CN111352053B - 用于超导磁体的低温恒温器 - Google Patents

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Abstract

一种包括两个半磁体的分裂式柱形超导磁体系统，每个半磁体包括被保持在外真空室(18)中的超导磁体线圈(12)，外真空室具有位于磁体线圈(12)和外真空室(18)之间的热辐射屏蔽件(16)，其中热辐射屏蔽件(16)成形为使得：相应的半磁体的热辐射屏蔽件(16)之间在热辐射屏蔽件的内径(16a)处的轴向间距比在热辐射屏蔽件的外径(16d)处的轴向间距大。

Description

用于超导磁体的低温恒温器
技术领域
本发明涉及超导磁体，诸如用于在MRI(磁共振成像)系统中使用的超导磁体。特别地，本发明涉及低温恒温器的形式，该低温恒温器封闭超导磁体线圈并将超导磁体线圈保持在低温操作温度。
背景技术
图1示出用于分裂超导磁体的示例性低温恒温器布置10。该布置基本上关于磁体轴线A-A对称。磁体线圈12可以被封闭在相应的半致冷剂容器14内。致冷剂容器之间的间隙24提供来自相关联的放射治疗设备22的治疗放射束20进入成像区18的通路。在替代布置中，这种通路可以被提供用于其它治疗技术，例如活组织检查，或者可以与诸如CT或血管造影术的其它诊断系统相结合。在使用中，致冷剂容器被部分地填充有液体致冷剂，使得磁体线圈12部分地浸没在液体致冷剂中。在其它常规布置中，未提供致冷剂容器，而是提供其它布置来冷却超导线圈。在任何情况下，磁体线圈12和致冷剂容器14(如果有的话)均由至少一个热辐射屏蔽件16(也称为“低温屏蔽件”)包围，该热辐射屏蔽件本身被封闭在相应的外真空室(“OVC”)18内。
磁体线圈12提供高强度、高同质化的背景磁场。根据使用中成像序列的要求，梯度场线圈18提供一组以各种频率振荡的正交磁场。在使用中可能出现的问题是，梯度线圈的振荡磁场可能引起一个或多个热辐射屏蔽件16的材料中的振荡电流。这些振荡电流转而将产生热量(所谓的“梯度线圈感应加热”)、以及将干扰成像过程的振荡磁场。典型地，热辐射屏蔽件16将由诸如铝、铜或加载有金属的复合材料的高电导率的材料制成。外真空容器18和致冷剂容器14(如果有的话)通常由诸如不锈钢的低电导率的材料制成。由于电导率较低，涡流和由涡流引起的加热在不锈钢的OVC 18或致冷剂容器14中的影响比在铝或铜的热辐射屏蔽件16中小得多。
在“湿”系统中，磁体线圈被部分地浸没在液体致冷剂中，由梯度线圈感应加热产生的电流所导致的功率耗散使得液体致冷剂进一步汽化。由梯度线圈感应加热引入的热量必须由相关联的低温制冷器移除，以使汽化的致冷剂重新凝结。在不提供致冷剂容器的“干”系统中，这一途径是不可能的。这种“干”或“无致冷剂”系统有利于降低系统成本，并消除在辐射屏蔽室中进行急冷通风渗透的需要。
已经做出努力来通过添加梯度屏蔽线圈减小梯度线圈感应加热的影响，但这些线圈的存在占用了柱形磁体的孔内的空间，这意味着减小了患者可用的直径、和/或需要更大直径的线圈。
发明内容
本发明的目的在于通过减少磁耦合量以及因此减少一个或多个热辐射屏蔽件、致冷剂容器和外真空室中的涡流来减少此类振荡梯度磁场对成像过程的影响。
本发明尤其涉及成像和放射治疗组合系统。如图1所示，这通常涉及分裂超导磁体，分裂超导磁体在磁体的轴向中点处具有间隙16。放射治疗束发射器22被布置为：通过超导磁体的两个半部之间的间隙24，将垂直于磁体轴线A-A的放射治疗束20提供至成像区26中。超导磁体的每个半部包括一个或多个超导磁体线圈12，超导磁体线圈12被适当地保持在相应OVC 18内的适当位置。热辐射屏蔽件16被设置在超导磁体线圈和相应的OVC之间。如果超导磁体是“湿”磁体，则致冷剂容器14被设置在超导线圈的周围。
为了提供用于放射治疗束发射器22或用于其它替代或附加设备(诸如用于活组织检查的设备)或其它诊断系统(诸如CT或血管造影)的通路，梯度场线圈18也在两个磁体半部之间被分开。为了减小梯度磁场对诸如热辐射屏蔽件16等导电部件的影响，通常包括在梯度线圈的径向外侧的梯度屏蔽线圈。梯度屏蔽线圈对抗由梯度场线圈生成的磁场，从而降低到达导电部件的磁场的有效强度。如图1所示，为了提供用于放射治疗束发射器22的通路，梯度屏蔽线圈18也在两个磁体半部之间被分开。这意味着，梯度屏蔽线圈的屏蔽效应在两个超导磁体半部之间的间隙24中大大减小。由于所产生的不完全的屏蔽，梯度磁场中的一些梯度磁场将与超导磁体的两个半部之间的间隙24附近的热辐射屏蔽件16相互作用。从生成所需梯度场的角度来看，这种分裂式梯度线圈的设计需要导体的非理想放置。导体的针对梯度场线圈和梯度屏蔽线圈的非理想放置导致超导磁体半部的热辐射屏蔽件16的材料内的涡流增加。这些增加的涡流导致热辐射屏蔽件16的材料中的功率耗散。这将增加相关联的低温冷却装置上的热负荷，并且降低成像区26中的磁场纯度。
例如，在US2015/007118、US5729141、WO2011/106524、US5952830、US5291169中提出了具有分裂超导磁体的成像系统的示例。DE10156770示出了具有梯度线圈系统和额外的导电梯度屏蔽结构的MRI设备。在理解本发明时可能感兴趣的其它结构包括例如在US6531870、DE10331809、DE19940551、DE19927494中描述的那些结构。
解决该问题的一些常规尝试包括：增加梯度线圈的深度，以增加与热辐射屏蔽件16的分离并提高梯度线圈屏蔽的有效性。所实现的改进是以减少可用的患者空间为代价的，或者需要更大直径的磁体线圈，这转而又增加了其重量和材料成本。
本发明提供了一种热辐射屏蔽件的改进架构，该改进架构减少了因梯度场相互作用而导致的对热辐射屏蔽件的加热。
除了因梯度场相互作用而加热热辐射屏蔽件外，热辐射屏蔽件中发生的机械振动也会因与磁场的相互作用而产生涡流，从而在磁体的成像区26中产生加热和磁场波动。
因此，本发明提供了如所附权利要求中所限定的结构。
附图说明
通过以下结合附图仅以非限定性示例方式给出的本发明某些实施例的描述，本发明的上述以及进一步的目的、特征和优点将变得更加明显，其中：
图1示意性地示出用于分裂超导磁体的示例性常规低温恒温器布置10；
图2至图8示意性地示出本发明的示例性实施例。
具体实施方式
在设计具有中心间隙的超导磁体(例如用于MRI系统的磁体)时，超导磁体线圈的位置必须折衷。在图1的示例中，例如，线圈12可以不被定位在磁体的轴向中点处或其附近。在本发明的实施例中，可以确定的是，不应将任何超导线圈放置在磁体的两个半部之间的间隙26附近的磁体孔28附近。常规模拟和设计方法论将允许线圈被定位在其它地方并适当地确定尺寸以实现所需的背景场。
图2所示的示例性设计30示出超导线圈12不位于间隙24附近的磁体轴线A-A附近。根据本发明的特征，热辐射屏蔽件16被成形为在最靠近成像区26的位置处没有热辐射屏蔽件。这可以通过如图所示的热辐射屏蔽件16的柱形形状中的台阶式轮廓来实现，该热辐射屏蔽件16包括平面环形部件16a和柱形部件16b，柱形部件16b的直径介于柱形内表面16c的直径和柱形外表面16d的直径之间。
最靠近磁体轴线A-A和最靠近间隙24的位置是最靠近成像区26的位置，并且也是磁场波动将对图像质量具有最有害影响的区域。同样在该区域中，梯度磁场与热辐射屏蔽件16的相互作用也可能是最强的。在类似热辐射屏蔽件16的表面中引起的涡流将生成其本身的相反磁场，该相反磁场的频率与梯度场相同。这些磁场可能干扰成像区26中的成像场。
本发明的一个优点在于，热辐射屏蔽件16的导电表面被移动远离最靠近成像区26的位置，该位置也是最靠近磁体轴线A-A且最靠近间隙24的位置。这耗尽了热辐射屏蔽件中感应涡流的大小，因为这些涡流在距离梯度线圈18(梯度线圈的磁场引起涡流)的更远距离处是有效的。涡流还在更加远离成像区的位置被感应，并且涡流的任何影响发生在更加远离成像区的位置，从而进一步消除对成像区26中的磁场的任何有害影响。
图2示出改变了致冷剂容器14、热辐射屏蔽件16和OVC 18的轮廓的示例性实施例。
如图3的实施例所示，在不包含致冷剂容器14的实施例中，本发明可以仅使得热辐射屏蔽件16的轮廓变化；或仅使得热辐射屏蔽件16和致冷剂容器14的轮廓变化，而OVC 18的轮廓保持不变。替代地，如图2的实施例所示，热辐射屏蔽件16和OVC 18可以被相似地成形。在图2的示例中，在最靠近磁体轴线A-A和最靠近间隙24(即，最靠近成像区26)的位置处都没有热辐射屏蔽件16和OVC 18。
在图2至图3的布置中，部分热辐射屏蔽件16具有靠近成像容积26的部分，该成像容积具有增大的内径，作为该布置的替代，可以采用如图4至图5所示的替代实施例。
例如，在图4中，部分热辐射屏蔽件被倒角，以从16c处的最小内径到16e处的增大内径逐渐变化。
在图5中，从16c处的最小内径到16e处的增大内径，热辐射屏蔽件具有凹入盘形形状(例如部分球形形状)。可以替代地采用类似的凸起盘形形状。
在本发明的优选实施例中，在相应半磁体的热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)的轴向和径向内端附近提供凹槽32。这些凹槽32可以用于安装辅助设备或为操作者提供改进的通路。
利用图4的示例性结构，图6至图8示出可以在根据本发明的磁体系统中采用的支撑结构的示例。辐射屏蔽件通常不是结构性的，在这种情况下，支撑几何结构必须将磁体线圈分离。这可以通过封装在低温恒温器中的结构部件实现，或者可以将磁体线圈支撑在OVC半部上并且继而支撑两个半部来实现。
如已经参照图4所讨论的，部分热辐射屏蔽件被倒角，以从16c处的最小内径到16e处的增大内径逐渐变化。在使用中，两个半磁体系统将经受非常强的相互吸引力(大约为几吨)。在非分裂式柱形磁体中，这种吸引力通常由直接支撑磁体线圈的结构(例如柱形线圈架)来承受。在本发明的系统中，需要一种分裂式磁体系统，以提供用于放射治疗设备或诸如活组织检查、CT或血管造影设备的其它设备接近成像区的通路。因此，必须提供机械约束以承受两个半磁体系统之间的相互吸引力。
在图6中，两个半磁体系统的OVC用18表示。如图7至图8所示，仅示出了相关部件的半个横截面，这些本身基本上关于磁体轴线旋转对称的部件在该图中是不可见的。在两个OVC 18的轴向内末端处，机械支撑结构34被示出为在两个OVC 18的外径处或两个OVC 18的外径附近承靠两个OVC 18。磁体线圈之间的吸引力将通过线圈安装结构传递至半部OVC的结构，然后，该吸引力可以由机械支撑结构34承受。优选地，机械支撑结构34围绕柱形超导磁体系统的圆周是间断的，例如，机械支撑结构34采用将两个半部OVC 18连结在一起的单独杆的形式。这提供了用于放射治疗设备22或诸如活组织检查、CT或血管造影设备的其它设备的通路，该通路可以形成本发明一些实施例的设备的一部分。这种放射治疗设备需要用于治疗光束20的低衰减路径。
图7示出了类似的结构，但其中示出在两个半部OVC的轴向和径向内末端处，机械支撑结构36在两个半部OVC的内径处或两个半部OVC的内径附近承靠两个半部OVC。磁体线圈之间的吸引力将通过线圈安装结构传递至半部OVC的结构，该吸引力继而可以由机械支撑结构36承受。
图8示出了一种替代结构，但其中示出机械支撑结构36在两个半部OVC的、远离两个半部OVC的轴向和径向内末端的径向外表面上被附接至两个半部OVC。磁体线圈之间的吸引力将通过线圈安装结构传递至半部OVC的结构，然后，该吸引力可以由机械支撑结构38承受。这种布置的一个优点可能在于可以创建柱形空间40，并且放射治疗设备22可以被设置在该柱形空间40中，并且可以围绕磁体轴线A-A自由旋转。
考虑到对成像区26中的磁场质量的影响，产生涡流的最差(最麻烦)位置是在最靠近成像容积26的中间的磁体的轴向中点附近。在本发明中，低温屏蔽件的该部分被移除至距离更远的位置，在该距离更远的位置处，与梯度场的相互作用减小，并且机械感应磁场变化在成像区26中几乎没有影响。
如本发明所提供的，不存在热辐射屏蔽件的导电材料消除了对梯度线圈在最靠近成像区26的容积中具有有效磁屏蔽的需要。
热屏蔽件中可能发生的机械振动会由于与超导磁体的磁场相互作用而产生涡流。这种涡流在磁体的成像区26产生磁场波动。通过使热辐射屏蔽件(“低温屏蔽件”)凹入，其可以被移动进一步远离成像容积26，并且这种涡流感应场相应地被移位远离成像区。
通过对沿热屏蔽件的场贡献进行积分，相对于常规非凹入热屏蔽件的积分后的场贡献，场贡献的积分可以减少1/2。热屏蔽件吸收的能量是梯度杂散场(由于所感应的涡流)沿孔的整个长度的累积而产生的。如果如本发明所提出的，该孔管的大部分被移除，或者转移至更大直径，则涡流功率耗散减小。
凹入形状还提高了热辐射屏蔽件的机械刚度，这也将通过减小机械振荡的幅度而有助于减少涡流的产生。
凹槽特征可以仅应用于热辐射屏蔽件(及任何致冷剂容器)，或者也可以应用于OVC。尽管OVC通常由相对电阻性的材料制成，例如不会被涡流效应严重影响的不锈钢，但一些OVC由诸如铝的更导电的材料制成。这种OVC可能遭受涡流效应，并且因此可以受益于本发明提出的凹入形状。
对于包括致冷剂容器的“湿”磁体系统，致冷剂容器也必须是凹入的，以便为热辐射屏蔽件中的凹槽提供空间。
然而，在所有实施例中，热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)被成形为使得：与具有简单的矩形半横截面的情况相比，热辐射屏蔽件在其最近点更远离成像区26。
因此，本发明提供了一种例如可以在MRI放射组合治疗系统中使用的分裂式柱形超导磁体系统，该系统包括两个半磁体，每个半磁体包括被保持在外真空室18中的超导磁体线圈12，外真空室18具有位于磁体线圈12和外真空室18之间的热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)16，其中热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)16被成形为使得：相应的半磁体的热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)16之间在热辐射屏蔽件16的内径16a处的轴向间距比在热辐射屏蔽件16的外径16d处的轴向间距大。相应的半磁体的热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)的这种成形放宽了对相应的半磁体的热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)屏蔽梯度线圈18的振荡磁场的要求。这可以简化梯度场线圈和/或梯度屏蔽线圈的设计。在静态背景场内热辐射屏蔽件(低温屏蔽件)的机械振动所产生的涡流效应可以减小1/2，从而提高用于成像的磁场的稳定性。

Claims (14)

1.一种分裂柱形超导磁体系统，包括两个半磁体，每个半磁体包括被保持在外真空室(18)中的多个超导磁体线圈(12)，所述外真空室具有位于所述多个磁体线圈(12)和所述外真空室(18)之间的一个热辐射屏蔽件(16)，其中所述热辐射屏蔽件(16)被成形为使得：相应的半磁体的热辐射屏蔽件(16)之间在所述热辐射屏蔽件(16)的内径(16a)处的轴向间距比在所述热辐射屏蔽件(16)的外径(16d)处的轴向间距大，来使得所述热辐射屏蔽件靠近所述超导磁体系统的磁体轴线并靠近所述半磁体之间的间隙的导电表面远离梯度线圈。
2.根据权利要求1所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述热辐射屏蔽件(16)被成形以便通过所述热辐射屏蔽件的柱形形状中的台阶式轮廓而在最靠近成像区(26)的位置中不存在。
3.根据权利要求1所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述热辐射屏蔽件(16)和所述外真空室(18)被相似地成形。
4.根据权利要求1所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述热辐射屏蔽件(16)被倒角，以从最小内径(16c)到增大内径(16e)逐渐变化。
5.根据权利要求1所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述热辐射屏蔽件从最小内径(16c)到增大内径(16e)具有凹入盘形形状。
6.根据权利要求1所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述热辐射屏蔽件从最小内径(16c)到增大内径(16e)具有凸起盘形形状。
7.根据前述任一项权利要求所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中多个凹槽(32)被设置在相应的半磁体的所述热辐射屏蔽件的轴向内末端和径向内末端附近。
8.根据权利要求7所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述多个凹槽(32)被用于安装辅助设备或被用于为操作者提供改进的通路。
9.根据权利要求1-6和8中任一项所述的分裂式柱形超导磁体系统，还包括被封闭在低温恒温器中且将所述多个磁体线圈分离的多个结构部件。
10.根据权利要求1-6和8中任一项所述的分裂式柱形超导磁体系统，还包括在相应的外真空室半部上支撑所述多个磁体线圈中的每个磁体线圈并且继而支撑两个外真空室半部的多个结构部件。
11.根据权利要求10所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中在两个外真空室(18)的轴向内末端处，一个机械支撑结构(34)在所述两个外真空室(18)的外径处或所述两个外真空室(18)的外径附近承靠所述两个外真空室(18)。
12.根据权利要求11所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中所述机械支撑结构(34)围绕所述柱形超导磁体系统的圆周是间断的。
13.根据权利要求10所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中在两个外真空室(18)的轴向内末端和径向内末端处，一个机械支撑结构(34)在所述两个外真空室(18)的内径处或所述两个外真空室(18)的内径附近承靠所述两个外真空室(18)。
14.根据权利要求10所述的分裂式柱形超导磁体系统，其中一个机械支撑结构(36)在两个半部外真空室的、远离所述两个半部外真空室的轴向内末端和径向内末端的径向外表面上被附接至所述两个半部外真空室。
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