CN112038033A - 一种用于磁共振成像的2t传导冷却超导磁体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，包括有脉管制冷机、冷头套筒、外层杜瓦、多层绝缘、辐射屏蔽层、支撑拉杆、稳态开关、线圈组件、电流引线、柔性镀锡铜编织物、底部支撑；所述脉管制冷机放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，外层杜瓦与线圈支架之间通过支撑拉杆连接；辐射屏蔽层和外层杜瓦之间设置有多层绝缘以减少辐射漏热；所述辐射屏蔽层通过多个螺栓连接到脉管制冷机的一级冷头，脉管制冷机的二级冷头通过柔性镀锡铜编织物与线圈支架连接；线圈支架上缠绕有超导线圈。本发明的磁体尺寸较小，成本较低，不需要任何低温冷却工质，采用具有成本效益的NbTi线制作超导线圈,磁体采用主动屏蔽，可用于人体四肢的成像。

Description

一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体
技术领域
本发明涉及超导磁体的磁共振成像领域，具体涉及一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体。
背景技术
磁共振成像(MRI)是一种广泛应用于非侵入性医学诊断的可视化技术。随着科技的发展，磁共振成像(MRI)技术已经成为临床诊断、介入治疗和认知科学中最有用的诊断和治疗手段之一。所需要高稳定性和均匀性的强磁场，通常由超导磁体产生。使用液氦是将超导磁体冷却到其工作温度的最常见方法,由于液氦具有较高的制备及运输成本而且难以获得是目前存在的一个主要问题。因此，有必要开发无需低温冷却工质液氦的核磁共振成像装置，使用传导冷却技术将超导磁体冷却到其工作温度。
发明内容
本发明提供了一种2T用于磁共振成像的传导冷却超导磁体。使用传导冷却技术将超导磁体冷却，其具有尺寸小，成本低，不需要低温冷却工质的特点。磁体采用具有成本效益的NbTi线绕制，采用主动屏蔽，可用于人体四肢的成像。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，包括有脉管制冷机、冷头套筒、外层杜瓦、多层绝缘、辐射屏蔽层、支撑拉杆、稳态开关、线圈组件、电流引线、柔性镀锡铜编织物、底部支撑；所述线圈组件包括线圈支架、超导线圈；
所述脉管制冷机放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，外层杜瓦与线圈支架之间通过支撑拉杆连接；辐射屏蔽层和外层杜瓦之间设置有多层绝缘以减少辐射漏热；所述辐射屏蔽层通过多个螺栓连接到脉管制冷机的一级冷头，脉管制冷机的二级冷头通过柔性镀锡铜编织物与线圈支架连接；线圈支架上缠绕有超导线圈。
进一步的，超导线圈缠绕在高热导率铝合金制成的线圈支撑上；所述超导线圈采用NbTi绕组线圈，绕组线圈的导线采用横截面为1.2×0.75mm的矩形截面导线，NbTi导线的铜超比为7；所述高热导率铝合金的热导率为2000W/mK，NbTi绕组线圈中间是室温孔。
进一步的，该磁体包括十个同轴线圈；两个外部线圈与八个内部线圈在相反的方向上产生磁场用于有源屏蔽，其中八个内部线圈缠绕在内线圈支架上，两个外部线圈安装在对应的外部线圈支架上，这种具有主动屏蔽线圈配置的组合，能够在长度相对较短的磁体的情况下产生所需均匀性的场，线圈组件的轴向长度为580mm，该磁体在中心160mm DSV区域内，磁场的设计峰峰均匀性优于10ppm。
进一步的，所述线圈组件被封闭在容器中，内部有真空度达到10-5Pa；支撑拉杆由G10环氧/玻璃纤维复合材料制成，被焊接到外层杜瓦内壁与线圈支架之间，以减少漏热。
进一步的，脉管制冷机放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，通过螺栓连接冷头上的法兰将一、二级冷头分别压在相应的导热部分上；将铟箔施加在接触表面上，以改善热界面。
进一步的，在线圈组件周围安装有所述铜辐射屏蔽层，一级冷头铜头置于辐射屏蔽层上；在辐射屏蔽层周围采用多层绝缘，以减少从外层杜瓦到屏蔽层的辐射漏热。
进一步的，每个线圈尺寸公差在±0.2mm以内的，所有线圈在缠绕过程中都在4K温度下用环氧树脂浸渍。
进一步的，稳态开关与线圈并联，在磁体发生励磁退磁时，开关保持正常电阻，对磁体进行均匀加热来降低失超风险，稳态开关安装在直接连接到二级冷头的铜棒上，以减少对超导线圈的加热。
进一步的，该系统采用常规导体和高温超导导体的串联的电流引线来传送电能，所述常规导体适用温度77-300K，所述高温超导导体适用5-65K温度；从室温法兰延伸到制冷机一级冷头的常规导体由黄铜制成；高温超导导体由超导带材YBCO制成，并与常规导体相连；高温超导导体与常规导体和高温超导导体与NbTi线的接头分别热锚固定到一级冷头和二级冷头处。
进一步的，在稳态运行时，到一级冷头的总热流为40W，到二级冷头的热负荷为0.75W，因此采用脉管制冷机是合理的；其在45K时一级冷头的冷量为40W，4.2K时二级冷头的冷量为1W；二级冷头上的无氧铜棒通过柔性镀锡铜编织物连接到超导线圈的支撑上；线圈支撑由高热导率的铝合金制成，线圈通过其线圈支撑冷却。
进一步的，该磁体在设计优化过程中采用了遗传算法(GA)加快速混合整数非线性优化(MINP)的设计方法。该磁体在中心160mm DSV区域内，磁场的设计峰峰均匀性优于10ppm。
进一步的，0.5mT杂散磁场相对于磁体中心在径向/轴向方向上位于1.8/2.6m处。由于磁体占据的空间的尺寸相对较小。因此，该MRI成像仪可被安装在相对较小的房间中。
进一步的，超导线圈必须具有精确的尺寸，才能产生高均匀性的磁场。在线圈制造过程中，要特别注意确保每个线圈的设计匝数，以及线圈所有尺寸在±0.2mm以内的公差。所有线圈在缠绕过程中都采用用于低温应用环氧树脂浸渍。
进一步的，使用薄的铟箔来改善冷头、柔性镀锡铜编织物、线圈支撑和热屏之间的热界面。
进一步的，磁体电流引线包括常规导体和高温超导(HTS)部分。从室温法兰延伸到制冷机一级冷头的有阻部分由黄铜制成。高温超导HTS部分由高温超导带材YBCO制成，并与常规导体相连。高温超导HTS部分与常规导体和高温超导HTS部分与NbTi线的接头分别热锚固定到一级冷头和二级冷头。
进一步的，选用PT(脉管)制冷机由于其较小的振动和交流磁涨落。在10Hz以上时，PT冷头的振动振幅比10Hz以上的GM制冷机小两个数量级。特别地，其二级冷头的振动具有10微米的量级，此外，PT冷头的运行时间是GM冷头的两倍，从而降低了运营成本。
进一步的，在稳态运行时，到一级冷头的总热流约为40W，到二级冷头的热负荷约为0.75W。因此采用PT制冷机是合理的，其在45K时一级冷头的冷量为40W，4.2K时二级冷头的冷量为1W。二级冷头上的无氧铜棒通过柔性镀锡铜编织物连接到超导线圈的支撑上。线圈支撑由高热导率的铝合金制成，线圈通过其线圈支撑冷却。
本发明的优点是：
本发明采用无液氦的传导冷却型磁体，解决了液氦难以获得且成本较高的问题，便于更换冷头。该扫描仪可用于人体四肢的成像，占用空间尺寸较小且便于使用。
附图说明
图1为装置外部示意图；
图2(a)为装置横截面示意图；
图2(b)为装置纵截面示意图；
图3为线圈及线圈支撑示意图；
图4为支撑拉杆示意图；
图5为磁体的设计优化流程图。
附图标记说明：1-脉管制冷机 2-冷头套筒 3-外层杜瓦 4-多层绝缘 5辐射屏蔽层 6-支撑拉杆 7-稳态开关 8-线圈支架 9-超导线圈 10-电流引线 11-柔性镀锡铜编织物 12-底部支撑。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参见附图1及附图2。一种2T用于磁共振成像的传导冷却超导磁体，包括有脉管制冷机1、冷头套筒2、外层杜瓦3、多层绝缘4、辐射屏蔽层5、支撑拉杆6、稳态开关7、线圈支架8、超导线圈9、电流引线10、柔性镀锡铜编织物11、底部支撑12。
所述超导线圈9包括NbTi绕组线圈，NbTi绕组线圈中间是直径为340mm、长度为620mm的室温孔。外层杜瓦3与线圈支架8之间通过G10(环氧/玻璃纤维复合材料)的支撑拉杆6连接。该系统采用常规导体和高温超导导体的串联的电流引线10来传送电能，采用高纯铜(纯度大于99.95％)辐射屏蔽层5和外杜瓦之间的多层绝缘4来减少辐射漏热。辐射屏蔽层5由多个螺栓连接到制冷机1的一级冷头。所述常规导体适用温度77-300K，所述高温超导导体适用5-65K温度。
线圈组件包括线圈支架8和超导线圈9，线圈组件被封闭在容器中，内部有很高的真空，真空度为10-5Pa。支撑拉杆6由G10材料制成。一端被焊接到外层杜瓦3内壁上，另一端与线圈支架8焊接。
冷头放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，以简化冷头更换。通过螺栓连接冷头上的法兰将一、二级冷头，分别压在相应的导热部分上。将铟箔施加在接触表面上，以改善热界面。如图2(b)中所示，高温超导导体与常规导体的接头热锚固定到一级冷头，高温超导导体与NbTi线的接头热锚固定到二级冷头处。
在线圈组件周围安装一个铜辐射屏蔽层5。辐射屏蔽层5连接到一级冷头铜头处。在辐射屏蔽层周围采用多层绝缘4，以减少从外层杜瓦到屏蔽层的辐射漏热。
超导线圈9制造过程中，要特别注意确保每个线圈的设计匝数，以及线圈所有尺寸在±0.2mm以内的公差。所有线圈在缠绕过程中采用环氧树脂浸渍。
稳态开关7与线圈并联。在磁体发生失超时，开关保持正常电阻，对磁体进行加热来降低失超风险。稳态开关7安装在直接连接到二级冷头的铜棒上，以减少超导线圈的加热。
参见附图3。超导线圈9缠绕在高热导率的铝合金制成的线圈支架8上。该磁体包括十个同轴线圈；两个外部线圈与八个内部线圈在相反的方向上产生磁场用于有源屏蔽(八个内部线圈缠绕在内线圈支架，两个外部线圈安装在外部线圈支架)。
参见附图4。支撑拉杆6由G10材料制成，它们被焊接到外层杜瓦3内壁与线圈支架8上。
参见附图5。该磁体在设计优化过程中采用了遗传算法(GA)加快速混合整数非线性优化(MINP)的设计方法。该磁体在中心160mm DSV区域内，磁场的设计峰峰均匀性优于10ppm。
本发明采用传统的MINP设计方法，利用OPTI toolbox工具箱中的优化函数直接进行MINP优化求解。其中自变量为磁体位置和尺寸以及电流，目标参数是在均匀区域所取采样点的均匀度以及中心点的磁场强度。
流程图如图5所示，首先通过遗传算法(GA)，经过选择-交叉-变异流程后初步获取较为合适的求解值，其次利用MINP设计方法，通过非线性求解优化函数，最终得到理想的求解结果。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：包括有脉管制冷机、冷头套筒、外层杜瓦、多层绝缘、辐射屏蔽层、支撑拉杆、稳态开关、线圈组件、电流引线、柔性镀锡铜编织物、底部支撑；所述线圈组件包括线圈支架、超导线圈。
所述脉管制冷机放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，外层杜瓦与线圈支架之间通过支撑拉杆连接；辐射屏蔽层和外层杜瓦之间设置有多层绝缘以减少辐射漏热；所述辐射屏蔽层通过多个螺栓连接到脉管制冷机的一级冷头，脉管制冷机的二级冷头通过柔性镀锡铜编织物与线圈支架连接；线圈支架上缠绕有超导线圈。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
超导线圈缠绕在高热导率铝合金制成的线圈支撑上；所述超导线圈采用NbTi绕组线圈，绕组线圈的导线采用横截面为1.2×0.75mm的矩形截面导线，NbTi导线的铜超比为7；所述高热导率铝合金的热导率为2000W/mK，NbTi绕组线圈中间是室温孔。
3.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
该磁体包括十个同轴线圈；两个外部线圈与八个内部线圈在相反的方向上产生磁场用于有源屏蔽，其中八个内部线圈缠绕在内线圈支架上，两个外部线圈安装在对应的外部线圈支架上，线圈组件的轴向长度为580mm，该磁体在中心160mm DSV区域内，磁场的设计峰峰均匀性优于10ppm。
4.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
所述线圈组件被封闭在容器中，内部有真空度达到10-5Pa；支撑拉杆由G10环氧/玻璃纤维复合材料制成，被焊接到外层杜瓦内壁与线圈支架之间，以减少漏热。
5.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
脉管制冷机放置在与磁体真空容器分离的冷头套筒中，通过螺栓连接冷头上的法兰将一、二级冷头分别压在相应的导热部分上；将铟箔施加在接触表面上，以改善热界面。
6.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
在线圈组件周围安装有所述铜辐射屏蔽层，一级冷头铜头置于辐射屏蔽层上；在辐射屏蔽层周围采用多层绝缘，以减少从外层杜瓦到屏蔽层的辐射漏热。
7.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
每个线圈尺寸公差在±0.2mm以内的，所有线圈在缠绕过程中都在4K温度下用环氧树脂浸渍。
8.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
稳态开关与线圈并联，在磁体发生励磁退磁时，开关保持正常电阻，对磁体进行均匀加热来降低失超风险，稳态开关安装在直接连接到二级冷头的铜棒上，以减少对超导线圈的加热。
9.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
该系统采用常规导体和高温超导导体的串联的电流引线来传送电能，所述常规导体适用温度77-300K，所述高温超导导体适用5-65K温度；从室温法兰延伸到制冷机一级冷头的常规导体由黄铜制成；高温超导导体由超导带材YBCO制成，并与常规导体相连；高温超导导体与常规导体和高温超导导体与NbTi线的接头分别热锚固定到一级冷头和二级冷头处。
10.根据权利要求1所述的一种用于磁共振成像的2T传导冷却超导磁体，其特征在于：
在稳态运行时，到一级冷头的总热流为40W，到二级冷头的热负荷为0.75W，其在45K时一级冷头的冷量为40W，4.2K时二级冷头的冷量为1W；二级冷头上的无氧铜棒通过柔性镀锡铜编织物连接到超导线圈的支撑上；线圈支撑由高热导率的铝合金制成，线圈通过其线圈支撑冷却。
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