专利名称：用于超导电磁体系统的电传导屏蔽的制作方法
用于超导电磁体系统的电传导屏蔽本发明涉及磁共振成像(MRI)系统，其使用低温冷却超导磁体和有源梯度磁体线圈。特别地，本发明涉及这种MRI系统，其中通过对低温致冷器的传导冷却来冷却超导磁体，或者其中使用冷却循环系统或者其他低致冷剂体积冷却系统。然而，本发明还通常可以有用地应用于超导磁体，其通过部分沉浸在致冷剂浴中进行冷却。图I示出了穿过适于通过应用本发明进行改进的MRI系统中的圆柱形超导磁体的部件的示意性轴向部分横截面。图示的结构基本上绕轴A-A旋转地对称。环形超导线圈10 通过外壳层(crust layer) 14热附着到冷却环管道12。每个冷却环管道14包括被布置为以循环方式将液体和/或气体致冷剂运送到低温致冷器的孔16，由此将线圈10维持在它们的超导转变温度以下的操作温度上。在该示例中，循环致冷剂是氦。提供机械保持结构18 以支撑磁体。如所示的，这典型地还通过冷却环管道进行冷却。超导磁体和其他冷却部件被装入外部真空室(0VC)20 (其仅部分地在图中呈现)内。OVC和热辐射屏蔽连同未示出的相关联的部件构成了用于将磁体保持在低温温度上的低温保持器。OVC处于环境温度，并且可以在磁体和OVC之间提供一个或两个热辐射屏蔽22、 24，以在来自OVC的热辐射达到磁体之前拦截它们。在图示的示例中，提供了两个热辐射屏蔽。外部热辐射屏蔽24被冷却到例如约77K的温度。这可以通过使牺牲液氮致冷剂沸腾来进行冷却，或者通过操作机械致冷器而实现的。典型地在约300K的温度上的来自OVC的热辐射由该外部热辐射屏蔽拦截并且通过外部热辐射屏蔽的冷却而从系统去除。内部热辐射屏蔽22由冷却环管12冷却到约4K。在图示的布置中，这是通过从内部热辐射屏蔽穿过屏蔽支撑结构26和机械保持结构18的热传导来实现的。由于磁体自身是圆柱形的，因此与轴A-A对准的圆柱形孔30延伸穿过磁体系统, 并且允许要求专利权的入口成像。典型地，成像区域呈现在孔的轴向中点处，基本上是球形的并且具有约40至50cm的直径。在OVC 20的孔内，定位梯度线圈组件32。如公知的，这种梯度线圈组件在成像区域的正交方向上提供振荡磁场，如形成MRI图像所需的那样。这些振荡场典型地在从I Hz 至4 kHz的频率上操作。在操作中，梯度线圈组件的振荡磁场不仅延伸到成像区域，而且来自梯度线圈组件的杂散磁场到达OVC。梯度线圈32的时变杂散磁场将在热辐射屏蔽22、24中以及在磁体系统的超导线圈10中感应可感知的欧姆加热效应。典型地，来自梯度线圈组件的杂散时变磁场将直接地或间接地在低温保持器的金属部分中，特别在OVC 20的金属孔管和热屏蔽22、24中感应涡电流。如果OVC的结构是金属的，则其将提供对超导线圈和热辐射屏蔽22、24的屏蔽，抵御来自梯度线圈组件32的杂散磁场。然而，由于磁体线圈10产生的静态背景磁场，由来自梯度线圈的时变磁场在OVC 的材料中感应的涡电流产生了洛伦兹力，导致了 OVC的机械振动。这些在磁体线圈10的静态磁场中发生的振动将顺次在OVC的材料中生成涡电流，这顺次产生了次级杂散场。这些次级杂散场可能比梯度线圈产生的原始杂散场大得多。当OVC孔管的共振振动模式被激励时，OVC的机械振动将特别强。相似地，可以生成第三级(tertiary)和另外的杂散场，有效地经过热辐射屏蔽22、24与超导线圈直接交互。如果OVC 20的孔管和热屏蔽22、24的共振振动模式和频率接近到一起，如目前的磁体系统中常见的，则孔管的行为如同紧密耦合的振荡器的链，并且共振频带将出现。如上文讨论的来自从机械振动的传导表面感应的时变磁场的在超导磁体线圈中感应的涡电流构成了冷却系统上的热负载。该过度的热负载可能导致线圈温度上升，这可能导致超导线圈中的猝熄(quench)。即使对于通过部分沉浸在致冷剂中进行冷却的磁体，热负载将引起致冷剂消耗的增加和/或低温致冷器消耗的功率的增加。本发明的目的在于减小时变磁场向用在MRI成像中的超导磁体系统的磁体线圈 10和低温冷却结构18、26、22的这种传播。本发明通过在磁体的孔中提供额外的电传导屏蔽来解决该问题并且因此减小了在系统的其他部分中的功率耗散。US7514928和US6707302描述了通过金属管减小梯度感应的加热效应，但是并未详述约束或者部分约束该管的优点或其他方面。尽管先前已尝试为此目的提供额外的屏蔽，但是这些额外的管已机械刚性地附着到OVC和热辐射屏蔽。本发明提供了一种电传导屏蔽管，其通过确保管未被约束而从梯度线圈和OVC机械解耦，如所附权利要求中限定的那样。根据通过非限制性示例结合附图
给出的本发明的某些实施例的下面描述，本发明的以上以及另外的目标、特性和优点将变得更加明显，在附图中
图I示出了穿过适于通过应用本发明进行改进的MRI系统中的圆柱形超导磁体的部件的示意性轴向部分横截面；
图2示出了根据本发明的实施例改进的图I的MRI系统的示意性轴向部分横截面；
图3示出了图2的部分III的放大；
图4示出了作为激励频率的函数的、z梯度线圈的激励引起的低温冷却部件中的热耗散的示例；
图5示出了具有回波平面成像(EPI)信号的磁体线圈10中耗散的归一化功率的实验数据；以及
图6示出了根据本发明的另一实施例改进的图I的MRI系统的示意性轴向部分横截面。根据本发明，在内部热屏蔽22和超导线圈10中耗散的总功率响应于包括由相对高传导金属制成的管而降低。该管例如通过安装在弹性底座上而非刚性机械底座上而在某种程度上免于机械振动。根据本发明，图2中示出了其实施例，在磁体线圈10和梯度线圈组件32之间提供了传导屏蔽34，在该情况下其具有圆柱形管的形式。在图示的示例中，传导屏蔽34位于梯度线圈组件32和OVC 20的孔管之间。在下文讨论的其他实施例中，本发明的传导屏蔽可以被定位在其他位置中。在优选实施例中，传导屏蔽34是铜管。可以使用其他电传导材料。铜是合适的材料，因为其具有极高的电导率以及高密度，这趋于阻尼机械振荡。铜管较之由铝或不锈钢制造的具有相似尺寸的管具有极为不同的机械共振频率，其中铝或不锈钢是常用于OVC的孔管和热辐射屏蔽的材料。这减小了本发明的传导屏蔽用作与OVC的孔管和热辐射屏蔽的耦合共振器的趋势。在特别优选的实施例中，传导屏蔽是具有2 mm或更大的材料厚度的铜管。根据本发明的特征，传导屏蔽34弹性地安装在适当位置，而非机械刚性地安装。 如图2的示例中所示,这可以通过将由顺从(compliant)材料和弹性材料制成的衬垫36 插入在传导屏蔽34和OVC 20之间以及在传导屏蔽34和梯度线圈32之间来实现，顺从材料和弹性材料诸如多孔聚氨酯弹性体的范围，其在商标SYL0MER 下销售并且可获得自A. Proctor Group Ltd. (www.proctorgroup.com)。在 SYL0MER 范围内，可以发现 SYLOMER Pink和SYLOMER LT是特别适用的。图3示出了图2的部分III的放大。弹性衬垫36提供了用于传导屏蔽34的机械弹性的、阻尼的安装结构。在该图示的实施例中，传导屏蔽34仅经由弹性衬垫36进行与OVC 20和梯度线圈组件32的接触并且可以被视为机械无约束的。在传统的、约束的布置的情况下，传导屏蔽 34将通过胶水或树脂在适当的位置刚性地机械固定到OVC 20和/或梯度线圈组件32。根据本发明的特征，孔管中的传导屏蔽34至少在机械弱耦合到OVC孔管24的意义上是无约束的。传导屏蔽据此具有相对于梯度线圈组件32和OVC 24的、相对自由的移动范围。针对传导屏蔽的各种配置执行如下实验，测量包括线圈10、内部热屏蔽22的孔管、屏蔽支撑结构26和机械保持结构18的低温冷却部件中的热耗散，该热耗散作为激励频率的函数，由使用128A峰-峰电流激励z梯度线圈而引起。图4中示出了这些仿真的结果的显著部分。实验采用诸如图2中所示的结构，但是这里并未讨论各种尺寸和密度的细节， 因为其与本发明无关。除了提供传导屏蔽34及其安装结构之外，该磁体系统具有传统构造。在100至5000 Hz的频率范围上针对z梯度激励执行仿真，但是仿真系统的低温冷却部分中的显著功率耗散仅在图示的3000至4800 Hz的频率范围中发生。这些仿真是针对具有典型的圆柱形MRI扫描仪的直径的一半的系统执行的。在这里引证的频率的一半处在典型的临床MRI扫描仪中将出现相似的效果，因为该效果由机械共振频率确定，该机械共振频率与系统直径成反比。图4中所示的仿真功率耗散曲线表示如下情形
41-没有铜-表示图I的布置的仿真，其中未提供传导屏蔽，作为用于比较传导屏蔽的各种配置的屏蔽效果的参考；
42-铜约束-表示并非根据本发明的布置，其中提供了铜传导屏蔽34，其机械接合到 OVC孔管24 ；
43-铜无约束-表示自由移动的铜传导屏蔽34，如同处于零重力状态。显然，这是理论仿真，因为任何实际布置将需要针对重力支撑传导屏蔽并且将其限制在磁体系统的孔内的位置中，这将必要地牵涉对传导屏蔽的移动的某种程度的约束；
44-铜，800mm衬垫变化方案(var) 1_表示第一配置，其中在OVC孔管20和传导屏蔽 34之间提供诸如泡沫衬垫(诸如SYLOMER Pink的泡沫衬垫)的机械弹性的、阻尼安装结构， 以针对重力支撑传导屏蔽并且将其保持在OVC的孔内的位置中；以及45-铜，800 mm衬垫变化方案(var) 2-表示第二配置，其中在OVC孔管20和传导屏蔽 34之间提供诸如泡沫衬垫(诸如SYLOMER Pink的泡沫衬垫)的机械弹性的、阻尼安装结构， 以针对重力支撑传导屏蔽并且将其保持在OVC的孔内的位置中。第一配置44和第二配置45的差异在于所使用的衬垫的阻尼常数。如可从图4中清楚地看到的，较之41处所示的无屏蔽情况，即使是曲线42表示的传统的约束传导屏蔽也提供了低温冷却部件中耗散的功率的相当多减少。然而，如图4中的曲线43表示的无约束传导屏蔽提供了低温冷却部件中耗散的功率的更大的减少。如上文提到的，提供真正无约束的传导屏蔽是不实际期望的。曲线44和45示出了本发明的可能的实际实现方案的示例，其表示由弹性阻尼安装结构的示例保持的传导屏蔽。令人惊讶地，发明人通过仿真示出，较之曲线43表示的理论上的、无约束的传导管，对于由弹性阻尼安装结构保持的这些传导屏蔽，低温冷却部件中耗散的功率的减小甚至是更大的。图5示出了具有回波平面成像(EPI)信号的磁体线圈10中耗散的归一化功率的实验数据，该信号自身在下文中更详细地讨论，其通过O至5000 Hz的频率范围归一化到最大峰-峰场，其中幅度独立于频率。出于该实验的目的，使用诸如图I和2中所示的圆柱形磁体结构，但是OVC 20的孔管和热辐射屏蔽22、24由诸如玻璃强化塑料GRP的电磁透明材料制成。在该布置中(其不代表实际的提议)，不存在梯度线圈组件和超导线圈之间的传导层意味着在磁线圈中耗散大功率，如图5中的曲线51所示。如果该系统在最大电流上操作， 则磁体将在约230Hz以上的所有频率处猝熄。图5中的曲线52示出了对于刚描述的结构的超导线圈中的功率耗散的相应数据，但是其中已经添加了根据本发明的铜无约束传导屏蔽。如图5中所示，添加本发明的传导屏蔽导致了超导线圈中耗散的功率的显著减小。在曲线52中示出其结果的实验中，本发明的传导屏蔽仅为梯度线圈组件和超导线圈之间的电传导表面，并且超导线圈中耗散的功率的减少可以清楚地归因于添加本发明的传导屏蔽。在实际应用中，在梯度线圈组件和超导线圈之间将存在其他传导层，因此由于添加传导屏蔽引起的耗散功率的减少将不具有如此深刻的效果。所提出的无约束或者弹性安装的传导屏蔽的可能的缺点是，由于传导屏蔽的机械振动，可能增加声学噪声。由于所需的成像速度，需要梯度线圈的磁场在可听范围内的频率上振荡，并且本发明需要传导屏蔽能够振荡。因此，通过尝试抑制传导屏蔽的机械振动来尝试减轻添加的声学噪声的问题是不适当的。然而，在本发明的某些实施例中，可以使用如下减轻措施
传导屏蔽34和OVC孔管20之间的间隙以及梯度线圈组件32和传导屏蔽34之间的间隙可以在其轴向末端处通过诸如O形环密封的顺从密封或者气动或液压气动密封进行密封，其中气动或液压气动密封是可膨胀的环形腔，其被定位在待密封的间隙中，并且利用空气或水(或者如适当的其他流体)而使其膨胀以形成密封。传导屏蔽34和OVC孔管20之间的间隙以及梯度线圈组件32和传导屏蔽34之间的间隙可以在其轴向末端处通过诸如从Akzo Nobel N. V.可得到的Silcoset 密封剂的软的顺从材料进行密封。
在这些变型的任一个中，可以在密封间隙之前将其抽空以减小声学噪声在间隙内的传送。在更极端的变型中，传导屏蔽34和OVC孔管20之间的间隙以及梯度线圈组件32 和传导屏蔽34之间的间隙的整体可以填充有诸如从Akzo Nobel N. V.可得到的Silcoset 密封剂的软的顺从材料。在减少来自传导屏蔽的声学噪声的传送的另一方法中并且根据本发明的不同实施例，传导屏蔽34被定位在OVC内，径向地处于图I和2中在20处示出的OVC孔管的外部。图6图示了这样的实施例。为了将传导屏蔽34容纳在OVC内，减小OVC孔管的直径。传导屏蔽被安装在传导屏蔽和OVC孔管之间的；而非传导屏蔽和热辐射屏蔽24之间的间隙中的柔性弹性安装块36上。在该实施例中，传导屏蔽在OVC 20孔管和热屏蔽24孔管之间的真空空间内振荡，并且不能在MRI系统的孔内生成显著声学噪声。表I示出了当特定的振荡电流被施加到示例z梯度线圈时，用于研究根据本发明的传导屏蔽的效果所执行的实验的关键发现的概要。表I表示施加到z梯度线圈的回波平面成像(EPI)信号的实验。该信号包括零电流时段和特定电流时段的重复循环(在该示例中，电流大约为最大电流的10%)，该电流在两个电流值之间在特定的上升时间(RT)上遵循线性斜变(linear ramp)。在表I的上部分中，该线性斜变以I μ s的上升时间(RT)操作，而表I的下部分表示以100 μ s的上升时间 (RT)操作的相似信号的结果。提供了表示本发明的实施例的数据，其中如上文关于图2描述的，以铜管(CT)的形式提供传导屏蔽。出于比较的目的，还提供了用于如上文关于图I描述的未设置传导屏蔽的相似磁体系统的数据。针对施加到ζ梯度线圈的EPI信号的如下频率范围提供数据lkHz、l. 33kHz和 4kHz。在每种情况下，提供了表示内部热屏蔽22的温度变化(AT(K))和内部热屏蔽22 内耗散的功率(P(mW))的数据。以粗体和下划线示出了对于耗散功率的两个条目。在这些情况下，仿真的超导线圈作为耗散热的结果而猝熄。标题为“k”的列指示通过添加本发明的传导屏蔽而减少内部热屏蔽中的耗散功率的因子。如可以看到的，在实验中指示了耗散功率以高达17. 8的因子k而减少，并且在没有传导屏蔽(CT)的情况下发生的猝熄事件在存在传导屏蔽(CT)的情况下未发生。相反，仅观察到O. 291至I. 775K的适度的温度上升。表I中的结果表明，当包括根据本发明的传导屏蔽时，在所有条件下，内部屏蔽22 中耗散的功率显著减少，并且最后所得到的温度上升。因此，本发明提供了对诸如MRI成像系统中使用的那些超导电磁体系统的超导电磁体系统的修改，该修改包括在低温冷却设备和梯度线圈组件之间添加传导屏蔽，其中该传导屏蔽通过安装在弹性阻尼安装结构上而是无约束的或者弱约束的。传导屏蔽可以径向被定位在OVC 20的孔管内部，被定位在OVC孔管和梯度线圈组件之间，或者径向被定位在 OVC 20的孔管外部，被定位在OVC内以及被定位在OVC的孔管和低温冷却设备之间。所提出的传导屏蔽34包括具有高电导率的材料的完整的圆柱体，其安装在磁体的孔或OVC中，使得传导屏蔽不会强地机械耦合到OVC或梯度线圈并且被视为无约束的，即在特定范围内自由移动。本发明提出了使用弹性阻尼底座，其可用于提供传导屏蔽和磁体系统的剩余部分之间的最小机械接触，允许传导屏蔽的相对自由的振荡，同时允许减弱(damp-out)机械耦
口 ο包括这种传导屏蔽提供了更高效的热屏蔽并且减少了由于梯度线圈感应加热引起的到达MRI系统的温度敏感的低温冷却部分的热负载。本发明特别关注于“干式”接触冷却磁体-在没有液体致冷剂的情况下冷却的那些磁体-以及通过少量的致冷剂库存(inventory)进行冷却的那些磁体,诸如使用参照图 I和2描述的闭环冷却系统进行冷却。这是因为这些系统较之其中超导线圈部分地沉浸在液体致冷剂浴中的较传统布置，对热负载更加敏感，因为液体致冷剂浴确保线圈大约保持在致冷剂的沸点。在这些浴冷却的磁体中使用本发明的传导屏蔽仍提供了减少的致冷器功耗和/或减少的致冷剂消耗的优点。尽管参照有限数目的实施例描述了本发明，但是许多变化方案和修改对于本领域技术人员将是明显的。例如，尽管参照定位在圆柱形超导磁体的孔内的圆柱形传导屏蔽描述了本发明，但是其可应用于其他几何结构的超导磁体，诸如“开放”磁体、“C形”磁体等等。 本发明适用于其中在低温冷却超导磁体附近提供振荡磁场源的所有布置。以上描述的特定实施例包括被实施为铜管的电传导屏蔽。在本申请中铜被视为有用的材料，因为其具有高电导率、用于抵制机械振荡的高质量密度以及与不锈钢或铝(0VC 以及热辐射屏蔽的构造中常用的材料)的共振频率极为不同的机械共振频率。然而，本发明的传导屏蔽可以由诸如铝的其他材料构造，或者由包括金属和塑料的复合材料构造，只要可以保证适当的电导率和机械弹性。
权利要求
1.一种超导电磁体系统,包括-低温冷却磁体线圈(10)，布置为在成像区域中提供静态磁场；-梯度线圈组件(32)，布置为在所述成像区域内提供振荡磁场；以及 -电传导屏蔽(34)，其被定位在所述低温冷却磁体线圈和所述梯度线圈组件之间，其中所述低温冷却磁体线圈位于外部真空室(OVC) (20)内，并且所述电传导屏蔽被定位在所述OVC外部，在所述OVC的表面和所述梯度线圈组件之间，其特征在于所述传导屏蔽被支撑在所述传导屏蔽和所述梯度线圈组件(32)之间；以及在所述传导屏蔽和所述OVC的孔管(20)之间的弹性阻尼底座(36)上。
2.根据权利要求I所述的系统，其中所述弹性阻尼底座包括定位在所述电传导屏蔽的表面和系统的相邻部件的表面之间的弹性体块。
3.根据任一前述权利要求所述的系统，进一步包括定位在所述低温冷却磁体线圈和所述OVC之间的第一热辐射屏蔽(22 ;24)。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一热辐射屏蔽(22)与所述低温冷却磁体线圈热传导接触。
5.根据权利要求4所述的系统，其中提供第二热辐射屏蔽(24)，其被定位在所述第一热辐射屏蔽和所述OVC之间。
6.—种超导电磁体系统,包括-低温冷却磁体线圈(10)，布置为在成像区域中提供静态磁场；-梯度线圈组件(32)，布置为在所述成像区域内提供振荡磁场；以及 -电传导屏蔽(34)，其被定位在所述低温冷却磁体线圈和所述梯度线圈组件之间，其中所述低温冷却磁体线圈位于外部真空室(OVC)内，并且所述电传导屏蔽被定位在所述OVC内部，在所述OVC的表面和所述低温冷却磁体线圈之间，其特征在于所述传导屏蔽被支撑在所述传导屏蔽和所述OVC孔管(20)之间的弹性阻尼底座(36)上。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述弹性阻尼底座包括定位在所述电传导屏蔽的表面和系统的相邻部件的表面之间的弹性体块。
8.根据权利要求6或7所述的系统，进一步包括定位在所述低温冷却磁体线圈和所述电传导屏蔽之间的第一热辐射屏蔽(22 ;24)。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述第一热辐射屏蔽(22)与所述低温冷却磁体线圈热传导接触。
10.根据权利要求8所述的系统，其中提供第二热辐射屏蔽(24)，其被定位在所述第一热辐射屏蔽和所述电传导屏蔽之间。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，其中每个所述低温冷却磁体线圈是环形的，并且被轴向对准；并且所述梯度线圈组件和所述电传导屏蔽是圆柱形的，并且二者位于所述低温冷却磁体线圈的孔内。
12.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述低温冷却磁体线圈通过到低温致冷器的热传导进行冷却。
13.根据权利要求I至11中任一项所述的系统，其中所述低温冷却磁体线圈通过闭环冷却系统进行冷却，其中致冷剂(16)通过与磁体线圈热接触的管道(12)进行循环。
14.根据权利要求I至11中任一项所述的系统，其中所述低温冷却磁体线圈通过部分沉浸在致冷剂浴中进行冷却。
15.根据任一前述权利要求所述的系统，其中所述电传导屏蔽由铜形成。
16.根据权利要求I至5中任一项所述的系统，其中所述电传导屏蔽和所述OVC之间的间隙由一种或多种弹性密封进行密封。
17.根据权利要求I至5中任一项所述的系统，其中所述电传导屏蔽和所述梯度线圈组件之间的间隙由一种或多种弹性密封进行密封。
18.根据权利要求16或17所述的系统，其中抽空一个或多个密封的间隙。
19.根据权利要求16或17所述的系统，其中一个或多个密封的间隙填充有弹性材料。
20.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中所述密封包括气动或液压气动密封。
21.根据权利要求16至18中任一项所述的系统，其中所述密封包括O形环密封。
全文摘要
本发明涉及用于超导电磁体系统的电传导屏蔽。一种超导电磁体系统，包括低温冷却磁体线圈(10)，布置为在成像区域中提供静态磁场；梯度线圈组件(32)，布置为在成像区域内提供振荡磁场；以及电传导屏蔽(34)，其被定位在低温冷却磁体线圈和梯度线圈组件之间。特别地，传导屏蔽被支撑在弹性阻尼底座(36)上。
文档编号G01R33/381GK102590772SQ20121000948
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者M.J.M.克勒伊普, M.布卢门萨尔 申请人:英国西门子公司