CN101884533B - 用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪、其构造方法及用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导磁共振成像仪、其构造方法及用途。本发明超导磁共振成像仪包括成像区，至少一个真空绝热罩，一个在成像区产生磁场的主磁体，一个和真空绝热罩相连的低温制冷系统；真空绝热罩内具有一个低真空空间；真空绝热罩内还装有低温导热板、至少一个高真空内罩和至少一个高真空外罩；所述真空绝热罩至少提供一个成像区；所述低真空空间内至少有一个超导射频线圈，并与低温导热板相连；所述低温导热板通过热管和低温制冷系统相连，以实现和维持超导射频线圈的低温条件。所述真空绝热罩的构造适合如下身体部位的成像，乳腺、膝盖、腕、手、脚、颈部和头部。本发明可以改善磁共振成像质量，使得在成像区具有高信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁共振成像仪，本发明还涉及所述超导磁共振成像仪的构造方法和用途。
背景技术
磁共振成像是一种无创医疗成像技术，被广泛应用于医药临床和脑功能研究。由于磁共振成像仪能够对各种组织结构进行成像，特别是对软组织由于水分含量的差异而具有的分辨能力，给医生诊断提供了有益的信息。几乎所有的人体部位都适合成像，如神经系统、肌肉骨骼系统、心血管系统、消化系统、和泌尿生殖系统。这项技术对早期发现和治疗中风，实时观察心血管功能，并诊断肿瘤和癌症是特别有利的。此外，它是一种独特的用于人类和动物骨科损伤的诊断和治疗的工具，它也可以通过波谱分析来进行活体化学分析。
在对病人的检查中，病人躺在病床上，身体的待检部位被置于主要磁铁所提供的测试区。磁场将身体水分子中的氢原子核(质子)进行取向。通常情况下，磁铁内装有一个射频(RF)线圈和三个梯度线圈。射频发射线圈产生的高频脉冲激发信号在人体内产生一个瞬时的横向磁化振荡，射频检测线圈将检测到的无线电信号送至电脑系统进行成像。
磁场梯度的应用，使强大的磁场在检查区域内的不同位置的磁场强度有微小的差别，从而来自不同地点的磁共振信号的频率有所不同，可以通过信号的频率决定该信号来自的位置。
自从1977年发明磁共振成像以来，人们一直在追求更高质量的磁共振成像。同样，为了尽量减少由于病人运动或体内运动体(如血流)造成的影像模糊，改善成像速度也是必要的。从对比度和分辨率的角度看，有几个因素有助于改善磁共振图像质量。一个至关重要的参数，信号的信噪比(SNR)，决定了图像质量。提高前置放大器前信号的信噪比是提高磁共振成像仪成像质量的关键。信噪比的定义是功率比的信号和噪音。
信噪比SNR＝Psignal/Pnoise(公式1)
其中Psignal和Pnoise分别是信号和噪音的功率。
在磁共振成像仪中，射频线圈发射脉冲磁场激发氢原子核(质子)磁自旋。与此同时，线圈接收微弱的自由感应信号。在实现良好的图像质量方面，发射线圈的设计远没有接收线圈的重要。在某些情况下，同一线圈可既作为发射线圈又作为接收线圈。然而理想的发射线圈是和接收线圈有冲突的。因此，在大多数情况下，发射线圈和接收线圈是分开的。
由于信噪比和磁场强度成正比，所以，改善信噪比的一个途径是提高磁体的磁场强度。衡量磁场大小的单位通常是特斯拉(T)，其中1特斯拉等于10000高斯。美国FDA(食品和药物管理局)规定用于医疗成像MRI的磁场不得高于4特斯拉(“FDA Guidelines for Magnetic ResonanceEquipment Safety”，Center for Devices and Radiological Health，FDA，2002)。
另一种改善信噪比的方式是减少噪声。由于用于人体的磁共振磁场强度存在上限，所以减少噪音是一个更明智的选择。
噪声可分为病人的身体所造成的样品噪音和线圈所造成的线圈噪音。
Pnoise＝Psignal-noise+Pcoil-noise(公式2)
其中Psignal-noise和Pcoil-noise分别为样品和线圈的噪声。由公式1和公式2，可以得到
信噪比SNR＝Psignal/(Psignal-noise+Pcoil-noise) (公式3)
在公式3中，信号的大小和线圈到样品之间的距离平方成反比，样品噪声与样品的体积或视场成正比。较大的样品有较高的噪音。另一方面，线圈的噪声是线圈电导的函数，它取决于线圈的材料和温度。(Neil Alford：“Superconducting Receive Coils for a Compact Low Field MRI System”，in：Physical Electronics and Materials，http://eccel.lsbu.ac.uk/research/pem/MRI.html)。
人们在减少样品噪声和线圈噪音方面已经完成了大量的研究工作，以改善磁共振成像的图像质量。然而，目前即使是最先进的磁共振成像仪也存在本质性的缺陷。用于扫描病人整个身体的通用扫描仪有一个庞大的磁体和大的线圈。大磁体提供适合所有部位中覆盖各种组织的大扫描面积。大线圈有很大的视场，但同时产生了较高的样品噪声和线圈噪声。为了缩短线圈和病人身体之间的距离，以增加信号强度，线圈的位置往往贴近病人，扫描仪也紧紧包裹在病人的四周。这往往是病人感到不适的主要因素。在大多数情况下，医生针对研究的器官部分，选择使用不同类型的线圈，如通用表面线圈、膝盖线圈、乳腺线圈、头线圈、脊柱线圈、线圈阵列等。线圈可以设计成特定的形状，从而使之更接近被扫描的器官，提高信号强度。目前所有的射频线圈都是由金属材料如铜制成的。
更好设计与制作的射频线圈在临床磁共振成像方面可实现高信噪比。以前的研究(“HTS Volume Coil with Improved Imaging Volume”，S.Y.Chong，ISMRM，2008)已经证明，使用超导材料，或具体的说，高温超导，如YiBaCuO、BiSrTiCaO等制作的线圈使得图像的信噪比增加了300％-500％。使用超导线圈的缺点是，人们必须使用笨重的低温系统以保证超导线圈的超导状态。到目前为止，所有的高温超导线圈与磁共振成像仪是分离的。在临床应用中，为了扫描不同的部位，要经常安装和拆卸超导线圈子系统，非常麻烦。现行的通用扫描器中的许多设计，如线圈、线圈的低温系统，线圈的外壳和病床已不再适合于新的、高性能磁共振成像仪。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，为此本发明还要提供所述用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪的构造方法和用途。
为解决上述技术问题，本发明用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪包括：成像区，至少一个真空绝热罩，一个主磁体用来在成像区产生磁场，以及一个和真空绝热罩相连接的低温制冷系统；
所述真空绝热罩内具有一个低真空空间，所述低真空空间的压力在10-3至10-6托之间；
所述真空绝热罩内还具有至少有一个超导射频线圈、低温导热板、至少一个高真空内罩和至少一个高真空外罩；
所述高真空内罩和高真空外罩均为双层中空结构，所述双层中空结构的中空夹层内压力在10-6至10-12托之间；
所述真空绝热罩至少提供一个成像区，该成像区在超导射频线圈的成像范围之内；
所述高真空内罩和高真空外罩之间为所述低真空空间，所述低真空空间内至少有一个超导射频线圈，并与低温导热板相连；
所述低温导热板通过热管和一个低温制冷系统相连，以实现和维持超导射频线圈的低温条件。
构造上述用于乳腺诊断的磁共振成像仪的方法包括如下步骤：
提供一个成像区，一个病人支架，至少一个真空绝热罩，一个用于在成像区产生主磁场的主磁体，和一个安装在病人支撑系统中的低温制冷系统；
建造一个中空部分的真空压力介于10-6和10-12托之间的双层中空结构的高真空内罩和高真空外罩；用高真空内罩和高真空外罩围成一个真空压力介于10-3和10-6托之间的低真空空间；
在低真空空间内至少安装一个超导射频线圈并将之与低温导热板相连；
将低温导热板和低温制冷系统通过一个热管相连以保持超导射频线圈所需的低温。
上述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪(特别是其中的真空绝热罩)用于乳腺、膝盖、腕部、手、脚，颈部和头部的成像。
本发明通过构造专门的磁共振成像仪和高质量的超导射频线圈，并与一个低温制冷系统相连，从而改善了成像的质量，使得在成像区具有高信噪比。本发明使用固定线圈可以节省更换线圈的时间，提高临床磁共振成像仪的利用效率。
附图说明
图1为本发明的一个实施例，显示的是乳腺磁共振成像仪；
图2A为图1中真空绝热罩的结构示意图；
图2B为图2A中低温导热板和超导射频线圈的一个替代设计；
图3A为本发明的一个实施例，显示的是膝盖磁共振成像仪；
图3B为图3A中真空绝热罩的结构示意图；
图3C为图3A中真空绝热罩的另一种结构示意图；
图4A为本发明的一个实施例，显示的是手腕磁共振成像仪；
图4B为图4A中真空绝热罩的结构示意图；
图5A至图5F显示超导射频线圈的各种设计。
图中附图标记说明：100为乳腺磁共振成像仪；110为成像区；120为可移动病床；130为支持结构；140为上磁体；142为下磁体；150为真空绝热罩；152为超导射频线圈；154为冷头；160为热管；190为低温制冷系统；192为热交换器；194为制冷机；196为压缩机；214、218为乳腺成像区；212、216为高真空内罩；210、244为高真空外罩的双层中空结构的两层；220为绝热体；222、224为管状导热器；226为平面导热板；232、236为超导射频线圈；238为冷头；242为热管；246为低真空空间；250为基板；252、254、256、258为低温导热板；260为薄膜超导线圈；270、272为成像区；300为膝盖磁共振成像仪；320为可移动病床；340为真空绝热罩；350为低真空空间350；352为高真空内罩；354为高真空外罩；356为低温导热棒；358为超导射频线圈；360为膝盖成像区；370为真空绝热罩；372为低真空空间；374为高真空内罩；376为高真空外罩；380、382为低温导热板；384为热导体；385和386为高温超导薄膜线圈；390为膝盖成像区；400为病人支架；410为真空绝热罩；420为超导射频线圈；425为圆柱形导热板；430为O型圈；440为低真空空间；450为手和手腕成像区；510为超导线圈；515为谐振电容；522为谐振电容；524为左圈；526为右圈；528为磁场方向；530为超导线圈；532为谐振电容；534为匹配电容；536为终端；540、542为超导线圈；544为谐振电容；546为匹配电容；550为线圈阵列；555为鞍型线圈；560为正交线圈；562、564为鞍型线圈。
具体实施方式
通过下面的插图和详细说明，可以很容易更完整的掌握和理解本发明，各图之间沿用统一的参考数字体系。下面插图只是简要介绍，与实物不成比例。
鉴于常规磁共振射频线圈存在的如上所说的问题，设计新型的专用磁共振成像仪很有必要。一个专用磁共振成像仪需要一个成像区。根据公式2，当成像区减少时，噪音水平也将降低。小型表面线圈能够实现更高的信噪比是因为它们收到的噪音只来自一个小的样品区。表面线圈的缺点是较小的成像区和空间的不均匀性的。较大的线圈具有较大的和较均匀的成像区。因此，有利于有两个线圈系统。一个更大的线圈用来作为发射线圈，而超导线圈作为接收线圈。
相控矩阵表面线圈可以克服小视场的问题。相控矩阵表面线圈包括多个非相互作用线圈，它的信噪比和其中一个小线圈的类似而一个视场与大的线圈相似(P.B.Roemer，W.A.Edelstein，C.E.Hayes，S.P.Souza，and O.M.Mueller″The NMR phased array，″Magn.Reson.Med.Vol.16，pp192-225，1990)。用于扫描四肢的相控矩阵表面线圈可以提供比体线圈更优的信噪比，同时更大的成像视场，可用于关节和脊椎成像。
表面线圈的另一个不利之处是有限的组织透视深度。亥姆霍兹线圈对可克服这一缺陷，因为它是从样品两侧表面获取信号的。两个线圈补偿了每个线圈有限透视深度的不足。
除了减小视场内样品的体积外，进一步改进信噪比的方法是把射频线圈尽量接近人体。
为了进一步提高信噪比，选择适当的材料制造线圈并降低线圈的温度以增加线圈电导(减少电阻)。目前铜线圈和超导射频线圈都可用用于磁共振成像中。一些研究致力于通过降低线圈运行温度来降低铜线圈热噪声(H.C.Seton，D.M.Bussell，and J.M.S.Hutchison，″A LiquidHelium-Cooled RF Coil and DC SQUID Amplifier for MRI at 0.01 T，″Proc.Soc.Mag.Reson.，vol.2，p.959，1995)(A.S.Hall，B.Barnard，P.McArthur，D.J.Gilderdale，I.R.Young，and G.M.Bydder，″Investigation of a whole-body receiver coil operating at liquidnitrogen temperatures，″Magn.Reson.Med.，vol.7，p.230，1988)。线圈的噪音功力，也被称为约翰逊噪声，是和温度与电阻的乘积成正比的。降低常规铜射频线圈的温度，可减少热噪声(约翰逊噪声)。这种线圈被称为是低温线圈，因为它是被安装在一个绝热的外壳(绝热罩)内，通过导热热管或其他导热装置和低温系统相连并将热量从线圈上传导到冷头上以保证线圈的低温状态。
线圈通常是用品质因数(Q)这一特征量来衡量的。在当线圈噪声占主导地位时，信噪比与(Q/T)的平方根成正比，其中Q是谐振子或线圈的品质因数，T是线圈温度。在室温条件下(300k)铜线圈的Q值通常高达几百。相较之下，运行在77K的高温超导线圈的Q值可以增加2-3个数量级(J.R.
Miller，K.Zhang，Q.Y.Ma，I.K.Mun，K.J.Jung，J.Katz，D.W.Face，and D.J.Kountz″High sensitivity sodium receiver coilsfor magnetic resonance imaging″IEEE Trans.Biomedical Engineering.Vol 43，p1997-99，1996)。可以理解，在很短的磁共振成像时间是至关重要的情况下，有更高的信噪比的超导线圈，可用来降低成像时间。
因此，进一步降低线圈电阻的方法是使用超导材料的射频线圈。超导材料的电阻比铜的低几个数量级。利用超导作为线圈材料是一种减少线圈噪声，提高信噪比的很有前景的方式。与传统的铜线圈相比，高温超导材料在液氮温度(77K)下具有极其低电阻率。研究表明，由于使用超导射频线圈，磁共振图像质量得到显著改进，信噪比提高了约三倍。因此，人们认为，超导射频线圈在磁共振成像领域潜力巨大。例如，美国专利6943550和美国专利60/537,782披露高温超导(HTS)射频线圈磁共振成像。线圈材料可以是铜、银、YBa2Cu307(钇钡铜氧)薄膜或厚膜等。高温超导材料如YBCO结构，在其临界温度下具有极低的电阻(Tc，89K，钇钡铜氧)。
图1是一个乳腺磁共振成像仪，它至少在一个方面体现了本发明。该乳腺磁共振成像仪100包括一个成像区110，一个可移动病床120，支持结构130，主磁体包含上磁体140和下磁体142，和低温制冷系统190。主磁体在成像区产生磁场强度范围为0.1T到3T的均匀磁场。低磁场方向可以按要求设计，例如垂直于病床，而高磁场的磁场方向通常是水平的。
可移动病床120可以携带病人进出成像区。可移动病床120或其位于主磁场内的一部分122、和支撑结构130或其位于主磁场内的一部分132，是由非金属和非磁性物质，如塑料制成。
真空绝热罩150位于病床120的上表面附近。真空绝热罩150内至少有一个超导射频线圈152，该线圈152与低温冷头154相连。热管160位于真空绝热罩150和低温制冷系统190之间。热管160的一端伸到真空绝热罩150内和低温冷头154相连。热管160的另一端连接到低温制冷系统190，该系统190包括一个热交换器192，一个制冷机194，和压缩机196，至少有部分低温制冷系统190是与病床120联动的。
将超导射频线圈和低温制冷系统设计成与病床一体化有几个方面的优越性。一个优点是，当射频线圈和病床固定在一起时，整个系统可以设计得比较紧凑，从而有利于线圈接近成像区，这将提高信噪比，从而提供更好的图像质量。另外的优点是，由于射频线圈被固定在病床上，减少了活动部件，简化了由于更换线圈或病人所需要的线圈校准步骤，使临床成像过程和环境更加可靠和有效。此外，内嵌的低温制冷系统让冷却更有效。
然而，建造集成化的超导体磁共振成像仪仍存在一些挑战，由于成像区很紧凑，在空间上安排超导射频线圈的低温冷却系统有很大难度。此外，由于成像区是在强磁场中，所有的元部件都必须选用非磁性材料。如图1所示，传统的制冷技术已不再适用。例如：美国专利7015692描述了一种利用循环制冷液冷却超导的磁共振仪。可是这种方法需要补充制冷液不适合用于临床。美国专利7408353描述了另外一种用真空来绝热以保持超导射频线圈低温的办法。真空系统使用真空导管和高真空泵相连。实际上在磁共振仪中安装一个真空泵很困难，另外真空系统的漏气问题也很难解决。高真空系统对材料低放气的要求也增加了材料选择的难度。
本专利解决了上述诸多问题。作为本专利的一特例，图1和图2A给出了一种真空绝热罩。图2a是真空绝热罩150的外观图。真空绝热罩150提供了两个乳腺成像区214和218。在两个乳腺成像区214和218的周围是超导射频线圈232和236，它们分别提供了很高的成像质量。真空绝热罩150包括两个高真空内罩212、216与一个高真空外罩。所述高真空外罩为双层中空结构，两层分别是210和244，高真空内罩212、216也均为双层中空结构。高真空内罩和高真空外罩的中空夹层内压力在10-6和10-12托之间，因此又称为高真空夹层。一种制作具有中空夹层的高真空内罩和高真空外罩的方法是浇铸带有抽气嘴的玻璃双层真空罩，所述高真空夹层的典型厚度是一毫米到一百毫米。先用真空泵将高真空夹层抽到10-6和10-12托之间的真空度，然后再把抽气嘴封上。这里需要高质量的真空系统才能保证高真空夹层几年的使用寿命。制造高真空组件的材料可以是G10玻璃钢、玻璃、石英以及这些材料的组合。众所周知这些非磁性材料在成像区不会对磁场产生任何干扰。
上述磁共振成像仪还可以包括一个梯度线圈，它位于主磁体和成像区之间，用于调节主磁场。
同样在图2A中，高真空内罩和高真空外罩之间形成了一个低真空空间246，低真空空间246是由高真空内罩、高真空外罩和密封材料，如O型圈、垫片、油脂和环氧树脂共同构成。低真空空间在装配或修理维护时和真空泵相连，在真空泵工作一段时间并且真空度达到规定指标后(10-3和10-6托之间)，用O型圈、真空垫圈或环氧树脂将真空抽气口密封，真空抽气口可以位于高真空内罩、高真空外罩或密封材料上。低温导热装置，有几个绝热体220支撑，安装在低真空空间246内。低温导热装置的材料包括陶瓷(如氧化铝)、塑料、晶体(如蓝宝石)、金属、玻璃、石英。在一个实例中，低温导热装置是由安装在一块平面导热板226上的两个圆柱形管状导热器222和224所组成。管状导热器222和224接近但没有接触到高真空内罩212和216。管状导热器222(或224)和高真空内罩212(或216)之间的一个典型的距离约为1至10毫米。管状导热器222、224的典型直径约100-200毫米，高约100-150毫米。
超导射频线圈232和236分别安装在管状导热器222和224表面上。将线圈安装在管状导热器的内表面比外表面更加有利，因为这样线圈更接近成像区。为了有效冷却超导线圈使其低于临界温度而达到超导状态，线圈应和管状导热器有良好的热接触。低温导热装置中的平面导热板226通过冷头238和热管242相连。
冷头238可以用铜块或其他热的良导体制作。虽然金属块对磁场也会产生干扰，但是当金属块足够的小和磁场低于3特斯拉，这种干扰可以忽略。
在这种配置中，超导射频线圈是安装在一个曲面(圆柱面)上，并与这个作为低温导热装置的曲面有良好的热接触。适合本应用的超导线圈形式是一种超导带，例如铋锶铜氧化物(Bi系)。美国专利6943550详细地描述和披露了如何用超导带造高温超导线圈的方法。
在另一种实例中，超导射频线圈是由超导薄膜制成。超导薄膜是由高温超导材料，如钇钡铜氧化合物(钇钡铜氧)、铊钡钙铜氧化合物(TBCCO)、MgB2、或二元化合物MB，其中M是选自下列金属之一：铍、铝、铌、钼、钽、钛、铪、钒、铬。高温超导薄膜线圈的详细制备方法的描述见″Superconducting MR Surface Coils for Human Imaging，″Proc.Mag.Res.Medicine，1，171(1999)以及本专利说明书部分提及的其他参考文献。因为超导薄膜是生长(制备工艺)在一个平面的晶格匹配的晶体表面上，低温导热板必须是平整的。图2B显示，低温导热板有一个基板250作底板，支持两对垂直安装的低温导热板252和254以及256和258。每个低温导热板上装有一个薄膜超导线圈260。导热板252和254上的线圈产生一个成像区270，导热板256和258上的线圈产生一个成像区272。低温导热装置和其上的射频线圈被安装在内外高真空罩之间的低真空空间内。
使用具有高真空夹层的高真空内外罩和低真空空间的组合作为真空绝热罩是有利的，高真空夹层提供的有效的绝热功能而且便于制作，低真空空间给超导射频线圈提供了进一步的绝热保护，并使得低温传热板和射频线圈材料的选择变得更加的容易。
系统显示在图1和图2A、图2B可以随时修改成单乳腺成像系统，其中真空绝热罩包括一个内部和外部高真空罩，并提供一个介于内、外高真空罩之间的低真空空间，成像区就由位于低真空区内的超导线圈所包围。
图1和图2A、图2B所示的磁共振的基本原理和结构可以用于各种类型的磁共振成像仪，包括脚、膝、腕、手、颈和头成像。图3A所示的是一个膝盖磁共振成像仪的范例。该膝盖磁共振成像仪300包括一个主要磁体(未显示)和一个可移动病床320。可移动病床320和可移动病床120相仿，低温制冷系统190和热管160(不显示)也是内嵌在病床320中的。真空绝热罩340是安装在可移动病床320中，并可在主磁场中移进移出。真空绝热罩和低温制冷系统通过热管相连。一个真空泵可连接到真空绝热罩上。
图3B是一种真空绝热罩340。低真空空间350是由高真空内罩352和高真空外罩354围成。低真空空间350在两端用O型圈、真空垫圈、真空油脂或环氧树脂密封而成，并留有真空夹层和电接头以及热管接头。安装在低真空空间350内的圆柱型低温导热棒356和至少一个超导射频线圈358相连。低温导热棒356通过冷头和热管相连。高真空内罩352中间的区域是膝盖成像区360。
另一个例子是超导射频线圈由超导薄膜制成。图3C是另一种真空绝热罩370，高真空内罩374和高真空外罩376之间是低真空空间372，被用于膝盖成像。低真空空间372内至少有两个扁平的低温导热板380和382，被安装在热导体384上，该热导体384通过热管和冷头相连。高温超导薄膜线圈385和386被安装在低温导热板380和382上。低温导热板380和382之间的区域390是膝盖成像区。
在本发明的另外一个例子中，真空绝热罩中至少装有一个超导射频线圈并与低温制冷系统相连，用于手或手腕成像。图4A是一种手或手腕的磁共振成像仪。真空绝热罩410是安装在与低温冷却系统190相连的病人支架400上。该病人支架400可以移进和移出主磁场(不在图中)。在成像过程中病人坐在椅子上并将手置于成像区450内，见图4B。
图4B是真空绝热罩410结构的一个例子。高真空内罩412和高真空外罩414是由端部封闭的密封圆柱壳组成。这种结构可以用吹制玻璃器皿的工艺制成，如图4B所示，玻璃壳上的抽气口413、415在空气被抽取后封上。至少一个超导射频线圈420被安装在圆柱形的低温导热板425上，该低温导热板425被安装在高真空内罩412和高真空外罩414之间的低真空空间440。低温导热板425通过低温冷头和热管相连(不在图中)。低温导热板425和高真空内罩412、高真空外罩414之间有绝热的支架保持一定的距离。低真空空间的开口端由O型圈430密封，并留有真空夹层和电接头以及热管接头。高真空内罩412之间的空间450是手和手腕的成像区。
在大多数医用磁共振应用中，射频线圈的工作频率较低，从几兆赫到一百兆赫。为了得到如此低的谐振频率，射频线圈需要足够大的电感和电容。一个最基本的射频线圈是由超导线圈510与和之串联的谐振电容515构成，如图5A所示。
超导射频线圈和超导射频线圈阵列是一个射频发射器，它激发病人身体的一部分使之发射磁共振信号。另一个超导射频线圈或线圈阵列作为接受线圈接收来自病人的磁共振信号。在一些设计中超导射频线圈和超导射频线圈阵列既是一个射频发射器，它激发病人身体的一部分使之发射磁共振信号，而同一个超导射频线圈或线圈阵列也作为接受线圈接收来自病人的磁共振信号。
射频线圈可以由超导带、厚膜超导体、薄膜超导体、或像铜一样的非超导金属制成，可是在相同的磁场下超导射频线圈具有更优良的信噪比。例如，在3特斯拉的系统中超导射频线圈可以提供传统铜线圈在更高磁场下才能获得的图像质量。在达到同样图像分辨率的前提下超导线圈技术能节约成本，因为这种技术可以选用具有较低的磁场的成像系统。例如，低价的0.3特斯拉超导磁共振线圈可以产生和传统1特斯拉系统可以媲美的图像质量。
一般来说主磁体产生的静磁场方向和真空绝热罩的轴线平行，位于水平方向。射频信号产生的磁场的方向和主磁场方向垂直。图5B、图5C、图5D、图5E和图5F给出了满足这些条件的超导射频线圈的例子。
图5B是一个鞍型线圈，它由超导线圈和与之串联的谐振电容522构成。线圈有左圈524和右圈526构成，这些圈的典型直径是1到20厘米。如果电流方向在左线圈是顺时针方向，在右线圈则是逆时针方向，并产生磁场方向528。另一种鞍型线圈如图5C所示，超导线圈530和谐振电容532串联。另外匹配电容534将超导线圈和终端536相连，从而将线圈中的射频信号传输到磁共振成像仪的前置放大器。图5D给出了两个制备在分离并相邻的基片上的射频线圈540和542。每个线圈有一个谐振电容544和匹配电容546。另一种情形是，线圈阵列中的线圈超过两个。在图5E中，线圈阵列550的每一个鞍型线圈555和相邻的线圈部分重叠。这种方法消除了线圈之间的噪声耦合同时增加了它的成像区。或者，所述超导射频线圈是多通道阵列线圈，每个通道有一个和其他线圈没有耦合的简单线圈。在图5F所示的另一个实例中，鞍型线圈562和564组成一个正交线圈560并由两个相位差为90度的射频信号激发，从而改善信号的信噪比。
超导线圈的制作是将超导体材料沉积在适当的基板上，并把它安装在一个低温导热板的表面。当低温导热板的表面是弯曲的，如圆柱体的表面，超导线圈可以制作在一个可弯曲的非金属和非磁性材料表面，如薄衬底的G10玻璃钢或云母，然后再固定在低温导热板的表面。
上面所描述的集成化的超导磁共振成像仪依赖于连接低温导热板和低温制冷系统的热管。在一个例子中，热管是由长形的热导体和包围在它周围的真空套组成。该真空套和真空绝热罩的低真空空间相连。另一种情形是真空套管由高真空夹层组成。热导体的一端和低温导热板相连。另一端和热交换器192相连，如图1所示。热管将热量从低温导热板有效的传至热交换器。在一个例子中，热导体是由装有低温工质及其蒸汽的混和体(如液氦和液氮和它们的蒸汽)的长形外壳构成。热管的热端或低温导热板端要低于它的冷端或热交换器端。当蒸汽在热交换器端被冷却而转换成液体，液体流到热管的低端到达低温导热板，在那液体吸收热量而被蒸发。蒸汽流到热管的高端在那把热量传给热交换器，从而转变成液体，完成一个热周期。在另一种情况下热管可以由实心的铜、蓝宝石、，陶瓷棒或铜带取代。热管的热端也可高于或等高于它的冷端。在这种情况下热管内部的多孔网状结构会在液相的工质上施加一个毛细管压力。这种多孔网状结构材料是由金属粉末烧制而成或由平行于热管轴线的沟槽组成。
热交换器192是连接于热管和制冷机之间的优良热导体。热交换器也可以是热管或制冷机的一部分。在一个例子中，热交换器是储存制冷工质的铜制容器。在另一个例子中热交换器是一个铜块。
制冷机194是由非磁或弱磁材料制成，如不锈钢、铝、铜、钛、铍和它们的合金。在一个例子中，制冷机是脉管制冷机。脉管制冷机的主要优点是在低温区没有活动部件，高效率，高可靠性，小尺寸，并无需加制冷液。
在其他情况下，制冷机可选用Gifford-McMahhon制冷机，JouleThomson制冷机，斯特林制冷机。
可以理解，上述的一般描述和下面详细说明都只是为了进一步解释本发明而引用的易于解释的个别范例。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域技术人员还可做出许多变形、修饰或改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (29)
1.一种用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，包括如下部分：成像区，至少一个真空绝热罩，一个在成像区产生磁场的主磁体，一个和真空绝热罩相连的低温制冷系统；
所述真空绝热罩内具有一个低真空空间，所述低真空空间的压力在10-3至10-6托之间；
所述真空绝热罩内还装有至少一个超导射频线圈、低温导热板、至少一个高真空内罩和至少一个高真空外罩；
所述高真空内罩、高真空外罩均为双层中空结构，所述双层中空结构的中空夹层内压力在10-6至10-12托之间；
所述真空绝热罩至少提供一个成像区，该成像区在超导射频线圈的成像范围之内；
所述高真空内罩和高真空外罩之间为所述低真空空间，所述低真空空间内至少有一个超导射频线圈，并与低温导热板相连；
所述低温导热板通过热管和所述低温制冷系统相连，以实现和维持超导射频线圈的低温条件。
2.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，还包括一个病人支架，所述真空绝热罩就装在所述病人支架中用于乳腺成像。
3.根据权利要求2所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述真空绝热罩包括两个高真空内罩，以提供两个乳腺成像区。
4.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述低真空空间在装配或修理维护时和真空泵相连，并且用O型圈、真空垫圈或环氧树脂将真空抽气口密封。
5.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述双层中空结构的高真空内罩和高真空外罩是用非磁性绝缘体制成，所述非磁性绝缘体包括G10玻璃钢、玻璃、石英及其组合。
6.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述高真空内罩和高真空外罩的中空部分厚度在1毫米到100毫米之间。
7.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，还包括与低温导热板和热管相连的冷头来保持超导射频线圈的低温。
8.根据权利要求7所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述冷头是由铜块制成。
9.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述低温导热板是由至少一块非磁的材料制成，所述非磁的材料包括陶瓷、塑料、晶体、金属、玻璃和石英。
10.根据权利要求9所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述晶体为蓝宝石。
11.根据权利要求10所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述陶瓷为氧化铝。
12.根据权利要求7所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述热管是由长形的热导体和包围在它周围的真空套组成，所述长形的热导体为装有低温工质及其蒸汽的混和体的长形外壳，所述低温工质包括液氦和液氮。
13.根据权利要求7所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述热管是一个棒状的热导体，所述热导体的材料包括铜、晶体、陶瓷或铜带，并由真空包围着。
14.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述低温制冷系统包括一个热交换器，一个制冷机和一个压缩机。
15.根据权利要求14所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述制冷机为脉管制冷机、Gifford-McMahhon制冷机、Joule Thomson制冷机和/或斯特林制冷机。
16.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈由高温超导薄膜制成。
17.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈是由高温超导带或线制成。
18.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈装有至少一种超导材料，所述超导材料包括YBaCuO、BiSrCaCuO、TlBiCaCuO和/或硼化镁化合物。
19.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈作为发射线圈激发病人身体的一部分产生磁共振信号。
20.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈作为接受线圈接受来自病人体内的磁共振信号。
21.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈作为发射接受线圈发射和接受磁共振信号。
22.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，还包括一个梯度线圈，位于主磁体和成像区之间，用于调节主磁场。
23.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈为至少一个直径介于10到200毫米之间的线圈。
24.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，至少一个超导射频线圈是正交线圈或阵列线圈。
25.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述超导射频线圈是多通道阵列线圈，每个通道有一个和其他线圈没有耦合的简单线圈。
26.根据权利要求2所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述病人支架是一个可移动的病床。
27.根据权利要求1所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述低温制冷系统至少有一部分是安装在可移动病床中的。
28.根据权利要求2所述的用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪，其特征是，所述真空绝热罩和低温制冷系统由所述病人支架共同支撑。
29.一种构造如权利要求1所述用于乳腺诊断的超导磁共振成像仪的方法，其特征是，包括如下步骤：
提供一个成像区，一个病人支架，至少一个真空绝热罩，一个用于在成像区产生主磁场的主磁体，和一个安装在病人支撑系统中的低温制冷系统；
建造一个中空部分的真空压力介于10-6和10-12托之间的双层中空结构的高真空内罩和高真空外罩；用高真空内罩和高真空外罩围成一个真空压力介于10-3和10-6托之间的低真空空间；
在低真空空间内至少安装一个超导射频线圈并将之与低温导热板相连；
将低温导热板和低温制冷系统通过一个热管相连以保持超导射频线圈所需的低温。
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