CN101122632B - 梯度线圈系统和磁共振层析x射线摄影机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种特别是用于一磁共振层析X射线摄影机(50)的梯度线圈系统(1)，该梯度线圈系统包括一种具有一梯度线圈层(3、4、12、17、18、19)和一冷却层(8)的层结构。冷却层(8)是一种由板组成的、且用于冷却梯度线圈层(3、4、12、17、18、19)的板式热交换器(25)。通过这种方式，达到对梯度线圈层(3、4、12、17、18、19)的高效冷却。

Description

梯度线圈系统和磁共振层析X射线摄影机

技术领域

本发明涉及一种特别是用于一种磁共振层析X射线摄影机的梯度线圈系统。该梯度线圈系统具有一包括一梯度线圈层和一冷却层的层结构。

背景技术

在磁共振层析X射线摄影机工作时，为了产生图像，要求至少一个梯度磁场和一个基波磁场重合。这是借助于一梯度线圈系统产生的。通常梯度线圈系统具有多个带有一个或者多个梯度线圈的梯度线圈层，以产生三个垂直重叠的梯度磁场。在当今使用的主动屏蔽的梯度线圈系统中除了产生着有效场的梯度线圈层外，还设置其它的梯度线圈层，这些线圈层向外对所述有效场进行屏蔽。这些附加的梯度线圈层围绕产生着有效场的梯度线圈层设置，并且与这些梯度线圈层间隔着距离。

典型的做法是，其量级为数百安培的脉冲形式的电流流过一梯度线圈层的每个梯度线圈。通过梯度线圈的欧姆电阻，使相当大量的能量转换成热量。必须以合适的方式排出这些热量。在一种用于全身检查的磁共振层析X射线摄影机中，对梯度线圈进行良好的冷却是特别必要的，因为在此时患者直接经受着由梯度线圈系统所产生的热。

因此在一种梯度线圈系统中设置了用于将由梯度线圈层的梯度线圈所产生的热量引出的冷却层。例如在DE 197 21 985 A1或者WO03/093853 A1描述了这样一种冷却层的结构。

为此在上述装置中，在一梯度线圈层上设置了一个或者多个柔性的冷却导管，这样这些冷却导管在梯度线圈系统的两层之间基本上形成一种冷却层。

在DE 100 32 836 C1中描述了这种类型的梯度线圈系统的结构。关于制造这种类型的梯度线圈系统的其它细节可从DE 197 22 211 A1得知。

在这种情况中，在将梯度线圈系统的全部层安装完毕后，在单个的梯度线圈层和冷却层之间的中间空间中装满一种塑料基质。通过这一措施将单个的梯度线圈层和冷却层彼此连成一种结构单元。在例如环氧树脂基础上制成的塑料基质具有带有高的热传导率的填充材料，以便将热量很好地从一梯度线圈层传导到冷却层的冷却导管。此外，塑料基质还具有一种弹性，这样就吸收了在单个梯度线圈之间由于很强的电流所产生的洛伦兹力。与此同时，按照这种方式还衰减了在运行时的梯度线圈的机械振动，这么一来在运行时梯度线圈系统所产生的噪声就比较小。

在曲折形的结构中敷设冷却导管的费用很高。此外，梯度线圈系统的层结构的层通常是同心设置的空心圆筒体。在此冷却导管必须设置在一种弯曲的表面上。为了在用一种塑料基质浇注之前将冷却导管尤其是保持在它们的曲折形的结构中，单个的冷却导管要在位于此下方的层上的不同部位处被缝牢。在这种情况中，通常是与一种塑料载体缝合，位于其下方的梯度线圈层的梯度线圈就缝合到该塑料载体上。这就意味着附加地增加了的工时费用。此外在缝合时还存在这样的危险，即冷却导管被缝合针穿透，并且因此不密封。通常只有在梯度线圈系统整体生产完毕后在进行密封性检测时才发现这种不密封性。因此只要在一个冷却管道中有一个唯一的洞，则整个梯度线圈系统就不能使用。

发明内容

本发明的任务是提供一种系统。这种梯度线圈系统可尽可能简单并成本有利地来进行制造。此外，这种梯度线圈系统还应具有尽可能有效的冷却。此外，本发明的另一种任务是提供一种改进了的磁共振层析X射线摄影机。

根据本发明，前述任务是通过权利要求1的特征组合完成的。为此，冷却层设计成一种由板组成的板式热交换器。该板式热交换器的板可以简单和成本有利地插入。可以省却为了产生冷却层而费事地安装冷却导管。也不再存在这样的危险，即在固定冷却层时、如在缝合冷却导管时所发生的那样无意地损坏冷却层。

通过板式热交换器的板式设计，在一冷却层和一相邻的梯度线圈层之间产生完全平面的接触。通过这种方式可达到很好的热传导。也可以设想将板的材料设计为多孔形的。

将板式热交换器的板设计成柔性的是合适的。特别是当梯度线圈系统的单个层是同心设置的空心圆筒体时，这种类型的板式热交换器可放置到位于其下方的梯度线圈层上，并且通过它的柔性能和这个梯度线圈层的表面相适配。这样就保证了板式热交换器的简单安装。由于是柔性的设计，所以不会出现板式热交换器的机械损坏。

在一种改进方案中，板式热交换器的板或者每个板具有用于形成基本和板平面平行设置的贯通的通道的材料空隙。这种类型的空隙例如可以铣削到板的表面中。冷却液流过这些贯通的通道。并联地设置非常多的这种类型的通道，就提供了这样一种可能性，即与形成冷却层相比，借助于少数几个冷却导管减小了流动阻力。因此用于冷却剂的输送装置必须克服比较低的流动阻力，并且因此它可以具有一种比较低的泵功率。因此不仅这种输送装置的制造成本更低，而且特别是运行成本也更低，因为由于泵的功率更低所以耗电也更低。

在一种改进方案中，至少两个板设置有如此设计的材料空隙，即在所述至少两个板重叠时产生基本垂直于板平面的贯通的通道。通过这种方式可实现从板式热交换器的板的两侧很好地排走热量。

在一种改进方案中，这些板设置在两个封闭板之间。在这种情况中可如此地设计板中的材料空隙：使得仅通过两个封闭板就形成一基本上为网络状的、并且和板平面基本平行的通道结构。这样，这些封闭板就形成了这些通道的向外设置的壁。这样，通道结构仅通过这些板中的贯通式的材料空隙形成。这些空隙例如可通过冲压而设置到这些板中。

冷却流体虽然基本上是在板的平面中流过板式热交换器，然而它却是通过这些通道垂直于板平面地交替地引导到两个封闭板上。这样，不仅实现了从两个封闭板到冷却液的均匀的热传导，而且通过不断地改变流动方向就产生附加的旋涡，这些旋涡进一步地改进了热传导。

原则上讲，材料空隙可以具有不同的结构。特别是可以设想为圆形的或者椭圆形的空隙。在一种优选的变型方案中，这些材料空隙在板中为Y形，并且在至少两个板重叠时补足为一种蜂窝形的通道结构。当Y形的材料空隙的每两个侧腿之间的内夹角在100°和150°之间时，所产生的通道结构可取得一种特别有效的流通效果。

在另一种变型方案中，在板中的材料空隙为X形，并且在至少两个板重叠时补足为一种菱形的通道结构。

因此只需一种简单和成本有利的冲压工具就可掏制出X-或Y形的材料空隙。

优选地X-或Y形的材料空隙的侧腿都具有至少基本相同的长度。这样就可产生特别有规则的蜂窝式或者菱形的通道结构。通过单个板的板厚度和材料空隙的几何形状，就可将平行于和/或垂直于板平面设置的单个通道的宽度规定在一种宽的范围内，并且因此也可在一种大的范围内对封闭板和冷却液之间的热传导量进行调节。

在一种合适的变型方案中，板式热交换器的单个板和封闭板彼此固定连接，特别是粘合或者焊接。粘合或者焊接是一种简单和成本有利的加工步骤。通过这一措施将这些板彼此固定在它们的所希望的位置中。

板式热交换器的板最好由一种塑料制成，特别是由一种夹布胶木或者一种热塑性塑料、例如环氧树脂制成。这类塑料易于加工。

封闭板最好由一种具有小热电阻的材料制成。这可以借助于一种小厚度的板、和/或用具有良好的热传导性的材料实现。例如一种由热塑性塑料制成的薄膜适合于此。因为所述封闭板构成了穿过板式热交换器的通道的外壁，因此从相邻的梯度线圈层到板式热交换器的冷却液可实现一种特别良好的热传递。

所述板和封闭板分别具有其量级为1毫米到10毫米的结构高度。这样就可制造其结构高度仅为几毫米的冷却层。据此所述结构高度明显地低于由冷却导管制成的冷却层的结构高度。因此，可在梯度线圈系统中设置更多的冷却层，而并不使整个梯度线圈系统的结构高度增大。甚至可单个地借助于一板式热交换器对每个单个的梯度线圈层进行冷却，而其结构高度并不超过当前的传统式的梯度线圈系统。因此梯度线圈层的单个梯度线圈也可利用提高的电流强度来进行工作，或者可以减少到目前为止常用的为了等待已被加热的梯度线圈系统的冷却而在检查中所置入的间歇，或者可以放弃这种间歇。

利用前述梯度线圈系统也可实现一种总体上更加紧凑的结构形式。由于单个的梯度线圈到一待检查人员的距离更小，所以可利用更大的场强进行测量。

通常，梯度线圈系统的层结构的层或者是同心设置的空心圆筒体，或者进行盘状重叠设置。

所述第二任务根据本发明是通过具有前述梯度线圈系统的一种磁共振层析X射线摄影机来完成的。在这种情况中，按其意义所述优点也转移到所述摄影机上。

附图说明

下面借助于附图对本发明的一种实施例进行更详细的说明。这些附图是：

图2：根据现有技术的一种梯度线圈系统的垂直于轴向方向的横截面简图；

图1：一种梯度线圈系统的垂直于轴向方向的横截面简图；

图3：一种板式热交换器详图；

图4：板式热交换器的一个较大的局部；

图5：一种磁共振层析X射线摄影机的简图。

具体实施方式

图2示出根据现有技术的一种梯度线圈系统1。这个梯度线圈系统1具有一种空心圆筒体类型的同心设置的层结构2。层结构的单个层的安装是由内向外沿径向方向完成的。第一空心圆筒层安装在一圆筒形的安装辅助工具的外壳表面上。第二层安装在第一层的外壳外表面上、与此类推。

最里边的两层是用于分别产生一横向的梯度磁场的一第一梯度线圈层3和一第二梯度线圈层4。在这两个梯度线圈层3、4中所使用的梯度线圈是马鞍形线圈(Sattelspule)。

紧接着的下一层是一第一冷却层8。在这种情况中，这是在第二梯度线圈层4的外壳表面上曲折形设置的、且用于排走由梯度线圈层所产生的热的冷却导管9。这些冷却导管9是通过缝合而固定在一塑料架上，在该塑料架上设置着第二梯度线圈层4的梯度线圈。

冷却导管埋入到一种塑料基质11中。在附图中未示出的、且用于改进塑料基质的传热率的填充材料制成了塑料基质11的一部分。

紧连着第一冷却层8的是用于产生纵向梯度磁场的第三梯度线圈层12。这个第三梯度线圈层12包含轴向设置的梯度线圈。紧接着的下一层是一所谓的垫片(shim)组件15。这个垫片组件包括沿梯度线圈系统的轴向方向设置的、并且在图2中未示出的、且用于容纳在附图中也未示出的垫片部件的袋形空腔。这些垫片部件主要是一些金属带。用这些垫片部件可以形成静态的基本磁场或者主磁场，并且使其均匀化。

与垫片组件15紧相连的是另一第二冷却层16。在该冷却层中冷却导管9按照已述的方式设置并固定在位于它下方的层上。沿径向方向向外观看，与这个第二冷却层16相连的是一用于产生一纵向梯度磁场的第四梯度线圈层17，以及用于产生两个横向梯度磁场的一第五梯度线圈层18和一第六梯度线圈层19。这些外部的梯度线圈层17、18、19从原理上讲其结构与内部的梯度线圈层3、4、12的一样。然而，在这种情况中它们是如此设计的，即它们在梯度线圈系统的外部对散射场进行屏蔽。通过这种方式保证，梯度磁场仅存在于梯度线圈系统的内部。

在梯度线圈系统的所有层安装好之后，将一种塑料、例如环氧树脂或者聚氨酯浇注到中间腔室中，这样就形成了特别是包围着冷却导管9的塑料基质。

第一冷却层8和第二冷却层16用于冷却全部六个梯度线圈层3、4、12、17、18、19。由这些梯度线圈层3、4、12、17、18、19所产生的热量通过塑料基质11吸收，流过冷却导管9的冷却液传递到该塑料基质上，并且由该冷却液输送走。一种水基或者油基的流体用作冷却液。

图1示出一种具有用作冷却层8的板式热交换器的梯度线圈系统1。也如图2一样，单个的梯度线圈层为同心设置的空心圆筒体。

同图2一样，沿从内向外的径向方向设置三个梯度线圈层3、4和12。接下来是一垫片组件15。也如图2一样，与这个垫片组件15相连的是另外三个梯度线圈层17、18和19。

在每两个相邻的梯度线圈层之间，例如在第一梯度线圈层3和第二梯度线圈层4之间、以及在各个梯度线圈层3、4、12、17、18、19和垫片组件15之间，分别设置一种作为冷却层8的板式热交换器25。这种板式热交换器25具有一比图2中的冷却层8、16小得多的结构高度。这些板式热交换器25也和所述两个冷却层8和16一样排走由梯度线圈层3、4、12、17、18、19所产生的热量。因为图1中的单个的冷却层8的结构高度比图2中的小，所以在梯度线圈系统1的每两个相邻的层之间可以设置一板式热交换器25一类的冷却层8，而在沿径向方向又不扩大整个梯度线圈系统1的结构高度。这样在可比较的结构高度的情况下，可大大改进并均匀地排走由梯度线圈层3、4、12、17、18、19所产生的热量。将在图3和图4中详细介绍单个板式热交换器25的结构。

图3示出板式热交换器25的详细情况。该板式热交换器25具有一上板26和一下板27。彼此间有间距的Y形的材料空隙28冲压到两个板中。这些Y形的材料空隙28分别具有三条相同长度的侧腿29。其中，每两个侧腿形成一种120°夹角30。这两块板26、27是如此重叠放置的，即下面的板27的Y形的材料空隙相对于上面的板26的材料空隙28旋转180°。由于材料空隙28的侧腿29的特别是长度的合适的尺寸设计，所以当重叠时在上板26和下板27的Y形的材料空隙28的侧腿29之间产生重叠部位31。这些重叠部位31形成垂直于板26和27的板平面的贯通的通道32。

上板26和下板27彼此平面地粘合。此外，在上板26上粘合一上封闭板35，在下板27上粘合一下封闭板36。在这种情况中，上封闭板35和下封闭板36支撑在支撑部位37上。在支撑部位37下面设置一平面的板段。在该板段上无论是上板26还是下板27都没有材料空隙28，并且据此它们由实心材料制成。

在这种情况中，上封闭板35和下封闭板36形成了全部由所有四个板26、27、35、36所形成的、平行于板平面平行设置的贯通的通道的外壁。

图4示出板式热交换器25的一个更大的部分。基本平行于板平面设置的贯通的通道38总体地构成一种蜂窝式的通道结构。通过基本上垂直于板平面延伸的贯穿的通道32就保证了流过通道结构的冷却液与两个封闭板35和36的壁保持接触。由于不断地改变流动方向，因此附加地改进了热传导。若选择具有高的热传导率、例如在一种金属扁平薄板中所产生的那种热传导率的材料来用作所述上封闭板35和下封闭板36的材料，则通过与相邻的梯度线圈层3、4、12、17、18、19的平面接触可取得一种非常良好的热传导。

采用一种比较软的热塑性塑料来用作所述两个板26和27的材料。总之，整个板式热交换器25是如此柔软，使得该热交换器可以与梯度线圈系统1的位于下方的空心圆筒形的层的外壳相适配。

在这种情况中，板式热交换器25盖住位于其下方的层的全部壳体表面。然后将梯度线圈系统1的下一层固定在板式热交换器25的外部的壳体表面上。

在空心圆筒形的梯度线圈系统1的两个端侧面上，为每个板式热交换器25设置在图4中未示出的一种收集箱式的装置。这些装置用于提供冷却液和排走冷却液。在这种情况中，冷却介质相对于梯度线圈系统1沿着轴向方向40流过板式热交换器25，并且该冷却介质的任务是，均匀地排走由相邻的梯度线圈层3、4、12、17、18、19所产生的热量。替代地也可沿径向方向流过板式热交换器25。

图5示出一种具有一按照图1所示的梯度线圈系统1的磁共振层析X射线摄影机的简图。

Claims (19)

1.一种梯度线圈系统(1)，具有一种包括一梯度线圈层(3、4、12、17、18、19)和一冷却层(8)的层结构(2)，其特征在于，冷却层(8)是一种由板(26、27)组成的、且用于冷却梯度线圈层(3、4、12、17、18、19)的板式热交换器(25)。

2.按照权利要求1所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板式热交换器(25)的板(26、27)是柔性的。

3.按照权利要求1或2所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，每个板(26、27)具有材料空隙(28)，用于形成与板平面平行设置的贯通的通道(38)。

4.按照权利要求3所述的梯度线圈(1)，其特征在于，至少两个板(26、27)设置如此构成的材料空隙(28)，即在所述至少两个板(26、27)重叠时产生垂直于板平面的贯通的通道(32)。

5.按照权利要求1或2所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板(26、27)设置在两个封闭板(35、36)之间。

6.按照权利要求5所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，所述材料空隙(28)在板(26、27)中为Y形，并且在重叠至少两个板(26、27)时补足为一种蜂窝式的通道结构。

7.按照权利要求6所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，Y形的材料空隙(28)的每两个侧腿(29)之间的内角(30)在100°和150°之间。

8.按照权利要求5所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，材料空隙(28)在板(26、27)中为X形，并且在重叠至少两个板(26、27)时补足为一种菱形的通道结构。

9.按照权利要求6至8中任一项所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，X形或者Y形的材料空隙(28)的侧腿(29)都具有相同的长度。

10.按照权利要求6至8中任一项所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板式热交换器(25)的单个的板(26、27)和封闭板(35、36)彼此固定连接。

11.按照权利要求1或2所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板(26、27)由一种塑料制成。

12.按照权利要求6至8中任一项所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，封闭板(35、36)由一种具有小热电阻的材料制成。

13.按照权利要求6至8中任一项所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板(26、27)和封闭板(35、36)分别具有一种在1毫米和10毫米之间的结构高度。

14.按照权利要求1或2所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，层结构的层(2)是同心设置的空心圆筒体。

15.按照权利要求1或2所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，层结构的层(2)盘式重叠地进行布置。

16.按照权利要求1所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，所述梯度线圈系统设置用于磁共振层析X射线摄影机。

17.按照权利要求10所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板式热交换器(25)的单个的板(26、27)和封闭板(35、36)彼此粘合或者焊接。

18.按照权利要求11所述的梯度线圈系统(1)，其特征在于，板(26、27)由一种夹布胶木或者一种热塑性塑料制成。

19.具有按照权利要求1至18中任一项所述的梯度线圈系统(1)的磁共振层析X射线摄影机。

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