СИСТЕМА МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ, ВКЛЮЧАЮЩАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ГЛАВНЫЙ МАГНИТ, СВЕРХПРОВОДЯЩУЮ ГРАДИЕНТНУЮ КАТУШКУ И ОХЛАЖДАЕМУЮ РАДИОЧАСТОТНУЮ КАТУШКУ
MAGNETIC RESONANCE IMAGING SYSTEM INCLUDING SUPERCONDUCTING MAIN MAGNET, SUPERCONDUCTING GRADIENT COIL AND COOLED RADIO FREQUENCY COIL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, а более конкретно, к устройству для магнитно-резонансной томографии и спектроскопии, в котором используются сверхпроводящие компоненты, и способам изготовления такого устройства.
Уровень техники
Магнитно-резонансная томография (МРТ) широко используется сегодня в крупных медицинских учреждениях всего мира, при этом она обусловила значительный и беспрецедентный прогресс в области практической медицины. МРВ является не только общепризнанным диагностическим инструментом для визуализации структуры и расположения органов, но и инструментом для визуализации функциональной активности и других биофизических и биохимических характеристик или процессов (к примеру, кровотока, метаболитов/метаболизма, диффузии), причем некоторые из этих методов магнитно-резонансной (МР) томографии известны как функциональная МРТ, магнитно-резонансная спектроскопия (МРС), диффузионно-взвешенная визуализация (ДВВ) и диффузионно-тензорная визуализация (ДТВ). Технологии магнитно-резонансной томографии широко применяются в науке и клинической диагностике для выявления патологий и оценки состояния тканей.
В ходе стандартного МРТ-исследования пациент (или исследуемый объект) размещается на столе, который помещают в область исследования магнитно-резонансного томографа, при этом первичный (главный) магнит создает в указанной области по существу постоянное и однородное первичное (основное) магнитное поле. Магнитное поле выравнивает вектор ядерной намагниченности прецессирующих атомов, таких как водород (протоны), в теле пациента. Набор градиентных катушек в пределах этого магнита создает небольшое изменение магнитного поля в заданной области, обеспечивая резонансно-частотное кодирование в области визуализации. Радиочастотная (РЧ) катушка избирательно возбуждается под управлением компьютера в соответствии с последовательностью импульсов, с тем чтобы генерировать в теле пациента временный осциллирующий сигнал поперечной намагниченности, который детектируется РЧ-катушкой, и в результате компьютерной обработки он может быть увязан с пространственно локализованными областями пациента, обеспечивая таким образом изображение интересуемой области исследования.
3
В типичном магнитно-резонансном томографе стационарное главное магнитное поле обычно создается устройством, содержащим соленоидный магнит, при этом стол пациента размещается в цилиндрическом пространстве, которое ограничено обмотками указанного соленоида (то есть в канале главного магнита). Обмотки главного магнита обычно выполнены из материала на основе низкотемпературного сверхпроводника (НТСП) и охлаждаются жидким гелием для уменьшения электрического сопротивления, и, таким образом, для сведения к минимуму выделяемого тепла и мощности, необходимой для создания и поддержания основного поля. Большинство существующих НТСП-магнитов в МРТ выполнены из титанат ниобия (NbTi) и/или станнат ниобия (NbSn), которые охлаждаются с помощью криостата до температуры 4,2 K.
Специалистам в данной области техники известно, что градиентные катушки магнитного поля обычно выполняются такими, чтобы избирательно создавать линейные градиенты магнитного поля вдоль каждой из трех главных осей прямоугольной системы координат (одна из осей совпадает с направлением основного магнитного поля); в результате величина магнитного поля изменяется в зависимости от места в области исследования, и характеристики сигналов магнитного резонанса в пределах зоны интереса, такие как частота и фаза сигналов, кодируются в соответствии с положением в указанной зоне (следовательно, обеспечивая пространственную локализацию). Обычно градиентные поля создаются током, текущим через обмотки, которые скручены в спираль по типу седла или соленоида и прикреплены к цилиндрам, которые концентрично вставлены в больший цилиндр, содержащий обмотки главного магнита. В отличие от катушек главного магнитного поля, эти катушки, используемые для генерации градиентных полей, представляют собой обычные медные обмотки, имеющие комнатную температуру. Величина градиента и линейность поля в наибольшей степени определяют точность элементов формируемого изображения и информацию о химическом составе тканей (к примеру, при магнитно-резонансной спектроскопии).
В начале своего возникновения технология МРТ нуждалась в совершенствовании, поэтому до настоящего времени предпринимались непрерывные попытки улучшения качества и характеристик МРТ, которые были направлены, среди прочего, на повышение пространственного разрешения, спектрального разрешения (к примеру, для МРС), контрастности и скорости получения изображений. Так, повышение скорости визуализации (сбора данных) требуется для сведения к минимуму искажения изображений, которые вызваны временными изменениями в области визуализации в ходе получения данных визуализации, к примеру, изменениями из-за смещения тела пациента, естественных морфологических и/или функциональных смещений (биение сердца, дыхание, кровоток и т.д.) и/или естественных биохимических изменений (к примеру, вызванных метаболизмом во время МРС). Аналогичным образом, к примеру, поскольку при МРС последовательность импульсов для получения данных кодирует спектральную информацию помимо пространственной информации, поэтому сведение к минимуму времени, необходимого для получения достаточной спектральной и пространственной информации для обеспечения необходимого спектрального разрешения и пространственной локализации, особенно важно для улучшения клинической применимости и повышения эффективности МРС.
Несколько факторов способствуют улучшению качества МР-визуализации, а именно повышению контрастности, разрешения и скорости получения изображений. Важным параметром, влияющим на качество и скорость получения снимков, является отношение сигнал-шум (ОСШ). Для повышения качества снимка важно, чтобы ОСШ было повышено путем усиления сигнала до его подачи на предусилитель МР-томографа. Одним из путей повышения ОСШ является увеличение магнитной индукции, создаваемой магнитом, поскольку ОСШ пропорционально величине магнитного поля. Однако при использовании МРТ в медицинской практике величина магнитной индукции, создаваемой магнитом, имеет некоторый верхний предел (по нормам Управления США по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными препаратами этот предел в настоящее время равен 3 Тл). Другими способами повышения ОСШ являются уменьшение шумов, создаваемых исследуемыми объектами, путем уменьшения, по мере возможности, области исследования, уменьшения расстояния между исследуемым объектом и РЧ-катушками и/или снижения шумов РЧ-катушек.
Несмотря на непрекращающуюся деятельность по совершенствованию МРТ и многие достижения, технология МРТ все еще требует доработки, которая касается, в частности, повышения контраста изображений, повышения ОСШ, скорости получения данных, пространственного и временного разрешений и/или спектрального разрешения.
Кроме того, существенным фактором, который сдерживает широкое распространение технологии МРТ, является высокая стоимость систем для генерации сильных магнитных полей, относящаяся как к покупке, так и обслуживанию данных систем. Поэтому предпочтительно создать магнитно-резонансный томограф высокого качества, производство и/или обслуживание которого относительно дешево, что позволит более широко использовать технологию МРТ.
Раскрытие изобретения
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения предлагаются способы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и/или магнитно-резонансной спектроскопии устройства для их осуществления, содержащие:
сверхпроводящий главный магнит для генерации однородного магнитного поля в области исследования; по меньшей мере, одну сверхпроводящую градиентную катушку для наложения, по меньшей мере, одного соответственного градиента на основное магнитное поле в области исследования; и, по меньшей мере, одну РЧ-катушку для излучения радиочастотных сигналов в область исследования и приема радиочастотных сигналов из указанной области, причем указанные катушки рассчитаны на охлаждение и содержат, по меньшей мере, один из следующих материалов: (i) несверхпроводящий материал, который, будучи охлажденным до температуры ниже комнатной, обладает большей удельной электрической проводимостью, чем медь при указанной температуре, и (ii) сверхпроводящий материал.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения и главный магнит, и градиентные катушки, и РЧ-катушка представляют собой сверхпроводники, выполненные из высокотемпературных сверхпроводящих материалов. В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения главный сверхпроводящий магнит и/или одна или несколько градиентных сверхпроводящих катушек и/или РЧ-катушка выполнены из низкотемпературного сверхпроводящего материала.
В соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения градиентные катушки и РЧ-катушки расположены, по меньшей мере, в одной вакуумной камере, имеющей, по меньшей мере, одну немагнитную и неметаллическую стенку, которая расположена между областью исследования и областью, содержащей градиентные и РЧ-катушки. Кроме того, градиентные и РЧ-катушки могут быть расположены в общей вакуумной камере, имеющей одну или несколько указанных немагнитных и неметаллических стенок. Между указанной общей вакуумной камерой и областью исследования может быть расположена дополнительная вакуумная камера, которая имеет:
(i) первую стенку, которая образована указанными немагнитными и неметаллическими стенками общей вакуумной камеры, и (ii) вторую немагнитную и неметаллическую стенку, которая разнесена относительно указанной первой стенки.
В соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения главный магнит может быть расположен в первой вакуумной камере, а РЧ- и градиентные катушки - во второй вакуумной камере. В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения главный магнит, РЧ-катушки и градиентные катушки могут быть расположены в соответственных вакуумных камерах.
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения РЧ-катушки могут быть выполнены в виде структур, проводящих двумерный электронный газ, и/или структур, содержащих углеродные нанотрубки. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения отдельно взятая РЧ-катушка может представлять собой набор катушек.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения для охлаждения главного магнита, градиентных катушек и РЧ-катушек может использоваться одна или несколько систем охлаждения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения сверхпроводящий главный магнит охлаждается первой системой криогенного охлаждения, РЧ-катушки - второй системой криогенного охлаждения, а градиентные катушки - третьей системой криогенного охлаждения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения сверхпроводящий главный магнит охлаждается первой системой криогенного охлаждения, а РЧ- и градиентные катушки - второй системой криогенного охлаждения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения сверхпроводящий главный магнит, РЧ-катушки и градиентные катушки охлаждаются общей системой криогенного охлаждения.
В соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения отдельно взятая сверхпроводящая градиентная катушка включает в себя три сверхпроводящие градиентные катушки, способные создавать градиенты магнитного поля в трех соответствующих перпендикулярных друг другу направлениях, одно из которых совпадает с направлением однородного магнитного поля в область исследования.
В соответствии с различными аспектами настоящего изобретения способ магнитно-резонансной томографии включает в себя создание с помощью сверхпроводящего главного магнита однородного магнитного поля в области исследования, внесение в магнитное поле, пронизывающее область исследования, по меньшей мере, одного градиента с помощью, по меньшей мере, одной из соответствующих сверхпроводящих градиентных катушек, и излучение радиочастотных сигналов в область исследования и приема радиочастотных сигналов из указанной области с помощью, по меньшей мере, одной РЧ-катушки, которая рассчитана на охлаждение и содержит, по меньшей мере, один из следующих материалов: (i) несверхпроводящий материал, который, будучи охлажденным до температуры ниже комнатной, имеет удельную электрическую проводимость, превышающую таковую у меди при данной температуре, и (и) сверхпроводящий материал. И сверхпроводящий главный магнит, и каждая из сверхпроводящих градиентных катушек, и каждая из сверхпроводящих РЧ-катушек могут быть выполнены из ВТСП-материала. Отдельно взятая сверхпроводящая градиентная катушка может включать в себя три сверхпроводящие градиентные катушки, способные создавать градиенты магнитного поля в трех перпендикулярных друг другу направлениях, одно из которых совпадает с направлением однородного магнитного поля в область исследования.
Специалисты в данной области техники признают, что вышеприведенное краткое описание и нижеприведенное подробное описание настоящего изобретения являются примерными и носят разъяснительный характер, не ограничивая сущность изобретения и его потенциальные преимущества. Кроме того, подразумевается, что вышеприведенное раскрытие настоящего изобретения отражает некоторые варианты его осуществления, но не отражает и не охватывает всех объектов и вариантов осуществления настоящего изобретения, входящих в его объем. При этом прилагаемые чертежи, на которые делается ссылка в настоящей заявке и которые составляют ее часть, иллюстрируют примеры осуществления настоящего изобретения и - вместе с подробным описанием - раскрывают его принципы.
Краткое описание чертежей
Объекты, признаки и преимущества вариантов осуществления настоящего изобретения, касающиеся как его структуры, так и функционирования, будут более понятны после рассмотрении изобретения в свете нижеследующего его описания, снабженного прилагаемыми чертежами, при этом одинаковые ссылочные позиции на разных фигурах соответствуют одинаковым или схожим элементами; на фигурах:
фиг.1А - схематичный разрез типичного сверхпроводящего магнитно-резонансного томографа, который соответствует варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.1В - детальный разрез верхнего участка системы главного магнита по фиг.1, соответствующей варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2А - схематичный детальный косой вид градиентных катушек типичного сверхпроводящего МР-томографа по фиг.1, который соответствует варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2В - схематичный вид сверху х-ориентированной цилиндрической градиентной катушки по фиг.2А, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.3A-3D - примерные схемы охлаждения, используемого в МР-томографе в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения; и
фиг.4А-4В - разрезы сверхпроводящего МР-томографа, иллюстрирующие типичную компоновку катушек, среди которых - главный магнит в форме цилиндрического соленоида, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
Описание вариантов осуществления
Специалисты в данной области техники признают, что хотя нижеследующее описание приведено в контексте МР-томографа, который может быть использован для исследования пациента, варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя системы и способы магнитно-резонансной спектроскопии. Кроме того, в настоящем описании МРТ включает в себя и магнитно-резонансную спектроскопию.
На фиг.1А изображен схематичный разрез типичного сверхпроводящего МР-томографа 100, который соответствует одному варианту осуществления настоящего изобретения. Сверхпроводящий МР-томограф 100 включает в себя область 180 исследования; подвижный стол 190 пациента; корпус 130 для вмещения магнитных катушек; систему главного магнита (изображена детальнее на фиг.1В), которая содержит (i) главный магнит, включающий в себя сверхпроводящие катушки 104, сверхпроводящие корректирующие катушки 106 и стержень 108 катушек, (ii) теплоотвод 110, (iii) корпус 112 для криогенной жидкости, (iv) тепловой экран 114, (v) корпус 116 вакуумной камеры для вмещения главного магнита и (vi) криогенную систему 160. Подвижный стол 190 пациента может быть введен в область исследования и выведен из указанной области. По меньшей мере, часть стола 190, расположенного в основном магнитном поле, выполнена из неметаллического и немагнитного материала, такого как пластик.
В примере осуществления настоящего изобретения, иллюстрируемом фиг.1А и 1В, система сверхпроводящего главного магнита выполнена в виде соленоида, генерирующего по существу однородное горизонтальное магнитное поле, индукция которого в области исследования может составлять, к примеру, от 0,5 Тл (тесла) до 10 Тл. В других примерах осуществления система главного магнита может иметь конфигурацию, отличную от соленоидной, и/или быть выполнена в виде открытого магнита, такого как вертикальный магнит или магнит по типу двойного бублика, и/или генерировать слабые поля (к примеру, индукцией 0,1-0,5 Тл) в зависимости от конструкции и/или целевого назначения системы. Однако в общем случае слабое магнитное поле может быть ориентировано произвольно, к примеру, перпендикулярно столу пациента (вертикально), в то время как сильное поле обычно направлено горизонтально.
5
Как сказано выше, на фиг.1В изображен схематичный детальный разрез верхнего участка системы главного магнита, изображенной на фиг.1А. Вакуумная камера (корпус) 116 ограничивает вакуумное пространство 132, которое окружает главный магнит и вакуумировано до давления, к примеру, 10" тор или ниже (то есть глубокого вакуума) системой вакуумирования (не показана), включающей в себя один или несколько насосов, соединенных с вакуумным пространством 132 через одно или несколько отверстий, клапанов и/или каналов и т.п. Корпус 116 вакуумной камеры может быть выполнен из алюминия, нержавеющей стали или другого металлического или неметаллического материала, такого как стекло, керамика, пластик или их комбинации. Специалистам в данной области техники будет очевидно, что вакуумное пространство 132 обеспечивает теплоизоляцию между холодным главным магнитом и корпусом 116 вакуумной камеры, имеющим комнатную температуру.
3
3
2
Главная магнитная катушка 104 и корректирующие катушки 106 могут быть выполнены в виде низкотемпературного сверхпроводника (НТСП) или высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП). Низкотемпературный сверхпроводник главного магнита может представлять собой, к примеру, проволоку, выполненную из таких материалов как NbTi, NbSn, NbAl, MgB и др. Высокотемпературный сверхпроводник главного магнита может представлять собой ленту, выполненную из таких материалов как YBCO, BSCCO и/или других высокотемпературных сверхпроводниковых материалов, критическая температура которых превышает 77 K. Специалисты в данной области техники признают, что для улучшения однородности магнитного поля может быть предусмотрен один или несколько наборов корректирующих катушек 106. Такие корректирующие катушки, как правило, рассчитаны на проведение лишь незначительной части тока, проводимого главными сверхпроводящими катушками, и/или имеют незначительную долю витков по сравнению с числом витков главных сверхпроводящих катушек, при этом поле, генерируемое корректирующей катушкой, неоднородно, так что в комбинации с основным магнитным полем поле корректирующей катушки способствует снижению неоднородности суммарного магнитного поля.
Сверхпроводящие витки 104 и сверхпроводящие корректирующие витки 106 главного магнита намотаны на стержень 108, который может содержать один или несколько материалов, включающих в себя нержавеющую сталь, алюминий, FR4 (к примеру, самозатухающий G10) и другие материалы, имеющие достаточную механическую прочность. Стержень главной магнитной катушки установлен на теплоотводе с обеспечением хорошего термического контакта между данными элементами, при этом теплоотвод имеет термический контакт с криогенной системой 160, благодаря чему тепло отводится от главного магнита, передаваясь через теплоотвод 110 криогенной системе 160. Подходящими материалами для выполнения теплоотвода 110 являются, к примеру, алюминий, сапфир и металл.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, такими как варианты, иллюстрируемые фиг.1А и 1В, криогенная система 160 может быть выполнена в виде двухступенчатой системы, которая содержит криоохладитель 162, первую ступень 164, вторую ступень 168, при этом первая ступень 164 соединена с тепловым экраном 114, а вторая ступень соединена с теплоотводом 110 и/или контактирует с криогенной жидкостью, такой как жидкий гелий, содержащийся в криогенной камере 112. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления криогенная камера 112 может отсутствовать и охлаждение осуществляться через теплоотвод 110 без помощи обволакивающей криогенной жидкости. Температуры первой и второй ступени криоохладителя могут составлять, к примеру, 40 K и 20 K соответственно или 77 K и 40 K соответственно, при этом возможны и различные другие комбинации, зависящие от конструктивных параметров, таких как материал сверхпроводящего магнита, тип используемой криогенной системы, источников тепла или тепловых нагрузок и т.д. Таким образом, температура теплового экрана 114 лежит в диапазоне между комнатной температурой стенки вакуумной камеры и температурой охлаждаемых магнитных катушек, то есть тепловой экран препятствует передаче тепла от стенки вакуумной камеры, имеющей комнатную температуру, главному сверхпроводящему магниту. Однако в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения тепловой экран может содержать более одного слоя или указанный экран может отсутствовать.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения криогенная система 160 может быть выполнена в виде любого одноступенчатого или многоступенчатого криоохладителя, такого как охладитель Гиффорда-Макмагона (ГМ), охладитель с пульсационной трубой (ПТ), теплообменник Джоуля-Томсона (ДжТ), охладитель Стирлинга или другой криоохладитель.
Как видно из фиг.1А, корпус 130 для вмещения магнитных катушек содержит также вторую вакуумную камеру, которая содержит внутренний участок корпуса 116 вакуумной камеры, участок торцовой стенки корпуса 130 для вмещения магнитных катушек и внутреннюю стенку 150 и ограничивает вакуумное пространство 142, вмещающее градиентные катушки 103 и радиочастотную катушку 105. Вакуумная камера, ограничивающая вакуумное пространство 142, соединена с системой вакуумирования для создания в камере низкого давления (то есть глубокого вакуума) в ходе изготовления камеры, причем после создания глубокого вакуума камеру герметизируют. Между РЧ-катушкой 105 и градиентными катушками 103 с одной стороны и теплоотводом 113 с другой имеется термический контакт, при этом теплоотвод имеет термический контакт с криогенной системой 170, которая включает в себя криоохладитель 172 и вторую ступень 174, причем между одним концом ступени и теплоотводом 110 и между другим концом ступени и криоохладителем 172 имеются термические контакты. Типичными материалами, которые подходят для изготовления теплоотвода, являются керамика, такая как окись алюминия, кристаллы, такие как сапфир и металлы, и стекло.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения предусмотрена вторая внутренняя стенка 152, которая ограничивает дополнительное вакуумное пространство 154, что обеспечивает дополнительную теплоизоляцию, а значит, и повышает температурный комфорт для пациента. Вакуумное пространство 154 может сообщаться с вакуумным насосом или представлять собой герметичную камеру. Радиальная (относительно цилиндрических координат, которые соответствуют, как правило, цилиндрической форме главного магнита) протяженность вакуумного пространства 154 в общем случае сведена к минимуму, чтобы РЧ-катушка 105 была расположена как можно ближе к области исследования. Типичными материалами, которые подходят для изготовления внутренних стенок 150 и 152, являются стеклотекстолит G10, стекло, стеклокомпозиты или их комбинации. Как известно, эти материалы - немагнитные и не могут искажать градиентные поля или РЧ-сигнал в области исследования.
2
В соответствии с данной конфигурацией сверхпроводящая РЧ-катушка 105 и сверхпроводящие градиентные катушки 103 охлаждаются совместно, поэтому обычно РЧ-катушку 105 и градиентные катушки 103 выполняют на основе сверхпроводников одного типа, то есть ВТСП или НТСП (хотя катушки одного типа можно выполнить из ВТСП, а катушки другого типа - из НТСП, при условии, что они охлаждаются ниже критической температуры НТСП-проводника). Подходящей формой выполнения ВТСП-проводника РЧ-катушки и ВТСП-проводника градиентных катушек в данных случаях является сверхпроводящая лента, выполненная, к примеру, из оксидов висмута-стронция-кальция-меди (BSCCO). Способ изготовления РЧ-катушки из ВТСП-ленты подробно описан в патенте США №6 943 55, и данное описание включено в настоящую заявку посредством ссылки. В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения сверхпроводящая РЧ-катушка может быть выполнена из тонкой сверхпроводящей пленки, содержащей один из таких ВТСП-материалов, как оксид иттрия-бария-меди (YBCO), оксид таллия-бария-кальция-меди (ТВССО), MgB или МВ, где М - один из элементов группы Be, Al, Nb, Мо, Та, Ti, Hf, V и Cr. Способ изготовления катушки из ВТСП-пленки на плоском субстрате подробно описан в Maetal, «Сверхпроводящие плоские катушки для магнитно-резонансных томографов, используемых при МРТ человека», Proc. Mag. Res. Medicine, 1, 171 (1999), и данное описание полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Другие способы изготовления и использования ВТСП-катушек описаны в Maetal., «Сверхпроводящие РЧ-катушки для клинической магнитно-резонансной томографии с использованием слабых полей», Academic Radiology, vol. 10, no., 9, Sept. 2003, pp.978-987, и в Milleretal, «Характеристики высокотемпературного сверхпроводящего зонда для прижизненной микроскопии при 2,0 Тл», Magnetic Resonancein Medicine, 41:72-79 (1999), и данные описания полностью включены в настоящую заявку посредством ссылки.
Специалисты в данной области техники признают, что РЧ-катушка 105 может быть выполнена в виде отдельных катушек - для излучения и приема РЧ-сигналов - или объединять в себе излучатель и уловитель (трансиверная катушка). Кроме того, если в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения излучатель и уловитель выполнены в виде отдельных катушек, то сверхпроводящей может быть только одна из катушек (к примеру, катушка излучения), а другая может представлять собой обычную медную катушку. К тому же в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения сверхпроводящая РЧ-катушка 105 может быть выполнена в виде набора катушек, к примеру, ВТСП-катушек.
В соответствии с некоторыми другими вариантами осуществления настоящего изобретения одна или несколько РЧ-катушек (к примеру, катушка излучения или катушка приема, если они выполнены раздельно) могут представлять собой несверхпроводящие катушки, выполненные из одного или нескольких материалов, которые, будучи охлажденными до определенной температуры (к примеру, путем криогенного охлаждения, заморозки, водяного охлаждения, термоэлектрического охлаждения и т.д.), имеют удельную электрическую проводимость, превышающую таковую у меди при данной температуре. Такие несверхпроводящие катушки могут быть выполнены, к примеру, из полупроводниковых структур, проводящих двумерный электронный газ (с использованием таких полупроводников как GaAs и/или InP), углеродных нанотрубок и других металлов. В целях различения криогенного и обычного охлаждений в рамках настоящей заявки предполагается, что криогенная температура меньше или равна около - 73,3°С(-100°Ф).
На фиг.2А изображен увеличенный детальный косой вид градиентных катушек 103 типичного сверхпроводящего МР-томографа по фиг.1А и 1В, соответствующего некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения. В соответствии с данной фигурой три независимые градиентные катушки для изменения величины магнитного поля вдоль трех перпендикулярных друг другу направлений предусмотрены на поверхностях или заподлицо с поверхностями трех соответствующих коаксиальных цилиндрических опор, а именно - опоры 258 для x-градиентной катушки, опоры 262 для y-градиентной катушки и опоры 264 для z-градиентной катушки. В соответствии с традиционными обозначениями x и y - это две оси, которые перпендикулярны друг другу и направлению z основного магнитного поля. Таким образом, опора 258 для x-градиентной катушки, опора 262 для y-градиентной катушки и опора 264 для z-градиентной катушки поддерживают соответствующие градиентные катушки для обеспечения градиентов магнитного поля вдоль осей x, y и z соответственно. Опоры 258, 262 и 264 могут быть выполнены, к примеру, из G10 или другого неферромагнитного, непроводящего (то есть неметаллического, изолирующего) материала. В данном примере осуществления настоящего изобретения градиентная катушка выполнена в виде соленоида, а x- и y-градиентные катушки - в виде седел, окружные длины которых больше и равны половинам длин окружностей соответствующих цилиндрических опор. Y-градиентная опора 262 имеет хороший термический контакт с x-градиентной опорой 258 и z-градиентной опорой 264, которая имеет хороший термический контакт с теплоотводом 110. В соответствии с разными другими вариантами осуществления настоящего изобретения может быть предусмотрен - в дополнение к другим теплоотводам или вместо них - теплоотвод, имеющий термический контакт с x-градиентной опорой 258. Если теплоотвод, контактирующий с x-градиентной опорой 258, используется наряду с теплоотводом 110, то такой дополнительный теплоотвод может охлаждаться криоохладителем 172 (то есть тем же криоохладителем, который охлаждает теплоотвод) или отдельным криоохладителем. Если теплоотвод используется для охлаждения градиентных катушек вместо теплоотвода 110, то последний может быть термически разъединен (к примеру, изолирован в пространстве) от z-градиентной опоры 264, но находится в термическом контакте с РЧ-катушкой 105, охлаждая ее.
На фиг.2В изображен схематичный вид сверху x-градиентной опоры 258 по фиг.2А, которая поддерживает x-градиентную катушку 268 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Поверхность x-градиентной опоры 258 обычно содержит углубление (выполненное, к примеру, путем травления или резки), в котором расположена градиентная катушка 268 (проволока), причем указанная проволока зафиксирована в углублении путем сварки и поэтому не может сместиться в магнитном поле (к примеру, за счет силы Лоренца), когда по проволоке течет ток. Конструктивное исполнение y-градиентной катушки, предусмотренной на y-градиентной опоре 262, по существу соответствует конструктивному исполнению x-градиентной катушки 268, предусмотренной на x-градиентной опоре 258, за исключением незначительных расхождений в размерах, поскольку диаметр y-градиентной опоры несколько меньше диаметра x-градиентной опоры. Перпендикуляр, проходящий через центр 260 x-градиентной катушки 268, совпадает с осью x, как показано на фиг.2А и 2В, при этом y-градиентная катушка смещена по окружности на 90° относительно x-градиентной катушки. Z-градиентная соленоидная катушка (детально не показана) выполнена аналогично на поверхности z-градиентной опоры 264 и/или ниже уровня указанной поверхности, но витки катушки намотаны на z-градиентную опору 264 вокруг ее продольной оси по спирали, при этом половина витков вдоль продольной оси опоры намотана в том же направлении, что и витки главного магнита, так что z-градиентная катушка усиливает магнитное поле в пределах данной ее половины, а вторая половина витков вдоль продольной оси катушки намотана в противоположном направлении, так что z-градиентная катушка ослабляет магнитное поле в пределах данной другой половины.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, подробно рассмотренными ниже, градиентные катушки 103 и РЧ-катушка 105 могут охлаждаться независимо и быть термически изолированы друг от друга, что может быть предпочтительно, если, к примеру, необходимо обеспечить разные рабочие температуры для градиентных катушек и РЧ-катушки (к примеру, если указанные элементы выполнены из разных материалов). Такие варианты могут включать в себя размещение РЧ-катушек и градиентных катушек в общей вакуумной камере или отдельных вакуумных камерах.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, в том числе вариантами, рассмотренными выше применительно к фиг.1А и 1В, и главный магнит, и градиентные катушки, и РЧ-катушка выполнены из сверхпроводников, при этом каждый из данных элементов может быть выполнен из ВТСП-материала или НТСП-материала, что позволяет получить 8 (восемь) комбинаций, при условии, что все градиентные катушки выполнены из сверхпроводников одного типа (то есть ВТСП или НТСП). В соответствии с некоторыми предпочтительными вариантами осуществления настоящего изобретения и главный магнит, и градиентные катушки, и РЧ-катушка выполнены из ВТСП-материалов. Специалисты в данной области техники признают, что такое исполнение дает много преимуществ, позволяя в итоге получить дешевый, качественный и высокоэффективный МР-томограф.
К примеру, главные сверхпроводящие магниты, выполненные из низкотемпературных сверхпроводников, обычно очень громоздки и тяжелы. Однако главный магнит, выполненный из ВТСП в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, намного легче и компактнее, поскольку, среди прочего, при одном и том же количестве проволок из ВТСП и НТСП величина магнитного поля, создаваемого проволокой из ВТСП, выше. Кроме того, главный магнит из ВТСП можно использовать при значительно более высокой температуре (к примеру, 77 K), чем магнит из НТСП (около 10-20 K), поэтому для работы главного магнита из ВТСП требуется намного меньше криогенной жидкости, что значительно снижает стоимость системы. Точно так же, если и градиентные, и РЧ-катушки выполнены из ВТСП-материалов, то издержки на охлаждение снижаются, при этом конструктивное исполнение термо- и вакуумной изоляции упрощается по сравнению с вариантами осуществления, в соответствии с которыми градиентные катушки и/или РЧ-катушки выполнены из НТСП-материалов. В то же время по сравнению с характеристиками МР-томографа, в котором используются обычные медные РЧ-катушки и градиентные катушки, общие рабочие характеристики МР-томографа по настоящему изобретению значительно оптимизируются - отчасти за счет ВТСП РЧ-катушек, обеспечивающих высокую чувствительность (пониженный шум катушек, а значит, высокое отношение сигнал/шум), а отчасти - за счет ВТСП-градиентных катушек, которые обеспечивают большие токи возбуждения, быстрое переключение и значительно уменьшают рассеивание тепла.
На фиг.3A-3D изображены примерные схемы охлаждения, применяемого в магнитно-резонансном томографе в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения. В соответствии с фиг.3А каждая из сверхпроводящих катушек 202 охлаждается независимо в отдельной камере охлаждения отдельной системой 204 криогенного охлаждения. Главные магнитные катушки 206 охлаждаются системой 208 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. Точно так же градиентные катушки 210 охлаждаются системой 212 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. А РЧ-катушки 214 охлаждаются системой 216 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников.
В соответствии с фиг.3В главные магнитные катушки 220 охлаждаются системой 222 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. Однако градиентные катушки 226 и РЧ-катушки 228 охлаждаются общей системой 230 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. В данном примере осуществления настоящего изобретения все катушки охлаждаются в отдельных камерах охлаждения.
В соответствии с фиг.3С главные магнитные катушки 234 охлаждаются системой 236 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. Однако и градиентные, и РЧ-катушки 238 охлаждаются общей системой 240 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников. В данном примере осуществления настоящего изобретения градиентные и РЧ-катушки 238 охлаждаются в общей камере охлаждения.
В соответствии с фиг.3D главные и градиентные магнитные катушки 244 охлаждаются общей системой 246 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников, причем катушки 244 охлаждаются в общей камере охлаждения. Однако РЧ-катушки 248 охлаждаются отдельной системой 250 криогенного охлаждения до температуры, при которой указанные катушки приобретают свойства высокотемпературных или низкотемпературных сверхпроводников, причем РЧ-катушки 248 охлаждаются в отдельной камере, которая изолирована от камеры охлаждения главных магнитных и градиентных катушек 244.
Ввиду вышесказанного специалисты в данной области техники признают, что возможны различные варианты осуществления настоящего изобретения, в соответствии с которыми главный магнит, градиентные катушки и РЧ-катушка охлаждаются общим криоохладителем независимо от того, расположены ли главный магнит, градиентные катушки и РЧ-катушки в отдельных (соответственных) изолированных вакуумом камерах охлаждения или двух изолированных вакуумом камерах охлаждения (к примеру, градиентные катушки и РЧ-катушка(и) - в общей камере) или общей изолированной вакуумом камере охлаждения.
На фиг.4А изображен первый разрез сверхпроводящего магнитно-резонансного томографа, иллюстрирующий типичную компоновку 300 катушек, среди которых - главный магнит в форме цилиндрического соленоида (как и в МР-томографе 100 по фиг.1А), в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения. Конструкция 300 включает в себя первую вакуумную камеру 316, вторую вакуумную камеру 314, одну или несколько главных магнитных катушек 302, одну или несколько градиентных катушек 304, одну или несколько РЧ-катушек 306 и стенки 308, 310 и 312. Из нижеследующего описания будет очевидно, что в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения любая из стенок 308, 310 и 312 конструкции 300 может представлять собой герметизированный двустенный узел, который может быть выполнен аналогично герметизированным двустенным узлам (и корпусу, обеспечивающему вакуум и теплоизоляцию), описанным в заявке США №12/212,122, поданной 17 сентября 2008 г., и заявке США №12/212,147, поданной 17 сентября 2008 г., причем каждая из них полностью включена в настоящее описание посредством ссылки.
Первая вакуумная камера 316 вмещает главный магнит с соответствующими обмотками 302. Вакуумная камера 316 образована между герметически уплотненными парами 308 и 310 двойных стенок, при этом внутреннее пространство между стенками каждой пары 308 и 310 вакуумировано, заполнено (при необходимости) теплоизолирующим материалом (к примеру, стекловолокном) и соответствующим образом герметизировано (к примеру, путем плавления) для обеспечения глубокого вакуума. Внутреннее пространство первой вакуумной камеры 316 также вакуумировано с помощью подходящего вакуумного насоса. Внешняя пара 308 стенок первой вакуумной камеры 316 может быть выполнена из стандартных материалов для изготовления вакуумной камеры, таких как алюминий, нержавеющая сталь и др. Однако внутренняя пара 310 стенок первой вакуумной камеры 316 может быть выполнена из немагнитного и неметаллического материала, такого как стекло, непроводящая керамика, G10, FR4 пластик и др.
Как сказано выше, когда в первой вакуумной камере 316 создан достаточный вакуум, используют систему криогенного охлаждения для уменьшения температуры главной магнитной катушки 302. Температура, до которой необходимо охладить катушку, может зависеть от ее материала. Если в катушке 302 использован низкотемпературный сверхпроводящий материал (НТСП-материал) или высокотемпературный сверхпроводящий материал (ВТСП-материал), то ее удельное сопротивление намного меньше удельных сопротивлений обычных охлажденных медных катушек. Таким образом, сверхпроводящие обмотки главной магнитной катушки 302 будут характеризоваться меньшими генерацией/рассеиванием тепла, которые имеют место в обмотках катушки, если по ней течет известный ток, необходимый для генерации расчетного магнитного поля (к примеру, индукцией 1Тл). Как следствие меньше и мощность, необходимая для генерации и сохранения главным МР-магнитом заданного магнитного поля. Кроме того, благодаря МР-томографам по настоящему изобретению возникает перспектива использования в будущем более сильных магнитных полей (к примеру, индукцией более 7 Тл). В связи с этим использование сверхпроводящих главных магнитных катушек позволяет получить большие плотности тока в катушках, а значит, улучшить характеристики магнитного поля. Кроме того, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения длина сверхпроводящей главной магнитной катушки может составлять 0,5-3 м, внешний диаметр - 1-3 м, внутренний диаметр - 0,1-2,5 м, при этом катушка может иметь по существу цилиндрическую форму.
Вторая вакуумная камера 314 вмещает градиентные катушки 304 и РЧ-катушки 306. Вакуумная камера 314 образована между герметически уплотненными парами 310 и 312 двойных стенок, при этом внутреннее пространство между стенками каждой пары 310 и 312 также вакуумировано, заполнено (при необходимости) теплоизоляционным материалом (к примеру, стекловолокном) и соответствующим образом герметизировано (к примеру, путем плавления) для обеспечения глубокого вакуума. Внутреннее пространство второй вакуумной камеры 314 также вакуумировано с помощью подходящего вакуумного наноса. Внешняя пара 310 двойных стенок второй вакуумной камеры 314 выполнена из немагнитного и неметаллического материала, такого как стекло, непроводящая керамика, G10, FR4, пластик и др. Однако внутренняя пара 312 двойных стенок второй вакуумной камеры 314 выполнена из материала, который исключает экранирование РЧ-сигналов, излучаемых и принимаемых РЧ-катушками 306, и не генерирует вихревых токов, когда на градиентные катушки 304 подаются градиентные сигналы.
Когда во второй вакуумной камере 314 создан достаточный вакуум, используют другую систему криогенного охлаждения для уменьшения температуры градиентных катушек 304 и/или РЧ-катушек 306. Как сказано выше, температура, до которой необходимо охладить катушку, может зависеть от ее материала. Если в катушках 302 и/или 306 использован НТСП-материал или ВТСП-материал, то соответствующие удельные сопротивления таких катушек намного меньше, чем сопротивления обычных охлажденных медных катушек или катушек из других непроводящих материалов. Благодаря сверхпроводящему материалу обмотки градиентных катушек 304 (из НТСП или ВТСП-материала) нагреваются минимально/меньше, при этом может быть обеспечена быстрая смена направлений сильных градиентных полей. Таким образом, ускоряется получение изображений (и повышается их временное разрешение) и при этом снижается необходимость в дополнительном охлаждении, а именно рассеянии тепла, вырабатываемого градиентными катушками. Приемлемый уровень температур, которые должна обеспечивать система криогенного охлаждения градиентных катушек 304, может составлять, к примеру, 40-60 K. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения длина сверхпроводящей градиентной катушки может составлять 0,2-2 м, внешний диаметр - 0,1-2,5 м, внутренний диаметр - 0,02-2,3 м, причем катушка может иметь форму цилиндрического соленоида или седла. Длина сверхпроводящей РЧ-катушки (из ВТСП-материала) может составлять 0,01-0,5 м, внешний диаметр - 0,02-1,0 м, внутренний диаметр - 0,01-0,8 м, причем катушка может иметь форму цилиндрического соленоида или седла. Благодаря сверхпроводящему материалу РЧ-катушек 306 шумы в них снижаются. В результате отношение сигнал/шум в схемах РЧ-уловителя повышается (при условии, что шумы в сканируемом объекте не превосходят шумов в катушках), что ускоряет получение изображений и/или улучшает их разрешение. Приемлемый уровень температур, которые должна обеспечивать система криогенного охлаждения градиентных катушек 304 и РЧ-катушек, может составлять, к примеру, 40-60 K. На фиг.4В изображен продольный разрез системы 300 катушек, скомпонованных в соответствии с одним из возможных вариантов.
2
Сверхпроводящий магнитно-резонансный томограф может изготовлен из множества ВТСП- и НТСП-материалов. К примеру, градиентные катушки 304 могут быть выполнены из Bi-223-ленты, которая представляет собой серийно выпускаемый и дешевый ВТСП-материал. В некоторых случаяхВ1-223-лента может быть покрыта чистым серебром (Ag) для увеличения ее механической прочности. Когда Bi-223-лента охлаждена, к примеру, путем ее погружения в жидкий азот, она обнаруживает сверхпроводящие свойства, то есть сопротивление ленты падает практически до нуля. Сверхпроводящие РЧ-катушки 306, которые могут быть объединены в трансиверы или представлять собой независимые излучатели и уловители, также могут быть выполнены из ВТСП-материалов (к примеру, YBaCuO, BiSrCaCuO и т.д.), равно как и из других сверхпроводников, наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, материалов или структур, которые проводят двумерный электронный газ (2DEG) и обладают высокой удельной проводимостью (к примеру, соединений на основе GaAs или InP). Кроме того, вместо указанных ВТСП РЧ-катушек или в дополнение к ним могут быть предусмотрены ВТСП РЧ-катушки 306, выполненные из тонких пленок и объединенные в набор, при этом диаметр субстрата каждой катушки может составлять, к примеру, 1-30 см. Сверхпроводящие главные магнитные катушки могут быть выполнены как из ВТСП-, так и НТСП-материалов. К примеру, для изготовления главной магнитной катушки 302 может быть использован такой НТСП-материал как MgB (диборид магния). С точки зрения охлаждения сверхпроводящие катушки могут использоваться при различных диапазонах рабочих температур. К примеру, сверхпроводящие главные магнитные катушки 302 могут быть охлаждены до температур в диапазоне около 20-40 K. Сверхпроводящие градиентные катушки 304 могут быть охлаждены до температур в диапазоне около 40-60 K, а сверхпроводящие РЧ-катушки 306 могут быть охлаждены до более высоких температур - в диапазоне около 40-60 K или до 77 K. В другом случае и сверхпроводящие градиентные катушки 304, и сверхпроводящие РЧ-катушки 306 могут быть охлаждены примерно до 77 K, а сверхпроводящие главные катушки 302 - до температуры в диапазоне 20-40 K. Может быть использовано бесчисленное множество значений рабочих температур. К примеру, при некоторых компоновках сверхпроводящих катушек рабочая температура всех катушек может составлять около 77 K.
Хотя вышеприведенные примеры осуществления настоящего изобретения относятся к катушкам, компоновки которых позволяют получить горизонтальное магнитное поле, могут быть предусмотрены магнитно-резонансные томографы для генерации вертикальных магнитных полей, индукция которых различна для разных областей и составляет, к примеру, 0,5 Тл, 1,0 Тл, и т.д. Примерами таких МР-томографов являются асимметричный томограф для сканирования головного мозга, содержащий 6 или 8 РЧ-катушек; ортопедический МР-томограф (0,2-0,5 Тл при использовании пары катушек Гельмгольца) для сканирования кистей или ног; или открытый МР-томограф вертикального поля для сканирования молочных желез, при этом РЧ-катушки могут быть встроены в стол пациента. Открытый МР-томограф вертикального поля может быть модифицирован и для исследования животных. Следует признать, что хотя вышеописанные варианты осуществления МР-томографа в основном относятся к детектированию ядер атомов водорода в воде тканей, такой томограф может быть модифицирован и для детектирования ядер других элементов.
Настоящее изобретение описано и проиллюстрировано относительно частных вариантов его осуществления, которые отражают лишь основные идеи изобретения, не являются исчерпывающими и не ограничивают сущность изобретения. Таким образом, хотя вышеприведенное описание типичных вариантов осуществления настоящего изобретения, а также различных его модификаций и признаков, имеет много особенностей, они не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения, и специалисты в данной области техники признают, что настоящее изобретение допускает множество модификаций, адаптаций, вариаций, исключений, дополнений и эквивалентных реализаций без выхода за рамки объема изобретения и ослабления присущих ему преимуществ. К примеру, последовательность операций или циклов, являющихся частью способов или процессов, которые описаны выше и проиллюстрированы фигурами, может быть практически любой, кроме случаев, когда последовательность определяет сущность процессов. Во многих случаях последовательность операций может быть изменена, и различные типичные операции могут быть объединены между собой, изменены или исключены без изменения целей, эффекта или сущности описанных способов. Следует также отметить, что приведенные термины и выражения использованы только для описания изобретения и не являются ограничительными. Термины или выражения не должны исключать любые эквиваленты проиллюстрированных и описанных признаков или их частей. Кроме того, настоящее изобретение может быть использовано на практике, не обеспечивая одного или нескольких преимуществ, которые описаны или подразумеваются и/или могут быть реализованы в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами его осуществления и должно быть определено в соответствии с формулой изобретения, приведенной ниже.