CN103065758B - 一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体 - Google Patents
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Abstract
一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，由超导正向主线圈(2.1、2.2、3)、超导反向主线圈(4)、超导屏蔽线圈(5)、超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)组成。所有线圈均安装在预布置线圈区域(1)范围内。超导正向主线圈(2.1、2.2、3)、超导反向主线圈(4)和超导屏蔽线圈(5)通电情况下，在直径为30cm的球形成像区域(10)内产生磁场强度为1.5T、磁场峰峰值不均匀度为10ppm的空间磁场分布。超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)产生的矫正磁场使得直径为50cm的球形成像区域(11)内的磁场峰峰值不均匀度由777ppm提高至10ppm。预布置线圈区域(1)的轴向长度、内直径和外直径分别为1.10m、1.00m和1.75m，满足全身成像的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像超导磁体。
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。磁共振成像超导磁体均由螺线管型线圈组成，超导磁体提供一个直径大于70cm的空心圆柱形室温孔以实现患者全身成像的需求。患者在进行磁共振成像时，需从狭长室温孔的一端进入中心磁场均匀区域进行成像诊断，大量临床实验表明患者在进行磁共振成像诊断时，普遍出紧张、不安等幽闭症现象，如何提高超导磁体系统的开放性，已经成为各大商业公司在技术领域竞争的热点。
提高磁共振成像系统的开放性主要通过两种结构的超导磁体，其一为双平面型结构，即超导线圈分别对称安装在两个平面性的低温系统内，两个低温系统之间提供一个较大的开放空间，由于开放空间较大而导致超导线圈的磁场利用率较低，因此该种类型的超导磁体所产生的中心磁场一般低于1.2T；另一种类型为具有水平方向室温孔的短腔超导磁体系统，该种类型的超导磁体是通过在超导主线圈中添加一对或多对通以反向电流的线圈来降低超导磁体的轴向长度，从而提高超导磁体的开放空间。
美国专利5045826提供一种自屏蔽磁共振超导磁体，其超导磁体有内层超导主线圈和外层屏蔽线圈组成，超导主线圈全通正向电流，超导屏蔽线圈通反向电流，其超导磁体结构为传统结构，因此超导磁体的轴向长度较长而影响系统开放性的提高。美国专利US005818319提出一种磁共振超导磁体，该专利给出的设计案例中线圈结构较为复杂，内层由五对超导主线圈和两对超导屏蔽线圈组成，五对超导主线圈中有四对线圈通正向电流和一对线圈通反向电流，并且主线圈的内直径仅为86cm，无法满足全身成像的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有磁共振成像超导磁体系统开放性不足的缺点，提出一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体。
本发明超导磁体由超导正向主线圈、超导反向主线圈、超导屏蔽线圈、超导轴向匀场线圈组和超导径向匀场线圈组组成。超导正向主线圈、超导反向主线圈、超导屏蔽线圈、超导轴向匀场线圈组和超导径向匀场线圈组均安装在具有矩形截面的预布置线圈空间范围内。超导正向主线圈和超导反向主线圈均布置在预布置线圈区域的矩形截面径向最小位置处，以对称平面为中心沿着轴向向两侧依次布置第三超导正向主线圈、第二超导正向主线圈、超导反向主线圈和第一超导正向主线圈。超导屏蔽线圈布置在预布置线圈区域的矩形截面的径向距离最大且距离对称平面最远的两端部位置处；超导轴向匀场线圈的直径为预布置线圈区域矩形截面的内直径和外直径的平均值，超导径向匀场线圈的的直径比超导轴向匀场线圈的直径大5cm，超导轴向匀场线圈和超导径向匀场线圈的轴向长度相同且均短于预布置线圈区域矩形截面的轴向长度。超导轴向匀场线圈组包括一阶、二阶和三阶轴向匀场线圈，径向匀场线圈组包括一阶和二阶径向匀场线圈。
本发明超短腔超导磁体通过在超导正向主线圈中添加一对超导反向主线圈，使得超导磁体的轴向长度仅为1.10m，其内直径和外直径分别为1.00m和1.75m。超导正向主线圈、超导反向主线圈和超导屏蔽线圈共同作用产生中心磁场为1.5T，并在直径为30cm和50cm的球形成像区域内分别产生磁场峰峰值不均匀度为10ppm和777ppm的高均匀度磁场分布，通过超导轴向匀场线圈和超导径向匀场线圈产生的具有特殊磁场位形的矫正磁场叠加于高均匀度的磁场分布上，使得直径为50cm的球形成像区域的磁场峰峰值不均匀度由777ppm提高至10ppm，满足人体全身成像的需求。该超导磁体可通过制冷机进行传导冷却，以实现在液氦的零挥发，解决液氦资源短缺的问题。
传统1.5T全身成像磁共振超导磁体的轴向长度在1.40m~1.60m，本发明所提出的超导磁体轴向长度仅为1.10m，可将传统超导磁体的轴向长度缩短21.42%~31.25%，较大幅度地提高了超导磁体的开放空间。
附图说明
图1本发明实施例的超短腔超导磁体的结构示意图；
图2本发明实施例的超短腔超导磁体在超导正向主线圈、超导反向主线圈和超导屏蔽线圈通电的情况下，在直径为30cm和50cm的球形成像区域分别产生的磁场峰峰值不均匀度等高线分布示意图；
图3本发明实施例的超短腔超导磁体产生的5高斯杂散场等高线分布示意图。
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为本发明实施例的超短腔超导磁体的结构示意图。如图1所示，超短腔超导磁体由超导正向主线圈，超导反向主线圈4，超导屏蔽线圈5，超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7组成。超导正向主线圈、超导反向主线圈4和超导屏蔽线圈5、超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7均布置在具有矩形截面的预布置线圈区域1范围内。预布置线圈区域1的轴向长度、内直径和外直径分别为1.10m、1.00m和1.75m。超导正向主线圈、超导反向主线圈4、超导屏蔽线圈5、超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7均由低温NbTi超导线绕制而成。超导正向主线圈，超导反向主线圈4，超导屏蔽线圈5均为螺线管线圈，螺线管线圈中加载的电流方向与对称轴8符合右手定则，则定义为正向电流，不符合右手定则，则定义为反向电流。超导正向主线圈由两对关于对称平面9正对称的第一超导正向主线圈2.1、第二超导正向主线圈2.2和一个第三超导正向主线圈3组成，第三超导正向主线圈3的线圈中平面与对称平面9重合。超导正向主线圈中均通正向电流；超导反向主线圈4由一对关于对称平面9正对称的螺线管线圈组成，超导屏蔽线圈5由一对关于对称平面9正对称的螺线管线圈组成，超导反向主线圈4和超导屏蔽线圈5均通反向电流。超导正向主线圈和超导反向主线圈4均布置在预布置线圈区域1的矩形轴向截面径向最小位置处；以对称平面9为中心沿轴向向两侧依次布置第三超导正向主线圈3、第二超导正向主线圈2.2、超导反向主线圈4和第一超导正向主线圈2.1，第三超导正向主线圈3的线圈中平面与对称平面9重合。一对超导屏蔽线圈5分别布置在预布置线圈区域1矩形截面的径向距离最大且距离对称平面9最远的两端部位置处。超导轴向匀场线圈组6由一阶、二阶和三阶轴向线圈组成，超导径向匀场线圈组7由一阶和二阶径向匀场线圈组成。超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7分别安装在两个薄壁的圆筒状骨架上，两个骨架均以对称轴8为中心轴，并且均以对称平面9为骨架的中平面；超导轴向匀场线圈组6骨架的直径为预布置线圈区域1矩形截面的内直径和外直径的平均值，超导径向匀场线圈组7骨架的直径比超导轴向匀场线圈组6的骨架的直径大5cm，超导轴向匀场线圈组6骨架和超导径向匀场线圈组7骨架的轴向长度相同且均短于预布置线圈区域1矩形截面的轴向长度。一阶、二阶和三阶轴向匀场线圈均由两对关于对称平面9对称的单层螺线管线圈组成，四个螺线管线圈并列地安装在超导轴向匀场线圈组6的骨架上，并在轴向方向有间隙。一阶轴向匀场线圈安装在超导轴向匀场线圈组6骨架上的内层，二阶轴向匀场线圈安装在一阶轴向匀场线圈的外层，三阶轴向匀场线圈安装在二阶轴向匀场线圈的外层。超导径向匀场线圈组7的一阶和二阶径向匀场线圈均由单层的鞍形线圈组成，一阶径向匀场线圈安装在超导径向匀场线圈组7骨架上的内层上，二阶径向匀场线圈安装在一阶径向匀场线圈层。超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7共同作用使得直径为50cm的球形成像区域11内的磁场峰峰值不均匀度由777ppm提高至10ppm。超导轴向匀场线圈组6的功能是产生与轴向坐标z相关的矫正磁场分布，超导径向匀场线圈组7的功能是产生与径向坐标r相关的矫正磁场分布，超导轴向匀场线圈组6和超导径向匀场线圈组7共同作用产生矫正磁场，用以矫正由于超导正向主线圈、超导反向主线圈4和超导屏蔽线圈5的绕制公差和低温冷缩所导致的磁场不均匀度，最终可使得直径为50cm的球形成像区域11范围内的磁场峰峰值不均匀度由777ppm提高至10ppm，以满足人体全身成像的需求。
图2为本发明实施例的超短腔超导磁体在超导正向主线圈、超导反向主线圈和超导屏蔽线圈通电的情况下，在直径为30cm和50cm的球形成像区域分别产生的磁场峰峰值不均匀度等高线分布示意图。如图2所示，在直径为30cm和50cm的球形成像区域产生的磁场峰峰值不均匀度分别为10ppm和777ppm。
图3为本发明实施例的超短腔超导磁体产生的5高斯杂散场等高线分布示意图。如图3所示，超短腔超导磁体产生的5高斯杂散场在径向和轴向分别限制在2.5m和4.0m的椭球范围内。
Claims (5)
1.一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，其特征在于所述的超导磁体由超导正向主线圈、超导反向主线圈(4)、超导屏蔽线圈(5)、超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)组成；超导正向主线圈、超导反向主线圈(4)、超导屏蔽线圈(5)、超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)均布置在具有矩形截面的预布置线圈区域(1)范围内；超导正向主线圈、超导反向主线圈(4)和超导屏蔽线圈(5)共同作用产生磁场强度为1.5T，并在直径为30cm的球形成像区域(10)和50cm的球形成像区域(11)内分别产生磁场峰峰值不均匀度为10ppm和777ppm的高均匀度磁场分布；通过超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)产生的矫正磁场，使得直径为50cm的球形成像区域(11)内的磁场峰峰值不均匀度提高至10ppm；
所述的超导正向主线圈由两对关于对称平面(9)正对称的第一超导正向主线圈(2.1)、第二超导正向主线圈(2.2)和第三超导正向主线圈(3)组成，第一超导正向主线圈(2.1)和第二超导正向主线圈(2.2)分别为一对螺线管线圈，第三超导正向主线圈(3)为一个螺线管线圈；组成所述的超导正向主线圈的螺线管线圈(2.1、2.2、3)中均通正向电流；超导反向主线圈(4)为一对关于对称平面(9)正对称的螺线管线圈组成，超导屏蔽线圈(5)为一对关于对称平面(9)正对称的螺线管线圈组成，超导反向主线圈(4)和超导屏蔽线圈(5)均通反向电流；
所述的超导轴向匀场线圈组(6)由一阶、二阶和三阶轴向匀场线圈组成；所述的超导径向匀场线圈组(7)由一阶和二阶径向匀场线圈组成。
2.按照权利要求1所述的一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，其特征在于所述的超导正向主线圈和超导反向主线圈(4)均布置在预布置线圈区域(1)的矩形截面径向最小位置处；以对称平面(9)为中心沿轴向向两侧依次布置第三超导正向主线圈(3)、第二超导正向主线圈(2.2)、超导反向主线圈(4)和第一超导正向主线圈(2.1)；所述的第三超导正向主线圈(3)的中平面与对称平面(9)重合；一对超导屏蔽线圈(5)分别布置在预布置线圈区域(1)矩形截面的径向距离最大且距离对称平面(9)最远的两端部位置处。
3.按照权利要求1所述的一种超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，其特征在于所述的超导轴向匀场线圈组(6)和超导径向匀场线圈组(7)分别安装在两个薄壁的圆筒状骨架上，两个骨架均以对称轴(8)为中心轴，并且均以对称平面(9)为骨架的中平面；超导轴向匀场线圈组(6)骨架的直径为预布置线圈区域(1)矩形截面的内直径和外直径的平均值，超导径向匀场线圈组(7)骨架的直径比超导轴向匀场线圈组(6)的骨架的直径大5cm，超导轴向匀场线圈组(6)骨架和超导径向匀场线圈组(7)骨架的轴向长度相同且均短于预布置线圈区域(1)矩形截面的轴向长度。
4.按照权利要求1所述的超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，其特征在于所述的超导轴向匀场线圈组(6)的一阶、二阶和三阶轴向匀场线圈均由两对关于对称平面(9)对称的单层螺线管线圈组成，四个螺线管线圈并列安装在超导轴向匀场线圈组(6)的骨架上，并在轴向方向有间隙；一阶轴向匀场线圈安装在超导轴向匀场线圈组(6)骨架上的内层，二阶轴向匀场线圈安装在一阶轴向匀场线圈的外层，三阶轴向匀场线圈安装在二阶轴向匀场线圈的外层。
5.按照权利要求1所述的超短腔自屏蔽磁共振成像超导磁体，其特征在于所述的超导径向匀场线圈组(7)的一阶和二阶径向匀场线圈均由单层的鞍形线圈组成，一阶径向匀场线圈安装在超导径向匀场线圈组(7)骨架上的内层，二阶径向匀场线圈安装在一阶径向匀场线圈的外层。
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