內(nèi)容；但是這里明確地描述了 RF屏蔽，該RF屏 蔽由于主梯度線圈的后移部分而給RF線圈系統(tǒng)提供了較大的容積，因此提高了 RF線圈系 統(tǒng)的性能(或允許在梯度線圈和位于中間區(qū)域外面的區(qū)域中梯度的屏蔽線圈之間有更大的 距離，從而與常規(guī)梯度線圈系統(tǒng)相比，提高梯度線圈的效率)。以主梯度線圈的形式提供了 RF屏蔽，該主梯度線圈在RF線圈的區(qū)域中，比在有源RF區(qū)域外面具有更大的半徑r2>rl。
[0016] 對兩個文檔US7, 852, 083B2和US6, 933, 723B2通用的事實是：每個梯度線圈都沿 著z軸的全長延伸，或者甚至具有其中梯度線圈的匝存在于兩個半徑上的重疊區(qū)域。沒有 其中主梯度線圈沒有匝的軸向區(qū)域。
[0017] US7,057,391B1公開了帶有集成的梯度（3)和RF線圈（4)的磁體系統(tǒng)，其中梯度 和線圈被置于磁體中的凹陷中。這里，目標(biāo)是使用"未使用的"空間，用于有效率地生成靜 磁場。梯度，RF線圈，以及可能還有RF屏蔽，看起來似乎被制造為圓柱形。
[0018] US-A6, 154, 110公開了開放的MR1磁體的梯度線圈系統(tǒng)，其中梯度線圈和屏蔽線 圈在中間區(qū)域中斷。RF屏蔽不能安裝在該同一區(qū)域，因為否則開放系統(tǒng)將被RF屏蔽閉合。 原則上，這是雙平面梯度線圈系統(tǒng)的修改。
[0019] US-A5, 600, 245公開了圍繞RF線圈并在RF線圈的區(qū)域保留一開口的局部梯度線 圈系統(tǒng)。然而，這些梯度線圈不是有源地屏蔽的線圈，只能和主梯度線圈一起運(yùn)轉(zhuǎn)，只用于 局部地加強(qiáng)梯度場。
[0020] US-A5, 406, 204公開了包含RF屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)，在某些實施例中，其被設(shè)置 在不同的半徑處。一個實施例中的Z梯度線圈的匝安裝在線圈架的槽溝中。RF屏蔽安裝在 線圈架的表面上和凹槽中，Z梯度線圈外面，或者在凹槽中并且在Z梯度線圈外面。
[0021] 凹槽的深度或多或少與Z梯度匝的厚度相對應(yīng)。應(yīng)該指出，RF屏蔽的外表面，以 及Z梯度匝的外表面，應(yīng)該構(gòu)成基本上平坦的表面，以便接納X和Y梯度匝。
[0022] 與梯度線圈系統(tǒng)的大直徑（60_90mm)相比，梯度匝的厚度可以被視為可忽略。這 特別是可以在US-A5, 406, 204的圖1到3中看出：所示出的Z梯度匝的凹槽中的RF屏蔽的 分級只在其半徑的大約0. 5到1%的范圍之內(nèi)延伸。由于半徑的這種輕微變化，明確說明凹 槽與本發(fā)明的功能不相干，Z梯度可以被層疊到恒定半徑的連續(xù)RF屏蔽中，而不會有任何 大的性能損失。RF屏蔽似乎是出于制造原因而并非性能原因而遵從凹槽的形狀。
[0023] 文檔沒有清楚地陳述如何實現(xiàn)Z梯度線圈的單個匝之間的電連接。然而，其陳述 了優(yōu)選根據(jù)專利申請No. 07/942521來設(shè)計X、Y和Z梯度線圈。這是在引言中引用的公開 的申請US-A5,296,810所基于的申請，其中還示出了 Ζ梯度的匝的串行連接穿過中間區(qū) 域。因此，可以假設(shè)，在US-A5, 406, 204中，電導(dǎo)體在X、Y、Z梯度線圈的主線圈和屏蔽線圈 的半徑上、跨梯度線圈系統(tǒng)的整個長度存在。由于X和Υ梯度線圈被結(jié)合到Ζ梯度線圈中， 因此，可以假設(shè)在帶有凹槽的實施例中，還必須存在同軸凹槽，該同軸凹槽在主梯度線圈的 兩個半部之間形成電連接。
[0024] 現(xiàn)代NMR探頭通常制造成帶有用于生成脈沖場梯度的有源屏蔽梯度線圈系統(tǒng)。與 用于磁共振成像方法（=MRI)的傳感器不同，大部分這種梯度線圈系統(tǒng)只是單軸梯度線圈系 統(tǒng)，特別是Z梯度，其中沿著ζ軸方向施加磁場的可能的最均勻的梯度，其中ζ方向由靜磁 場的方向所定義。此梯度場對自旋I的影響是圍繞ζ軸旋轉(zhuǎn)角度 yiGz，其中G是梯度振幅， yi是自旋I的回轉(zhuǎn)磁比。通過施加場梯度，可以感應(yīng)沿著梯度軸編碼的磁化的相位因數(shù)。在 罕見情況下，還使用用于生成多個梯度場的梯度線圈系統(tǒng)，特別是X、Y、Z梯度場，如通常用 于MRI的。
[0025] 在核磁共振譜法中，通常制造帶有集成的脈沖場梯度線圈的探頭。通常，探頭和 梯度線圈系統(tǒng)兩者都具有圓柱形和/或中空圓柱狀，其中特別是使用圓的圓柱形變體。這 些梯度線圈系統(tǒng)通常安裝在（圓的）圓柱形襯底上，它們的導(dǎo)體基本上占用柱體的整個側(cè)表 面。在更罕見情況的情況下，特別地，對于要求液體冷卻的非常強(qiáng)的梯度系統(tǒng)，梯度系統(tǒng)與 探頭分離。
[0026] 對于梯度線圈系統(tǒng)，有各種制造方法：它們要么是用電線纏繞的，其中電線通常固 定在線圈架上的凹槽內(nèi)部，要么是從通常是金屬、管、箔，或?qū)щ姷赝坎嫉木€圈架切割的，要 么在柔軟的印制電路板或金屬片或箔上制造并隨后安裝在線圈架上。
[0027] 梯度匝可以通過兩種不同的方法來制造：通過所謂的"車道變換纏繞"或"螺旋式 纏繞"方法。為省事，下面的討論將僅限于Z梯度線圈系統(tǒng)，但是，在最廣泛的意義上也應(yīng)用 于所有其他梯度線圈系統(tǒng)。
[0028] 在Z梯度線圈系統(tǒng)的情況下，在"車道變換"中，E始終位于ζ位置，一小部分除 夕卜。在該一小部分中，執(zhí)行從一個Z位置到下一 Z位置的過渡。在"螺旋式纏繞"中，Z位置 被連續(xù)地占用。特別是，電線梯度通常作為"車道變換纏繞"來執(zhí)行，因為螺旋形凹槽不能 以高精度制造，或者只能困難地以高精度制造。然而，由于梯度設(shè)計的比較簡單的計算，以 不同的方式制造的梯度類型通常也作為"車道變換纏繞"來制造。
[0029] 為了制造Z梯度場，要求通常與\平面對稱的主梯度線圈。然而，為生成梯度場， 電流的旋轉(zhuǎn)方向在兩個半空間中必須是相反的。通常，兩個梯度半部分通過中心借助電連 接串行連接，其中此連接與實際梯度匝處于相同半徑。
[0030] 對于大多數(shù)NMR應(yīng)用，使用有源屏蔽的Z梯度線圈系統(tǒng)，其中由于一定要短的梯度 恢復(fù)時間，必須特別注意使梯度與外界以及它們與磁體和勻磁系統(tǒng)，以及與內(nèi)部的RF線圈 系統(tǒng)的交互屏蔽。有源屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)通常每個包括至少一個主梯度線圈和一個屏蔽 線圈，其中屏蔽線圈沿圓周方向完全圍繞主梯度線圈。特別地，屏蔽線圈通常長于主梯度線 圈。由于技術(shù)原因，主要只有柱體的側(cè)表面而不是梯度線圈的柱體端面被占用，因此，可以 通過延伸屏蔽線圈來部分地補(bǔ)償丟失的端面。此外，軸向屏蔽的一些部分通常被設(shè)計為位 于主梯度線圈的側(cè)向柱體表面。
[0031] 類似于MRI，在核磁共振譜學(xué)中，要求可能的最強(qiáng)并且最有效率的場梯度。特別是， 第二點使得主梯度線圈和屏蔽線圈之間的徑向距離盡可能地大成為必需。然而，由于外尺 寸是由磁體系統(tǒng)的內(nèi)徑（bore)確定的，這只能通過相對于屏蔽線圈的固定外半徑而縮小主 梯度線圈的半徑來實現(xiàn)。
[0032] NMR探頭不是主要以它包含的梯度線圈系統(tǒng)為特征，因為特別地，它被設(shè)計為傳輸 與接收RF信號。這是利用RF線圈或諧振器系統(tǒng)執(zhí)行的，RF線圈或諧振系統(tǒng)被調(diào)諧到核自 旋的共振頻率，以便在給定的靜磁場中測量。因此，存在用于縮小主梯度線圈的半徑的下 限，這是由RF線圈系統(tǒng)的有效操作所需的內(nèi)部體積定義的。
[0033] 基本上有兩種可能的在NMR探頭中組合RF線圈和梯度線圈系統(tǒng)的方式：要么兩 個系統(tǒng)共享同一個空間，即，它們不在電磁方面彼此分離，要么將可用空間分成梯度線圈系 統(tǒng)的區(qū)域(梯度區(qū)域）和RF系統(tǒng)的區(qū)域（RF區(qū)域)。在后一種情況下，在線圈和梯度線圈系 統(tǒng)之間放置了 RF屏蔽。
[0034] 兩個概念的優(yōu)點和缺點如下：與沒有梯度線圈系統(tǒng)的NMR探頭相比，對RF系統(tǒng)可 用的容積完全沒有或者只少量地被非屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)限制。插入的RF屏蔽在某些情 況下顯著地降低RF系統(tǒng)的性能，因為屏蔽電流必須在RF屏蔽上流動，其一方面具有耗散效 應(yīng)，因而損害RF系統(tǒng)的Q因素，另一方面，生成與RF磁場相反的場，因而縮小在測量容積中 每單位電流生成的磁場振幅。如此，與沒有RF屏蔽的探頭相比，降低了帶有RF屏蔽的NMR 探頭的靈敏度。
[0035] 然而，由于射頻范圍中的非RF屏蔽的梯度線圈系統(tǒng)具有寬的本征諧振的范圍，特 別是在三軸梯度的情況下，其可以在某些情況下大規(guī)模與RF線圈系統(tǒng)耦合，沒有RF屏蔽地 使用梯度線圈系統(tǒng)通常是非常復(fù)雜的，或者甚至不可能的。在某些情況下，梯度和RF線圈 系統(tǒng)的本征模之間的耦合會導(dǎo)致與對應(yīng)的RF屏蔽將生成的相比顯著高的每單位電流的磁 場振幅和Q因素的損失。
[0036] 為避免這種困境，為梯度線圈系統(tǒng)選擇可能的最大半徑，以使由RF屏蔽產(chǎn)生的損 失盡可能低。然而，這會導(dǎo)致梯度線圈系統(tǒng)的效率降低，這必須在操作過程中通過較高的電 流和/或較高的電感和較高的耗散來補(bǔ)償。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0037] 因此，本發(fā)明的目標(biāo)是通過可能的最簡單的技術(shù)手段來改善在引言中所描述的類 型的有源屏蔽梯度線圈系統(tǒng)，以便在NMR探頭中可用的空間可借助RF屏蔽被分成RF區(qū)域 和梯度區(qū)域，其中RF區(qū)域的容積（volume)被最大化，而不會損失梯度線圈系統(tǒng)的性能。
[0038] 根據(jù)本發(fā)明，此目標(biāo)以驚人地簡單但是非常有效的方式得以完全實現(xiàn)，因為沒 有梯度線圈系統(tǒng)的電導(dǎo)體元件存在于沿著軸向長度L1、在主梯度線圈的最小內(nèi)半徑 Rlgradient inmin和Rlshieldinmin之間的半徑范圍內(nèi)相對于測量容積的所述中心對稱的空心 圓柱區(qū)段（section)，提供了無源RF屏蔽，所述無源RF屏蔽是從至少三個電互連的部分區(qū) 段構(gòu)建的，其中兩個部分區(qū)段以最大外半徑Rlhf wtmax圍繞所述z軸安置，而在這兩個部分 區(qū)段之間，帶有軸向長度L2以及最小內(nèi)半徑R2hf inmin以及最大外半徑R2hf；utmax的第三部分 區(qū)段圍繞所述z軸安置，其中下列適用：Rlhf Qutmax〈Rlgradientinmin并且RlgradieCXl^ 并且 L2〈L1。
[0039] 具體而言，當(dāng)使用有源地屏蔽的Z梯度線圈系統(tǒng)時，不絕對必須跨整個z范圍在各 種半徑上占用完整的柱體側(cè)表面，如對于現(xiàn)有技術(shù)的梯度線圈系統(tǒng)常見的。必須在梯度場 的反向點的區(qū)域中產(chǎn)生最高電流密度，該區(qū)域，根據(jù)經(jīng)驗，必須位于RF線圈系統(tǒng)的范圍外 面，以便能夠確保跨NMR系統(tǒng)的有效范圍有梯度場的足夠長度。在RF線圈系統(tǒng)所在的軸向 區(qū)域可能需要額外的匝，以便沿著z軸實現(xiàn)Z梯度場的更好線性，其中可以利用梯度屏蔽線 圈的匝實現(xiàn)一部分線性化，但對屏蔽效應(yīng)不利。此外，可以在除主梯度線圈的半徑以外的半 徑上放置線性化所需的額外匝。
[0040] 此外，核自旋共振光譜學(xué)的剩余尺寸向主梯度線圈對添加單對梯度線圈就足夠 了，以便在測量容積內(nèi)為Z梯度實現(xiàn)足夠的線性。
[0041] 除為最小電感、最高效率、跨特定容積的線性、朝向外界的屏蔽，以及定義的內(nèi)外 直徑的恢復(fù)特性而優(yōu)化梯度線圈系統(tǒng)的常見目標(biāo)之外，還規(guī)定了必須是無導(dǎo)體的容積。為 使中間區(qū)域無電導(dǎo)體，主梯度線圈可被構(gòu)造為兩個或更多分離的部分線圈系統(tǒng)。到每個部 分線圈系統(tǒng)的傳入的電源電纜在主梯度線圈和屏蔽線圈之間的中間部位沿著軸方向引導(dǎo) 到梯度的較近末端，而不跨過中心區(qū)?，F(xiàn)在，包括屏蔽線圈在內(nèi)的梯度的所有部分線圈系統(tǒng) 可以是串行連接的。
[0042] 如此，發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)在中間區(qū)域具有圓柱區(qū)段，該圓柱區(qū)段不包含梯度線 圈系統(tǒng)的導(dǎo)體元件，并具有大于主梯度線圈的導(dǎo)體元件的最小內(nèi)半徑的最大外半徑。除實 際梯度匝之外，它還在梯度線圈的單個匝之間包含傳入的供電以及連接電線。具體而言，此 圓柱區(qū)段的外半徑只不明顯地小于或等于此軸向范圍中的屏蔽線圈的最小內(nèi)半徑。
[0043] 梯度線圈系統(tǒng)的中心處的此自由空間現(xiàn)在可以被用來插入無源RF屏蔽，在長度 L2上其在中間區(qū)域中的半徑R2變得大于其在外部區(qū)域(具體而言，在主要梯度部分線圈系 統(tǒng)的最高電流密度的區(qū)域）中的半徑R1。為實現(xiàn)此目標(biāo)，RF屏蔽是從電互連的至少三個部 分區(qū)段構(gòu)建的。在此上下文中，電連接意味著導(dǎo)電連接或者電磁連接。如果兩個導(dǎo)體元件 是基本上電磁耦合的(具體而言，是從電容性或電感耦合所產(chǎn)生的)，則它們被視為電磁連 接的。這可以通過具有電容性和/或電感性效應(yīng)的分離的或分布式元件來實現(xiàn)。分布式電 容性元件可以例如作為通過用于絕緣的介電層隔開的重疊電導(dǎo)體來實現(xiàn)。
[0044] 由于至少一個發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)安裝在NMR探頭的中間區(qū)域，因此，與現(xiàn)有 技術(shù)相比，可用于后者的容積較少地被發(fā)明的RF屏蔽限制。為獲得梯度線圈系統(tǒng)的可比的 性能，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的NMR探頭相比，這將導(dǎo)致發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的較高性能。
[0045] 具體而言，可以在傳輸過程中以低脈沖功率實現(xiàn)所需的脈沖角度，這會降低熱效 應(yīng)。此外，可以在接收過程中改善靈敏度，因而改善探頭的信噪比。
[0046] 下面將描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例和更進(jìn)一步的實施例以及它們的工作原理和特 殊優(yōu)點：
[0047] 發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的特別優(yōu)選實施例的特征在于，下列適用：
[0048] R2hf0Utmax<Rlshieldinmin
[0049] 這意味著，梯度線圈系統(tǒng)的屏蔽線圈可以由單構(gòu)件制成，例如，在單一線圈架上。 這在制造過程中簡化了帶有屏蔽線圈的主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)的安裝和校準(zhǔn)。
[0050] 發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的實施例還提供特殊的優(yōu)點，其中：
[0051] R2hfinmin 彡 1. 1 · Rlgradient-·^ 并且 R2hfQUtmax 彡 0· 8 · Rlshieldinmin。利用這些 尺寸，可以實現(xiàn)發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的性能的顯著提高。
[0052] 在又一個優(yōu)選實施例中，下列適用：
[0053] R2hfin_ > RlgradientQUtmax+3mm 并且 R2hfQUtmax > Rlshieidinmm_3 mm。對于 R2 大 致在范圍33mm〈R2〈40mm而R1大致在范圍18mm〈Rl〈25mm的NMR探頭的梯度線圈系統(tǒng)的常 見尺寸，與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的NMR探頭相比，這些尺寸可帶來發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的性能 的顯者提商。
[0054] 發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的一類實施例的特征在于，圍繞z軸纏繞的電導(dǎo)體區(qū)段是從 帶有優(yōu)選為圓形的斷面的電線構(gòu)建的。這制造起來特別簡單，例如，通過在其中纏繞了電線 的襯底中提供凹槽。帶有圓形斷面的電線比帶有任何斷面(具體而言，方形斷面）的電線更 加容易安裝。與圓形電線相比，帶有矩形斷面的電線優(yōu)化了設(shè)計中的每單位容積的電流密 度。
[0055] 在實施例的替換類別中，圍繞z軸纏繞的電導(dǎo)體區(qū)段是從帶狀導(dǎo)體構(gòu)建的。帶狀 導(dǎo)體電線的意思指，其斷面具有顯著偏離1的寬度-高度比，具體而言，具有大于1.5的高 度-寬度或?qū)挾?高度比。帶有大于2的寬度-高度比的導(dǎo)體是特別首選的。對于給定徑 向尺寸的帶狀導(dǎo)體可以最小化梯度系統(tǒng)的電阻，或?qū)τ诮o定電阻，允許在軸向方向有較小 的導(dǎo)線間隙。
[0056] 實施例的更進(jìn)一步的替換類別的特征在于，圍繞z軸纏繞的電導(dǎo)體區(qū)段是從涂布 的電介質(zhì)襯底的導(dǎo)電層構(gòu)建的。通過涂有導(dǎo)電層的襯底的構(gòu)建(例如，激光構(gòu)建、化學(xué)濕選 法)，梯度線圈系統(tǒng)的精確并且低成本的制造是可能的。如此，可以最小化人力，最大化可再 現(xiàn)性。陶瓷材料、塑料，各種玻璃以及研磨的單晶是合適的襯底。如果使用帶有高熱導(dǎo)率的 襯底材料(例如，硝酸鋁、氧化鋁、陶瓷或單晶形式的硅或碳化硅)，則除執(zhí)行電導(dǎo)體的機(jī)械 定位和穩(wěn)定的功能之外，襯底還可以實現(xiàn)熱傳遞以冷卻它們。這對于低溫冷卻的梯度線圈 系統(tǒng)特別有利。
[0057] 發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的各實施例也是首選的，其中主梯度線圈的沿著軸方 向分開的圓柱形部分線圈系統(tǒng)中的至少兩對具有不同的最小內(nèi)半徑Rlgradientinmm， R2gradientinmm，R3gradientinmm。利用這些實施例，例如，可以插入線圈以線性化梯度，如果 RF屏蔽符合梯度線圈系統(tǒng)的導(dǎo)體的輪廓，則只最低限度地縮小RF區(qū)域的可用空間。
[0058] 在進(jìn)一步的有利實施例中，無源RF屏蔽的至少兩個部分區(qū)段具有不同的最小內(nèi) 半徑Rlhf inmin，R2hfinmin，R3hfin min，R4hfinmin。如果使用具有不同最小內(nèi)半徑的沿著軸方向 分開的圓柱形部分線圈系統(tǒng)中的至少兩對的梯度，這使得最大化RF區(qū)域成為可能。此外， 這也使得只在主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)的導(dǎo)體區(qū)域中實現(xiàn)RF屏蔽的"凹陷"成為可能。 這最大化RF區(qū)域，因而最大化NMR發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的性能。
[0059] 此外，其中圓柱形部分線圈系統(tǒng)的至少一個是從在徑向方向彼此纏繞的多個電導(dǎo) 體區(qū)段構(gòu)建的各實施例也是首選的。彼此纏繞的導(dǎo)體意味著在大致相同z位置處安裝在 多個半徑處的導(dǎo)體。這使得對于恒定導(dǎo)體寬度在一個z位置設(shè)計較高電流密度成為可能。 因而，與使用局部地縮小的導(dǎo)體寬度的設(shè)計相比，可以減小梯度線圈的電阻，并且設(shè)計被簡 化。與導(dǎo)體的"分布式"占用相比，主梯度線圈的導(dǎo)體占用的空間（不再可用于RF區(qū)域）也 被最小化。
[0060] 同樣有利的還有一類實施例，它們的特征在于，主梯度線圈的圓柱形部分線圈系 統(tǒng)以及至少一個有源屏蔽線圈，除傳入的輸電線開口外，被無源RF屏蔽完全封閉。因而，一 方面，梯度線圈和發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)之間的電磁耦合可以被最小化或降低到零，另 一方面，來自梯度的材料的任何可檢測的NMR信號(例如，來自電導(dǎo)體、粘接劑、襯底材料等 的絕緣的 1Η或13C)可以被最小化或降低到零。
[0061] 通過利用無源RF屏蔽來封閉主梯度線圈的圓柱形部分線圈系統(tǒng)的徑向內(nèi)表面和 軸向端面以及至少一個有源屏蔽線圈的徑向外表面和軸向端面，可以進(jìn)一步發(fā)展發(fā)明的梯 度線圈系統(tǒng)的此實施例。因而，梯度線圈系統(tǒng)完全由RF屏蔽包圍，以便能夠減小或排除耦 合和背景信號。
[0062] 實施例的一個替換類別的特征在于，無源RF屏蔽被成形，以便它包圍RF輻射不能 從其中穿透到外界的RF密封空間區(qū)域。在此實施例中，RF區(qū)域被嚴(yán)格地劃界，以便與外部 空間的耦合可以被有效地最小化，并且無法從外部空間接收NMR背景信號。
[0063] 上文所描述的兩類實施例可以有利地進(jìn)一步發(fā)展，以便可以利用無源RF屏蔽的 元件的電容性重疊和/或通過焊接和/或通過加壓（compression)和/或通過與導(dǎo)電性膠 粘劑粘結(jié)，實現(xiàn)無源RF屏蔽的RF不可穿透性。這能夠低成本地從多個部分制造RF不能穿 透的成梯狀（stepped)的無源RF屏蔽。
[0064] 根據(jù)前面權(quán)利要求中任何一個所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述無源RF屏 蔽（3)安裝在襯底上，特別是，通過真空沉積和/或濺射和/或CVD和/或通過電鍍和/或 印刷和/或噴漆和/或粘結(jié)。這使得在一個制造步驟中有效地將RF屏蔽引入到襯底材料 的內(nèi)側(cè)和/或外側(cè)上成為可能。此外，以此方式安裝的導(dǎo)電層可以在進(jìn)一步的步驟中以一 模式簡單地并且準(zhǔn)確地構(gòu)建，這最小化了梯度切換過程中的屏蔽電流。
[0065] 進(jìn)一步的優(yōu)選實施例的特征在于，至少兩個電互連的部分區(qū)段以最大外半徑 Rlhfwt_圍繞所述z軸以圓柱地對稱的方式安置，其中在這兩個部分區(qū)段之間，帶有軸向長 度L2以及最小內(nèi)半徑R2hf inmin以及最大外半徑R2hf；utmax的第三部分區(qū)段圍繞所述z軸安 置，并且在第三部分區(qū)段和兩個其他部分區(qū)段之間，在每種情況下，安置了過渡區(qū)段(特別 是，以圓錐形元件的形式)，所述過渡區(qū)段互連了沿著軸向長度L8以不同的半徑安置的所述 部分區(qū)段。如果無源RF屏蔽使用涂布法安裝在襯底上，則此實施例特別合適，因為沒有垂 直于圓柱軸或銳邊的表面必須被涂布或構(gòu)建。
[0066] 本發(fā)明的范圍最后還包括帶有具有上述創(chuàng)造性修改的梯度線圈系統(tǒng)的MR頻譜 儀，該頻譜儀的特征在于，提供了 RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)，該RF發(fā)射和/或接收線圈 系統(tǒng)沿著相對于測量容積的中心對稱的沿著軸向長度L3〈L2被安置在半徑R2hfinmin內(nèi)部。 如果帶有無源RF屏蔽的放大半徑的切口具有比RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)更長的長度， 則可以進(jìn)一步改善后者的性能。
[0067] 通過說明書和附圖，可以發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的優(yōu)點。附圖不一定按比例示出了各種特征。 此外，根據(jù)本發(fā)明，上述以及下述的特征可以單獨地使用或以任何組合一起使用。所示出并 描述的各實施例不是詳細(xì)清單，而是說明本發(fā)明的示例。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0068]圖1是本發(fā)明的有源屏蔽的圓柱形梯度線圈系統(tǒng)的第一、特別簡單地構(gòu)建的實施 例的截面示意圖；
[0069]圖2是包含發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的本發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的實施例；
[0070] 圖3是帶有主梯度線圈的實施例，其包括在不同半徑上的三對部分線圈系統(tǒng)以及 帶有在不同半徑上的三個部分區(qū)段的無源RF屏蔽；
[0071] 圖4是本發(fā)明的再一個的度線圈系統(tǒng)，其中主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)分別由多 層導(dǎo)體制成，RF屏蔽在導(dǎo)體的區(qū)域中限定凹陷；
[0072] 圖5是完全由無源RF屏蔽包圍的本發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的實施例，
[0073] 圖6是完全由無源RF屏蔽包圍的本發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)，其中梯度屏蔽線圈在中 間區(qū)域包括兩個分開的部分線圈系統(tǒng)；
[0074] 圖7是帶有RF無法穿透地密封的RF區(qū)域的實施例；
[0075] 圖8a是安裝在襯底的外側(cè)的本發(fā)明的梯度線圈系統(tǒng)的RF屏蔽；以及
[0076] 圖8b是安裝在襯底的外側(cè)的RF屏蔽，其中RF屏蔽的兩個半徑之間的過渡是作為 錐體構(gòu)建的。
【具體實施方式】
[0077] 下列詳細(xì)描述呈現(xiàn)了公開了具體細(xì)節(jié)并旨在說明，而不是限制，以便提供對當(dāng)前 教導(dǎo)的更深入理解的示例。然而，對于閱讀了本發(fā)明的所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的專業(yè)人員，顯而易見 的是，偏離在本文中所公開的具體細(xì)節(jié)的根據(jù)當(dāng)前教導(dǎo)的其他示例也受所附的權(quán)利要求的 保護(hù)。此外，為清楚起見，省略了從現(xiàn)有技術(shù)已知的設(shè)備和方法的描述。這樣的方法和設(shè)備 顯然屬于當(dāng)前教導(dǎo)的保護(hù)的范圍內(nèi)。
[0078] 此處所使用的術(shù)語排他地用于描述某些示例的目的，而不旨在進(jìn)行限制。所定義 的表達(dá)是對于所定義的表達(dá)在本教導(dǎo)的【技術(shù)領(lǐng)域】中通常被理解和接受的技術(shù)和科學(xué)含義 的補(bǔ)充。
[0079] 表達(dá)"一個"涵蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地相反聲明。因而，例如，"一 個設(shè)備"涵蓋一個設(shè)備和/或多個設(shè)備。
[0080] 說明書中以及所附的權(quán)利要求中使用的表達(dá)"基本上"表示"在可接受的限制和程 度內(nèi)"。
[0081] 表達(dá)"大致"或"大約"是指"在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的可接受的極限值或量 內(nèi)"。例如，"大致相等"意味著本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將正在比較的元件視為相同。
[0082] 表達(dá)"特別是"只強(qiáng)調(diào)集合的子集，而不明確地限制該集合的總體。例如，集合"柱 體，特別是，圓柱體"包括任何截面形狀的所有柱體的集合，只是強(qiáng)調(diào)具有圓形的截面形狀 的那些是特別合適的。
[0083] 用于帶有一個主場磁體(生成在z軸方向?qū)R的主磁體場）的MR頻譜儀中的本 發(fā)明的有源屏蔽梯度線圈系統(tǒng)圍繞z軸圓柱地安置，并包括從至少兩個圓柱形部分線圈系 統(tǒng)、至少一個圓柱形屏蔽線圈至少一個無源RF屏蔽構(gòu)建的一個主梯度線圈，其中主梯度線 圈的至少兩個部分線圈系統(tǒng)是從半徑Rlgradient的電導(dǎo)體構(gòu)建的，沿著軸向長度L1在z 軸方向分開，而至少一個屏蔽線圈是從半徑R1 shie 1 d的電導(dǎo)體構(gòu)建的。
[0084] 在許多實施例中，特別是那些帶有由電線制成的電導(dǎo)體元件的實施例，主梯度 線圈和屏蔽線圈的徑向范圍如此大，以至于最小內(nèi)直徑和最大外直徑之間的差不再能被 視為大致相等。因此，特別是對于帶有非可忽略的徑向尺寸的實施例，在每種情況下，分 別指定最小內(nèi)半徑Rlgradient inmm和Rlshieldinmm以及最大外半徑Rlgradient^t 1?和 Rlshielct/'在圓的圓柱形梯度線圈系統(tǒng)的情況下，特別地，最小內(nèi)半徑等于內(nèi)半徑，最 大外半徑等于外半徑。對于帶有部分線圈的大致相同的內(nèi)外半徑的實施例，特別是圓的圓 柱形那些，Rlgradient inmm=RlgradientQutmax=Rlgradient。
[0085] 這里，下列條件適用：
[0086] RlgradientOTtmax〈Rlshield inmm，即，主梯度線圈可以在屏蔽線圈內(nèi)部構(gòu)成。對于屏 蔽線圈和梯度線圈，這促進(jìn)了制造過程中的簡單安裝以及單一線圈架上的制造，其中導(dǎo)體 元件安裝在內(nèi)側(cè)和外側(cè)。技術(shù)上，此條件是將功能分離為內(nèi)部空間(特別是，在測量容積中） 中的場生成以及外部空間(特別是在NMR探頭外部）中梯度場的有源屏蔽所必需的。
[0087] 此外，RlshielC"由仍可以安裝在NMR探頭中或在MR頻譜儀的勻磁系統(tǒng)中的梯 度線圈系統(tǒng)的最大可能的尺寸來確定。Rlgradient inmm是由梯度線圈系統(tǒng)的性能以及發(fā)射 和/或接收線圈系統(tǒng)的尺寸和性能的要求確定的。
[0088] 梯度線圈系統(tǒng)還包括至少一個無源RF屏蔽系統(tǒng)，其斷面是圓柱形的，其導(dǎo)電 元件位于至少兩個最小內(nèi)半徑Rihf inmin和兩個最大外半徑Rihf；utmax內(nèi)，其中i是大于 或等于2的自然數(shù)。與梯度線圈的半徑類似，如果內(nèi)外半徑大致相等，則后者將被視為 Rihf inmin=Rihfwtmax=Rihf，這特別是由薄的、圓的圓柱形RF屏蔽實現(xiàn)的。
[0089] RF屏蔽由至少三個部分區(qū)段構(gòu)成，其中這些部分區(qū)段中的兩個具有半徑Rlhf，在 此兩者之間，帶有軸向長度L2的第三部分區(qū)段沿著半徑R2hf相對于測量容積的中心對稱 地插入。
[0090] 下列條件適用于無源1^屏蔽的半徑：1?11^。11廣〈1?21^廣，1?11^。： !￡〈1?1^(^叫廣 并且1^四(如1^。：!￡〈1?21^廣。此外，軸向尺寸1^2〈1^1。這導(dǎo)致帶有無源1^屏蔽的有源屏 蔽梯度線圈系統(tǒng)，其在中間區(qū)域具有向外延伸的凹陷。由于至少一個發(fā)射和/或接收線圈 系統(tǒng)位于NMR探頭的此中間區(qū)域，因此，與帶有半徑Rlhf處的圓柱形RF屏蔽的現(xiàn)有技術(shù)的 NMR探頭相比，通過可用容積的增大的大小來提高后者的性能。
[0091] 這樣的實施例是優(yōu)選的：包括一個主梯度線圈（包括正好兩個部分線圈系統(tǒng)和一 個屏蔽線圈)，其中無源RF屏蔽具有盡可能小的到中心區(qū)中的屏蔽線圈的徑向距離，盡可能 小的到邊緣區(qū)域中的梯度線圈的徑向距離。
[0092] 對于此實施例，除上述的條件之外，條件R2hfwtmax〈RlShi eldinmin適用。此實施例 可以在技術(shù)上非常輕松地實現(xiàn)，并且使得在不限制屏蔽線圈的導(dǎo)體元件的定位的情況下， 為RF線圈系統(tǒng)提供大容積成為可能。因而，可以確保梯度場對外界的有效屏蔽。如果屏蔽 線圈安裝在線圈架上并且后者具有小的壁厚度，則在此實施例中，發(fā)射和/或接收線圈系 統(tǒng)的性能只有輕微損失。這在圖1中作為斷面示意地示出。
[0093] 具體而言，這樣的梯度線圈系統(tǒng)可以優(yōu)選地由下列組件制成：
[0094] 1.四個組件，包括襯底上的RF屏蔽，主梯度線圈的兩個部分線圈系統(tǒng)，每個都在 管狀襯底上，以及另一個管狀襯底上的一個屏蔽線圈。此制造方法可以用于制造梯度系統(tǒng) 的所有常見方法。具體而言，它適用于從電線纏繞的梯度，但也適用于導(dǎo)電地涂布的線圈 架。如果梯度線圈由切割的金屬管制成，則可以至少對于一部分元件，省略線圈架。
[0095] 2.三個組件，每個包括內(nèi)側(cè)的主梯度線圈的一個或多個部分線圈系統(tǒng)，外側(cè)的屏 蔽線圈的一半(通過xy平面切割)，以及襯底上的RF屏蔽。這里，應(yīng)該注意，從兩個半部制 造屏蔽線圈可以被視為基本上與在單個圓柱形襯底上制造相同，如果兩個半部在中間區(qū)段 中在很大程度上接觸。此制造方法降低了組件的定位的自由度，因而可以最小化浪費(fèi)，如果 制造技術(shù)可以確保導(dǎo)體元件在兩個襯底上的正確的定位。
[0096] 3.梯度線圈系統(tǒng)可以在向其中插入了 RF屏蔽的單個襯底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)制造。在 此情況下，RF屏蔽通常從單個部件組裝或安裝在梯度線圈內(nèi)部的絕緣層上。此制造方法特 別適于導(dǎo)電地涂布的線圈架，并且通過機(jī)器制造，導(dǎo)致梯度的高產(chǎn)量，而無需主梯度線圈相 對于屏蔽線圈的復(fù)雜定位。
[0097] 4.另一種可能性是在沿著縱向軸切割的"半個貝殼形狀的"襯底的內(nèi)側(cè)和外側(cè)制 造梯度線圈系統(tǒng)。這里，梯度系統(tǒng)的設(shè)計可以，特別地，被以這樣的方式設(shè)計為，在"半貝殼" 之間不要求或只要求非常少的導(dǎo)電連接。例如，這可以通過跨切割邊在主梯度線圈和屏蔽 線圈之間具有多次交換電流來實現(xiàn)。RF屏蔽可以在被插入到兩個半貝殼中或安裝在半貝殼 內(nèi)部的絕緣層上的第三襯底上制造。
[0098] 包括更多元件的其他制造方法，特別是，對于RF屏蔽，也可以在特定情況下具有 優(yōu)點，特別是，如果RF屏蔽不是由連續(xù)的、薄的導(dǎo)電層制成，而是由帶有在相鄰元件之間的 電容耦合的區(qū)段制成。
[0099] 在另一個優(yōu)選實施例中，RF屏蔽的外半徑也可以在長度L2的中間部分大于有 源屏蔽線圈的內(nèi)半徑，即，R2hf；utmax彡Rlshieidin min。如果梯度的設(shè)計不包括長度L6的中 間區(qū)域，則這是可能的，其中主梯度線圈以及屏蔽線圈都沒有導(dǎo)體元件。在此情況下，用 于發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的容積最大化。然而，通常，有源梯度屏蔽的效率稍微降低， 以便當(dāng)快速地切換梯度場時，在具有大于Rlshield^B的半徑的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生更多渦 電流。這必須通過在梯度線圈系統(tǒng)附近使用帶有高電阻的合適材料和/或非導(dǎo)電材料或 通過適應(yīng)梯度的設(shè)計(生成較少地影響測量容積的渦電流）來抵消。通常，下列仍適用： R2hf 0Utmax=Rlshield0Utmax〇
[0100] 此外，這樣的實施例是首選的：其中長度L2大于至少一個發(fā)射和/或接收線圈系 統(tǒng)的長度L3。這允許通過RF屏蔽實現(xiàn)盡可能最低的性能損失，而同時實現(xiàn)梯度線圈系統(tǒng) 的良好效率。圖2示意地示出了其最簡單形式的這種梯度線圈系統(tǒng)。NMR探頭通常包括一 個以上的發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)。在此情況下，長度L3是指這些線圈系統(tǒng)之一的磁性長 度。發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的磁性長度有各種定義，然而，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，這些磁性 長度可以解釋為大致相同的值。對于磁性長度的這些定義中的一個是z軸上的RF磁場的 半值長度。
[0101] 在另一個實施例中，主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)在一個以上的半徑制造，RF屏蔽 在兩個以上的半徑制造。這具有下列優(yōu)點：提供梯度的設(shè)計的更大靈活性，改善梯度的線性 和屏蔽，同時進(jìn)一步增大對于梯度線圈系統(tǒng)的給定規(guī)格的可用于RF區(qū)域的容積。
[0102] 圖3示意地示出了這樣的梯度線圈系統(tǒng)：RF屏蔽具有在長度L2上的內(nèi)半 徑R2hfin min。沿著與測量容積的中心對稱的兩個區(qū)段L2/2彡|z|彡L4/2,它具有半徑 R3hf，其中R3hf； utmax〈R2hfinmin。沿著剩余長度，RF屏蔽具有半徑Rlhf，其中在此示例中， Rlhf wtmax〈R3hfinmin適用。原則上，RF屏蔽的更進(jìn)一步分級也是可以的。這些也不需要相對 于探頭的磁性中心對稱地安置。
[0103] 在又一個優(yōu)選實施例中，主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)占用較小的區(qū)域。這更進(jìn)一 步最大化RF區(qū)域的容積。如果多層導(dǎo)體徑向地彼此層疊在另一導(dǎo)體上方，則可以實現(xiàn)區(qū)域 的這種縮小的占用。這對于從電線纏繞的梯度特別有利，因為通過在襯底中制造用于接納 梯度電線的凹槽，在技術(shù)上解決起來簡單，并且梯度密集地纏繞，被封包在這些凹槽中?？?選地，這可以使用多層PCB或通過嵌套管的多個層來實現(xiàn)。在此情況下，由導(dǎo)體占用的每一 半徑都必須視為半徑Rigradient上的獨立梯度線圈，其中i是自然數(shù)（正整數(shù))。因此，不 同的部分線圈系統(tǒng)的z位置也可以重疊。
[0104] 在圖4中，這樣的梯度線圈系統(tǒng)以斷面示意地表示，其中在此特定實施例中，RF屏 蔽在區(qū)間-L2/2彡z彡L2/2內(nèi)具有半徑R2hf，在兩個進(jìn)一步的區(qū)間L2/2〈|z|〈L4/2內(nèi)具 有半徑R3hf，在區(qū)間L4/2 < | z | < L5/2內(nèi)具有半徑R4hf，以及在剩余長度之外具有半徑 Rlhf。在圖4中，R2hf=R4hf。這不一定必須適用，只用于示出特別優(yōu)選的變體。一般而言， 所有半徑都可以不同。此外，在圖4中，大致相同的z位置處的各梯度線圈的軸向范圍被示 為一樣大小。一般而言，這不必確保，但是例如當(dāng)電線纏繞在凹槽中時這對于電線梯度很容 易實現(xiàn)。實現(xiàn)電線梯度的另一種簡單方式是，將電線纏繞為"球粒堆積"(sphere packing)， 以便每一層都比前一層少包含一個電線，并在z方向被電線直徑的一半抵銷。
[0105] 對于NMR的特定應(yīng)用，不僅發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)和梯度線圈系統(tǒng)之間的耦合 的減小相關(guān)，而且對由于梯度中的電線或?qū)w絕緣，粘接劑或襯底材料導(dǎo)致的NMR背景信 號的抑制也是相關(guān)的。此背景信號是由NMR信號的激發(fā)和接收生成的。在最好的情況下， 它會導(dǎo)致可以數(shù)值校正的NMR范圍的可再現(xiàn)地改變的基準(zhǔn)。這特別在背景信號弱而對應(yīng)的 NMR線非常寬的情況下成立。然而，在最壞的情況下，背景信號包含不能被校正的相對強(qiáng)的 窄NMR線。為盡可能完全避免此背景信號，最好完全從RF區(qū)域斷開梯度線圈系統(tǒng)。為實現(xiàn) 此目標(biāo)，可能需要使用RF屏蔽封閉內(nèi)側(cè)、外側(cè)以及端面處的梯度。也可以在梯度輸電線的 區(qū)域?qū)崿F(xiàn)RF屏蔽，以防止此區(qū)域中背景信號的耦合或接收。在此上下文中，值得注意的是， 通常只有帶有基本上相同靜磁場的組件可以對NMR背景信號做貢獻(xiàn)，因為否則，背景的核 的拉莫爾頻率相對于要被測量的頻譜移位到這樣的程度，以致于它落在測量頻率外，因為 主磁體的靜態(tài)場表現(xiàn)出一個平臺，該平臺相對于測量范圍基本上是對稱的并具有在該范圍 外急劇下降的振幅。
[0106] 圖5示意地示出了此實施例的其中梯度線圈系統(tǒng)被RF屏蔽完全封閉的變體。這 里，RF屏蔽包括位于梯度線圈系統(tǒng)的內(nèi)側(cè)的元件3a，位于端面的元件3b，以及位于梯度線 圈系統(tǒng)的外側(cè)的元件3c，以及梯度輸電線的外殼6。RF屏蔽形成密封的梯度區(qū)域7,只要RF 屏蔽實現(xiàn)RF輻射的足夠衰減級別，沒有RF輻射能穿透該區(qū)域7。如果導(dǎo)體厚度在相關(guān)頻率 和溫度時大于幾個皮膚深度，這可以通過電閉合的RF屏蔽來很好地實現(xiàn)?？蛇x地，構(gòu)建的 RF屏蔽也可以被設(shè)計為，以便它針對相關(guān)頻率具有足夠的RF不可穿透性。然而，構(gòu)建的屏 蔽通常對RF是不充分地不能穿透，以致于不能完全防止由背景信號所產(chǎn)生的偽像。
[0107] 端面元件和符合橫向柱體表面的形狀的元件可以，例如，通過電容性重疊、焊接、 加壓，利用導(dǎo)電粘接劑粘結(jié)等等來連接，以使RF屏蔽的RF不可穿透性保持為所需的級別。
[0108] 圖6示出了這樣的實施例：其中以這樣的方式實現(xiàn)RF屏蔽，以便對于RF屏蔽（3d) 的中間區(qū)域，> RlShielcLtmax適用。結(jié)果，與發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的性能相 關(guān)的RF區(qū)域的容積可以進(jìn)一步增大。為實現(xiàn)此目標(biāo)，屏蔽線圈必須在長度L6的中心處具 有對稱區(qū)域，其不包含導(dǎo)體。在此情況下，半徑R2hf； utmax與沒有集成的梯度線圈系統(tǒng)或帶有 梯度線圈系統(tǒng)而沒有RF屏蔽的NMR探頭的RF屏蔽的半徑相同。
[0109] 在上面所提及的RF屏蔽的變體中，生成背景信號的材料被RF屏蔽"封住"。作為 一種替代方案，可以通過使RF區(qū)域與外界密封，
[0110] 在梯度系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)RF不能穿透的RF屏蔽。這防止，例如，由實際RF區(qū)域外的 材料產(chǎn)生的NMR背景信號被接收。即，RF區(qū)域被以這樣的方式封閉，以便在此區(qū)域外無法 接收到信號。因此，RF區(qū)域的端面必須盡可能地使RF不能穿透。然而，由于測量樣本通常 必須被插入到探頭中，因此，這只能在一側(cè)完全實現(xiàn)。插入口可以是密閉的，例如，使用在其 截止頻率以下操作的并如此表現(xiàn)出對于RF波的指數(shù)衰減的波導(dǎo)。這在圖7中示意地示出。 此外，必須以這樣的方式通過RF屏蔽插入RF輸電線，以便它們不能在外部空間發(fā)出任何輻 射。
[0111] 在特別優(yōu)選的實施例中，RF屏蔽安裝在線圈架上(例如，通過真空沉積、濺射、CVD、 電鍍、粘結(jié)、卡箍、印刷，或噴漆)。這具有下列優(yōu)點：不必執(zhí)行內(nèi)部涂布，RF屏蔽只安裝在外 偵k這在技術(shù)上很容易實現(xiàn)。另外，在外橫向柱體表面構(gòu)建RF屏蔽在技術(shù)上也比較簡單。 構(gòu)建可以改善梯度線圈系統(tǒng)的"恢復(fù)行為"，因為由于RF屏蔽中的電氣中斷，在RF屏蔽中產(chǎn) 生的渦電流減少。在文獻(xiàn)中提及了可以適用于本發(fā)明幾何形狀的圖案化的RF屏蔽的許多 不同變體。RF屏蔽的本發(fā)明的執(zhí)行明確地涵蓋了從用于實現(xiàn)無源RF屏蔽的現(xiàn)有技術(shù)已知 的所有概念。
[0112] 由于NMR應(yīng)用中的典型尺寸，RF屏蔽的單個區(qū)段之間的電連接在襯底的外側(cè)比在 內(nèi)側(cè)顯著容易實現(xiàn)。例如，這對于當(dāng)安裝在襯底的外側(cè)時借助焊接進(jìn)行的其導(dǎo)電連接特別 如此。同樣，在軟性印刷電路板（PCB)上構(gòu)建的RF屏蔽可以簡單地從外部安裝到線圈架中， 例如，通過粘結(jié)或卡箍。
[0113] 此外，線圈架可以由帶有高熱導(dǎo)率的材料(氧化鋁、氮化鋁、氮化硅，或陶瓷中的碳 化硅，多晶形式，或作為單晶體，例如，藍(lán)寶石）制成，使得能夠有效地冷卻RF屏蔽。這是必 需的，特別是，對于帶有低溫冷卻的RF線圈系統(tǒng)的探頭，以便使RF屏蔽的噪聲成分盡可能 地小。此外，這對于必須以高電流操作的梯度也是優(yōu)點，因為冷卻可以在操作過程中執(zhí)行， 例如，通過嵌套在線圈架中或安裝在它上面的冷卻劑管。這樣，發(fā)明的梯度系統(tǒng)的占空比和 可允許的最大電流可以增大。
[0114] 如果RF屏蔽的各半徑之間的過渡是斜面的（beveled)，則特別容易在襯底上制造 RF屏蔽。在技術(shù)上在此類型的線圈架上施加導(dǎo)電涂層相當(dāng)容易。斜面可以是圓錐形；然而， 它也可以包含更復(fù)雜的幾何形狀。
[0115] 在本發(fā)明的范圍內(nèi)呈現(xiàn)的無源RF屏蔽的設(shè)計可以與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于減少RF 屏蔽上的渦電流的各種實現(xiàn)選項組合。然而，具有極少槽口或沒有槽口的薄的金屬層是特 別優(yōu)選的。"薄的"意味著這樣的金屬層，其中層d的厚度與相關(guān)頻率范圍內(nèi)的電氣穿透深 度(皮膚深度）s是相同量級，g卩，0〈(1〈10δ，但是，特別是，〇〈d彡3δ。
[0116] 對于切槽的屏蔽，單個導(dǎo)電元件之間的電容性連接優(yōu)選地實現(xiàn)為跨槽口的電容性 重疊。這最小化了徑向尺寸。此外，帶有小介電層厚度的電容性重疊是首選的，因為通過剩 余縫隙的剩余磁通量小于用于導(dǎo)電元件之間的帶有相同電容值但是較大距離的電容性連 接。在較大RF屏蔽的情況下，也可以使用分離的電容器來執(zhí)行電容性連接，這使得在選擇 元件時有更大的靈活性。
[0117] 參考符號列表
[0118] la-lf 主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)的電導(dǎo)體區(qū)段
[0119] 2;2a-2c 有源屏蔽線圈
[0120] 3 無源RF屏蔽
[0121] 3a-3e 無源RF屏蔽的部分區(qū)段
[0122] 4 RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)
[0123] z z 軸
[0124] 變量列表
[0125] L1 主梯度線圈的部分線圈系統(tǒng)之間的軸向間隔的長度，其中在 Rlgradientinmin 和 Rlshieldinmin 之間沒有導(dǎo)體元件
[0126] L2 RF屏蔽的第三部分區(qū)段的軸向長度
[0127] L3 RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)的軸向長度
[0128] L4, 5 RF屏蔽的各區(qū)域的軸向長度
[0129] L6屏蔽線圈的兩個部分線圈系統(tǒng)之間的軸向間隔
[0130] Rlgradientinmm 主梯度線圈的最小內(nèi)半徑
[0131] Rlgradient^^ 主梯度線圈的最大外半徑
[0132] Rlshieldinmm 屏蔽線圈的最小內(nèi)半徑
[0133] Rlhf^B RF屏蔽的至少兩個部分區(qū)段的最大外半徑
[0134] R2hfinmin RF屏蔽的第三（中央）部分區(qū)段的最小內(nèi)半徑
[0135] Raif；utmax RF屏蔽的第三（中央）部分區(qū)段的最大外半徑
[0136] R2gradientinmm 主梯度線圈的第二部分線圈系統(tǒng)的最小內(nèi)半徑
[0137] R3gradientinmm 主梯度線圈的第三部分線圈系統(tǒng)的最小內(nèi)半徑
[0138] Rihfinmim (i e N) RF屏蔽的各部分區(qū)段的最小內(nèi)半徑
[0139] 參考資料列表
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【權(quán)利要求】
1. 一種有源屏蔽圓柱形梯度線圈系統(tǒng)，用于帶有生成在Z軸方向?qū)R的主磁體場的主 場磁體的MR( =磁共振)頻譜儀中，其中當(dāng)電流流動時，梯度線圈系統(tǒng)在所述Z軸穿過的測量 容積中生成Z梯度場，所述Z梯度場的零交叉位于所述測量容積的中心，其中所述梯度線圈 系統(tǒng)具有至少一個主梯度線圈（la, lb ;la，lb, lc，Id, le，If )和至少一個有源屏蔽線圈（2 ; 2a，2b，2c)，其中所述主梯度線圈（la, lb ; la, lb, lc，Id, le，If )是用至少兩個圓柱形部分 線圈系統(tǒng)（la和lb ;la，lb, lc和Id, le，If ;1，lb和lc，Id)構(gòu)成的，所述至少兩個圓柱形部 分線圈系統(tǒng)在所述z軸方向彼此沿著軸方向隔開長度L1并相對于所述測量容積的中心對 稱，所述圓柱形部分線圈系統(tǒng)的所述軸與所述z軸共線，其中所述圓柱形部分線圈系統(tǒng)（la 和 lb ;la，lb, lc 和 Id, le，If ;la，lb 和 lc，Id)至少部分地由以最大外半徑 RlgradientQUtmax 圍繞所述z軸纏繞的電導(dǎo)體區(qū)段構(gòu)成，其中至少一個所述有源屏蔽線圈（2 ;2a)由在最小內(nèi) 半徑Rlshieldinmin上圍繞所述z軸的電導(dǎo)體構(gòu)成，其中Rlshield inmin > Rlgradient。：％ 其特征在于 在沿著軸向長度L1、在主梯度線圈（la, lb ;la，lb, lc，Id, le，If)的最小內(nèi)半徑 Rlgradientinmin和Rlshieldinmin之間的半徑范圍內(nèi)相對于所述測量容積的中心對稱的空心 圓柱區(qū)段中，不存在梯度線圈系統(tǒng)的電導(dǎo)體元件， 提供無源RF屏蔽（3)，所述無源RF屏蔽（3)是從至少三個電互連的部分區(qū)段（3a，3b， 3c)構(gòu)建的，其中兩個部分區(qū)段（3a，3c)以最大外半徑Rlhf；utmax圍繞所述z軸安置，而在這 兩個部分區(qū)段（3a，3c)之間，具有軸向長度L2、最小內(nèi)半徑R2hf inmin和最大外半徑R2hfwtmax 的第三部分區(qū)段（3b)圍繞所述z軸安置，其中下列適用：Rlhf^^RlgradientJ'Rlgrad 并且 L2〈L1。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，下列適用： R2hf0Utmax<Rlshield inmin〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，下列適用： 彡 1. 1 · Rlgradient-·并且 R2hfout眶彡 0· 8 · RlshieldJ'
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，下列適用： R2hfinmm > RlgradientQUtmax+3mm 并且 R2hfQUtmax > Rlshieldinmm-3rnrn。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，圍繞所述z軸 纏繞的所述電導(dǎo)體區(qū)段（la, lb; la, lc，Id, If; la, Id)優(yōu)選地是從帶有圓形斷面的電線構(gòu)建 的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，圍繞所述z軸纏 繞的所述電導(dǎo)體區(qū)段（la, lb; la, lc, Id, If; la, Id)是從帶狀導(dǎo)體構(gòu)建的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1到4中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，圍繞所述z軸纏 繞的所述電導(dǎo)體區(qū)段（la, lb; la, lc，Id, If; la, Id)是從在電介質(zhì)線圈架上涂布的導(dǎo)電層構(gòu) 建的。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述主梯度線圈 的沿著軸向隔開的圓柱形部分線圈系統(tǒng)中的至少兩對（la和If，lb和le，lc和Id)具有不 同的最小內(nèi)半徑（Rl gradientinmm，R2gradientin mm，R3gradientinmm)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述無源RF屏 蔽（3)的至少兩個部分區(qū)段（3&，31 5,3(3,3(1)具有不同的最小內(nèi)半徑（1?11^1：'1?21^1；' RShfi/n，
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，至少一個所述圓 柱形部分線圈系統(tǒng)（la和lb ;la，lb，lc和ld，le，If ;la，lb和lc，Id)是從在徑向方向（la， lb ;la，lc，ld，If ;la，Id)層疊的多個電導(dǎo)體區(qū)段構(gòu)建的。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述主梯度線圈 的所述圓柱形部分線圈系統(tǒng)（la和If, lb和le，lc和Id)和至少一個有源屏蔽線圈（2 ;2a， 2b，2c )完全被所述無源RF屏蔽（3 )封閉，傳入的輸電線開口除外。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述主梯度線圈的所述圓柱 形部分線圈系統(tǒng)（la和If, lb和le，lc和Id)的徑向內(nèi)表面和軸向端面以及所述至少一個 有源屏蔽線圈（2 ;2a，2b，2c)的所述徑向外表面和所述軸向端面被所述無源RF屏蔽（3)封 閉。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1到10中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述無源RF 屏蔽（3)的形狀使得它封閉RF輻射不能穿透且RF輻射不能從中泄漏的空間的區(qū)域。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11到13中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述無源RF 屏蔽（3)的RF不可穿透性是通過所述無源RF屏蔽（3)的電容性重疊元件和/或通過焊接 和/或通過加壓和/或通過利用導(dǎo)電性膠粘劑粘結(jié)來實現(xiàn)的。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，所述無源RF屏 蔽（3)特別是通過真空沉積和/或濺射和/或CVD和/或通過電鍍和/或印刷和/或噴漆 和/或粘結(jié)，安裝在襯底上。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一項所述的梯度線圈系統(tǒng)，其特征在于，至少兩個所述 電互連的部分區(qū)段（3a，3c)以最大外半徑虹1^。 11^￡圍繞所述z軸圓柱對稱地安置，其中在 這兩個部分區(qū)段（3a，3c)之間，具有軸向長度L2和最小內(nèi)半徑R2hf inmin#及最大外半徑 R2hfwtmax的第三部分區(qū)段（3b)圍繞所述z軸安置，在所述第三部分區(qū)段（3b)和所述兩個其 他部分區(qū)段（3a，3c)中的每一個之間，安置了過渡區(qū)段（3d，3e)，特別采取圓錐形元件的形 式，所述過渡區(qū)段（3d，3e)互連沿著軸向長度L8以不同的半徑安置的所述部分區(qū)段（3a，3b 和 / 或 3c，3b)。
17. 帶有根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的梯度線圈系統(tǒng)的MR頻譜儀，其特征在于，提供 RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)（4)，所述RF發(fā)射和/或接收線圈系統(tǒng)（4)沿著軸向長度L3〈L2 被安置在所述半徑R2hf inmin內(nèi)部，并相對于所述測量容積的中心對稱。
【文檔編號】G01R33/385GK104062612SQ201410105226
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月20日
【發(fā)明者】N·弗里塔格 申請人:布魯克碧奧斯平股份公司
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