一种高场大孔径磁共振成像被动屏蔽超导磁体

1.本发明属于高场磁共振成像领域，具体涉及一种高场人体磁共振成像超导磁体以及相应被动屏蔽结构设计。


背景技术：

2.磁共振成像设备从20世纪70年代问世以来，每一次技术进步都带来了生命健康领域的重大突破，已经发展成为医疗机构常见的影像设备，在人类与疾病抗争的过程中起到了巨大的诊断作用。对于人体磁共振成像，目前医疗机构常用的设备磁场强度为1.5t，部分医疗机构引入了3t人体磁共振成像设备，使得诊断精准度大为提升，更高场强的7t人体磁共振成像设备在微小病灶检测、功能成像等方面展现了强大的应用价值，但由于技术原因，尚未得到广泛普及，目前全球范围内只有德国西门子公司和美国通用电气公司拿到了该设备的医疗注册证。
3.自2006年美国明尼苏达大学发布第一张人体9.4t磁共振图像以来，高场磁共振成像显著的信噪比和分辨率优势支撑了众多原创性的发现。采用9.4t强磁场，磁共振图像分辨率能够达到百微米量级，可以提供精细的组织结构信息，使得在低场磁共振设备上无法认清的生理病变能够得到准确诊断；9.4t高场磁共振还能够对人体丰度较低的非氢核进行成像，譬如对na
23
，k
39
，p
31
等核素进行成像，从而跟踪人体代谢产物转化过程，这项功能是研究诸如阿兹海默综合征、帕金森病等神经退行性疾病的重要手段。
4.截止目前，世界范围内仅有几家研究机构具有开发9.4t人体磁共振成像技术的能力，其中包括美国伊利诺伊大学芝加哥分校，美国明尼苏达大学，德国马普研究所，德国于利希国家实验室，另外中国科学院生物物理研究所也装配了一台9.4t人体磁共振成像装备，这些磁共振成像系统中的核心部件超导磁体全部供应自英国特斯拉工程有限公司。高场大孔径超导磁体的极高技术难度限制了高场磁共振成像技术的广泛应用。
5.中国专利cn102136337b公布了高磁场高均匀度核磁共振超导磁体系统，磁体温孔直径为800mm，中心磁场强度为9.4t，其中磁体线圈结构包含5组主线圈，骨架独立支撑，主线圈外周包含5个补偿线圈，其中2个端部补偿线圈通正向电流，中部3个补偿线圈通反向电流，以此来补偿线圈磁场均匀度，磁体屏蔽结构采用圆筒形状和固定架，该超导磁体设计存在的一些非优越特征在于：磁体温孔直径偏小，磁体长度较大，调整线圈中存在反向线圈，导致超导线材用量增加，磁体屏蔽结构采用圆筒状加工比较困难；欧洲专利ep1991887b1公布了高场磁共振的一系列成像理论，包含9.4t人体磁共振成像的装置性能和技术特征，但尚未公开超导磁体设计结构。


技术实现要素：

6.对比中国专利cn102136337b，本发明提出了一种高场大孔径磁共振成像超导磁体的新的设计方案，磁体温孔直径不低于850mm，中心磁场强度不低于9.4t，中心区域直径500mm球形范围内磁场均匀度峰峰值不超过10ppm，消除了专利cn102136337b调整线圈中的
反向线圈，同时扩大了磁体温孔直径，缩短了磁体长度。磁体屏蔽采用六面体结构，并根据磁体磁场分布特点对屏蔽层进行了结构优化，提高屏蔽结构的性价比。
7.本发明的技术方案为：一种高场大孔径磁共振成像被动屏蔽超导磁体，包括主线圈和调整线圈以及磁体屏蔽房，主线圈和调整线圈放置于磁体屏蔽房中；
8.其中主线圈由4个长螺线管线圈嵌套在一起组成，4个长螺线管线圈同轴、同中心，长度相等，其中由内到外4个线圈分别为第一、第二、第三、第四线圈，分别采用独立的骨架进行支撑，第四线圈包括第一子线圈和第二子线圈，第一子线圈位于内层，其外周缠绕绝缘膜后绕制外层的第二子线圈，第一、第二子线圈采用共同的骨架进行支撑；
9.调整线圈包含4个短螺线管线圈，位于主线圈外周，沿轴向排列，其中内侧2个线圈即第五线圈和第六线圈关于主线圈中心面对称分布，且外侧2个线圈即第七线圈和第八线圈关于主线圈中心面对称分布，采用共同的骨架进行支撑；所有线圈电流方向相同，采用矩形截面nbti超导线绕制，串联连接构成闭合回路；
10.所述磁体屏蔽房采用六面体结构，关于磁体对称分布，其中环绕磁体周向的四个屏蔽层呈现中间厚，往端部逐级变薄的分布特征，沿磁体轴向的端部屏蔽层厚度一致，中间设置开口，屏蔽房用硅钢片制作。
11.有益效果：
12.本发明提出的高场大孔径磁共振成像超导磁体是9.4t人体磁共振成像超导磁体的一种新型设计方案，设计的温孔直径为850mm，和现行常用的1.5t、3t、7t人体磁共振成像超导磁体温孔直径一致，便于后期安装全身梯度线圈和射频线圈，最终形成600mm的标准检测孔径。本发明采用补偿磁场优化设计方法，用调整线圈不仅提升中心磁场强度，而且提高磁体中心区域的磁场均匀度，即通过调整线圈将磁场贡献小于9.4t的主线圈的磁场强度进一步提升，以达到9.4t的中心磁场强度设计需求，同时通过优化调整线圈的位置，将磁体中心区域的磁场均匀度得到大幅度提高，以满足直径500mm球形均匀区内磁场均匀度峰峰值小于10ppm的设计需求。本发明中的屏蔽房采用六面体结构，可采用硅钢片堆叠的方式进行建造，操作简易，屏蔽层的厚度变化规律依照磁体磁场分布确定，具有较高的性价比。
附图说明
13.图1为本发明超导磁体横截面结构；
14.图2为本发明超导磁体线圈空间位置；
15.图3为本发明超导磁体屏蔽结构(3/4模型)；
16.图4为本发明的一种超导磁体线圈在中心区域产生的磁场强度分布，单位为t；
17.图5为本发明的一种超导磁体线圈在中心区域产生的磁场均匀度分布，单位为ppm；
18.图6本发明的一种超导磁体线圈内磁场强度分布，单位为t；
19.图7为本发明的一种超导磁体线圈内环向电磁应力分布，单位为mpa；
20.图8为本发明的一种超导磁体的5高斯线分布，其中图8a为本发明的一种超导磁体非屏蔽条件下的5高斯线分布，图8b为本发明的一种超导磁体采用本发明的一种屏蔽结构后的5高斯线分布。
21.附图标记说明：1为第一线圈、2为第二线圈、3为第三线圈、4a为第四线圈的第一子
线圈、4b为第四线圈的第二子线圈，5为第五线圈、6为第六线圈、7为第七线圈、8为第八线圈、9为液氦容器、10为冷屏、11为真空容器、12为超导磁体温孔、13为超导磁体屏蔽房。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
23.如图1所示，本发明一种高场大孔径磁共振成像超导磁体，线圈内直径不低于940mm，线圈长度不超过2800mm，包含液氦容器9、冷屏10、真空容器11后，超导磁体温孔12直径不低于850mm，磁体长度不超过3500mm，后期安装全身磁共振成像梯度线圈和射频线圈后，预计可用检测孔径为600mm，和现有通用磁共振成像系统检测孔径相当。超导磁体中心磁场强度不低于9.4t，在中心区域直径500mm球形范围内磁场均匀度峰峰值不超过10ppm。
24.超导磁体线圈包含主线圈和调整线圈，如图2所示，其中主线圈从内到外共有第一～第四4个线圈，线圈嵌套在一起，长度相等，每个线圈由独立的铝合金骨架支撑，其中第一线圈1、第二线圈2、第三线圈3、第四线圈采用不同规格的导线绕制，导线电流临界性能逐渐降低，实现各线圈在径向的电流密度分级和电流裕度平均分布，第四线圈包含两个子线圈：第一子线圈4a和第二子线圈4b，采用不同规格的导线绕制，其中第一子线圈4a绕制在线圈骨架上，然后在第一子线圈4a外周缠绕绝缘膜，再进行第二子线圈4b的绕制，两个子线圈共用一个线圈骨架，构成一个整体的第四线圈；
25.调整线圈包括第五线圈5、第六线圈6、第七线圈7、第八线圈8位于主线圈外周，用一个铝合金骨架支撑，其中第五线圈5、第六线圈6位于内侧，与主线圈中心平面呈对称分布，第七、第八线圈7、8位于外侧，与主线圈中心平面呈对称分布；第一～第四线圈、第五～八线圈包含相应骨架构成五个套筒结构，层层嵌套在一起。超导磁体所有主线圈和所有调整线圈电流方向相同，采用截面为矩形的nbti超导线绕制，然后串联在一起，构成闭合回路。
26.超导磁体采用被动屏蔽约束杂散磁场，超导磁体屏蔽房结构如图3所示。超导磁体屏蔽房13为六面体形状，两端设置有开口，用于人员进出，磁体居于屏蔽房的正中间，屏蔽房的各屏蔽层关于磁体对称分布，其中环绕磁体周向的四个屏蔽层呈现中间厚，往端部逐级变薄的分布特征，沿磁体轴向的端部屏蔽层厚度一致，中间无封闭。屏蔽房用硅钢片堆叠的方式进行建设。
27.本发明的采用第一～第八线圈共同作用，在中心区域产生的磁场分布如图4所示，内部磁场非常均匀，磁场强度位图十分平坦，四周磁场强度出现波动。
28.本发明的一种超导磁体中心区域的磁场均匀度分布如图5所示，其中圆形内部代表直径500mm的均匀区，越往圆形内部，曲线上的数值越小，代表磁场均匀度越高，越往外部，曲线上的数值越大，代表磁场均匀度越低。
29.本发明的一种超导磁体线圈内的磁场强度分布如图6所示，曲线上的数值代表线圈相应部位的磁场强度，线圈整体上内部磁场强度高，外部磁场强度低。
30.本发明的一种超导磁体线圈内的环向应力分布如图7所示，其中mx和mn分别代表
最大环向应力和最小环向应力，线圈内的最大环向应力位于第二线圈，线圈内的最小环向应力位于第七、第八线圈。
31.本发明的一种超导磁体的5高斯线分布如图8所示，其中图8a为本发明的一种超导磁体非屏蔽条件下的5高斯线分布，图8b为本发明的一种超导磁体采用本发明的一种屏蔽结构后的5高斯线分布。超导磁体在非屏蔽条件下5高斯线轴向位于
±
24m，径向位于
±
19m，采用屏蔽结构后，5高斯线轴向大致位于
±
10m，径向大致位于
±
6m。
32.本发明所述磁体类型的一个案例磁体线圈内直径为960mm，主线圈长度为2709mm，磁体中心磁场强度为9.4t，中心区域直径500mm球形范围内磁场均匀度峰峰值为9.6ppm。磁体绕制参数如表1所示，其中z1、z2分别为线圈矩形截面的左端、右端，即轴向左坐标和右坐标，r1、r2分别为线圈矩形截面的下端和上端，即内半径和外半径，w为导线宽度，h为导线厚度，n(z)为导线轴向匝数，n(r)为导线径向匝数，所有线圈电流方向相同。
33.表1 9.4t人体磁共振成像超导磁体绕制参数
[0034][0035]
磁体运行参数如表2所示。
[0036]
表2 9.4t人体磁共振成像超导磁体运行参数
[0037]
中心磁场强度9.4t磁场均匀区500mm磁场均匀度(峰峰值)9.6ppm运行电流234.8938a最大磁场强度9.7869t最大环向应力137mpa电感4773.1h磁能131.7mj
[0038]
磁体线圈内的最大磁场强度和环向应力如表3所示。
[0039]
表3 9.4t人体磁共振成像超导磁体线圈内最大磁场强度和最大环向应力
[0040]
线圈最大磁场强度最大环向应力19.7869t106mpa28.7017t137mpa37.1438t121mpa4a5.9316t125mpa
4b5.8375t134mpa52.5669t39.2mpa62.5669t39.2mpa75.7787t43.2mpa85.7787t43.2mpa
[0041]
本发明所述磁体类型的一个屏蔽房结构为：左右长12000mm，上下高5000mm，前后宽7000mm，其中左右屏蔽层厚度为50mm，中间开口宽2000mm、长2500mm；上下屏蔽层中间3000mm范围内厚度为400mm，往两端各延伸1500mm范围内厚度为250mm，再各延伸3000mm至端部范围内厚度为50mm；前后屏蔽层中间3000mm范围内厚度为450mm，往两端各延伸1500mm范围内厚度为200mm，再各延伸3000mm至端部范围内厚度为50mm。所用硅钢片饱和磁感应强度为2.1t，整体硅钢片使用量420吨左右。
[0042]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。