用于磁共振成像系统的热辐射屏蔽罩的制作方法

1.本发明涉及对用于磁共振成像的设备的改进。具体地，本发明涉及在磁共振成像设备中的热辐射屏蔽罩的组件，以减少由这种热辐射屏蔽罩与振荡梯度磁场的相互作用造成的机械振荡。
2.本说明书将特别参照筒形超导磁体，但是本发明的方法和结构可以应用于其他形状和类型的磁体。


背景技术：

3.图1示出了示例常规超导磁体组件的轴向横截面。组件基本上绕轴线a-a对称。在本文中，平行于轴线a-a的方向将被称为“轴向”，而垂直于轴向方向的方向将被称为“径向”。
4.主磁体线圈10产生高强度的静态磁场。主磁体线圈10被封闭在称为外真空容器(ovc)的真空室12内。热辐射屏蔽罩14插置在主磁线圈10与ovc之间，以减少来自ovc(在大约300k的温度下)的到达主磁线圈(在通常低至4k的温度下)的热辐射量。在使用中，热辐射屏蔽罩14通常可以处于大约50k的温度，并且因此在本文中可以被称为“50k屏蔽罩”。低温制冷机可以用于将超导磁体保持在其操作温度下，但具有在该温度下的有限冷却功率。
5.磁体屏蔽线圈16通常还设置在主磁体线圈10的径向外部。磁体屏蔽线圈16减小杂散磁场并补充主磁体线圈10以产生强均匀场。
6.ovc由内筒形壁(孔管)12a、外筒形壁12b和两个环形平面端壁12c组成，两个环形平面端壁12c将孔管12a接合至外筒形壁12b以形成封闭的中空筒形结构。
7.类似地，热辐射屏蔽罩14由内筒形壁(孔壁)14a、外筒形壁14b和两个环形端壁14c组成，两个环形平面端壁14c将孔管14a接合至外筒形壁14b以形成封闭的中空筒形结构。
8.ovc孔管12a限定了筒形孔18，患者可以被接纳在该筒形孔18内用于mri成像。也在孔18内的是梯度和垫片组件20。在所示示例中，梯度和垫片组件包括主梯度线圈22、梯度屏蔽线圈24和垫片组件26。
9.主梯度线圈22通常包括多个电阻线圈，多个电阻线圈布置成在三个正交平面中产生时变磁场。它们通常包括嵌入热固性树脂中的铜或铝线材的适当成型线圈。
10.梯度屏蔽线圈24位于主梯度线圈22的径向外侧，并且执行与磁体屏蔽线圈16的功能类似的功能。它们补充主梯度线圈22以在孔18内产生所需的时变梯度场的图案并且减少可能到达ovc孔管12a的杂散梯度场的量。梯度线圈优选地设计成使垂直于50k屏蔽罩孔管14a入射的磁杂散场最小化。这在热辐射屏蔽罩孔管14a由诸如铝的高导电性材料制成的情况下尤其重要，在这种情况下，如果受到时变磁场的影响，将产生大的涡流。
11.常规地，垫片组件26位于主梯度线圈22与梯度屏蔽线圈24之间。优选的是梯度屏蔽线圈24径向位于距主梯度线圈22的一定距离，以便更有效。
12.在常规的磁共振成像系统中，筒形超导磁体组件在成像区域中产生具有高均匀性的高强度静态背景磁场，该成像区域通常大致位于筒形超导磁体的轴向中点处。
13.作为成像过程的一部分，振荡梯度磁场通过梯度线圈22、24产生。如此产生的梯度磁场通常在三个相互正交的方向上振荡，以提供用于成像的适当定时的变化磁场。通常，需要梯度磁场来提供磁场的bz分量中的梯度。虽然bz是主要分量，但还存在在bx和by中的分量，但它们数量级较小，并且出于本发明的目的可以被忽略。然后，所需的梯度是在三个正交方向上的bz、轴向定向场中的梯度，其中x和y是正交的径向方向。
14.常规的超导磁体在低温温度下操作，通常低于20k，并且通常在4.2k或接近4.2k。保持在该温度下的系统的部件可以被称为“磁体冷质量”，并且将包括主磁体线圈10、磁屏蔽线圈16以及相关联的部件和支承结构。
15.为了减少从真空室到磁体冷质量的辐射热流入，典型的是具有插置在ovc 12与磁体冷质量之间的导热热辐射屏蔽罩14。该热辐射屏蔽罩14通常被冷却到在50k的区域中的温度，并且为简明起见可以被称为“50k屏蔽罩”。在这样的温度下，能够从常规的低温制冷机获得比20k或更低的温度的较大的冷却功率。在50k屏蔽罩内，从在50k下的热辐射屏蔽罩接收在冷质量上的热辐射远小于在没有50屏蔽罩的情况下从在300k下的真空室接收的热辐射。
16.这种热辐射屏蔽罩14通常由诸如铝的导电材料的片材形成。振荡梯度磁场与导电热辐射屏蔽罩相互作用，以在热辐射屏蔽罩内产生振荡电流。这些振荡电流又与静态背景磁场相互作用并在系统中产生机械振荡。这种相互作用可以称为“梯度线圈相互作用”。
17.由于在50k屏蔽罩中从快速振荡的梯度场产生的涡流，超导磁体与梯度线圈之间的梯度线圈(“gc”)相互作用通过50k屏蔽罩的机械振动传递到磁体冷质量。50k屏蔽罩的机械振动又产生达到冷质量的振荡磁场，进而在磁体冷质量中引起导致局部加热的涡流。
18.通常，在筒形超导磁体系统中，热辐射屏蔽罩14包括称为孔管的内筒形壁14a、外筒形壁14b和两个环形端部件14c，整体形成中空筒形封围件14。
19.常规地，热辐射屏蔽罩孔管14a的筒形对称性和热辐射屏蔽罩端部件14c的轴对称几何形状理想地定形成当由外部驱动力、例如梯度线圈的振荡磁场的激励时生成机械共振。
20.本发明处理热辐射屏蔽罩进入机械共振的趋势。通过减小热辐射屏蔽罩在机械共振中振荡的趋势，可以减少由于梯度线圈相互作用至冷质量的热能的传递。共振机械振荡的特征通常在于在共振条件下的非常大的机械位移。在本发明的上下文中，这是最大能量将从屏蔽罩传递到冷质量的地方。本发明的目的是减少热辐射屏蔽罩在共振模式下振荡的趋势，使得屏蔽罩在任何给定频率下不会传递大量能量。
21.之前许多技术已经处理过通过由感应的涡流造成的机械振动的能量的传递。
22.在一种常规布置中，机械共振条件可以通过将“禁止”频带引入到梯度脉冲序列程序中来明确地被避免，该梯度脉冲序列程序控制施加到梯度线圈的电流，并且从而控制由梯度线圈产生的磁场的变化。控制梯度脉冲序列的软件被设计成通过避免以频率在禁止带内为特征的脉冲序列来避免产生共振条件。然而，这种方法限制了脉冲序列编程的灵活性，并且任何遵守这些“禁止”频带的编程序列都降低了与如果没有“禁止”频带时一样有效地访问k空间的能力。
23.替代性地，或者另外，用以减少gc引起的机械振荡的另一种常规方法是用更厚的
材料制造50k屏蔽罩。增加50k屏蔽罩的厚度将使屏蔽罩变硬，这将降低在所考虑频率下的机械振动的幅度，并且因此将减少向磁体冷质量传递的能量。这种方法的缺点是由于材料消耗增加而增加了成本，50k屏蔽罩的重量增加导致需要更坚固的屏蔽罩悬挂，进而导致通过悬挂布置的热流增加。该方法也没有完全消除共振条件。有问题的共振频率可能由于刚度的增加而简单地在频率上移动得更高，并且可能在不同的共振频率下产生类似的问题。
24.替代性地或附加地，用以减少gc引起的机械振荡的另一种常规方法是提供辐射屏蔽罩的狭缝，或制造叠层材料的屏蔽罩，以限制50k屏蔽罩内的热传导路径的长度。限制的导电路径长度将减少或打破50k屏蔽罩内涡流的产生。这些方法的缺点是，振荡梯度磁场具有更大的机会以穿透50k屏蔽罩并且直接撞击在磁体冷质量。如果磁体冷质量具有重要的导电成分，则磁体冷质量的加热仍然可以通过穿透狭缝的杂散振荡梯度场直接产生涡流而发生，这种加热可以具有比在50k屏蔽罩不通过狭缝或叠片改变的情况下的幅度更大的幅度。
25.梯度屏蔽线圈的设计可以被优化成使与50k热辐射屏蔽罩14的孔管14a相互作用的垂直杂散梯度场最小化。然而，尚未发现梯度屏蔽线圈的设计在解决与50k热辐射屏蔽罩14的端壁14c相互作用的杂散梯度场方面是有效的。因此，即使在梯度屏蔽线圈被精心设计成使与50k热辐射屏蔽14的孔管14a相互作用的杂散梯度场最小化的情况下，端壁14c也可能容易受到机械共振行为的影响。如果端壁14c的共振模式在频率上接近于孔管14a的共振模式，则它们之间可能存在机械能量传递。本发明寻求减小端壁14c与孔管14a之间的机械连接的对称性，并且因此降低在机械共振模式下从端壁14c到孔管14a的能量传递的可能性。
26.过热会导致超导体不稳定，从而导致磁体失超。本发明寻求来降低由于梯度线圈相互作用的磁体冷质量的这种加热的可能性。
27.本发明降低了联接至热辐射屏蔽罩的孔管14a的热辐射屏蔽罩的端壁14c的机械共振的趋势，以向孔管14a引入类似频率的机械共振。根据本发明的一些实施方式，这可以通过向热辐射屏蔽罩的结构引入随机或伪随机变化来实现。伪随机变化将改变热辐射屏蔽罩的端壁14c的边界条件并且使得不太可能形成特定的共振模式。
28.在本发明的某些实施方式中，这是通过将伪随机变化引入到用于将热辐射屏蔽罩孔管14b附接至热辐射屏蔽罩端壁14c的焊接图案中来实现的。


技术实现要素：

29.本发明的目的是提供一种用于在磁共振成像系统中使用的热辐射屏蔽罩，该热辐射屏蔽罩不容易受到梯度引起的机械振荡的影响。本发明的另一个目的是提供一种配备有这种热辐射屏蔽罩的磁共振成像系统。本发明的另一个目的是提供用于制造这种热辐射屏蔽罩的方法，并且本发明的又另一个目的是提供用于设计这种热辐射屏蔽罩的方法。
30.最显著的梯度线圈与磁体冷质量的相互作用发生在与包括梯度线圈、50k屏蔽罩和磁体冷质量的系统的机械共振条件相关的梯度场振荡频带内。消除或减少这些共振条件将大大减少传递到冷质量的能量的量，从而导致磁体冷质量的加热的水平降低。因此，本发明寻求通过打破50k屏蔽罩的几何对称性来减少这些共振条件。
31.如上所述，典型的热辐射屏蔽罩包括环形筒形孔管14a、外筒形壁14b和环形端壁
14c。环形端壁14c通常焊接在环形筒形孔管14a与外筒形壁14b之间以形成封闭的中空筒形室。通常，筒形孔管14a与环形端壁14c之间以及外筒形壁14b与环形端壁14c之间的焊缝可以是围绕筒形孔管14a和/或外筒形壁14b的周向连续的，或者可以是间歇的，其中，相等长度的焊缝与相等长度的间隙交错布置。焊缝的长度可以等于或者不等于间隙的长度。
32.图2和图3表示将筒形孔管14a附接至环形端壁14c以及在外筒形壁14b与环形端壁14c之间的典型焊缝布置。图2呈现了完全的示意性表示，而图3示出了这种布置的照片。间歇的焊缝30由间隙32隔开。焊缝30常规都具有相同的长度lw，而间隙32常规都具有相同的长度lg。在一些常规布置中，这些长度可以是相同的lg＝lw。焊缝长度和间隙长度的这种对称性可以鼓励形成与边缘焊缝的边界条件相匹配的特定共振模式。
33.图4表示常规热辐射屏蔽罩壁14c的径向内端的一部分。例如，弧形径向内边缘36与热辐射屏蔽罩的孔管14a的特征对准，该特征例如是内径、外径或定位脊。围绕端壁14c的内周间歇地设置有切口38。这些切口对应于完成的热辐射屏蔽罩中的焊缝30的位置，并且提供通向孔管14a和端壁14c两者的通道以进行有效焊接。
34.已发现常规热辐射屏蔽罩中的焊缝30和间隙32的布置的重复性和对称性使得能够实现端壁14c的机械共振。图5和图6示出了如在图2至图4中表示的常规热辐射屏蔽罩14的端壁14c在以选择的共振频率进行机械振荡时的共振的仿真结果。图5中示出的表示是端壁14c的基本共振频率。图6示出了端壁14c和孔管14a上的在相似频率下的共振模式。这些共振模式强烈耦合在一起，使得端壁14c中的机械共振将激发孔管14a中的对应共振模式并且反之亦然。端壁14c的这种不想要的机械激励可能被传递到热辐射屏蔽罩14的孔管14a，并且从而导致热辐射屏蔽罩的孔管14a的机械振荡，这导致成像体积内的磁场失真。
附图说明
35.根据下面参照附图对仅作为示例给出的本发明的某些实施方式的讨论，本发明的以上和其他目的、优点和特征将变得更加明显，其中：
36.图1示意性地图示了常规超导磁体的轴向横截面；
37.图2和图3表示将筒形孔管附接至环形端壁以及在外筒形壁与环形端壁之间的典型焊缝布置；
38.图4表示常规热辐射屏蔽罩壁的径向内端的一部分；
39.图5和图6示出了当在选择的共振频率下受到机械振荡时，如在图2至图4中所示的常规热辐射屏蔽罩的端壁中的共振的仿真结果；
40.图7表示根据本发明的实施方式的将筒形孔管附接至环形端壁以及在外筒形壁与环形端壁之间的焊缝布置。
具体实施方式
41.根据本发明的实施方式，超导mr磁体中的热辐射屏蔽罩14的机械共振行为通过中断热辐射屏蔽的机械对称性来适配。
42.根据本发明的实施方式的一方面，焊缝长度lw和间隙长度lg是变化的，以减少端壁在共振下振荡的趋势。图7以图2的样式示意性地图示了本发明的实施方式，其中，焊缝长度lw和间隙长度lg围绕端壁14c的内径的周向而发生变化。优选地，所有焊缝长度lw的总和
大约等于所有间隙长度lg的总和。换句话说，焊缝在端壁14c的内径的大约50％的周向上延伸。
43.长度的变化可以是随机的，由适当的计算机化随机数生成器产生。然而，由于梯度线圈将在已知频率下操作，因此存在随机长度可能无意中提供在由梯度线圈使用的频率下振荡的布置的风险。因此，优选的是设计改变的焊缝长度和间隙长度，以确保所得到的结构不具有处于或接近由梯度线圈使用的频率的共振频率。通过设计预定的、固定的焊缝和间隙布置，则类似于在图4中示出的切口的布置可以设置在每个端壁中，以使端壁14c更容易焊接至孔管14a。
44.根据本发明的实施方式，如图7中示意性地表示，热辐射屏蔽罩的端壁14c在间歇位置焊接到热辐射屏蔽罩的孔管14a，其中预定的可变长度lw的焊缝30由其他预定的可变长度lg的间隙32间隔开。
45.本领域技术人员公知的计算机模拟可以应用于预定的、固定的焊缝和间隙布置，以确定用这种焊缝布置组装的热辐射屏蔽罩是否可能以可能由梯度线圈产生的任何频率共振。可以发现，限制焊缝大小或数量的变化范围是有益的，以确保所产生的热辐射屏蔽罩在机械上是坚固的，并且在相关频率下抗共振。例如，可以限定焊缝和/或间隙的最大长度和最小长度，或长度的最大比率和最小比率，例如，最长焊缝长度lw不应超过最短焊缝长度lw的四倍，和/或类似地，对于间隙lg的长度也是如此。
46.因此，本发明的图示实施方式包括在间歇位置将热辐射屏蔽罩的端壁14c附接至热辐射屏蔽罩的孔管14a的焊缝的位置和长度的预定分布。本发明试图通过引入热辐射屏蔽罩的端壁14c至热辐射屏蔽罩的孔管14a的机械连接中的计算变化来消除机械共振。焊缝位置中的计算变化将打破特定有问题的机械共振模式的对称性，否则可能在端壁14c至辐射屏蔽罩14的孔管14a的机械连接处产生该模式，并且将消除/降低发展机械共振的潜力。
47.本发明的某些实施方式提供了一种用于超导磁体装置的热辐射屏蔽罩，该热辐射屏蔽罩包括环形筒形孔管14a、外筒形壁14b和环形端壁14c，环形端壁14c被焊接在环形筒形孔管14a与外筒形壁14b之间以形成封闭的中空筒形室，其中，将环形端壁14c附接到屏蔽罩孔管14a的焊缝的位置和长度的分布包括与变化长度lg的间隙交错布置的变化长度lw的焊缝的预定布置。
48.在本发明的某些实施方式中，将环形端壁14c附接到外筒形壁14b的焊缝的位置和长度的分布包括与变化长度lg的间隙交错布置的变化长度lw的焊缝的另一预定布置。
49.由本发明提供的焊缝的预定布置试图通过在屏蔽罩端壁14c至屏蔽罩孔管14a的机械连接中引入伪随机变化来消除由于梯度线圈相互作用的有问题的机械共振。焊缝特征的伪随机布置避免了屏蔽罩端壁14c至辐射屏蔽罩的屏蔽罩孔管14a的机械连接的对称性，并且将消除或降低在由梯度线圈产生的频率下发展机械共振的潜力。
50.屏蔽罩端壁14c上有问题的模式的消除将改变辐射屏蔽罩14的共振机械条件，并且将减少从屏蔽罩端壁14c到孔管14a的能量传递，从而降低孔管14a的激励，并且因此减少对磁体成像体积的不需要的磁场效应的引入。
51.可以以组合的方式来计算焊缝的预定伪随机布置。例如，焊缝可能有意位于有问题的机械共振模式的波腹，从而降低创建该模式的可能性。可以发现，在孔管与端壁14c之间的某些位置移除或缩短焊缝长度可以降低孔管14b机械共振的趋势。可以发现，在孔管与
端壁14c之间的某些位置附加或增加焊缝长度可以降低孔管14b机械共振的趋势。在本发明的典型实施方式中，与图2中所示的常规布置相比，提供了增加和减少焊缝长度的组合，并且发现焊缝和间隙位置的这种改变降低了端壁14c中机械共振的趋势，并且因此降低了孔管14a振动的趋势。
52.焊缝添加、移除和/或长度改变的计算的预定伪随机性减少了用于端壁14c与孔管14a之间传递的大规模机械共振的机会。由于gc相互作用在孔管14a上的机械共振的消除或减少将减少对超导磁体中成像体积的不希望的磁场影响。
53.如本发明所提供的，消除或减少通过由于梯度线圈相互作用的机械共振的模式能量传递将允许在对磁场变化高度敏感的超导磁体系统中使用较高功率的gc系统，例如光谱应用。
54.在示例性实施方式中，通过计算机模拟来识别有问题的端部旋转模式，该计算机模拟提供如在图5和图6中所示的可能的机械共振模式的指示。在计算本发明的伪随机焊接图案期间，确定焊缝的布置，以便包括在这样的频率下阻碍机械共振的焊接。优选地，识别波腹的位置，也就是特定模式的机械共振中的最大振荡幅度的位置，并且焊接图案适于抑制该位置处的机械振动幅度，从而降低完成的热辐射屏蔽罩中的机械振动模式的总振幅。优选地，识别端壁14c和孔管14a上的具有相似共振频率的模式，并且设计专门针对这些模式的焊接图案。对于这样的模式，在模式之间能量传递的可能性增加，本发明的这些实施方式可以相应地抑制这种可能性。这种实施方式的示例是240hz机械共振模式，其对于整体mri磁体中使用的这种尺寸/材料类型是典型的。通过适当选择焊缝位置，可以抑制240hz模式，从而改善磁体系统的成像和gci性能。
55.在本发明的一些实施方式中，参照常规布置，在热辐射屏蔽罩14的端壁14c与热辐射屏蔽罩14的孔管14a之间的焊缝接合部具有通过以伪随机图案增加焊缝长度lw而增加到其上的额外材料。额外增加的焊接材料的伪随机性打破了接合部的机械对称性，从而减少了由梯度线圈相互作用导致的机械共振的影响。
56.在本发明的其他实施方式中，参照常规布置，典型地通过首先不施加材料，在热辐射屏蔽罩14的端壁14c与热辐射屏蔽罩14的孔管14a之间的焊缝接合部具有从接合部移除的材料，以伪随机图案减少焊缝长度lw。去除或省略的焊接材料的伪随机性打破了接合部的机械对称性，从而减少了由梯度线圈相互作用造成的机械共振的影响。
57.可以使用计算机模拟来生成所需的焊缝添加或减少/省略的伪随机分布。该设计应避免大规模重复图案，并且应在热辐射屏蔽罩14的两个端壁14c上提供类似量的材料修改，以确保在磁体失超期间，不存在倾向于在任何特定方向上移动热辐射屏蔽罩14的净力。端壁14c到孔管14a接合部的强度通常足以承受失超力载荷。
58.焊缝添加/移除/长度改变的大小和形状根据感兴趣的频率范围而变化，其中最大能量传递减少是有利的。