CN107076816B

CN107076816B - 组合的垫片和孔冷却组件

Info

Publication number: CN107076816B
Application number: CN201580049217.4A
Authority: CN
Inventors: N·P·阿雷; N·J·贝尔顿; M·H·亨普斯特德; M·凯普; P·W·雷茨
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: GB201416170D0; EP3191861A1; US10520567B2; GB2530122A; CN107076816A; JP6649949B2; KR102484305B1; KR20170054477A; GB201504523D0; US20170285121A1; WO2016038068A1; JP2017532999A; EP3191861B1

Abstract

一种用于对磁共振成像设备的背景磁场进行匀场的装置，磁共振成像设备具有外部真空室(OVC)孔管(1)。导轨(8、9)设置在OVC孔管上，并且垫片托盘(4)被安装在相应的导轨之间。

Description

组合的垫片和孔冷却组件

背景技术

在磁共振成像(MRI)设备中，背景磁场的均匀性和稳定性与测量的质量高度相关。为了改善背景磁场的均匀性，可以使用无源匀场，无源匀场涉及垫片元件，垫片元件是靠近成像区域放置的具有良好磁特性的钢片。垫片元件被磁化并且使背景磁场畸变。垫片被布置为使得所产生的畸变使背景场更均匀。

用于MRI设备的超导磁体通常是圆柱形形状，并且被容纳在圆柱形低温恒温器内。圆柱形低温恒温器包括具有圆柱形孔管的外部真空室(OVC)，该外部真空室包围成像区域。已知的是，外部真空室孔管中和垫片中的温度升高可能会由于材料的磁导率的变化而引起磁共振成像设备中的磁场漂移。这种温度升高可能由梯度场线圈引起，该梯度场线圈被容纳在OVC孔管内并且生成由MRI系统成像所需的振荡磁场。梯度线圈本身在操作期间变热，并且其振荡磁场在附近的传导表面(诸如，垫片和OVC孔管)中感应出电流，从而会导致那些表面温度升高。

附图说明

下面参考附图，基于优选的实施例来阐释本发明。在附图中：

图1示出了具有示例垫片托盘的外部真空室孔管的三维剖视图，示例垫片托盘安装在孔管内侧的导轨上；

图2示出了与图1类似的布置，该布置示出了在圆柱形OVC孔管周围彼此相邻定位的通道中的垫片托盘的多种布置；

图3示出了图2的布置的另一视图，包括含有冷却流体的通道系统的概况；以及

图4至图10各自非常示意性地呈现可用于本发明的相应实施例中的通路和管道的布置。

本发明的目的是在成像期间使垫片和OVC孔管的温度稳定。因此，本发明提供了如独立权利要求中限定的设备。从属权利要求示出了优选实施例。

具体实施方式

尽管以下描述将优先地涉及“冷却”，但本发明适用于温度稳定化。例如，下面描述的“冷却流体”和“冷却剂”可以用于对设备的一些部件进行加温以及对其它部件进行冷却，以使整体的温度稳定。

提出了一种用于对磁共振成像设备的磁场进行匀场的布置，磁共振成像设备具有外部真空室孔管，其中提供了包含垫片元件的垫片托盘，并且垫片托盘被安装在导轨上，导轨自身被安装在外部真空室孔管上，由此垫片托盘可以沿着导轨滑动，在导轨中至少部分地布置有包含冷却流体的通道系统。

垫片托盘允许垫片元件的紧密固定。这是相关的，因为垫片元件承受由磁场引起的高的力。

通过使得垫片托盘和导轨至少部分地由导热材料制成，冷却流体用于冷却OVC孔管、垫片托盘和垫片元件。

将包含冷却流体的通道系统布置在至少一些导轨中允许在包含冷却流体的通道系统之间的直接和良好的热接触，因此热可以通过垫片托盘和导轨从垫片元件非常高效地传递到通道系统中的冷却流体。此外，通过包含冷却流体的通道系统的这种布置实现了对外部真空室孔管的冷却。

垫片托盘在通道中的多种布置可以围绕圆柱形OVC孔管彼此相邻地被定位。冷却的垫片托盘然后还可以用作热屏蔽件，从而保护OVC孔管免受从梯度线圈组件发出的辐射热的影响。垫片元件以及可能还有垫片托盘是导电的，并且还可以屏蔽OVC孔管以免受由梯度线圈组件生成的振荡磁场的影响。这样的垫片托盘组件因此可以进一步稳定外部真空室孔管的温度。

优选的冷却流体是水。水在室温附近的温度处具有高的比热、是无毒的、便宜的且容易得到的。也可以使用其它冷却流体。

导轨优选地与OVC孔管的对称轴线对齐，并且允许沿导轨调整垫片托盘的位置，从而允许调节垫片托盘中的垫片元件的匀场效应。至少一个导轨和/或至少一个垫片托盘可以至少部分地由进一步增强匀场效应的铁磁材料制造。

在本发明的另一实施例中，垫片托盘具有底部件和盖，盖可以被固定到底部件。这种布置允许垫片元件以如下方式被放置在垫片托盘中，该方式使得大的力可以安全地作用在垫片元件上。底部件和盖均应当与导轨热接触。这可以通过将底部件和盖彼此热接触放置、并且将底部件和盖中的一个或另一个(例如，通过过盈配合)与导轨热接触放置来实现。

在本发明的另一实施例中，垫片托盘是长方体形状的。可用的垫片元件典型地是薄的矩形片钢板。这种元件可以以省空间的方式被放置在长方体形状的托盘中。

在本发明的另一实施例中，导轨具有凹槽，使得垫片托盘可以在导轨的凹槽中滑动。具有凹槽的导轨引起非常好的引导。通过适当地将凹槽和垫片托盘成形，可以确保导轨和垫片托盘之间的有效热接触。

在本发明的另一实施例中，垫片托盘和/或导轨具有除了垫片元件的匀场效应之外的匀场效应。这通常通过使用用于垫片托盘和/或导轨的至少部分铁磁或顺磁的材料来实现。

在本发明的另一实施例中，可以调整垫片托盘的位置，以允许对更大范围的磁场非均匀性进行匀场。实现这一点的一种方式是使用如上所述的导轨以及合适的固定装置来将垫片托盘沿导轨的长度保持在期望的位置。

在本发明的另一实施例中，冷却流体可以流经导轨中的通道系统，并且可以通过流经冷却器被冷却。在冷却器中，冷却流体中传递的热可以被提取和消散。冷却流体被冷却，并且可以再次在通道系统中被馈送。在大多数情况下，冷却器是制冷机，其中冷却流体的热被传递到另一流体或环境。

在本发明的另一实施例中，冷却流体的热质量足够高，以使垫片、垫片托盘和外部真空室孔管的温度基本上稳定。以这种方式，垫片元件的温度被稳定。在这种情况下，不需要如上所述的冷却器。对冷却器中的冷却流体进行冷却和提供高热质量的两种方法可以被组合。为了提供高热质量，应当使用合适的冷却流体(通常是水)。此外，冷却系统应当具有足够的尺寸，以提供足够大的热容量。用于冷却流体的外部储存器也可以增加冷却流体的热质量。高热质量的优点是自稳定机制，因此不需要控制或仅需要简单的控制。

如果通道系统的尺寸足够高，则在某些情况下不需要冷却流体的循环。冷却剂回路可以被布置为使得冷却剂的循环仅通过冷却剂流体的热膨胀和收缩以被称为热虹吸的机制来驱动。

图1示出了外部真空室孔管1的一部分。在外部真空室孔管1的径向内圆柱形表面上，安装有垫片托盘4。垫片托盘4被示出为不具有盖，使得可以看到设置用于将垫片元件10容纳在垫片托盘内的垫片袋。然而，在使用中，通常将提供盖以封闭垫片袋。如果垫片元件以其它方式固定到垫片托盘，则可以省略盖。

导轨8、9被示出为在OVC孔管1的径向内表面上固定到OVC孔管1。由于OVC必须是真空密封的，所以导轨8、9优选地通过不需要穿透OVC的方式(诸如，钎焊或粘接)进行附接。垫片托盘具有位于导轨8、9中的对应凹槽12内的侧向唇部11。优选地，在唇部11和导轨8、9之间存在过盈配合，以提供有效的热接触。导轨8、9各自包括至少一个流体通路13，流体通路13可以是如示意性地示出的管状元件13，或者可以是导轨本身的特征。优选地，导轨8、9通过机械加工或挤压金属或其它导热材料而形成，以包括流体通路。流体通路通过合适的管道14被连接到用于冷却流体的循环的一个或多个回路中。

导轨8、9和垫片托盘4应当至少部分地由导热材料构成，并且垫片元件10应当与垫片托盘热接触，以确保从垫片元件和OVC孔管到冷却流体的有效热传递。

通过导轨8、9保持垫片托盘4允许垫片托盘沿导轨的长度移动。通过移动垫片托盘，可以调节垫片元件10的位置和匀场效应。应当提供用于将每个垫片托盘保持在其选定位置处的机构。

相应导轨8、9内的通路13通过管道14连接在一起，以限定用于冷却流体的循环的至少一个回路。在图2所示的布置中，为了便于表示，圆柱形OVC孔管被示出为扁平的。每个导轨8、9具有凹槽12，凹槽12保持两个相邻垫片托盘4中的每个垫片托盘的相应的侧向唇部11。所示的每个垫片托盘包括机械连接在一起的底部部件16和盖18。备选地，可以在每个导轨中提供更深的凹槽12，并且更深的凹槽12可以容纳垫片托盘的边缘。优选地，底部部件16和盖18都是导热的，并且它们彼此热接触。在诸如图2所表示的布置中，整个圆柱形OVC孔管1可以、并且优选地衬有垫片托盘4和导轨8、9，从而形成用于OVC孔管1的如上所述的热屏蔽。

垫片托盘4、导轨8和9以及外部真空室孔管1都至少部分地由导热材料或导热复合材料制成。这是需要的，以使得能够与布置在导轨8和9内的包含冷却流体的通道系统进行热接触。

图3示出了如果从OVC孔管的轴线径向向外看的图2的布置的备选视图。因此，OVC孔管1的表面看起来是扁平的。优选地，如图所示，管道14不突出到OVC孔管1的轴向末端之外。如参考图1所描述的，在OVC孔管1的径向内表面周围提供垫片托盘4，每个垫片托盘被定位在一对导轨8、9之间。

冷却剂回路20包括管道14以及导轨8、9内的通路13。另外的管道22通过将导轨8、9连接到泵24或其它循环器而使冷却剂回路闭合，泵24或其它循环器使冷却剂流体围绕回路20循环。可选的储存器或冷却器26提供用于围绕回路再循环的冷却器流体。可以提供大量的冷却剂，以限制冷却剂的温度上升，和/或可以提供有源或无源的冷却装置。

可以发现，可以布置管道14和另外的管道22，使得不需要循环器24，并且冷却剂流体的循环仅通过冷却剂流体在加热和冷却时的膨胀和收缩(可以被称为热虹吸的机制)来驱动。

在一些实施例中，一些导轨8、9可以不设置有通路13，和/或可以从冷却剂回路20中排除。

图1至图3示出了其中所有通路串联连接的简单布置。管道14将相邻导轨8、9的通路13的相邻端连接在一起成为单个串联连接，该单个串联连接然后通过另外的管道22连接到泵24和冷却器26(如果提供有)。

可以提供其它更复杂的布置以将通路13连接在一起成为冷却回路，并且下面将参照图4至图10描述冷却回路的一些优选的示例。图4至图10中的每幅图非常示意性地表示如上所述的通路13和管道14的布置。在图4至图10中表示的每对相邻的通道13表示诸如图1所示的垫片托盘布置。如图2至图3的情况，该视图是“扁平的”，使得该视图类似于从OVC孔管的轴线向外看并围绕该轴线旋转的视图。指示出了轴向(Z)和圆周方向(R)，以及TDC、BDC和侧部的位置。冷却流体的入口和出口由适当的箭头符号表示。

所选择的管道布置优选地提供尽可能多的以下特征：

-对于稳定OVC孔的温度是有效的；

-最小化任何所需歧管的复杂性；

-所有管道连接被定位在OVC孔管的一个轴向端部处，优选地被定位在与梯度线圈电连接的位置相对的轴向端部处；

-提供对流动的无源控制。

在下面的描述中，“上止点”或“TDC”表示围绕OVC孔管的圆周的最高位置。类似地，“下止点”或“BDC”表示围绕OVC孔管的圆周的最低位置。OVC孔管的“侧部”是指围绕OVC孔管的圆周的、在直径方向上相对的位置，“侧部”被定位在TDC和BDC之间的中间位置。对于圆柱形OVC孔管，这些将是在水平方向上彼此相距最远的圆周位置，并且圆周位置与通过圆柱形OVC孔管的几何轴线的水平平面相交。

图4表示如图1至图3中已经呈现的简单布置。标记了TDC、BDC和侧部的位置。标记了单个流体入口和单个流体出口。所有通道13通过管道14串联连接。在该示例中，流体入口和流体出口均被定位在TDC处。尽管这表示了简单的布置，并且消除了对入口歧管和出口歧管的需要，但是在通过管道和通道的串联连接的冷却流体中存在大的压降。进入串联布置的冷却流体(例如，水)将流经所有通道，从而随着其流动而吸收热。因此，有必要提供冷却流体的快速流动，以在OVC孔管的整个表面上提供有效的冷却。

已经观察到，在使用中，OVC孔管1的某些区域比一些其它区域经受更多加热。用于连接通路的布置可以适于对经受最多加热的区域提供最有效的冷却，从而在OVC孔管的表面上提供更均匀的温度分布。在一个示例中，已经发现，在使用中，OVC孔管在TDC和BDC处经历增加的加热，但是在侧部处经历减少的加热。

图5至图8示出了备选布置，其中通道和管道结构围绕位置TDC和BDC对称布置。

在图5中，提供了两个平行布置，每个布置由串联连接的管道13的一半组成。在TDC处提供两个入口，在BDC处提供相应的出口。在穿过轴线TDC和BDC的平面的一侧上的所有通道以一个串联布置进行连接，而在该平面的另一侧上的所有通道以另一布置进行连接。这使得新鲜的冷却流体能够在TDC(其中经受到最大加热的部位之一)处被引入，并且提供对OVC孔管的对称冷却。冷却流体在BDC处离开通道和管道。这种流动抵抗自然对流，并且被认为提供改进的冷却。备选地，一个冷却流体入口可以在TDC处，另一个冷却流体入口在BDC处，而冷却流体出口可以类似地被布置为一个在TDC处、一个在BDC处。这种布置可以在TDC和BDC处提供更平等的冷却效果。

在图6的布置中，通道被分成四组，对应于OVC孔管的四个四分之一区。在每种情况下，冷却流体在经受高水平加热的区域TDC或BDC处被引入，并且从侧部离开，侧部是需要较少冷却的区域，因为它们在使用中不太热。所得到的温度在OVC孔管的表面上更恒定。通过将通道分成四组，可以在四个单独的位置处引入新鲜冷却流体，并且与图4的布置相比，可以使用减少的冷却流体流动实现有效冷却。

在图7所示的布置中，通道被分成八组。冷却流体入口和出口可以围绕OVC孔管对称地布置，以提供有效的对称冷却。需要每组通道来冷却OVC孔管的减小的表面区域，并且因此可以以降低的流速操作。

图8的布置示出了达到其极限的该原理，其中每对通道具有其自己的冷却流体入口和出口。可以例如使用阀来控制每对通道中的冷却流体的流速，以为每对通道提供所需的冷却量，并且确保在OVC孔管的表面上的一致的温度。

图4至图8的布置示出了对称布置，其中所有通道被划分为多个等同的组。图9表示备选的布置，其中通道组在大小上不等同。在该示例中，靠近TDC和BDC的具有较大冷却要求的区域设置有较小组的通道，而在该示例中靠近侧部的具有减少冷却要求的区域设置有较大组的通道。通过使类似流速的冷却流体循环通过每个组，向具有更大冷却需求的区域提供增强的冷却能力，而向具有较低冷却需求的区域提供减小的冷却能力。当然，还可以使流速适应每组，以进一步控制每组中的冷却能力。甚至可以通过在不同组中使用不同冷却流体来改变可用的冷却。

图4至图9的所有实施例使用连续连接的通道13，即每个通道13通过管道14连接到一个或两个紧邻的通道。然而，这种情况不是必需的，并且图10示出了另一个实施例，其中每组通道以螺旋形式连接。在每种情况下，冷却流体被引入到一组中的通道的外侧通道中，并且以螺旋方式进行，直到其离开通道中的靠近组的中心的通道。冷却流体的流动方向当然可以颠倒。类似地，可以制作其它布置来将通道以其它顺序(例如，部分螺旋、部分连续的布置)连接在一起。

图4至图10示出的实施例各自包括四十八个通道13，四十八个通道可以被布置为容纳多达四十八个垫片托盘。如对本领域技术人员将显而易见的是，其它实施例可以设置有更多或更少的通道和垫片托盘。

虽然已经通过示例性实施例更详细地解释了本发明，但是本发明不限于所公开的示例，而是扩展到所附权利要求中限定的整个保护范围。

Claims

1.一种用于对磁共振成像设备的圆柱形超导磁体的背景磁场进行匀场的装置，所述装置包括圆柱形外部真空室孔管(1)，其中导轨(8、9)设置在所述圆柱形外部真空室孔管的径向内表面上，并且包含垫片元件的垫片托盘(4)被安装在相应的导轨之间，

其中由导轨(8、9)保持的垫片托盘(4)的多个布置围绕所述圆柱形外部真空室孔管(1)的所述径向内表面彼此相邻地被定位

-所述导轨(8、9)具有凹槽(12)，以容纳相应垫片托盘(4)的相应边缘；

-在每个垫片托盘(4)和相应的所述凹槽(11)中的至少一个凹槽之间提供过盈配合；

-其特征在于，所述导轨(8、9)中的至少一些导轨包括通路(13)，所述通路通过管道(14、20)连接到用于冷却剂流体循环通过其中的冷却剂回路中，

-所述导轨(8、9)和所述垫片托盘(4)至少部分地由导热材料构成，并且彼此热接触以及与所述圆柱形外部真空室孔管热接触，由此所述冷却剂流体用于稳定所述圆柱形外部真空室孔管、所述垫片托盘和所述垫片元件的温度，

其中所述垫片托盘(4)包括底部件(16)和固定到所述底部件的盖(18)，所述盖与所述导轨热接触，其中所述垫片托盘和所述导轨围绕所述圆柱形外部真空室孔管延伸，形成用于所述圆柱形外部真空室孔管的热屏蔽。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述垫片托盘能够沿所述导轨(8、9)滑动，并且提供固定装置以将所述垫片托盘沿所述导轨的长度保持在期望的位置。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，至少一个垫片托盘(4)包括铁磁材料或顺磁材料。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述底部件(16)和所述盖(18)彼此热接触，使得所述底部件也与所述导轨热接触。

5.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其中垫片托盘(4)的相应边缘各自具有侧向唇部(11)，所述凹槽(12)通过所述侧向唇部保持所述垫片托盘(4)。

6.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其特征在于，所述导轨(8、9)中的至少一个导轨包括铁磁材料或顺磁材料。

7.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其中所述冷却剂回路包括冷却器(26)。

8.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其中所述冷却剂回路包括循环器(24)。

9.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其中每个导轨(8、9)具有相应的凹槽(12)，每个凹槽保持两个相邻垫片托盘中的每个垫片托盘的相应边缘。

10.根据权利要求1、2和4中的任一项所述的装置，其中每个导轨(8、9)具有相应的凹槽(12)，每个凹槽保持两个相邻垫片托盘中的每个垫片托盘的相应的侧向唇部(11)。