专利名称：电绝缘和振动声学性能的材料的制作方法
电绝缘和振动声学性能的材料
图1示出工作中的公知的MRI (磁共振成像)系统10的部分横截 面图。场磁铁12和具有边缘部分17的梯度线圈14在成像区域15中 提供均匀的磁场。RF线團16产生高能RF场，如MRI操作所要求的那 样。覆盖部18覆盖RF线圈16、梯度线圈14和场磁铁12。还可以设 置病床19，该病床19为患者20提供支撑。患者可接触到覆盖部18。 例如，让手臂在病床旁边摇摆，患者20可以接触到该覆盖部。间隙22 通常存在于RF线團16与覆盖部18之间。MRI系统可以是圆柱体状的， 其中患者处于该圓柱体的中间。覆盖部18然后形成圆柱内表面，用于 容纳患者。在这种情况下，覆盖部可被称为患者内腔套管(patient bore liner)。间隙22中的气压可被减小到1 - 100毫巴，以便减小 声波噪声从电磁铁线團12、 14、 16到患者20的传递。本发明涉及在局部真空中的任意高压高频源与接近该高压高频源 的人体或动物体之间的击穿。该局部真空用于减小声波噪声传递，但 是该局部真空具有不期望的副作用，即减小从电磁铁线圈到覆盖部的击穿电压。图2示出图1的系统沿线II - II的部分横截面图。现在考虑图2 的结构的电特性。由于人体的特性，患者20可被认为是电接地。RF 线圏16产生高压高频信号，该高压高频信号跨越间隙22和覆盖部18 到达患者20处的地。在本申请人的现有产品之一上执行的模拟说明梯度线圈14与覆盖 部18的内部之间的RF电击穿，申请人的现有产品之一包括高频高压 RF线圏。该模拟基于图1中所示的装置。由该模拟导出一电容性模型， 以描述该系统在击穿情况下的操作。防止间隙22两端的任何电压击穿是重要的，因为这种击穿会导致 从RF线團16到患者20形成高压高频RF能量的电弧。在某些MRI系 统中，RF功率可以达到超过15kW的值。形成到患者的这种功率级的弧 会造成伤害。考虑到稳态下的电压分布，该高压高频电压VRF被分成 间隙22两端的电压降Vg和覆盖部18的材料两端的电压降Vs。患者 20是导电的并且处于假定的地电压，使得VRF-Vg + Vs。 Vs和Vg的
相对值根据对应层的相应电容Cs、 Cg的倒数的比率来确定。在某些公 知的装置中，已经发现，70%的RF电压由间隙22来承受，而30%由 覆盖部的材料来承受。图4示出表示如被用于上述模拟的电容性模型的示意图。在图4 中，Cl表示RF线圈16之间的电容；C2和C3表示在该设备的相应端 上的梯度线圏14与覆盖部18之间的间隙22的电容；C4表示覆盖部 18的暴露到间隙22的表面的表面电容；C6和C7表示在该设备的相应 端上的覆盖部18的材料的电容；以及C5表示覆盖部18的朝向患者20 的表面的表面电容。当患者没有与覆盖部18接触时，该模型假设该设备对称，以致C2 =C3， C4 = C5以及C6-C7。当患者与覆盖部18接触时，不再保持对 称。电容C5降为零，因为患者提供与覆盖部18的表面处于良好的电 接触的电阻性路径。这种状态下的模型在图5中示出。当患者在适当 的位置时，间隙22的电容C2、 C3以及覆盖部18的材料的电容C6、 C7在限定间隙22两端的电压Vg(图2)中变得非常重要。在这种情况 下，总电压VRF中的在间隙22两端产生的部分(proportion) Vg与 间隙两端的距离dg成比例。这是从以下事实得出的，即间隙两端的电 容Cg与间隙尺寸dg的增加成比例地减小。为了减小在高压高频源(RF 线圏16)与患者之间发生电压击穿的可能性，总电压VRF中的在间隙 两端产生的部分Vg必须减小，和/或总电压VRF中的在覆盖部两端产 生的部分Vs必须增加。间隙尺寸减小间隙两端的电压V g并且从而减小在间隙两端发生电压击穿的 可能性的一种方式是通过减小间隙两端的距离dg来增加间隙两端的电容。覆盖部材料的介电常数等于(VRF-Vs)的间隙22两端的电压Vg可被视为与覆盖部18 的厚度ds相反地变化，并且与覆盖部18的材料的相对介电常数"s 成比例地变化。这是从以下事实得出的，即间隙两端的电容Cg与e" 成比例地增加；而覆盖部两端的电容Cs与厚度ds的增加成比例地减 小。在实施例中，e"大约为4。因此，应当被最小化的间隙22两端的电压Vg满足以下关系式VgrocEra.dgr/ds为了实现最小Vg，必须最小化s"，即最小化覆盖部18的材料的 相对介电常数，同时减小间隙的厚度dg和/或增加覆盖部18的材料的 厚度ds。气压和间隙厚度-帕邢(Paschen)定律影响介质的电击穿电压的另一方面是介质的电气强度。帕邢定律 规定，针对气体中的电极之间的放电的击穿电压是气体压力和电极间 的距离的乘积(pd)的函数。该函数对于空气而言的最小值为pd= 0. 55 Torr cm ( 0. 733Nm_1)，从而表示在相隔0. 01m的电极之间的击穿电 压为352V。在帕邢定律的一个表达式中，空气中的间隙的击穿电压Vbg 由下式给出A - 6.72/(pd) + 24.36(pd) kV 。由于希望增加间隙两端的击穿电压，因此希望减小在间隙两端发生电 压击穿的可能性，所以必须避免在帕邢最小值处进行操作。在压力距 离乘积(pd)高于或者低于帕邢最小值的压力距离乘积时的操作将提 供提高的抗击穿性。在公知的MRI系统中，间隙22中的空气或者其他气体通常在非常 低的压力下，但是该压力高于帕邢最小值。这将从利用大气压下的空 气填充的等效间隙的击穿电压降低间隙22的击穿电压。由于该间隙通 常包含低于大气压的空气，所以有电击穿的风险。增加间隙中的气压 是有利的，因为本发明旨在减小在间隙22两端发生电击穿的风险。然 而，这不是实际建议，因为通过间隙的声波噪声传递会增加。对于本发明所考虑的系统的实例，在压力为75Torr ( 10000 Nm2) 的空气中的0. 005m的间隙给出大约为2. 8kV的击穿电压，该间隙的压 力距离乘积pd为37.5Torr cm (50 NnT1)。这也高于帕邢最小值。 给出为507 Nm^的压力距离乘积pd，填充有大气压下的空气的相同间 隙会具有大约16. 9kV的击穿电压；相对于低压间隙的击穿电压，这是 显著的提高。在另一方面，如果间隙中的气压减小，则从MRI系统IO传递到患 者20的声波噪声会更少。减小压力的气体比声音的传递机制更没有效 率。由于患者20可被封闭在相对小的圆柱形封闭体中，所以减小患者 听到的声波噪声是很重要的，因为当患者被容纳在圆柱形封闭体中
时，高棒别的声波噪声会增加患者的紧张感。然而，间隙22中的减小 的气压会导致间隙两端的击穿电压更低。因此，对于间隙22中的气压有相矛盾的要求。对于减小声波噪声 传递期望减小的压力，而为了增加间隙的击穿电压期望增加的压力。覆盖部材料的电抗间隙22的电击穿实际上会在高压高频源(RF线围16)与患者20 之间提供电阻性路径。这对于患者是有害的。通过将高压高频源(RF 线圏16)与患者之间的连接限制为电容性连接，消除该风险。本发明 旨在减小在高压高频源(RF线團16)与患者20之间建立电阻性路径 的可能性。为了进一步减小总电压VRF中的在间隙22两端的部分Vg，可以增 加保持在覆盖部18的材料两端的部分Vs。这可以通过提供较高电抗X 的覆盖部18的材料来实现。发明内容本发明旨在提供一种覆盖部以及一种用于制造覆盖部的材料，该 覆盖部和该材料具有比公知的装置的电抗高很多的电抗X。该材料可被用来制造用于可接近人或者动物的高频高压源的任何覆盖部。特别是，本发明旨在通过经过一个或多个上述效果使材料和结构 适应来增加MRI或者NMR系统中的RF线圏与患者之间的击穿电压。本发明还旨在提供用于覆盖部18以及将人或者动物与高频高压源 隔开的其他保护性覆盖部的材料，该材料带有电压VRF中的在其本身 两端的较高部分Vs，因此减小间隙22两端的部分Vg并且减小在间隙 两端发生电压击穿的可能性。因此，本发明提供如在随附的权利要求中所述的材料和结构。 在本发明的某些实施例中，提供一种用于NMR或者MRI系统的覆 盖部和覆盖部的材料，其被阻止来最小化空气传播的噪声的传递；其 具有足够的机械强度，以承受大气压到真空的静负载；其具有足够的 电特性，以抑制RF能量在间隙中的击穿和击穿患者；其最小化RF系 统上的负载；其是可透过RF的；以及符合相关防火等级。该机械负载 能力必须至少匹配病床上的最大额定负载，该机械负载能力通常被设 定为预期最大患者重量的四倍，例如为800kg或者lOOOOONnT2。参照附图，结合仅作为实例给出的某些实施例，将进一步阐述本 发明的上述和其他目的、特征和优点，其中 图1示出公知的MRI系统的部分横截面图； 图2示出图1的系统的部分橫截面图； 图3示出根据本发明的实施例的材料/结构的横截面图； 图4示出用于模拟图1的系统的电气特性的电容性模型；以及 图5示出适应于模拟患者存在于MRI系统中的图4的电容性模型。 为了减小高频高压能量源与患者20之间的电压击穿的可能性，本发明采用以下技术中的某些技术，这些技术在上面被确定为是有潜在效用的-减小间隙尺寸dg;-增加覆盖部的厚度ds;-最小化覆盖部材料的相对介电常数s ";-增加覆盖部材料的电抗X;-增加间隙中的气压。与该最后 一种技术相矛盾的是减小到患者的噪声传递的要求，该 要求可通过降低间隙中的气压来实现。图3示出根据本发明的实施例的用于构造MRI系统中的覆盖部的 材料30的横截面图。这种材料能用于制造将人或者动物与高压高频源 隔开的任何覆盖部。这对于在部分真空中容纳这种源的封闭体是特别 有利的。以第一材料设置盘形元件32。以第二材料设置多孔覆盖部34。 第一和第二材料可以是相同的材料。第二材料的多孔性可以通过覆盖 部中的气孔或者小孔36来提供。该盘和覆盖部限定封闭腔38。该封闭 腔38可以容纳不导电材料制成的薄片39。为了获得对患者20或者其他人或者动物的所要求的保护，必须设 置如图3中所示的单个盘形结构，从而覆盖整个感兴趣的区域。在本发明的实施例中，盘32和覆盖部34可以由阻燃材料制成， 从而满足相关阻燃要求，例如满足ULVO标准。图3的材料通过容纳腔38而与用于制造覆盖部的简单的现有技术 材料(例如玻璃纤维加强树脂)形成对比。该腔可以用大气压下的空 气进行填充，因为覆盖部34具有多孔性36。空气填充的腔38提供比 固体材料或者用降低的压力下的气体填充的等效腔高的击穿电压。该 材料可被构造成多层32、 34，层32、 34中的每层的厚度均大约为现
有技术的固体材料的厚度的一半。然而，提供一层稍微厚于另一层的层32、 34是有利的，以减小材料进入声共振状态的机会。尽管如此， 本发明的材料仍然强得足以用作结构性材料。空气填充的结构30 (可选地具有位于腔38中的不导电薄片39的 层)防止从高频高压源(RF线圏16)到患者20建立电阻性路径。仅 在结构30发生电压击穿的情况下才会出现到患者的电阻性路径。对于 图3的结构所选的材料应可透过感兴趣频率的RF信号，并且应当优选 地轻便，以易于处理和拆卸。盘32具有通常大小为3 — 4mm壁厚，还具有lmm厚的顶盖34和 2mm深的腔38。本发明人已发现，提供具有这种大小的本发明的结构 30的电击穿所要求的电压在9 — 17kV的数量级，这与之前已被用作覆 盖部18的材料的玻璃纤维加强树脂的固体层的击穿电压相比非常有 利。盘32提供的机械强度足以使其用作真空室。覆盖部34优选地提 供合意的覆盖部的表面抛光，以及增加整个结构的结构刚度。在盘内 可放置一系列薄片39。这些薄片39是不导电的并且分解了盘内的空 间，以通过用作隔板来提供声阻尼。该覆盖部34是多孔体36。这意味 着，容纳薄片39的腔38在大气压下。这增加了该结构两端的击穿电 压。这些薄片可以是MYLAI^聚酯薄膜制成的薄片。这些薄片可以通过 诸如杆或者滤网之类的隔离体来保持分开。这些薄片可以成波状或者 以其它方式构造来提供隔离。在可替换的实施例中，腔38可用开孔泡 沫来将薄片保持分开。在实例实施例中，其中具有盘32和覆盖部34，该盘32具有4mm 厚的玻璃纤维加强树脂壁并且覆盖部34也具有4迈m厚的玻璃纤维加强 树脂壁，每种材料的5" = 4，以及在腔38中具有四个MYLAI^聚酯薄 膜薄片39，产生电容链，从而提供电容c6、 c7为1661(/Fm — 2的覆盖部 结构，其中vk是常数。通过对比，由5" = 4的相同材料的8mm厚的固 体层构造的覆盖部18提供500v|/Fm — 2的电容。5mm的间隙22提供 200M/FnT2的电容。利用该实例实施例，由于间隙22和覆盖部18两端 的总电压VRF与串联电容成反比分布，所以在覆盖部18的材料两端得 至ij电压VRF中的增加的部分Vs ( Vs=200mV366vj/ x vrf = 0. 55 x VRF )， 同时在间隙22两端得到相应减小的部分Vg (Vg=166vi;/366v|/x VRF =
0. 45xVRF)。为了进行比较，玻璃纤维加强树脂制成的8mm厚的固体 层的等效值是Vs=200m//700v|/xVRF=0. 29xVRF ; Vg=500vt//700\(/x VRF = 0.71x VRF。利用本发明的材料的所述实施例，总电压VRF中的在间隙22两端 产生的部分Vg大约为0. 55VRF。这与具有固体材料的等效系统相比非 常有利，其中部分Vg大约为0. 71VRF。采用本发明的材料的覆盖部时 的降低的间隙两端的电压直接导致在间隙两端发生电压击穿的可能性 降低。减小电压VRF中的间隙22两端的部分Vg的另一方法是减小间 隙的厚度dg。如果可能的话，间隙22可^:减小到lmm。在这种情况下， 采用本发明的用于覆盖部18的材料时落在间隙两端的电压Vg会是 0. 16VRF， Vg进一步降低，并且因此进一步降低在间隙两端发生电压 击穿的可能性。盘32和覆盖部34可以才艮据国际专利申请WO 2004/009924或者国 际专利申请W0 2004/098870的材料来构造。这些文献中的每一篇文献 都描述了具有有效阻尼特性的相应的在结构上可能的材料。因此，本发明提供一种覆盖部和一种用于覆盖部的材料，本发明 在相应的某些实施例中采用下面的技术来减小在高频高压能量源与患 者20之间发生电压击穿的可能性。减小间隙尺寸dg间隙22的尺寸可被减小到考虑生产和维护问题可实践的程度。 增加覆盖部的厚度ds对于相同重量的材料由于在材料的相应表面之间包含了空气填充 的腔38，本发明的材料30和覆盖部与公知的覆盖部相比具有增加的厚度。最小化覆盖部材料的相对介电常数s "通过在覆盖部的相应表面之间包含空气填充的腔(S r " 1 )，减小 覆盖部材料的介电常数。增加覆盖部材料的电抗x在固定操作频率下，电抗X与电容成反比，X l/C。如上所述， 本发明用来将病床电容减小2/3。这种电容减小引起覆盖部的电抗相应增加。
增加间隙中的气压通过在覆盖部的相应表面之间提供空气填充的腔38，有效设置第 二间隙，该第二间隙容纳大气压下的空气，以及具有比间隙22相应更 高的击穿电压，该间隙22通常填充有非常低的压力的气体。通过降低间隙中的气压来减小到患者的噪声传递由于本发明的覆盖部和材料包括封闭腔38中的高压间隙，所以能 在间隙22中维持低气压，仍然可以减小击穿患者的可能性。通过在间 隙22中维持低气压，可以维持声音绝缘。在腔38内可选地存在薄片39用来通过将所述薄片用作隔板而进 一步减小噪声传递。利用本发明的材料可以提供以下优点。覆盖部可以更加靠近高压 高频源。这又意味着要求更小的整体封闭体。在螺线管MRI或者NMR 成像系统领域，这意味着，对于相同尺寸的磁装置，中央患者内腔的 直径会增加，或者可以使用更小的磁装置来提供给定大小的患者内 腔。这些优点中的每个都有助于制造出更具吸引性的产品。在第一种 情况下，更大的患者内腔意味着，更多比例的人群落入可以在该内腔 内容纳的尺寸范围内。在第二种情况下，使用更小以及更廉价的磁体 来提供相同的患者内腔尺寸，从而导致成像系统更加廉价或者更加有 羸利性。虽然特别参照用于MRI或者NMR设备的覆盖部或者患者内腔套管 来描述本发明，但是本发明的材料还有用地被用于以其它方式存在击 穿人或者动物的风险的任何高压高频源的覆盖部的制造中。
权利要求
1.一种用于构造高压高频源的外部覆盖部(18)的结构性材料(30)，人或者动物可接触到所述覆盖部，该材料(30)包括-第一材料的第一元件(32)；-第二材料的多孔覆盖部(34)；被限定在第一元件与覆盖部之间的封闭腔(38)。
2. 根据权利要求1所述的材料，其中，第一元件包括盘形凹槽， 所述凹槽由多孔覆盖部封闭，以形成相应的至少一个封闭腔(38)。
3. 根据权利要求1或者权利要求2所述的材料，其中，第一和第二材料是相同的材料。
4. 根据前述任一权利要求所述的材料，其中，第二材料的多孔性 通过覆盖部中的气孔或者小孔(36)来提供。
5. 根据前述任一权利要求所述的材料，其中，封闭腔(38)容纳 不导电材料制成的薄片(39)。
6. 根据权利要求5所述的材料，其中，薄片为聚酯薄膜制成的薄片。
7. 根据权利要求5或权利要求6所述的材料，其中，通过诸如杆 或者滤网的隔离体来保持薄片分开。
8. 根据权利要求5或权利要求6所述的材料，其中，薄片成波状 或者以其它方式构造来提供隔离。
9. 根据前述任一权利要求所述的材料，其中，第一元件和多孔覆 盖部中的一个比另一个厚，因此减小材料进入声共振状态的机会。
10. —种材料，其基本上如在此所述的那样和/或如附图中的图3 所示。
11. 一种用于MRI系统(10)的覆盖部(18)，其包括根据前述 任一权利要求所述的材料。
12. —种MRI系统(IO),其包括根据权利要求11所述的覆盖部。
13. —种被容纳在覆盖部之内的高压高频源，该覆盖部由根据权 利要求1 - 10中的任何一个所述的材料制成。
14. 一种被容纳在覆盖部之内的高压高频源，该覆盖部由根据权 利要求l-IO中的任何一个所述的材料制成，其中，在该源与该覆盖部 之间存在部分真空。
全文摘要
本发明提供一种用于构造人或者动物可接触到的外部覆盖部的材料。本发明旨在通过使材料和结构适应来增加高压VRF、高频能量源与人或者动物之间的击穿电压。根据本发明的实施例，对于用在MRI或者NMR系统中的覆盖部来设置结构，该覆盖部具有电压VRF中的其本身两端的较大的部分Vs，因此减小间隙22两端的电压Vg以及减小击穿的可能性。
文档编号G01R33/28GK101128744SQ200580047752
公开日2008年2月20日 申请日期2005年12月15日 优先权日2005年2月4日
发明者A·F·阿特金斯, S·罗伯茨 申请人:西门子磁体技术有限公司