CN112908609B - 一种磁共振成像用大孔径高磁场7.0t超导磁体 - Google Patents

一种磁共振成像用大孔径高磁场7.0t超导磁体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，包括：6组共8个螺旋管主线圈，以及1组共2个螺旋管屏蔽线圈；所述的螺旋管主线圈通正向电流，内侧的三组主线圈，即第一、第二、第三组主线圈，轴向长度相同，且沿着中轴线向外排布，三组主线圈内径依次增大；外侧三组共5个主线圈，包括第四、第五、第六组主线圈，内径相同，其轴向长度之和小于第一预定长度，线圈在轴向的间隔第二预定距离；所述屏蔽线圈由1组共两个螺旋管线圈组成，屏蔽线圈位于主线圈外层，通反向电流，产生磁场与主线圈相反，以起到屏蔽作用，消除或降低外部杂散场，两个屏蔽线圈沿着中轴线对称分布在主线圈的两端，各主线圈沿轴线中点对称分布。

Description

一种磁共振成像用大孔径高磁场7.0T超导磁体
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像装置用高磁场大孔径且具有高磁场均匀度的7.0T超导磁体。
背景技术
磁共振成像是利用核磁共振原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。现其被广泛的应用于磁共振成像装置，用于人体内部结构的成像。
磁共振成像装置包括有磁体系统、梯度线圈系统、射频系统、谱仪系统以及成像显示系统。其中磁体系统要求直径在300-500mm球形成像区域(Diameter of SphericalVolume,DSV)内产生磁场峰值具有高均匀分布，且不均匀度优于10ppm(parts permillion,ppm)。目前实现广泛应用的磁共振成像装置的磁场强度主要集中在1.5T-3T，但是随着科研和临床应用需求的提高，对于能够提供7T及更高磁场强度的磁共振成像装置的需求越来越急切。因为相比于1.5-3T的磁共振成像装置，7T及更高磁场强度的磁共振成像装置其成像具有更高的信噪比、空间分辨率和频谱效应，能够为蛋白质结构生物学、药学、临床医学、认知神经学等研究领域提供可靠的高清晰成像研究平台，为人类深入研究生命科学做出更大贡献。
然而，对于磁共振成像装置，提供大空间具有高均匀度的强磁场超导磁体是关键，现有磁共振成像装置磁体通常能够提供一个直径为650mm的室温孔径，然而，临床试验表明部分患者在狭长局促空间内有幽闭恐惧症，表现出极度的恐惧和焦虑，若不能控制好情绪且产生躁动，这就很容易导致检查失败。鉴于此，国内外也都在致力于大空间的高磁场共振成像磁体的研究工作，例如，中科院电工所提出的一种超短腔自屏蔽超导磁体(CN103065758A)，其孔径大于900mm，轴向长度为1m，解决了幽闭问题，但其磁场强度仅为1.5T；清华大学提出的一种磁共振超导磁体设计离散方法(CN101339580A)，给出了7T磁场线圈设计，但其孔径仅为300mm，只能针对于小动物成像；中科院电工所提出的一种高磁场超导磁体系统(CN 102136337B)，给出了线圈结构和初步低温设计，可孔径仅为800mm，影响了系统的开放性。可见，设计并研制具有高磁场均匀度的大孔径超导磁体是7T及以上高场磁共振成像装置的关键。
发明内容
本发明提出了一种高场大孔径且具有高磁场均匀度的超导磁体的线圈组合和空间布置设计，为大孔径高场磁共振成像装置的研制提供支持。由主线圈和屏蔽线圈两种不同的线圈组成，产生中心磁场强度为7.0T，且成像空间DSV在300mm、400mm和450mm内磁场不均匀度分别低于0.15ppm，0.30ppm和0.80ppm。5G线(5高斯线)杂散场在径向和轴向分别能够限制在为4.7m和7.2m的椭球内；径向和轴向分别能够限制在为4.7m和7.2m的椭球内；本发明的技术方案为：
一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，包括：6组共8个螺旋管主线圈，以及1组共2个螺旋管屏蔽线圈；
所述的螺旋管主线圈通正向电流，内侧的三组主线圈，即第一、第二、第三组主线圈，轴向长度相同，且沿着中轴线向外排布，三组主线圈内径依次增大；
外侧三组共5个主线圈，包括第四、第五、第六组主线圈，内径相同，其轴向长度之和小于第一预定长度，其中第五、第六组主线圈均包括两个分离的主线圈，第四组主线圈为一个单独的主线圈，且第四组位于第五组主线圈中间；各主线圈在轴向的间隔第二预定距离；
所述屏蔽线圈由1组共两个螺旋管线圈组成，屏蔽线圈位于主线圈外层，通反向电流，产生磁场与主线圈相反，以起到屏蔽作用，消除或降低外部杂散场，两个屏蔽线圈沿着中轴线对称分布在主线圈的两端。
进一步的，所述的各组主线圈之间超导线采用超低阻的方式连接在一起，所述超低阻的方式是指，采用超导接头方式，去除超导线金属基体，然后对接超导丝，再进行固化和焊接；运行电流为200-300A。
进一步的，所述的主线圈和屏蔽线圈均为密绕线圈，选用三种矩形截面规格的NbTi/Cu超导线，内侧第一、第二组为第一规格，从内向外数第三组为第二规格，其他组的为第三规格，三种规格超导线截面依次减小，且均小于3.5mm*2.5mm。
进一步的，在主线圈和屏蔽线圈的共同作用下，载中心区域磁场强度7.0T时可提供成像空间DSV为300mm、400mm和450mm的球形区域内的磁场强度最大不均匀度低于0.8ppm。
进一步的，所述的屏蔽线圈之间也采用超低阻连接方式连接在一起，设计运行电流与主线圈运行电流反向，大小相同230A，运行电流不超过需求最高场下可运行最大电流的60％。
进一步的，所述主线圈与屏蔽线圈均为密绕线圈，绕制时沿着轴向绕制，在一层层绕绕制完成后，再跨到下一层沿着同样轴线进行绕制，重复操作直至整个线圈绕制完成。
有益效果：
本发明的超导磁体各线圈可根据其具体的运行磁场强度需求选择不同的NbTi/Cu类超导线材，以使得各线圈运行电流大小相等，均可选择为约230A，且均不超过其对应运行磁场强度下能够提供的最大运行电流的60％，以确保足够的安全裕度的同时节约成本。且在磁体通电电流选择约230A时，可在内径约970mm空间内产生约7.0T的磁场强度，在中心位置且直径大小分别为300mm、400mm和450mm球形成像空间产生最大不均匀度低于0.8ppm的高均匀磁场，能够满足人体全身成像需求。
附图说明
图1示出了7T具有高均匀度的高场大孔径超导磁体线圈结构示意图；
图2示出了各超导磁体线圈的电流安全裕度曲线图；右上为第一、二和三规格超导线磁场和最大运行电流，虚线圆圈为该线圈上的最大磁场以及对应的运行电流；
图3示出了磁场强度为7.0T的球形区域内磁场均匀度等位线示意；
图4示出了超导磁体在空间内杂散场及5G高斯线分布示意。
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。
根据本发明的实施例，所述的一种磁共振成像用大孔径高磁场7.0T超导磁体包括：
6组共8个螺旋管主线圈，具体为图1中第一～四组主线圈1、2、3、4，第五组主线圈，包括主线圈5.1、5.2、第六组主线圈，包括主线圈6.1、6.2，以及1组共两个螺旋管屏蔽线圈，具体为图1中的7.1和7.2。屏蔽线圈位于主线圈的外侧，整个超导磁体系统内径约为0.97m，外径约为2.48m，以控制中心位置且直径大小分别为300mm、400mm和450mm球形成像空间产生7.0T场强且磁场不均匀度得到有效控制。
所述的主线圈通正向电流，屏蔽线圈通反向电流，起到屏蔽作用，保证外部杂散场不至于过大，使得超导磁体系统具有良好的电磁兼容性，满足医疗器械行业安规认证；
所述的第一～三组主线圈1、2和3沿着中轴线依次向外排布，轴向长度均约为2.57m，线圈内径依次增大，依次为0.97m，1.11m和1.25m，厚度均55±2mm；第一组主线圈1和第二组主线圈2可选用尺寸约为3.5mm*2.3mm的NbTi/Cu类超导线材(以下命名为第一规格)，以提供最高场分别约7.5T和6.0T，同时满足图2中的不同磁场条件下第一规格超导线材的电流安全裕度曲线；第三组主线圈3可选用尺寸约为3.0mm*1.6mm的NbTi/Cu类超导线材(以下命名为第二规格)，以提供最高场约5.3T，同时满足图2中不同磁场条件下的第二规格超导线材的电流安全裕度曲线；
所述的第四～第六组主线圈4、5.1、5.2、6.1和6.2位于主线圈3的外侧，内径相似约为1.40±0.05m，厚度为45±2mm，轴向长度之和小于1.10m，第四～第六组主线圈4，5.1，5.2,6.1,6.2的轴向长度分别为0.1m,0.15m和0.55m，轴向相互间隔约0.25m；其提供最高场分别约为2.6T，3.0T，3.0T，5.3T和5.3T，其均可选择尺寸约为2.3mm*1.5mm的NbTi/Cu类超导线材(以下命名为第三规格)，满足图2中不同磁场条件下的第三规格超导线材的电流安全裕度曲线，以达到满足目标区域内磁场均匀度条件的同时，降低成本；
所述主线圈之间可选择采用超低阻连接方式连接在一起，所述超低阻的方式是指，采用超导接头方式，去除超导线金属基体，然后对接超导丝，再进行固化和焊接；设计运行电流可选择约230A，以满足提供以上所述最高磁场强度的同时，满足运行电流不超过图2中所示的不同规格的超导线材在不同磁场下的最大运行电流的60％，确保了足够的安全运行裕度；磁体选择最大安全运行电流约230A时，可提供的中心区域磁场强度约为7.0T；
所述的屏蔽线圈7.1和7.2沿着中轴线对称分布，轴向长度均约为0.75m，内径均约为2.36m(或2.36±0.05m)，厚度为0.12mm，以提供最高磁场强度均约为4.2T，其均可选择以上所述的第三类规格的NbTi/Cu类超导线材，同时其也能满足图2中不同磁场条件下的第三规格超导线材的电流安全裕度曲线；
所述的屏蔽线圈之间也可选择采用超低阻连接方式连接在一起，设计运行电流与主线圈运行电流反向，大小也选择约230A，以满足运行电流不超过图2中所示的需求最高场(约4.2T)下可运行最大电流的60％；屏蔽线圈位于主线圈的外侧，与主线圈通大小相等方向相反的电流，起到屏蔽作用，以消除或降低外部杂散场，使得超导磁体系统具有良好的电磁兼容性，满足医疗器械行业安规认证；
所述主线圈与屏蔽线圈均为密绕线圈，绕制时沿着轴向绕制，在一层层绕绕制完成后，再跨到下一层沿着同样轴线进行绕制，重复操作直至整个线圈绕制完成；
为满足所述超导磁体4.2K左右运行温度需求，利用制冷机实现液氦零挥发低温系统，降低运行成本；
对本发明实施例的超导磁体的主线圈和屏蔽线圈按照以上所述情况下进行通电，可在直径分别为300mm、400mm和450mm球形成像空间区域内产生较均匀分布的磁场强度，且大小约为7.0T，此外，磁场峰值不均匀度分布可满足如图3中所示，分别不高于0.15ppm，0.30ppm和0.80ppm，满足人体全身成像需求；
本发明实施例中超导磁体在空间产生的杂散场和5G线分布示意具体如图4中所示，在主线圈和屏蔽线圈的共同作用下，载中心区域磁场强度7.0T时可提供成像空间DSV为300mm、400mm和450mm的球形区域内的磁场强度最大不均匀度低于0.8ppm，可实现在不额外增加屏蔽系统仅有屏蔽线圈作用下，5G线(5高斯线)杂散场在能够限制在径向和轴向长度分别约为4.7m和7.2m的椭球内，能够满足医疗器械行业安规认证。超导磁体工作温度裕度大于1.5K，且最大轴向电磁应力可控制在低于160MPa。
所述超导磁体可通过制冷机进行传导冷却，以实现液氦零挥发。
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 (4)

1.一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，其特征在于，包括：
6组共8个螺旋管主线圈，以及1组共2个螺旋管屏蔽线圈；
所述的螺旋管主线圈通正向电流，内侧的三组主线圈，即第一、第二、第三组主线圈，轴向长度相同，且沿着中轴线向外排布，三组主线圈内径依次增大；
外侧三组共5个主线圈，包括第四、第五、第六组主线圈，内径相同，其轴向长度之和小于第一预定长度，其中第五、第六组主线圈均包括两个分离的主线圈，第四组主线圈为一个单独的主线圈，且第四组位于第五组主线圈中间；各主线圈在轴向的间隔为第二预定距离；所述的各组主线圈之间超导线采用超低阻的方式连接在一起，所述超低阻的方式是指，采用超导接头方式，去除超导线金属基体，然后对接超导丝，再进行固化和焊接；运行电流为200-300A；所述第一预定长度为1.1m，所述第二预定距离为0.25m；
所述的主线圈和屏蔽线圈均为密绕线圈，选用三种矩形截面规格的NbTi/Cu超导线，内侧第一、第二组为第一规格，从内向外数第三组为第二规格，其他组的为第三规格，三种规格超导线截面依次减小，且均小于3.5mm*2.5mm；所述主线圈与屏蔽线圈均为密绕线圈，绕制时沿着轴向绕制，在一层层绕绕制完成后，再跨到下一层沿着同样轴线进行绕制，重复操作直至整个线圈绕制完成；
所述屏蔽线圈由1组共两个螺旋管线圈组成，屏蔽线圈位于主线圈外层，通反向电流，产生磁场与主线圈相反，以起到屏蔽作用，消除或降低外部杂散场，两个屏蔽线圈沿着中轴线对称分布在主线圈的两端。
2.根据权利要求1所述的一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，其特征在于：
在主线圈和屏蔽线圈的共同作用下，在中心区域磁场强度7.0T时可提供成像空间DSV为300mm、400mm和450mm的球形区域内的磁场强度最大不均匀度低于0.8ppm。
3.根据权利要求1所述的一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，其特征在于：
所述的屏蔽线圈之间采用超低阻连接方式连接在一起，设计运行电流与主线圈运行电流反向，大小相同为230A，运行电流不超过需求最高场下可运行最大电流的60%。
4.根据权利要求1所述的一种磁共振成像用大孔径7.0T超导磁体，其特征在于：
所述超导磁体通过制冷机进行传导冷却，以实现液氦零挥发。
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