CN103454604A - 磁共振系统的支架式罐形磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支架式罐形磁体，其包括：磁体线圈和线圈架，线圈架由非金属材料制成，非金属材料和磁体线圈的热收缩系数相同。支架式罐形磁体还包括冷却循环体，冷却循环体包括两个呈半圆柱形的完全相同的独立组件，每个独立组件包括多个冷管、一个制冷剂入口管、一个制冷剂出口管和多个夹具，冷管呈半圆形并与狭槽匹配；冷管上设有多个导热件，导热件垂直设置在冷管内侧；制冷剂入口管和制冷剂出口管垂直安装于冷管的两端并与冷管连通；夹具设置于制冷剂入口管和制冷剂出口管上。应用本发明所述方案，解决了金属材料和非金属材料由于热力收缩系数上存在差异而导致的超导磁体失超的问题，同时易于制造而且能够确保装配精度。

Description

磁共振系统的支架式罐形磁体
技术领域
本发明大体涉及磁共振技术，具体涉及磁共振系统的磁体，尤其是支架式罐形磁体。
背景技术
MRI系统利用超导磁体来产生强大的、均匀的磁场，患者或者其他受检对象（subject）被置于该磁场内。梯度线圈和射频传送和接收线圈继而影响受检者中的旋磁（gyromagnetic）物质，从而激发能够用于形成有用图像的信号。其他使用这样的线圈的系统包括光谱系统、磁能存储系统以及超导发生器。
在现有技术中，使用MRI时，将超导磁体放置在低温保持器（cryostat）中，该低温保持器包括热屏蔽和真空容器，在工作期间所述热屏蔽和真空容器将磁体与外部环境隔离开。该超导磁体还具有在冷却用的氦容器和冷气团（cold mass）中支撑线圈的线圈支撑结构。该氦容器是位于用于热隔离的真空容器内的压力容器，并且通常包含液氮，用于为超导磁体提供冷却，以将温度保持在大约4.2开尔文，以供超导工作。由于液氦是稀缺资源，其高额成本已经明显的影响到磁共振成像在医疗保健领域的应用。因此减少液氦在超导磁体中的应用已经成为热门的研发课题。相对于传统的磁体冷却方法，在冷却管道中使用少量的液氦循环冷却由于能够有效减少液氦使用量，成为一种颇具前景的磁体冷却方法。
然而，在这种方法中，超导磁体的热稳定性成为一个决定性的问题。在临床扫描的应用中，梯度线圈将会传递多余的涡流热量到磁体，由此导致超导线圈热熄火。因此，如何减少涡流并有效冷却超导线圈是实施这个方法的核心任务。
很多专利已经提出了在冷却管道中使用少量的液氦循环冷的解决方案，例如：公开号US7449889、US7319327、US7319329和US20090033450的美国专利申请，都描述了在冷却管道与磁体线圈接触的冷却方式中如何减少涡流导热和提高冷却效率的方法。由上述专利技术可知，使用非金属的线圈架和悬挂结构可以大大的减少涡流热量并提高冷却效率，但是金属材料与非金属材料通常在热力收缩系数上存在很大差异，因此使超导线圈承受较大的热力收缩产生的表面压力，但在现有技术中尚未提出相应解决方案。
同时，上述专利都没有提到制造的精确性问题，但实际上制造的精确性却很大程度上影响着磁场均匀性、磁体线圈在热力收缩和电磁作用下的表面压力。虽然公开号US7319329的美国专利介绍了一种减少磁力线圈和线圈架之间热传导的方法，但是这种方法实施起来相当复杂，并且除非具有相当高度的制造工艺否则难以确保装配精度，使得这种方法难以实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种磁共振系统的支架式罐形磁体，该磁共振系统的支架式罐形磁体能够在减少涡流并有效冷却超导线圈，解决了金属材料和非金属材料由于热力收缩系数上存在的差异而导致的超导磁体失超的问题，同时本磁共振系统的支架式罐形磁体不仅易于制造而且能够确保装配精度。
为达到上述目的，一种支架式罐形磁体，包括磁体线圈、线圈架和冷却循环体，其中，线圈架包括多个狭槽，所述磁体线圈缠绕在多个狭槽中，其中，线圈架由非金属材料制成，并且非金属材料的热收缩系数和磁体线圈的热收缩系数之差小于或等于磁体线圈的热收缩系数的10%。
较佳地，冷却循环体由两个独立组件接合起来构成，其中每个独立组件包括多个冷管、一个制冷剂入口管、一个制冷剂出口管和多个夹具，其中，多个冷管呈半圆环形并且与狭槽匹配；制冷剂入口管和制冷剂出口管分别安装于多个冷管的两端并且与多个冷管连通；所述多个夹具设置于制冷剂入口管和制冷剂出口管上，用于接合两个独立组件。
较佳地，两个独立组件完全相同。
较佳地，在冷管的内侧垂直于冷管均匀设有多个宽度与狭槽内径匹配的金属的导热件，导热件直接与磁体线圈接触。
较佳地，导热件为片状或柱状。
较佳地，非金属材料是聚苯硫醚。
较佳地，支架式罐形磁体由树脂封装起来。
较佳地，树脂中掺有玻璃珠。
应用本发明所述方案，解决了金属材料和非金属材料由于热力收缩系数上存在差异而导致的超导磁体失超的问题，同时易于制造而且能够确保装配精度。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体。
图2A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架的侧视图。
图2B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和线圈安装工具的立体图。
图3A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架的侧视图。
图3B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和磁体线圈的立体图。
图4A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体的侧视图。
图4B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体的单个独立组件的立体图。
图5A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体及其夹具的侧视图。
图5B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的立体图。
具体实施方式
针对背景技术所述的现有技术中的问题，本发明提出一种磁共振系统的支架式罐形磁体，这种支架式罐形磁体包括磁体线圈、线圈架和冷却循环体。以下通过具体实施例详细介绍本发明。图1为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体。
如图1所示，支架式罐形磁体100包括磁体线圈101、线圈架102和冷却循环体103。其中，磁体线圈101缠绕在线圈架102的多个狭槽109中，从而在超导环境下通电后产生超导磁场。
线圈架102总体呈圆柱状，线圈架102的两端及中部设置有多个彼此平行并且垂直于线圈架102的中轴线的圆形的狭槽109，狭槽109用于缠绕磁体线圈101。线圈架102由非金属材料制成，该非金属材料的热收缩系数与磁体线圈101的热收缩系数相同或相近，否则线圈架102和磁体线圈101之间的热力收缩可能磁体失超。在本具体实施例中，该非金属材料的热收缩系数与磁体线圈的热收缩系数之差小于或等于磁体线圈的热收缩系数的10%。为了使该非金属材料的热收缩系数与磁体线圈的热收缩系数非常接近，优选聚苯硫醚（Poly-Phenylene Sulphide，PPS，也称工程塑料）作为制造线圈架102的材料。通过上述线圈架102的结构和特征，可以显著提高磁场的均匀性并且降低磁场的失超率。
冷却循环体103由两个半圆柱形的完全相同的独立组件接合构成，其中每个独立组件包括多个冷管105、制冷剂入口管104、制冷剂出口管108和多个夹具107。其中，多个冷管105呈半圆形相互平行并且与线圈架102的狭槽109匹配，即冷却循环体103的多个冷管105能够嵌入线圈架102的多个狭槽109中；同时，冷管105上设有导热性能优良的金属制成的短片状的多个导热件106，导热件106垂直于冷管105且均匀设置在冷管105圆周内侧，导热件106的长度与狭槽109的内径匹配，从而直接与磁体线圈101接触。制冷剂入口管104和制冷剂出口管108垂直于多个冷管105安装于冷管105的两端，制冷剂入口管104和制冷剂出口管108与各个冷管105连通从而为各个冷管105提供制冷剂循环。两个独立组件接合起来构成完整的冷却循环体103来覆盖线圈架102上的狭槽109，从而为缠绕在狭槽109中的磁体线圈101降温。多个夹具107设置于制冷剂入口管104和制冷剂出口管108上，从而将两个独立组件接合起来；同时，通过夹具107为导热件106和磁体线圈101之间的热力接触提供适当的作用力。如上所述，冷却循环体103独立于线圈架102制成，同时冷却循环体103的冷管105也不与磁体线圈101直接接触，因此，在制造和组装冷却循环体103时不会对磁体线圈101造成损害。
导热件106除了呈片状外，还可以是柱状等等，导热件106的主要作用在于加大冷管和磁体线圈之间的热接触面积从而提高冷却效率，同时，避免冷管与磁体线圈直接接触导致的物理性损害。
为了提高制冷效率，可以用树脂将支架式罐形磁体100封装起来，从而加强导热件105与磁体线圈101之间的热力接触。为了提高支架式罐形磁体100的整体结构的强度，可以将玻璃珠加入树脂来封装支架式罐形磁体100。
本发明的另一个目的在于简化支架式罐形磁体的制造过程，以下结合附图依次介绍根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的组装过程，其中图2A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架的侧视图。图2B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和线圈安装工具的立体图。图3A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架的侧视图。图3B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和磁体线圈的立体图。图4A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体的侧视图。图4B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体的单个独立组件的立体图。图5A为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的线圈架和冷却循环体及其夹具的侧视图。图5B为根据本发明的磁共振系统的支架式罐形磁体的立体图。
首先，如图2A所示，为了制成支架式罐形磁体100，首先将线圈安装工具201准备就绪，线圈安装工具201呈圆柱形；然后，如图2B所示，将用于线圈架102安装在线圈安装工具201上。
随后，如图3A所示，线圈架102的两端及中部设置有多个彼此平行并且垂直于线圈架102的轴线的狭槽109，磁体线圈101缠绕在狭槽109上。如图3B所示，将导线缠绕在线圈架102的狭槽109中即形成了磁体线圈101。其中，线圈架102具有与磁体线圈101相似的热收缩系数，否则线圈架102和磁体线圈101之间的热力收缩差异可能会使磁共振系统失效。在本具体实施例中，该非金属材料的热收缩系数与磁体线圈的热收缩系数之差小于或等于磁体线圈的热收缩系数的10%。为了使线圈架102的热收缩系数与磁体线圈101的热收缩系数非常接近，优选聚苯硫醚（Poly-Phenylene Sulphide，PPS，也称工程塑料）作为制造线圈架102的材料。
磁体线圈101缠绕完毕后，如图4A所示，将冷却循环体103安装在磁体线圈101上。其中，冷却循环体103包括两个呈半圆柱形的独立组件40A和40B，将这两个独立组件40A和40B安装在磁体线圈101上接合成圆柱状的完整的冷却循环体103。独立组件40A和40B分别包括多个冷管105。其中，多个冷管105呈半圆形相互平行并且与线圈架102的狭槽109匹配，即冷却循环体103的多个冷管105能够嵌入线圈架102的多个狭槽109中；同时，冷管105上设有导热性能优良的金属制成的片状的多个导热件106，导热件106垂直于冷管105且均匀设置在冷管105圆周内侧，导热件106的长度与狭槽109的内径匹配，从而直接与磁体线圈101接触。制冷剂入口管104和制冷剂出口管108垂直于多个冷管105安装于冷管105的两端，制冷剂入口管104和制冷剂出口管108与各个冷管105连通从而为各个冷管105提供制冷剂循环。两个独立组件接合起来构成完整的冷却循环体103来覆盖线圈架102上的狭槽109，从而为缠绕在狭槽109中的磁体线圈101降温。
导热件106除了呈片状外，还可以是柱状等等，导热件106的主要作用在于加大冷管和磁体线圈之间的热接触面积从而提高冷却效率，同时，避免冷管与磁体线圈直接接触导致的物理性损害。
如图4B所示，独立组件40B已经安装在磁体线圈101上，而独立组件40A尚未安装。
如图5A所示，冷却循环体103包括夹具107、制冷剂入口管104和制冷剂出口管108。如图5B所示，安装时，圆周两侧的对应的多个夹具107将两个独立组件40A和40B固定起来。除了固定独立组件，夹具107还为磁体线圈101和导热件106之间的热力接触提供适当的作用力。经过组合，两个独立组件40A和40B的制冷剂入口管和制冷剂出口管分别通过夹具107固定在一起从而构成制冷剂入口管104和制冷剂出口管108。
鉴于上述各个独立组件可由适当的设备和工序独立制成从而保证其装配的准确性。通过焊接等方式将金属导热件安装在独立组件的冷管上。
将冷却循环体103安装在磁体线圈101上后，利用树脂将冷却循环体103、磁体线圈101和线圈架102整合起来，从而提高冷却循环体103上的导热件106与磁体线圈101之间的热力接触。为了进一步提高整个结构的强度还可以在树脂加入玻璃珠。
综上所述，本发明公开了一种支架式罐形磁体，其包括：磁体线圈和线圈架，所述线圈架由非金属材料制成，所述非金属材料和所述磁体线圈的热收缩系数相同。所述支架式罐形磁体还包括冷却循环体，冷却循环体包括两个呈半圆柱形的完全相同的独立组件，每个独立组件包括多个冷管、一个制冷剂入口管、一个制冷剂出口管和多个夹具，冷管呈半圆形并与狭槽匹配；冷管上设有多个导热件，导热件垂直设置在冷管内侧；制冷剂入口管和制冷剂出口管垂直安装于冷管的两端并与冷管连通；夹具设置于制冷剂入口管和制冷剂出口管上。应用本发明所述方案，解决了金属材料和非金属材料由于热力收缩系数上存在差异而导致的超导磁体失超的问题，同时易于制造而且能够确保装配精度。
上述实施例仅用于举例说明，并不用于限制本发明的技术方案。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种支架式罐形磁体，包括磁体线圈、线圈架和冷却循环体，其中，所述线圈架包括多个狭槽，所述磁体线圈缠绕在多个所述狭槽中，其特征在于，
所述线圈架由非金属材料制成，并且所述非金属材料的热收缩系数和所述磁体线圈的热收缩系数之差小于或等于所述磁体线圈的热收缩系数的10%。
2.根据权利要求1所述的支架式罐形磁体，其特征在于，所述冷却循环体由两个独立组件接合起来构成，其中每个独立组件包括多个冷管、一个制冷剂入口管、一个制冷剂出口管和多个夹具，其中，所述多个冷管呈半圆环形并且与所述狭槽匹配；所述制冷剂入口管和所述制冷剂出口管分别安装于多个所述冷管的两端并且与多个所述冷管连通；所述多个夹具设置于所述制冷剂入口管和所述制冷剂出口管上，用于接合两个所述独立组件。
3.根据权利要求2所述的支架式罐式磁体，其特征在于，两个所述独立组件完全相同。
4.根据权利要求2所述的支架式罐形磁体，其特征在于，在所述冷管的内侧垂直于所述冷管均匀设有多个宽度与狭槽内径匹配的金属的导热件，所述导热件直接与所述磁体线圈接触。
5.根据权利要求4所述的支架式罐形磁体，其特征在于，所述导热件为片状或柱状。
6.根据权利要求1或2所述的支架式罐形磁体，其特征在于，所述非金属材料是聚苯硫醚。
7.根据权利要求1或2所述的支架式罐形磁体，其特征在于，所述支架式罐形磁体由树脂封装起来。
8.根据权利要求7所述的支架式罐形磁体，其特征在于，所述树脂中掺有玻璃珠。
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