DE4408874A1

DE4408874A1 - Supraleitender Magnet für Magnetresonanzsysteme

Info

Publication number: DE4408874A1
Application number: DE4408874A
Authority: DE
Inventors: Alex Palkovich; John Bird; Neil Clarke
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1993-03-18
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1994-09-22
Also published as: US5551243A; GB2276228B; GB9305600D0; GB2276228A; IL108953A0

Description

Die Erfindung betrifft Magnetresonanz-Diagnostik-Abbildungs vorrichtungen, und insbesondere kryogenische Magnetsysteme zur Verwendung in derartigen Abbildungsvorrichtungen.

Supraleitende Magnetsysteme werden in vielen bekannten Diagnostik-Magnetresonanz-Abbildungsvorrichtungen verwendet. Typischerweise bestehen diese Magneten aus einer supraleiten den Spule, die in ein Bad aus flüssigem Helium eingetaucht ist, um eine niedrige Temperatur von 4,2°K aufrecht zu erhalten. Eines der Probleme, die bei mit flüssigem Helium gekühlten Systemen auftreten, besteht darin, daß die niedrige Temperatur durch das Verdampfen des flüssigen Heliums aufrecht erhalten wird, das auftritt, wenn die Temperatur den Wert von 4,2°K erreicht. Aufgrund des Verdampfens muß das Helium in kürzeren Abständen ersetzt werden. Damit ist ein kostspieliges und mühsames Nachfüllen des Heliums nach verhältnismäßig kurzen Zeitperioden erforderlich.

Um die Wärmeeinflüsse auf die Heliumflüssigkeit bei Raumtem peratur zu reduzieren, wird das Bad von einer Vakuumkammer umschlossen. Um die Wärme weiter zu verringern, werden typischerweise ein oder mehrere Wärmeabschirmungen (üblicher weise zwei) in den Vakuumraum so eingesetzt, daß sie das Bad flüssigen Heliums vollständig umschließen. Das Bad, die Wärmeabschirmungen und die Vakuumkammer werden durch ver schiedene Abstützungen mit niedriger thermischer Leitfähig keit konzentrisch gehalten, ohne daß sie sich gegenseitig berühren. Beim Stand der Technik werden zwei Wärmeabschirmun gen verwendet, die gekühlt werden, um die Verluste an flüssigem Helium weiter herabzusetzen, indem Niedertempera tur-Kühlsysteme verwendet werden, die nach einem Gifford McMahon-Zyklus, Stirling-Zyklus oder einem anderen thermo dynamischen Zyklus arbeiten. Die Betriebstemperatur dieser Abschirmungen im statischen Zustand wird durch den Wärmeab gleich zwischen der Kühlenergie der Kühlvorrichtung und der Wärme, die durch Konduktion und Strahlung an die Abschirmun gen gelangt, geregelt.

Bei einem einwandfrei ausgelegten MRI-Magnet kann ein typischer Niedertemperatur-Kühler mehr Kühlenergie liefern als zur Verringerung des Verdampfens des Heliums erforderlich ist. Dies ist deshalb der Fall, weil dann, wenn die dem Helium am nächsten liegende Abschirmung unter 20°K gekühlt wird, eine weitere Kühlung nicht mehr notwendig ist. Es reicht aus, sicherzustellen, daß die Temperatur der Abschir mungen nicht über 20°K ansteigt. Ein Abkühlen der Temperatur der Abschirmungen auf 20°K anstatt auf 10°K trägt überra schenderweise zu der Erhöhung der Lebensdauer der Kühlvor richtung bei. Wenn die Kühlvorrichtung mit einer kleineren Anzahl von Zyklen pro Sekunde mit geringer Kühlung arbeitet, nutzen sich die sich bewegenden Teile der Kühlvorrichtung weniger schnell ab, so daß die Wartungsintervalle für die Kühlvorrichtung verlängert werden können.

Es besteht jedoch ein Problem in Verbindung mit Strahlungs abschirmungen, nämlich das Auftreten von Wirbelströmen in den Abschirmungen. Diese Wirbelströme werden durch gepulste Magnetfelder während der Bilderfassungsvorgänge aufgebaut. Die Gradientenfelder werden normalerweise so verändert, daß diese Wirbelströme und das sie erzeugende Magnetfeld kompen siert werden. Da jedoch die arbeitenden Teile der Kühlvor richtung sich mit der Zeit abnutzen, nimmt die Kühlleistung der Kühlvorrichtung ab, und die Temperatur der Abschirmung steigt an. Ändert sich die Temperatur der Abschirmung, ändert sich ihr elektrischer Widerstand, wodurch die Höhe der Wirbelströme sich ändert. Dies ergibt eine ungenaue Kompen sation, was zu einer Verringerung der Bildqualität führt. Deshalb ist eine Wartung der Kühlvorrichtung erforderlich, oder die Wirbelstromkompensation macht eine erneute Eichung notwendig.

In beiden Fällen ist es notwendig, das Magnetresonanzsystem außer Betrieb zu nehmen und die Arbeitszeit einer qualifi zierten Person in Anspruch zu nehmen, was sowohl einen finanziellen als einen zeitlichen Aufwand bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es, die vorgenannten Probleme, die bei Strahlungsabschirmungen auftreten, zu lösen.

Gemäß der Erfindung wird ein verbessertes kryogenisches Magnetsystem zur Verwendung für Magnetresonanz-Diagnostik- Abbildungsvorrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch einen Elektromag neten, der in einen ein Flüssiggas enthaltenden Tank einge taucht ist, wobei der Tank in einem evakuierten Behälter angeordnet ist, ein Kühlsystem außerhalb des Tanks, minde stens eine Strahlungsabschirmung, die den Tank umgibt, und ein Temperatursteuergerät zur Aufrechterhaltung einer konstanten, optimalen Temperatur an mindestens einer Strah lungsabschirmung, wobei das Temperatursteuergerät Sensoren an mindestens einer Strahlungsabschirmung, die nachstehend als "Abschirmung" bezeichnet wird, aufweist.

Eine Ausführungsform der Erfindung weist eine elektrische Heizvorrichtung auf, die die Temperatur der Abschirmung erhöht, so daß dann, wenn die Kühlleistung der Kühlvorrich tung abnimmt, die Aufheizung der Abschirmungen so verringert wird, daß die Strahlungsabschirmungen auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Die konstante Temperatur der Abschirmung wird durch Verwendung von Temperatursensoren, die an den Abschirmungen befestigt sind, und ein Steuer system, das von Hand oder über eine Rückkopplungsschleife arbeitet, aufrecht erhalten. Die Steuerung wird durch Veränderung des elektrischen Stromes an die Heizvorrichtung erzielt. Wird die Temperatur der Abschirmung konstant gehalten, wird das Entstehen von Wirbelströmen verhindert, die ohne Reparieren des Kühlsystems der Kühlvorrichtung oder erneutes Eichen der Wirbelstromkompensation nicht kompensiert werden kann.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Kühlleistung des Kühlsystems direkt gesteuert. Die Kühlleist ung der Niedertemperatur-Kühlvorrichtung wird durch den thermodynamischen Wirkungsgrad geregelt, mit dem der Kühl zyklus durchgeführt wird, ferner durch die Frequenz, mit der der Zyklus wiederholt wird. Da Kühlsysteme üblicherweise über eine höhere Kühlleistung verfügen als zum Kühlen der Strah lungsabschirmungen erforderlich sind, ist es möglich, anfangs das Kühlsystem mit einer niedrigen Zyklusfrequenz zu betrei ben, so daß die volle Kühlsystemkapazität nicht benötigt wird. Wenn die Kühlleistung der Kühlvorrichtung abnimmt, wird die Frequenz des Kühlzyklus vergrößert, so daß an den Abschirmungen eine konstante Temperatur aufrecht erhalten wird. In diesem Fall ist die optimale Temperatur die höchste Temperatur, die den Verdampfungspunkt des verflüssigten Gases nicht erhöht. Bei dieser Temperatur ist die Abnützung beweglicher Teile am geringsten, und die Zeitdauer, über die eine konstante Temperatur aufrecht erhalten werden kann, ohne daß eine Wartung des Systems notwendig ist, ist dabei am längsten.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine typische Ausbildung eines supraleitenden MRI-Magneten,

Fig. 2 eine typische Ausführungsform eines bekannten Magneten, bei dem die Verwendung zwischen dem Kühlsystem und den Abschirmungen dargestellt ist,

Fig. 3 eine erste Ausführungsform nach der Erfindung, und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen typischen supraleitenden MRI-Magneten 10. Das Magnetsystem weist eine Vakuumkammer 11 auf. An der Vakuumkammer ist eine Flüssighelium- Gasbelüftung vorgesehen, die auch als Flüssighelium-Nachfüll- und Energiezuführöffnung 12 verwendet wird. Der Patient oder Gegenstand wird in die Bohrung 13 eingesetzt. Die Spule 17 des supraleitenden Magneten ist in ein Flüssigkeitsgefäß 16 eingetaucht, das üblicherweise mit Helium gefüllt ist. Das Flüssigkeitsgefäß ist von einer Vakuumkammer 18 umgeben, die vorzugsweise von zwei Strahlungsabschirmungen 14 und 15 umschlossen ist. Vorrichtungen zum Kühlen der Strahlungsabschirmungen sind durch ein externes Kühlsystem vorgesehen, das mit einer Öffnung 19 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine typische Ausführungsform einer Verbindung zwischen der Öffnung 19 für die externe Kühlvorrichtung 20 und den Abschirmungen 14 und 15, wie sie dem Stand der Technik entspricht. Das Kühlsystem ist mit den Abschirmungen über flexible, thermisch leitende Zwischenglieder 23 verbun den, so daß zwei Kühlstufen 21 und 22 gebildet werden.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform nach der Erfindung. Um eine optimale und konstante Temperatur der Abschirmungen 14 und 15 aufrecht zu erhalten, ist eine elektrische Heizvor richtung 24 vorgesehen, die die Temperatur der Abschirmungen trotz des externen Kühlers erhöht. Die Verbindungsleitungen 25 der Heizvorrichtungen verlaufen in den Vakuumraum über eine spezielle Abdichtung 26. Mit der Zeit nimmt die Kühl leistung des Kühlsystems ab und die Temperatur der Abschir mung nimmt zu. Temperaturfühler 27, die an den Abschirmungen befestigt sind, zeigen die Temperaturerhöhung an; um die Temperatur der Abschirmungen konstant zu halten, verringern sie die Heizleistung der elektrischen Heizvorrichtung dadurch, daß der in die Heizvorrichtung eingespeiste Strom verringert wird. Dies ergibt eine konstante Temperatur, die an den Abschirmungen aufrecht erhalten wird.

Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform wird ähnlich wie die erste zur Aufrechterhal tung einer konstanten, optimalen Temperatur der Abschirmungen verwendet. Temperaturfühler 27 sind an den Abschirmungen 14 und 15 befestigt, um irgendwelche Temperaturänderungen anzuzeigen, die durch die Abnahme der Kühlleistung der Kühlsysteme entstehen, wenn deren Teile abgenutzt sind. Wenn die Temperaturfühler 27 eine Erhöhung der Temperatur der Abschirmung anzeigen, wird die Kühlleistung der Kühlvorrich tung erhöht, so daß eine konstante Temperatur der Strahlungs abschirmungen aufrecht erhalten wird. Die Kühltemperatur wird durch Erhöhen der Frequenz unter Verwendung der Steuereinheit 28 wiederholt. Dies ergibt eine konstante Temperatur, die solange wie möglich aufrecht erhalten wird, um die Frequenz zu erhöhen, mit der der Kühlzyklus im gleichen Ausmaß wiederholt wird, wie die Kühlleistung des Kühlers abnimmt. Schließlich müssen die sich bewegenden Teile der Kühlvorrich tung gewartet werden. Das heißt, wenn das Betriebsverhalten der Kühlvorrichtung nicht mehr durch Erhöhung der Frequenz und/oder einer erneuten Eichung der Wirbelstromkompensation kompensiert werden kann. Eine derartige Wartung kann jedoch mit der Einrichtung nach vorliegender Erfindung erheblich hinausgeschoben werden.

Claims

1. Kryogenisches supraleitendes Magnetsystem zur Verwendung in Magnetresonanzvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein kryogenischer supraleitender Elektromagnet (17) in ein ein verflüssigtes Gas enthaltendes Gefäß (16) eingetaucht ist,
b) das Gefäß (16) in einem Vakuumbehälter (18) befestigt ist,
c) mindestens eine Wärmestrahlungsabschirmvorrichtung (14, 15) das Gefäß (16) im Vakuumbehälter (18) umgibt,
d) ein Kühlsystem (20) außerhalb des Vakuumbehälters (18) angeordnet ist, und
e) eine Temperatursteuervorrichtung (27) vorgesehen ist, die an der mindestens einen Wärmestrahlungsabschirmung (14, 15) eine konstante Temperatur aufrecht erhält.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur Temperaturfühler (27) aufweist, die an der mindestens einen Strahlungsabschirmung (14, 15) zur Einstellung der Temperatur der Abschirmung befestigt sind.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer konstanten Temperatur Temperaturfühler (27) aufweist, die an der mindestens einen Strahlungsabschirmung (14, 15) befestigt sind, und daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur eine Rückkopplungsschleife auf weist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur eine Vorrichtung zum Aufheizen der Strahlungs abschirmungen besitzt.

5. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur eine Vorrichtung zur Steuerung der Kühlleist ung des Kühlsystems auf direktem Wege, nämlich durch Änderung des Kühlzyklus des Kühlsystems aufweist.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur eine Vorrichtung aufweist, die die Kühlleist ung des Kühlsystems direkt steuert, indem die Frequenz verändert wird, mit der der Kühlzyklus bei einer Rück kopplungsschleife auftritt.

7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Tempertatur eine elektrische Heizvorrichtung aufweist, die mit der mindestens einen Strahlungsabschirmung gekoppelt ist.

8. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung der Temperatur der Abschirmung eine Vorrichtung zur Änderung des elektri schen Stromes aufweist, der durch die mindestens eine Strahlungsabschirmung geführt wird, so daß eine Konstant temperatur beibehalten wird, selbst wenn die Kühlleistung des Kühlsystems abnimmt.

9. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur Temperaturfühler (27), die an den Strahlungs abschirmungen (14, 15) befestigt sind, eine Vorrichtung zur Einstellung der Temperatur der Abschirmung, und eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur der Abschirmung über eine Rückkopplungsschleife, die von den Temperatur fühlern gesteuert wird, aufweist, und daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstantem Temperatur eine Vorrichtung zur Steuerung der Kühlleistung des Kühlsyst ems über eine Rückkopplungsschleife enthält.

10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der mindestens einen Strahlungsabschirmung eine elektrische Heizvorrichtung (24) zur weiteren Steuerung der Temperatur der Strahlungsabschirmungen aufweist.

11. Verfahren zur Steuerung der Temperatur einer Wärmeab schirmung, um eine Konstanttemperatur der Abschirmung aufrecht zu erhalten, damit die Bildqualität verbessert und die Notwendigkeit einer Reparatur bzw. Störungsbehe bung eines Kühlsystems in einem kryogenischen supralei tenden Magneten unter Verwendung der Wärmeabschirmung verzögert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatur fühler an der Abschirmung vorgesehen sind, die die Temperatur an der Abschirmung überwachen und die Kühlenergie des Kühlsystems über eine Rückkopplungs schleife aus Temperatursensoren gesteuert wird, indem die Frequenz verändert wird, mit der der Kühlzyklus des Kühlsystems auftritt.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanttemperatur die höchste Temperatur ist, die den Verdampfungspunkt des ersten verflüssigten Gases nicht erhöht.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstanttemperatur um 20°K niedriger ist als die Originaltemperatur.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsverfahren die Schritte des Aufrechterhal tens einer Konstanttemperatur der Wärmeabschirmung dadurch aufrecht erhalten, daß der der Heizvorrichtung zum Aufheizen der Abschirmung zugeführte Strom gesteuert wird, um eine Wärmereduzierung an der Heizvorrichtung zu ermöglichen, wenn die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung abnimmt, um eine optimale Temperatur der Wärmeabschirmun gen aufrecht zu erhalten, wobei die Temperatur die optimale Temperatur ist, die das Verdampfen eines verflüssigten Gases, wie es bei dem kryogenischen supraleitenden Magneten verwendet wird, nicht erhöht, während die Notwendigkeit zur Wartung des Kühlsystems und das erneute Eichen zum Kompensieren von Wirbel strömen in der Abschirmung verzögert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermethoden ferner den Schritt des Steuerns der Kühlleistung des Kühlmittelsystems einschließen, indem die Frequenz verändert wird, mit der der Kühlzyklus auftritt, so daß dann, wenn die Kühlwirkung des Kühlsy stems abnimmt, der Kühlzyklus vergrößert wird, um eine konstante optimale Temperatur der Abschirmungen aufrecht erhalten, wobei diese Temperatur die optimale Temperatur ist, die das Verdampfen des verflüssigten Gases nicht erhöht, während die Notwendigkeit für die Wartung des Kühlsystems und Probleme in Verbindung mit Wirbel strömen verzögert werden.