CN102314987B - 用于磁共振成像系统的螺线管电磁装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于磁共振成像系统的螺线管电磁装置，包括：环形内部线圈（10）和环形端部线圈（12），所述线圈全部围绕轴线（A-A）同心对准，所述端部线圈被放置在沿着轴向的所述内部线圈的外侧的轴向末端处；围绕所述轴线同心对准的一对环形外部线圈（14）；以及针对推动所述外部线圈相互远离的轴向力（BF）保持该对外部线圈（14）的装置，包括：条带元件（16），所述条带元件在特定圆周位置中围绕每一个外部线圈的径向内部表面（24）、径向外部表面（26）和轴向外部表面延伸，在所述外部线圈之一上的每一个条带元件被拉伸构件（18）连结到在该对外部线圈中的另一外部线圈上的相应的条带元件。

Description

用于磁共振成像系统的螺线管电磁装置

技术领域

本发明涉及用于生产具有受到支撑的外部线圈的螺线管磁体的方法，和如此生产的螺线管磁体。

本发明特别地涉及用于在磁共振成像（MRI）系统中用作磁场发生器的这种螺线管磁体。特别地，本发明涉及由超导导线形成的这种磁体。

背景技术

在已知的磁体装置中，螺线管磁体通常包括具有相对较大匝数并且因此具有相对较大截面的端部线圈，和具有较小匝数并且因此具有较小截面的多个内部线圈。传统上，被准确地用机器加工的线圈架（former）例如柱形铝制线圈架设置有被适当地成形的凹部，导线在所述凹部中缠绕以形成线圈。可以或者通过其中在被缠绕到线圈架上之前导线被传送通过树脂浴器的湿法缠绕或者线圈可以被干法缠绕（在所述干法缠绕中所完成的线圈和线圈架随后被浸渍在树脂浴器中），来利用热固性树脂浸渍线圈。

可替代地，模制线圈的装置是已知的。在这些装置中，缠绕线圈被放置到树脂浴器中，并且在树脂浴器内利用树脂浸渍精制的线圈。树脂然后被固化，并且在树脂中嵌入的固体线圈得以生产。例如通过夹持到线圈架或者其它机械支撑结构上，这些模制线圈然后被组装到磁体中。

主动屏蔽的（activelyshielded）磁体还设置有屏蔽线圈，其是具有比螺线管磁体的端部线圈和内部线圈更大的直径的外部线圈。这种屏蔽线圈通常被缠绕到被准确地用机器加工的金属轴颈中，并且使用围绕轴颈沿着圆周隔开的多个薄片（web）将这些轴颈附接到线圈架。

这些已知的装置存在某些缺陷。

在使用中，由于线圈与所产生的磁场的交互，所以屏蔽线圈经受大的力。这些力中的一些例如被称作体积力的力沿着轴向作用。体积力通常远离磁体中心推动各屏蔽线圈，但是根据磁体的设计，体积力可以作用以朝向磁体中心和朝向彼此推动各屏蔽线圈。其它力例如所谓的环向应力沿着径向作用，从而趋于将线圈扩展为更大的直径。对抗这些轴向和径向力所要求的、通过薄片的反作用力在线圈架上施加应变，从而要求线圈架和薄片是大的和重的以抵制这些力。这些力可以引起屏蔽线圈相对于轴颈移动。这种运动可以引起屏蔽线圈的局部加热，这在超导磁体中可以导致失超。

作用于屏蔽线圈上的力可以引起轴颈或者它的支撑结构挠曲。由于这种挠曲，抵制线圈上的力的力反作用路径然后基本在屏蔽线圈的径向内边缘处作用，并且反作用力由有限的线圈表面面积承受。这可以引起线圈自身变形，线圈自身变形还可以在超导线圈中导致失超。传统上，提供了大的和重的支撑结构以抵制作用于外部线圈上的力。

在美国专利5237300中描述了一种用于保持屏蔽线圈的实例装置。在该文献中，据说在线圈支撑柱体内安装屏蔽线圈。

如在传统上使用地那样，被准确地用机器加工的轴颈连同它的支撑结构是大的、重的、昂贵的，并且仅仅可从有限数目的供应商获得。从轴颈工厂到磁绕组设施的输送成本可能是相当大的。大轴颈的存储可能是困难的和高成本的。

发明内容

本发明相应地提供一种用于在屏蔽线圈的预期相对位置中保持屏蔽线圈的新装置。

本发明相应地提供如下限定的方法和设备。根据本发明的用于磁共振成像系统的螺线管电磁装置，包括：环形内部线圈和环形端部线圈，所述线圈全部围绕轴线同心对准，所述端部线圈被放置在沿着轴向的所述内部线圈的外侧的轴向末端处；围绕所述轴线同心对准的一对环形外部线圈；以及针对推动所述外部线圈相互远离的轴向力保持该对外部线圈的装置，其包括：条带元件，所述条带元件在特定圆周位置中围绕每一个外部线圈的径向内部表面、径向外部表面和轴向外部表面延伸，在所述外部线圈之一上的每一个条带元件被拉伸构件连结到在该对外部线圈中的另一外部线圈上的相应的条带元件。根据所述的螺线管电磁装置的改进，外部线圈被支撑框架支持成与内部线圈和端部线圈同心，所述支撑框架以机械方式结合到内部线圈和/或端部线圈的支撑结构并且以机械方式结合到所述拉伸构件。优选地，拉伸构件的长度是能够调节的。支撑框架可以在所述支撑框架的径向外部末端处或者靠近所述径向外部末端以机械方式连结到所述相应的拉伸构件。所述拉伸构件可以是柔性的。所述外部线圈中的至少一个可以被保持在轴颈内，并且所述条带元件可以围绕所述轴颈和其中的线圈。滑移面材料可以被放置在所述外部线圈之一的径向内部表面和相关联条带元件的相邻表面之间；和所述外部线圈的径向外部表面和所述条带元件的相邻表面之间。优选地，填充材料定位于所述外部线圈之一的轴向外部表面和相关联条带元件的轴向外端部之间。可以利用硬化材料浸渍所述外部线圈之一，并且所述硬化材料可以把相关联条带元件接合到所述线圈。

附图说明

通过与附图相结合地考虑本发明的某些实施例的以下描述，本发明的以上和另外的目的、特征和优点将变得更加明显，其中：

图1示出根据本发明的实施例的线圈组件的部分轴向截面视图；

图1A示出在本发明的实施例中采用的柔性安装件；

图2示出根据本发明的实施例的屏蔽线圈和屏蔽线圈保持设备的一个部分的部分轴向截面；

图3示出根据本发明另一实施例的屏蔽线圈和屏蔽线圈保持设备的一个部分的部分轴向截面；

图4示出根据本发明的一个实施例的、在制造期间的某个阶段处的屏蔽线圈和屏蔽线圈保持设备的一个部分的部分轴向截面；

图4A示出当沿着方向V观看时图4的设备的部分径向截面视图；以及

图5示出当沿着方向V观看时图4的设备的部分平面视图。

具体实施方式

根据本发明，利用条带元件针对轴向体积力保持成对的外部线圈例如屏蔽线圈，在特定圆周位置中，所述条带元件沿着体积力的方向围绕每一个屏蔽线圈延伸，每一个条带元件被拉伸构件连结到在该对屏蔽线圈中的另一屏蔽线圈上的、相应的条带元件。

图1示出根据本发明的实施例的主动屏蔽的磁体的部分轴向截面。该结构围绕平行于线A-A的轴线是基本旋转对称的。在本说明书内，术语“轴向的”和“沿着轴向”被用于表示平行于线A-A的方向，而术语“径向的”和“沿着径向”被用于表示垂直于线A-A的方向。

螺线管磁体包括例如在铝线圈架13上被结合到一起的、具有类似的内径的内部线圈10和端部线圈12。在所示意的实例中，铝线圈架13包括在其中缠绕线圈10、12的环形凹部。在这些凹部内可以例如利用环氧树脂浸渍线圈。箭头BF代表当磁体在使用中时作用于各种线圈上的轴向体积力的方向。在该实例中，在内部线圈10和端部线圈12上的体积力朝向该结构的中心作用。

主动屏蔽的磁体还包括屏蔽线圈14。也提供了箭头BF以示意当磁体在使用中时作用于屏蔽线圈上的体积力。如在该实例中所示，体积力沿着轴向远离磁体中心地作用于屏蔽线圈上。屏蔽线圈14具有比内部线圈10和端部线圈12更大的半径，并且被保持结构支持成与内部线圈和端部线圈同心，该保持结构是本发明的主题。

根据本发明，每一个屏蔽线圈14在特定圆周位置中均设置有多个条带元件16。每一个条带元件16均被拉伸构件18连结到在成对屏蔽线圈中的另一屏蔽线圈上的相应的条带元件16。条带元件和拉伸构件由坚固的、优选地非磁性并且优选地轻质的材料构成。实例材料包括铝、主要由铝构成的合金、不锈钢和纤维增强的合成材料。在所示意的实例中，拉伸杆组件18a在轴向内端部处适当地带有螺纹，并且与套筒螺母18b连结。套筒螺母允许调节每一个拉伸构件的长度并且从而允许对于屏蔽线圈14的对准进行调节。

屏蔽线圈14被支撑框架20和拉伸构件18支持成与包括内部线圈10和端部线圈12的内部磁体结构同心。通常并且如在图1中所示意地，一些拉伸构件18被支撑框架20支撑，而其它的则不这样。必须提供足够数目的拉伸构件18以防止屏蔽线圈14在操作中由于轴向体积力的作用而变形。这将根据磁体而改变，但是可以发现围绕屏蔽线圈14的圆周均匀地分布的十二个拉伸构件18是足够的。如与内部磁体结构的线圈10、12相比，要求支撑框架20以机械方式在固定的相对位置中保持屏蔽线圈14。可以发现围绕屏蔽线圈14的圆周均匀地分布的三个支撑框架20是足够的。

每一个支撑框架20可以在支撑框架的径向外部末端处或者靠近此处以机械方式连结到相应的拉伸构件18。以此方式，屏蔽线圈14被支持成与内部线圈10和端部线圈12同心，并且通过拉伸构件18中的张力，作用于每一个屏蔽线圈14上的体积力BF被作用于另一屏蔽线圈14上的体积力BF抵消。支撑框架20不需要在抑制作用于屏蔽线圈上的体积力BF方面发挥任何作用，而是针对重力支持屏蔽线圈14，并且保证屏蔽线圈14与包括内部线圈10和端部线圈12的内部磁体结构共轴对准。

利用任何适当的装置，例如，如所示意地使用安装件21，支撑框架20以机械方式连结到相应的拉伸构件18，所述安装件21可以是沿着径向可调节的以保证屏蔽线圈14与内部磁体结构的线圈10、12共轴对准。拉伸构件18应该被沿着轴向约束到支撑框架20以防止屏蔽线圈14相对于支撑框架20的任何不希望的轴向运动。通过支撑框架20到拉伸构件18的这个连结，屏蔽线圈14相对于内部磁体结构被支持到适当的位置。支撑框架20优选地在它们的径向内部末端处或者靠近此处以机械方式结合23到内部线圈10和/或端部线圈12的支撑结构13。在所示意的实例中，这可以是经过机器加工的铝柱体13。然而，本发明可以以类似的方式应用于内部磁体结构的任何线圈支撑结构。在支撑框架20和支撑结构13之间的结合的位置23优选地被选择为提供所需程度的径向适应性。

在一个可替代的装置中，如在图1A中所示，图1的刚性安装件21可以被柔性安装件71替换。如果使用柔性安装件，则所有的安装件均应该是类似的柔性安装件以保证外部屏蔽线圈保持与内部磁体结构的内部线圈10和端部线圈12同心。柔性安装件由带有适当的程度的柔性、弹性和机械强度的坚固材料形成。可以发现铝、不锈钢和某些纤维增强树脂合成材料是适当的。在维持充分的机械强度以将屏蔽线圈保持到适当的位置时，每一个柔性安装件均能够沿着径向膨胀和收缩，如在图中以虚线示出的那样。当磁体组件被冷却时，如与螺线管磁体的线圈10、12的支撑结构13相比，屏蔽线圈的不同的径向热收缩距离可以意味着，如与当磁体处于环境温度时相比，当磁体是低温的时，在屏蔽线圈14和支撑结构13之间的径向分离是不同的。通过柔性安装件71的挠曲来适应径向分离中的该不同。类似地，在使用中，屏蔽线圈14中的环向应力可以引起它们膨胀或者收缩。这种膨胀或者收缩可以意味着，如与当磁体未在使用中时相比，当磁体在使用中时，在屏蔽线圈14和支撑结构13之间的径向分离是不同的。通过柔性安装件71的挠曲来适应径向分离中的该不同。

在不带柔性安装件71的实施例中，通过拉伸构件18的挠曲来适应径向分离的变化。

图2更加详细地示出被连结到屏蔽线圈14的条带元件16。屏蔽线圈14是经浸渍的线圈。它是包含多匝导线的实心块硬化材料，例如环氧树脂。在本发明的优选实施例中，超导导线被用于所有的线圈。然而，本发明还可以被应用于其中使用非超导（阻性）导线的阻性磁体，或者被应用于其中一些线圈是超导性并且一些线圈是阻性的磁体。

条带元件16围绕屏蔽线圈14的径向内部、轴向外部和径向外部表面延伸。如所示意地，它还可以至少部分地围绕线圈的轴向内部表面延伸。为了避免条带元件的变形和在条带元件和屏蔽线圈之间产生高压力点，条带元件优选地具有连结径向内部臂24和径向外部臂26的圆状轴向外端部22。如与矩形端部相比，圆状外端部保证应力在条带元件的材料中更加均匀地分布，和在线圈的轴向外部表面上的更加均匀的压力。优选地在这种装置中提供填充材料28，以将来自条带元件16的压力均匀地分布到屏蔽线圈14的被包围的轴向外部表面之上。优选地，填充材料28被牢固地接合到线圈14和条带元件16的相邻表面。优选地，滑移面材料30例如玻璃纤维填充的PTFE带被放置在条带元件的臂24、26和线圈14的相邻表面之间。滑移面材料30将在那些位置中防止线圈14接合到条带元件16。这是有利的，因为条带元件16的轴向热收缩（或者膨胀）很可能不同于线圈14的轴向热收缩（或者膨胀），从而在线圈的相邻表面和条带元件的臂之间的相对运动是可能的，从而防止热致应力积累。在超导线圈的情形下，这种应力积累可以在线圈的突发运动中被突然地释放，这可以导致失超。超导磁体被冷却到低温温度，并且正是这种冷却，否则可能会导致热应力积累。在另一方面，尽管失超问题将不会发生，但是，当在使用阻性磁体时，阻性磁体将变热，并且正是这种变热，否则可能会导致热应力积累。

图3示出本发明的一个可替代实施例。在该实施例中，屏蔽线圈14被缠绕到轴颈32中。例如利用被用于线圈浸渍的硬化材料，线圈和轴颈可以被接合到一起。这可以通过将线圈湿法缠绕到轴颈中，或者通过将线圈干法缠绕到轴颈中，并且一起地浸渍线圈和轴颈而得以实现。可替代地，可以在线圈和轴颈表面之间提供传统类型的释放层，从而使得线圈能够相对于轴颈稍稍地移动。为了便于线圈的缠绕，轴颈可以具有沿着径向延伸超过屏蔽线圈14的径向外部表面的壁34。如在图中所示，在条带元件16的区域中，壁可以被缩短，以允许沿着径向外部臂26牢固地保持线圈的径向外部表面。可以在条带元件的臂24、26和轴颈与线圈组件之间放置滑移面材料30。

如在图3中最好地看到地，条带元件16的臂24、26的轴向内部末端可以设置有通孔36。这些孔或者等效结构被用于将拉伸构件18附接到条带元件16。如在图2中所示，螺母和螺栓38或者等效装置例如牵引钩联结销可以穿过孔36并且穿过拉伸构件18的孔眼。拉伸构件18可以包括非磁性材料例如铝、不锈钢、青铜或者纤维合成材料制成的杆。被附接到支撑框架20的那些拉伸构件18必须是刚性的，以提供所需的机械支撑。然而，对于未被附接到支撑框架20的拉伸构件，该拉伸构件可以包括优选地非磁性材料制成的辫带、缆线或者链条。然而，实心杆目前是优选的，因为如与内部磁体结构相比，相信它们减小了屏蔽线圈的相对运动范围。所示意的拉伸构件的孔眼18c可以被结合条带元件的臂的外侧表面的钩环（未被示意）替换。

经浸渍的填充材料28可以被用于填充在轴颈32的轴向外壁34和条带16的轴向外端部22之间的间隙。可替代地，其它装置可以被用于抵着条带16的轴向外端部22支持轴向外壁34。例如，可以通过条带16的轴向外端部22设置螺纹孔，并且通过这个孔旋拧螺栓以支承轴向外壁34。这可以提供外部线圈的对准和轴向位置的进一步调节。

优选地，并且如在图2中所示意地，树脂浸渍线圈自身的结构强度被用于将线圈支撑到适当的位置。条带元件16围绕线圈的圆周提供间歇的支撑和保持，但是线圈在条带元件之间未被支撑。

在本发明的某些实施例中，可以围绕预制的树脂浸渍线圈放置支撑条带。然而，在一个优选实施例中，支撑条带在树脂浸渍步骤中被接合到干法缠绕线圈。这优选地在线圈被浸渍之前通过在模具中的已被缠绕的线圈之上放置支撑条带而得以布置。

图4示出在这种制造过程期间的步骤。如可以在图中观察到的那样，不像部分地包围各自线圈的轴向内面的图2和图3的条带元件的臂那样，条带元件16的臂24、26优选地具有恒定的分离。

如果需要，并且如在图4中所示意地，条带元件臂可以在它们的自由端上被加厚，而不减小在它们之间的分离。

在图4的实施例中，条带元件16的轴向外端部22可以具有有助于在模具内组装和保持的方形外部表面231，和由于参考图2和图3讨论的圆状内表面232。

图4示出穿过在其中放置线圈的模具40的部分径向截面，而图5示出相应的部分平面视图。轴颈表面242和相应的壁241形成已经在其中缠绕线圈14的轴颈。如在图4A中所示意地，壁241和轴颈242设置有专用凹部42，其为将在模具40内的线圈14之上放置的条带元件16和填充材料28提供入口。在组装期间，壁241和轴颈表面242以传统方式组装和可选地受到表面处理。

如在图4中所示，线圈缠绕以传统的方式执行以提供线圈。例如通过在条带元件内适当地定位填充材料28和滑移面材料30，根据需要而制备条带元件16。条带元件然后被插入在轴颈壁241和轴颈表面242内的专用凹部42中并且被粘结剂或者以机械方式例如通过过盈配合（interferencefit）而得以保持。加工件得以添加以完成模具，并且如所示意地提供浸渍槽60。如传统的那样，模具40充满树脂。该树脂通常在真空下施加，并且在导线线匝之间渗透到线圈14中，并且渗透到填充材料28中。树脂被固化，线圈被清洁并且结果所得结构具有在树脂内嵌入的很多匝导线，其中支撑条带16被接合到线圈。

如在图1、2中所示意地，如此生产的屏蔽线圈然后被组装到磁体的其余部分。结果所得结构是轻质的，具有强张力，并且不引起线圈弯曲，因为通过条带元件和拉伸构件18的力反作用路径与体积力BF相对准。

可替代地，可以如传统的那样生产经浸渍的屏蔽线圈14，其中在以后围绕线圈放置条带元件16。填充材料28（如果存在的话）可以在组装到线圈之前被分开地浸渍，或者可以执行第二浸渍步骤，以浸渍填充材料28并且将其接合到线圈。

本发明的外部线圈保持装置的组件是廉价的并且制造是简单的。它们能够由全世界的数百个工程企业制造，从而减低外部线圈支撑件的成本使其远低于传统外部线圈支撑装置的成本。条带元件16可以通过简单的挤出、锯切和钻孔形成。可以使用铣削操作以保证条带元件的正确的尺寸。它们可以由阳极化铝形成以有效地接合到树脂。可替代地，可以使用非阳极化铝、铝合金或者其它适当地坚固的并且优选地非磁性材料例如合成纤维增强树脂。拉伸元件18可以由简单的杆形成，并且不锈钢、黄铜或者铝制牵引钩联结销或者螺母和螺栓38能够容易地获得。

支撑框架20可以用金属铸造、用合成材料模制、从薄片材料切割或者冲压。支撑框架优选地是基本平坦的，并且从而是廉价的并且制造、输送和存储是简单的。

支撑框架可以被普通的硬件元件例如螺母和螺栓附接到内部线圈10和/或端部线圈12的支撑结构13，例如所示意的铝制线圈架13，尽管这些优选地是非磁性材料。

本发明相应地提供一种用于支撑屏蔽线圈的装置，该装置的成本和重量降低；该装置更加易于存储和获得；而且该装置并不引起屏蔽线圈弯曲。还相信与传统的情形相比，根据本发明，屏蔽线圈将被保持在更加确定的和可重复位置中。

根据本发明保持的屏蔽线圈通过在液体冷却剂中部分浸没而进行冷却是易于达到的。类似地，线圈表面利用冷却回路装置进行冷却是易于达到的。

超导屏蔽线圈的最不稳定的部分是径向内部表面。在传统装置中，该表面邻近于轴颈并且不易于达到冷却。在本发明的优选实施例中，屏蔽线圈的径向内部表面是易于达到的，并且可以比在传统装置中被更加高效地冷却。在传统装置中，这个最不稳定的部分还与支撑轴颈接触，由此线圈在轴颈之上的相对运动的风险产生了失超的可能性。

利用本发明的某些实施例的拉伸杆18和安装件21，可以容易地调节外部线圈14的对准。这使得能够对于结果所得的磁场的均匀性，和/或对于由外部（屏蔽）线圈提供的杂散场屏蔽的效力作出改进。

根据本发明，在一对外部（屏蔽）线圈之一上的体积力反作用于在该对外部（屏蔽）线圈中的另一个上作用的体积力。通过线圈自身的结构完整性来包含环向应力。与现有技术相反，没有机械载荷被从外部（屏蔽）线圈转移到柱形磁体的支撑结构。这使得能够提供一种更轻的支撑结构。

Claims (9)

1.一种用于磁共振成像系统的螺线管电磁装置，包括：

-环形内部线圈（10）和环形端部线圈（12），所述线圈全部围绕轴线（A-A）同心对准，所述端部线圈被放置在沿着轴向的所述内部线圈的外侧的轴向末端处；

-围绕所述轴线同心对准的一对环形外部线圈（14）；以及

-针对推动所述外部线圈相互远离的轴向力（BF）保持该对外部线圈（14）的装置，包括：

条带元件（16），所述条带元件在特定圆周位置中围绕每一个外部线圈的径向内部表面（24）、径向外部表面（26）和轴向外部表面延伸，在所述外部线圈之一上的每一个条带元件被拉伸构件（18）连结到在该对外部线圈中的另一外部线圈上的相应的条带元件。

2.根据权利要求1所述的装置，其中外部线圈（14）被支撑框架（20）支持成与内部线圈（10）和端部线圈（12）同心，所述支撑框架（20）以机械方式结合到内部线圈（10）和/或端部线圈（12）的支撑结构（13）并且以机械方式结合到所述拉伸构件。

3.根据权利要求2所述的装置，其中拉伸构件（18）的长度是能够调节的。

4.根据权利要求2所述的装置，其中支撑框架（20）在所述支撑框架的径向外部末端处或者靠近所述径向外部末端以机械方式连结到所述相应的拉伸构件。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述拉伸构件（18）是柔性的。

6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的装置，其中所述外部线圈中的至少一个被保持在轴颈（32）内，并且所述条带元件围绕所述轴颈和其中的线圈（14）。

7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的装置，其中滑移面材料（30）被放置在所述外部线圈之一的径向内部表面和相关联条带元件的相邻表面（24）之间；和所述外部线圈的径向外部表面和所述条带元件的相邻表面（26）之间。

8.根据前述权利要求1至5中任一项所述的装置，其中填充材料（28）定位于所述外部线圈之一的轴向外部表面和相关联条带元件的轴向外端部（22）之间。

9.根据前述权利要求1至5中任一项所述的装置，其中利用硬化材料浸渍所述外部线圈之一，并且所述硬化材料把相关联条带元件接合到所述线圈。