开放式自屏蔽磁共振成像超导磁体的制作方法

本发明涉及一种用于磁共振全身成像领域的超导磁体，特别涉及一种开放式自屏蔽型超导磁体。

背景技术：

磁场均匀度是核磁共振成像(MRI)系统中最为重要的指标之一，其大小反映了MRI系统中磁体性能的优劣。一般要求在可容纳人体宽度的40cm球域成像空间内磁场的峰峰值不均匀度应小于10ppm(百万分之一)。通过设计具有较高均匀度的磁体以及使用匀场技术实现高均匀度磁场，如铁片匀场、室温线圈匀场、低温线圈匀场等。

一般的核磁成像磁体为管道形，可以提供较高的磁场均匀度。但是管道形磁体给患者产生密闭感，部分患者会因此产生幽闭恐惧症。虽然近年来通过将管道的长度缩短产生一些短腔磁体结构，但是仍然无法满足开放性的要求。此外，管道形成像磁体只能用于医学成像，无法进行实时的医学诊疗，即介入治疗。从介入治疗以及医学诊断技术的发展来看，需要一种处于更加开放及紧凑的磁体以适应医学介入治疗的需要。介入治疗一般需要满足垂直间隙最小处大于0.5米，以便于患者进入磁场区，垂直间隙最大处大于0.75米，以便于放置一些医疗探测装置，此外为了便于医生从磁体外部进行手术操作，磁体的外径最大处一般需小于1.5米。

因此需要开发具有大开放空间的紧凑型全身成像超导磁体，一方面给患者提供更广阔的视野，另一方面也给医生提供实时治疗的操作空间。

当前的完全开放式磁共振成像产品以永磁磁体为主，提供1T以下的中心磁场，或者是超导磁体提供主磁场、铁磁磁体提供磁屏蔽及匀场的超导铁磁磁体。开放式全身成像磁体通常采用“C”形悬臂式或“Π”型立式结构，外直径一般大于2米。WO/2007/094844提供了一种开放式磁共振成像的永磁磁体结构，中心磁场可达1T。WO/1998/007362提供了一种双面结构的磁共振成像永磁磁体。中国专利CN302850947S提供了一种两立柱开放式Π型超导铁磁型磁共振磁体。开放式永磁成像磁体以及开放式超导铁磁型成像磁体的主要问题是，漏磁产生的杂散场空间很大，为了避免损坏周围电气设备，需要重量和体积都很大的铁扼机构来收缩杂散场空间，从而导致医院安装以及医生操作的困难；而且对永磁磁体而言，其产生的磁场强度也较低，一般低于0.7T，成像清晰度较低。

少数公司和科研院所也发展了开放式磁共振成像超导磁体。对于开放式结构，全超导磁体的超导线圈的空间分布受到限制只能采用分离式，即由多对关于均匀区对称分布的超导线圈组成，这种结构往往在磁体加工安装后很难获得很好的磁场均匀度，为了获得高均匀度磁场用于成像，需要更多的匀场装置，占据更多的使用空间，且还需花费更多时间进行匀场操作。如日立公司和飞利浦公司的相关产品。飞利浦公司的中国专利CN02824552只采用一对超导线圈的开放式磁体结构，这需要后续使用很多铁磁匀场片来修正磁场的不均匀度。中国专利CN102360690A采用5对超导线圈，磁场均匀度较高，但内部结构复杂不利于制造，且外直径大于2米，不利于医生的介入式手术治疗。

采用全超导线圈的开放式磁共振成像磁体的另外的难题是：磁屏蔽使磁体制造成本和技术难度加大。对于采用铁磁屏蔽的开放式超导磁体结构而言，加入铁磁屏蔽以后磁体系统过于庞大。而采用主动屏蔽的开放式超导磁体，最高场和中心场比值一般较大，为了避免在超导线圈内产生高磁场，超导磁体一般设计的外径较大，且上下极间隙较小，这又使磁体体积变大同时开放性变差，从而不利于医生的手术操作等介入式治疗，因此需要发明新的磁体结构来克服这种问题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有磁共振超导磁体系统体积大、开放性不足，以及磁场均匀度不高的问题，提出一种开放式自屏蔽超导磁体。本发明开放式的超导磁体结构可获得较大的开放空间，较小的磁体尺寸，较高的磁场均匀度，较弱的杂散场，适合于医疗诊断，尤其是介入治疗使用。

本发明超导磁体由四对超导线圈组成，四对超导线圈沿z坐标上下布置，关于中心对称。所述的四对超导线圈包括一对平面指纹匀场线圈组，一对第一主磁场线圈，一对第二主磁场线圈和一对屏蔽线圈。平面指纹匀场线圈组布置在离中心点最近处，向外依次布置有第一主磁场线圈和第二主磁场线圈，屏蔽线圈布置在最外层。四对超导线圈置于同一低温杜瓦中。

第一主磁场线圈和第二主磁场线圈通正向电流，提供主磁场强度。屏蔽线圈通反向电流，产生和主磁场反向的磁场，以抵消磁体对外部空间的杂散磁场，使得磁体的5G包络线范围较小。平面指纹匀场线圈组包含轴向一阶至三阶线圈、径向一阶线圈、径向二阶线圈和径向三阶线圈共15组有源匀场线圈，15组有源匀场线圈采用层层叠放的形式置于对称空间位置。根据第一主磁场线圈、第二主磁场线圈与屏蔽线圈的空间几何位置、尺寸大小及中心区域的磁场强度，确定平面指纹匀场线圈组的各阶匀场线圈的匀场强度、超导线规格以及电流大小，对中心区域的磁场进行补偿，提高磁体在球形区域的磁场均匀度。

本发明磁体可以采用低温或高温超导线材实现，并具备以下性能特点：

(1)在360毫米成像空间内，不均匀度可小于1ppm，能够满足全身成像要求。

(3)当中心磁场为1.5T时，5高斯杂散场分布在径向小于5米，轴向约为4.8米的椭球域范围内，因此具有较好的电磁兼容性。

(4)整个磁体结构紧凑，最大线圈直径小于1.4m，线圈两极之间最小距离大于0.5米，非常有利于医生手术介入治疗，且磁体对于场地空间要求不高。线圈两极之间最大距离大于0.75米，且大于0.75米的区域直径大于1.1米，不受肥胖病人体形的限制，同时还可用于放置其它小型医疗装置。

(5)由于采用平面指纹匀场线圈组，且该线圈组采用超导线材绕制，可以通载大于100A的较大电流，因此具有很强的匀场能力，完全可以代替后续的铁片匀场操作，减少了铁片匀场所使用空间，简化了铁片匀场的繁琐操作。

附图说明

图1开放式紧凑型高均匀度超导线圈的电磁结构图，1平面指纹匀场线圈组，2第一主磁场线圈，3第二主磁场线圈，4屏蔽线圈；

图2为有源匀场线圈示意图，其中图2a为轴向线圈，图2b为径向线圈；

图3为本发明磁体的工程剖视图；

图4为直径360mm的成像空间内磁场均匀度等位线分布；

图5为中心磁场1.2T时，磁体系统的5高斯线的分布图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示是本发明开放式磁共振磁体的结构。如图1所示，本发明由关于中心对称的4对超导线圈组成，包括平面指纹匀场线圈组1，第一主磁场线圈2，第二主磁场线圈3和屏蔽线圈4。平面指纹匀场线圈组1布置在距离中心点最近处，向外依次布置有第一主磁场线圈2，第二主磁场线圈3，屏蔽线圈4位于最外层。第一主磁场线圈2和第二主磁场线圈3共同提供主磁场，屏蔽线圈4产生和主磁场反向的磁场，以抵消主磁体在外空间产生的杂散磁场，从而获得磁体的5G包络线范围较小。平面指纹匀场线圈组1包含15组有源匀场线圈，分别为：轴向一阶线圈Z1、轴向二阶线圈Z2、轴向三阶线圈Z3，两组径向一阶线圈X、Y，四组径向二阶线圈ZX、ZY、X2-Y2、XY，六组径向三阶线圈Z2X、Z2Y、Z(X2-Y2)、ZXY、X3、Y3，各阶线圈采用层层叠放的形式置于对称空间位置。图2为有源匀场线圈示意图，其中图2a是轴向线圈，图2b是径向线圈。根据实测磁场分布，对各组指纹匀场线圈通以不同大小和方向的电流，对中心区域的磁场进行补偿，以提高磁体在球形区域的磁场均匀度。

图3是本发明磁体的工程剖视图，第一主磁场线圈2之间的柱形空间较大，其柱形空间的垂直长度860毫米，直径1120毫米，第二主磁场线圈3之间的柱形空间最小，其柱形空间的垂直长度560毫米，直径1280毫米；所有线圈中，第二主磁场线圈3的直径最大，仅为1280毫米，因此该超导磁体具有较大空间开放性和紧凑的线圈结构，完全满足介入治疗的要求。

图4是成像空间直径为360mm的磁场均匀度计算结果。在区域边缘不均匀度约为1.5ppm，表明本发明磁体能够提供合理的均匀磁场作为医学核磁共振成像使用。

图5为本发明磁体的5高斯线的分布特性，当中心磁场为1.2T时，5高斯杂散场分布在径向小于3.1米，轴向小于5米的椭球域范围内。

在小于1.2T使用时，本发明磁体可以采用NbTi超导线材绕制，通过使用NbTi相嵌导体(WIC)实现，超导线总用量小于300kg。