CN102623129B

CN102623129B - 具有储热器的磁共振成像系统及用于冷却的方法

Info

Publication number: CN102623129B
Application number: CN201210077198.4A
Authority: CN
Inventors: 江隆植; E·W·施陶特纳; J·小斯卡图罗; W·L·埃恩齐格
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2012-01-11
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2032-01-11
Also published as: DE102012100171A1; CN102623129A; GB2487293B; JP5964054B2; GB201200353D0; US8598881B2; JP2012143563A; GB2487293A; US20120176134A1

Abstract

本发明名称为“具有储热器的磁共振成像系统及用于冷却的方法”。提供了具有储热器的磁共振成像(MRI)系统以及用于冷却的方法。用于MRI系统的磁体系统(20)的冷却容器(22)包括含有氦致冷剂的第一部分(26)，其与MRI系统的多个磁体线圈(50)接触。冷却容器还包括第二部分(24)，其与第一部分隔离并流体去耦合，该第二部分包含不同于氦致冷剂的材料并具有比第一部分更大的容积。

Description

具有储热器的磁共振成像系统及用于冷却的方法

技术领域

本文公开的主题一般涉及低温冷却磁共振成像(MRI)系统，以及更具体地，涉及用于冷却MRI系统的磁体线圈的系统和方法。

背景技术

在超导线圈MRI系统中，形成超导磁体的线圈通常使用氦容器低温冷却。在这些传统的MRI系统中，超导线圈在液氦(He)浴槽中冷却，以使得线圈浸没在液He中。该冷却布置需要使用极大的高压容器，其包含大量的液He(例如，1500-2000升的液He)。由此产生的结构不仅制造昂贵，而且笨重。

此外，在一些情形下，氦容器可能没有完全填充，诸如为了节省成本。在这种情况下，形成MRI超导磁体的线圈的部分导线会暴露于气体，而不是暴露于冷却液He。因此，不稳定性和可能的失超事件的可能性增加。在失超事件期间，这些系统中的液He会汽化，其中汽化He从磁体线圈浸没于其中的致冷剂浴槽中逸出。每次失超后接着的是磁体的重新填充和重新斜变(re-ramp)，这是昂贵和费时的事件。

因此，传统MRI系统中需要大量的液He。不仅需要大量的He用以填充大的氦容器，而且还随任何后续的重新填充而增加。

发明内容

根据一实施例，提供一种用于磁共振成像(MRI)磁体系统的冷却容器。该冷却容器包括含氦致冷剂的第一部分，其与MRI系统的多个磁体线圈接触。该冷却容器还包括第二部分，其与第一部分隔离并流体去耦合，该第二部分包含不同于氦致冷剂的材料并具有比第一部分更大的容积。

根据另一实施例，提供一种磁共振成像(MRI)磁体系统，其包括支撑主磁体线圈的主磁体线圈管和支撑补偿线圈的次级线圈管。MRI磁体系统还包括分开的冷却容器，其具有多个从物理上隔离的部分，每个部分包含不同的致冷剂，以及其中主磁体线圈和补偿线圈由隔离部分的一个中的致冷剂覆盖。

根据又一实施例，提供一种形成用于磁共振成像(MRI)系统的冷却容器的方法。该方法包括以同心布置的方式对准主磁体线圈管和次级线圈管，其中每个线圈管都具有磁体线圈。该方法还包括同心地在主磁体线圈管和次级线圈管之间插入分开的冷却组件。该分开的冷却组件包括两个隔离的部分，用于在其中接收氦致冷剂和另一种不同的致冷剂，其中用于接收氦致冷剂的部分小于用于接收不同的致冷剂的部分。该方法还包括耦合容器凸缘至同心对准的线圈管和分开的冷却组件的每一端。

附图说明

图1是磁共振成像(MRI)磁体系统的简化框图，其示出根据多种实施例形成的分开的冷却容器。

图2是示出根据多种实施例形成的分开的冷却容器布置的简图。

图3是根据一个实施例形成的分开的冷却容器的示意框图。

图4和图5是根据一个实施例的内部线圈管的透视图。

图6是根据一个实施例的外部线圈管的透视图。

图7是示出根据一个实施例的线圈管和冷却组件的分解透视图。

图8和图9是同心对准的图7的线圈管和冷却组件的透视图。

图10是同心对准的图7的线圈管和冷却组件的透视图，并示出容器凸缘。

图11是MRI系统的示意框图，其中可实现根据多种实施例形成的分开的冷却容器。

具体实施方式

在结合附图阅读时，将更好地理解前述概述以及随后对某些实施例的详细描述。就附图示出了多种实施例的功能块的简图而言，功能块并不必须指示硬件之间是分开的。因此，例如，一个或多个功能块可在单片硬件或多片硬件中实现。应该理解的是，多种实施例不限于图中所示的布置和手段。

如本文所使用的、以单数形式引述且跟随不定冠词“一”的元件或步骤应当被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明了这种排除。此外，本发明对“一个实施例”的引用无意于解释为排除同样结合了引用特征的额外实施例的存在。此外，除非有相反的明确陈述，否则，“包括”或“具有”带特定性质的元件或多个元件的实施例可包括没有那种性质的附加元件。

多种实施例提供用于冷却磁共振成像(MRI)系统、特别是MRI系统的超导磁体的线圈的系统和方法。通过实践至少一个实施例，减少了用于冷却磁体的液氦(He)的容积，例如，从1500-2000升减少至大约200升，同时保持了超导磁体的线圈的完全浸没(即，超导磁体线圈的导线由液He覆盖)。

图1和图2示出使用设置于氦容器的隔离的部分中的多种致冷剂用于MRI系统的冷却布置、特别是用于冷却MRI系统的磁体的实施例。例如，在多种实施例中，提供分开的冷却容器，其中每个隔离的部分之中包括不同的致冷剂或材料。在一些实施例中，使用缩减容积的液He(例如，液He-4，也可称作HeI)，将冷却容器内的剩余空间填充另一种致冷剂，例如，较便宜的液氮(LN₂)。

具体而言，图1和图2是示出MRI磁体系统20的简化框图，MRI磁体系统20包括一个或多个超导磁体。应该注意的是，整个附图中相同的数字表示相同的配件。MRI磁体系统20包括容器22，容器22是分开的容器，其拥有两种不同液体致冷剂，诸如液He和LN₂。因此，在该实施例中，容器22是冷却或致冷剂容器，其包括包含一种类型的致冷剂的一个或多个部分24a和24b以及包含另一种材料的一个部分26(或多个部分)，所述另一种材料诸如另一种类型的致冷剂。应该注意的是，部分24a和24b可以是物理上隔离的部分或可以是连接在一起的或是形成相同部分的局部，所述相同部分例如是单个储存器，其在多种实施例中是储热器。在一些实施例中，部分24a和24b大于部分26。在一个实施例中，部分24a和24b包括LN₂以及部分26包含液He。部分24a和24b通常在空间中限定了储存器，该空间不是部分26的局部。例如，在多种实施例中的部分24a和24b物理上与部分26a隔离。因此，部分24和26限定了隔离的第一致冷剂区域和第二致冷剂区域，它们包含不同的致冷剂。

应该注意的是，部分24a、24b和26可以是任意类型的腔、区域、罐或者类似结构，它们在其内部限定具有致冷剂的范围。部分24a、24b和26可以是容器22内的分隔区或形成容器22的局部的分隔区，容器22可以是致冷剂压力容器。

容器22被真空容器28围绕，并可选地在其中和/或在其间包括热屏蔽30。热屏蔽30可以例如是热隔离辐射屏蔽。冷头32，其在多种实施例中是制冷机，在冷头套筒34(例如，外壳)内，延伸穿过真空容器28。因此，冷头32的冷端可以定位在冷头套筒34内而不会影响真空容器28内的真空。使用任何适合的装置，诸如一个或多个凸缘和螺栓、或本领域中已知的其他装置插入(或接收)冷头32并将其固定于冷头套筒34中。而且，在真空容器28的外部提供冷头32的电动机36。

如图2所示，多种实施例中的冷头32在冷头套筒34的下端包括再凝结器38。再凝结器38使来自容器22的汽化的氦气再凝结。再凝结器38还经由一个或多个通道40耦合至容器22。例如，从容器22至再凝结器38可提供通道40，用于将来自容器22的汽化的氦气传送至再凝结器38，其之后可在开口端将再凝结的氦液体传送回容器22。从部分26(示于图1)至与部分24热接触的冷却管(未示出)也可以提供通道(未示出)。

磁体42，其在多种实施例中是超导磁体，提供在容器22内部并在如本文更详细描述的MRI系统操作期间被控制以采集MRI图像数据。此外，在MRI系统操作期间，MRI磁体系统20的容器22内的液体致冷剂冷却超导磁体42，超导磁体42可以配置为已知的线圈组件，例如，包括不同的线圈，诸如主磁体线圈42a和补偿/屏蔽线圈42b(示于图1)。超导磁体42可以被冷却至例如超导温度，诸如4.2开尔文(K)。冷却过程可以包括由再凝结器38将汽化He气再凝结为液体并返回至容器22，以及由从部分24形成的储热器冷却汽化的He，诸如通过穿过连接部分26至与部分24热接触的冷却管的一条或多条气体通道(未示出)。储热器还允许在传输期间磁体42的冷却。

容器22的一个实施例示于图3，图3是容器22的简化框图。容器22是液体致冷剂冷却容器，其实施为多致冷剂冷却容器。容器22包括部分24，其配置为独立的储热器。部分24由高热容材料填充(其可以是部分或完全填充)，所述高热容材料在一个实施例中是LN₂。在该实施例中，当MRI磁体系统20已经斜变上升并操作在4.2K的超导温度时，氮(N₂)为固态。在固态时，N₂具有高热容(在大气压下在大约77K汽化)，这对于在部分26内汽化液He期间可能是有用的。

在容器22中不是部分26的局部的范围或空间由部分24限定，其填充以不同的致冷剂，其在该实施例中是液N₂。如果部分24由不同的分区限定，则在多种实施例中，部分24中的所有分区形成了贯穿容器22的连续范围。可以看出，在该实施例中，由部分26限定的范围充分地小于由部分24限定的范围。例如，在一个实施例中，部分26中的He容积被缩减到十分之一(对比于整个容器22由He填充)。

在多种实施例中，容器22在其内部包括形成磁体42的一个或多个线圈。例如，可在线圈管54(例如，主磁体线圈管)上支撑并保持多个线圈50，以及可在线圈管56(例如，次级线圈管)上支撑并保持多个线圈52。线圈管54和56可以是能够支撑和保持用于超导磁体的线圈的任意适合的线圈管。在一个实施例中，线圈50是主磁体线圈以及线圈52是补偿线圈或屏蔽线圈。线圈50和52的数量和定位可以随期望或需要而变化。

线圈50和52浸没在液He中，所述液He包含于部分26中，部分26为如上所述的缩减的容积。例如，部分26包括由介于部分24之间的部分26a限定的较大范围、由围绕线圈管54的区域26b和26c限定的较小间隙、以及由围绕线圈管56的区域26d和26e限定的附加的较小间隙，较小间隙以及附加的较小间隙围绕线圈管54和56周向延伸。

应该注意的是，形成部分24的结构，即限定储热器的结构，包括一个或多个支撑壁58。支撑壁58限定了用于储热器的边界(例如，容器22内物理上隔离的空间)，并可以由任何适合金属(例如，钢)或具有薄金属镀层的复合材料组成。在该实施例中，容器凸缘60由更薄的结构形成，其由支撑壁58(至少部分)支撑。例如，在一个实施例中，容器凸缘60由金属(例如，钢)形成，其具有介于约10mm和约20mm之间的厚度。

由部分24限定的储热器能可选地包括辅助冷却。在一些实施例中，辅助冷却包括多个冷却管62，它们与部分24(例如，支撑壁58)热接触。冷却管62可以在部分24内沿着支撑壁58固定，以使得冷却管62位于部分24内的致冷剂中。冷却管62经由一个或多个通道64与部分26流体连通。因此，在操作中，来自部分26的汽化的He可以在冷却管62内循环，其被部分24中的致冷剂冷却。冷却管62可以是任意形状和尺寸，以及可以由任意适合的材料(例如，铜)形成。

现在将具体参照图4-10来描述容器22的一种配置，图4-10也一般示出了形成容器22的一个组装过程。应该注意的是，图4-10所示的视图包括切掉的部分以示出结构的内部。

具体而言，图4示出了线圈管54，其配置为内部线圈管(主磁体线圈管)，其具有支撑于其上的线圈50(主磁体线圈)。如图5所示，可对线圈管54提供内层70，诸如薄金属层，以增加线圈管54的导热性。在该实施例中，并如图6所示，线圈管56配置为外部线圈管(补偿线圈管)，其具有支撑于其上的线圈52(补偿线圈)。因此，如图7所示，线圈管54和56是圆柱形的并同心对准以限定介于其间的空间72(例如，间隙)。提供线圈管54和56以使得空间72限定了用于在其中接收冷却组件74(例如，分开的冷却组件)的区域，冷却组件74包括部分24和26。可以看出，支撑壁58在其中间限定了储热器76，其填充有致冷剂，该致冷剂在多种实施例中是LN₂。应该注意的是，图7示出了分解图。

冷却组件74在支撑壁58之间包括一个或多个互连78。互连78配置为支撑线圈管54和56的同心对准以及布置的托架结构。互连78可以按不同的形状和尺寸形成以使得在储存器76的外侧和内侧之间限定通道80(例如，开口)，同时保持储存器76的独立范围。互连78形成了部分26的局部(如图3中26a所示)，其限定了致冷剂区域中的一个。

在一个组装过程中，通过对准线圈管54和56，如图8所示在空间72中插入冷却组件74。可以看出，通过将冷却组件74定位在空间中，限定部分26c内的另一范围，其提供与线圈50的流体接触。例如，液He覆盖线圈50以使得线圈50完全被覆盖并浸没在液He中。互连78还允许液He从部分26c流至部分26e。

外壳82耦合至图9所示的线圈管56的外圆周以限定部分26d，在其中也包括液He。在一个实施例中，组装过程包括耦合对准的部件的顶部和底部，例如，通过焊接容器凸缘60至同心对准部件的顶部和底部，从而限定形成多致冷剂容器结构的部分24和26。

应该注意的是，本文描述的配置和组装仅仅是说明性的。也可以提供其他的配置和组装方法。例如，可以改变定位和对准多种配件的顺序。另外，尽管多种实施例描述为使用具体的致冷剂，但可以提供不同的致冷剂和致冷剂量。

因此，提供用于MRI磁体的多致冷剂容器。在多种实施例中，可使用缩减的量的液He，以使得缩减的He容积仍能冷却线圈，缩减的He容积可以组合诸如LN₂的另一种致冷剂而提供。例如，在运送MRI系统时，诸如从工厂运送至医院，致冷剂的组合冷却保持冷却的线圈。在多种实施例中，例如，当MRI系统断电时，过渡期(rie-throughperiod)可以大于50小时。而且，在多种实施例中，在容器内具有大的容积的储热器可以填充比覆盖MRI磁体的线圈的致冷剂(例如，液He)更具成本效率的和更便宜的致冷剂(例如，LN₂)。

应该注意的是，尽管关于用于MRI系统的超导磁体可描述一些实施例，但多种实施例可以关于具有超导磁体的任意类型的系统来实现。该超导磁体可以在其他类型的医疗成像装置以及非医疗成像装置中实现。

因此，可以关于不同类型的超导线圈，诸如，用于MRI系统的超导线圈而实现多种实施例。例如，多种实施例可以通过与图11所示的MRI系统100一起使用的超导线圈实现。应该意识到的是，尽管系统100示意为单模态成像系统，但多种实施例可以在多模态成像系统中或通过多模态成像系统实现。系统100示出为MRI成像系统，并可以结合不同类型的医疗成像系统，诸如计算机层析成像(CT)、正电子发射层析成像(PET)、单光子发射计算机层析成像(SPECT)、以及超声系统、或能够生成图像(具体是人的图像)的任意其他系统。而且，多种实施例不限于用于对人类受检者成像的医疗成像系统，还可以包括用于对非人类对象、行李等成像的兽医学系统或非医疗系统。

参照图11，MRI系统100通常包括成像部分102和处理部分104，处理部分104可以包括处理器或其他计算装置或控制器装置。MRI系统100在机架106中包括超导磁体42，其由线圈形成，线圈可支撑在磁体线圈支撑结构上。容器22(其为本文描述的多致冷剂容器)围绕超导磁体42，以及例如由液He和LN₂填充，如本文更详细描述的那样。

提供热绝缘112围绕容器22的外表面和超导磁体42的内表面。在超导磁体42的内部提供有多个磁梯度线圈114，以及在所述多个磁梯度线圈114内提供RF传送线圈116。在一些实施例中，RF传送线圈116可以替换成传送线圈和接收线圈。机架106中的部件通常形成成像部分102。应该注意的是，尽管超导磁体42是圆柱形形状，然而也能够使用其他形状的磁体。

处理部分104通常包括控制器118、主磁场控制120、梯度场控制122、存储器124、显示装置126、传送-接收(T-R)开关128、RF传送器130以及接收器132。

在操作中，在合适的支撑(例如，患者台)上的孔134中，放置诸如待成像患者或人体模型的对象的身体。超导磁体46产生横穿孔134的均匀的和静态的主磁场B_o。控制器118通过主磁场控制120控制孔134中以及相应地患者中的电磁场的强度，主磁场控制120还控制对超导磁体42供给赋能电流。

提供磁梯度线圈114，其包括一个或多个梯度线圈元件，从而可以在超导磁体42内的孔134中的磁场B_o上施加在三个正交方向x、y、z中的任意一个或多个上的磁梯度。磁梯度线圈114由梯度场控制122赋能，以及还由控制器118控制。

RF传送线圈116，其可以包括多个线圈，布置成传送磁脉冲，和/或如果还提供了接收线圈元件(诸如配置为RF接收线圈的表面线圈)则可选地同时探测来自患者的MR信号。RF接收线圈可以是任意类型或配置，例如，单独的接收表面线圈。接收表面线圈可以是提供在RF传送线圈116中的RF线圈阵列。

RF传送线圈116和接收表面线圈可选地由T-R开关128分别互联至RF传送器130或接收器132中的一个。RF传送器130和T-R开关128由控制器118控制，以使得通过RF传送器130生成RF场脉冲或信号，并可选择地将其施加给患者，用于激励患者体内的磁共振。在RF激励脉冲施加给患者时，还促动T-R开关128以从接收器132断开接收表面线圈的连接。

在施加RF脉冲后，再一次促动T-R开关128以断开RF传送线圈116与RF传送器130的连接，以及连接接收表面线圈至接收器132。接收表面线圈操作，以探测或感测由患者内的被激励核产生的MR信号，并传输该MR信号至接收器132。这些探测的MR信号依次传输至控制器118。控制器118包括处理器(例如，图像重建处理器)，例如该处理器控制MR信号的处理以产生代表患者图像的信号。

还传输代表图像的处理信号至显示装置126以提供图像的视觉显示。具体而言，MR信号填充或形成k-空间，对其进行傅里叶变换以获得可视图像。然后将代表图像的处理信号传送至显示装置126。

要理解，以上描述只是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。另外，可对多种实施例的教导进行很多修改以适合具体情况或材料，而没有背离其范围。本文描述的尺寸和材料类型意在定义多种实施例的参数且决非限制，而只是示范性的。本领域技术人员在看了以上描述后，许多其它实施例对他们将是显然的。因此，多种实施例的范围应当参照所附权利要求连同这类权利要求涵盖的完整等效范围共同确定。在所附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的易懂英语对等词。此外，在所附权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等只用作标记，而不是意在对它们的对象施加数字要求。此外，所附权利要求的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不是意在根据美国专利法第112条第六款来解释，除非并直到这类要求权益的限制明确使用词语“用于...的部件”并跟随没有进一步结构的功能陈述。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的多种实施例，以及还使本领域技术人员能实践多种实施例，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。多种实施例可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果该示例包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则该示例规定为在权利要求的范围之内。

配件清单

20MRI磁体系统

22容器

24部分

26部分

28真空容器

30热屏蔽

32冷头

34冷头套筒

36电动机

38再凝结器

40通道

42磁体

46磁体

50线圈

52线圈

54线圈管

56线圈管

58支撑壁

60容器凸缘

62冷却管

64通道

70内层

72空间

74冷却组件

76储存器

78互连

80通道

82外壳

100MRI系统

102成像部分

104处理部分

106机架

112热绝缘

114磁梯度线圈

116RF传送线圈

118控制器

120主磁场控制

122梯度场控制

124存储器

126显示装置

128T-R开关

130RF传送器

132接收器

134孔

Claims

1.一种用于磁共振成像(MRI)磁体系统的冷却容器，所述冷却容器包括：

包含氦致冷剂的第一部分，其与MRI系统的多个磁体线圈接触；以及

第二部分，其与所述第一部分隔离并流体去耦合，所述第二部分包含不同于所述氦致冷剂的材料并具有比所述第一部分更大的容积；

还包括多个冷却管，其与所述第一部分流体连接并与所述第二部分热接触。

2.根据权利要求1所述的冷却容器，其中，所述第二部分限定包含液氮的储热器。

3.根据权利要求1所述的冷却容器，其中，所述第二部分中的所述材料具有比所述第一部分中的所述氦致冷剂更高的热容。

4.根据权利要求1所述的冷却容器，还包括彼此同心对准的圆柱形内部线圈管和圆柱形外部线圈管，所述线圈管支撑所述多个磁体线圈，以及其中所述第一部分和第二部分配置为插入所述线圈管之间的冷却组件。

5.根据权利要求4所述的冷却容器，其中，所述冷却组件包括一个或多个互连，其提供所述内部线圈管和外部线圈管的所述磁体线圈之间的流体连通。

6.根据权利要求5所述的冷却容器，其中，所述一个或多个互连包括托架结构，其配置成支撑所述内部线圈管和外部线圈管的位置。

7.根据权利要求5所述的冷却容器，其中，所述一个或多个互连还限定所述第一部分和第二部分之一内的以及主磁体线圈(50)和补偿线圈之间的流体通道。

8.根据权利要求1所述的冷却容器，其中，所述第二部分中的所述材料是超导温度下为固态形式的致冷剂。

9.根据权利要求1所述的冷却容器，其中，所述第二部分包含氮并配置为储热器，以及所述氮在所述MRI磁体系统的操作期间为固态。