CN106449002B - 一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体，它包括全身超导磁体本体，全身超导磁体本体由磁体外桶、磁体内桶和60K磁体冷屏组成，磁体内桶上设有主骨架、调整骨架和屏蔽骨架，主骨架内壁、调整骨架和屏蔽骨架的侧壁构成磁体内桶的一部分结构，主骨架、调整骨架和屏蔽骨架内部设有主线圈、调整线圈和屏整线圈，调整线圈上端设有高阶匀场线圈；60K磁体冷屏与双制冷机连接并采用双制冷机模式，60K磁体冷屏外围设有冷却回路，用于超导磁体在预冷阶段、断电或冷却系统工作异常状况下使60K磁体冷屏处于较低温度，全身超导磁体本体内设有短路开关保护装置，全身超导磁体本体内设有同步失超保护电路，采用上述结构后，不仅便于保证各个线圈位置关系，也保证高阶匀场线圈连接强度；通过高阶匀场线圈保证了超导磁体在成像区域内有很高均匀性；可提高磁体系统运行稳定性。

Description

一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体
技术领域
本发明涉及到一种磁共振成像系统，尤其涉及到一种磁共振成像系统中用于全身磁共振成像超高场超导磁体。
背景技术
目前，磁共振成像（MRI）系统主要包含磁体系统、谱仪、梯度系统、射频系统，其中磁共振成像系统信号强度与磁体场强近似平方关系，而磁体产生场强越高，磁场均匀性越好，所成像就越清晰，特别在一些科学研究领域，对磁体的场强和均匀性要求更高，所以如何研发一种全身磁共振成像超高场超导磁体就成了目前磁共振成像系统发展的重要目标之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种超高场、磁体结构紧凑且磁体运行安全、提高磁体系统运行稳定性的用于全身磁共振成像超导磁体。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体，它包括全身超导磁体本体，所述全身超导磁体本体由磁体外桶、磁体内桶和60K磁体冷屏组成，所述磁体外桶一端设有外桶端盖，所述磁体内桶包覆于磁体外桶内，所述60K磁体冷屏包覆于磁体内桶外围，所述磁体内桶上设有主骨架、调整骨架和屏蔽骨架，所述主骨架内壁、调整骨架和屏蔽骨架的侧壁构成磁体内桶的一部分结构，所述主骨架、调整骨架和屏蔽骨架内部设有主线圈、调整线圈和屏整线圈，所述调整线圈上端设有高阶匀场线圈；所述60K磁体冷屏与双制冷机连接并采用双制冷机模式，用于双制冷机同时工作时，保证冷屏温度均匀性和提高磁体系统运行稳定性；
所述全身超导磁体本体内设有短路开关保护装置，所述短路开关保护装置包括超导主开关、短路开关和电流引线底座，所述全身超导磁体本体中采用短路开关方式且将短路开关整合到电流引线底座中；
所述全身超导磁体本体内设有同步失超保护电路，所述同步失超保护电路用于屏蔽线圈和主线圈同步失超。
优选地，所述高阶匀场线圈采用至少十阶匀场线圈，所述十阶匀场线圈为Z、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、XY、X2-Y2，用于保证超导磁体在成像区域内磁场均匀性 。
优选地，所述60K磁体冷屏外围设有冷却回路，用于超导磁体在预冷阶段、断电或冷却系统工作异常状况下使60K磁体冷屏处于较低温区。
优选地，所述60K磁体冷屏上设有容器孔洞，所述容器孔洞贯穿于磁体外桶和磁体内桶，所述容器孔洞内放置有颈管或冷头容器，所述60K磁体屏采用双制冷机并行工作，双制冷机分别放置于冷头容器中，冷头容器呈一定角度分布（如-45°～45°）。
优选地，所述电流引线底座上端固定设有电流引线底座公头和电流引线底座母头，所述电流引线底座公头和电流引线底座母头内设有电流引线杆公头和电流引线杆母头，所述电流引线座母头和电流引线座公头通过弹簧和锁紧螺丝与电流引线底座相连接，所述电流引线杆公头与电流引线座母头配合，电流引线杆母头与电流引线座公头相配合，所述电流引线杆公头和电流引线杆母头之间设有绝缘套，所述短路开关通过电流引线底座上电流引线座母头和电流引线座公头接触实现短路功能。
优选地，所述屏蔽线圈和主线圈上连接有屏蔽线圈失超加热器和主线圈失超加热器，若屏蔽线圈失超，对应检测回路检测出失超电压U0，U0通过放大电路变成U1，再加载到主线圈失超加热器上，使主线圈失超；若主线圈失超，对应检测回路检测出失超电压U2，U2通过放大电路变成U3，再加载到屏蔽线圈失超加热器上，使屏蔽线圈失超。
优选地，所述短路开关采用镍基超导线制成，电流引线座母头、电流引线座公头、电流引线杆公头、电流引线杆母头采用紫铜材料制成，电流引线底座与绝缘套采用环氧玻璃钢材料制作。
优选地，所述60K磁体冷屏由铝材材料制成。
优选地，所述全身超导磁体本体上设有吊耳和磁体底座。
本发明采用上述结构后，其有益效果为：
（1）设计出一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体，此处超高场指4.7T～7T；口径分别含有650～1000mm，所述主骨架内壁、调整骨架和屏蔽骨架的侧壁构成磁体内桶的一部分结构，可以缩小磁体尺寸，降低液氦需求量，使整个超导磁体变得更加紧凑。
（2）超导磁体中采用高阶匀场线圈，高阶匀场线圈通常采用十阶匀场线圈（Z,Z2,Z3,Z4,X,Y,ZX,ZY,XY,X2-Y2），但是不仅限于十阶匀场线圈，高阶匀场线圈中的（Z,Z2,Z3,Z4）是直接绕制在环氧玻璃钢骨架线槽中，而高阶匀场线圈中的（X,Y,ZX,ZY,XY,X2-Y2）是单独制作在薄的环氧板上，再把含线圈环氧板绕制玻璃钢骨架上，最后高阶匀场线圈骨架与调整骨架以螺栓方式进行连接，这样不仅便于保证各个线圈位置关系，而且也保证高阶匀场线圈连接强度；通过高阶匀场线圈保证了超导磁体在成像区域内有很高均匀性；高阶匀场线圈使得不同口径磁体中，成像区域内的高阶非线性磁场不均匀性得到修正，从而获得理想的均匀性；比如针对7T850mm口径超导磁体，在40cmDSV区域（球形区域）磁场均匀性可优于2ppm 。
（3）所述60K磁体冷屏与双制冷机连接并采用双制冷机模式，所述60K磁体冷屏采用双制冷机并行工作，双制冷机分别放置于冷头容器中，冷头容器呈呈一定角度分布（如-45°～45°），两台制冷机同时工作时，可以大大降低60K屏温度并保证冷屏温度均匀性，最大限度降低磁体漏热，在制冷机出现故障或需要维护时，两台制冷机可提高磁体系统运行稳定性。
（4）超导磁体中采用短路开关方式，并且把短路开关整合到电流引线底座中，结构简单，短路开关可以最大程度消除镍基超导线制作的主开关不稳定性，提高超导磁体运行稳定性。
由于超导主开关采用镍基超导线制作，在磁体运行过程中，意外扰动导致超导主开关失超，这时超导线圈中电流通过短路开关进行循环，直至超导主开关恢复超导态，超导线圈中电流重新经过超导主开关循环，提高超导磁体运行稳定性。
短路开关通过电流引线座上电流引线座母头和电流引线座公头接触实现短路功能；电流引线座母头和电流引线座公头 固定在电流引线底座上，在超导磁体励磁过程中，电流引线杆插入电流引线座中，电流引线杆公头与电流引线座母头配合，电流引线杆母头与电流引线座公头配合；电流引线杆公头与电流引线杆母头之间通过绝缘套隔开。
电流引线座母头、电流引线座公头 、电流引线杆公头、电流引线杆母头均采用紫铜材料制作；电流引线底座与绝缘套均采用环氧玻璃钢材料制作。当电流引线杆插入电流引线座后，由于电流引线杆公头与电流引线杆母头位置关系，导致电流引线座母头和电流引线座公头之间断开；当电流引线杆脱开电流引线座后，由于弹簧和锁紧螺丝关系，使得电流引线座母头和电流引线座公头紧密接触在一起，并要保证接触电阻在液氦温区小于10-6欧姆。
（5）超导磁体中采用同步失超保护电路，无论当屏蔽线圈还是主线圈出现意外失超时，同步失超保护电路使得屏蔽线圈和主线圈同步失超，保证超导磁体5高斯线在规定范围内，避免对超导磁体周围电子设备和工作人员造成伤害和损失。
若屏蔽线圈出现意外失超，对应检测回路检测出失超电压U0，U0通过放大电路变成U1，再加载到主线圈失超加热器上，使主线圈失超；若主线圈出现意外失超，对应检测回路检测出失超电压U2，U2通过放大电路变成U3，再加载到屏蔽线圈失超加热器上，使屏蔽线圈失超；这样保证屏蔽线圈和主线圈失超同步，避免超导磁体的5高斯线出现异常扩大，保护了超导磁体周围电子产品运行安全和工作人员的人生安全。
通常根据绕制屏蔽线圈和主线圈含有超导接头数量，匹配多组同步失超保护电路。
（6）在60K屏上采用冷却回路方式，保证了超导磁体在预冷阶段、断电或冷却系统工作异常状况下，充分利用液氦的显热，使得60K屏处于较低温区，保证了超导磁体仍然处于一个较低漏热水平，降低液氦消耗。
附图说明
图1为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体的结构示意图。
图2为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体正视图。
图3为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体中60K磁体冷屏的结构示意图。
图4为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体中短路开关保护电路示意图。
图5为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体中电流引线座结构示意图。
图6为本发明用于全身磁共振成像超高场超导磁体中同步失超保护电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明，不能理解为是对本发明的限制；
如附图1所示，一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体，它包括全身超导磁体本体1，所述全身超导磁体本体1由磁体外桶2、磁体内桶3和60K磁体冷屏4组成，所述磁体外桶2一端设有外桶端盖5，所述磁体内桶3包覆于磁体外桶2内，所述60K磁体冷屏4包覆于磁体内桶3外围，所述磁体内桶3上设有主骨架301、调整骨架302和屏蔽骨架303，所述主骨架301内壁、调整骨架302和屏蔽骨架303的侧壁构成磁体内桶3的一部分结构，所述主骨架301、调整骨架302和屏蔽骨架303内部设有主线圈304、调整线圈305和屏整线圈306，所述调整线圈305上端设有高阶匀场线圈307；所述60K磁体冷屏4与双制冷机连接并采用双制冷机模式，用于双制冷机同时工作时，保证冷屏温度均匀性和提高磁体系统运行稳定性；
高阶匀场线圈307通常采用十阶匀场线圈（Z,Z2,Z3,Z4,X,Y,ZX,ZY,XY,X2-Y2），但是不仅限于十阶匀场线圈。通过高阶匀场线圈307保证了超导磁体在成像区域内有很高均匀性；比如针对7T850mm口径超导磁体，在40cmDSV区域（球形区域）磁场均匀性可优于2ppm 。
高阶匀场线圈307中的（Z,Z2,Z3,Z4）是直接绕制在环氧玻璃钢骨架线槽中，而高阶匀场线圈307中的（X,Y,ZX,ZY,XY,X2-Y2）是单独制作在薄的环氧板上，再把含线圈环氧板绕制玻璃钢骨架上，最后高阶匀场线圈307骨架与调整骨架302以螺栓方式进行连接，这样不仅便于保证各个线圈位置关系，而且也保证高阶匀场线圈307连接强度。
所述全身超导磁体本体1内设有短路开关保护装置，所述短路开关保护装置包括超导主开关7、短路开关8和电流引线底座9，所述全身超导磁体本体1中采用短路开关方式且将短路开关8整合到电流引线底座9中；由于超导主开关7采用镍基超导线制作，在磁体运行过程中，意外扰动导致超导主开关7失超，这时超导线圈中电流通过短路开关8进行循环，直至超导主开关7恢复超导态，超导线圈中电流重新经过超导主开关7循环，提高超导磁体运行稳定性；所述电流引线底座9上端固定设有电流引线底座公头13和电流引线底座母头14，所述电流引线底座公头13和电流引线底座母头14内设有电流引线杆公头15和电流引线杆母头16，所述电流引线座母头14和电流引线座公头13通过弹簧18和锁紧螺丝19与电流引线底座9相连接，所述电流引线杆公头15和电流引线杆母头16之间设有绝缘套17，所述短路开关8通过电流引线底座9上电流引线座母头14和电流引线座公头13接触实现短路功能。
在超导磁体励磁过程中，电流引线杆插入电流引线座中，所述电流引线杆公头15与电流引线座母头14配合，电流引线杆母头16与电流引线座公头13相配合；电流引线杆公头15与电流引线杆母头16之间通过绝缘套17隔开；
所述短路开关7采用镍基超导线制成，电流引线座母头14、电流引线座公头13 、电流引线杆公头15、电流引线杆母头16采用紫铜材料制成，电流引线底座9与绝缘套17采用环氧玻璃钢材料制作；当电流引线杆插入电流引线座后，由于电流引线杆公头15与电流引线杆母头16位置关系，导致电流引线座母头14和电流引线座公头13之间断开；当电流引线杆脱开电流引线座后，由于弹簧18和锁紧螺丝19关系，使得电流引线座母头14和电流引线座公头13紧密接触在一起，并要保证接触电阻在液氦温区小于10-6欧姆。
所述60K磁体冷屏4由铝材材料制成，所述60K磁体冷屏4外围设有冷却回路6，用于超导磁体在预冷阶段、断电或冷却系统工作异常状况下使60K磁体冷屏4处于较低温区；所述60K磁体冷屏4上设有容器孔洞10，所述容器孔洞10贯穿于磁体外桶2和磁体内桶3，所述容器孔洞10内放置有颈管11或冷头容器12，所述60K磁体冷屏4采用双制冷机并行工作，双制冷机分别放置于冷头容器12中，冷头容器12呈一定角度分布（如-45°～45°）。
所述全身超导磁体本体1内设有同步失超保护电路，所述同步失超保护电路用于屏蔽线圈和主线圈同步失超，若屏蔽线圈306出现意外失超，对应检测回路检测出失超电压U0，U0通过放大电路变成U1，再加载到主线圈失超加热器19上，使主线圈304失超；若主线圈304出现意外失超，对应检测回路检测出失超电压U2，U2通过放大电路变成U3，再加载到屏蔽线圈失超加热器18上，使屏蔽线圈306失超；这样保证屏蔽线圈306和主线圈304失超同步，避免超导磁体的5高斯线出现异常扩大，保护了超导磁体周围电子产品运行安全和工作人员的人生安全。通常根据绕制屏蔽线圈和主线圈含有超导接头数量，匹配多组同步失超保护电路。

Claims (9)

1.一种用于全身磁共振成像超高场超导磁体，它包括全身超导磁体本体（1），所述全身超导磁体本体（1）由磁体外桶（2）、磁体内桶（3）和60K磁体屏（4）组成，所述磁体外桶（2）一端设有外桶端盖（5），所述磁体内桶（3）包覆于磁体外桶（2）内，所述60K磁体屏（4）包覆于磁体内桶（3）外围，其特征在于：所述磁体内桶（3）上设有主骨架（301）、调整骨架（302）和屏蔽骨架（303），所述主骨架（301）内壁、调整骨架（302）和屏蔽骨架（303） 的侧壁构成磁体内桶（3）的一部分结构，所述主骨架（301）、调整骨架（302）和屏蔽骨架（303）内部设有主线圈（304）、调整线圈（305）和屏整线圈（306），所述调整线圈（305）上端设有高阶匀场线圈（307）；所述60K磁体冷屏（4）与双制冷机连接并采用双制冷机模式，用于双制冷机同时工作时，保证冷屏温度均匀性和磁体系统运行稳定性；所述全身超导磁体本体（1）内设有短路开关保护装置，所述短路开关保护装置包括超导主开关（7）、短路开关（8）和电流引线底座（9），所述全身超导磁体本体（1）中采用短路开关方式且将短路开关（8）整合到电流引线底座（9）中；所述全身超导磁体本体（1）内设有同步失超保护电路，所述同步失超保护电路用于屏蔽线圈和主线圈同步失超。
2.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述高阶匀场线圈（307）采用至少十阶匀场线圈，所述十阶匀场线圈为Z、Z2、Z3、Z4、X、Y、ZX、ZY、XY、X2-Y2，用于保证超导磁体在成像区域内磁场均匀性 。
3.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述60K磁体冷屏（4）外围设有冷却回路（6），用于超导磁体在预冷阶段、断电或冷却系统工作异常状况下使60K磁体冷屏（4）处于较低温区。
4.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述60K磁体冷屏（4）上设有容器孔洞（10），所述容器孔洞（10）贯穿于磁体外桶（2）和磁体内桶（3），所述容器孔洞（10）内放置有颈管（11）或冷头容器（12），所述60K磁体冷屏（4）采用双制冷机并行工作，双制冷机分别放置于冷头容器（12）中，冷头容器（12）呈-45°～45°角度分布。
5.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述电流引线底座（9）上端固定设有电流引线底座公头（13）和电流引线底座母头（14），所述电流引线底座公头（13）和电流引线底座母头（14）内设有电流引线杆公头（15）和电流引线杆母头（16），所述电流引线座母头（14）和电流引线座公头（13）通过弹簧（18）和锁紧螺丝（19）与电流引线底座（9）相连接，所述电流引线杆公头（15）与电流引线座母头（14）配合，电流引线杆母头（16）与电流引线座公头（13）相配合，所述电流引线杆公头（15）和电流引线杆母头（16）之间设有绝缘套（17），所述短路开关（8）通过电流引线底座（9）上电流引线座母头（14）和电流引线座公头（13）接触实现短路功能。
6.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述屏蔽线圈（306）和主线圈（304）上连接有屏蔽线圈失超加热器（20）和主线圈失超加热器（21），若屏蔽线圈（306）失超，对应检测回路检测出失超电压U0，U0通过放大电路变成U1，再加载到主线圈失超加热器（21）上，使主线圈（304）失超；若主线圈（304）失超，对应检测回路检测出失超电压U2，U2通过放大电路变成U3，再加载到屏蔽线圈失超加热器（20）上，使屏蔽线圈（306）失超。
7.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述短路开关（7）采用镍基超导线制成，电流引线座母头（14）、电流引线座公头（13） 、电流引线杆公头（15）、电流引线杆母头（16）采用紫铜材料制成，电流引线底座（9）与绝缘套（17）采用环氧玻璃钢材料制作。
8.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述60K磁体冷屏（4）由铝材材料制成。
9.根据权利要求1所述的用于全身磁共振成像超高场超导磁体超导磁体，其特征在于：所述全身超导磁体本体（1）上设有吊耳（20）和磁体底座（21）。
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