CN114944258B - 一种开放式磁共振成像超导磁体及核磁共振医疗成像设备 - Google Patents

一种开放式磁共振成像超导磁体及核磁共振医疗成像设备 Download PDF

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Abstract

本发明的一种开放式磁共振成像超导磁体及核磁共振医疗成像设备，超导磁体由超导主磁场线圈、内插匀场磁体、超导屏蔽线圈、抗电磁干扰线圈、第一低温容器、第二低温容器、液氮管路、液氮制冷机以及装置外壳组成，主磁场线圈所产生的磁场和内插匀场磁体的磁场叠加，在中心球形区域内产生均匀磁场，所述的超导屏蔽线圈通反向电流，产生与主磁场相反磁场，补偿环境的杂散场，所述的抗电磁干扰线圈由两级同轴且关于中心对称的亥姆霍兹超导线圈组构成，保持中心区域内磁场不受外界磁场干扰，本发明可同时实现人体的站立和卧式检查，满足不同患者的检查需求；采用抗电磁干扰线圈设计，具有内部磁场稳定性高、能耗小的特点。

Description

一种开放式磁共振成像超导磁体及核磁共振医疗成像设备
技术领域
本发明涉及超导磁体的技术领域，具体涉及一种开放式磁共振成像超导磁体及核磁共振医疗成像设备。
背景技术
超导磁体是核磁共振医疗成像设备的元件之一，其主要作用是在大的空间内实现高均匀度磁场。现有的磁共振成像超导磁体结构多为隧道形，由多个圆柱形的超导线圈同轴放置形成，可以在50cm均匀区球域空间（均匀区球域空间，DSV）范围内磁场不均匀度小于10ppm（ppm，百万分之一）。但是隧道式的超导磁体结构开放性差，部分幽闭恐惧症患者在检查时容易产生抗拒心理。因此近年来不断有新型的磁体结构出现，如短腔磁体结构，市场上量产的1.5T短腔磁共振成像超导磁体长度仅为1.5米。为满足DSV内不均匀度的要求，该结构难以继续缩短尺寸，同时现有的制作技术难以利用第一代超导体NbTi材料实现更短腔体，因此需要发明新的技术和方法来克服上述问题，在其他相关核磁共振领域也能有多方面的应用。
中国专利CN 102360691A提出了一种开放式核磁共振磁体系统，包括上下2个超导磁体主线圈和铁轭进行磁场屏蔽，铁轭的重量、尺寸大，没有其他超导线圈；中国专利CN102360690A 提出了一种自屏蔽开放式超导磁体的线圈结构，包括三个主线圈，一个匀场线圈和最外层的屏蔽线圈，没有调整线圈以及抗电磁干扰线圈。
采用超导线圈的开放式磁共振成像磁体的主要难题是：实现较高的磁场均匀度和造价偏高。对于隧道式超导磁体结构，为保证DSV的磁场均匀度，往往需要非常多的匀场线圈，线圈设计难度大且结构复杂。对于采用被动屏蔽的开放式超导磁体结构而言，加入铁磁屏蔽后磁体系统过于庞大，不利于设备的调整移动，因此需要发明新的磁体结构来克服上述问题。
发明内容
为了克服目前核磁共振磁体结构尺寸大、检查环境封闭的缺点，本发明提出一种开放式的超导磁体结构具有较大的开放空间和磁场抗干扰能力强等优点，适用于医疗诊断。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种开放式磁共振成像超导磁体，包括超导主磁场线圈、内插匀场磁体、超导屏蔽线圈、抗电磁干扰线圈、第一低温容器、第二低温容器、液氮管路、液氮制冷机以及装置外壳所述的内插匀场磁体插入超导主磁场线圈内部，且和超导主磁场线圈同轴；所述的超导主磁场线圈所产生的磁场和内插匀场磁体的磁场叠加，在中心球形区域内产生均匀磁场；所述内插匀场磁体通过支撑结构支撑固定；所述的支撑结构和第一低温容器之间放置环氧树脂垫板，同时匀场磁体间留有空隙形成磁阻，从而让匀场磁体间产生相互作用力，以此抵消超导线圈与匀场磁体之间的相互作用力；所述的超导屏蔽线圈通反向电流，产生与主磁场相反的磁场，补偿主磁场对外的杂散场；超导屏蔽线圈和超导主磁场线圈均放置在第一低温容器中；所述抗电磁干扰线圈放置在第二低温容器中；所述超导主磁场线圈、内插匀场磁体、超导屏蔽线圈、抗电磁干扰线圈同心；所述液氮管路连接第一低温容器和第二低温容器构成液氮循环回路，中间设有截止阀保证液氮最先充满第一低温容器；所述的液氮制冷机设置于第二低温容器上部。
作为优选，所述的超导主磁场线圈由一对关于中心对称的超导线圈组成，以双饼堆叠的方式形成并通以同向电流，超导主磁场线圈的材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材。
作为优选，所述的超导屏蔽线圈由一对关于中心对称的超导线圈组成，和超导主磁场线圈采用同一支撑轴放置于第一低温容器中，超导屏蔽线圈的材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材。
作为优选，所述的内插匀场磁体由多层圆柱环状铁磁材料叠加组成，其外圈贴近于第一低温容器的内表面，被均等或不均等地用非磁性材料固定在一起，和超导主磁场线圈同轴。
作为优选，所述的抗电磁干扰线圈包括第一级抗电磁干扰线圈和第二级抗电磁干扰线圈，且和超导主磁场线圈同轴，所述的第一级抗电磁干扰线圈和第二级抗电磁干扰线圈均为一对且关于中心对称的亥姆霍兹线圈，四个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等；其中在中心球形区域同一侧的不同级线圈绕制在第二低温容器的线圈骨架上，同时利用超导搭接方式串联焊接构成闭合回路，所用的连接线与线圈材料相同；所述的抗电磁干扰线圈材料为第二代高温超导铋系BSCCO或者钇系YBCO带材。
作为优选，所述液氮管路在超导主磁场线圈供电过程中利用截止阀保持截止状态，使第一低温容器充满液氮，同时第二低温容器内不存在液氮；在超导主磁场线圈供电结束后，打开截止阀，使中心球形区域同一侧的液氮管路连通构成闭合回路，同时采用所述液氮制冷机调节回路内的液氮温度，保证回路内的液氮温度稳定，始终满足超导材料工作温度。
作为优选，所述第一低温容器与装置外壳之间抽真空，装置外壳采用无磁材料泡沫EVA封装，同时内表面贴聚酯薄膜，减少外界温度对低温环境的影响；所述第二低温容器内部设有真空结构。
所述的超导主磁场线圈和超导屏蔽线圈励磁时，线圈外接超导开关组成闭环电流回路，分别产生主磁场和屏蔽磁场，过程中保证截止阀截止，确保抗电磁干扰线圈不进入超导态，然后调整内插匀场磁体提高中心球形区域（DSV）的均匀度。
在上述主磁场调试结束后，打开截至阀，使抗电磁干扰线圈进入超导态，对中心球形区域（DSV）内磁场进行监测，通过调整抗电磁干扰线圈组中两级线圈之间的轴向距离，保证中心区域内磁场不受外界磁场干扰。
所述的第一低温容器和第二低温容器采用O型密封圈密封等真空封堵组件密封，确保内部真空度满足需求。
本发明还提供了一种核磁共振医疗成像设备，包括上述开放式磁共振成像超导磁体和平面指纹梯度线圈，所述的平面指纹梯度线圈连接在开放式磁共振成像超导磁体的支撑结构的端部，与内插匀场磁体同心，用于产生梯度磁场对磁共振成像信号进行空间定位编码。
本发明的有益效果为，所设计的超导磁体结构分为左右部分，内部匀场区域开放度大，可同时实现人体的站立和卧式检查，满足不同患者的检查需求；相对于传统的隧道式超导成像磁体，所使用的线圈多为堆叠式，简化了线圈结构设计；超导工作温度高，可使用液氮替代液氦作为冷却剂，避免未来液氦短缺的问题；采用抗电磁干扰线圈设计，相比于现有的超导磁体结构，具有内部磁场稳定性高、能耗小的特点。
附图说明
图1为开放式磁共振成像超导磁体结构示意图；
图2为开放式磁共振成像超导磁体结构截面图；
图3为抗电磁干扰线圈结构图；
图4为中心磁场为1.0T时，直径为300mm的DSV磁场均匀度等位线分布图；
图5为中心磁场为1.0T时，磁体系统的5高斯线分布图；
图6抗电磁干扰线圈数值计算模型图。
图中：1超导主磁场线圈、2超导屏蔽线圈、3环氧树脂垫板、4第一低温容器、5内插匀场磁体、6第一级抗电磁干扰线圈、7第二级抗电磁干扰线圈、8第二低温容器、9支撑结构、10中心球形区域、11液氮管路、12截止阀、13液氮制冷机、14液氮密封盖板、15真空密封盖板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方法进一步说明本发明。
如图1-图3所示，本发明所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，包括超导主磁场线圈1、内插匀场磁体5、超导屏蔽线圈2、抗电磁干扰线圈、第一低温容器4、第二低温容器8、液氮管路11、液氮制冷机13以及装置外壳14，所述的超导主磁场线圈1由一对关于中心对称的超导线圈组成，以双饼堆叠的方式形成并通以同向电流；超导内插匀场磁体5插入超导主磁场线圈1内部，和超导主磁场线圈1同轴。内插匀场磁体5由非磁性材料制成的支撑结构9支撑固定；在支撑结构9和第一低温容器4之间放置环氧树脂垫板3；屏蔽线圈2和超导主磁场线圈1均放置在第一低温容器4中；抗电磁干扰线圈由两级同轴且关于中心对称的亥姆霍兹超导线圈构成，能够保持中心区域内磁场不受外界磁场干扰，放置在第二低温容器8中；超导主磁场线圈1、内插匀场磁体5、超导屏蔽线圈2、抗电磁干扰线圈同心；液氮管路11连接第一低温容器4和第二低温容器8构成液氮循环回路，中间配有截止阀12保证液氮最先充满第一低温容器4；液氮制冷机13设置于第二低温容器8结构上部；所述的超导主磁场线圈1由一对关于中心对称的超导线圈组成，以双饼堆叠的方式形成并通以同向电流；所述的超导屏蔽线圈2由一对关于中心对称的超导线圈组成，和超导主磁场线圈1采用同一支撑轴放置于第一低温容器4中；所述的内插匀场磁体5由多层圆柱环状铁磁材料叠加组成，其外圈贴近于第一低温容器4的内表面，被均等或不均等地用非磁性材料固定在一起，和超导主磁场线圈1同轴；所述的抗电磁干扰线圈包括第一级抗电磁干扰线圈6和第二级抗电磁干扰线圈7，且和超导主磁场线圈1同轴，所述的第一级抗电磁干扰线圈6和第二级抗电磁干扰线圈7均为一对且中心对称，四个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等；其中在中心球形区域10同一侧的不同级线圈绕制在第二低温容器8的线圈骨架上，同时利用超导搭接方式串联焊接构成闭合回路，所用的连接线与线圈材料相同；所述液氮管路11在超导主磁场线圈1供电过程中利用截止阀12保持截止状态，使第一低温容器4充满液氮，同时第二低温容器8内不存在液氮；在超导主磁场线圈1供电结束后，打开截止阀12，使中心球形区域10同一侧的液氮管路11连通构成闭合回路，同时采用所述液氮制冷机13调节回路内的液氮温度；所述第一低温容器4与装置外壳14之间抽真空，装置外壳14采用无磁材料泡沫EVA封装，同时内表面贴聚酯薄膜；所述第二低温容器8内部设有真空结构。
所采用的超导线圈材料均为二代超导带材，所述的超导主磁场线圈1和超导屏蔽线圈2励磁时，线圈外接超导开关组成闭环回路，分别产生主磁场和屏蔽磁场，过程中保证截止阀12截止，确保抗电磁干扰线圈不进入超导态，然后调整内插匀场磁体提高中心球形区域（DSV）的均匀度，如图4所示，在直径300mmDSV的边缘区处不均匀度约为14ppm，如图5所示，磁体的5高斯线范围约为4.5m。
抗电磁干扰线圈的两级线圈均采用YBCO超导线材绕制，线圈浸泡在液氮中，一侧的不同级线圈利用YBCO超导线材搭接串联焊接构成闭合回路。其中，第一级抗电磁干扰线圈6的线圈匝数N 1，线圈半径R 1，第二级抗电磁干扰线圈7的线圈匝数N 2，线圈半径R 2，其中R 2>R 1，第一级抗电磁干扰线圈6的间距为H 1，第二级抗电磁干扰线圈7的间距为H 2，其计算模型如图6所示。假设外磁场B=B 0sinwt以正弦变化，中心点处的残余磁场为：
Figure 823116DEST_PATH_IMAGE001
一级线圈中所产生的电流：
Figure 271415DEST_PATH_IMAGE002
二级线圈中所产生的电流：
Figure 723256DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 774258DEST_PATH_IMAGE004
，
Figure 119789DEST_PATH_IMAGE005
，L是线圈的自感，M是线圈间的互感。可以根据上述公式设计抗电磁干扰线圈的尺寸结构，使中心点残余磁场B趋近于0。本实施案例设计参数为一级线圈匝数N 1为20，半径R 1为0.5m，间距H 1为0.5m，二级线圈匝数N 2为14，半径R 2为1.065m，间距H 2为0.8m，可实现92%以上干扰磁场屏蔽。
根据上述设计，抗电磁干扰线圈6、7组成闭合回路，当所述超导磁体受到外来磁场干扰时，抗电磁干扰线圈由于完全抗磁通特性自动感应抵消噪声磁场，避免超导主线圈和屏蔽线圈中的电流发生波动，导致DSV内磁场发生漂移。
本发明的一种核磁共振医疗成像设备，包括上述开放式磁共振成像超导磁体和平面指纹梯度线圈，所述的平面指纹梯度线圈连接在开放式磁共振成像超导磁体的支撑结构9的端部，与内插匀场磁体5同心，用于产生梯度磁场对磁共振成像信号进行空间定位编码。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种开放式磁共振成像超导磁体，包括超导主磁场线圈（1）、内插匀场磁体（5）、超导屏蔽线圈（2）、抗电磁干扰线圈、第一低温容器（4）、第二低温容器（8）、液氮管路（11）、液氮制冷机（13）以及装置外壳（14），其特征在于：所述的内插匀场磁体（5）插入超导主磁场线圈（1）内部，且和超导主磁场线圈（1）同轴；所述的超导主磁场线圈（1）所产生的磁场和内插匀场磁体（5）的磁场叠加，在中心球形区域（10）内产生均匀磁场；所述内插匀场磁体（5）通过支撑结构（9）支撑固定；所述的支撑结构（9）和第一低温容器（4）之间放置环氧树脂垫板（3）；所述的超导屏蔽线圈（2）通反向电流，产生与主磁场相反的磁场，补偿主磁场对外的杂散场；超导屏蔽线圈（2）和超导主磁场线圈（1）均放置在第一低温容器（4）中；所述抗电磁干扰线圈放置在第二低温容器（8）中；所述超导主磁场线圈（1）、内插匀场磁体（5）、超导屏蔽线圈（2）、抗电磁干扰线圈同心；所述液氮管路（11）连接第一低温容器（4）和第二低温容器（8）构成液氮循环回路，中间设有截止阀（12）保证液氮最先充满第一低温容器（4）；所述的液氮制冷机（13）设置于第二低温容器（8）上部；所述的超导主磁场线圈（1）由一对关于中心对称的超导线圈组成，以双饼堆叠的方式形成并通以同向电流；所述的超导屏蔽线圈（2）由一对关于中心对称的超导线圈组成；所述的抗电磁干扰线圈包括第一级抗电磁干扰线圈（6）和第二级抗电磁干扰线圈（7），且和超导主磁场线圈（1）同轴，所述的第一级抗电磁干扰线圈（6）和第二级抗电磁干扰线圈（7）均为一对且中心对称。
2.根据权利要求1所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，其特征在于：所述的超导屏蔽线圈（2）和超导主磁场线圈（1）采用同一支撑轴放置于第一低温容器（4）中。
3.根据权利要求1所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，其特征在于：所述的内插匀场磁体（5）由多层圆柱环状铁磁材料叠加组成，其外圈贴近于第一低温容器（4）的内表面，被均等或不均等地用非磁性材料固定在一起，和超导主磁场线圈（1）同轴。
4.根据权利要求1所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，其特征在于：所述的抗电磁干扰线圈的四个线圈分别位于不同且相互平行的平面上，同一级的一对线圈匝数相同，半径相等；其中在中心球形区域（10）同一侧的不同级线圈绕制在第二低温容器（8）的线圈骨架上，同时利用超导搭接方式串联焊接构成闭合回路，所用的连接线与线圈材料相同。
5.根据权利要求1所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，其特征在于：所述液氮管路（11）在超导主磁场线圈（1）供电过程中利用截止阀（12）保持截止状态，使第一低温容器（4）充满液氮，同时第二低温容器（8）内不存在液氮；在主磁场线圈（1）供电结束后，打开截止阀（12），使中心球形区域（10）同一侧的液氮管路（11）连通构成闭合回路，同时采用所述液氮制冷机（13）调节回路内的液氮温度。
6.根据权利要求1所述的一种开放式磁共振成像超导磁体，其特征在于：所述第一低温容器（4）与装置外壳（14）之间抽真空，装置外壳（14）采用无磁材料泡沫EVA封装，同时内表面贴聚酯薄膜；所述第二低温容器（8）内部设有真空结构。
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