用于高增益磁共振成像的方法和設備的制作方法

文檔序號：6123092閱讀：396來源：國知局

專利名稱：用于高增益磁共振成像的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及診斷醫(yī)療成像，并且更具體地，本發(fā)明涉及高信噪比的磁共振成像。
背景技術：
如今，在世界范圍內較大的醫(yī)療機中，磁共振成像(MRI)技術是一種普通的技術，并且已經在醫(yī)療實踐中產生了巨大的益處。阻礙這種多用途成像技術進一步廣泛使用的重要因素在于購買和維護 MRI系統(tǒng)的成本通常都非常高。
與這種系統(tǒng)的設計和制造相關的成本主要是需要產生大的并且非常均質的靜磁場，以及需要產生使用這種系統(tǒng)進行成像的梯度場。目前需要這種大的靜磁場來獲得高的圖像質量和分辨率。

發(fā)明內容
本發(fā)明包括一種用于磁共振成像的方法和裝置，其使用具有高信
噪比(SNR)的成像線圏來平衡增加的SNR，以降低靜磁場強度。公開的各種線圏設置和系統(tǒng)結構利用由電阻不隨導體長度顯著增加的電導體(稱作"彈道導體")，諸如由碳納米管材料制造的電導體制造的低電阻成像線圏的電特性。本發(fā)明的成像系統(tǒng)可包括一個均質靜磁場，或一個特別定制的非均質靜磁場。本發(fā)明也提供一種用于構造高質量的集成成像系統(tǒng)的方法，其重量也較輕，并且在某些情況下，重量和體積可以顯著降低，從而便于攜帶。
本發(fā)明的該成像線圏用來獲取通過旋進所要成像樣品中的質子自旋而發(fā)射出的射頻(RF)信號。進一步，類似的線圏也可用作發(fā)射機線圈來發(fā)射所需要的RF信號，以反轉該樣品中的質子自旋，從而導致它們旋進。
本發(fā)明的該成像線圏結構利用了碳納米管的彈道導電特性，從而將每單位電流流過線圈時在該線圏所產生的成像容積內的該磁場Bl 最優(yōu)化最大化。根據(jù)本發(fā)明，將碳納米管導體制造成薄膜，然后將其形成線圏和線圏設置，該線圏設置在成像容積內產生相當大的磁場 Bl，同時具有相對較小的電阻，從而提供非常高的SNR值。
進一步，該線圏的碳納米管材料的彈道導電性能夠產生具有較大品質因子(Quality Factors )的RF接收電路。較大的品質因子就意味著最大的能量接收，從而提供高的信號質量和窄帶寬，以提供具有高
選擇成像能力的磁共振成像系統(tǒng)。可以如此獲得的該窄帶寬可被用于在存有非均質靜磁場的情況下有效成像，從而增強了成像的片層選擇性。
由于本發(fā)明的該接收線圏具有顯著增強的SNR特性，所以使用較小的靜磁場強度B1即可得到與使用已知磁系統(tǒng)的靜磁場強度B1相同的成像質量。于是，在本發(fā)明中可以使用較小的磁系統(tǒng)，從而使得本發(fā)明的磁共振成像系統(tǒng)體積顯著減小，并且系統(tǒng)成本顯著降低。相反，相比于標準成像線圏而言，使用標準靜磁場幅度Bl以及本發(fā)明的線圏和線圏結構可以得到圖像質量和圖像分辨率顯著提高的圖像。
例如，本發(fā)明的磁共振成像系統(tǒng)從至少一個包括主要由碳納米管材料組成的電導體的RF接收線圏接收電信號，可以高于10幀/每秒的速率獲得體積至少為7cmx7cmx7cm、三維體素(voxel)尺寸小于或等于lmmxlmmxlmm的實時三維容積圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明的一個基
本方面在于，提供一種具有增強信噪比的磁共振成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于提供具有較低磁場強度的靜磁場的磁系統(tǒng)；以及至少一個RF 接收線圏組件，其包括主要由碳納米管材料組成的盤繞導電元件，和具有大品質因子的RF接收電路。
在優(yōu)選實施例中，該品質因子基本上為100。在替換實施例中，該品質因子大于15。
在另一個優(yōu)選實施例中，用于提供靜磁場的該磁系統(tǒng)提供強度小于大約1.5特斯拉的磁場。在替換實施例中，用于提供靜磁場的該磁系統(tǒng)提供強度在0.1至1.5特斯拉之間的磁場。在其它實施例中，用于場。
在某些優(yōu)選實施例中，包括多個RF接收線圏，每一RF接收線圏包括主要由碳納米管材料組成的盤繞電導體元件，并且該多個RF 接收線圏配置成相控陣列(phased array),以增強信號采集。
在優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏具有基本上由碳納米管材料組成的導電元件的3到500個完全繞組。在其它實施例中，該至少一個RF接收線圏具有基本上由碳納米管材料組成的導電元件的至少3個完全繞組。在進一步的實施例中，該導電繞組的繞組直徑為 5厘米-80厘米。在另一個進一步的實施例中，該導電繞組的繞組厚度為20納米-500微米。
在還有其它的優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏組件包括一對相向配置的盤繞導電元件，每一盤繞導電元件基本上由薄的碳納米膜薄形式的碳納米管材料組成，其構成為薄膜厚度在20納米至500 微米之間的碳納米管薄膜的緊繞環(huán)，并且繞組至少為3匝。
在還有其它的優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏包括基本上由碳納米管材料組成的導電元件的多層繞組。
在優(yōu)選實施例中，該磁系統(tǒng)是永磁體。
在其它的優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏可以被操作者移動。在替換的優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏包括傳感器，以感測該至少一個RF接收線圍的位置和方向。
在還有其它的優(yōu)選實施例中，該RF接收線圏包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
在還有其它的優(yōu)選實施例中，該RF接收線圏包括具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。在進一步的優(yōu)選實施例中，具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件的軸向長度L為9cm。在其它進一步的實施例中，具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電
元件具有5cm至80cm的最大繞組直徑和比最大繞組直徑小達20倍的最小繞組直徑。在還有其它進一步的實施例中，該盤繞導電元件具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)，并且該多個繞組匝數(shù)為3至500個繞組匝數(shù)。
在優(yōu)選實施例中，該RF接收線圏包括具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第一盤繞導電元件，緊接其后至少是具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第二盤繞導電元件。
在另一優(yōu)選實施例中，該RF接收線圏包括具有緊繞環(huán)狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
在還有另一優(yōu)選實施例中，該至少一個RF接收線圏包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。在進一步的實施例中，該盤繞導電元件具有由碳納米管材料構成的3-500個完全繞組。在還進一步的實施例中，最內側的該盤繞導電元件的繞組直徑基本上為lcm，并且其中最外側的該盤繞導電元件的繞組直徑為5cm-80cm。在還進一步的實施例中，該導電元件具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)，該多個繞組匝數(shù)包括至少3個完全繞組匝數(shù)。在另一個進一步的實施例中，該RF 接收線圏進一步包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第二盤繞導電元件，該第二盤繞導電元件以相同的繞組方向與具有傳感器以感測位置和方向的盤繞導電元件串聯(lián)。在還有另一個進一步的實施例中，具有傳感器以感測位置和方向的該盤繞導電元件與該第二盤繞導電元件相隔開的距離為2mm-15mm。在還有另一個進一步的實施例中，進一步包括3-15個串聯(lián)的附加盤繞導電元件。在本發(fā)明的另一個基本方面，一種磁共振成像系統(tǒng)包括用于在成像容積內提供非均質靜磁場的磁系統(tǒng)，使得該非均質靜磁場在某些部分的該成像容積中強于在其中該靜磁場較弱的其它部分的成像容積；以及至少一個包括基本上由碳納米管組成的盤繞導電元件的RF 接收線圏，該至少一個RF接收線圏的構造和放置使得該RF接收線圈的磁場在某些部分的該成像容積中強于在其中該RF接收線圏的磁場較弱的其它部分的成像容積；并且該RF接收線圏的磁場在其中該非均質靜磁場較弱的該部分成像容積中較強。
本發(fā)明的另一基本方面是提供一種在磁共振成像系統(tǒng)中使用的包括基本上由碳納米管材料組成的盤繞導電元件和具有大品質因子的 RF接收電路的RF接收線圏組件。
在本發(fā)明的另一基本方面，提供一種具有增強信噪比磁共振成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于提供磁場的磁系統(tǒng)；以及包括基本上由碳納米管材料組成的盤繞導電元件和品質因子大于15的RF接收電路的至少一個RF接收線圈組件。
對附圖的簡要說明通過結合下面的這些附圖參照詳細說明，可更加全面地理解本發(fā) 明，其中
圖l是磁系統(tǒng)和相應的非均質靜磁場圖案的說明，由多個穩(wěn)定幅度的等值面標示；
圖2是緊繞環(huán)線圏形式的彈道導體成像線圏的說明；
圖3是一對相控陣列環(huán)線圏形式的彈道導體成像線圏結構的說明；
圖4是廣義螺旋線圏形式的彈道導體成像線圈的說明；
圖5是重復的廣義螺旋線圏形式的彈道導體成像線圏結構的說
明；
圖6是螺旋餅線圏形式的彈道導體成像線圏的說明；
圖7是層疊的螺旋餅線圏形式的彈道導體成像線圏結構的說明；
圖8是三線圏形式的彈道導體成像線圏結構的說明；
圖9是一對夾角線圏形式的彈道導體成像線圏結構的說明；

圖10是描述一個可移動的彈道導體成像線圏結構的三個位置的
說明，其在三個位置中的每一個及各自的被成像容積各具有一個線圏，
用于動態(tài)掃描所需要的完整三維空間；圖ll是第一磁系統(tǒng)實施例的示意圖；圖12是第二磁系統(tǒng)實施例的示意圖；和圖13是第三磁系統(tǒng)實施例的示意圖。
詳細說明
本發(fā)明的該成像系統(tǒng)包括磁系統(tǒng)，其具有至少一個磁體，用于在所要成像的希望容積內產生均質或非均質靜磁場，并且連帶有至少一個射頻(RF)發(fā)射線圏；以及由彈道電導體、諸如由碳納米管形式的碳制成的至少一個RF接收線圏。
碳納米管具有許多有趣的電子、機械和熱屬性。具體地，它們具有彈道電子傳送的屬性，其中由該導體傳送的電子在傳送期間并不會顯著擴散，從而使得該導體對電流的電阻并不隨著長度而增加。作為對比，標準(金屬)電導體的電阻隨著長度而線性增加，其它事物也一樣。而且，彈道導體并不具有使得電阻隨著頻率而增加的表皮效應，
實際上，在MR成像的該MHz頻率范圍特性內，碳納米管表現(xiàn)出電阻對頻率^t弱降低的相關性(例如，在Y. P. Zhao等人的iV^si'oi/ 及ev/譜丑，Volume 64， 2001年，p.201402(R)中對此有討論)。
最近，已經開始研究制造薄片形式的碳納米管導體的有用長度的工藝(M. Zhang等人的Sc/e/ice， 2005年8月19日，p.1215 )。這些薄片可以薄至50納米。由這種片材構成的接收線圏由于其彈道導電屬性以及沒有金屬(散射)導體常見的表皮效應而可以具有非常低的固有電阻。
MRI中的圖像質量和圖像分辨率直接取決于使用該系統(tǒng)所使用的成像線圏所獲得的信噪比。磁共振成像中的該整體信噪比(SNR) 取決于該系統(tǒng)中所使用的靜磁場強度、以及所使用的該成像線團的屬性，并且通過下面的比例關系式來確定
SNR (Bo)2B!/sqrt(FU) (1) 其中，B。是該靜磁場強度，B!是每單元電流流經該成像線圏時其所產
生的磁場，并且Reff- (Rb。dy+Re。H)是由于在患者身體中和在該成像線圏本身中的電阻損耗而得到的有效電阻(凈電阻)。
于是，當更靈敏的成像線圏(即一個具有更大B,磁場和更小的有
效電阻Reff的線圏)與更小的靜磁場強度Bo—起使用時，可以產生相
同的SNR，根據(jù)上面的該關系式，其表明線圏SNR值中B^sqrt(Reff) 的每個因子4倍的增加需要靜磁場強度Bo雙倍的降低才能保持該相同的SNR值。相應地，對于給定的圖像質量或分辨率，所需要的該MRI系統(tǒng)的尺寸隨著該線圏SNR的增加而降低。
由彈道導體、諸如由碳納米管形式的碳制成的成像線圏讓有效 SNR的幅度級數(shù)增加。這既由于降低的固有電阻R^也由于更大的 Bi磁場，降低的固有電阻R^和更大的Bi磁場都可以通過用于成像線圏的導體(這種導體的電阻并不隨著繞組的長度增加而顯著增加) 的許多繞組匝數(shù)而產生。以薄膜形式進行制造，即使具有許多繞組匝數(shù)，該成像線圏的重量也可以制造得較小。
當本發(fā)明的該線圏由碳納米管導體制成時，將該線圏與典型地采用金屬導體、半導體、或金屬和半導體器件的組合制成的電子電路連接起來是本領域熟知的。例如，在Z. Wu等人的5We""， Vol. 305， 2004年8月27日，p.1273中討論了一種將碳納米管線圍與金屬元件或電極連接起來的已知方法。于是，本領域的技術人員通過在適當?shù)?基底、諸如在聚合體薄膜上將該碳納米管導體纏繞成希望的幾何形狀，并將金屬導體與該碳納米管的自由端聯(lián)接就可以制造適合與磁共振成像系統(tǒng)一起使用的形式的本發(fā)明的碳納米管線圏。已知聯(lián)接金屬導體要使用的熟知方法是沉積導電金屬，諸如沉積金、銅、鈀、鉑、或銀。也已知這種沉積可以使用熟知方法來進行，通過直接應用熔融的金屬骨來形成碳納米管金屬結、應用機械壓力進行汽相沉積、使用濺射工藝、或者本領域的技術人員所熟悉的各種其它方式。如在前述參考中所述，標準微光刻技術或者掩模沉積技術在這方面是有用的。
如本領域所熟知的，諸如在M. Zhang等人的Sc/e/ice， 2005年8 月19日，p.1215中所教導的，可以通過利用碳納米管的微波吸收屬性將碳納米管片彼此串行聯(lián)接。在使用產生局部熔化的微波進行適當輻射的情況下，可以形成納米管-納米管結、以及可以將納米管-聚合物基底結或者納米管-納米管結的夾心構造裝入在外圍基底中。通過使用這些方式，如果需要，分離的納米管片、或者堆疊的片可以彼此熔合，同時保持電連接。在一個實施例中，有效產生較長長度導體的這種擴展技術或方法用于構建特定的線圈幾何尺寸，包括多個匝數(shù)或繞組或更多復雜的結構，包括在本發(fā)明的其它地方所描述的幾何尺寸。已知碳納米管導體可以單壁或多壁形成，并且在文獻中已知并描述了構建這兩種碳納米管的方法。雖然在M. Zhang等人的5Wewce， 2005年8月19日，p.1215中描述的該片材拉延法中采用了多壁碳納米管，但是例如K. Hata等人的Sdewce， Vol. 306， 2004年11月19 日，p.l362描述了一種用于單壁碳納米管的水輔助合成的技術。這種技術可以提供成型的、高度組織的納米管結構，包括片和柱以及納米管林，通過拉延工藝就可以從其制造進一步的宏觀結構，諸如片或薄膜。已知存在諸如鐵納米微粒的催化劑并且伴隨有諸如硅的適當基底通常有利于該初始納米管結構或納米管林的生長。在某些情況下，諸如氳的適當摻雜劑可以使得從納米管林拉延的片材的電阻進一步降低。例如在M. Zhang等人的Sc/e"ce， 2005年8月19日，p.1215中描述了同時摻雜單壁納米管和多壁納米管的優(yōu)點。上面該薄膜或片材構建的范例只是用于說明性的目的。本領域的技術人員不脫離本發(fā)明所要求的范圍可以設計替換的制造或構建方法。作為附帶的益處，本發(fā)明的該成像線圏的低電阻可以用來建造包括具有大品質因子的接收電子電路的線圏組件。這就意味著在該電路中的能量消耗較小，并且更多的原始信號可以用于放大和隨后處理。其也意味著可以得到非常窄的信號帶寬，從而可以進行非常精確的成像片層選擇。這對于使用非均質靜磁場進行成像也是有用的，其中需要使用適當頻率范圍上的一系列仔細調諧的射頻來從一系列適當整形的螺旋片層獲取數(shù)據(jù)，用于隨后的處理和圖像重構。在優(yōu)選實施例中，該碳納米管成像線圏與電子電路連接，以選擇正確的調諧，從而確保以所想要的信號拾取(來自所要成像的該容積) 的射頻為中心的窄帶寬內的最大響應，因而提供最優(yōu)的共振信號。熟知的是該電路也可以包括信號放大。本領域的技術人員知曉，該成像線圏通常具有一組特定的電特性，諸如電阻、阻抗以及與其相關的電容。本領域的技術人員也知曉，該電子電路通常包含標準組件，諸如電阻器、電容器和電感器，其設置方式便于獲得以所關心的該頻率為中心的該所想要的共振響應?？梢杂懈鞣N電路設計，并且這種電子裝置的具體設計可以依據(jù)便利性、易于實施性和最優(yōu)性而定，正如本領域的技術人員所熟悉的。也已知，該電路也可以包括在發(fā)射相位期間，當使用其它發(fā)射線圏來發(fā)射在所要成像的樣本或解剖體中產生質子旋進的該RF信號時，解諧(detune)該成像線圏的裝置。進一步，已知解諧可以防止在該發(fā)射相位期間在該成像線圏中感應出大的電流。這種解諧可以通過適當?shù)氖褂肞IN二極管或本領域的技術人員所熟悉的其它標準方法來完成，并且該解諧可以由適當?shù)臉藴孰妷盒盘栻寗?。已知選擇性可變的電容器或變抗器也可以用作該電子接收電路的部件。如本領域中所熟知的，可以設計該電路以提供適當高的電路品質因子。典型地，該電路被設計成將輸入阻抗匹配到該MR成像系統(tǒng)中，就好像來自該電子電路的信號是通過適當?shù)难b置、諸如通過同軸電纜饋送到該MR成像系統(tǒng)中一樣。例如，在E. Atalar等人的"High Resolution Intravascular MRI and MRS using a Catheter Receiver Coil", Mag""/c及eswifl/ice /" M^//c/"e， Vol. 36， No. 4, pp.596 — 605， 1996 年10月中描述了這種電路。在該靜磁場為均質并且需要拾取多個射頻的情況下，可以由本領域的技術人員通過該電子組件的適當有源調諧、例如通過電壓驅動的電容器來提供線圏電子裝置，以達到整個頻率范圍上的最優(yōu)共振響應。這里所提到的該具體電路設計元件是用于說明目的，并且本領域的技術人員保持在本發(fā)明所要求的范圍內可以使用其它設計元件。(例如參見E. Atalar等人的"High Resolution Intravascular MRI and MRS using a Catheter Receiver Coil", Af"gwWc /" A/^//c/"e，Vol 36， No. 4， pp.596-605, 1996年10月)在一個實施例中，該同樣的RF線圏可以用于RF信號的發(fā)射和接收。在其它實施例中，不同的RF線圏可以用于發(fā)射和用于接收。在這些實施例中的任何一種情況下，至少一個接收線圏中的該電導體由諸如碳納米管的彈道導體制成。該靜磁場由環(huán)繞該成像容積適當布置的至少一個磁體產生。該至少一個磁體可以是由高級磁性材料，諸如由釹鐵硼構成的永磁體，或者其可以是超導磁體，其具有通過讓大電流在該超導體中流過而產生的磁場。在一個優(yōu)選實施例中，該磁體系統(tǒng)專門被設計用于在想要被用作該成像容積的適當容積內產生定制的非均質圖案的磁場。在這種情況下，仔細配置該空間磁場梯度分布。該磁場強度值的變化范圍被細分為一系列磁場強度增量，其每一個都對應于特定的射頻，并使用其進行成像，從而實現(xiàn)片層選擇。將RF脈沖作為一系列主導單頻率脈沖、或者作為包括幾個相關頻率的脈沖、或者作為包含該整個頻率范圍的完整寬帶信號應用于該相關頻率的范圍上。這些RF脈沖用于翻倒或者反轉所選擇的該片層中的質子旋進。接下來，該自旋旋進，以將它們自己與該局部靜磁場對齊，并且在該過程中，發(fā)射由該接收/成像線圍拾取的RF輻射。在一個實施例中，當通過片層中的自旋旋進發(fā)射的對應于第一頻率范圍的RF信號被該接收線圏拾取時，由分開的發(fā)射機線圏發(fā)射第二頻率范圍上的RF脈沖。通過這種方式，可以交織進行RF信號獲取和發(fā) 射?？梢源嬖诓⑹褂弥辽?一組梯度場產生線圏來空間地編碼質子密度，就像使用標準MR成像一樣完成。在另一優(yōu)選實施例中，與該碳納米管導體成像線圏一起使用的該靜磁場被設計為均質的，就像在標準MRI系統(tǒng)中一樣，并且該信號獲取過程遵從標準模式。圖1示意性地描述了非均質磁場圖案。該圖案中的梯度可以用于成像目的。更具體地而言，由該磁體12所產生的穩(wěn)定磁場幅度的等值面125、 127、 129和131是已知的。僅僅是為了說明，所關心的容積內的典型磁場強度的范圍可以是從0.1特斯拉到0.5特斯拉。在一個優(yōu) 選實施例中，該磁場強度在其中該靜磁場最低的該部分成像容積中可以低至0.03特斯拉，并且在其中該靜磁場最高的該部分成像容積中可以高至0.7特斯拉。為了成像的目的，該磁場圖案按照大約0.008特斯拉的步進被分成多個區(qū)域。圖1中示出了這種區(qū)域115、 118和121。每一區(qū)域對調諧到對應于該關聯(lián)的磁場強度的中心頻率的RF激勵。隨著每一區(qū)域中的該自旋通過RF發(fā)射進行激勵，當該信號旋進回來與該靜磁場對齊時使用彈道導體成像線圏來拾取隨后的弛豫RF信號。該成像線圈中的該彈道導體可以提供增益因子高于現(xiàn)有標準MR 成像線圏(由金屬導體制成)、范圍至少在10至20的SNR增益。如先前所述，SNR增加16倍就意味著靜磁場強度的大小需要減少4倍才能保持圖像質量。于是，根據(jù)本發(fā)明的技術構建的具有0.35特斯拉靜磁場強度的磁共振成像系統(tǒng)可以提供的圖像質量和分辨率可以與使用標準的1.5特斯拉MRI系統(tǒng)所獲得的相比擬。
圖2所示為成像線圏140的實施例，其構建有薄碳納米管薄膜形式的電導體，其構建為薄膜厚度在20納米和500微米之間并且至少有 3個繞組匝數(shù)的緊繞環(huán)141。該繞組直徑的范圍在5厘米到80厘米之間。該圖也顯示了由作為該系統(tǒng)(未示出)的部件的永磁體所產生的該靜磁場Bo的一般方向。出于簡明的目的，該患者臺143所示具有頭部145。在所示的該構造中，該線圏安裝在所要成像的該患者的側邊。
可替換地，圖3所示為薄膜厚度在20納米和500微米之間并且至少有3個繞組匝數(shù)的碳納米管薄膜的一對相向緊繞環(huán)148、 150，其可以在該患者的任何側邊4吏用。該對環(huán)/成像線圏148、 150可以用于標準相控陣列形式的MR成4象。線圏148、 150的繞組152和154的方向分別是相向的，并褲識每一繞組。也示出了該靜磁場B。的一般方向。
圖4所示為成像線圏的實施例，其構造為廣義的錐形螺旋碳納米管繞組，并且越靠近該患者，該部分線圏中匝數(shù)的繞組直徑越逐漸變小。該繞組的軸向長度L可以高至約8厘米，最大繞組直徑的范圍在 5厘米至80厘米，并且最小繞組直徑可以比該最大繞組直徑小達20 倍。該繞組匝數(shù)的總數(shù)范圍可以為3至500。該線圏安裝在所要成像的該患者的側邊。再次，安放在該患者側邊的一對相向的這種廣義錐形螺旋線圏可以相控陣列形式來使用，以進一步優(yōu)化該SNR。
圖5的說明為成像線圏的實施例，其構造為重復的廣義錐形螺旋碳納米管繞組，并且越靠近該患者，該部分線圏中匝數(shù)的繞組直徑越逐漸變小。緊隨該第一繞組螺旋159之后的是第二繞組螺旋161。每一螺旋繞組的軸向長度可以長達約8厘米，最大繞組直徑的范圍在5 厘米至80厘米，并且最小繞組直徑可以比該最大繞組直徑小達20倍。在該第一繞組螺旋159的最小直徑的繞組匝之后，該導體軸向160地連接回來靠近該最大直徑繞組匝的軸向部分，并且該廣義錐形螺旋繞組圖案以可能的軸向偏移進行重復161。該每一繞組螺旋的繞組匝數(shù) 的總數(shù)范圍可以為3至500。該分離繞組螺旋的數(shù)量可以在2至20之間，其中圖5中示出了兩個分離繞組螺旋。該線圏安裝在所要成像的該患者的側邊。再次，安放在該患者側邊的一對相向的、或者其它多重的這種廣義錐形螺旋線圈可以相控陣列形式來使用，以進一步優(yōu)化該SNR。
圖6所示為成像線圏的實施例，其構造成具有碳納米管導體的螺旋盤圖案。最內側繞組直徑的數(shù)量級大約為l厘米，并且最外側繞組直徑的范圍為5厘米至80厘米。該繞組匝數(shù)的總數(shù)范圍可以為3至 500。
圖7所示的成像線圏的實施例包括碳納米管導體的螺旋盤繞組的兩個平行面線圏165和157。這兩個平行面線圏串行連接，并且繞組在每一面線圏中(繞該繞組軸)具有相同的方向，如圖所示。每一面線圏可以具有與圖6中所提到的單個螺旋盤相關的尺寸。該平行面線圏的距離可以在2亳米至15亳米之間，可以有2至15個這樣串行連接的面線圏，以形成該成像線圍。
圖8所示的優(yōu)選實施例為從側視圖觀察的三個成像線圏170、 173 和176。在所示的該成^^區(qū)域179中，由該三個線圏所產生的該凈Bi 磁場181具有較強的輻向成分。該組三個線圏170、 173和176在優(yōu)選實施例中以相控陣列的形式使用。在替換實施例中，它們串行連接。每一該單個線圏可以是這里所描述的任何一種類型，并可以根據(jù)本發(fā) 明進行構造。通常，該線圏在成像期間分三部分環(huán)繞患者。該三個線圏的角度以及它們之間的間距和該整體幾何布局都需要仔細選擇，以優(yōu)化該成像區(qū)域的尺寸和形狀以及其內的該Bi磁場，本領域的技術人員熟悉該優(yōu)化過程。在一個優(yōu)選實施例中，該整個線圏安裝在剛性框架內，使得該線圏170、 173和176之間的角度以及該整個線圏結構不能改變。在替換的優(yōu)選實施例中，該線圏170、 173和176安裝在韌性框架內，當該整個結構安放在患者周圍時，允許該線圏170、 173和 176之間的角度有所改變。
圖9示出了從側視圖觀察的一對夾角的成# 線圏184、186形式的優(yōu)選實施例。構造該對夾角線圏184、 186，使得在所示的該成像區(qū)域 188內，該線圏對184和186產生顯著均質并優(yōu)化的Bi磁場190。每一該單個線圏184、 186可以是上述任何一種類型。該線圏184、 186 之間的間距、它們的尺寸以及它們之間的夾角都需要仔細選擇，以優(yōu)化該成像區(qū)域的尺寸和形狀以及其內的該Bi磁場，本領域的技術人員熟悉該優(yōu)化過程。該線圏可以串行連接，或者它們可以用作相控陣列。在一個優(yōu)選實施例中，該整個線圏結構安裝在剛性框架內，使得該線圏之間的夾角以及該整個線圏結構不能改變。在替換的優(yōu)選實施例中，該線圈安裝在韌性框架內，當安放在患者周圍時，允許該線圏之間的夾角有所改變。在一組優(yōu)選實施例中，上述線圏結構可以全部都用作固定結構并且不可移動地安放，用于成像。在一組替換的優(yōu)選實施例中，每一線圏類型都可以由操作者環(huán)繞該患者移動，并方便地安放在該患者不同側附近，以對該患者解剖體(anatomy)的不同區(qū)域進行成像，從而在動態(tài)掃描過程期間提供每一區(qū)域內的最大SNR。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，如這里所描述的這種可移動線圏進一步配有至少一個微電機械系統(tǒng)(MEMS)傳感器，其可以測量線性以及角度加速度，并因此通過適當?shù)木C合產生用于該成像線圏的空間定位和方向信息。當該線圏環(huán) 繞患者在各個位置移動時，該系統(tǒng)可以使用該空間定位信息來自動選擇在其內重構該圖像的優(yōu)化并且有限的空間區(qū)域。于是，當該線團環(huán) 繞移動時，圖像獲取就在進行，以提供隨后由系統(tǒng)軟件"縫合，，在一起的一組優(yōu)化的成像區(qū)域，以產生所想要的該患者解剖體的完整重構。圖IO描述了使用單個線圏的動態(tài)掃描，其由操作者移動并放在所示的三個位置193、 195和197，以提供該患者截面200內三個可能部分交疊的區(qū)域202、 204和206內的每一最優(yōu)圖4象。該系統(tǒng)軟件將這三個區(qū)域縫合成為單個包圍區(qū)域208,其提供所關心的該整個容積的完整三維圖像。該靜磁場B。如在標準MRI系統(tǒng)一樣可以被設計為均質的，或者其可以被設計成在所關心的區(qū)域中的每一處產生具有已知梯度的具體、已知的磁場圖案。在后一種情況下，該成像線圏及相關電路的調諧被設計成允許在與該成像容積內的靜磁場強度的范圍對應的共振頻率的范圍上可變調諧。例如，可以使用變抗器來實行這種可變調諧以及在不同的頻率段之間切換。另外，該患者臺、系統(tǒng)磁體、或者該成像線圏、或者它們的任何組合可以移動和重新固定，以掃描不同部分的解剖體，用于所關心的該整個解剖體隨后的三維容積重構。可以使用如本領域的技術人員所熟知的專用圖像獲取和處理模態(tài)來獲取非靜態(tài)器官、諸如獲取正在跳動的心臟的實時或動態(tài)圖像。使用具有如本發(fā)明中所公開的彈道導體的成像線圏的一個結果就是使用這種線圏可得到的SNR越高就允許越快的圖像獲取，從而可相對現(xiàn)有技術所可能的以更加實時得多的方式獲取動態(tài)圖像。作為用于說明目的而提供的非限制性范例，用于質子密度的空間編碼的該梯度線圏的數(shù)量在根據(jù) 本發(fā)明的該技術所建造的MRI系統(tǒng)中可以從1至8變化。可以有幾個磁體系統(tǒng)結構，其可以用于這里所描述的優(yōu)化成像以及該成像線圏設計。圖11所示的優(yōu)選實施例為磁體在該患者下面的永磁體結構210的橫斷軸視圖(從患者腳部察看)。在該成像容積內，該B0的磁力線212從一側到另一側橫向地跨過該成像容積，如圖所示。在一個優(yōu)選實施例中，在該磁場中可以有垂直梯度。在替換的優(yōu)選實施例中，仔細地設計該磁體，以在該成像容積內產生基本上均質的磁場。在另一優(yōu)選實施例中，該磁體可以同樣的位于該患者上面。在還有另一實施例中，可以有多于一個的永磁體(例如一個在該患者上面，一個在下面)，并且每一磁體被設計用來優(yōu)化該成像容積內的凈磁場和梯度屬性。圖2的該環(huán)形線圈、圖4的該錐形螺旋線圏、圖6的該螺旋盤線圏、圖7的該分層螺旋盤線圏、圖5的該重復螺旋線圏、以及圖9的該一對夾角的線圏都可以與該系統(tǒng)磁體設計一起使用。在系統(tǒng)磁體的第二優(yōu)選實施例中，在該患者的任何一側邊具有兩個磁體。圖12所示為這一優(yōu)選實施例的永磁體結構的橫斷軸視圖(從患者腳部察看)，磁體215和218相對于該患者布置在側邊，并且示意性的表示B。靜磁場磁力線圖案223。為了簡明，也示出了從患者腳部察看的該桌臺邊緣220。任何前述類型的該線圏可以與該系統(tǒng)磁體結構一起使用。圖13描述了系統(tǒng)磁體的另一優(yōu)選實施例，其中，該磁力線235 從該磁體230發(fā)出，直接進入該成像容積237。在所示的該橫斷軸視圖(從患者腳部察看)中，我們也可以看到該成像線圏232的邊緣。該成像線圏可以是前面描述的下面任何一種類型環(huán)形線圏(圖2)、螺旋線圈(圖4)、螺旋盤線圏(圖6)、分層的螺旋盤線圏(圖7)、重復的螺旋線圏(圖5)、或者三線圏結構(圖8)。這里該系統(tǒng)結構的一種有用屬性就是在該系統(tǒng)和線圏結構中，雖然Bo在幅度上隨著遠離該磁體而減小，但是該成像線圏所產生的該Bi磁場隨著遠離該磁體而增加。于是，這一系統(tǒng)實施例中的該有效SNR根據(jù)等式(1)在該成像容積內的每個地方都可以非常高。通過適當?shù)卦O計該成像線圏并將其與該系統(tǒng)磁體安放在一起，該成像容積內的SNR在每個地方都可以優(yōu)化。一種磁共振成像方法也可以包括使用至少一個RF接收線圏接收電子信號，其包括主要由碳納米管材料組成的盤繞導電元件，并且包括至少一個傳感器，以估計該RF接收線圏的位置和方向。這一方法包括在存在靜磁場并且該接收線圏處于固定的空間結構的情況下，使用該接收線圏從成像容積獲取高信噪比的RF信號；將該RF接收線圈移動到第二空間結構，并使用處于第二空間結構的該RF接收線圏從該成像容積獲取RF信號；使用兩種結構中該RF接收線圏的位置和方向信息來處理如此獲得的該RF信號，以計算至少兩個圖像子容積中的圖像密度；以及自動組合該兩個子容積中的該圖像密度，從而創(chuàng)建該整個成像容積的三維圖像密度重構。在優(yōu)選實施例中，使用多于兩個的接收線圏空間結構來重構多于兩個對應的圖像子容積，根據(jù)其可以自動組合該整個成像容積的三維圖像密度重構。在另一優(yōu)選實施例中，該RF接收線圏的位置和方向也用來歸一化該重構圖像的圖像密度分布。遵從這里的教導，MR成像領域的技術人員可以設計除了上面所描述的這些之外的其它系統(tǒng)和線團結構以及變型。不脫離本發(fā)明所要求的精神和范圍，本領域的技術人員會想到其它修改和實施方式。相應地，本發(fā)明并不是想要通過上面的描述進行限定，而是通過下面的權利要求進行限定。
權利要求
1.一種具有增強信噪比的磁共振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于提供具有低磁場強度的靜磁場的磁系統(tǒng)；以及至少一個RF接收線圈組件，其包括主要由碳納米管材料組成的盤繞導電元件；和具有大品質因子的RF接收電路。
2. 如權利要求l所述的系統(tǒng)，其中，該品質因子基本上為100。
3. 如權利要求l所述的系統(tǒng)，其中，該品質因子大于15。
4. 如權利要求l所述的系統(tǒng)，其中，用于提供靜磁場的該磁系統(tǒng) 提供強度小于1.5特斯拉的磁場。
5. 如權利要求l所述的系統(tǒng)，其中，用于提供靜磁場的該磁系統(tǒng) 提供強度在0.1至1.5特斯拉之間的磁場。
6. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，用于提供靜磁場的該磁系統(tǒng)提供強度在0.02特斯拉至3.00特斯拉之間的磁場。
7. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，包括多個RF接收線圈，每一RF接收線圏包括主要由碳納米管材料組成的盤繞導電元件；以及該多個RF接收線圏被構造為相控陣列，從而增強信號獲取。
8. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圈具有主要由碳納米管材料組成的導電元件的3至500個完全繞組。
9. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圏具有主要由碳納米管材料組成的導電元件的至少3個完全繞組。
10. 如權利要求9所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該導電繞組的繞組直徑在5厘米至80厘米之間。
11. 如權利要求所述9的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該導電繞組的繞組厚度在20納米至500微米之間。
12. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圏組件包括一對相向配置的盤繞導電元件，每一盤繞導電元件基本上由薄碳納米膜薄形式的碳納米管材料組成，其構成為薄膜厚度在20納米至 500微米之間的碳納米管薄膜的緊繞環(huán)，并且繞組至少為3匝。
13. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圈包括基本上由碳納米管材料組成的導電元件的多層繞組。
14. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該磁系統(tǒng)是永磁體。
15. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圏可以被操作者移動。
16. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圈包括傳感器，以感測該至少一個RF接收線圏的位置和方向。
17. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該RF接收線圏包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
18. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該RF接收線圏包括具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
19. 如權利要求18所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件的軸向長度L高達9厘米。
20. 如權利要求18所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件具有5厘米至80厘米的最大繞組直徑，和比該最大繞組直徑小達20倍的最小繞組直徑。
21. 如權利要求18所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該盤繞導電元件具有錐形螺旋狀的多個繞組臣數(shù)，該多個繞組臣數(shù)為3個繞組匣數(shù)至500個繞組臣數(shù)。
22. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該RF接收線圏包括具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第一盤繞導電元件，緊接其后至少是具有錐形螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第二盤繞電導體。
23. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該RF接收線圏包括具有緊繞環(huán)狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
24. 如權利要求1所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該至少一個RF 接收線圏包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的盤繞導電元件。
25. 如權利要求24所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該盤繞導電元件具有碳納米管材料的3至500個之間的完全繞組。
26. 如權利要求24所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，最內側的該盤繞導電元件的繞組直徑基本上為l厘米，并且最外側的該盤繞導電元件的繞組直徑為5厘米至80厘米之間。
27. 如權利要求24所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該盤繞導電元件具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)，該多個包括至少3個完全繞組匝數(shù)。
28. 如權利要求24所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，該RF接收線圏進一步包括具有螺旋狀的多個繞組匝數(shù)的第二盤繞導電元件，該第二盤繞導電元件以相同的繞組方向與具有傳感器以感測位置和方向的盤繞導電元件串聯(lián)。
29. 如權利要求28所述的磁共振成像系統(tǒng)，其中，權利要求28 的該盤繞導電元件與該第二盤繞導電元件相隔開2毫米至15毫米之間的距離。
30. 如權利要求28所述的磁共振成像系統(tǒng)，進一步包括3至15 個串聯(lián)的附加盤繞導電元件。
31. —種磁共振成像系統(tǒng)，其包括用于在成像容積內提供非均質靜磁場的磁系統(tǒng)，使得該非均質靜磁場在某些部分的該成像容積中強于在其中該靜磁場較弱的其它部分的成像容積；以及包括基本上由碳納米管組成的盤繞導電元件的至少一個RF接收線圏，該至少一個RF接收線圏的構造和放置使得該RF接收線圍的磁場在某些部分的該成像容積中強于在其中該 RF接收線圏的磁場較弱的其它部分的成像容積；并且該RF接收線團的磁場在其中該非均質靜磁場較弱的該部分成像容積中較強。
32. RF接收線圏組件在磁共振成像系統(tǒng)中的應用，該RF接收線圏組件包括基本上由碳納米管材料組成的盤繞導電元件；和具有大品質因子的RF接收電路的RF。
33. —種具有增強信噪比的磁共振成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括: 用于提供磁場的磁系統(tǒng)；和至少一個RF接收線圏組件，其包括基本上由碳納米管材料組成的盤繞導電元件；和品質因子大于15的RF接收電路。
全文摘要
一種用于磁共振成像方法和設備，其具有擁有高信噪比(SNR)的專用成像線圈。成像線圈和/或射頻接收線圈包括諸如碳納米管的彈道電導體，該彈道電導體的電阻不會隨著長度而顯著增加。因為其增強的SNR特性，對于相同的成像質量而言，可以構造具有更小靜磁場強度的系統(tǒng)設計，因而導致系統(tǒng)尺寸和成本的實質減少，也增強了現(xiàn)有MRI系統(tǒng)的成像。
文檔編號G01V3/00GK101292175SQ200680038924
公開日2008年10月22日申請日期2006年10月17日優(yōu)先權日2005年10月18日
發(fā)明者拉朱·R·維斯瓦內森申請人:特西奧普技術有限公司

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