CN1606786A - 核磁共振成像系统的冷却 - Google Patents
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Abstract
一种具有开放式超导磁体系统的核磁共振成像(MRI)系统，该开放式超导磁体系统包括多个水平定向的超导线圈(3－10)和用于容纳液体冷却介质的低温容器(11)，该液体冷却介质用于冷却位于该低温容器内的超导线圈，该低温容器在其顶部设置有用于使从该容器中蒸发的冷却介质的连续液化的再冷凝器(23)。该磁体系统包括用于从该再冷凝器沿该超导线圈的至少一部分引导该液体冷却介质的回路。
Description
本发明涉及一种具有开放式超导磁体系统的核磁共振成像(MRI)系统，该开放式超导磁体系统包括多个水平定向的超导线圈和用于容纳液体冷却介质的低温容器，该液体冷却介质用于冷却位于该低温容器内的超导线圈，该低温容器在其顶部设置有用于使从该容器中蒸发的冷却介质的连续液化的再冷凝器。
第一段所述的核磁共振成像系统由美国专利6011456是已知的。该专利描述了开放结构的重新冷凝的超导磁体，其具有作为氦容器的用于超导MRI磁体的低温容器，其中对于氦冷却剂的保存，使用了所谓的“零蒸发(ZBO)”技术。ZBO技术本身是涉及借助于再冷凝器重新使得在氦容器的顶部中某一位置处的氦气重新液化而不是使气作为气体释放从而防止氦(或任何其它的冷却剂)损失的技术。在带有再冷凝器的磁体中，蒸发的氦不能从氦容器中逃逸出去，这是因为在离开路径中(在磁体顶部处在颈部中的某一位置)氦会遇到再冷凝器的冷表面，其使得氦气液化。重新冷凝的氦随后再次滴到氦容器中。因此，具有氦的连续循环。通常在依据本发明的MRI磁体中，热泄漏的数量级为1W，这使得液氦以1.4升/小时的速度蒸发。其结果为，4.2K的氦气以大约14升/小时的速度从氦容器中逃逸，这与没有开放结构的常规MRI磁体相比是相当大的量。因此严格意义上，术语“零蒸发”是不正确的。
零蒸发技术的其它细节在于低温冷却器的不受控的操作可导致在氦容器中的不希望的负压。解决方案包括借助于在氦容器底部的加热器来控制压力。实际上，加热器浪费了再冷凝器的多余的冷却能力。这确保了氦的恒定循环，这与低温恒温器的质量无关。
如上所述，再冷凝器应当防止蒸发的氦离开氦容器，并且在很大程度上是这样做的。然而，实际上，由于维护操作、低温系统的损坏、或存在小的没有检测到的氦泄漏，氦可从氦容器中逃逸出去，因此氦的一些损失是不可避免的。换言之，长期而言的平均氦损失是非常小的，但不会为零。
在这点上，氦容器的重要的质量因素是有效容积，这由磁体在其间可操作的、冷却介质的最大填充比率和冷却介质的最小填充比率之间的差来限定。例如，如果最大填充比率是氦容器的总容器的95％并且最小填充比率是15％，则磁体可填充氦到95％并且必须在填充比率下降到低于15％之前重新填充。在这种情况下，有效容积是氦容器的总容器的80％。通常，对于本领域的医用成像系统的开放式核磁共振成像(MRI)超导磁体系统，最大填充比率和最小填充比率彼此相对接近，例如分别为95％和85％，在这种情况下，即使磁体设置有再冷凝器(零蒸发技术)，有效容积也仅为10％。因此大的有效容积是所希望，这是因为这将增大氦重新填充的间隔。
本发明的一目的在于提供一种医用成像系统，该系统的低温容器所需的冷却介质流体的重新填充的间隔增大或者在该系统的经济使用寿命中不再需要重新填充。
为了实现以上目的，提供了本发明的MRI系统，其特征在于，该MRI系统包括用于从该再冷凝器沿该超导线圈的至少一部分引导该液体冷却介质的回路。在该回路中冷却介质应当能够充分低冷却超导线圈。这不是必需地规定超导线圈直接与冷却介质接触。或者，也可通过例如在冷却介质和超导线圈之间使用导热中间材料例如回路本身，从而对超导线圈进行充分冷却。因为回路只是需要在该回路中存在液体冷却介质，所以Vmin可显著降低，由此可相应地增加有效容积。例如以这种方式，本发明可使得有效容积增大8倍，使得重新填充间隔增大8倍。实际上，这是每2年重新填充或每16年重新填充的差别。在每16年重新填充的情况下，磁体根本不需要重新填充，这是因为16年已经超过了MRI医用成像系统的经济寿命。
依据本发明的MRI系统的特定实施例的特征在于，该回路包括至少一个用于该液体冷却介质的局部存储器，该局部存储器位于相关的超导线圈附近，以便冷却所述的相关超导线圈。以这种方式，可实现有效容积的非常高效的增大。
依据本发明的MRI系统的另一实施例的特征在于，该局部存储器包括用于该液体冷却介质的溢流边缘，该溢流边缘位于该相关的超导线圈的下侧处或在该下侧之上。以这种方式，可确保相关的超导线圈的至少下部分浸在流体冷却介质中。由于超导线圈的非常好的导热特性，因此所述超导线圈的仅下部分浸在流体冷却介质中足以将该相关的超导线圈整体上保持在所需的下降的温度。
依据本发明的MRI系统的再一实施例的特征在于，该局部存储器是至少部分环状的。以这种方式，该局部存储器的形状适于该相关的超导线圈的总体形状。该特定的环形形状包围整个圆形在本发明的精神范围内不是严格必需的。由于良好的导热特性，将环形形状限定成例如该相关的超导线圈的15度也是足够的，由此进一步减少了允许磁体操作的最小填充比率。
依据本发明的MRI系统的特定实施例的特征在于，该局部存储器包括用于该相关的超导线圈的绕组主体。该绕组主体例如为所谓的线圈架的一部分。在低温存储器中减少了额外的结构部件的数量，这是因为该绕组主体不仅作为超导线圈在制造过程中线圈盘绕的主体，而且还作为用于存储器的壁或节流装置。
相似优点应用于依据本发明的MRI系统的另一实施例，其中该局部存储器包括用于该相关的超导线圈的定位主体。例如作为所谓的线圈架的一部分的这种定位主体通常总设置在低温存储器中，以便避免超导线圈由于所产生的洛伦兹力引起的不希望的变形。
依据本发明的MRI系统的再一实施例的特征在于，该回路包括向下倾斜的引导装置，以便将该液体冷却介质从第一超导线圈引导到定位在该第一超导线圈之下的第二超导线圈。以这种方式，可实现流体冷却介质的最佳流程。流体冷却介质沿连续的超导线圈被引导，其中对于在超导线圈之间出现流体冷却介质具有最小限度的需要。如果相应的超导线圈在彼此之上没有精确地定位，这是特别有利的。
依据本发明的MRI系统的特定实施例的特征在于，该核磁共振成像系统包括用于在该低温容器内确定该液体冷却介质的液面的感测装置。以这种方式，在低温容器中可以监控流体冷却介质的填充比率。如果下一次重新填充是必要的话，通过对来自传感器装置的数据进行插值，可预测何时进行下一次重新填充。
以下将参照附图并结合本发明的核磁共振成像(MRI)系统的优选实施例来详细描述本发明，在附图中：
图1示意地示出了本发明的核磁共振成像系统的开放式超导磁体系统的截面，但是其中没有特征涉及本发明；和
图2示意地示出了图1所示的磁体系统的截面，其包括本发明的特征，并且包括磁体系统在其间可操作的氦的最大程度Vmax和最小程度Vmin。
图1示出了开放式超导磁体系统1的示意截面，该磁体系统形成本发明的核磁共振成像(MRI)系统的一部分。图1没有示出本发明的特定特征。包括框架、患者支承单元和控制单元的MRI系统的其余部分没有在图1中示出，并且这对于本领域的普通技术人员而言是公知的类型。磁场和磁体系统1的轴线2沿垂直方向定向。磁场由环形的超导线圈3、4、5、6、7、8、9、10产生，每一线圈布置在水平平面中。具有最大直径的两个线圈3、4构造成屏蔽线圈，其提供散射磁场的主动屏蔽。主动屏蔽是本领域内减小磁体系统1的散射磁场的方法，以下使得在医院中由MRI系统占据的体积减至最小。
超导线圈3-10应当被冷却以便成为超导状态。为了冷却超导线圈3-10，使得它们定位在低温容器11中。该低温容器11的形状相当于磁体系统1的特定形状，这意味着低温容器11包括盘状上部分12和盘状下部分13，这两个部分12、13在一侧由柱14互连。在本发明的范围内还可提供多个柱，以便获得例如机械稳定性，在图1中仅示出了一个柱。符合这些特定轮廓的辐射屏蔽件15和氦容器16设置在低温容器11内。这使得氦容器16对于上部分12和下部分13是共用的。这是最经济的方式，这是因为如果对于上部分12和下部分13使用两个分离的氦容器，则许多部件需两个，这包括较昂贵的低温冷却器，以下进行清晰的详细描述。
在如图1所示的特殊结构中，四个超导线圈位于低温容器11的上部分12中，四个超导线圈位于下部分13中，但是这对于本发明并不重要。磁体系统的更均匀的形式需要更多的线圈，而磁体系统的不屏蔽的形式需要更少的线圈。在图1中，上部分12和下部分13是对称的，然而在本发明的情况中并不必须如此。
区域17、18代表磁体系统1的其它部件的位置，例如梯度线圈、射频线圈、和垫片系统，这些部件凹进设置在低温容器11的上部分12和下部分13的凹部中。以这种方式，对于患者可在患者空间19中在上部分12和下部分13之间实现最大的空间。
为了冷却存在于氦容器16中的氦，设置有低温冷却器20，该低温冷却器经在磁体顶部上的颈部21插入到氦容器16中。该低温冷却器20具有两个热力工位22、23。第一热力工位22连接到磁体系统1的辐射屏蔽件15上。第二热力工位23在氦容器16中浮动并且作为再冷凝器。在该特定实施例中，使用了高级的两级低温冷却器，该低温冷却器的第二热力工位23或第二级的温度到达4.2K以下，并且因此能够重新冷凝氦，而第一热力工位22或第一级冷却辐射屏蔽件16。然而，在单个低温冷却器中组合重新冷凝和冷却辐射屏蔽件的功能对于本发明而言不是实质性的。或者，可使用氦液化器和独立的装置来冷却辐射屏蔽件，例如独立的低温冷却器或氮冷却剂。
在图2a和2b中，所示的氦容器16没有由低温容器11和辐射屏蔽件15包围。为了提高附图的可理解性，(与图1不同)没有线用来表示多个元件例如超导线圈在氦容器16内的旋转运动。除了图1所示的部件之外，图2a和2b示出了用于每一超导线圈3-10的绕组主体24、25、26、27、28、29、30、31和线圈架32、33、34、35、36、37、38、39。在磁体系统1的制造过程中，超导线圈围绕绕组主体进行盘绕。线圈架用于支承超导线圈以便机械地抵抗洛伦兹力。即使在不应用本发明的情况下，绕组主体和线圈架也应设置在氦容器中，因为它们是必需的。另外，存在于氦容器16内的氦用灰度级来表示。
在图2a中，所示的氦处于磁体系统1可允许操作的最大液面40，而在图2b中，所示的氦处于磁体系统1可允许操作的最小液面41。最大填充和最小填充之间的差是所谓的有效容积，其可容易地达到氦容器16的总容积的80-90％。
如上所述，在氦容器内在一方面的氦蒸发与另一方面的由冷凝器进行液化之间存在动态平衡。由冷凝器液化的氦借助于回路沿所有超导线圈被引导。该回路开始于冷凝器的正下方的向下倾斜的斜管42，氦通过该斜管流向具有U形截面的第一环状局部存储器63。U形腿由氦容器16本身的一部分形成并且由位于超导线圈3的内侧的壁43形成，而U形的主体由底部44形成。在图2a的左侧，示出了壁43的溢流边缘45，向下倾斜的管48从该边缘延伸到超导线圈5的正上方。线圈5定位在具有U形截面的第二环状局部存储器64中。该U形腿可由绕组主体25和壁46的一部分形成，其具有溢流边缘47。U形的主体由线圈架33的一部分。氦溢流的溢流边缘47达到由用于超导线圈7的绕组主体27和氦容器16的部件49、50形成的第三环状局部存储器65。绕组主体27的上边缘51应当认为是用于氦的溢流边缘。在溢流通过该边缘51之后，氦达到第四环状局部存储器66，其也具有用于超导线圈7的U形截面。壁53、氦容器16的一部分52、和绕组主体27构造成该第四局部存储器66。壁53的高度小于绕组主体27的高度。因此，如果第四局部存储器66完全填充满氦，则氦将溢流通过壁53的上边缘54。接着，由于重力，氦将经氦容器16的延伸穿过柱14的一部分下落到向下倾斜的斜管55的上部分上，氦从该上部分向下流到第五环状局部存储器67中。该第五局部存储器67用来共同地冷却超导线圈6、8、10。该第五局部存储器67由用于超导线圈6的绕组主体30形成，该绕组主体30在其上端密封地连接到氦容器16上。此外，该第五局部存储器67由在三个超导线圈6、8、10下方的延伸的底部56形成并且由壁57形成。在图2a和2b的右侧，可以看到壁57的上边缘58位于氦容器16的壁的稍下方，这允许氦在其间经过流到向下倾斜的斜管59上，其将氦引导到第六环状局部存储器68中。该第六局部存储器68由氦容器16的部分60、线圈架39、和由延伸部分61延伸的绕组主体31形成。在氦溢流通过延伸部分61的上边缘62之后，氦到达氦容器16的底部63。在该底部，(未示出的)的加热器设置用于可控地使氦蒸发，以便由低温冷却器20形成氦的重新冷凝的动态平衡。
为了在氦容器16中监控氦的液面，本领域的普通技术人员已知的是，可在氦容器的内侧上设置液面传感器69。这可对氦液面进行连续的监控。监控氦液面是所希望的，以便在早期检测出问题。氦液面的下降表示(例如气体泄漏的)损坏，这最终导致从磁体系统1中损失氦。
从以上描述和(对比图2a)图2b中可清晰看出，为了将超导线圈冷却到所需的温度，如果所有局部存储器63、64、65、66、67、68填充氦则这是足够的。如果氦容器16只有相对较少部分填充氦，则这已经实现了，这是因为局部存储器的容积明显小于氦容器16的总容积。如此适用，溢流通过局部存储器中的一个存储器的液氦经由例如斜管和管的引导元件到达下方的局部存储器。以这种方式，实现了从冷凝器到最高局部存储器并且经由中间的局部存储器再到最低局部存储器的液氦连续流动，因此，尽管在每一局部存储器中有局部的氦蒸发但是可确保所有存储器保持填充状态。
Claims (8)
1.一种具有开放式超导磁体系统的核磁共振成像(MRI)系统，该开放式超导磁体系统包括多个水平定向的超导线圈和用于容纳液体冷却介质的低温容器，该液体冷却介质用于冷却位于该低温容器内的超导线圈，该低温容器在其顶部设置有用于使从该容器中蒸发的冷却介质的连续液化的再冷凝器，其特征在于，该核磁共振成像系统包括用于从该再冷凝器沿该超导线圈的至少一部分引导该液体冷却介质的回路。
2.如权利要求1所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该回路包括至少一个用于该液体冷却介质的局部存储器，该局部存储器位于相关的超导线圈附近，以便冷却所述的相关超导线圈。
3.如权利要求2所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该局部存储器包括用于该液体冷却介质的溢流边缘，该溢流边缘位于该相关的超导线圈的下侧处或在该下侧之上。
4.如权利要求2所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该局部存储器是至少部分环状的。
5.如权利要求2所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该局部存储器包括用于该相关的超导线圈的绕组主体。
6.如权利要求2所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该局部存储器包括用于该相关的超导线圈的定位主体。
7.如权利要求1所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该回路包括向下倾斜的引导装置，以便将该液体冷却介质从第一超导线圈引导到定位在该第一超导线圈之下的第二超导线圈。
8.如权利要求1所述的核磁共振成像系统，其特征在于，该核磁共振成像系统包括用于在该低温容器内确定该液体冷却介质的液面的感测装置。
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