CN203149098U - 一种液氮制冷的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在成像区域产生均匀磁场的高温超导主磁体，至少一个可在成像区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈，至少一个可在成像区域内收发射频信号的低温射频线圈，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料和超导材料；给定系统的主磁体、梯度线圈、射频线圈采用低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，使用高温超导材料制作主磁体线圈可以在线圈内产生较高的电流密度，节省电力消耗，高温超导主磁体小型轻巧，可以在77K温度下运作，制冷效率大大提高，梯度和射频线圈采用低温导电材料，可以减小线圈的电阻，增加线圈效能。

Description

一种液氮制冷的磁共振成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种液氮制冷的磁共振成像系统，尤其涉及到一种采用超导器件的磁共振成像系统。

背景技术

目前，磁共振成像技术已广泛应用于世界上各个大型医疗机构并且在医学实践中取得了巨大而独特的效益。MRI已经被开发成一个成熟的结构和解剖成像诊断工具，还被开发用于功能性活动成像和其他生物物理和生物化学特征及过程，如血液流动、代谢分子/代谢、扩散，其中一些磁共振成像技术包括为人们所熟知的MRI功能成像、磁共振波谱成像（MRSI）、扩散加权成像（DWI）和扩散张量成像（DTI）。这些磁共振成像技术不仅具有在识别和评估病理、判断受测组织健康状况方面的医学诊断价值，还广泛应用于临床和研究中。

典型的磁共振检测中，患者的身体（或样品）安置在磁共振扫描仪内的支撑物上，置身于成像区域。扫描仪通过主磁体提供恒定均匀的主磁场。磁场对人体内的进动原子如氢（质子）进行排列。磁体内的梯度线圈使一定范围内的磁场产生改变，因此在成像区域提供共振频率编码。

射频线圈在计算机控制下基于特定脉冲序列选择性在患者体内生成瞬时振荡信号，信号被射频线圈捕获并通过计算机处理后，可映射到患者对应的局部部位，从而提供成像区域的图像。通用的MRI配置下，静态主磁场由螺线型主磁体产生，患者平台放置在螺线管线圈围绕成的圆筒形空间范围（即主磁体的洞）内。主磁场线圈通常采用低温超导材料，采用液氦冷却来减小电阻，以最大限度减少设备产生的热量和节省维持主磁场的电力。大部分低温超导磁体采用铌钛（NbTi）和/或铌三锡超导合金（Nb₃Sn），在低温杜瓦内将温度固定在4.2K。本领域技术人员熟悉，磁场梯度线圈可提供沿空间上三个笛卡尔坐标轴（其中一个坐标轴为主磁场的方向）方向的上的线性磁场梯度，因此磁场的大小在成像区域内不同位置有所不同，不同磁共振信号特征（如信号频率和相位）在成像区内根据其不同位置被编码，从而提供空间定位。在通常情形下，通过鞍形线圈或螺线管线圈的电流产生梯度场，梯度线圈被固定在较小的圆柱面上。这些圆柱与包含主磁场线圈的较大圆柱同心。与主磁场不同，用于生成梯度场的线圈通常采用常温铜线圈。梯度强度和场线性对于生成图像的准确性和分辨率以及组织的化学信息（如在MRSI中）具有根本性的重要作用。

自实用新型磁共振成像以来，人们便致力于提高其成像质量及能力，如提供更高空间分辨率、更高波谱分辨率（MRSI中）、更高对比度和更快的采集速度。例如，更快的成像（采集）速度可以减少由于成像区域在图像采集过程中随时间变化所造成的影像模糊（伪影），如患者移动、解剖或功能性自然移动（如心跳、呼吸、血液流动），和自然生化变化（如MRSI中代谢引起的变化）。同样，由于在磁共振波谱成像过程中，采集数据的脉冲序列既编码空间信息也编码波谱信息，因此最大限度减少采集足够波谱和空间信息所需时间对于提供理想的波谱分辨率和空间定位也至关重要，这样才能提高磁共振波谱成像的临床实用性和效用。多个因素可以在对比度、分辨率和采集速度方面对磁共振成像质量产生影响。其中一个影响成像质量和采集速度的重要参数即信噪比（SNR）。增大信噪比对于提高影像质量十分重要。通过磁共振成像系统的前置放大器增强信号可增大信噪比。信噪比与磁场强度成正比，因此可以通过增加磁体的磁场强度增大信噪比。但是临床实践中磁体的磁场强度有上限（美国FDA现今上限为3T（特斯拉））。其他增大信噪比的可能的方式还有：通过减小可能的视场减小采样噪声，减小采样和射频线圈之间的距离，和减小射频线圈噪声。虽然通过不懈的努力，磁共振成像已获得长足的进步，但是磁共振成像还有进一步改善的需要，如更高的对比度、更强的信噪比、更快的采集速度和更高的空间和时间分辨率。

此外，影响磁共振成像技术进一步使用的一个重要因素即购买和维护高磁场系统所带来的昂贵费用。因此，提供一类可花费合理价格即可制造和/或维护的磁共振成像系统将更有利于磁共振成像技术得到更广泛的应用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种液氮制冷的磁共振成像系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在成像区域产生均匀磁场的高温超导主磁体，至少一个可在成像区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈，至少一个可收发成像区域内的射频信号的低温射频线圈，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述低温梯度线圈和低温射频线圈放置在至少一个真空室内，该真空室至少包含一面用于隔开成像区域与低温梯度线圈和低温射频线圈的非磁性非金属室壁，所述真空室包含的第一真空室内放置所述低温梯度线圈，第一真空室与检测区域之间的第二真空室内放置所述低温射频线圈，室壁由检测区域与所述低温梯度线圈之间的第一道非磁性非金属室壁和检测区域与所述低温射频线圈之间的第二道非磁性非金属室壁组成；所述真空室包括一个位于第二真空室和检测区域之间的高真空室，所述高真空室由所述第二面非磁性非金属室壁作为其第一面室壁，第三面非磁性非金属室壁与该第一面室壁间留有间隔。

其中至少一个射频线圈采用所述的低温导电材料或超导材料；其中所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温射频线圈均采用低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温超导材料为铋锶钙铜氧化物（BSCCO）或钇钡铜氧（YBCO）制作而成的超导带材。

所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温射频线圈至少一个或全部放置在由非磁性非金属室壁隔离出的一个公共真空室内，所述公共真空室包括一个在所述共同真空室与检测区域之间的高真空室，所述高真空室有两面所述非磁性非金属室壁，第一面与第二面室壁间留有间隔。

其中所述高温超导主磁体为圆筒状，所述高温超导主磁体上设有作为所述检测区域的一个圆柱形空腔。

其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个线圈阵列或一个既可发送也可接收的射频线圈，其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个射频发送线圈和一个射频接收线圈。

其中所述的至少一个低温梯度线圈包含至少三个低温梯度磁场线圈，用于分别提供三个正交方向上的磁场梯度，其中一个方向与检测区域内的均匀磁场方向一致。

作为本实用新型的进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料和超导材料；所述射频线圈由所述冷却至77K时导电性比铜高的非超导材料制作；其中所述的至少一个射频线圈为二维电子材料结构或碳纳米管结构。

作为本实用新型的进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体放置在第一真空室内，所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在第二真空室中。

作为本实用新型的再进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体、低温射频线圈和低温梯度线圈分别放置在各自的真空室中。

作为本实用新型的更进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却,包含至少以下一种：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在同一个公共真空室内；其中所述低温射频线圈和低温梯度线圈热耦合到同一个公共散热器。

作为本实用新型的更进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈通过第二低温冷却系统进行冷却，所述低温梯度线圈通过第三低温冷却系统进行冷却。

作为本实用新型的进一步改进，一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈和低温梯度线圈通过第二低温冷却系统进行冷却。

与现有技术相比，本实用新型具有下列优点。

（1）所述高温超导材料的载流密度远远大于低温超导材料，因此使用高温超导材料制作的磁体可大大减少超导磁疗线材的用量，大大减少了磁体的重量与体积。同时在同等磁场强度下，高温超导磁体的用电量将比低温超导磁体大大节省，可节省材料及电力消耗。另外，低温超导磁体需要在低于10K的低温下运作，而高温超导主磁体可以在77K的温度下运作，因此在初冷过程中消耗的制冷剂较少，低温杜瓦的结构相对简单，从而可以减少这方面的开支；该系统采用低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料制作的梯度线圈可大大提高梯度强度，从而大大提高分辨率；射频线圈利用低温导电材料，包括高温超导材料，因此可以减小线圈与电阻相关的噪声，如采用高温超导材料制作射频线圈可大大提高MRI成像的信噪比；由于高温超导射频线圈具有更高的灵敏度，与采用低温超导梯度线圈和射频线圈相比，还能简化热隔离和真空隔离步骤；与常规铜制射频线圈和梯度线圈相比，磁共振成像系统的总体性能可得到提升，另外高温超导梯度线圈提供高驱动电流、快速交换并可明显减少散热，超导射频线圈可减小线圈噪声，导致射频接收器内电路的信噪比增加，这样可以加快采集速度和/或改善图像分辨率。

（2）所述主磁体、梯度线圈和射频线圈均为在77K温度下的超导体，且每种均为高温超导体或低温超导体，所述梯度线圈为同一种超导体，即高温超导体或低温超导体，此种全高温超导配置使得成本降低、质量提高并且性能好。

（3）高温超导主磁体可采用高温超导带材，如钇钡铜氧化物（YBCO）、铋锶钙铜氧化物（BSCCO）和其他临界温度高于77K的高温超导带材中的一种或多种，一个校正线圈的磁场设计为不均匀的，与主磁场相结合之后，校正线圈的磁场即可以抵消总磁场的不均匀性。

（4）真空室放置低温梯度线圈和低温射频线圈。各双层壁两层之间的空间抽成真空，真空室的外部双层壁采用非磁性非金属材料，真空室的内部双层壁采用的材料对低温射频线圈发射和接收的射频信号不产生屏蔽效用，也不会由于梯度信号对低温梯度线圈的作用而产生涡流效应。

（5）设置第二层内壁隔出真空空间用于热隔离，有利于在温度方面提高用户舒适度。真空空间耦合至一个真空泵或作为一个密封室。真空空间的径向范围最小化以保证射频线圈尽量接近检验区域。内壁采用非磁性材料，不会干扰检验区域内的梯度磁场和射频信号。

（6）梯度线圈的超导线圈生成或散发的梯度热量减少，且允许高梯度场快速转换，因而采集图像的速度更快。

附图说明

图1A为本实用新型的液氮制冷的超导磁共振成像系统的横截面示意原理图。

图1B根据本实用新型的图1A中的主磁体系统的上部横截面示意图。

图2A根据本实用新型的图1A中的液氮制冷磁共振成像系统的梯度线圈的斜视示意图。

图2B根据本实用新型的图2A中圆柱体X轴方向上的梯度线圈的平面示意图。

图3A-3D为本实用新型的用于磁共振成像系统内的不同冷却系统配置。

图4A和4B为本实用新型采用圆柱状螺线管线圈结构的超导磁共振成像系统的线圈配置的横截面图。

具体实施方式

实施例一。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在成像区域产生均匀磁场的高温超导主磁体，所述高温超导主磁体为圆筒状，所述高温超导主磁体上设有作为所述检测区域的一个洞口，至少一个可在成像区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈，至少一个可收发成像区域内的射频信号的低温射频线圈，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述低温梯度线圈和低温射频线圈放置在至少一个真空室内，该真空室至少包含一面用于隔开成像区域与低温梯度线圈和低温射频线圈的非磁性非金属室壁。

其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个线圈阵列或一个既可发送也可接收的射频线圈；其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个射频发送线圈和一个射频接收线圈，其中所述的至少一个低温梯度线圈包含至少三个低温梯度磁场线圈，用于分别提供三个正交方向上的磁场梯度，其中一个方向与检测区域内的均匀磁场方向一致。

其中至少一个低温射频线圈采用所述的超导材料，其中所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温射频线圈均采用低温导电材料，所述低温导电材料或同种低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温超导材料为铋锶钙铜氧化物（BSCCO）或钇钡铜氧（YBCO）制作而成的超导带材。

其中所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温射频线圈放置在由非磁性非金属室壁隔离出的一个公共真空室内，所述公共真空室包括一个在所述共同真空室与检测区域之间的高真空室，所述高真空室有两面所述非磁性非金属室壁，第一面与第二面室壁间留有间隔。

所述真空室包含的第一真空室内放置所述低温梯度线圈，第一真空室与检测区域之间的第二真空室内放置所述低温射频线圈，室壁由检测区域与所述低温梯度线圈之间的第一道非磁性非金属室壁和检测区域与所述低温射频线圈之间的第二道非磁性非金属室壁组成；所述真空室还包括一个位于第二真空室和检测区域之间的高真空室，所述高真空室由所述第二面非磁性非金属室壁作为其第一面室壁，第三面非磁性非金属室壁与该第一面室壁间留有间隔。

如图1A所示，超磁共振成像系统100包括一个成像区域180、可移动扫描床190、磁体/线圈外壳130和主磁体系统，主磁体系统包括（i）带有超导主线圈104、超导校正线圈106和线圈骨架108的主磁体，（ii）低温制冷机冷头110，（iii）低温杜瓦112，（iv）热屏蔽层114，（v）主磁体真空室外壳116和（vi）低温系统160。可从成像区移进或移出的可移动扫描床190。扫描床190置于主磁场内的部分需要采用塑料等非磁性非金属材料。

磁体/线圈外壳130的第二真空室涵盖了真空室外壳116的内部部分、磁体/线圈外壳130端壁部分和内壁150，围出的真空空间142包括低温梯度线圈103和低温射频线圈105。包含空间142的真空室耦合到一个高真空抽气系统用以在制造过程中建立低压环境（例如高真空情况），当达到高真空条件后即密封。低温射频线圈105和低温梯度线圈103均与公共散热片110保持良好热接触，散热片热耦合至低温系统170。低温系统170包括制冷机172和第二级174，第二级174的一端热耦合至散热片110，另一端热耦合至制冷机172。适合用于制造散热片的材料有陶瓷类如氧化铝、水晶类如蓝宝石和金属、及玻璃等。

图1B详细地描绘了图1A中的主磁体系统的上部横截面示意图。如图1B所示，真空室外壳116包含一个环绕着主磁体的真空空间132，一个真空系统经由一个或多个端口、真空管和/或引线等连接至真空空间132，以便将该空间真空压强抽至10⁻⁵ 托或更低，即高真空度。真空室外壳116采用铝、不锈钢或其他金属或非金属材料制作，如玻璃、陶瓷、塑料，或由这些材料混合制作，真空空间132用于主磁体和真空室外壳116之间的绝热。

超导主线圈104和超导校正线圈106既可作为低温超导体也可作为高温超导体。低温超导主磁体可采用低温超导电线如铌钛（NbTi），铌三锡（Nb₃Sn），铌三铝（Nb₃Al），二硼化镁（MgB₂）和其他低温超导导线。高温超导主磁体可采用高温超导带材，如钇钡铜氧化物（YBCO）、铋锶钙铜氧化物（BSCCO）和其他临界温度高于77K的高温超导带材中的一种或多种，一套或多套校正线圈106的使用是为了实现更高的磁场均匀度，此类校正线圈一般设计用于承载一小部分超导主线圈的电流和/或承载一小部分超导主线圈的匝数，一个校正线圈的磁场设计为不均匀的，与主磁场相结合之后，校正线圈的磁场即可以抵消总磁场的不均匀度。

超导主线圈104和超导校正线圈106都缠绕放进线圈支撑件108。线圈支撑件108采用不锈钢、铝、FR4或其他机械强度高的材料中的一种或多种。线圈支撑件108连接到散热片110并保持良好的热接触，散热片110再耦合至低温系统160，以使热量经由散热片110传递至低温系统160。适合用于制造散热片110的材料有氧化铝、蓝宝石和金属。

如图1A和1B所示，超导主磁体系统采用螺线管线圈在成像区域生成一定范围内的大量均匀的水平磁场，比如从0.5T-10T范围内。在替代实施方式中，根据设计和/或实际应用要求，超导主磁体系统采用除电磁线圈以外的其他配置，如开放式磁体比如垂直型磁体、双面包圈垂直磁体和/或采用低场，如0.1T到0.5T。典型情况下，低磁场的方向可以朝向期望的方向，比如与扫描床正交的方向或垂直方向，而高磁场的方向一般为水平方向。

低温系统160分为两级，包括制冷机162、第一级164和第二级168。第一级164连接到热屏蔽114，第二级168连接到散热片110和/或盛放在冷冻剂容器112中的冷冻剂（如液氦），低温系统160可能为多个单级或多级制冷机，比如吉福德-麦克马洪（GM）制冷机、脉冲管（PT）制冷机、焦耳-汤姆逊（JT）制冷机和斯特林制冷机。

设置第二层内壁152隔出真空空间154用于热隔离，这样也有利于在温度方面提高用户舒适度。真空空间154可能耦合至一个真空泵或作为一个密封室。真空空间154的径向范围通常最小化以保证射频线圈105尽量接近检验区域。内壁150和152采用材料有G10玻璃纤维、玻璃、玻璃复合材料或这些材料的组合。这些均为非磁性材料，不会干扰检验区域内的梯度磁场和射频信号。

超导射频线圈105和超导梯度线圈103共用冷却系统，因而超导射频线圈105和超导梯度线圈103更常作为同种类型超导体，即同为高温超导体或同为低温超导体，若它们能冷却到低温超导的临界温度，采用其中一种作为高温超导体另一种作为低温超导体也是允许的。此应用下高温超导射频线圈和梯度线圈适合使用的材料为由铋锶铜氧化物（BSCCO）或类似材料制作的超导带材。在其他可替代实施方式中，超导射频线圈可能为超导薄膜，采用钇钡铜氧化物（YBCO）、铊钡钙铜氧化物（TBCCO）、二硼化镁（MgB₂）或硼化M（MB）等高温超导材料制造，其中M为铍（Be）、铝（Al）、铌（Nb）、钼（Mo）、钽（Ta）、钛（Ti）、铪（Hf）、钒（V）或铬（Cr）。在平面基底上制作高温超导薄膜的详细指导包含在Ma et al， “Superconducting MR Surface Coils for Human Imaging，” Proc. Mag. Res. Medicine， 1， 171 （1999），其公开的内容通过引用整体结合到本文中。其他关于高温超导线圈的指导说明包含在Ma et al.， “Superconducting RF Coils for Clinical MR Imaging at Low Field,” Academic Radiology， vol. 10， no., 9, September 2003, pp. 978-987, 和Miller et al., “Performance of a High Temperature Superconducting Probe for In Vivo Microscopy at 2.0 T,” Magnetic Resonance in Medicine, 41：72-79 （1999）中，其公开的内容通过引用整体结合到本文中。

磁共振成像系统的构建和运作可能用到多种不同的高温超导和低温超导材料。例如，梯度线圈304可能采用低成本的商用超导带材Bi-223。在一些情况下，Bi-223超导带材可能带有纯银（Ag）护套以提高其机械强度。Bi-223超导带材浸入液氮中制冷时实现超导特性，此时其电阻基本接近为零。既可配置为收发机也可配置为独立发射机或接收机的超导射频线圈306，也可能采用高温超导材料，如YBCO、 BSCCO等或采用超导材料、纳米材料如碳纳米管和具有高导电性特点的二维电子（2DEG）材料/结构。或者，高温超导射频线圈306可能为一列薄膜线圈，每个薄膜的基底直径为，例如，约1厘米至30厘米。超导主磁体线圈可能采用高温超导或低温超导材料。例如，可能用二硼化镁（MgB₂）来制作主磁体线圈302。从冷却的角度来说，超导线圈或许可以在不同的温度范围内运作。例如，超导主磁体302可能冷却到20-40K之间，超导梯度线圈304可能冷却到40K-60K之间，超导射频线圈306维持温度可高一些，在40K-60K之间或者高于77K。或者，超导主磁体302冷却到20K-40K之间，而超导梯度线圈304和超导射频线圈306都冷却到77K。有多种温度组合供维持线圈运作。例如，在某些配置方式下，所有超导线圈可能都维持在77K。

主磁体、梯度线圈和射频线圈均为超导体，且每种都可以为高温超导体或低温超导体。假设所有梯度线圈为同一种超导体（如高温超导体），共有八种的可能组合。根据本实用新型的一些优先实施方式，主磁体、梯度线圈和射频线圈均为高温超导体。此种全高温超导配置可在磁共振成像系统的成本、质量和性能等方面带来诸多优势，例如，低温超导主磁体通常十分笨重，而基于本实用新型的多种实施方式的高温超导主磁体相对来说更小型轻巧并省电。另外，低温超导磁体需要在低温（如低于10K或10-20K）下运作，而高温超导主磁体可以在相对较高的温度（如77K）下运作，因此在初冷时消耗的制冷剂较少，低温杜瓦的结构相对简单，从而可以减少这方面的开支。采用超导梯度线圈和超导射频线圈与常规铜制射频线圈和梯度线圈相比，磁共振成像系统的总体性能可得到提升，其中部分原因包括高温超导射频线圈具有更高的灵敏度（线圈噪声低因此信噪比高），而高温超导梯度线圈提供高驱动电流、快速交换并可明显减少散热和增加分辨率。

射频线圈105分别独立为射频发射线圈和射频接收线圈，或可能一个射频线圈即具有发射和接收的功能，即射频收发线圈，此外，在一些采用独立射频发射线圈和射频接收线圈的实施方式中，只有其中一种，如接收线圈为超导线圈，其他一种线圈为常规铜制线圈。在一些实施方式中，超导射频线圈105可能为线圈阵列，如高温超导线圈阵列。

如图2A所示，组成或以其他方式提供三个独立的用于创建磁场沿三个正交方向变化的梯度线圈，放置在三个相应的同轴圆柱形支撑结构表面上，即，x-梯度支撑258、y-梯度支撑262和z-梯度支撑264。按照常规方式， x-和y-表示垂直于主磁场的两个正交方向，z-表示主磁场的方向。因此，x-梯度支撑258、y-梯度支撑262和z-梯度支撑264分别放置对应的梯度线圈用于提供这三个方向上的磁场梯度。梯度支撑258、262和264由G10或其他非铁磁性、非导电，例如，非金属、绝缘材料制造，在此实施方式中，z-梯度线圈为螺线管线圈，x-和y-梯度线圈为鞍形线圈并各自覆盖其圆柱形支撑沿圆周方向的一半左右。y-梯度支撑262连接到x-梯度支撑258和z-梯度支撑264，z-梯度支撑264连接到散热片110并与其保持良好的热接触。在其他可替代实施方式中，可增加一个散热器连接到散热片110或用x-梯度支撑258代替z-梯度支撑连接到散热片110。如果在散热片110之外增加一个散热器，此散热器与x-梯度支撑258相接并可能由制冷机172，即也用于冷却散热片110的同一个制冷机或单独的制冷机冷却。当用x梯度支撑258代替z-梯度支撑264连接到散热片110以提供对梯度线圈的冷却时，散热片110可能从z-梯度支撑264上热解耦，但仍与射频线圈105热耦合以提供对射频线圈105的冷却。

如图2B所示，包括x-梯度支撑258上放置的x-梯度线圈268。x-梯度支撑258的表面通常是凹陷的，例如凿陷或雕陷，梯度线圈268电线被放置并固定在凹槽内，这样当电流通过位于磁场中的梯度线圈电线时电线也不会移动。y-梯度支撑262上放置的y-梯度线圈与x-梯度支撑258上放置的x-梯度线圈268的设计构造基本相同，但y-梯度支撑的直径比x-梯度支撑略小，所以y-梯度线圈在尺寸上与x-梯度线圈略有差异。x-梯度线圈268的中心260朝向x轴方向。

如图2A和2B所示，y-梯度线圈与x-梯度线圈成90°。螺线圈状z-梯度线圈放置在z-梯度支撑264表面上和/或表面内，但由于z-梯度线圈沿着圆柱轴螺旋状缠绕于z-梯度支撑264上，一半线圈与主磁体线圈的方向一致，此部分梯度线圈可增强范围内的磁场；而另一半线圈与主磁体线圈的方向相反，此部分线圈则减小范围内的磁场。

虽然所描述的实施方式中线圈均配置为提供水平方向的磁场，其他磁共振成像系统可能采取其他结构设计以便生成视场中（FOV）不同磁场强度，如0.5T、1.0T的垂直磁场。此类磁共振成像系统包括但不限于：带有6或8个射频线圈阵列的非对称头部扫描磁共振成像系统；检查手部和腿部的骨科磁共振成像系统（0.2-0.5T）；或扫描胸部的垂直磁场开放式磁共振成像系统（射频线圈可能安装在扫描床内）。垂直磁场开放式磁共振成像系统的设计理念还可拓展用于检查动物。虽然本文所述实施方式中磁共振成像系统均用于探测人体组织水分中的氢原子，但是此系统也适用于探测有磁共振信号的其他原子核。

如图3B所示，主磁体线圈220由低温冷却系统222控制冷却以实现高温超导或低温超导特性。而梯度线圈226和射频线圈228由公共低温冷却系统230控制冷却以实现高温超导或低温超导特性。此种实施方式中，所有线圈在其各自的冷却室进行冷却。

如图3D所示，主磁体和梯度线圈244由独立的低温冷却系统246控制冷却以实现高温超导或低温超导特性，并且各244线圈均在同一个冷却室进行冷却。而射频线圈248由独立的低温冷却系统250控制冷却以实现高温超导或低温超导特性，并且射频线圈248在不同于主磁体和梯度线圈所在的另一个冷却室中进行冷却。

实施例二。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述低温射频线圈由所述冷却至77K时导电性比铜高的非超导材料制作而成，其中所述的至少一个射频线圈为二维电子材料结构或碳纳米管结构。

一个或多个射频线圈，如果发射线圈和接收线圈分离即为多个射频线圈为非超导线圈。此类线圈采用的材料为一种或多种当冷却到给定温度时导电性比同等温度下的铜更高的材料。此类非超导线圈采用半导体的二维电子（2DEG）材料结构，如砷化镓（GaAs）和/或磷化铟（InP）基、碳纳米管和其他金属。区分低温和冷藏，大约−73.3°C（−100°F）或以下即可看作低温，其他结构或系统与实施例一相同。

实施例三。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体放置在第一真空室内，所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在第二真空室中。

如图4A所示，类似图1A中的磁共振成像系统100的线圈配置300的第一横截面图，线圈配置300包括第一真空室316，第二真空室314，一个或多个主磁体线圈302，一个或多个梯度线圈304，一个或多个射频线圈306，和室壁308、310和312。在下文的进一步说明中，线圈配置300各个室壁308、310和312组成密封双层壁结构，在一些实施方式中基于或类似2008年9月17日提交的美国专利申请第12/212，122号和第12/212，147号中的密封双层壁结构（和真空隔热外壳），其公开的内容通过引用整体结合到本文中。

第一真空室316内放置超导磁体及其线圈302。真空室316由双层壁308和310密封隔离出来。各双层壁308和310两层之间的空间抽成真空，填充热隔绝材料，并适当密封以保证高真空。与第一真空室316相关的密闭空间可能通过合适的真空泵抽空。第一真空室316的外部双层壁308可采用常规真空室材料构造，但不限于铝或不锈钢。而第一真空室316的内部双层壁310采用非磁性非金属材料，但仅限于如玻璃纤维、非导电性陶瓷、G10、FR4或塑料。

第一真空室316中形成足够真空后，用一个低温冷却系统降低主磁体线圈302的温度。需要降低的温度由线圈材料决定。与常规冷却铜制线圈相比，线圈302利用低温超导材料或高温超导材料，因此可以减小电阻。主磁体线圈302的超导线圈通过特定电流用于生成所需目标磁场，如1特斯拉，因此生成或散发的热量会减少。用于主磁体产生和维持所需磁场的功率也会减少。此外，磁共振成像可能进一步用于更高的磁场强度，如大于7特斯拉。在此情况下，使用超导主磁体线圈可以在线圈内产生较高的电流密度，从而增强磁场能力。低温冷却系统，例如，可在20至40开尔文之间运行。根据一些实施方式，一个超导主磁体线圈可能为圆柱形，长0.5至3米，外径1至3米，内径0.1至2.5米。

第二真空室314放置低温梯度线圈304和低温射频线圈306。真空室314由双层壁310和312密封隔离出来，各双层壁310和312两层之间的空间抽成真空，填充热隔绝材料，并适当密封以保证高真空。与第二真空室314相关的密闭空间可能通过合适的真空泵抽空。第二真空室314的外部双层壁310采用非磁性非金属材料，但仅限于玻璃纤维、非导电性陶瓷、G10、FR4或塑料。而第二真空室314的内部双层壁312采用的材料对射频线圈306发射和接收的射频信号不产生屏蔽效用，也不会由于梯度信号对梯度线圈304的作用而产生涡流效应。

第二真空室314中形成足够真空后，用另一个低温冷却系统降低梯度线圈304和射频线圈306中一种或全部的温度。需要降低的温度由线圈材料决定。与常规冷却铜制线圈或其他同类非超导材料相比，线圈304和/或306利用低温超导材料或高温超导材料，因此可以减小线圈的电阻。梯度线圈304的超导线圈生成或散发的梯度热量减少，且允许高梯度场快速转换，因而采集图像的速度更快，用于梯度磁场生成和散发热量的冷却需求也相应减少。用于冷却梯度线圈304的低温冷却系统，例如，可在40至60开尔文之间运行。根据一些实施方式，一个超导梯度线圈可能为圆柱状螺旋形和鞍形，长0.2至2米，外径0.1至2.5米，内径0.02至2.3米。一个高温超导射频线圈为圆柱状螺旋形和鞍形，长0.01至0.5米，外径0.02至1米，内径0.01至0，8米。超导射频线圈306可减小线圈噪声，导致射频接收器内电路的信噪比增加，这样可以加快采集速度和/或改善图像分辨率。用于冷却梯度线圈304和射频线圈的低温冷却系统，例如，可在40至60开尔文之间运行。图4B描绘了线圈配置300沿纵向方向的第二横截面图。

实施例四。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体、低温射频线圈和低温梯度线圈分别放置在各自的真空室中，其他结构或系统与实施例一相同。

实施例五。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在同一个公共真空室内，其中所述低温射频线圈和低温梯度线圈热耦合到同一个公共散热器。

在该实施方式中，冷冻剂容器112是不需要的，系统冷却在不使用周围冷冻剂的情况下经由散热片110进行。制冷机第一级和第二级的温度由设计时的参数如超导磁体所用材料、采用的低温系统类型、热源或载荷等决定，例如，可分别为40K和20K、77K和40K或其他组合。因此，热屏蔽114的温度处于真空壁的77K和磁体线圈的低温之间，用于避免超导主磁体受到来自真空壁的热量。在一些实施方式中，热屏蔽可能不止一层或者可能不采用热屏蔽114方式。

实施例六。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述低温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈通过第二低温冷却系统进行冷却，所述低温梯度线圈通过第三低温冷却系统进行冷却。

如图3A所示，各超导线圈202均在各自的冷却室内由各自的低温冷却系统204进行冷却。主磁体线圈206由低温冷却系统208控制冷却以实现高温超导或低温超导特性。同理，梯度线圈210由低温冷却系统212控制冷却以实现高温超导或低温超导特性，射频线圈214由低温冷却系统216控制冷却以实现高温超导或低温超导特性。

实施例七。

一种液氮制冷的磁共振成像系统，该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料；所述高温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈和低温梯度线圈通过第二低温冷却系统进行冷却。

如图3C所示，梯度线圈和射频线圈238均在同一个冷却室进行冷却，主磁体线圈234由低温冷却系统236控制冷却以实现高温超导或低温超导特性并且各线圈234在各自的冷却室进行冷却。而梯度线圈和射频线圈238由公共低温冷却系统240控制冷却以实现高温超导或低温超导特性。

但这些实施方式仅为说明本实用新型原理所用，并非为本实用新型仅有实施方式，上述实施例并不应视为限制本实用新型的范围，本文中使用的各术语和措辞用于说明而非用于限制。本文中描述的特性或其部分内容中使用的术语和措辞并不排除其他等义描述。此外，本实用新型实践过程中可能不提供本文中描述的、或从公开内容引申的、和/或一些实施方式中实现的优点的其中一个或多个，本实用新型并不限定于本文所公开的实施方式。

Claims (20)

1.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在成像区域产生均匀磁场的高温超导主磁体，至少一个可在成像区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈，至少一个可收发成像区域内的射频信号的低温射频线圈，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述低温梯度线圈和低温射频线圈放置在至少一个真空室内，该真空室至少包含一面用于隔开成像区域与低温梯度线圈和低温射频线圈的非磁性非金属室壁。

2.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中至少一个射频线圈采用所述的低温导电材料或超导材料。

3.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温超导射频线圈均采用低温导电材料，即高温超导材料。

4.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：所述高温超导材料为铋锶钙铜氧化物（BSCCO）或钇钡铜氧（YBCO）制作而成的超导带材。

5.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述高温超导主磁体、低温梯度线圈及低温射频线圈至少一个或全部放置在由非磁性非金属室壁隔离出的一个公共真空室内。

6.根据权利要求5所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：所述公共真空室包括一个在所述共同真空室与检测区域之间的高真空室，所述高真空室有两面所述非磁性非金属室壁，第一面与第二面室壁间留有间隔。

7.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：所述真空室包含的第一真空室内放置所述低温梯度线圈，第一真空室与检测区域之间的第二真空室内放置所述低温射频线圈，室壁由检测区域与所述低温梯度线圈之间的第一道非磁性非金属室壁和检测区域与所述低温射频线圈之间的第二道非磁性非金属室壁组成。

8.根据权利要求7所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：所述真空室包括一个位于第二真空室和检测区域之间的高真空室，所述高真空室由所述第二面非磁性非金属室壁作为其第一面室壁，第三面非磁性非金属室壁与该第一面室壁间留有间隔。

9.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述高温超导主磁体为圆筒状，所述高温超导主磁体上设有作为所述检测区域的一个圆柱形空腔。

10.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个线圈阵列或一个既可发送也可接收的射频线圈。

11.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述的至少一个低温射频线圈包括一个射频发送线圈和一个射频接收线圈。

12.根据权利要求1所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述的至少一个低温梯度线圈包含至少三个低温梯度磁场线圈，用于分别提供三个正交方向上的磁场梯度，其中一个方向与检测区域内的均匀磁场方向一致。

13.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述至少一个低温射频线圈由所述冷却至77K时导电性比铜高的非超导材料制作而成。

14.根据权利要求13所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述的至少一个低温射频线圈为二维电子材料结构或碳纳米管结构。

15.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温主磁体放置在第一真空室内，所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在第二真空室中。

16.一种液氮制冷的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温超导主磁体、低温射频线圈和低温梯度线圈分别放置在各自的真空室中。

17.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述低温射频线圈和低温梯度线圈放置在同一个公共真空室内。

18.根据权利要求17所述的液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：其中所述低温射频线圈和低温梯度线圈热耦合到同一个公共散热器。

19.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜更高的一种非超导材料、一种超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈通过第二低温冷却系统进行冷却，所述低温梯度线圈通过第三低温冷却系统进行冷却。

20.一种液氮制冷的磁共振成像系统，其特征在于：该系统包括：一个可在检测区域产生均匀磁场的高温超导主磁体；至少一个可在检测区域内产生磁场梯度的低温梯度线圈；至少一个可收发检测区域内的射频信号的低温射频线圈，此低温射频线圈配置用于冷却，该系统包含至少以下一种材料：当冷却至77K温度时导电性比铜高的一种非超导材料、超导材料或低温导电材料，所述低温导电材料包括高温超导材料，所述高温超导主磁体通过第一低温冷却系统进行冷却，所述低温射频线圈和低温梯度线圈通过第二低温冷却系统进行冷却。

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