一种用于磁共振成像的超导磁体组件及制造方法与流程

本发明涉及磁共振成像技术，具体涉及一种用于磁共振成像的超导磁体组件及制造方法。

背景技术：

磁共振，也称磁共振成像(Magnetic Resonance lmaging，MRl)、自旋成像(spin imaging)、核磁共振成像(NucIear Magnetic Resonance lmaging，NMRl)，是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。其基本原理是将人体置于特殊的磁场中，当被测对象置于磁场中后，其体内的氢原子可被极化。用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器收录，经电子计算机处理后获得图像。

MRl提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。由于其可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像；且无电离辐射，对机体没有不良影响，因而在医学领域越来越多地被使用。

超导磁体组件是磁共振成像系统的核心部件之一，其设置有沿轴向延伸的检查腔。通常，检查腔的直径在60cm左右，若被检查者患有幽闭症，则在进行磁共振成像检查时，往往有不适的感觉；另外，随着磁体过长，也会导致磁体的成本增加。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种长度相对较短、且成本低的用于磁共振成像的超导磁体组件及其制造方法。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种用于磁共振成像的超导磁体组件，包括线圈架、布置于线圈架上的若干个线圈、以及用于容纳线圈架、线圈的低温保持器；所述低温保持器由数层同心圆筒腔体组装而成；邻近线圈架的轴向端部处设置有第一类型、第二类型的线圈槽，所述第一类型、第二类型的线圈槽与线圈架的轴线的距离不相同，且至少有一种类型的线圈槽在轴向上为开放式结构。

进一步的，所述第一类型的线圈槽的直径小于第二线圈槽的直径。

进一步的，所述第一类型的线圈槽中的线圈包括线圈层及底层，所述底层设有定位孔，所述线圈架上设有相对应的螺纹孔。

进一步的，所述低温保持器包括用于容纳低温介质的内容器，所述内容器包括筒体与封头，封头包括筒状的第一端部、第二端部，且第一端部与磁体几何中心的距离大于第二端部与磁体几何中心的距离，所述第一类型的线圈槽邻近第一端部，第二类型的线圈槽邻近第二端部。

进一步的，所述线圈架与低温保持器之间设有间隙。

进一步的，所述第一类型的线圈槽在轴向上为开放式结构。

进一步的，所述第一类型的线圈槽在轴向和径向上为开放式结构。

进一步的，所述第一类型的线圈槽内的线圈通过与线圈架连接的定位元件保持和定位。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是：一种用于磁共振成像的超导磁体组件的制造方法，包括以下步骤：

提供线圈架，所述线圈架设有若干个线圈槽，且邻近线圈架的轴向端部处 设置有第一类型、第二类型的线圈槽；

提供若干个线圈，所述线圈被分别布置于线圈槽内；

提供用于容纳线圈架、线圈的低温保持器；所述低温保持器包括筒体和布置于筒体端部的封头，且封头包括第一端部、第二端部以及主体部，且第一端部、第二端部与主体部通过平滑过渡结构连接。

进一步的，所述平滑过渡结构通过冲压或者旋压等成型工艺获得。

进一步的，所述线圈沿轴线方向安装到第一类型的线圈槽中。

进一步的，所述线圈组件先被组装于低温保持器的筒体中，然后将封头与筒体焊接在一起，且封头与筒体之间的焊接部位与平滑过渡结构的距离小于焊接部位与磁体几何中心的距离。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明线圈、线圈架及其上线圈槽结构布置紧凑，利于从整体上减小磁体的长度；通过将线圈架轴向端部处的线圈槽的外侧法兰边去除，可进一步减小磁体的长度；此外，将低温保持器的封头的结构设计为平滑过渡结构，则可进一步减小低温保持器的板材厚度，可有效降低成本。

【附图说明】

图1为现有的一种超导磁体组件的部分立体图_n

图2为现有的超导磁体组件的轴向剖面图_g

图3为图2中圆圈内结构的放大图；

图4为本发明实施例一的超导磁体组件的轴向剖面图；

图5为图4中线圈架端部处的线圈单元的部分立体结构图；

图6为图4中圆圈内结构的放大图；

图7为低温保持器内容器中的筒体与封头的部分立体结构图；

图8为第一类型线圈槽内的线圈单元的的绕制和成型工艺示意图；

图9为低温保持器中的筒体与封头对齐后的示意图；

图10为本发明实施例二的超导磁体组件的轴向剖面图；

图11为图10中圆圈内结构的放大图；图12为通过定位元件将线圈保持在线圈架的示意图；

图13为本发明实施例三的超导磁体组件的线圈单元被保持于线圈架的示意图；

图14为本发明实施例四中的超导磁体组件的低温保持器的平滑过渡结构示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

磁共振成像用超导磁体组件通常是在低温保持器的罐体内充注液氦浸没超导线圈，使得超导线圈保持低温超导状态，线圈励磁后即产生稳定的强磁场。

请参阅图1-3，现有的一种用于磁共振成像的超导磁体组件，其包括：包括线圈架4、布置于线圈架4上的数个线圈单元组成的线圈组件1、以及用于容纳线圈组件1的低温保持器5。所述低温保持器由数层同心圆筒腔体组装而成；邻近线圈架的轴向端部处设置有第一类型、第二类型的线圈槽(分别用于容纳产生主磁场的主线圈、用于屏蔽主磁场的屏蔽线圈)，所述第一类型、第二类型的线圈槽与线圈架的轴线(与低温保持器的中心轴线大致重合)的距离不相同，且由于线圈架4两端部有外侧法兰边的约束，故第一类型的线圈槽在轴向上为封闭式结构。

线圈组件1包括多个内线圈(主线圈)2和两个外屏蔽线圈3组成，且内线圈2、外屏蔽线圈3为一般矩形截面结构。所有的内线圈2及外屏蔽线圈3绕制于由金属材料或复合材料制成的线圈架4的线槽内，最后一起封装在中空 圆筒形的低温保持器5中。

请参阅图2，低温保持器5由三层同心圆筒腔体组装而成，包括最内层的用于容纳低温介质(如液氦)的内容器6，中间屏蔽层7和外真空层8。每层筒体由分别由内筒、封头和外筒焊接而成，如图2中的内容器6由内筒11、封头12和外筒15组成，屏蔽层7由内筒10、封头13和外筒16组成，真空层8则由内筒9、封头14和外筒17组成。其中封头12、13和14通常为平板圆环形，封头与筒体连接时形成了直角接头。为了保证“零液氦挥发”，磁体除了配备制冷机外，还在屏蔽层7的外层布置有绝热层，同时要求内容器6、中间屏蔽层7和外真空层8之间不能出现层间直接接触(包括轴向和径向)，即相互间保持一定的间隙，通常为6～20mm。此外，线圈架4、线圈单元(内线圈、外线圈)与低温保持器的内容器也设有间隙。所述间隙的大小可在1mm-15mm之间，或者根据实际情况进行调整。

对于磁共振系统，为了减少病人的幽闭感，希望超导磁体的中心孔径尽量大，磁体长度尽量短；且磁体长度越短，容器内盛装的制冷介质越少(目前主要是液氦，它是一种稀有资源，价格昂贵)，在保证线圈浸没高度不变的前提下所用的液氦成本越低。但在保证均匀度、均匀区大小和磁体成本等关键参数的前提下，磁体长度不能任意小，通常为1200～2000mm，在图2中，线圈组1最外侧的两个线圈18的端部距离一定。同时，为保证线圈的电气绝缘安和装配定位要求，线圈18的线槽外侧边19与液氦封头12也要保持一定的距离，通常为1～10mm。

另一方面，低温保持器通常由无磁材料(如不锈钢或者铝合金或复合材料)制成，其成本很大程度上取决于容器结构和材料厚度。由于磁体线圈失超时会蒸发大量液氦，在内容器6中产生压力；外容器(真空层)8内部为真空，即 承受大气压力，故低温保持器的设计和制造需要按照材料力学设计准则进行，并满足相应的压力容器标准要求。

而按照相关标准设计容器时，板材的厚度除了取决于载荷条件外，还与容器的结构有直接关系。例如图3所示的低温保持器结构中，内容器6和外容器8均采用直角转角结构，由材料力学知识和板壳理论，这种结构会导致较大的边缘应力，为了满足局部应力的要求，通常对部件材料进行加厚，特别是封头，一般大于10mm，采用平板封头时，其厚度一般为13mm以上

据此可知，对于一款磁共振设备的超导磁体设计，减小线圈绕组的总长度，减薄低温保持的部件厚度，有助于降低磁体的制造成本和液氦的使用成本，减小设备使用时的幽闭效应，提高产品的竞争力。

请参阅图4-9，本发明实施例一的一种用于磁共振成像的超导磁体组件，除设置于线圈架端部处的线圈槽的结构不同之外，线圈组件与的结构与前述图1-3中的线圈组件1基本相同，内容器6中布置有相同的内线圈2和外线圈3；多个内线圈2分别绕制在线圈架4的线圈槽内。所述低温保持器由数层同心圆筒腔体组装而成；邻近线圈架的轴向端部处设置有第一类型、第二类型的线圈槽(分别用于容纳产生主磁场的主线圈、用于屏蔽主磁场的屏蔽线圈)，所述第一类型、第二类型的线圈槽与线圈架的轴线的距离不相同，且至少有一种类型的或者一个线圈槽在轴向上为开放式结构。至少，所述第一类型的线圈槽在轴向上为开放式结构。进一步，所述第一类型的线圈槽在轴向和径向上均为开放式结构。第一类型的线圈槽(线圈单元)的直径小于第二线圈槽(线圈单元)的直径。

具体的，与实施一不同的是，对于线圈架4轴向端部处(最外侧)的线圈18，其所在的(第一类型)线圈槽25无类似图3的外侧壁(外侧法兰面)19 结构，所以该线圈槽25在径向(向外)及轴向(向外)方向为敞开式或者开放式结构。

由于没有外侧壁19的约束，在磁体移动或搬运过程中会产生短暂的惯性力或冲击力，导致(内)线圈18在线圈槽25内可沿轴向外移(远离磁体中心)，可能与其他部件发生碰撞。另外，若线圈18在已经发生了轴向外移(即使此位移比较小)，按照超导线圈组设计的对称性，线圈励磁和正常工作时最外侧的线圈18将受到数吨甚至更大的沿轴向内的电磁吸力作用(指向磁体中心)，从而在线圈槽25内发生反向轴向位移，这种位移极易导致磁体线圈失超。故需要在线圈轴向外侧布置约束。

本发明提供了一种具有轴向约束结构的端部线圈18；如图5、6所示，该线圈由固化为一体的超导线圈层40和底层41组成，两层宽度相同，底层41的厚度远小于线圈层40；一般，为了减少线圈上的热应力，底层41的材料的热膨胀性能与线圈40接近；可选用环氧树脂或电木板，也可采用不锈钢等金属材料，并通过树脂灌胶与线圈固化为一体。

线圈18通过底层41的内圆柱面与线圈架4的线圈槽配合，同时底层41的内圆柱面沿圆周还均布有一定数量的定位孔44，本实施例中定位孔44的数量为8个)；绕线架4上布置有数量相同、与定位孔44同轴的螺纹孔43，具有外螺纹的销钉/螺栓42穿过螺纹孔43，并顶在底层41的定位孔44上，将线圈18沿轴向固定。

通常，为了防止低温下线圈18和线圈架4由于收缩系数不同产生过大的应力或过约束，定位孔44应比销钉42的尺寸略大，同时，销钉42在常温条件下装配时，不宜施加过大的预紧力；42优选圆头销钉，与之配合的定位孔44也为球头沉孔；这些措施可保证销钉42与定位孔44之间有微小的间隙， 这样，在运输过程中，端部线圈18并不能沿轴向自由移动，而磁体在场地上励磁时，两端部线圈18都将受到沿轴向指向磁体中心的电磁力作用而抱紧线圈架4，此时销钉42不会给线圈18施加约束。

另外，为不影响线圈架的装配，销钉42优选内六角型式，通过选择合适的销钉长度，使得销钉42能全部旋入线圈架4，而不凸出。

上述方法获得的磁体线圈和线圈架结构(线圈组件)与原有设计相比，在不改变线圈位置的基础上，可将线圈总体长度缩短40mm左右。在此基础上，本发明同时提供了一种具有“平滑过渡”结构的保持器，能进一步缩短磁体总体长度，并显著改善低温保持器的受力状态。

具体在图6、7中，线圈组件4与内容器6的内角空间(图6所示的28区域)处，筒体11与封头12结合部位处的结构由直角转角过渡改为“平滑过渡”结构29，此“平滑过渡”结构优先选用圆角或斜角，或他不规则过渡形，如折边或凹形加强筋等。采用简单的圆角过渡时，其圆角半径可达25mm。所有“平滑过渡”结构29都可有效降低转角区的边缘应力，从而减薄容器厚度，低温保持器更加轻薄紧凑。

采用此结构的封头，相较于平板封头，封头12的板材厚度可从13mm缩小到6mm甚至更小，故低温保持器总长可再缩短15mm左右。结合线圈组总长的变化，磁体总长缩短近50mm，除了低温保持器的材料成本有明显的降低外，以1.3m的内容器为例，容器中的液氦用量也相应减少近4％，单次灌装的液氦成本节省超过5000元/台，磁体总成本进一步降低。

通常，对线圈架4的端部内角处30倒圆角或斜角，有利于获得更大的空间28，避免线圈架4与封头12发生接触。而低温保持器内部的层间间隙基本可保证在要求的范围内。

封头12与筒体15连接的外角(图5、7所示)，也可采用圆角结构，同样有利于减少边缘应力并对封头进行减薄。但是由于外线圈3所受电磁力一般沿轴向远离磁体中心，故一般不能去掉外线圈线槽(第二类线圈槽)32的外侧法兰边33，但从节省材料的角度考虑，可以采用上述线圈槽结构(即第一类型的线圈槽结果)，去掉外侧法兰边；或者也可以增加一个上侧的法兰边结构。

原则上，当内筒体6布置有“平滑过渡”结构时，其外侧的屏蔽层7和真空层8也可布置相应的过渡结构，且这种过渡结构同样能使得每个容器上的应力降低。但本发明并不限定所有的筒体都必须布置此类机构，在某些条件下只需要在其中一层容器(一般是内容器6)上布置这种结构，或者只在容器的内角或外角空间布置此平滑过渡结构。

本发明同时提供了上述端部线圈18的绕制和成型工艺。

线圈18的制造方法一如下：

参图8a所示，针对上述没有外侧法兰面19的端部线圈40，为了获得其底层41，先将超导线绕制在一个固定尺寸的圆环模具“A”的线槽45内，线槽45具有双侧凸起法兰，截面尺寸同线圈40，绕制完成后合上A的另一半圆环盖46，将超导线整体灌注树脂等粘结材料，后将线圈从模具A中脱离，即形成一个整体线圈40；接下来，进行第二次灌胶，将线圈40装入到圆环模具“B”的槽47中，槽47具有与线圈18具相同的截面尺寸，合上模具B的另一圆环盖48后再次灌胶，即获得具有树脂底层41的线圈18。

另一种方法如图8b所示，首先在模具C的线槽49上绕制或装配一层过渡层51，线槽49的截面尺寸同线圈18，所绕的过渡层51应能与树脂粘接，截面尺寸与底层41相同，后绕制超导线，并将模具C整体灌胶，脱模后即得到具有底层41的线圈18。

另外一种绕线方法如图8c所示，绕线架4端部通过螺纹等形式安装临时固定用侧板26，形成常规的绕线槽27，同上，先在槽27内绕制过渡层50，截面尺寸与底层41相同，后绕制超导线，并在灌注树脂等材料的后去掉侧板26，即形成前述无外侧边的线圈18。

为了方便脱模，上述模具均至少具有一侧与树脂不粘的表面(如表面镀特氟龙材料)；按此方案得到的线圈18可装配到线圈架4的端部槽25中。

本发明同时提供了上述低温保持器及部件的制造和组装方法。

此类具“平滑过渡”结构29的封头，由于过渡区尺寸简单且尺寸有限，可采用冲压或旋压等成型工艺，首先获得图9所示结构的封头12；该封头12包括在水平方向上延伸的第一端部(内端部)121、第二端部(外端部)122以及在大致上下方向上的布置的(圆环板体)主体部120，所述第一端部、第二端部为筒状体，且第一端部121、第二端部122与主体部120通过“平滑过渡”结构29连接(参图7)。且第一端部121与磁体几何中心的距离大于第二端部122与磁体几何中心的距离，磁体几何中心大致位于低温保持器的中心轴线的中点处，其基本与物理上的磁体(磁场)的中心相重合。在装配线圈及线圈架于筒体11及15后，再将封头12与筒体11及15相对齐，将对齐部位焊接成一体结构，组装工艺相对比较简单。封头与筒体之间的焊接部位(图9中的狭缝或焊缝)与平滑过渡结构的距离小于焊接部位与磁体几何中心的距离。

图10-12展示了用于本发明实施例二的超导磁体组件的一种端部线圈的约束固定方式。与实施例二中的超导磁体组件类似，线圈架4的两端部的线圈槽无外侧法兰面19。在线圈18的外侧，沿圆周方向布置有多个L形的定位元件20，其一连接端22固定在线圈架4上，另一端具有卡持部23，通过选择合适长度的定位元件20，使得卡持部23内侧紧贴线圈18的外侧面，从而约束 线圈18的轴向外移。

定位元件20与绕线架的连接固定方式有很多型式，可采用采用螺钉、销钉、铆接或其组合型式的可拆连接方式，例如，用螺栓24将连接端22固定于线圈架4，也可采用焊接形成固定连接。为了防止定位元件20在低温下松弛，通常还需要给定位元件20施加轴向的预紧力；在本实例中预紧力的施加和调节可通过卡持部23和线圈18之间加入不同厚度的薄片(图中未示)来完成，也可在定位元件20与线圈架4的连接端22增加螺纹等调节机构。

定位元件20可以为单片或整圈结构，其材料热收缩率优选与线圈18一致，或者略小，这样在磁体预冷的过程中，定位元件20的卡持部23不会与线圈18分离，也不会丧失预紧力。

为了避免卡持部23上的预紧力直接压迫线圈18，通常需要在线圈18与定位卡接触端23之间布置一层过渡板21，将预紧力分散；过渡板21通常是整圈结构，通常与线圈18粘结在一起，或通过灌胶工艺整体固化成一体结构；过渡板21的热收缩率一般要与线圈接近，通常采用电木等材料。

此时，筒体11与封头12同样采用“平滑过渡”结构29，但是，由于定位元件20凸出线圈18一定厚度(通常为4～8mm)，故内容器6的封头12应相应外移以保证不与线圈18接触，即相对上述实施例二，低温保持器长度略增长(8～16mm)。但是，此时线圈组与内容器6的内角空间(28区域)比上述实施例大，故内容器转角区的“平滑过渡”结构29允许采用更大的转角(或倒角)尺寸(大于25mm)，即更有效地降低了容器转角区的边缘应力，从而减薄容器厚度，低温保持器更加轻薄紧凑。

图13展示了用于本发明实施例三的超导磁体组件的一种线圈约束固定方式，与实施例一中的超导磁体组件类似，线圈架4的两端部的线圈槽无外侧法 兰面19。

请参阅图11，本实施例对线圈18结构进行了变更，线圈架4端部处的线圈18的径向外侧布置有与之粘结或固化成一体的过渡层31，此层通常由树脂直接固化或粘结电木板等形成，同时过渡层31加工有阶梯面32，定位元件20的结构及特性与图11中的定位元件基本相同，可采用周向均布的分离结构或整体圈式结构，但其接触端23与阶梯面32配合，并在此接触面上施加预紧力，从而防止线圈18的轴向外移。此时，线圈18径向装配在线槽27上，定位卡20则主要起到约束线圈18的轴向位移的作用。

请参阅图14，为实施例四中的超导磁体组件的低温保持器6的“平滑过渡”结构的一种变化例。在现有的内角空间28处，除采用与前述实施例二中的“平滑过渡”的圆角或斜角等结构降低边缘应力外，还可使用局部加强圈或加厚的方法。如图14中，设置有局部厚度增加的转角过渡29，可加强转角区的强度和刚度，其它部分的板材厚度可减薄。

请参考以上实施例中的结构，一种用于磁共振成像的超导磁体组件的制造方法，其包括以下步骤：

提供线圈架，所述线圈架设有若干个线圈槽，且邻近线圈架的轴向端部处设置有第一类型、第二类型的线圈槽；提供若干个线圈，所述线圈被分别布置于线圈槽内；提供用于容纳线圈架、线圈的低温保持器；所述低温保持器包括筒体和布置于筒体端部的封头，且封头包括第一端部、第二端部以及主体部，且第一端部、第二端部与主体部通过平滑过渡结构连接。

其中，所述平滑过渡结构通过冲压或者旋压等成型工艺获得。

其中，所述线圈沿轴向方向安装到第一类型的线圈槽中。

其中，所述线圈组件先被组装于低温保持器的筒体中，然后将封头与筒体焊接在一起，且封头与筒体之间的焊接部位与平滑过渡结构的距离小于焊接部 位与磁体几何中心的距离。焊接后的平滑过渡结构不与线圈架或线圈干涉。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。