CN102062843A

CN102062843A - 一种可自抵消电磁力的有铁芯开放式超导mri磁体系统

Info

Publication number: CN102062843A
Application number: CN2010105610903A
Authority: CN
Inventors: 王厚生; 王秋良; 王晖; 赵保志; 戴银明; 宋守森; 陈顺中; 雷沅忠; 胡新宁; 崔春燕; 程军胜
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2011-05-18

Abstract

一种可自抵消电磁力的有铁芯开放式超导MRI磁体系统，两个上下相对的同轴超导线圈(4、4’)分别绕在第一骨架(6)和第二骨架(6’)上，形成对极；金属杆(7、7’)连接第一骨架(6)和第二骨架(6’)。超导线圈(4、4’)、骨架(6、6’)和金属杆(7、7’)通过拉杆(5)悬挂在封闭的杜瓦(3)里，杜瓦(3)固定在铁芯(1)上。铁芯(1)有上下两个正对突出的铁扼，上下两个超导线圈(4、4’)、骨架(6、6’)均同轴地套装在铁扼上。本发明可应用于核磁共振成像仪(MRI)无接触成像医疗设备。

Description

一种可自抵消电磁力的有铁芯开放式超导MRI磁体系统

技术领域

本发明涉及一种超导MRI设备。

背景技术

核磁共振成像仪(MRI)是目前应用最广泛的无接触成像医疗设备之一，它利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息主要应用于临床人体内部成像诊断。其中，产生背景磁场的磁体是MRI构成的核心部件，在诊疗成像区域(即“病人空间”)产生一个足够强度和均匀度的背景磁场，这是产生磁共振现象的必要条件，理论上说，背景场的强度越高，可以成像的清晰度就越高，就越有利于病情的诊断。用于MRI的磁体结构主要有两种：螺线管磁体和对极磁体，前者能够产生较强的背景磁场，但“病人空间”较为封闭，不利于部分精神疾病患者或体型较大的病人使用；后者为开放式，无上述弊端，缺点是不容易产生较强的背景磁场，而将能够产生强磁场的超导磁体应用于MRI来产生相对较强的背景磁场有诸多优势。

超导磁体是由超导材料导线绕制的载流线圈，工作在极低的液氮(77k)甚至液氦(4.2k)温度以下，为保持低温环境，线圈要封闭在抽真空的低温容器(杜瓦)中，通常线圈要绕制在金属或其他材料制成的骨架上，通过圆周分布的多个拉杆悬挂骨架固定在杜瓦内壁上。所有拉杆的总的横截面积不能太大，否则较大的漏热会加重冷却系统的负担甚至影响超导磁体的正常工作，所以悬挂线圈的拉杆的抗拉强度安全系数都比较低。对极磁体由于两个磁极线圈间的距离比较远，可使用铁芯在磁极间形成磁回路，以提高“病人空间”的磁场强度，但对于超导磁体而言，使用铁芯却受到一定的限制。前面提到，超导磁体的线圈要通过拉杆悬挂在杜瓦壁上，为了降低漏热，所有拉杆的总的横截面积不能太大，但是铁芯与通电之后的线圈之间存在着巨大的电磁吸引力，可达几十吨甚至几百吨，为了保持线圈悬挂在杜瓦中，所有拉杆的总的横截面积要设计的非常大才能保证不被拉断，由此造成漏热过大，使制作线圈的超导材料导线无法工作，因此目前常用的开放式MRI磁体多为永磁体或电磁体。而采用超导磁体的开放式MRI系统则放弃使用铁芯，采用加大超导线圈安匝数的方式来提高均匀区的磁场强度，这种方式也就加大了比较昂贵的超导材料导线的使用量。

发明内容

为克服传统设计中电磁力过大导致超导磁体难以在开放式MRI系统中应用的缺点，本发明提出一种新结构的超导磁体系统，对极的超导载流线圈间通过结构连接将线圈与铁芯间的电磁力抵消，线圈与杜瓦之间的拉杆不需要承受电磁力，拉杆横截面积可以做得非常小，漏热也就非常小，保证线圈工作的低温环境不被破坏。本发明解决了超导磁体应用于开放MRI中铁芯难以应用的技术难题，在保证提高“病人空间”背景磁场强度的前提下，大大减少昂贵的超导材料的用量，同时提高了超导磁体运行状态下的稳定性。

本发明的具体结构如下：

本发明包括：铁芯、杜瓦、超导线圈、骨架、拉杆、金属杆等。其中，两个上下相对的同轴超导线圈绕在骨架上形成对极，骨架的左右两侧各有一根用于连接两个骨架的金属杆；超导线圈、骨架和金属杆通过拉杆悬挂在封闭的杜瓦里，杜瓦固定在铁芯上；铁芯有上下两个正对突出的铁扼，上下两个超导线圈、骨架均同轴地套在铁扼上；铁芯形成的磁力线回路有门形和C字母形两种，并支撑和固定其他部件，放置于地面。

制作超导磁体的超导线圈绕制在金属骨架上，金属骨架之间通过高强度金属杆连接，使对极磁体成为一个整体，金属杆的横截面积由单个磁极线圈与铁芯之间电磁力的大小来确定，然后整个对极磁体再通过拉杆悬挂在杜瓦内壁上，这样对极磁体的两个磁极线圈与铁芯间的电磁力大小相等而方向相反，通过金属杆内部互相抵消，使两个线圈与软铁间总体电磁力对外表现为零，拉杆只需要克服磁体自身的重力，一般只有几十公斤，大大减小了拉杆的横截面积，也就减少了漏热，使超导磁体应用于带铁芯开放式MRI成为实际可行。

附图说明

图1为现有技术的超导磁体结构示意图；

图2为本发明超导磁体结构示意图；

图中：1铁芯、2均匀区、3低温容器(杜瓦)、4、4’线圈、5拉杆、6骨架、6’骨架、7金属杆、7’金属杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，传统设计下，绕在骨架上6上的对极超导磁体的一个线圈4通过拉杆5悬挂在杜瓦3的内壁上，如果应用铁芯的话，线圈4通电之后，与铁芯1之间产生强大的电磁吸引力，可达几十甚至几百吨，承受这个拉力的悬挂线圈4的拉杆5的总的横截面积要做的非常大，造成过大的漏热，致使线圈4无法工作在超导状态。

如图2所示，本发明包括铁芯1、杜瓦3、超导线圈4、4’、骨架6、6’、拉杆5、金属杆7和7’。两个上下相对的同轴超导线圈4、4’分别绕在第一骨架6和第二骨架6’上，形成对极，第一骨架6和第二骨架6’的左右两侧分别用金属杆7和7’将两个骨架连接起来；超导线圈4、4’、骨架6、6’和金属杆7和7’通过拉杆5悬挂在封闭的杜瓦3里，杜瓦3固定在铁芯1上；铁芯1有上下两个正对突出的铁扼，上下两个超导线圈4、4’、骨架6、6’都同轴地套装在铁扼上；铁芯1形成的磁力线回路有门形和C字母形两种，图中绘出的为门形。对极磁体的两个超导线圈4、4’的第一骨架6与第二骨架6’之间，安装连接用的金属杆7和7’，为了保持平衡，金属杆7和7’最少要有一对，这样，两个线圈与铁芯1之间的电磁力就会通过金属杆7和7’互相抵消，合力对外表现为零，所有拉杆5只需要承担线圈4、4’、骨架6和金属杆7和7’等的重力即可，一般只有几十公斤，不需要承担数十甚至数百吨的电磁力，所有拉杆5总的横截面积可以做的很小，漏热也就很小，保证线圈4、4’稳定地工作在超导状态下。

在这种情况下，金属杆7和7’连接两个骨架6和6’且需要和线圈一样保持低温，低温杜瓦3也要如图2一样做成上下连通的，将金属杆7和7’保护在低温环境下，这样金属杆7和7’不存在对外的漏热问题，虽然承受很大的电磁拉力，但其横截面积的大小却与漏热量没有关系。

需要指出的是，为了保证不对均匀区的磁场产生干扰，金属杆7的材料需要采用非铁磁性的金属材料，当然也可采用其他非金属的工程结构材料，比如碳纤维杆等。另外，分布在病人空间2两侧的金属杆7和7’之间的距离要足够大，保证病人能够通畅地出入病人空间2。

本发明提出了一种新的能够自抵消电磁力的有铁扼开放式超导MRI磁体系统，可以使铁芯和超导线圈同时应用于开放式的MRI系统，提高背景磁场的强度，进而提高成像的清晰度，同时降低系统的原材料成本。

Claims

1.一种可自抵消电磁力的有铁芯的开放式超导MRI磁体系统，包括铁芯(1)、杜瓦(3)、超导线圈(4、4’)、骨架(6、6’)、拉杆(5)和金属杆(7、7’)，其特征在于两个上下相对的同轴的超导线圈(4、4’)分别绕在第一骨架(6)和第二骨架(6’)上，形成对极；第一骨架(6)和第二骨架(6’)的左右两侧分别用金属杆(7、7’)连接两个所述的骨架；超导线圈(4、4’)、骨架(6、6’)和金属杆(7、7’)通过拉杆(5)悬挂在封闭的杜瓦(3)里，杜瓦(3)固定在铁芯(1)上；铁芯(1)有上下两个正对突出的铁扼，上下两个超导线圈(4、4’)、骨架(6、6’)均同轴套装在铁扼上。

2.根据权利要求1所述的可自抵消电磁力的有铁芯的开放式超导MRI磁体系统，其特征在于所述的铁芯(1)形成的磁力线回路为门形或C字母形。

3.根据权利要求1或2所述的可自抵消电磁力的有铁芯的开放式超导MRI磁体系统，其特征在于所述的金属杆(7、7’)采用非铁磁性材料制作。