CN103035352A - 一种双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其上、下低温容器（1、2）内均安装有所述的超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7）。超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7）关于两个低温容器的中心对称平面（3）对称布置。上、下低温容器（1、2）中，靠近中心对称平面（3）的真空容器（14）的表面开有阶梯式凹槽（22），磁场矫正铁环（15）、匀场铁片（16）、室温匀场线圈（17）、梯度线圈（18）和射频线圈（19）安装在所述的凹槽（22）内；上、下低温容器（1、2）远离中心对称平面的真空容器（14）的表面的凹槽（23）中装有匀场铁片（16）；上低温容器（1）远离中心对称平面的真空容器（14）的表面的凹槽（23）中心位置处安装制冷机（20）。

Description

一种双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统

技术领域

本发明涉及一种开放式磁共振成像超导磁体系统。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)一般需要在直径为40~50cm球域内产生磁场峰峰值不均匀度优于20ppm（parts per million,ppm）的高均匀度磁场分布。应用于磁共振成像系统的超导磁体系统需要在一个狭小的空间内合理布置超导线圈，使得超导线圈产生的空间磁场均匀度满足要求，同时使得5高斯杂散场的范围小于要求的范围内。

磁共振成像设备超导磁体系统有两种类型，即：水平温孔型和双平面开放型。水平温孔型超导磁体系统在中心位置处提供一个圆柱形开放空间，由于超导线的利用率较高，因此系统的建造成本相对较低；双平面开放型超导磁体系统的超导线圈安装在两个对称的平面形状的低温系统内，两低温系统的间隙提供了病人诊断所需的开放空间，这种类型的超导磁体系统，超导线利用率较低，因此系统所提供的中心磁场强度相对较低且造价较高。大量临床实验表明患者在进行磁共振成像诊断时，由于超导磁体系统所提供的开放空间不足，因此普遍表现出紧张、不安等幽闭症现象。所以近些年，双平面型开放式磁共振成像技术成为各大商业公司在技术领域竞争的热点。双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统设计的难点在于如何在空间内合理布置超导线圈的位置，在一个较大的均匀区范围内产生磁场强度较高（大于0.5T）且均匀度优于20ppm的高均匀空间磁场分布。

中国专利CN1602431A提出一种开放式磁共振成像系统，其上、下低温系统内表面开有凹槽安装梯度线圈，超导线圈安装两个壳体内，超导线圈的运行需要消耗低温液体来维持系统的运行，系统的长期运行需要间断性补充低温液体。中国专利CN102360690A提出了一种自屏蔽开放式磁共振超导磁体系统，磁体在360mm均匀区域内可提供1～1.5T的中心磁场，5高斯杂散场限制在半径为5m范围内，该系统所提供的成像区域较小。美国专利US5936498为日本日立公司提出了一种开放式超导磁共振成像设备，磁体系统的漏磁场通过反铁磁材料构成磁场回路以降低漏磁场的范围，造成整机体积和重量较大；美国专利US2002/0050820A1为Philips公司提出的一种C型开放式超导磁共振成像设备，该系统通过超导线圈产生所需要的磁场强度，超导线圈安装在两个壳体内，两个壳体之间通过铁轭连接，整机为C型结构，通过铁轭构成磁通回路降低杂散场，铁轭同时用以支撑两个低温容器之间的相互作用力，该C型系统造成开放性不足和需要大量铁造成整机重量过大等缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有开放式磁共振超导磁体系统中心磁场强度低、杂散场范围大以及开放性不足等缺点，提出一种双平面型开放式自屏蔽磁共振成像超导磁体系统。本发明所述的超导磁体系统可获得满足全身成像的开放空间，适用于全身医疗成像和开展介入式手术的需求。

本发明所提出的双平面型开放式超导磁体系统主要由超导主线圈、超导屏蔽线圈、上低温容器、下低温容器、磁场矫正铁环、匀场铁片、室温匀场线圈、梯度线圈、射频线圈，以及制冷机组成。超导主线圈由三对同轴的螺线管线圈组成，超导屏蔽线圈由一对同轴螺线管线圈组成，超导主线圈和超导屏蔽线圈均以中心轴为对称轴。上低温容器、下低温容器内均安装有超导主线圈和超导屏蔽线圈，关于两个低温容器的中心对称平面对称布置。上低温容器和下低温容器为两个平面型的壳体，称为双平面型开放式系统，双平面型开放式系统大大提高了超导磁体系统的开放性。超导主线圈和超导屏蔽线圈共同在中心椭球区域产生高度均匀的磁场分布。在同一个低温容器内，为了降低线圈的绕制难度，通过一根超导线绕制超导主线圈，超导主线圈由三对同轴的螺线管线圈组成，为此采用阶梯式结构，三对同轴的螺线管线圈中，半径最大的一对螺线管线圈布置在靠近两个低温容器的中心对称平面的位置，半径较小的一对螺线管线圈布置在距离两个低温容器的中心对称平面稍远的位置，半径最小的一对螺线管线圈距离两个低温容器的中心对称平面最远，三对螺线管线圈在垂直方向相互之间没有重叠。三对螺线管线圈绕制在阶梯形的超导主线圈骨架上，使超导主线圈绕制成阶梯式形状。所述超导主线圈骨架的主要功能是提供超导主线圈绕制时的定位和支撑超导主线圈通电过程所受到的电磁作用力。上低温容器和下低温容器内的超导线圈骨架关于两个低温容器的中心对称平面对称布置。超导主线圈骨架和液氦罐在重叠处焊接连接，超导屏蔽线圈绕制在独立的超导屏蔽线圈骨架上。超导主线圈骨架和超导屏蔽线圈骨架通过定位连接件连接，并且通过定位连接件上的调节螺钉调整两个骨架之间的垂直距离，以补偿由于线圈绕制过程所引起的磁场不均匀度。上低温容器和下低温容器在圆周方向每隔45度均安装一个定位连接件。在上低温容器和下低温容器中都包括有一个真空容器，靠近两个低温容器的中心对称平面的真空容器表面开有凹槽，凹槽的半径不同，靠近两个低温容器的中心对称平面处的凹槽半径较大，远离两个低温容器的中心对称平面处的凹槽半径较小，半径比约为2:1，呈阶梯式。所述的凹槽用以安装磁场矫正铁环、匀场铁片、室温匀场线圈、梯度线圈和射频线圈，其中，匀场铁片安装在距离两个低温容器的中心对称平面最远处半径较小的凹槽内，用以矫正磁场均匀性。从匀场铁片位置至两个低温容器的中心对称平面依次布置室温匀场线圈、梯度线圈和射频线圈。磁场矫正铁环安装在所述凹槽内最大半径处。室温匀场线圈用以进一步矫正磁场均匀性，梯度线圈由三组铜线圈绕制，以提供磁场的三维定位，射频线圈提供射频场。在上低温容器和下低温容器远离所述的中心对称平面的表面开有凹槽，此凹槽用以安装磁场矫正铁环，以进一步矫正中心区域的磁场分布。在上低温容器远离所述的中心对称平面表面的凹槽中心处安装制冷机，制冷机的制冷功率大于整个开放式磁共振成像超导磁体系统的漏热，以实现液氦的零挥发。

本发明可在垂直和水平方向分别为40cm和50cm的中心椭球区域内产生垂直方向磁感应强度为0.7T~1.0T的高均匀度磁场分布，其磁场峰峰值不均匀度优于15ppm，5高斯杂散场在水平方向和垂直方向被限制在4.5m和3.5m的椭球范围内，超导主线圈和超导屏蔽线圈分别对称安装在两个低温容器内，低温容器间可提供大于45cm的有效间隙以满足病人全身成像诊断需求。

附图说明

图1本发明实施例的结构示意图；

图2本发明实施例的外观示意图；

图3本发明实施例超导主线圈和超导屏蔽线圈间的定位连接件示意图；

图4本发明实施例在空间产生的磁场不均匀度为±7.5ppm等高线图；

图5本发明实施例在空间产生的5高斯杂散场等高线图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统的实施例结构示意图。如图1所示，本发明超导磁体系统主要由超导主线圈6、超导屏蔽线圈7、上低温容器1、下低温容器2、磁场矫正铁环15、匀场铁片16、室温匀场线圈17、梯度线圈18、射频线圈19，以及制冷机20组成。上低温容器1和下低温容器2均由液氦罐12、冷屏13和真空容器14组成，上低温容器1和下低温容器2中，由内至外分别布置液氦罐12、冷屏13和真空容器14，液氦罐12中灌注液氦。上低温容器1和下低温容器2之间通过两个相隔180度的立柱21连接，立柱21为中空的圆柱形结构，立柱21的内部空间为连通上低温容器1和下低温容器2的液氦通道，立柱21还具备支撑两个低温容器间相互作用力的功能。超导主线圈6由三对同轴布置的的螺线管线圈组成，超导屏蔽线圈7由一对同轴螺线管线圈组成，超导主线圈6和超导屏蔽线圈7均以中心轴4为对称轴，上低温容器1和下低温容器2各安装有超导主线圈6和超导屏蔽线圈7，超导主线圈6、超导屏蔽线圈7、上低温容器1和下低温容器2均关于两个低温容器的中心对称平面3对称，两个低温容器的中心对称平面3和对称轴4垂直。超导主线圈6和超导屏蔽线圈7分别绕制在各自的线圈骨架上，上低温容器1和下低温容器2内均安装有超导主线圈6和超导屏蔽线圈7。超导主线圈6采用一根超导线连续绕制，超导主线圈6在垂直方向相互之间没有重叠。超导主线圈骨架8为阶梯式骨架。为了有效利用低温容器内的空间，将超导主线圈骨架8和液氦槽12在两者的重叠处焊接连接。超导主线圈6和超导屏蔽线圈7均浸泡在上低温容器1和下低温容器2内的液氦中。超导屏蔽线圈7单独绕制在超导屏蔽线圈骨架9上，超导主线圈骨架8和超导屏蔽线圈骨架9之间通过定位连接件10连接，调节定位连接件10的调节螺钉11可调节两个骨架在垂直方向的间距。在上低温容器1和下低温容器2中的真空容器14靠近中心对称平面的表面处开有阶梯式凹槽22，所述的凹槽22的半径不同，靠近两个低温容器的中心对称平面处半径较大，远离两个低温容器的中心对称平面处半径较小，半径比约为2:1，呈阶梯形。凹槽22半径较小处安装匀场铁片16，匀场铁片16为正方形薄片组，由电工纯铁材料制成。正方形薄片组分散粘贴在凹槽半径较小处。在凹槽22半径最大处放置磁场矫正铁环15，磁场矫正铁环15由电工纯铁制作。在匀场铁片16向两个低温容器的中心对称平面3方向依次安装均由铜线绕制成的室温匀场线圈17、梯度线圈18和射频线圈19。在上低温容器1和下低温容器2远离中心对称平面的表面开有凹槽23，在该凹槽23中安装磁场矫正铁环15，同时在上低温容器1的上外表面凹槽23的中心位置安装制冷机20，制冷机20的制冷量大于整个开放式磁共振成像超导磁体系统的漏热，从而实现液氦的零挥发。

图2为双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统实施例的外观图。上低温容器1和下低温容器2可提供大于45cm的垂直间隙。

图3为双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统实施例超导主线圈和超导屏蔽线圈间的定位连接件10的结构示意图。上低温容器1和下低温容器2在圆周方向每隔45度均安装一个定位连接件10。超导主线圈骨架8和超导屏蔽线圈骨架9通过定位连接件10连接。所述的定位连接件10的一端安装在超导主线圈骨架8上，定位连接件10的另一端安装在超导屏蔽线圈骨架9上，通过调节定位连接件10上的调节螺钉11调整超导主线圈骨架8和超导屏蔽线圈骨架9之间的垂直间距，以补偿由于超导主线圈6和超导屏蔽线圈7绕制误差所带来的磁场不均匀分量的影响。

图4为双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统实施例在空间产生的磁场不均匀度为±7.5ppm等高线图。该实施例中的三对超导主线圈和一对超导屏蔽线圈共同在中心椭球区域产生磁场峰峰值不均匀度为15ppm的高均匀度磁场分布，椭球区域在水平方向和垂直方向的长度分布为50cm和40cm。

图5为双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统实施例在空间产生的5高斯杂散场等高线图。5高斯杂散场等高线在水平方向和垂直方向距离中心距离分别为4.2m和3.5m。

Claims (8)

1.一种双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的超导磁体系统主要由超导主线圈（6）、超导屏蔽线圈（7）、上低温容器（1）、下低温容器（2）、磁场矫正铁环（15）、匀场铁片（16）、室温匀场线圈（17）、梯度线圈（18）、射频线圈（19），以及制冷机（20）组成；所述的超导主线圈（6）由三对同轴的螺线管线圈组成；所述的超导屏蔽线圈（7）由一对同轴螺线管线圈组成；超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7）均以中心轴（4）为对称轴；所述的上低温容器（1）和下低温容器（2）内均安装有所述的超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7），所述的超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7）关于两个低温容器的中心对称平面（3）对称布置；两个低温容器的中心对称平面（3）和所述的对称轴（4）垂直；上低温容器（1）和下低温容器（2）靠近中心对称平面（3）的真空容器（14）的表面开有凹槽（22），磁场矫正铁环（15）、匀场铁片（16）、室温匀场线圈（17）、梯度线圈（18）和射频线圈（19）安装在所述的凹槽（22）内；上、下低温容器（1、2）远离中心对称平面的真空容器（14）的表面的凹槽（23）中装有匀场铁片（16）；上低温容器（1）远离中心对称平面的真空容器（14）的表面的凹槽（23）中心位置处安装制冷机（20）。

2.按照权利要求1所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的匀场铁片（16）安装在所述的上低温容器（1）和下低温容器（2）靠近中心对称平面（3）的真空容器（14）的表面的凹槽（22）半径较小处；在匀场铁片（16）向两个低温容器的中心对称平面（3）方向上依次安装室温匀场线圈（17）、梯度线圈（18）和射频线圈（19）；在所述的凹槽（22）半径最大处放置磁场矫正铁环（15）。

3.按照权利要求2所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的匀场铁片（16）为正方形薄片组，正方形薄片组分散地粘贴在所述的上低温容器（1）和下低温容器（2）靠近中心对称平面（3）的真空容器（14）的表面的凹槽（22）半径较小处。

4.按照权利要求1所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的超导主线圈（6）的三对螺线管线圈中，半径最大的一对螺线管线圈布置在靠近两个低温容器的中心对称平面的位置，半径较小的一对螺线管线圈布置在距离两个低温容器的中心对称平面稍远的位置，半径最小的一对螺线管线圈距离两个低温容器的中心对称平面最远，三对螺线管线圈在垂直方向相互之间没有重叠；三对所述的螺线管线圈采用一根超导线连续绕制在超导主线圈骨架（8）上，呈现阶梯式形状。

5.按照权利要求4所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的超导主线圈骨架（8）和低温容器的液氦罐（12）在重叠处焊接连接。

6.按照权利要求1或5所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的超导屏蔽线圈（7）绕制在独立的超导屏蔽线圈骨架（9）上；所述的超导主线圈骨架（8）和超导屏蔽线圈骨架（9）之间通过定位连接件（10）连接；上低温容器（1）和下低温容器（2）在圆周方向每隔45度安装一个定位连接件（10）。

7.按照权利要求6所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的定位连接件（10）的一端安装在超导主线圈骨架（8）上，定位连接件（10）的另一端安装在超导屏蔽线圈骨架（9）上，通过调节定位连接件（10）上的调节螺钉（11），调整超导主线圈骨架（8）和超导屏蔽线圈骨架（9）在之间的垂直间距，以补偿由于超导主线圈（6）和超导屏蔽线圈（7）绕制误差所带来的磁场不均匀分量的影响。

8.按照权利要求1所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统，其特征在于，所述的制冷机（20）的制冷功率大于所述的双平面型开放式磁共振成像超导磁体系统的漏热，实现液氦的零挥发。

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