CN108022711A - 一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统 - Google Patents
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Abstract
一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，包括：真空容器，真空容器内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈，真空容器内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈，主磁场超导线圈与屏蔽磁场超导线圈之间的空置区域放置热管储气罐；氦储液盒，与储液盒储气罐连通，同时通过氦自激振荡热管连接主磁场超导线圈或屏蔽磁场超导线圈，氦自激振荡热管还连通热管储气罐；制冷机，其通过冷头自动插拔组件固定于真空容器上；所述制冷机的一级冷头与热辐射屏组件紧密接触，所述制冷机的二级冷头与氦储液盒紧密接触。本发明克服了现有超导磁体系统冷却性能不高，制冷机一旦停止工作后漏热过大导致磁体快速失温，以及超导磁体系统的维护复杂可靠性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁共振全身成像领域的超导磁体系统，特别涉及智能化的无液氦超导磁共振系统。
背景技术
核磁共振成像(MRI)利用均匀磁场下原子核(如质子)的磁共振现象来对人体内不同组织及器官进行成像，从而实现医学诊断等功能。磁共振成像的信噪比与磁场强度成正比，因此场强越高，磁共振成像的清晰度越好，更有利于医生作出准确的诊断以及实现复杂的成像功能。目前国内外市场主流为1.5T磁共振成像系统，3T甚至更高磁场的成像系统具有更快的发展速度。
早期的永磁型磁共振成像系统磁场强度较低(一般小于0.7T)，已逐渐被淘汰；为了实现高场强磁共振成像，需要使用超导型磁共振成像系统，即使用超导磁体产生磁共振成像所需的强磁场。超导磁体可以产生强磁场，但是需要极低温的工作条件以满足超导体临界温度的要求(对商业磁共振成像超导磁体临界温度一般小于7K)，超过超导体这一临界温度，超导磁体便不能正常工作。
为了产生并维持超导磁体所需的极低温工作条件，传统的方法是将超导磁体浸泡在液氦(一个大气压下的沸点4.2K)制冷剂内，从而将磁体外部环境的热辐射、磁体支撑部件的传导漏热以及及磁体接头电阻等部分的欧姆热从磁体内导走，以维持磁体正常运行所需的极低温条件。然而，在使用液氦浸泡超导磁体过程中，会不断的消耗液氦，从而需要定期为磁体补充液氦，操作过程十分繁琐，需要专业人员维护；此外，液氦是一种稀缺资源，价格十分昂贵，而且其获取受限于国外(主要为美国)，资源安全性无法保障。
为了克服液氦浸泡磁体过程中的液氦损耗，采用制冷机冷凝挥发的液氦并返回到磁体中，该技术得到越来越普遍的应用，尤其对液氦供给困难的地区有较大的需求。然而该技术仍然需要使用大量液氦作为制冷剂，在磁体发生失超以及励磁及退磁过程中仍然会消耗大量液氦。
近十几年来，人们发明了传导冷却技术用于给超导磁体制冷，然而传统的传导冷却技术使用高纯铜作为冷头与磁体间的冷却通道，但由于铜的热导率不够高，这仅能够满足小型超导磁体的冷却需求，对于全身成像的磁共振超导磁体则很难保证磁体各部分达到均匀冷却。为此，如西门子公司提出了采用热虹吸管冷却超导磁体的方法，该方法在超导线圈表面缠绕热虹吸管，利用高热导率及工质自循环的热虹吸技术，将制冷机冷头的冷量不断的传递给超导磁体，从而维持磁体的极低温条件，该方法只使用极少量的液氦作为热虹吸管的工质从而实现为磁体均匀冷却的目的；飞利浦公司也提出了使用管道冷却超导磁体的方法，与其不同的是，飞利浦公司采用了使用额外低温泵驱动管道工质，从而实现工质在磁体与制冷机冷头间的管道内循环流动和冷量传输。然而，对于热虹吸技术，其工质循环的动力源于重力，因此该技术应用受制于制冷机冷头与磁体的相对位置；对于使用低温泵的技术，由于需要额外电力驱动以及低温泵需定期维护，该技术增加系统复杂度，存在一定的可靠性问题。因此，需要发明具有高性能和高可靠性的极低温传热技术用于为全身成像超导磁体系统制冷。
通过采用制冷机冷却超导磁体需要外部电力维持制冷机运转(例如1.5W@4K，380V，5kW的脉管制冷机)，一旦外部电力供给出现故障，如停电发生，制冷机便不能继续产生冷量输出到磁体，制冷机冷头温度会快速回升，它反而会成为磁体系统的最大漏热源，使磁体温度也迅速升高，极易造成超导磁体的温度超过临界温度从而发生失超。虽然磁体系统一般具有失超保护装置，但是失超过程伴随的高电压、热点温升以及涡流应力仍然给超导磁体系统带来损坏的潜在风险，如不能快速排除电力系统故障，可能给磁体带来永久损害。目前尚未有报道对此问题进行改进，因此，需要发明新的技术，在电力系统发生故障后，大幅减少制冷机给超导磁体系统带来漏热。
在磁体的整个工作过程中，如制冷、励磁、稳定运行、故障排除、退磁等步骤，除了稳定运行外，其他步骤一般都需要厂家或受过培训的专业人士进行操作。一方面这会带来较高的维护和运行成本，另一方面如果人为操作不及时或者操作失误，都会使磁体系统面临损坏的风险。目前尚未有报道完全无需人为干预的磁体监控系统，因此，需要发明具有更高自动化和智能化的超导磁体监控系统，从而克服上述人为操作带来的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有全身成像磁共振超导磁体系统的传导冷却制冷系统性能及可靠性不高，制冷机一旦停止工作后漏热过大导致磁体快速失温，以及超导磁体系统的维护复杂可靠性差的问题，提出一种无液氦智能化的全身成像磁共振超导磁体系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，包括：
真空容器，其为封闭的中空圆筒状，沿所述真空容器的内壁设有热辐射屏组件，并由所述热辐射屏组件构成封闭的中空圆筒工作舱；所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈，所述主磁场超导线圈与屏蔽磁场超导线圈之间的空置区域放置热管储气罐；
氦储液盒，所述氦储液盒与储液盒储气罐连通，同时所述氦储液盒通过氦自激振荡热管连接主磁场超导线圈或屏蔽磁场超导线圈，氦自激振荡热管还连通热管储气罐；
制冷机，其通过冷头自动插拔组件固定于真空容器上；所述制冷机的一级冷头与热辐射屏组件紧密接触，所述制冷机的二级冷头与氦储液盒紧密接触。
进一步的，所述真空容器包括圆筒形内管、圆筒形外管和两端的环形端部件，其中所述圆筒形内管与圆筒形外管同轴线，且圆筒形外管的直径大于圆筒形内管的直径，所述环形端部件连接圆筒形内管与圆筒形外管形成封罩。
进一步的，氦自激振荡热管包括热端、冷端和绝热区，所述热端分别缠绕于主磁场超导线圈和屏蔽磁场超导线圈的外表面，所述冷端缠绕于氦储液盒上；热端与冷端之间为绝热区，所述绝热区设有气体连接通道并与热管储气罐连通。
进一步的，当所述超导磁体系统未制冷时，所述储液盒储气罐和热管储气罐均存储高压氦气并密封；
当所述超导磁体系统制冷时，制冷机的二级冷头通过氦储液盒将储液盒储气罐中的气氦冷凝至液氦于储液盒中，进而将热管储气罐内的氦气冷凝至液氦于氦自激振荡热管的冷端内，从而形成氦自激振荡气液循环，将制冷机的冷量传递到主磁场超导线圈和屏蔽磁场超导线圈，冷却所述超导磁体系统至工作温度；
进一步的，所述氦自激振荡热管为一组或多组。
进一步的，所述氦自激振荡热管的管壁采用高热导率金属制成；所述氦自激振荡热管的内管径小于0.8mm，且所述管壁厚度为0.1mm-1mm。
进一步的，氦自激振荡热管与主磁场超导线圈或与屏蔽磁场超导线圈之间还焊接或压接有高热导率金属薄筒。
进一步的，主磁场超导线圈、屏蔽磁场超导线圈和热辐射屏组件分别通过细拉杆悬吊于真空容器内。
进一步的，还包括智能监控系统，其由独立UPS供电；所述智能监控系统包括信息监测系统、信息处理系统和操作控制系统，其中，所述信息监测系统实时监测包括磁体内部温度及外部电力状态的运行信息，并反馈到信息处理系统；所述信息处理系统对运行信息进行判断并命令操作控制系统采取相应动作，包括驱动冷头自动插拔组件使两个冷头脱离或恢复，驱动高精度超导电源为磁体励磁及退磁。
进一步的，所述冷头自动插拔组件、制冷机、高精度超导电源均由独立UPS供电。
进一步的，所述冷头自动插拔组件包括电动机构和密封波纹管，其中密封波纹管套设在电动机构内部；所述密封波纹管一端连接制冷机，一端连接真空容器，起到支撑制冷机、允许制冷机小量位移、同时维持真空密封的作用；电动机构一端固定在真空容器上，另一端固定在制冷机上，可使制冷机产生小量位移。
本发明的有益效果为：
本发明的无液氦智能化的全身成像磁共振超导磁体系统可产生高效的制冷效率，从而满足全身成像磁共振超导磁体系统的制冷需求；具有能够根据系统外部电力状况切断或闭合制冷机冷头与磁体的热连接的功能，实现电力故障情况下的最小漏热率；可以实现超导磁体系统正常工作及应急处理全过程的无人为干预，保障磁体的安全性和可靠性。
附图说明
图1为本发明所述智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统的剖面结构示意图；
图2为本发明所述冷头自动插拔组件结构示意图；
图3为智能监控系统结构框图；
其中，1-主磁场超导线圈，2-屏蔽磁场超导线圈，3-氦自激振荡热管，4-热管储气罐，5-氦储液盒，6-储液盒储气罐，7-热辐射屏组件，8-真空容器，9-制冷机，10-冷头自动插拔组件，11-智能监控系统，12-密封波纹管，13-电动机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，如图1所示，包括主磁场超导线圈1、屏蔽磁场超导线圈2、氦自激振荡热管3、热管储气罐4、氦储液盒5、储液盒储气罐6、制冷机9、冷头自动插拔组件10以及智能监控系统11。
其中，真空容器8为封闭的中空圆筒状，包括圆筒形内管、圆筒形外管和两端的环形端部件，其中所述圆筒形内管与圆筒形外管同轴线，且圆筒形外管的直径大于圆筒形内管的直径，所述环形端部件连接圆筒形内管与圆筒形外管形成封罩。沿所述真空容器8的内壁设有热辐射屏组件7，并由所述热辐射屏组件7构成封闭的中空圆筒工作舱。所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈1，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈2，所述主磁场超导线圈1与屏蔽磁场超导线圈2之间的空置区域放置热管储气罐4，以节省系统所占空间。主磁场超导线圈1、屏蔽磁场超导线圈2和热辐射屏组件7分别通过细拉杆悬吊于真空容器8内。
所述氦储液盒5通过气体连接通道与储液盒储气罐6连通，同时所述氦储液盒5通过氦自激振荡热管3连接主磁场超导线圈1或屏蔽磁场超导线圈2，氦自激振荡热管3还连通热管储气罐4。
具体的，所述氦自激振荡热管3包括热端、冷端和绝热区，所述热端分别紧密缠绕于主磁场超导线圈1和屏蔽磁场超导线圈2的外表面，所述冷端缠绕于氦储液盒5的一侧上；热端与冷端之间的连接通道为绝热区，所述绝热区设有气体连接通道并与热管储气罐4连通。所述氦自激振荡热管3可为一组或多组以加强冷却能力。
所述氦自激振荡热管3利用极少量的低温工质(如液氦)在冷、热端上的热管内发生气液相变实现高效传热，并依靠气液相变产生的驱动力使气液相工质在冷、热端间高速循环流动，从而实现冷、热端之间的极高热导率，其热导率可实现大于1×104Wm/K，远高于纯铜的5×102～1.5×103Wm/K，可满足全身成像超导磁体系统的冷却需求。
所述氦自激振荡热管3的管壁采用高纯铜等高热导率金属制成，从而增加热氦自激振荡热管3自身的热导率以及增强氦自激振荡热管3与主磁场超导线圈1或屏蔽磁场超导线圈2、热管3、氦储液盒5之间的热传导。管壁厚度需使氦自激振荡热管3具有一定的机械强度能够承受氦的两相自激振荡产生的压强(一般小于1MPa)，同时厚度应尽可能小以减小热阻，所述管壁厚度为0.1mm-1mm。所述氦自激振荡热管3的内管径小于0.8mm，以实现氦的高效自激振荡。
优选的，氦自激振荡热管3与主磁场超导线圈1或与屏蔽磁场超导线圈2之间外还焊接或紧密压接有高热导率金属薄筒，作为氦自激振荡热管3的冷端。所述金属薄筒一方面起到增大氦自激振荡热管3与超导线圈的导热面积，另一方面起到机械固定超导线圈及氦自激振荡热管的作用。
制冷机9通过冷头自动插拔组件10固定于真空容器8上。所述制冷机9的一级冷头与热辐射屏组件7通过压力紧密接触，所述制冷机9的二级冷头与氦储液盒5的另一侧通过机械压接紧密接触。
当所述超导磁体系统未制冷时，所述储液盒储气罐6和热管储气罐4均存储高压氦气并密封；高压氦气填充量应使氦气冷凝后的液氦量为氦自激振荡热管总容量的20％～40％，以实现最大传热效率。
当所述超导磁体系统制冷时，制冷机9的二级冷头通过氦储液盒5将储液盒储气罐6中的气氦冷凝至液氦于储液盒5中，进而将热管储气罐4内的氦气冷凝至液氦于氦自激振荡热管3的冷端内，从而形成氦自激振荡气液循环，将制冷机9的冷量传递到主磁场超导线圈1和屏蔽磁场超导线圈2，快速并均匀的将主磁场超导线圈1和屏蔽磁场超导线圈2冷却至工作温度。
图2为冷头自动插拔组件结构示意图，所述冷头自动插拔组件10能够将冷头脱离磁体低温系统以及恢复冷头与磁体低温系统热连接，包括电动机构13和密封波纹管12，其中密封波纹管12套设在电动机构13内部；；所述密封波纹管12一端连接制冷机9，一端连接真空容器8，起到支撑制冷机9、允许制冷机9小量位移(如垂直方向1mm)、同时维持真空密封的作用；电动机构13一端固定在真空容器8上，另一端固定在制冷机9上，可使制冷机9产生小量位移(如垂直方向1mm)，所述电动机构13可为电动机、电磁阀、压电陶瓷等电动或机械结构。
在磁体降温和正常工作时，冷头自动插拔组件的电动机构驱使制冷机产生小量位移，使得制冷机的一级冷头与热辐射屏组件紧密接触并将冷量传递给热辐射屏组件，制冷机的二级冷头与氦储液盒紧密接触将储液盒储气罐中的氦气冷却至液氦于氦储液盒中，从而实现制冷机冷量向磁体内传输；在遭遇停电或人为断电时，冷头自动插拔组件的电动机构驱使制冷机产生相反方向的小量位移，使得制冷机的二级冷头与氦储液盒脱开，制冷机的一级冷头与热辐射屏组件脱开，实现超导磁体与制冷机之间的热隔离，从而避免超导磁体自身冷量快速损失，氦储液盒中的液氦可以更长时间的维持低温系统，从而可以使磁体长时间维持其正常运行，以便于磁体采取退磁等保护操作。当电力恢复后，冷头自动插拔组件再次驱动制冷机运动，恢复制冷机的一级冷头和二级冷头与热辐射屏组件和氦储液盒的紧密热接触，进而为超导磁体系统重新制冷，使磁体系统迅速恢复正常工作状态。
所述超导磁体系统工作的所有过程，如制冷、励磁、稳定运行、失超检测、故障监测、退磁等动作均由智能监控系统13自动管理，可实现系统无人为干预的智能化运行。所述超导磁体系统还包括智能监控系统11，其由独立UPS(不间断电源)供电，可在外部电力系统发生故障时仍然能够维持自身及超导磁体系统的正常工作并采取相应的保护动作。所述智能监控系统11包括信息监测系统14、信息处理系统15和操作控制系统16，其中，所述信息监测系统14实时监测包括磁体内部温度及外部电力状态的运行信息，并反馈到信息处理系统15，其中，磁体内布置有温度传感器。所述信息处理系统15对运行信息进行判断并命令操作控制系统16采取相应动作，包括驱动冷头自动插拔组件10使两个冷头脱离或恢复，驱动高精度超导电源17为磁体励磁及退磁。高精度超导电源可以保证磁体磁场精度到达正常成像的水平(电流精度小于百万分之一)，从而恢复磁共振成像系统的正常运行。
所述冷头自动插拔组件10、制冷机9、高精度超导电源17也可同时由独立UPS供电。
当监测到磁体外部电气故障，如停电，智能化监控系统11首先驱动冷头自动插拔组件10将制冷机9的冷头脱离超导磁体系统，减少超导磁体系统漏热；对于短期停电，可以待外部电力恢复时，智能化监控系统11驱动冷头自动插拔组件10将制冷机9的冷头恢复与超导磁体系统的热连接，从而使超导磁体系统恢复正常运行；对于长期停电，当监测到磁体内温度超过预设限度后，由UPS电源18提供电力，先驱动冷头自动插拔组件10将制冷机9的冷头恢复与超导磁体系统的热连接，使超制冷机8恢复正常运行，然后自动运行高精度超导电源17，将磁体电流退回零从而避免失超发生，待外部电力恢复后，再次自动运行高精度超导电源17为磁体励磁，并为UPS电源18充电，使磁体系统恢复正常运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，包括：
真空容器(8)，其为封闭的中空圆筒状，沿所述真空容器(8)的内壁设有热辐射屏组件(7)，并由所述热辐射屏组件(7)构成封闭的中空圆筒工作舱；所述中空圆筒工作舱内的径向内侧空间设有主磁场超导线圈(1)，所述中空圆筒工作舱内的径向外侧空间设有屏蔽磁场超导线圈(2)，所述主磁场超导线圈(1)与屏蔽磁场超导线圈(2)之间的空置区域放置热管储气罐(4)；
氦储液盒(5)，所述氦储液盒(5)与储液盒储气罐(6)连通，同时所述氦储液盒(5)通过氦自激振荡热管(3)连接主磁场超导线圈(1)或屏蔽磁场超导线圈(2)，氦自激振荡热管(3)还连通热管储气罐(4)；
制冷机(9)，其通过冷头自动插拔组件(10)固定于真空容器(8)上；所述制冷机(9)的一级冷头与热辐射屏组件(7)紧密接触，所述制冷机(9)的二级冷头与氦储液盒(5)紧密接触。
2.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，所述真空容器(8)包括圆筒形内管、圆筒形外管和两端的环形端部件，其中所述圆筒形内管与圆筒形外管同轴线，且圆筒形外管的直径大于圆筒形内管的直径，所述环形端部件连接圆筒形内管与圆筒形外管形成封罩。
3.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，氦自激振荡热管(3)包括热端、冷端和绝热区，所述热端分别紧密缠绕于主磁场超导线圈(1)和屏蔽磁场超导线圈(2)的外表面，所述冷端缠绕于氦储液盒(5)上；热端与冷端之间为绝热区，所述绝热区设有气体连接通道并与热管储气罐(4)连通。
4.根据权利要求3所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，
当所述超导磁体系统未制冷时，所述储液盒储气罐(6)和热管储气罐(4)均存储高压氦气并密封；
当所述超导磁体系统制冷时，制冷机(9)的二级冷头通过氦储液盒(5)将储液盒储气罐(6)中的气氦冷凝至液氦于储液盒(5)中，进而将热管储气罐(4)内的氦气冷凝至液氦于氦自激振荡热管(3)的冷端内，从而形成氦自激振荡气液循环，将制冷机(9)的冷量传递到主磁场超导线圈(1)和屏蔽磁场超导线圈(2)，冷却所述超导磁体系统至工作温度；
其中，所述氦自激振荡热管(3)为一组或多组。
5.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，所述氦自激振荡热管(3)的管壁采用高热导率金属制成；所述氦自激振荡热管(3)的内管径小于0.8mm，且所述管壁厚度为0.1mm-1mm。
6.根据权利要求5所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，氦自激振荡热管(3)与主磁场超导线圈(1)或与屏蔽磁场超导线圈(2)之间还焊接或紧密压接有高热导率金属薄筒。
7.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，主磁场超导线圈(1)、屏蔽磁场超导线圈(2)和热辐射屏组件(7)分别通过细拉杆悬吊于真空容器(8)内。
8.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，还包括智能监控系统(11)，其由独立UPS供电；所述智能监控系统(11)包括信息监测系统(14)、信息处理系统(15)和操作控制系统(16)，其中，所述信息监测系统(14)实时监测包括磁体内部温度及外部电力状态的运行信息，并反馈到信息处理系统(15)；所述信息处理系统(15)对运行信息进行判断并命令操作控制系统(16)采取相应动作，包括驱动冷头自动插拔组件(10)使两个冷头脱离或恢复，驱动高精度超导电源(17)为磁体励磁及退磁。
9.根据权利要求8所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，所述冷头自动插拔组件(10)、制冷机(9)、高精度超导电源(17)均由独立UPS供电。
10.根据权利要求1所述的一种智能化无液氦磁共振全身成像超导磁体系统，其特征在于，所述冷头自动插拔组件(10)包括电动机构(13)和密封波纹管(12)，其中密封波纹管(12)套设在电动机构(13)内部；所述密封波纹管(12)一端连接制冷机(9)，一端连接真空容器(8)，起到支撑制冷机(9)、允许制冷机(9)小量位移、同时维持真空密封的作用；电动机构(13)一端固定在真空容器(8)上，另一端固定在制冷机(9)上，可使制冷机(9)产生小量位移。
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Granted publication date: 20200612 |
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