CN108037473B - 磁共振成像系统及其低温保持器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温保持器结构，包括：罐体，所述罐体的内部设置有空腔，所述空腔用于放置冷却剂以及浸泡于冷却剂中的超导线圈，所述超导线圈用于产生磁共振成像所需的主磁场；冷头部件，位于于所述罐体的侧面，所述冷头部件用于向所述空腔制冷将所述超导线圈保持在低温超导状态；所述冷头部件相对于竖直方向倾斜设置。即冷头部件与竖直方向之间存在夹角，以增加冷头部件到天花板之间的空间；这样，倾斜后的冷头部件能够使得其拔出的高度降低，进而使得上述空间能够容置冷头部件，从而降低对医院现场的安装需求。本发明还提供一种磁共振成像系统。

Description

磁共振成像系统及其低温保持器结构

技术领域

本发明涉及医用设备技术领域，特别是涉及一种磁共振成像系统及其低温保持器结构。

背景技术

磁共振成像系统是一种旨在获得一维、二维及三维图像的医疗方式，非常适合软组织的图像化，主要用于诊断疾病病理及内伤。典型的磁共振成像系统包括超导线圈，用以在扫描区域产生一个强大的、均匀的主磁场。超导线圈工作在极低的温度下，通常使用零液氦挥发配合制冷机来维持超导线圈的温度。

低温制冷机通过提供足够冷量补偿，其值大于从外界潜入的漏热，从而使整个低温系统达到一个稳定的超低温度，确保超导线圈正常工作。通常使用G-M制冷机和脉冲管制冷机。对目前常用的G-M制冷机而言，其轴线一般垂直于地面，以确保制冷机二级提供有足够的制冷量。

但是，G-M制冷机的寿命在10000小时作用，这就要求：在现场需要定期对冷头进行一个拆卸安装的过程。而医院现场，冷头与其上方的顶棚之间的空间较小，由于冷头拆装的需求，为了避免冷头碰触顶棚，且方便冷头的拆装，往往需要被额外加高其顶棚，同时，对拆装操作的条件也变得相当苛刻，影响冷头的拆装效率。

发明内容

基于此，有必要针对目前冷头与其上方的顶棚之间空间较小导致影响冷头拆装的问题，提供一种能够方便安装与拆卸以便于降低对医院现场的安装需求的低温保持器结构，同时还提供一种含有上述低温保持器结构的磁共振成像系统。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种低温保持器结构，包括：

罐体，所述罐体的内部设置有空腔，所述空腔用于放置冷却剂以及浸泡于冷却剂中的超导线圈，所述超导线圈用于产生磁共振成像所需的主磁场；及

冷头部件，位于所述罐体的侧面，所述冷头部件通过向所述空腔制冷将所述超导线圈保持在低温超导状态；

所述冷头部件相对于竖直方向倾斜设置。

在其中一个实施例中，所述冷头部件的顶部朝向所述罐体端部的方向倾斜。

在其中一个实施例中，所述冷头部件的顶部朝向靠近或远离所述超导线圈轴线的方向倾斜。

在其中一个实施例中，所述冷头部件的轴线与所述竖直方向之间的夹角范围为20°～45°。

在其中一个实施例中，所述冷头部件包括第一级冷头及第二级冷头，所述第二级冷头呈圆台形设置，所述第二级冷头在靠近所述第一级冷头的一端的直径大于所述第二级冷头在远离所述第一级冷头一端的直径。

在其中一个实施例中，所述第二级冷头的外表面具有上多个沿所述第二级冷头径向方向延伸的凸起，相邻的两个所述凸起间形成沟壑。

在其中一个实施例中，所述凸起为散热翅片，所述散热翅片在靠近所述第一级冷头一端的厚度大于所述散热翅片在远离所述第一级冷头一端的厚度。

在其中一个实施例中，所述第二级冷头的外表面及所述凸起的外表面采用镀层或抛光处理。

在其中一个实施例中，所述低温保持器结构还包括防辐射漏热屏、真空隔层及导热带，所述防辐射漏热屏与所述真空隔层依次设置于所述罐体的外侧；所述导热带设置于所述真空隔层中，并连接所述防辐射漏热屏与所述冷头部件。

一种磁共振成像系统，包括超导线圈及如上述任一技术特征所述的低温保持器结构，所述超导线圈安装于所述低温保持结构的罐体的空腔中。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：

本发明的磁共振成像系统及其低温保持器结构，制冷机安装在超导线圈的侧面，而且，冷头部件相对于竖直方向倾斜设置，即冷头部件倾斜的方向与超导线圈高度方向之间存在夹角，以增加冷头部件到天花板之间的空间；有效的解决目前冷头与其上方的顶棚之间空间较小导致影响冷头拆装的问题；这样，倾斜后的冷头部件能够使得其拔出的高度降低，进而使得上述空间能够容置冷头部件，从而降低对医院现场的安装需求。

附图说明

图1为本发明一实施例的冷头部件安装于罐体上的主视图；

图2为图1所示的冷头部件安装于罐体上的左视图；

图3为图1所示的冷头部件的示意图；

图4为图3所示的A处局放大示意图；

图5为图4所示的从B-B处看的示意图；

图6为图5所示的C处的局部放大图；

图7为图3所示的冷头结构中第二级冷头的受力示意图；

其中：

100-低温保持器结构；

110-冷头部件；

111-第一级冷头；

112-第二级冷头；

113-散热翅片；

120-罐体；

121-空腔；

130-防辐射漏热屏；

140-真空隔层；

150-导热带；

200-超导线圈；

300-天花板；

400-地面。

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，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的磁共振成像系统及其低温保持器结构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。

参见图1至图3，本发明提供了一种低温保持器结构100，该低温保持器结构100应用于磁共振成像系统中，用于对磁共振成像系统的超导线圈200进行冷却。磁共振成像系统包括超导线圈200，超导线圈200能够在扫描区域产生一个强大的、均匀的主磁场；RF发射及接收系统包括发射及接收线圈。梯度线圈环绕在扫描区域周围。磁共振成像系统工作时会消耗大约200mw的冷头制冷余量。电脑处理系统可以接收来自接收线圈的信号，并转化为诸如图像等数据。超导线圈200结合梯度线圈一起工作，在磁共振成像系统数据收集序列时，在主磁场区域临时的受到脉冲，生成控制梯度的序列。由于超导线圈200工作在极低的温度下，本发明的低温保持器结构100能够维持超导线圈的温度，使得超导线圈正常工作，同时还能够将气态的冷却剂(例如液氦或液氮)转化成液态，降低磁共振成像系统的运行成本。

在本发明中，低温保持器结构100包括罐体120及冷头部件110。罐体120的内部设置有空腔121，空腔121用于放置冷却剂以及浸泡于冷却剂中的超导线圈200。超导线圈200用于产生磁共振成像系统成像时所需的主磁场。冷头部件110位于罐体120的侧面。冷头部件110通过向空腔121制冷将超导线圈200保持在低温超导状态。冷头部件110能够提供足够冷量补偿，其值大于外界潜入的漏热，从而使整个低温系统达到一个超低的温度，确保超导线圈200正常工作。在本实施例中，以冷却剂为液氦为例进行说明。罐体120的空腔121是用来存储液氦的，液氦吸热后会蒸发变成气态氦，气态氦会流动到空腔121的上方，并与冷头部件110相接触。冷头部件110能够向空腔121提供冷量，以对气态氦进行热交换，使得气态氦转化成液氦，以补充一定的冷量，再冷凝或传输冷量到空腔121的底部，从而大幅减小液氦的蒸发量，降低液氦损耗，保证超导线圈200在低温下运行。

而且，冷头部件110相对于竖直方向倾斜设置。这样能够降低冷头部件110在罐体120上的位置，进而冷头部件110拆卸时从罐体120中拔出时，倾斜设置的冷头部件110能够降低其拔出高度；相应的，在安装时，冷头部件110的安装高度也相应的降低，从而降低对医院现场安装的要求。同时，倾斜设置的冷头部件110还能够增加其与天花板300之间的空间，该空间能够足够容纳冷头部件110，无需采用加高天花板300的方式进行拆卸与安装，方便安装与拆卸，提高效率。

由于冷头部件110设置于罐体120的侧面，也就是说，冷头部件110的轴线距离超导线圈200轴线所在的竖直面之间存在一定的间距，即冷头部件110相对于罐体120的顶部最高点之间存在一定的间距。这样能够降低冷头部件110与天花板300之间的空间。可选地，冷头部件110的顶部朝向远离超导线圈200轴线的方向倾斜设置。也就是说，冷头部件110在图1所示方向上向左侧倾斜。这样能够使得冷头部件110朝向罐体的外侧延伸，在增加其与天花板300之间的空间的同时，更方便冷头部件110的拆卸与安装，提高效率。当然，在本发明的其他实施方式中，冷头部件110朝向靠近超导线圈200轴线的方向倾斜设置。也就是说，冷头部件110在图1所示方向上向左侧倾斜。这样也能够增加其与天花板300之间的空间，方便冷头部件110的拆卸与安装。又可选地，冷头部件110的顶部朝向罐体120的端部方向倾斜。也就是说，冷头部件110在图1所示方向上前后倾斜，采用这种倾斜方式设置后，冷头部件110也与竖直方向存在夹角。这样也能够增加其与天花板300之间的空间，方便冷头部件110的拆卸与安装。可以理解的是，冷头部件110的左右倾斜可以与前后倾斜相叠加，举例说明，冷头部件110可以即向左倾斜，又向前倾斜。可以理解的是，冷头部件110的倾斜方向原则上不受限制，只要保证冷头部件110能够相对于竖直方向倾斜即可，实现增加冷头部件110与天花板300之间的空间的同时，更方便冷头部件110的拆卸与安装，提高效率。较佳地，在本实施例中，冷头部件110的顶部朝向远离超导线圈200轴线的方向倾斜，即冷头部件110在图1所示方向上向左侧倾斜。

为了便于说明冷头部件110倾斜设置便于安装与拆卸的效果，冷头部件110安装于罐体120上进行左视投影，并相应的增加地面400与天花板300，即为图2。从图2中可以看出，冷头部件110是相对于地面400与天花板300连线方向倾斜的，即冷头部件110相对于竖直方向倾斜设置。若冷头部件110竖直设置，则冷头部件110的最高点与天花板300之间的间距明显要远小于冷头部件110倾斜设置时冷头部件110的最高点与天花板300之间的间距。因此，冷头部件110倾斜设置能够降低其最高点相对于地面400的高度，增加冷头部件110与天花板300之间的空间，方便冷头部件110的安装与拆卸。

进一步地，冷头部件110的轴线与竖直方向之间的夹角θ范围为20°～45°。也就是说，冷头部件110安装在更倾斜的角度范围内，这样能够进一步降低其拔出高度，从而降低对医院安装的现场要求。可以理解的是，冷头部件110的轴线与竖直面之间的夹角不能超出上述范围，进而不会影响制冷效率，否则会影响冷头部件110产生冷量。冷头部件110可以为GM制冷机的冷头，也可以为斯特林制冷机的冷头。本实施例中，制冷机的其他部分未示出。

作为一种可实施方式，低温保持器结构100还包括防辐射漏热屏130及真空隔层140，防辐射漏热屏130与真空隔层140依次设置于罐体120的外侧。通过防辐射漏热屏130与真空隔层140能够降低外界进入的热量，进而减少液氦的蒸发量。超导线圈200浸泡在低温的罐体120中，液氦靠防辐射漏热屏130与真空隔层140维持很小的热漏量，以减小液氦的蒸发量。而且，低温保持器结构100还包括导热带150，导热带150设置于真空隔层140中，并连接防辐射漏热屏130与冷头部件110。导热带150能够将冷头部件110的冷量传递到防辐射漏热屏130上，以拉低防辐射漏热屏130的温度，进而减少液氦的蒸发量。可选地，导热带150为导热软带，进一步地，导热带150由高热导材料制成，如高纯铜、高纯铝等。

再进一步地，冷头部件110上具有第一级冷头111及第二级冷头112，第一级冷头111位于第二级冷头112的下方。本发明的冷头部件110采用二级制冷的方式补充冷量，使得气态氦冷凝成液氦并回到罐体120中，以大幅减小液氦的蒸发量。通常第一级冷头111的维度在40k左右，第二级冷头112可以达到液氦的临界温度4.2k及以下。而且，导热带150连接第一级冷头111与防辐射漏热屏130，通过导热带150将第一级冷头111上的冷量传递给防辐射漏热屏130，以拉低防辐射漏热屏130的温度，使得防辐射漏热屏130降低到大于50k左右，起到很好降低热漏的效果。第二级冷头112能够提供足够的冷量，以将气态氦冷凝成液态回到罐体120内，补充余下的热漏，从而保证整个低温系统的稳定性，达到零液氦蒸发的需求。

参见图2和图3，而且，第二级冷头112呈圆台形设置。需要说明的是，第二级冷头112冷凝气态氦时，液氦会凝结在第二级冷头112的外表面上，并在重力作用下滑落回到罐体120中。由于氦是以饱和蒸汽形式存在的，冷凝成液氦后，会在第二级冷头112上集结成一层液氦薄膜，该液氦薄膜会影响第二级冷头112对冷量的利用，产生热阻而影响换热；加之冷头部件110倾斜设置会影响氦气冷凝后从第二级冷头112的外表面滑落，影响制冷机效率。因此，本发明的第二级冷头112的外表面相对于冷头部件110的轴线倾斜设置，倾斜设置的外表面能够起到引导作用，方便液氦流动，使得液氦冷凝或者回流至罐体120中。

进一步地，第二级冷头112靠近第一级冷头111一端的直径大于第二级冷头112在远离第一级冷头111一端的直径。也就是说，第二级冷头112的大端位于上方，第二级冷头112的小端位于下方，即第二级冷头112呈倒圆台形设置。这样能够方便液氦沿着第二级冷头112的表面流动。再进一步地，第二级冷头的外表面具有上多个沿第二级冷头112径向方向延伸的凸起，相邻的两个凸起间形成沟壑。较佳地，凸起为散热翅片或者凸柱等结构。散热翅片1132能够增加散热面积，以保证第二级冷头112与气态氦的接触面积。为了便于说明，引入图4，图4中的波浪线示意气态氦，第二级冷头112下方的小圆圈示意液氦。第二级冷头112及散热翅片113能够与周边的气态氦进行热交换，并冷却气态氦，使之冷凝成为液氦，液氦能够顺着散热翅片113的沟壑及凸起表面在回流到罐体120中。进一步地，散热翅片113一般采用高热导率材料制成，如高纯铜、高纯铝等等。

参见图4至图7，可以理解的是，液氦在从散热翅片113回流至罐体120的过程中，会在散热翅片113上集结成一层液氦薄膜。虽然液氦的流动性能非常好：4.2k，0.1MPa下粘度可以低至3.244×10^-6Mpa，表面张力系数低至8.954×10^-3N/m，但由于液氦的热导率低至0.0186w/(m.k)，在外摩擦力、微弱的黏滞力以及表面张力的影响下，此层液氦薄膜增加了第二级冷头112和周围氦气的热阻，大大影响对冷头部件110冷量的利用效率。因此，本发明的第二级冷头112采用具有一定锥度的结构设计，且第二级冷头112的外表面与水平面之间的夹角为β，其阻止液氦薄膜向下流动的三个力的合力会减小到f’＝f×sinβ，其中f为液氦的摩擦力、黏滞力以及表面张力的合力，f’为f在竖直方向的分力，G为液氦的自身重力。第二级冷头112采用锥度结构设计后，液氦的自身重力G大于三个合力f在竖直方向的分力f’。这样，能够加强液氦薄膜向下流动的趋势，减小液氦薄膜的厚度，以减小热阻，方便第二级冷头112与气态氦之间的热交换，保证冷头部件110对冷量的使用效率。

进一步地，散热翅片113在靠近第一级冷头111一端的厚度大于散热翅片113在远离第一级冷头111一端的厚度。也就是说，散热翅片113的形状也成锥形设置，这样能够便于液氦流动。液氦顺着散热翅片113沟壑及凸起表面，再流回到空腔121中。锥形片状的散热翅片113，可以让液氦的流动性更好，从而滞留在翅片上的液氦薄膜更少，以减小液氦薄膜产生的热阻，提高对冷头部件110冷量的使用效率，保证使用性能。

可选地，第二级冷头112的外表面以及散热翅片113的外表面采用镀层或抛光处理。也就是说，可以采用镀层或抛光等方式对第二级冷头112的外表面以及散热翅片113的外表面进行处理，以使得第二级冷头112以及散热翅片113的表面具有良好的光洁度，提高第二级冷头112以及散热翅片113的表面性能，减小阻止液氦向下流动的影响，同时还能保证换热效果，达到提高冷头部件110使用效率的目的。

本发明还提供一种磁共振成像系统，包括超导线圈200及上述实施例中的低温保持器结构100，超导线圈200安装于低温保持器结构100的空腔121中。本发明的磁共振成像系统使用低温保持器结构100维持超导线圈200的温度，使得超导线圈200达到“零蒸发”的状态，可使超导线圈200保持良好的“超导”状态，以保证超导线圈200正常工作，同时还能够将气态的液氦转化成液态，降低磁共振成像系统的运行成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种低温保持器结构，其特征在于，包括：

罐体，所述罐体的内部设置有空腔，所述空腔用于放置冷却剂以及浸泡于冷却剂中的超导线圈，所述超导线圈与所述罐体同轴设置，且所述超导线圈用于产生磁共振成像所需的主磁场；及

冷头部件，位于所述罐体的侧面，所述冷头部件用于向所述空腔制冷将所述超导线圈保持在低温超导状态，所述冷头部件的底部位置不低于所述空腔的上端面；所述冷头部件包括第一级冷头及第二级冷头，所述第一级冷头位于所述第二级冷头的下方，所述第二级冷头的外表面具有上多个沿所述第二级冷头径向方向延伸的凸起，所述凸起为散热翅片，所述散热翅片在靠近所述第一级冷头一端的厚度大于所述散热翅片在远离所述第一级冷头一端的厚度；

所述冷头部件的顶部朝向所述罐体端部的方向倾斜，且所述冷头部件在与所述超导线圈轴线平行的竖直面内倾斜。

2.根据权利要求1所述的低温保持器结构，其特征在于，所述冷头部件的顶部朝向靠近或远离所述超导线圈轴线的方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的低温保持器结构，其特征在于，所述冷头部件的轴线与所述竖直方向之间的夹角范围为20°～45°。

4.根据权利要求3所述的低温保持器结构，其特征在于，所述第二级冷头呈圆台形设置。

5.根据权利要求4所述的低温保持器结构，其特征在于，所述第二级冷头在靠近所述第一级冷头的一端的直径大于所述第二级冷头在远离所述第一级冷头一端的直径。

6.根据权利要求1至5任一项所述的低温保持器结构，其特征在于，相邻的两个所述凸起间形成沟壑。

7.根据权利要求1至5任一项所述的低温保持器结构，其特征在于，所述散热翅片由高热导率材料制成。

8.根据权利要求1至5任一项所述的低温保持器结构，其特征在于，所述第二级冷头的外表面及所述凸起的外表面采用镀层或抛光处理。

9.根据权利要求1所述的低温保持器结构，其特征在于，所述低温保持器结构还包括防辐射漏热屏、真空隔层及导热带，所述防辐射漏热屏与所述真空隔层依次设置于所述罐体的外侧；所述导热带设置于所述真空隔层中，并连接所述防辐射漏热屏与所述冷头部件。

10.一种磁共振成像系统，其特征在于，包括超导线圈及如权利要求1至9任一项所述的低温保持器结构，所述超导线圈安装于所述低温保持器 结构的罐体的空腔中。

Images