CN101303399B - 用于监控梯度线圈内部温度的系统和装置 - Google Patents

用于监控梯度线圈内部温度的系统和装置 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于监控梯度线圈内部温度的系统和装置。还包括相应的方法。在一些实施例中，通过所述系统、方法和装置，磁共振成像系统(MRI)的磁性线圈(304)的热传感器(306)被定位、放置和/或固定在所述磁性线圈(304)的外部。外部放置所述热传感器(304)不需要更换整个磁性线圈(306)，导致可较便宜地更换故障热传感器。

Description

用于监控梯度线圈内部温度的系统和装置
技术领域
[0001]本发明通常涉及热敏感(thermal sensing)，更具体地涉及监控磁共振成像系统的内部温度。
背景技术
[0002]磁共振成像(MRI)系统包括磁性线圈(例如梯度线圈)，其由电提供能量。在病人扫描的过程中，磁性线圈运行产生大量热量，例如，产生梯度磁场的梯度线圈(gradient coil)脉冲导致热耗散以及所述梯度线圈的温度增加。在正常运行条件下，通过提供适当的制冷来移除所述磁性线圈(magnetic coil)产生的热量。例如，可在距离所述热导体特定距离处设置液体填充冷却管来移除所述热量。当液体冷却剂如水或乙烯循环通过所述冷却管时，它从所述梯度线圈吸收热量，并将热量传输至远端热交换器/水冷却器。然后，借助于所述热交换器/冷却器可将热量放射到大气中。这样得以将所述线圈的温度保持在特定的安全水平。
[0003]所述磁性线圈的内部温度的增加超过允许温度限制则说明可能有线圈故障。在故障的情况下(例如如果冷却失败或功率增加)，可能产生过多的热量。因此，所述内部温度会迅速升高，其可加快所述磁性线圈材料老化，并且最终病人过热，其可对病人造成危害。所述热量还可降低所述MRI系统中设备的平均故障间隔时间，并可能损坏所述MRI磁性线圈或甚至引起所述磁性线圈故障。因此，要监控所述磁性线圈的温度。
[0004]在常规MRI系统中，可使用被安装、插入或固定在所述磁性线圈体内部的热(温度)传感器来监控所述磁性线圈的温度。因此，所述热传感器位于所述磁性线圈的内部。然而，当MRI磁性线圈的常规热传感器发生故障时，仅更换所述故障的热传感器可能非常困难。通常，为了更换所述MRI磁性线圈中的故障热传感器，必须更换整个线圈。所以，即使一个热传感器故障也可损害整个磁性线圈。更换MRI磁性线圈的成本会很大，其包括材料和劳动力成本以及当所述MRI系统无法运行时，从其它设备获得MRI服务的MRI设备成本。
[0005]由于上述原因，以及在阅读和理解本发明的基础上，对本领域技术人员而言显而易见的在以下将要说明的其它原因，所以需要一种更加简单且便宜的更换MRI磁性线圈的热传感器的技术。
发明内容
[0006]根据一个实施例，用于监控梯度线圈内部温度的装置包括具有第一端和第二端的热传导设备，所述第一端位于所述梯度线圈内，所述第二端位于所述梯度线圈外以及热耦合到位于所述梯度线圈外部的热传导设备的所述第二端的热传感器。
[0007]根据另一实施例，用于监控梯度线圈内部温度的系统包括至少一个温度监控装置，其包括具有第一端和第二端的热传导设备，所述第一端位于所述梯度线圈内，所述第二端位于梯度线圈外以及热耦合到位于所述梯度线圈外部的热传导设备的所述第二端的热传感器。所述系统还包括耦合到所述热传感器的控制计算机，其被配置以接收来自所述热传感器的信号。
[0008]根据又一实施例，磁共振成像系统包括梯度线圈和多个热监控设备，其中每个热监控设备包括具有第一端和第二端的热传导设备，所述第一端位于所述梯度线圈内，所述第二端位于所述梯度线圈外以及热耦合到位于所述梯度线圈外部的热传导设备的所述第二端的热传感器。所述系统还包括被耦合到所述多个热监控设备的至少一个的控制计算机，其被设置以接收来自至少一个热监控设备的信号。
附图说明
[0009]通过如下详细说明，结合相应的附图，即可充分理解本发明的实施例，其中相同的附图标记表示相同的组件，其中：
[0010]图1是根据一个实施例的用于监控梯度线圈内部温度的装置的示意性方框图；
[0011]图2是根据一个实施例的示例性柱状屏蔽梯度线圈组件通过中心纵轴平面的截面图；
[0012]图3是根据一个实施例，用于监控梯度线圈的内部温度的装置的示意性方框图；
[0013]图4是根据一个实施例，用于监控梯度线圈的内部温度的系统的示意性方框图；
[0014]图5是根据一个实施例，用于监控梯度线圈的内部温度的系统的示意性方框图，其中热传感器被定位在示例性径向位置，该位置与梯度线圈中的热点相关；
[0015]图6是根据一个实施例的热传导设备的横截面框图；
[0016]图7是根据另一实施例的热传导设备的横截面框图；
[0017]图8是根据另一实施例的热传导设备的横截面框图；
[0018]图9是根据一实施例的热管热传导设备的横截面框图；
[0019]图10是根据一实施例的具有示例性特定尺寸的热传导设备的一端的横截面框图；
[0020]图11是根据一实施例，更换MRI系统的热传感器的方法的流程图。
具体实施方式
[0021]在如下详细描述中，参照附图，其构成描述的一部分，在附图中借助于实例示出了可被实施的特定实施例。这些实施例被描述的足够详细，以使得本领域技术人员能够实施该实施例，并且应当理解也可使用其它实施例，并且在不偏离实施例的范围的情况下，可做逻辑、机械、电气和其它改变。因此，如下详细描述不应当被认为是限制。
[0022]用于监控磁共振成像(MRI)系统的梯度线圈的内部温度的热传感器被定位、放置和/或固定在所述梯度线圈的外部。所述热传感器经由具有第一和第二端的热传导设备热耦合到所述梯度线圈。将所述热传导设备的第一端插入例如所述梯度线圈轴向方向的一端。热传感器耦合到梯度线圈外部的热传导设备的第二端。因此，如果所述热传感器故障，那么可更换放置在外部的热传感器而不必更换整个的梯度线圈。相应地，此处描述的所述系统和装置解决了现有技术中对于更加简单、便宜地更换所述MRI梯度线圈的热传感器的需要。放置位于所述梯度线圈外部的热传感器改善了梯度线圈的可靠性和可维护性，与此同时仍能监控所述梯度线圈内部温度。此外，执行所述热传导设备可改善所述梯度线圈的所述热传导设备被安装部分的整体温度均匀性。虽然此处描述的实施例描述的是MRI梯度线圈方面，但是也可在需要进行温度监控和/或难以直接安装热传感器的其它系统中执行所述系统和装置。
[0023]图1是根据一个实施例的用于监控梯度线圈内部温度的装置的示意性方框图。装置100(此处也被称作温度监控装置或热监控设备)包括热传导设备102和热传感器106。将热传导设备(或带(strap)或嵌入物(insert))102热耦合到梯度线圈104。所述热传感器106定位在所述梯度线圈的外部并被热耦合到所述热传导设备102。所述热传感器106可为热或温度感应设备(temperature sensing device)，包括但不局限于热敏电阻器或热电偶。虽然装置100并不局限于任何特定的热传导设备102、梯度线圈104和热传感器106，但是为了清晰起见，只描述简化的热传导设备102、梯度线圈104和热传感器106。在一个实施例中，例如为了冗余的目的，可将不止一个(未示出)热传感器106耦合到同一个热传导设备102上。
[0024]将热传导设备102的局部或部分插入(或嵌入)到梯度线圈104的端部108。梯度线圈104可为例如图2所示的柱状屏蔽梯度线圈组件(cylindrical shielded gradient coil assembly)。虽然以下描述了屏蔽柱状梯度线圈，但是应当理解用于监控梯度线圈内部温度的所述系统和装置还可与其它梯度线圈拓扑(topology)一起使用。
[0025]图2是根据实施例的示例性屏蔽梯度线圈组件通过中心纵轴(longitudinal axis)平面的截面图。梯度线圈组件204为环形柱状并被用于例如磁共振成像(MRI)系统的磁组件中。梯度线圈组件204包括相对于公共轴214中心对称设置的柱状内部梯度线圈组件或绕组(winding)210和柱状外部梯度线圈组件或绕组212。为了清楚起见，图2中省略了多个其它元件，如支架、悬挂部件、端环(end ring)、托架(bracket)等。
[0026]内部梯度线圈组件210包括X、Y线圈以及Z梯度线圈，外部梯度线圈组件212包括各自的X、Y外部线圈以及Z梯度线圈。可在线圈中通过电流以产生梯度磁场来激活(activate)所述梯度线圈组件204的线圈。在内部梯度线圈组件210与外部梯度线圈组件212之间的空间容积(volume)216内可填充粘合材料(bonding material)，例如环氧树脂、粘弹树脂(visco-elasticresin)、聚氨酯(polyurethane)等。可替代地，具有例如玻璃珠、硅石(silica)和氧化铝(alumina)填充材料的环氧树脂也可用作所述粘合材料。
[0027]如上所述，热传导设备102(图1所示)可被插入到梯度线圈204的端部并被用来将热传感器106(图1所示)热耦合至所述梯度线圈204。对于图2所示的梯度线圈而言，热传导设备202可被插入到所述外部梯度线圈组件212的端部220，热传感器206耦合至所述热传导设备202。可替代地(或此外)，热传导设备202可被插入所述内部梯度线圈组件210的端部218，热传感器206耦合到所述热传导设备202。将一个或多个热传导设备放置在内部梯度线圈组件210中，能够监控距离病人较近的梯度线圈的温度。
[0028]热传导设备202将所述热传感器206热耦合至所述梯度线圈204，从而所述热传感器206可测量和/或监控所述梯度线圈204的内部温度。
[0029]图3是根据一实施例，用于监控梯度线圈内部温度的装置的示意性方框图。装置300包括热传导设备302，其具有第一端322和第二端324。所述热传导设备302的第一端322以第一距离326被插进梯度线圈304的端部308。优选地，所述热传导设备302的第一端322沿着轴向被插入梯度线圈304。在一实施例中，热传导设备302被插进所述梯度线圈304的服务端(service end)。热传导设备302可覆盖有纤维玻璃带(fiberglass tape)以在组装期间将其正确定位，并用环氧(epoxy)被嵌入在所述梯度线圈304中。所述热传导设备302的第二端324以第二距离328延伸超出所述梯度线圈304的端部308。热传感器306耦合到热传导设备302的第二端324，并且其位于梯度线圈304的外部。优选地，所述梯度线圈304的表面与所述热传感器306之间没有直接物理接触。在一些实施例中，第二端324超出梯度线圈304的端部308表面的第二距离328在10mm-15mm范围内。热传导设备302插入(或嵌入)梯度线圈304的端部的深度(例如第一距离326)可基于所述梯度线圈特有的热条件来确定。在一些实施例中，热传导设备302的第一端322插进所述梯度线圈304第二距离326的长度约为317mm。
[0030]热传感器306被配置用于测量和/或监控所述梯度线圈304的内部温度。在一个实施例中，热传感器306可被耦合至控制计算机330。热传感器306可向控制计算机330提供指示所述梯度线圈304的内部温度的信号。控制计算机330可被配置用于监控由热传感器306提供的所述梯度线圈304的内部温度，并响应于所述梯度线圈304的内部温度产生动作。如果所述内部温度超出预定温度限制，所述动作包括但不局限于触发系统报警或紧急关闭。控制计算机330例如可为计算机形式的通用计算设备，其包括处理单元、系统存储器和系统总线，该系统总线将包括系统存储器的多个系统部件耦合至所述处理单元。所述系统存储器可包括只读存储器(ROM)或随机存取存储器(RAM)。所述计算机还可包括用于从磁性硬盘读取或写入的磁性硬盘驱动器、用于从可移动磁盘读取或写入的磁盘驱动器以及用于从例如CD ROM或其它光学介质的可移动光盘读取或写入的光盘驱动器。所述驱动器和它们关联的机器可读介质为所述计算机提供机器可执行指令、数据结构、程序模块以及其它数据的非易失存储。
[0031]多个热传感器306可经由相应的热传导设备302被热耦合到梯度线圈304。图4是根据一个实施例，用于监控梯度线圈内部温度的系统的示意性方框图。图4示出了柱状梯度线圈404的端部并图示了围绕所述梯度线圈404圆柱(cylinder)端部的圆周放置的多个热传感器440、442、444以及446。如以上参照图2所描述的，梯度线圈404可包括内部线圈组件(未示出)和外部线圈组件(未示出)。
[0032]图4示出了四个热传感器440、442、444以及446。所述热传感器440、442、444以及446中的每一个都位于所述梯度线圈404的外部，并被耦合到相应的热传导设备(未示出)如热传导设备302(图3所示)。如上所述，每个热传导设备被插入所述梯度线圈404并作用以将所述相应的热传感器热耦合到梯度线圈404。虽然图4示出了四个热传感器，但是应当理解也可使用更少或更多的热传感器。所述梯度线圈404和所述热传感器440、442、444以及446的尺寸是不受限的。图4示出的尺寸仅为了用户容易理解而设置。所述热传感器440、442、444以及446可被耦合至控制计算机，如以上参照附图3所描述的控制计算机330。
[0033]可基于所述梯度线圈404所特有的热状况来确定所述热传感器440、442、444和446以及每个相应的热传导设备的位置(例如，角分布(angular distribution))。例如，所述热传感器440、442、444和446可被定位在径向位置，其与所述梯度线圈404中的“热点”(hotspot)相关。
[0034]图5是用于监控梯度线圈内部温度的系统的示意性方框图，根据一个实施例，示出了多个热传感器的示例性布置。在图5中，示例性的“热点”位置位于径向位置0°、54°、270°和315°。每个热传感器540、542、544和546以及相应的热传导设备(未示出)被定位在所述热点中的一个上。第一热传感器540和热传导设备被定位在0度位置550的所述梯度线圈504的顶部。第二热传感器542和热传导设备被定位在离梯度线圈504顶部约54度552。第三热传感器546和热传导设备被定位在离梯度线圈504顶部约270度554。第四热传感器544和热传导设备被定位在离梯度线圈504顶部约315度556。图5所示的所述热传感器的径向位置是热传感器布置的一个实例。所述热传感器(和热传导设备)也可被布置在其它位置，例如以上所描述的，定位在基于所述梯度线圈504所特有的热状况所确定的位置。
[0035]返回到图3，如所提到的，热传导设备302将热传感器306热耦合至所述梯度线圈304。热传导设备302用能够热传递/传导(heattransfer/conductivity)的材料制造，这样所述梯度线圈304第一端322附近的内部温度的局部变化导致第二端324上温度的变化，其可由热传感器306检测。所述热传导设备302的热反应时间取决于所述材料的热扩散率(thermal diffusivity)和热传递路径的长度。优选地，用于热传导设备302的材料具有高的热传导率和高的热扩散率，并可包括，但不局限于铜，铜石墨复合材料(copper graphite composite)以及高等热解石墨(advanced pyrolitic graphite)。可替代地，热传导设备302可为热管。
[0036]图6是根据一实施例的热传导设备的横截面框图。热传导设备600包括铜材料602，其具有约117×10-6m2/s的热扩散率。图7是根据另一实施例的热传导设备的横截面框图。热传导设备700包括高等热解石墨材料702。高等热解石墨为各向异性材料，具有1700W/mK左右的平面热传导率(in-plane thermal conductivity)和约2300kg/cu.m的密度。所述高等热解石墨的热扩散率约为1040×10-6m2/s。由于所述高的热扩散率，所述高等热解石墨可在轴向上快速热传递。在一些实施例中，所述高等热解石墨材料702包括各向异性高等热解石墨，如K科技公司(K Technology Corporation，2000 Cabot Boulevard West，Langhorne，PA)制造的高等热解石墨。所述高等热解石墨材料702可被封入(encase)在封装(encapsulate)704中以简化操作。
[0037]图8是根据另一实施例的热传导设备的横截面框图。所述热传导设备800包括铜-石墨复合材料802。优选地，所述铜-石墨复合材料802在轴向上具有增大的热传导率。所述铜-石墨复合材料802可被封入在封装840中。
[0038]图9是根据一实施例的基于热管的热传导设备的横截面框图。所述热传导设备或热管900包括热管外壳(casing)902。在一实施例中，所述热管900包括冷却设备(未示出)，其被热耦合到该热管900。
[0039]图10是根据一实施例的具有示例性特定尺寸的热传导设备的一个端部的横截面框图。装置1000包括热传导材料1002，其大约0.46毫米(mm)厚并且其中所述封装1004约0.020mm厚，在该情况下，所述热传导设备1000约0.50mm厚。
[0040]所述装置和设备，如热传导设备、梯度线圈和热传感器的尺寸的比例不受限制。附图中示出的尺寸的比例仅仅是为了便于读者理解而提供。
[0041]图11是根据一实施例，更换MRI系统的热传感器的方法的流程图。在块1102中，将热传感器与热传导设备解耦(decouple)，并与电线解耦。所述热传感器和所述热传导设备可为以上参照附图1-10所描述的所述热传感器和所述热传导设备中的任一个。所述电线可操作地将所述热传感器耦合到计算设备，其提供对所述热传感器的自动监控和报警。
[0042]在块1104中，新的热传感器被耦合到所述热传导设备上并被耦合到所述电线上。由于所述热传感器位于所述梯度线圈的外部，所以所述热传感器的耦合和解耦都以很快、很方便。更换所述热传感器并不需要更换所述梯度线圈。
[0043]尽管此处图示并描述了特定的实施例，但是应当理解的是对于本领域普通技术人员而言可达到相同目的的任何配置均可替换示出的所述特定实施例。该申请旨在覆盖所有的变通或改变。例如，尽管描述了关于磁共振成像(MRI)系统，但是本领域普通技术人员能够理解在其它需要监控温度的设备中也能够实施。
[0044]特别地，本领域技术人员应该理解所述方法和装置的名称并不能够限制实施例。此外，可将额外的方法和装置添加到所述元件中，所述元件之间的功能也可被重新配置，以及在不偏离所述实施例的范围的前提下，可引入与进一步加强实施例中使用的实际设备相应的新元件。本领域技术人员很容易理解实施例可应用于未来的MRI系统、不同的梯度线圈以及新的热传感器。
[0045]本申请中使用的技术名词意在涵盖所有的环境以及能够提供与此处描述的功能相同的替代技术。

Claims (10)

1.用于监控梯度线圈(304)的内部温度的装置(300)，该装置包括：
热传导设备(302)，其具有第一端(322)和第二端(324)，所述第一端(322)定位在所述梯度线圈(304)的内部，所述第二端(324)定位在所述梯度线圈(304)的外部；以及
热传感器(306)，其在所述梯度线圈(304)外部热耦合至所述热传导设备(302)的第二端(324)。
2.根据权利要求1的装置，其中所述热传导设备(302)的第一端(322)沿轴向定位在所述梯度线圈(304)的端部内。
3.根据权利要求1的装置，其中所述热传导设备(302)包括铜材料(802)。
4.根据权利要求1的装置，其中所述热传导设备(302)包括高等热解石墨(702)。
5.根据权利要求1的装置，其中所述热传导设备(302)包括铜-石墨(702)复合材料。
6.根据权利要求1的装置，其中所述热传导设备(302)包括热管(902)。
7.根据权利要求1的装置，进一步包括在所述梯度线圈(304)外部热耦合至所述热传导设备(302)的第二端(324)的第二热传感器(306)。
8.用于监控梯度线圈(304)的内部温度的系统，该系统包括：
至少一个温度监控装置，其包括：
热传导设备(302)，其具有第一端(322)和第二端(324)，所述第一端(322)定位在所述梯度线圈(304)的内部，所述第二端(324)定位在所述梯度线圈(304)的外部；以及
热传感器(306)，其在所述梯度线圈(304)外部热耦合至所述热传导设备(302)的第二端(324)；以及
控制计算机(330)，其耦合至所述热传感器(306)并被配置用于接收来自所述热传感器(306)的信号。
9.根据权利要求8的系统，其中所述热传导设备(302)的第一端(322)沿轴向定位在所述梯度线圈(304)的端部内。
10.根据权利要求8的系统，其中所述控制计算机被进一步配置来确定所述梯度线圈(304)的内部温度是否超出预定温度。
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