CN101221228A - 用于主动控制超导磁体的失超保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于主动控制超导磁体的失超保护的方法和装置。一种用于主动控制超导磁体(152)的失超保护(12)的方法和装置，包括磁共振成像(MRI)系统(108)和具有存储于其上的包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质(126)，当计算机(120)执行所述指令时，所述指令使该计算机检测(68，94)超导磁体(152)的失超状态。所述指令还使该计算机响应于所检测到的失超状态主动控制(72，74，98，100)超导磁体(152)的失超保护系统(12)。

Description

用于主动控制超导磁体的失超保护的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及超导磁体系统，尤其涉及超导磁体系统的失超保护系统。

背景技术

在一个实例中，MR系统包括由超导磁体、磁体线圈支撑结构以及氦容器构成的冷却块。容纳在氦容器中的液氦向超导磁体提供冷却并将超导磁体维持在用于超导运行的低温下，这些将能被本领域技术人员所理解。液氦将超导磁体维持在接近和/或大致4.2开尔文(K)的液氦温度下。为了热绝缘，在一个实例中容纳液氦的氦容器包括真空容器内的压力容器。

MR超导磁体典型地包括几个线圈，一套在成像区域上产生均匀B0场的主线圈，和一套限制磁体边缘场的补偿线圈。这些线圈是用诸如NbTi或Nb3Sn导体这样的超导体缠绕而成的。磁体被冷却至液氦温度(4.2K)以使这些导体在其超导状态下工作。或者在“开放系统”中通过液氦的气化、或者在“封闭系统”中通过4K低温冷却器来消除诸如由来自环境的辐射和传导产生的磁体热负载。由于液氦的更换是昂贵的和低温冷却器的冷却功率是有限的，因此这种磁体通常被放置在低温恒温室中以使其热负载最小化。

超导磁体操作中的一个关注点是超导操作的不连续或失超，这会产生可能对超导磁体造成损害的电压或引起超导磁体中的过热。当诸如来自磁体线圈摩擦运动的能量扰动加热一段超导导线将其温度升高至高于超导操作的临界温度时会发生失超现象。被加热的那段(正常区域)导线变成带有一定电阻的正常状态。由此形成的I²R的焦耳热进一步升高了正常区域的温度和增加了正常区域的大小。于是发生称作失超的不可逆作用，其中超导磁体中的电磁能快速衰减或通过增强的焦耳加热转变为热能。为了给MRI操作提供成像区域中所需要的磁场均匀性，磁体线圈被划分成围绕超导磁体轴线且沿该轴线空间隔开以使它们之间没有热连接的多个子线圈。这样，在超导线圈之一出现失超的情况下，整个电磁能会衰减在这段失超线圈中从而引起热点并可能会对线圈造成损坏，除非合适的失超系统提供了可通过使其他线圈失超来完成的保护。

传统的超导磁体系统2使用如在图1中示意性示出的被动式失超保护系统4。超导磁体系统2包括多个串联电连接的超导磁体线圈6。超导开关8与多个超导磁体线圈6并联电连接。如图所示，被动式失超保护系统4包括对多对超导磁体线圈6进行分流的多个电阻分路10。然而各个电阻分路10可与少于或多于如图所示的那对超导磁体线圈6的线圈连接。在超导磁体线圈6失超时，与之连接的电阻分路10将允许超导磁体线圈6上的电流衰减比其他超导磁体线圈6更快。在处于失超状态中的超导磁体线圈6上形成的电压将加热嵌在其他线圈6中的加热器9以使正常区域扩散，经由大量超导线圈6将磁能转换为热能，并因此对超导磁体系统2进行保护。

然而，由多个电阻分路10部分形成的内部阻抗回路会与外部场或外部场变化(诸如MRI系统中的梯度线圈操作或移动金属扰动)发生磁耦合。在与外部场发生磁耦合时，电流会被感应在内部阻抗回路和阻抗分路10中。这些电流会形成由多个超导磁体线圈6产生的不均匀磁场。另外，电流根据内部阻抗回路的电阻随时间衰减。在MRI系统中，成像区域中的不均匀磁场和随时间衰减的电流会对MRI系统的成像质量造成不利的影响。此外，在失超期间超导磁体线圈6的电流很不相同，其会导致超导磁体的边缘场明显增长，从而导致边缘场产生模糊不清的假象。

因此需要有一个不使用内部阻抗回路的、能够在失超期间保护超导磁体的系统。

发明内容

本发明提供一种克服上述缺陷的超导磁体失超保护系统。

根据本发明的方面，一种MRI装置，包括磁共振成像(MRI)系统，其具有放置在超导磁体的镗孔周围以施加极化磁场的多个梯度线圈以及由脉冲模块控制以将RF信号传送至RF线圈组件来获取MR图像的RF收发器系统和RF开关。超导磁体包括多个超导磁体线圈。MRI装置还包括具有存储于其上的包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机执行所述指令时，所述指令使该计算机检测超导磁体的失超状态。所述指令还使计算机响应于所检测到的失超状态主动控制超导磁体的失超保护系统。

根据本发明的另一个方面，一种主动使超导磁体失超的方法，包括检测超导磁体的第一部分的失超电压和给热连接到超导磁体的第二部分的失超保护系统通电。该方法还包括通过给失超保护系统通电将超导磁体的第二部分加热到高于超导磁体的超导温度的温度。

根据本发明的另一个方面，超导磁体系统包括超导磁体和与超导磁体热接触的至少一个加热器。该系统还包括加热器电源和电桥，该电桥的输入被配置成使电桥形成和断开该至少一个加热器和加热器电源之间的电连接。控制器被耦合到超导磁体和被耦合到该输入。

通过以下详细说明和附图，本发明的多种其他特征和优点将显而易见。

附图说明

这些附图说明了目前构思的用于实施本发明的一个优选实施例。

在图中：

图1是公知的被动式失超保护系统的结构示意图；

图2是根据本发明的实施例的主动失超保护电路的结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的在超导磁体斜变(ramping)期间使用的失超保护方法；

图4是根据本发明的实施例的在超导磁体的超导操作期间使用的失超保护方法；

图5是结合本发明的MR成像系统的结构示意图。

具体实施方式

参见图2，根据本发明的实施例，主动失超保护电路12被示意性地示出与超导磁体14耦合。超导磁体14包括串联电连接的多个超导磁体线圈18。超导开关20与超导磁体14并联电连接。

根据本发明的实施例，多个电压分接头22在节点16上与超导磁体14电连接。在优选实施例中，每个节点16被如此分接使得跨越相邻电压分接头22的电压代表了跨越一个线圈18的电压。然而，能想到可以只对部分节点16进行分接，例如对间隔的节点16进行分接，从而使得跨越相邻电压分接头22的电压代表了跨越多个线圈18的电压。

多个电桥24使控制器26与多个电压分接头22电连接或断开。可以想到，多个电桥24可以是机电开关(即接触器、继电器等)、固态开关(即晶体管、硅控整流器、金属氧化物半导体器件等)、或两者的组合。每个电桥24具有用于控制其操作的输入28。通过这种方式，可以控制每个电桥24以形成或断开控制器26和与之连接的相应电压分接头22之间的电连接。在优选实施例中，控制器26具有多个输入30，每一个输入电连接到电桥24。然而可以想到，电总线可将控制器26连接到电桥24。优选地，在输入30之间存在大阻抗以使由控制器26在超导线圈中感应出的电流小到可以忽略。

加热系统36包括热连接到多个超导磁体线圈18上的多个加热器38。DC电源40提供电力以给加热器38通电。具有输入44的电桥42与DC电源40和电桥42串联电连接。控制器26连接到输入44以电子控制加热系统36。另外，手动开关46可并联耦合到电桥42以手动控制加热系统36。在另一个实施例中，失超启动输入56(以双点划线示出)可耦合到控制器26以控制加热系统36，从而由用户或另一个系统触发的启动信号可被输入控制器26以使控制器26启动加热系统36。

电桥24的用于控制输入28的控制系统48包括与电桥52耦合的DC电源50，该电桥具有与控制器26耦合的输入54。电桥52还与电桥输入28耦合。

控制器26包括电压比较器32和电压积分器34。可以想到，电压比较器32和电压积分器34可执行模拟或数字运算。如在下文中参考图3和4所描述的，控制器26将电压比较器32和电压积分器34用于确定超导磁体14的失超状态。在合适的情况下，对图2所示部件的参考将通过图2中的参考数字来标示。

图3示出了根据本发明的实施例的在超导磁体14向超导操作斜变期间使用的失超保护方法58。方法58首先对失超保护电路12进行初始化60。初始化包括在需要的情况下让电桥24将该多个电压分接头22与控制器26耦合在一起，和在需要的情况下让电桥42去掉对加热系统36的激励。然后磁体斜变62开始使超导磁体14朝着超导操作斜变。

在磁体斜变期间，线圈18中的感应电压被获取64。在优选实施例中，获取每个线圈18中的感应电压；然而，可以想到，可以获取跨越多个线圈18的感应电压。在每个感应电压被获取64之后，通过电压比较器32将感应电压与阈值进行比较66。在一个实施例中，超导磁体14的结构导致磁体斜变期间的典型线圈感应电压为1V或更少。在其他实施例中，典型线圈感应电压可以高于或小于1V。在超导磁体14不处于失超状态的情况下，至少为给定结构的典型线圈感应电压的10倍的阈值可允许感应线圈电压低于阈值的波动。在超导磁体14处于失超状态的情况下，感应线圈电压会快速上升超过该阈值。

在完成比较66之后，方法58判断68任一线圈18中的感应线圈电压是否高于阈值。如果线圈18的感应线圈电压高于阈值，那么就检测到失超现象。如果线圈18的感应线圈电压高于阈值70，加热系统36被启动72。因此，控制器26控制电桥42将DC电源40与该多个加热器38耦合。包括在失超中受到影响的线圈18在内的所有线圈18都通过与之热连接的该多个加热器38被加热至高于超导磁体的超导温度的温度。在磁体失超期间，线圈18中的电压会上升到非常高的水平。因此，除了启动加热系统外，还使电压分接头22与控制器26解耦74。由此，控制器26控制电桥52以让电桥24使该多个电压分接头22与控制器26解耦。然后方法58结束76。

如果线圈18的感应线圈电压不高于阈值80，那么没有检测到失超，方法58判断82磁体斜变是否完成，且如果未完成84，方法58将返回方框64且方法58如上所述那样继续进行。如果磁体斜变完成86，那么方法58结束76。

图4示出了根据本发明的实施例的在超导磁体14的超导操作期间使用的失超保护方法86。方法86首先对失超保护电路12进行初始化88。初始化包括在必要的情况下让电桥24将该多个电压分接头22与控制器26耦合在一起，和在必要的情况下让电桥42去掉对加热系统36的激励。

在正常的超导操作期间，在超导磁体14中感应的电压被获取90。在优选实施例中，每个线圈18中感应的电压被获取90；然而，可以预想到，可以获取跨越多个线圈18的感应电压。在感应电压被获取90之后，优选地通过电压积分器34对感应电压进行积分91。正常超导操作期间感应在磁体线圈18上的电压可包括，例如由移动金属引起的0.1Hz范围内的信号波形，由振动引起的在几十Hz范围内的信号波形，或由诸如MRI系统梯度脉冲这样的梯度脉冲引起的几百Hz范围内的信号波形。典型地，这种感应的电压低，即对于移动金属和振动来说，或持续时间短，即对于梯度脉冲来说。因此，使用公式

∑Vdt(公式1)

得到的这种感应的电压的积分值将通常为0.01Vs或更小。相反地，由于正常区域阻抗快速上升，失超电压为快速上升的电压。使用公式1所得到的失超电压的积分值将通常大于0.1Vs。

方法86通过电压比较器32将积分电压与阈值进行比较92。如果线圈18的积分线圈电压大于阈值，失超将被检测到。优选地，将阈值设为0.1Vs或0.2Vs。在完成比较92之后，方法86判断94任一线圈18中的积分电压是否高于阈值。如果任一积分电压高于阈值96，那么就激活98加热系统36。因此控制器26控制电桥42将DC电源40与该多个加热器38耦合在一起。包括在失超中受到影响的线圈18在内的所有线圈18都通过与之热连接的该多个加热器38被加热至高于超导磁体的超导温度的温度。在磁体失超期间，线圈18中的电压会上升到非常高的水平。因此，除了启动加热系统外，还使电压分接头22与控制器26解耦100。由此控制器26控制电桥52以让电桥24使该多个电压分接头22与控制器26解耦。然后方法86结束102。

如果没有积分电压高于阈值104，那么没有检测到失超，方法86将电压积分器34重置106为0以减少直流漂移。如果电压积分器34为数字积分器，可使用移动平均技术。在移动平均技术中，在一个或多个线圈18的两端获取新的电压数据，且对在最近例如5秒以内获取的数据求平均同时将剩下的数据丢弃。如果电压积分器34为模拟积分器，可通过闭合其两端的开关将通向电压积分器34的输入短接在一起。在积分器重置106之后，方法86返回方框90且如上所述那样继续进行。

现在参见图5，可想到，失超保护电路12可特别地但不限于适用于主动保护MR成像系统108的超导线圈。众所周知，从包括键盘或其他输入设备111、控制面板112和显示屏114的操作者控制台110对MR成像系统108的操作进行控制。控制台110通过线路116与独立的计算机系统118通信，该计算机系统使得操作者能够控制显示屏114上的图像的产生和显示。计算机系统118包括彼此之间通过底板120a相互通信的多个模块。它们包括图像处理器模块120、CPU模块122和在本领域公知为用于存储图像数据阵列的帧缓冲器的存储器模块124。计算机系统118与用于存储图像数据和程序的盘存储装置126和可移动存储装置128链接，且通过高速串行线路132与独立的系统控制130通信。输入设备111可包括鼠标、游戏杆、键盘、跟踪球、触动屏、光棒、声控、或任何类似的或等同的输入设备，且可被用于交互式图形命令。

系统控制器130包括通过底板132a连接在一起的一组模块。它们包括CPU模块134和通过串行线路138与操作者控制台110连接的脉冲发生器模块136。通过线路138，系统控制器130接收来自操作者的命令以指示将要实施的扫描次序。脉冲发生器模块136操作系统元件以执行所要求的扫描次序，并产生指示所产生的RF脉冲的时序、强度和形状以及数据获取窗口的时序和长度的数据。脉冲发生器模块136与一组梯度放大器140连接，以指示在扫描期间产生的梯度脉冲的时序和形状。脉冲发生器模块136也可接收来自生理信号获取控制器142的患者数据，其中该控制器接收来自连接在患者上的大量不同传感器的信号，诸如来自附着于患者的电极的ECG信号。最后，脉冲发生器模块136连接接收来自多种传感器的与患者和磁体系统状态相关联的信号的扫描室接口电路144。患者定位系统146也通过扫描室接口电路144来接收命令以将患者移动到指定的扫描位置。

由脉冲发生器模块136产生的梯度波形被应用于具有Gx、Gy和Gz放大器的梯度放大器中。每个梯度放大器激发通常标记为148的梯度线圈组件中的对应物理梯度线圈以产生用于空间编码获取信号的磁场梯度。梯度线圈组件148形成为包括极化磁体152和整体RF线圈154的磁体组件150的一部分。根据本发明的实施例的失超保护系统153被耦合到极化磁体152。系统控制器130中的接收器模块156产生被RF放大器158放大的脉冲并通过发送/接收开关160耦合到RF线圈154。由患者体内的激发态核子发射的最终信号可由同一RF线圈154检测，并通过发送/接收开关160耦合到预放大器162。在收发器156的接收器部分对放大的MR信号进行检波、过滤和数字化。由通过来自脉冲发生器模块136的信号对发送/接收开关160进行控制，使之在发送模式下将RF放大器158电连接到线圈154，且在接收模式下将预放大器162连接到线圈154。发送/接收开关160也可将独立的RF线圈(例如表面线圈)用于发送或接收模式。

由RF线圈154收集到的MR信号可通过收发器模块156数字化，并传送至系统控制器130中的存储模块164。当在存储模块164中已经获取了一组原始K空间数据时，扫描完成。该原始的K空间数据被重新排列成用于要重构的每个图像的独立K空间数据阵列，且它们当中的每一个被输入阵列处理器166，处理器运转将数据傅立叶变换成图像数据阵列。图像数据通过串行线路132被传送到计算机系统118，在此处其被存储在存储器中，诸如盘存储装置126。响应于从操作者控制台110接收到的命令，该图像数据可被长时间地存档，诸如在可移动存储装置128上，或可以被图像处理器120进一步处理且传送到操作者控制台110，并在显示器114上显示。

本发明有利地提供了一种用于失超保护的方法和装置以去除超导线圈的线圈内部的阻抗回路。通过这种方式，超导线圈作为整体电路与外部磁场相互作用。由于该回路是超导的，因此作用为纯电感性的，且没有由阻抗引起的电流衰减。而且由感应电流引起的场作用于成像区域中的整个B₀场。在失超期间，线圈的电流会引起下降，因此减少或消除了边缘场激增。

因此，根据本发明的实施例，一种MRI装置，包括磁共振成像(MRI)系统，其具有放置在超导磁体镗孔周围以施加极化磁场的多个梯度线圈以及由脉冲模块控制以将RF信号传送到RF线圈组件来获取MR图像的RF收发器系统和RF开关。超导磁体包括多个超导磁体线圈。MRI装置还包括具有存储于其上的包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机执行所述指令时，所述指令使该计算机检测超导磁体的失超状态。所述指令也使计算机响应于所检测到的失超装置主动控制超导磁体的失超保护系统。

根据本发明的另一个实施例，一种主动使超导磁体失超的方法，包括检测超导磁体的第一部分的失超电压和给热连接到超导磁体的第二部分的失超保护系统通电。该方法还包括通过给失超保护系统通电将超导磁体的第二部分加热至高于超导磁体的超导温度的温度。

根据本发明的另一个实施例，超导磁体系统包括超导磁体和与超导磁体热连接的至少一个加热器。该系统还包括加热器电源和电桥，该电桥的输入被配置成使电桥形成和断开该至少一个加热器与加热器电源之间的电连接。控制器被耦合到超导磁体和被耦合到该输入。

本发明已经根据优选实施例进行了描述，应该意识到除了专门叙述的那些以外的等同物、选择和修改都是可以的且在所附权利要求的范围内。

部件列表：

2    超导磁体系统

4    被动式失超保护系统

6    多个超导磁体线圈

8    超导开关

9    加热器

10   多个电阻分路

12   失超保护电路

14   超导磁体

16   节点

18   多个超导磁体线圈

20   超导开关

22   多个电压分接头

24   多个电桥

26   控制器

28   输入

30   输入

32   电压比较器

34   电压积分器

36   加热系统

38   多个加热器

40   DC电源

42   电桥

44   输入

46   手动开关

48   控制系统

50   DC电源

52   电桥

54   输入

56   失超启动输入

58   失超保护方法

60   初始化失超保护系统

62   开始磁体斜变

64   获取线圈感应电压

66   将所获取的线圈感应电压与阈值进行比较

68   电压大于阈值？

70   是

72   启动加热系统

74   断开电压分接头

76   方法结束

78   否

80   磁体斜变完毕？

82   否

84   是

86   失超保护方法

88   初始化失超保护系统

90   获取感应线圈电压

91   对所获取的感应线圈电压进行积分

92   将积分电压与阈值进行比较

94   电压大于阈值？

96   是

98   启动加热系统

100  断开电压分接头

102  方法结束

104  否

106  将积分器重置为0

108  优选的MR系统

110  操作者控制台

112  键盘或其它输入设备

114  控制平台

116  显示屏

118  线路

120  独立的计算机系统

120a 底板

122  图像处理器模块

124  CPU模块

126  存储器模块

128  盘存储器

130  带驱动

132  独立的系统控制器

132a 底板

134  高速串行线路

136  CPU模块

138  脉冲发生器模块

140  串行线路

142  一组梯度放大器

144  生理信号获取控制器

146  扫描室接口电路

148  目标定位系统

150  梯度线圈组件

152  磁体组件

154  极化磁体

156  整体RF线圈

158  收发器模块

160  RF放大器

162  发送/接收开关

164  预放大器

166  存储器模块

168  阵列处理器

Claims (10)

1.一种MRI装置，包括：

磁共振成像(MRI)系统(108)，其具有放置在超导磁体(152)的镗孔周围以施加极化磁场的多个梯度线圈(150)以及由脉冲模块(138)控制以将RF信号传送至RF线圈组件来获取MR图像的RF收发器系统(158)和RF开关(162)，其中超导磁体(152)包括多个超导磁体线圈(154)；以及

具有存储于其上的包括指令的计算机程序的计算机可读存储介质(126)，当计算机(120)执行所述指令时，所述指令使该计算机：

检测(68，94)超导磁体(152)的失超状态；以及

响应于所检测到的失超状态主动控制(72，74，98，100)超导磁体(152)的失超保护系统(12)。

2.如权利要求1所述的MRI装置，其中失超保护系统(12)包括加热系统(36)，该加热系统包括：

与超导磁体(152)相邻设置的加热器(38)；

配置成向加热器(38)供电的电源(40)；以及

与加热器(38)和电源(40)连接的第一开关(42，46)，该第一开关(42，46)被配置成形成和断开加热器(38)与电源(40)之间的电连接。

3.如权利要求2所述的MRI装置，其中所述第一开关(42，46)为固态开关和机电开关中的一种。

4.如权利要求2所述的MRI装置，其中所述第一开关(42，46)为手动操作的开关(46)。

5.如权利要求2所述的MRI装置，其中使计算机(120)检测(68，94)失超状态的指令包括使计算机将磁体斜变期间的所述多个超导磁体线圈(154)的任一个中的感应电压与阈值进行比较(66)的指令。

6.如权利要求5所述的MRI装置，其中使计算机(120)主动控制(72，74，98，100)失超保护系统的指令包括如果所述感应电压的幅度至少大于阈值幅度则使计算机启动(72，98)第一开关(42，46)以形成加热器(38)与电源(40)之间的电连接的指令。

7.如权利要求2所述的MRI装置，还包括电压积分器(34)，其被配置成在超导磁体(152)的超导操作期间对该多个超导磁体线圈(154)的任一个中感应的电压进行积分。

8.如权利要求7所述的MRI装置，其中使计算机(120)主动控制失超保护系统(12)的指令包括使计算机(120)进行下述操作的指令：

从电压积分器(34)获取积分电压；

将积分电压与阈值进行比较(92)；以及

如果积分电压的幅度至少大于(96)阈值的幅度，则启动(72，98)第一开关(42，46)以形成加热器(38)与电源(40)之间的电连接。

9.如权利要求2所述的MRI装置，其中失超保护系统(12)还包括：

与超导磁体(152)的超导磁体线圈(154)电连接的电压分接头(22)；

与计算机耦合的电压输入(30)；以及

与电压分接头(22)和电压输入(30)连接的第二开关(24)，该第二开关(24)被配置成形成和断开电压分接头(22)与电压输入(30)之间的电连接。

10.如权利要求9所述的MRI装置，其中使计算机(120)主动控制失超保护系统(12)的指令包括使计算机(120)进行下述操作的指令：

启动(72，98)第一开关以形成加热器(28)和电源(40)之间的电连接；以及

启动(60)将电压分接头(22)连接到电压输入(30)的第二开关(24)以形成电压分接头(22)与电压输入(30)之间的电连接。

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