CN103887035A - 用于核磁共振成像系统的超导磁体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，属于医疗器械设计制造技术领域。提供一种重量轻、结构稳定，使用过程中不容易出现失超工况的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构。所述超导磁体结构包括液氦容器、电磁线圈和支撑限位结构，所述液氦容器为一个由内筒、外筒和端盖构成的可以容纳液氦的低温液氦容器，所述的电磁线圈包括两组大线圈和至少三组小线圈，所述的支撑限位结构包括金属支撑限位结构和非金属支撑限位结构，所述的两组大线圈通过所述的金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，所述的各组小线圈通过所述的非金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。

Description

用于核磁共振成像系统的超导磁体结构

技术领域

本发明涉及一种超导磁体结构，尤其是涉及一种用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，属于医疗器械设计制造技术领域。

背景技术

医疗影像高端产品MRI市场方兴未艾，各方势力竞争异常激烈。运行安全稳定、图像质量好、维护成本低是消费者对该类产品提出的基本要求。超导磁体作为MRI系统的核心部件，其合理的设计、稳定的运行关系到整个MRI系统的性能。MRI系统使用的超导磁体一般由几组绕制在磁体骨架上的螺线管线圈组成。为了产生MR成像所需的高磁场均匀度，通常都是在所述磁体骨架上设置几组由线槽构成的线圈支撑结构用于超导线圈的绕制，并保证各组线圈间的相对位置关系。在工作状态下，超导线圈会通入500到1000安倍的较大电流，以产生核磁共振成像系统所需的高磁场强度。这时，超导线圈会在洛伦兹力的作用下产生巨大的电磁力，以一个中心磁场强度为1.5T的超导磁体为例，其中某些线圈受到的沿磁体轴向的应力可以达到100吨以上。另一方面，在电磁力的作用下超导线圈也会产生一个巨大的环向应力。为了避免超导线在这个环向应力的作用下受到损坏，在绕制超导线圈的同时会施加一定的绕线张力，并在线圈的外侧额外绕制一组强度较高的束缚线圈。考虑到上述两种情况，超导磁体的线槽支撑结构必须具有足够的机械强度，以承受线圈在绕制时的预应力以及线圈在工作状态下受到的强大的电磁力。由所述线槽构成的任何线圈支撑结构的不稳定，都会造成线圈的微小位移，从而引起磁体的失超。一个高强度、结构合理的线圈支撑结构对超导磁体的稳定运行起到了决定性的作用。

现有超导磁体的线圈支撑结构都是采用单一种材料制造。一种是金属材料如铝合金、不锈钢等，其优点是强度高、低温下机械性能稳定、机加工性能好等。其中不锈钢材料在液氦温度下的机械强度高，更为重要的是在从室温冷却到液氦温度时，不锈钢材料具有和超导线材料非常相近的热收缩率。所以使用不锈钢材料制成的线圈支撑结构可以大大降低超导磁体在降温过程中产生的额外热应力，从而提高超导线圈的稳定性，降低磁体失超的风险。另外，不锈钢材料制成的线圈支撑结构可以直接作为液氦容器的一部分同液氦容器的其他部件，如端盖和外筒等焊接成整体，从而降低液氦容器制造的复杂程度。但是使用不锈钢制造线圈支撑结构也有显著的缺点：

第一，超导磁体在失超及其它失效条件下会产生上千伏的高电压，因此不锈钢线圈支撑结构必须对每个线槽的端面、底面、以及进出线的位置进行复杂的电绝缘处理，以防止电压击穿对超导线圈造成永久性的破坏。

第二，不锈钢的线圈支撑结构重量大，从而使整个液氦容器的重量增大，进而会造成液氦容器的悬挂系统复杂，并且造成热负荷增大等问题。

第三，MRI系统所用的大尺寸不锈钢线圈支撑结构的制造费用比较高，并且工艺难度大。

复合材料是另外一种常用于线圈支撑结构制造的材料。相对于金属材料，复合材料具有重量轻，比强度高等特点。更重要的是，复合材料具有良好的电绝缘性，所以线圈可以不需要特别的绝缘处理而直接绕制在复合材料支撑结构上，从而大大简化线圈的制造工艺。另外，对于用于MRI系统的大尺寸线圈支撑结构，一般可以采用绕制工艺用玻璃纤维/布和树脂制成，工艺难度小，并且制造费用低。复合材料制成的线圈支撑结构还具有重量轻的特点，可以减少液氦容器悬挂系统设计的复杂性并降低热负荷。但是复合材料在从室温冷却到液氦温度的过程中，其热收缩率和超导线材料相比有较大的差别，从而使超导线圈产生较大的热应力。在某些情况下，较大的热应力会增加超导线圈失超的风险性，从而降低了整个超导磁体的稳定性。另外，复合材料的特殊制造工艺决定了其机械强度及其它重要的物性参数存在较大的各向异性，并且这些参数也会受工艺的影响产生较大的波动，这给线圈支撑结构的整体设计增加了不确定性。

综上所述，目前使用单一材料制造超导磁体线圈支撑结构的技术方案根据所使用材料的不同，各有优缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种重量轻、结构稳定，使用过程中不容易出现失超工况的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，包括液氦容器、电磁线圈和支撑限位结构，所述的液氦容器包括内筒、外筒和端盖，所述的内筒和所述的外筒通过所述的端盖连接为一个可以容纳液氦的低温液氦容器，所述的电磁线圈通过所述的支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒的表面上，所述的电磁线圈包括两组大线圈和至少三组小线圈，所述的支撑限位结构包括金属支撑限位结构和非金属支撑限位结构，所述的两组大线圈通过所述的金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，所述的各组小线圈通过所述的非金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。

进一步的是，所述的金属支撑限位结构包括两组由金属材料制成的环型限位槽，所述的两组大线圈分别通过所述的两组环型限位槽布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端。

上述方案的优选方式是，沿所述内筒周向，在所述环型限位槽的外侧还均布有至少三块加强筋。

进一步的是，在所述大线圈与所述的环型限位槽之间还设置有绝缘层。

上述方案的优选方式是，所述的金属支撑限位结构由不锈钢或铝合金材料制成。

进一步的是，所述的金属支撑限位结构与所述的内筒为一体结构或为焊接连接结构。

进一步的是，所述非金属支撑限位结构包括至少三组由非金属绝缘材料制成的环型安装槽，所述各组小线圈分别通过所述的各组环型安装槽安装在所述低温液氦容器内筒表面的中间。

进一步的是，构成所述非金属支撑限位结构的各组环型安装槽为一体结构。

进一步的是，所述非金属绝缘材料为由玻璃纤维布和树脂复合而成的复合材料。

进一步的是，一体结构的所述各组环型安装槽与所述低温液氦容器内筒的表面通过粘结结构连接。

本发明的有益效果是：结合电磁线圈包括两组大线圈和至少三组小线圈的结构特点，通过将所述的支撑限位结构也设置成包括金属支撑限位结构和非金属支撑限位结构来适应，并且将所述的两组大线圈通过所述的金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，将所述的各组小线圈通过所述的非金属支撑限位结构布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。这样便可以很好的解决现有技术中大线圈由于制造预应力和工作应力均较大，支撑限位结构强度要求高，小线圈由于制造预应力和工作应力均较小，支撑限位结构强度要求相对较低而无法统一的技术问题。再结合金属支撑限位结构自身的强度远高于非金属支撑限位结构的自身强度，而非金属支撑限位结构的自身重量远低于金属支撑限位结构的自身重量的特点，可以使本申请所述的超导磁体结构自身的重量相对于现有的超导磁体结构自身的重量变得更轻、结构变得更加稳定，做上述改进后，使用过程中也不容易出现失超的工作状况。同时，由于所述的超导磁体结构自身的重量相对较轻，还可以简化吊挂所述液氦容器的悬挂系统的复杂性，降低生产制造和维护维修成本。

附图说明

图1为本发明用于核磁共振成像系统的超导磁体结构的结构示意图。

图中标记为：液氦容器1、电磁线圈2、支撑限位结构3、内筒4、外筒5、端盖6、大线圈7、小线圈8、金属支撑限位结构9、非金属支撑限位结构10、环型限位槽11、加强筋12、绝缘层13、环型安装槽14。

具体实施方式

如图1所示是本发明提供的一种重量轻、结构稳定，使用过程中不容易出现失超工况的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构。所述超导磁体结构包括液氦容器1、电磁线圈2和支撑限位结构3，所述的液氦容器1包括内筒4、外筒5和端盖6，所述的内筒4和所述的外筒5通过所述的端盖6连接为一个可以容纳液氦的低温液氦容器，所述的电磁线圈2通过所述的支撑限位结构3布置在所述低温液氦容器内筒的表面上，所述的电磁线圈2包括两组大线圈7和至少三组小线圈8，所述的支撑限位结构3包括金属支撑限位结构9和非金属支撑限位结构10，所述的两组大线圈7通过所述的金属支撑限位结构9布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，所述的各组小线圈8通过所述的非金属支撑限位结构10布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。上述结合电磁线圈2包括两组大线圈7和至少三组小线圈8的结构特点，通过将所述的支撑限位结构3也设置成包括金属支撑限位结构9和非金属支撑限位结构10来适应，并且将所述的两组大线圈7通过所述的金属支撑限位结构9布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，将所述的各组小线圈8通过所述的非金属支撑限位结构10布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。这样便可以很好的解决现有技术中大线圈7由于制造预应力和工作应力均较大，支撑限位结构强度要求高，小线圈8由于制造预应力和工作应力均较小，支撑限位结构强度要求相对较低而无法统一的技术问题。再结合金属支撑限位结构9自身的强度远高于非金属支撑限位结构10的自身强度，而非金属支撑限位结构10的自身重量远低于金属支撑限位结构9的自身重量的特点，可以使本申请所述的超导磁体结构自身的重量相对于现有的超导磁体结构自身的重量变得更轻、结构变得更加稳定，做上述改进后，使用过程中也不容易出现失超的工作状况。同时，由于所述的超导磁体结构自身的重量相对较轻，还可以简化吊挂所述液氦容器的悬挂系统的复杂性，降低生产制造和维护维修成本。

上述实施方式中，为了简化所述金属支撑限位结构9的结构，方便制作、安装以及方便后序大线圈7的绕制，将所述的金属支撑限位结构9设置为包括两组由金属材料制成的环型限位槽11的结构，所述的两组大线圈7分别通过所述的两组环型限位槽11布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端。这样，为了最大限度的增强所述环型限位槽11的强度，沿所述内筒4周向，在所述环型限位槽11的外侧还均布置有至少三块加强筋12。同时，制成所述环型限位槽11金属材料可以是不锈钢材料，也可以是铝合金材料，而且所述的金属支撑限位结构9可以设置成与所述的内筒4为一体结构，也可以是焊接连接结构。当采用一体结构时，结构的强度更好，但是制造成本更高，当采用焊接结构时，制造成本较低。参照现有支撑结构的特点，在所述大线圈7与所述的环型限位槽11之间也设置有绝缘层13。当采用焊接结构时，为了方便将构成所述的金属支撑限位结构9的环型限位槽11装配到所述的低温液氦容器内筒的表面上，可以将所述的环型限位槽11设置成两段至三段的剖分式结构，并在相邻的两个半环之间留出1㎜左右的装配间隙。

同样的，为了简化所述非金属支撑限位结构10的结构，方便制作、安装以及方便后序小线圈8的绕制，结合非金属绝缘材料多为由玻璃纤维布和树脂复合而成的复合材料特点，将所述非金属支撑限位结构10设置为包括至少三组由非金属绝缘材料制成的环型安装槽14的结构，所述各组小线圈8分别通过所述的各组环型安装槽14安装在所述低温液氦容器内筒表面的中间；同时，将构成所述非金属支撑限位结构10的各组环型安装槽设置14为一体结构。这样既方所述非金属支撑限位结构10的制作，符合的非金属绝缘材料的复合特点，又方便非金属支撑限位结构10后序与所述低温液氦容器内筒的表面的粘结连接，以简化和充分利用现有的制作工艺，降低生产成本。

Claims (10)

1.用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，包括液氦容器（1）、电磁线圈（2）和支撑限位结构（3），所述的液氦容器（1）包括内筒（4）、外筒（5）和端盖（6），所述的内筒（4）和所述的外筒（5）通过所述的端盖（6）连接为一个可以容纳液氦的低温液氦容器，所述的电磁线圈（2）通过所述的支撑限位结构（3）布置在所述低温液氦容器内筒的表面上，其特征在于：所述的电磁线圈（2）包括两组大线圈（7）和至少三组小线圈（8），所述的支撑限位结构（3）包括金属支撑限位结构（9）和非金属支撑限位结构（10），所述的两组大线圈（7）通过所述的金属支撑限位结构（9）布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端，所述的各组小线圈（8）通过所述的非金属支撑限位结构（10）布置在所述低温液氦容器内筒表面的中间。

2.根据权利要求1所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：所述的金属支撑限位结构（9）包括两组由金属材料制成的环型限位槽（11），所述的两组大线圈（7）分别通过所述的两组环型限位槽（11）布置在所述低温液氦容器内筒表面的两端。

3.根据权利要求2所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：沿所述内筒（4）周向，在所述环型限位槽（11）的外侧还均布有至少三块加强筋（12）。

4.根据权利要求3所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：在所述大线圈（7）与所述的环型限位槽（11）之间还设置有绝缘层（13）。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：所述的金属支撑限位结构（9）由不锈钢或铝合金材料制成。

6.根据权利要求5所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：所述的金属支撑限位结构（9）与所述的内筒（4）为一体结构或为焊接连接结构。

7.根据权利要求1所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：所述非金属支撑限位结构（10）包括至少三组由非金属绝缘材料制成的环型安装槽（14），所述各组小线圈（8）分别通过所述的各组环型安装槽（14）安装在所述低温液氦容器内筒表面的中间。

8.根据权利要求7所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：构成所述非金属支撑限位结构（10）的各组环型安装槽（14）为一体结构。

9.根据权利要求7或8所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：所述非金属绝缘材料为由玻璃纤维布和树脂复合而成的复合材料。

10.根据权利要求9所述的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，其特征在于：一体结构的所述各组环型安装槽（14）与所述低温液氦容器内筒的表面通过粘结结构连接。

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