CN109494041B - 超导磁体及使用该超导磁体的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超导磁体，所述超导磁体包括内筒，所述内筒上开设有匀场槽，所述匀场槽内设置有匀场条，所述内筒上设置有冷却管路，所述冷却管路内容置有能够与所述匀场条进行热交换的冷却介质。本发明还提供一种磁共振成像系统，包括超导磁体，所述超导磁体为上述任意一项所述的超导磁体。本发明提供的所述超导磁体，通过设置与所述匀场条热耦合的所述冷却管路，降低所述匀场条匀场时的温度，所述超导磁体提供的主磁场均匀性较佳，场漂现象受到抑制。本发明提供的应用上述超导磁体的磁共振系统，整机系统的可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

Description

超导磁体及使用该超导磁体的磁共振成像系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种超导磁体及使用该超导磁体的磁共振成像系统。

背景技术

随着生物医学工程及医学影像学的发展，磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging，MRI)作为继电子计算机X射线断层扫描技术后的又一重要医学诊断技术，在医学诊断方面发挥着越来越重要的作用。磁共振成像的原理是利用在均匀的主磁场(B₀场)中拉莫尔进动的氢原子，在射频场的激励下发生磁共振现象，运用梯度场的空间编码定位来实现磁共振成像。

在磁共振成像系统中，超导磁体提供了主磁场，主磁场的均匀性对于磁共振成像质量有较大的影响，所以均匀度是衡量超导磁体的一项非常重要的指标。由于加工制作安装及低温收缩带来的误差使得主磁场的均匀度不可能达到理论设计的期望值，所以需要额外的匀场操作。

为了改善磁场的均匀性，现有的磁共振成像系统的多采用硅钢等软磁性材料制成的匀场条来实现被动匀场，匀场条被磁化后可使主磁场按预定的设计发生畸变。但是由于梯度磁场对匀场条的涡流作用以及梯度磁场本身在工作时的散热，匀场条的温度会不可避免地上升。匀场条温度的变化改变了自身的磁导率，影响了主磁场的均匀性，也就发生了场漂。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种改进的超导磁体及使用该超导磁体的磁共振成像系统，该超导磁体提供的主磁场均匀性较佳，场漂现象受到抑制，使用该超导磁体的磁共振成像系统有广泛的应用前景。

本发明提供一种超导磁体，所述超导磁体包括内筒和外筒，所述内筒和所述外筒之间形成真空的内腔，所述内筒的外侧面上开设有匀场槽，所述匀场槽内设置有匀场条，所述内筒上设置有冷却管路，所述冷却管路内容置有能够与所述匀场条进行热交换的冷却介质，所述冷却管路包括设置于所述内筒内的冷却段。

进一步地，所述匀场槽沿所述内筒的轴向开设并贯穿所述内筒的至少一个端面；及/或，所述匀场槽沿所述内筒的圆周方向间隔排列。

进一步地，所述冷却管路包括多个设于所述内筒内的冷却段，多个所述冷却段沿所述内筒的圆周方向间隔排列。

进一步地，所述冷却管路包括多个连接段，每个所述连接段连通两个相邻的所述冷却段。

进一步地，所述匀场条与所述匀场槽之间设置有条托，所述匀场条通过所述条托固定于所述匀场槽内，所述条托与所述匀场槽之间过盈配合。

进一步地，所述条托和/或所述匀场槽开设有安装槽，所述条托通过所述安装槽能够滑动地设置于所述匀场槽内。

进一步地，多个所述匀场槽之间相互连通，所述匀场条与所述匀场槽之间的空隙形成所述冷却管路。

进一步地，所述超导磁体还包括对应所述匀场槽设置的密封件，所述密封件密封连接于所述内筒的端部并密封对应的所述匀场槽于所述内筒的端部的开口。

进一步地，每个所述匀场槽的一端连通一侧相临近的所述匀场槽，另一端连通另一侧相临近的所述匀场槽，所述冷却介质在所述冷却管路内循环流通。

本发明还提供一种磁共振成像系统，包括超导磁体，所述超导磁体为上述任意一项所述的超导磁体。

本发明提供的所述超导磁体，通过设置与所述匀场条热耦合的所述冷却管路，降低所述匀场条匀场时的温度，所述超导磁体提供的主磁场均匀性较佳，场漂现象受到抑制。本发明提供的应用上述超导磁体的磁共振系统，整机系统的可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明第一个实施方式中超导磁体的结构示意图。

图2为图1所示超导磁体透视化之后的结构示意图。

图3为图1所示超导磁体的剖视示意图。

图4为本发明第二个实施方式中超导磁体的结构示意图。

主要元件符号说明

超导磁体	100、100a
		低温保持器	10
内筒	11
		外筒	12
封头	13
		内腔	14
外腔	15
		梯度线圈	151
主线圈骨架	16
		屏蔽线圈骨架	17
线圈组件	20
		主线圈	21
屏蔽线圈	22
		匀场槽	31、31a
冷却管路	40、40a
		进口	41、41a
出口	42、42a
		密封件	43a

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“装设于”另一个组件，它可以直接装设在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，图1为本发明第一个实施方式中超导磁体100的结构示意图。超导磁体100用于产生均匀磁场。

本实施方式中，超导磁体100应用于磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)系统中，其作为电磁体的一种，用于提供核磁共振成像中所需的主磁场，使得核磁共振能够以主磁场为背景在高场强、高稳定性及高均匀性的环境下成像。

超导磁体100大致呈形，包括环形的低温保持器10以及位于低温保持器10内部的线圈组件20，低温保持器10用于固定线圈组件20，线圈组件20用于产生均匀和稳定的主磁场。

低温保持器10大致呈中空圆筒状，其为一层或多层高真空容器，每层容器包括内筒11、外筒12以及两组封头13，内筒11和外筒12为圆筒形且同轴间隔布置，两组封头13分别位于内筒11和外筒12的轴向两端，并连接内筒11和外筒12。

内筒11与外筒12之间形成环形的内腔14，容纳线圈的线圈容器、热屏蔽容器(图未示)和线圈组件20容置于内腔14中；环状的内筒11围成位于低温保持器10外部的外腔15，外腔15用于放置梯度线圈151及被检对象(图未示)。

线圈组件20包括多个主线圈21以及多个屏蔽线圈22，主线圈21用于产生主磁场，屏蔽线圈22用于约束杂散场，主线圈21与屏蔽线圈22均由若干组超导材料制成的线圈串联而成。

为了实现主线圈21及屏蔽线圈22在低温保持器10上的固定，低温保持器10的内筒11上固设有主线圈骨架16和屏蔽线圈骨架17，主线圈21绕制于主线圈骨架16上，屏蔽线圈22绕制于屏蔽线圈骨架17上。

进一步地，主线圈骨架16与内筒11的外表面结合在一起，主线圈21沿周向绕制于主线圈骨架16上；屏蔽线圈骨架17与外筒12的内表面结合在一起，屏蔽线圈22沿周向绕制于屏蔽线圈骨架17上。

此外，屏蔽线圈骨架17的内部还可以设置多个支撑筋(图未示)，该加强筋能够连接屏蔽线圈骨架17的内部及外部，并增强低温保持器10的结构强度。

低温保持器10的内腔14中还设置有液氦等低温冷却液，主线圈21及屏蔽线圈22至少有一部分浸泡在低温冷却液的液面下方。由于低温冷却液的冷却作用，主线圈21及屏蔽线圈22能够冷却至4.2K(开尔文)的温度下，此时主线圈21及屏蔽线圈22处于低温超导的零电阻状态，通电之后，主线圈21在屏蔽线圈22的屏蔽作用下即会产生较为均匀的高强度主磁场。

请一并参阅图2及图3，图2为图1所示超导磁体100透视化之后的结构示意图，图3为图1所示超导磁体100的剖视示意图。为了进一步提高主磁场的均匀性，超导磁体100在内筒11上开设有至少一个匀场槽31，匀场槽31内容置有匀场条(图未示)，匀场条在磁化后可使主磁场按照预定的设计发生畸变，畸变后的主磁场改变了自身原始的不均匀场强，也就实现了通过匀场条提高主磁场均匀性的调节过程。

匀场槽31在超导磁体100的内筒11上开设，由于超导磁体100应用在真空环境中，开设在内筒11外侧面上的匀场槽31也会处于真空环境中，此时容置在匀场槽31中的匀场条会与外界环境之间间隔了一层真空层，由于真空层的隔热效果优良，因此由梯度线圈151传递来的热量被真空层阻隔，匀场条的温度也可以大幅度的降低。

匀场条可采用现有的结构设计，例如可采用单层或者多层结构，匀场条可由多个硅钢片或其他软磁性材料制成的片层拼合而成。匀场条设置在主磁场中，会改变主磁场的局部强度，一个或者多个适当分布和设置的匀场条能够改变主磁场局部的强度，多个匀场条的相互配合，就能够实现对主磁场的均匀化调节。

匀场条的插拔过程，可以在超导磁体100退磁后进行，也可以直接在场插拔。在实际使用中，通常会使用到不同规格的多个匀场条，考虑到匀场条的磁化强度较大，在场插拔需要克服较大的磁场力，因此插拔过程一般会在超导磁体100退磁后进行。通过多次的励磁退磁和安装调整，数量众多的而又不同规格的匀场条均匀了主磁场的分布，提高了主磁场的均匀性。

匀场条的数量和位置可根据实际需要设置，具体参数可以在高斯计或场强仪测量得出有关数据后通过计算得出。

本实施方式中，匀场条大致呈长方体形状，其沿低温保持器10的轴向设置在匀场槽31内。当然，在其他的实施方式中，匀场条还可以采用其他的形状，如长圆柱状；匀场条也可以采用除沿轴向设置的其他的安装方式。

本实施方式中，为了配合匀场条轴向设置的安装设计，匀场槽31也沿低温保持器10的轴向延伸；匀场槽31贯穿内筒11的一个端面，或者贯穿内筒11的两个端面，匀场槽31在内筒11至少一个端面上的贯穿使得匀场条能够顺利地安装进匀场槽31中。

本实施方式中，为了匹配匀场条的长方体形状，匀场槽31的横截面设置为长方形。当然，若匀场条的形状改变，匀场槽31的横截面形状也可改变；同样的，若匀场条不采用沿轴向延伸的安装方式，匀场槽31的开设方向也需要根据匀场条的设计要求开设。

本实施方式中，匀场槽31的数量为多个，多个匀场槽31均沿低温保持器10的轴向延伸，并且在内筒11的圆周方向上依次间隔排列地等距分布；从低温保持器10的侧面观察，多个矩形状匀场槽31围成环状，相邻的两个匀场槽31之间的距离相等。

进一步地，匀场槽31与匀场条之间还设置有条托(图未示)，该条托用于固定匀场条，实现匀场条的有效安装。由于条托的辅助作用，在场插拔过程中多根匀场条均能够稳定的固定在对应的条托内，匀场条不会在电磁力的驱动下从安装位置飞出，条托的辅助作用提高了操作人员作业时的安全性。

当然，若匀场条仅在超导磁体100退磁后插拔安装，条托也可以省略。

为了克服匀场条受梯度线圈151的涡流作用以及传热作用而出现的发热现象，抑制主磁场的场漂现象，本发明提供的超导磁体100设置了冷却管路40，该冷却管路40内容置有冷却介质，冷却管路40能够与匀场条热耦合，从而降低匀场条的温度，抑制主磁场的场漂现象，提高主磁场的均匀性。

本实施方式中，冷却介质为低温冷却水。可以理解，在其他的实施方式中，冷却介质还可以采用冷却液等其他类型的液态冷却介质或者循环气体等其他类型的气态冷却介质。

本实施方式中，超导磁体100通过水冷的方式冷却匀场条，冷却管路40内容置有冷却液，匀场片上的热量通过条托、匀场槽31、内筒11以及冷却管路40传导至冷却介质处，冷却液与匀场条之间通过热传导等传热方式降低匀场条的温度，从而提高主磁场的均匀性。

本实施方式中，为了提高冷却管路40与匀场条之间的热耦合效率，提高冷却管路40对匀场条的冷却能力，冷却管路40的安装方式与匀场条的安装方式匹配，也即冷却管路40也沿低温保持器10的轴向延伸，冷却管路40的延伸方向与匀场条的安装方向平行，从而使得冷却管路40能够对应匀场片的不同部位，提高热耦合的效率。

当然，冷却管路40的安装方式并不限于仅能够采用上述的轴向安装，在其他的实施方式中，冷却管路40还可以按照曲线、网状等其他方式布设，只要冷却管路40能够实现与匀场条之间的热耦合，降低匀场片的温度即可。

本实施方式中，冷却管路40的延伸长度要大于匀场条的长度，如此设置，能够确保冷却管路40对匀场条的所有部分均能够实现降温，避免出现匀场条局部降温不足的现象，进一步提高冷却管路40的冷却能力。

当然，若不考虑冷却管路40的冷却效果，冷却管路40的延伸长度也可以等于或者小于匀场条的长度。

本实施方式中，冷却管路40的横截面为圆形，冷却管路40采用圆形管，冷却管路40采用圆形管能够便于低温冷却水的流通，提高低温冷却水的流动性。可以理解，在其他的实施方式中，冷却管路40还可以采用矩形管等其他类型的管件，只要该类型的管件能够实现冷却液的流通即可。

在本实施方式中，冷却管路40采用循环管路，其包括多个相互接续的冷却段与连接段，每个连接段接续两个冷却段，每个冷却段接续两个连接段，冷却管路40的冷却段沿匀场条的长度方向延伸，再通过连接段伸出匀场条的末端并回绕和接续至另一个冷却段上，以类“S”形的方式循环延伸，并与所有的匀场条热耦合。

此时，冷却管路40的冷却段夹设在两个匀场槽31之间，冷却管路40的直径小于或者等于两个匀场槽31之间的距离，匀场条上的热量透过内筒11的壁面传递至冷却管路40处，从而实现降温。

进一步地，循环设置的冷却管路40具有一个进口41和一个出口42，低温冷却液通过进口41进入冷却管路40内，再通过出口42流出冷却管路40。

将冷却管路40设置为循环管路，能够用一根管路即可实现对所有匀场条的冷却，冷却介质可以在循环过程中充分地流动和换热，对冷却介质的利用效率很高，一个进口41与一个出口42的设置也使得水路控制较为简单，在保证降温效率的基础上降低了控制成本。

可以理解，本发明并不限定冷却管路40仅能够采用上述形式的循环水路，例如冷却管路40还可以用多根冷却段和若干根连接段拼接而成，形成类似“H”形的并联结构。

当然，冷却管路40也可以不采用循环水路，例如冷却管路40还可以采用多根独立水路配合使用，多根直线延伸的水路均沿低温保持器10的轴向延伸，每一根直线水路均能够独立地冷却若干个匀场条，每一根水路的冷却介质不循环至其他的水路上，此时每一根水路都需要设置出水口与进水口。

在实际使用中，冷却管路40可以根据匀场条的实际分布设计，只要冷却管路40能够有效地降低匀场条的温度即可。

本实施方式中，为了提高冷却管路40与匀场条之间的热耦合效率，提高冷却管路40对匀场条的冷却能力，用于安装匀场条的条托与匀场槽31之间采用过盈配合的方式相互固定，也即条托的尺寸要大于匀场槽的尺寸；条托与匀场槽31之间过盈配合，一方面增大了条托与匀场槽31的接触面积，两者之间的间隙减少，间隙中留存的气体更少，对冷却管路40的隔绝能力也就降低，冷却管路40的制冷量也就能够更快地传递至匀场条上；另一方面，条托与匀场槽31之间采用过盈配合，可以提高连接的紧密程度，连接的可靠性与稳定性提升。

进一步地，条托及匀场槽31上均可开设安装槽(图未示)，条托能够通过该安装槽滑动地进入匀场槽31内，进一步提高条托与匀场槽31配合的精度以及热接触的面积。

进一步地，条托及匀场槽31之间还可以填充或涂抹导热材料，导热材料能够进一步地提高条托与匀场槽31之间的换热效率，也就提高了冷却管路40对匀场片的冷却能力。

优选地，冷却管路40与内筒11采用热导率较高的金属材料制成，冷却管路40与内筒11采用金属材料，首先能够保证整体的强度满足设计要求，其次金属材料的热导率较高，有助于提高内筒11以及冷却管路40之间的热量传递。

总结而言，位于匀场片与冷却介质之间的条托、匀场槽31、内筒11以及冷却管路40，其任意两个之间的传热效率提升，都可以提高整体的传热效率和冷却介质对匀场片的冷却效果。

本实施方式中，匀场槽31设置于内筒11的外侧面上，也即匀场槽31仅贯穿内筒11的外侧面，不贯穿内筒11的内侧面；如此设置，不仅不会干扰到梯度线圈151在内筒11所围成的外腔15内的安装，无需对梯度线圈151的传统安装位置进行调整，超导磁体100的配适性更佳，而且可以使得匀场条会与外界环境之间间隔一层真空层，利用真空层优良的隔热效果，将梯度线圈151传递来的热量有效阻隔，匀场条受梯度线圈151的传热影响大大减少，匀场条上的总热量降低，也就从根本上实现了提高了匀场条的稳定性与可靠性。

请一并参阅图4，图4为本发明第二个实施方式中超导磁体100a的结构示意图。与第一个实施方式不同的是，第二个实施方式中的冷却管路40a为匀场条与匀场槽31a之间的间隙，此时匀场条与匀场槽31a之间留有空间，该空间就构成冷却管路40a，通过向冷却管路40a内通过冷却介质，就能够实现对匀场条的冷却。

优选地，冷却介质采用冷气体，也即在本发明的第二个实施方式中，冷却管路40a通过风冷的方式冷却匀场条。

进一步地，冷却管路40a也采用循环管路，此时多个沿低温保持器10轴向延伸的匀场槽31a相互连接，使得位于匀场条与匀场槽31a之间的冷却管路40a形成只有一个进口41a和一个出口42a的通道，通过向入口41a内注入低温冷却气体再从出口42a处流出，就可以实现冷却介质的循环。

同时，为了避免冷却管路40a中的低温冷却气体从管路中流出，可以在匀场槽31a的一端或者两端设置密封件43a，该密封件43a可以密封匀场槽31a的多余端面，使得冷却管路40a形成一个回路，避免低温冷却气体从未封闭的匀场槽31a的端面处逸散，从而保证冷却降温的效果。

在本实施方式中，每一个匀场槽31a的一端与临近的第一个匀场槽31a的一端相连接，另一端与临近的第二个匀场槽31a相连接，如此设置，使得多个匀场槽31a之间首尾相接形成类“S”形，低温冷却气体的流动性更佳。

可以理解，在其他的实施方式中，多个匀场槽31a之间的相互连接还可以采用上述的首尾相接之外的其他方式，只要多个匀场槽31a之间能够相互连通即可。

当然，若冷却管路40a不采用循环管路，多个匀场槽31a之间也无需首尾相接，其可直接向每个匀场条与匀场槽31a之间形成的冷却管路40a通入冷却介质，此时冷却管路40a的数量为多个，多个冷却管路40a之间并不连通，每个冷却管路40a仅冷却对应接触的匀场条。

采用风冷的方式更容易实现控制，风冷装置的体积也较为紧凑，同时也降低了对工况环境的要求。

本发明还提供一种应用上述超导磁体的磁共振系统，该磁共振系统通过使用该超导磁体，作为整个系统背景场的主磁场均匀性提高，整机系统的可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

本发明提供的超导磁体，通过设置与匀场条热耦合的冷却管路，降低匀场条匀场时的温度，该超导磁体提供的主磁场均匀性较佳，场漂现象受到抑制。本发明提供的应用上述超导磁体的磁共振系统，整机系统的可靠性与稳定性提升，具有广泛的应用前景。

本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种超导磁体，所述超导磁体包括内筒和外筒，所述内筒和所述外筒之间形成低温保持器的内腔，所述内筒围成位于所述低温保持器外部的外腔，所述外腔内设置梯度线圈，所述内筒远离所述梯度线圈的外侧面上开设有匀场槽，所述匀场槽内设置有匀场条，其特征在于，所述匀场条与所述外腔之间形成真空层以阻隔所述梯度线圈向所述匀场条的热量传递，所述内筒上设置有冷却管路，所述冷却管路内容置有能够与所述匀场条进行热交换的冷却介质，所述冷却管路包括设置于所述内筒内的冷却段。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述匀场槽沿所述内筒的轴向开设并贯穿所述内筒的至少一个端面；及/或，所述匀场槽沿所述内筒的圆周方向间隔排列。

3.如权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述冷却段有多个，且多个所述冷却段沿所述内筒的圆周方向间隔排列。

4.如权利要求3所述的超导磁体，其特征在于，所述冷却管路包括多个连接段，每个所述连接段连通两个相邻的所述冷却段。

5.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述匀场条与所述匀场槽之间设置有条托，所述匀场条通过所述条托固定于所述匀场槽内，所述条托与所述匀场槽之间过盈配合。

6.如权利要求5所述的超导磁体，其特征在于，所述条托和/或所述匀场槽开设有安装槽，所述条托通过所述安装槽能够滑动地设置于所述匀场槽内。

7.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，多个所述匀场槽之间相互连通，所述匀场条与所述匀场槽之间的空隙形成所述冷却管路。

8.如权利要求7所述的超导磁体，其特征在于，所述超导磁体还包括对应所述匀场槽设置的密封件，所述密封件密封连接于所述内筒的端部并密封对应的所述匀场槽于所述内筒的端部的开口。

9.如权利要求7所述的超导磁体，其特征在于，每个所述匀场槽的一端连通一侧相临近的所述匀场槽，另一端连通另一侧相临近的所述匀场槽，所述冷却介质在所述冷却管路内循环流通。

10.一种磁共振成像系统，包括超导磁体，其特征在于，所述超导磁体为权利要求1-9任意一项所述的超导磁体。

Images