专利名称：核磁共振成像扫描器接收线圈的冷却的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于冷却物体，尤其是核磁共振成像扫描器中接收线圈的设备和方法。
核磁共振成像(MRI)是一强大的通用诊断技术，广泛用于大脑和人体的扫描。由于MRI是唯一可接受的获得脊骨和大脑等一定图象的方式，因此对MRI需求的增长超过了其供应，而且，MRI的灵活性使其具有新的应用，如干涉成像。另外，对使用以CT和其它X射线为基础的技术给病人和工作人员所带来的射线危害的关注也正在增加。
尽管MRI是一个强大的技术，所需要的设备却存在很多问题，如一台设备需要很高的资金费用，对于从基本到中等再到高等领域的扫描器，其价格在0.5到1百万英镑范围内。扫描器由于使用液氦和需要高素质的工作人员，例如放射线专家和技术人员，因此具有高的运行和操作费用，并且由于其使用磁边缘场，因此还具有很高的维护费用和很大的场地，另外由于使用很高的磁场，因此还具有与其它设备(如，生命支持和监控设备)的兼容问题。在一些病人和有局限的病人入口的情况下，有限的“病人入口”会导致幽闭恐怖症。
MRI依赖于核磁共振，其过分简单的涉及在磁场中校正氢核，利用射频脉冲来激发它们并探测一弱的射频(rf)信号该rf信号利用一“接收线圈”测得。这主要是一灵敏天线，在传统的MRI设备中，该天线通常是由如铜等金属制成，并且在室温(约300K)下操作。
为了使成像成为可能，信噪比(SNR)必须被提高到一可接受的水平。在传统扫描器中这是通过增加提高信号的磁场来实现的。磁场在成像区域还必须是均匀和稳定的。这导致使用高磁场(如1特斯拉或更高)的设备并且需要使用超导磁体。
本发明的方法和装置可以有利地被利用来冷却普通金属线圈，由此使普通金属接收天线的传导率增加并进而提高信噪比性能。然而，这与本发明期望最大化使用的冷却超导MRI接收线圈有关。
已经显示出降低铜接收线圈的温度提高了其敏感性，并且由于具有比铜低的阻抗使得使用超导接收线圈改善了进一步其敏感性。所谓高温超导(HTS)的发现使得将操作温度引入该领域中，进而变得可以经济适用地利用这种性能。HTS超导体具有在液氮温度77K以上的转变温度，例如YBa2Cu3Ox在92K下变成超导，(Bi，Pb)2Sr2Ca3Cu3Ox在105K下具有超导，TlBa2Ca2Cu3Ox在115K下具有转变，HgBa2Ca2Cu3Ox在135K和加压下具有转变。这些材料因此可以在液氮温度下使用。已经利用本液氮冷却的HTS接收线圈进行成像，并且在A S Hall，NAlford，T W Button，D J Gilderadale，K A Gehring，J R Young的文章“高温超导体在核磁共振成像的接收线圈中的使用”(Magnetic Resonance in Medicine 20，pps.340-343，1991)有记载。利用如液氮等液体制冷剂来冷却线圈。在一些情况下是会缺点的，如在远程区域，在常规基础上获得液体制冷剂是有问题的。
我们已经设计出完全避免需要使用液体制冷剂和利用紧凑制冷机来冷却接收线圈的装置。使用制冷机必须克服几个问题，因为在常规操作中是直接将需被冷却的物体放置在冷却头上，将防辐射罩放置在该物体上方来防止热损失，随后将真空夹套放置在组件上方，然后将所述物体冷却到绝对零度上的几度。
然而，由于接收线圈不能直接放置在冷却头的上方，因此一起使用接收线圈是不可能的，这是因为冷却器的金属构造会干涉用于产生图象中非自然信号或NMR信号的信号。同样不可能使用封闭的防辐射罩，因为NMR信号不能被接收线圈探测，这意味着，一起使用冷却器和接收线圈的话，接收线圈将必须放置成离冷却头一定距离；准确的距离依赖于例如线圈尺寸、形状、本底磁场等几个因素。为了克服在距离冷却头一定距离处冷却接收线圈的问题，由于铁金属被磁场吸引，所以铁金属热导体不能使用，而且即使非铁金属不被磁场吸引，但是由于在金属内产生的感应电流将干涉信号，所以也不能使用非铁金属。
我们已经发现，导热的非金属复合物可以用作热导体，来克服上述问题。
根据本发明，设有用于冷却如核磁共振成像装置中接收线圈等物体的装置，该装置包括一个制冷单元，该制冷单元包括一个冷却头，一个由导热非金属复合物制成的热导体，该热导体是与冷却头热接触的，其中设有用于使热导体与要被冷却的物体热接触的装置。
使用中，制冷单元被操作，从而冷却头被冷却到需要的温度，并且将热导体放置成与冷却头和接收线圈热接触，由此来冷却接收线圈。
本发明还提供了一种冷却MRI设备中接收线圈的方法，其中该方法中，利用冷却头操作制冷单元来冷却冷却头，非金属热导体放置成与冷却头和接收线圈热接触，由此来冷却接收线圈。
可以使用在制冷单元中的冷却头包括传统的冷却器，如斯特灵(Stirling)循环冷却器、Gifford McMahon冷却器或脉冲管冷却器等。这些冷却器包括一个与再生器相连的置换器，并且有时是指再生冷却器。置换器在制冷机的热端和冷端之间循环气体(如氦)并保持与由振动活塞产生的振动压力的合适相位关系(Thomas P Sheahen的“高温超导的介绍”，Plenum出版，1994 ISBN 0-306-4793-2)。最终结果是这冷却了冷却器的冷却头。不排除使用热电冷却器，但是它们的基础温度比上面描述的再生冷却器高很多。
热导体可以由导热非金属复合物形成，如热导陶瓷。热导体可以由公知的高热导率的非金属复合物形成，如烧结陶瓷形式或单晶形式的氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳化硅。优选地，该复合物具有至少10W/m.K的导热性，最好是在室温(300K)的30W/m.K。
一般，这样的复合物最好是相当纯(少于5％杂质)，因为，在这些复合物中的杂质对其导热性有有害影响。
也应该注意到，在感兴趣的温度下，即例如100K以下的低温温度下，许多材料的导热性远远大于其室温下的导热性。
所以，例如，在表1中示出了烧结陶瓷材料的导热性(从Y.S.Toulakian和E.H.Buyco的“非金属固体的比热”中摘录，Thermophysical properties of matter volume 5.IFI/PlenumNew York，Washington 1970)
优选的，接收线圈连接在热导体的一个杆上，该杆又连在封闭循环冷却器的冷却头上。杆足够长来防止金属冷却头和冷却体干涉MRI信号。为了防止射线损失，接收线圈封装在一个绝缘体中，如薄金属化的聚酯薄膜(Mylar)，也就是所谓超绝缘。
本发明使得MRI接收线圈被冷却到低温，用来提高MRI扫描器的性能，从而使得无需液体制冷剂即可使用低强度磁场能。
在附图
中示出的本发明示出了本发明的一个实施例。
参照附图，例如斯特灵循环冷却器的封闭循环冷却器具有一个被冷却器冷却的冷却头2。一个导热的非金属杆3连接在冷却头2。被冷却的物体，如接收线圈，连接在所述杆3上。冷却头、热导杆和被冷却的物体被真空夹套5包围。
在使用中，操作冷却器1来冷却冷却头2，随后利用杆3来冷却物体4。甚至在非常强的MRI相关磁场中，也可以有效地操作接收线圈。
本发明进一步在例子中被描述。
例子例1氧化铝的杆长度为150mm，直径为25mm，连接在斯特灵循环冷却器的冷却头上。接收线圈由超导YBa2Cu3Ox材料构成，被沉积在3摩尔百分比的Y-稳定氧化锆的100mm×100mm×1mm平方基片上。基片放置在密的杂质＜5％的氧化铝杆的顶部上。基片利用5瓦的冷却功率获得70K的温度。这足以将超导冷却到其超导转换温度以下。
例2与例1的过程相同，除了基片是由氧化铝组成的100mm×100mm×1mm平方基片。而且，基片获得的温度低于70K。
例3与例2中相同的过程施加在由氧化铝组成的基片上，在基片上印有银线圈。达到的温度低于70K。
例4与例2中相同的过程施加在由聚合电路板材料组成的25mm×25mm×1mm平方基片上，在基片上印有铜线圈。获得的温度低于70K。
权利要求
1.一种用于冷却物体的设备，该设备包括制冷单元，该制冷单元包括一冷却头、由导热非金属复合物形成的热导体，该热导体是与冷却头热接触的，并且该设备设有一个用于使热导体与所述物体热接触的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述物体是核磁共振成像装置的接收线圈。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述接收线圈是由高温超导体制成。
4.如权利要求2所述的设备，其特征在于，所述接收线圈是由YBa2Cu3Ox制成。
5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其特征在于，所述制冷单元包括一个斯特灵循环冷却器，Gifford McMahon冷却器，脉冲管冷却器或热电冷却器。
6.如权利要求1-5任一项所述的设备，其特征在于，所述热导体是由热导陶瓷形成，其导热性至少为10W/m.K，优选为在300K下至少为30W/m.K。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述热导体由烧结陶瓷形式的或单晶形式的氮化铝、氧化铝、氧化铍、氧化镁、碳化硅制成。
8.一种MRI扫描器的接收线圈的冷却方法，在该方法中，操作带有冷却头的制冷单元来冷却冷却头，将非金属热导体放置成与冷却头和接收线圈热接触，由此来冷却接收线圈。
全文摘要
一种用于将MRI扫描器中HTS接收线圈(4)冷却到低于HTS转变温度以下的设备，该设备包括例如斯特灵冷却器(1)的制冷单元，该制冷单元的冷却头(2)利用非金属热导体杆(3)连接在接收线圈(4)上。
文档编号A61B5/055GK1476525SQ01819334
公开日2004年2月18日 申请日期2001年10月25日 优先权日2000年10月26日
发明者尼尔·M·奥尔福德, 尼尔 M 奥尔福德 申请人:南岸大学企业有限公司