本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體設(shè)備，以及一種包括這樣的超導(dǎo)磁體設(shè)備的磁共振成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在超導(dǎo)磁體領(lǐng)域中，已知采用具有少量甚至沒有低溫液體(例如液氦)的冷卻技術(shù)。這種類型的超導(dǎo)磁體通常被稱作“無制冷劑磁體”，并且具有幾乎不包含或消耗氦的明顯優(yōu)勢。但是，由于缺少低溫液體庫，無制冷劑磁體的熱緩沖能力有限。美國專利US 5410286公開了一種低溫制冷機(jī)冷卻的超導(dǎo)磁體，其具有與包括超導(dǎo)導(dǎo)線的磁體盒接觸的熱緩沖組件。該已知的熱緩沖組件經(jīng)由通氣充/放系統(tǒng)耦合到He源以及環(huán)境空氣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

希望提供一種具有在低溫溫度的經(jīng)改進(jìn)的熱緩沖能力的無制冷劑超導(dǎo)磁體。

在本發(fā)明的一個方面中，通過一種超導(dǎo)磁體設(shè)備實現(xiàn)該目的，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備包括：

-具有臨界溫度的超導(dǎo)導(dǎo)線的至少一個線圈繞組，所述至少一個線圈繞組被配置用于生成靜態(tài)磁場；

其中，所述至少一個線圈繞組適于建立與低溫制冷機(jī)的冷頭的熱傳導(dǎo)接觸，所述低溫制冷機(jī)的所述冷頭被配置用于將所述至少一個線圈繞組帶到并保持在低于所述臨界溫度的溫度處；以及

-至少一個氣密容器，其以流體隔離的方式永久地含有一定量的氦，其中，所述至少一個氣密容器與所述至少一個線圈繞組熱傳導(dǎo)地接觸，以用于從處于至少一個操作狀態(tài)中的所述至少一個線圈繞組中拾取熱能量。

如在本申請中使用的短語“永久地含有”應(yīng)該被具體理解為所述至少一個氣密容器不包括任何種類的任何通風(fēng)供應(yīng)，使得在填充之后所述一定量的氦在所述氣密容器的壽命期間永遠(yuǎn)不變。亦即，所述一定量的氦在所述氣密容器中與用于將所述超導(dǎo)導(dǎo)線冷卻到所述臨界溫度之下的冷卻液(如果有的話)流體隔離。

在低溫溫度處(例如低于10K)，氦氣的比熱容(即每單位質(zhì)量的熱容量)超過大多數(shù)金屬的比熱容許多數(shù)量級(例如，對于鋁，該因子在4K處大約是30000)。

當(dāng)被加熱到室溫時，所述一定量的氦將建立所述氣密容器需要采取的超壓。例如：

填充1kg/m³氦得到在300K處的6bar的氣體壓力，并且從4K到5K得到5kJ/m³的焓變化。在4K處，填充是氣態(tài)的，達(dá)到100％。

填充10kg/m³氦得到在300K處的64bar的氣體壓力，并且從4K到5K得到50kJ/m³的焓變化。在4K處，填充是氣態(tài)的，達(dá)到100％。

填充100kg/m³氦得到在300K處的866bar的氣體壓力，并且從4K到5K得到500kJ/m³的焓變化。在4K處，填充是超臨界的。

因此，在適合的實施例中，通過由所述至少一個氣密容器提供的額外的熱容量，能夠針對諸如斷電、低溫制冷機(jī)的冷卻液缺乏、低溫制冷機(jī)維護(hù)或低溫制冷機(jī)的可恢復(fù)故障的事件而實現(xiàn)基本量的不間斷運(yùn)行(ride-through)時間。由此，在任何這樣的事件發(fā)生時作為安全預(yù)防措施的靜態(tài)磁場的斜降以及后續(xù)消時的、由所述超導(dǎo)磁體設(shè)備生成的所述靜態(tài)磁場的斜升能夠被省略。

優(yōu)選地，所述至少一個氣密容器含有一定量的氦，所述一定量的氦等價于在室溫處利用50bar到500bar的加壓氦氣的填充。

此外，由所述至少一個氣密容器提供的所述額外的熱容量能夠允許暫時超過所述低溫制冷機(jī)的所述冷頭的冷卻能力。結(jié)果，能夠不針對例如由部件的暫時操作生成的峰值熱負(fù)荷來設(shè)計所述低溫制冷機(jī)的所述冷頭的所述冷卻能力，而是針對在時間常數(shù)上進(jìn)行平均的熱負(fù)荷來進(jìn)行設(shè)計。通過所述至少一個氣密容器的所述額外的熱容量以及從熱生成的源頭到所述至少一個氣密容器的路徑上的熱傳導(dǎo)性來確定所述時間常數(shù)。由此，與不具有所述至少一個氣體類型容器相比，能夠?qū)⒕哂懈偷睦鋮s能力的低溫制冷機(jī)用于相同的目的。

在優(yōu)選實施例中，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備還包括至少一個超導(dǎo)部件，所述至少一個超導(dǎo)部件不同于所述至少一個線圈繞組并具有臨界溫度，其中，所述至少一個氣密容器是流體隔離的并且與所述至少一個超導(dǎo)部件熱傳導(dǎo)地接觸，以用于在至少一個操作狀態(tài)中從所述至少一個超導(dǎo)部件拾取熱能量。如在本申請中使用的短語“超導(dǎo)部件”具體包括其它超導(dǎo)線圈繞組、超導(dǎo)接頭和超導(dǎo)開關(guān)。由此，既能夠為所述至少一個線圈繞組也能夠為所述超導(dǎo)磁體設(shè)備的嚴(yán)重依賴?yán)鋮s的另一超導(dǎo)部件提供額外的熱容量。在發(fā)生諸如斷電、低溫制冷機(jī)的冷卻液缺乏、低溫制冷機(jī)維護(hù)、低溫制冷機(jī)的可恢復(fù)故障的事件、或者危害所述至少一個線圈繞組和另一超導(dǎo)部件的超導(dǎo)功能的任何其他事件時，能夠由此實現(xiàn)進(jìn)一步的安全余裕，用于對在發(fā)生任何這樣的事件時作為安全預(yù)防措施的靜態(tài)磁場的斜降的省略。

在另一優(yōu)選實施例中，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備包括至少兩個氣密容器，所述至少兩個氣密容器以流體隔離方式永久地含有一定量的氦，其中，所述兩個氣密容器中的一個氣密容器與所述至少一個線圈繞組熱傳導(dǎo)地接觸，以用于從處于至少一個操作狀態(tài)中的所述至少一個線圈繞組中拾取熱能量；并且所述兩個氣密容器中的另一個氣密容器與所述至少一個超導(dǎo)部件熱傳導(dǎo)地接觸，以用于從處于至少一個操作狀態(tài)中的所述至少一個超導(dǎo)部件中拾取熱能量。由此，能夠通過改變含在具有獨(dú)立尺寸的所述至少兩個氣密容器中所述一定量的氦，分別根據(jù)所述超導(dǎo)部件中的所述超導(dǎo)線圈繞組的獨(dú)立的冷卻要求來特別地設(shè)計所提供的額外的熱容量。

在另一優(yōu)選實施例中，含在所述至少一個氣密容器中的所述一定量的氦(即填充)的范圍在25kg/m³與35kg/m³之間。在該范圍的填充中，在室溫(大約300K)處的氣體壓力大約是200bar。在4.2K的溫度處，氣體壓力大約是1bar，并且所述氣密容器含有液態(tài)氦和氣態(tài)氦的混合物。由此，由于采用一定量的液態(tài)氦的蒸發(fā)的潛熱，所以能夠提供更大量的熱容量。

在又一優(yōu)選實施例中，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備包括多個氣密容器，所述多個氣密容器中的每個氣密容器含有獨(dú)立的量的氦，其中，所述氣密容器與所述至少一個線圈繞組和不同于所述至少一個線圈繞組的所述至少一個超導(dǎo)部件中的至少一個熱傳導(dǎo)地接觸。由此，基于獨(dú)立的冷卻要求，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備的所有超導(dǎo)部件都能夠被提供有在低于其臨界溫度的低溫溫度處的額外的熱容量。能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步的安全余裕，以省略在發(fā)生諸如斷電、低溫制冷機(jī)的冷卻液缺乏、低溫制冷機(jī)維護(hù)、低溫制冷機(jī)可恢復(fù)故障等防護(hù)時作為安全預(yù)防措施的所述靜電場的斜降。

優(yōu)選地，所述至少一個氣密容器或所述多個氣密容器中的所述氣密容器基本由輕量金屬制成。如在本申請中使用的短語“基本”應(yīng)該被具體理解為多于50％。這還具體包括所述氣密容器完全(100％)由輕量金屬制成的情況。

如在本申請中使用的短語“輕量金屬”應(yīng)該被具體理解為包括具有小于或等于5.0g/cm³、更優(yōu)選地小于或等于3.0g/cm³的特定質(zhì)量密度的金屬。輕量金屬的范例是鈦及其合金，以及純鋁和包括鎂、鋰和鈹中至少一種的鋁合金。原則上，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為適合的其它輕量金屬也可以被用作用于所述氣密容器的材料。

在另一實施例中，所述多個氣密容器是利用固體基質(zhì)來保持的。在一個實施例中，含在所述至少一個氣密容器中的所述一定量的氦可以在所述多個氣密容器之間分配，同時所述一定量的氦的質(zhì)量與所述多個氣密容器的總質(zhì)量的比率獨(dú)立于氣密容器的尺寸。因此，可以獲得具有在低溫溫度(例如小于10K)處的非常高的熱容量的復(fù)合材料。此外，當(dāng)熱傳播通過較小厚度的材料時，通過這樣的復(fù)合材料能夠?qū)崿F(xiàn)較快的熱擴(kuò)散。這樣的復(fù)合材料的另一優(yōu)勢在于所述超導(dǎo)磁體設(shè)備可能落入關(guān)于壓力容器規(guī)則的較低類別中(按照氣體的壓力和體積的乘積)，從而在這方面能夠減少用于符合安全規(guī)則的努力。

在一個實施例中，所述低溫制冷機(jī)的至少一個冷頭具有4K的標(biāo)稱操作溫度。與氦在關(guān)于該標(biāo)稱操作溫度的溫度方案中的屬性相結(jié)合，能夠為所述超導(dǎo)磁體設(shè)備提供有效的熱緩沖。

在本發(fā)明的另一方面中，提供了所公開的超導(dǎo)磁體設(shè)備中的一個的實施例或其組合，其中，超導(dǎo)導(dǎo)線的所述至少一個線圈繞組與低溫制冷機(jī)的所述冷頭熱傳導(dǎo)地接觸，所述低溫制冷機(jī)的所述冷頭被配置用于將所述至少一個線圈繞組帶到并保持在低于臨界溫度的溫度處。

在一個實施例中，所述超導(dǎo)磁體設(shè)備被提供用作磁共振成像系統(tǒng)的主磁體，并且所述超導(dǎo)磁體設(shè)備被配置用于在所述磁共振成像系統(tǒng)的檢查空間中生成靜態(tài)磁場。

在本發(fā)明的又一方面中，提供了一種磁共振成像系統(tǒng)，其被配置用于從感興趣對象的至少一部分中采集磁共振圖像，并且包括所公開的超導(dǎo)磁體設(shè)備中的一個的實施例或其組合。

附圖說明

參考下文描述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將是顯而易見的，并且將參考下文描述的實施例對本發(fā)明的這些和其他方面進(jìn)行說明。然而，這樣的實施例不必表示本發(fā)明的全部范圍，并且因此，在本文中參考權(quán)利要求來解釋本發(fā)明的范圍。

在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)磁體設(shè)備的示意性設(shè)置；

圖2示意性地圖示了根據(jù)圖1的超導(dǎo)磁體設(shè)備的細(xì)節(jié)；

圖3相對于永久地含有30kg/m³的氦填充的氣密容器中的溫度分別圖示了壓力狀況和焓；并且

圖4示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)磁體設(shè)備的備選實施例；

附圖標(biāo)記

10 磁共振成像系統(tǒng)

12 掃描器單元

14 超導(dǎo)磁體設(shè)備

16 線圈繞組

18 中心軸

20 檢查空間

22 感興趣對象

24 磁梯度線圈系統(tǒng)

26 控制單元

28 射頻天線設(shè)備

30 射頻發(fā)送器

32 發(fā)送/接收開關(guān)

34 視頻屏蔽

36 患者臺

38 冷頭

40 氣密容器

42 超導(dǎo)接頭

44 超導(dǎo)開關(guān)

46 超導(dǎo)磁體設(shè)備

48 氣密容器

50 基質(zhì)

52 電源

具體實施方式

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的包括超導(dǎo)磁體設(shè)備14的磁共振成像系統(tǒng)10的示意性部分視圖。超導(dǎo)磁體設(shè)備14包括超導(dǎo)導(dǎo)線的四個圓形線圈繞組16₁-16₄(圖2)，其由具有大約9.2K的臨界溫度的電絕緣鈮-鈦組成。四個線圈繞組16₁-16₄被垂直于公共中心軸18布置。超導(dǎo)磁體設(shè)備10配置用作磁共振成像系統(tǒng)10的主磁體，并且特別用于在磁共振成像系統(tǒng)10的掃描器單元12的檢查空間20中生成靜態(tài)磁場B₀，接著所述磁共振成像系統(tǒng)10被配置用于從感興趣對象22的至少一部分中采集磁共振圖像。磁共振成像系統(tǒng)10還包括磁梯度線圈系統(tǒng)24，其被配置用于生成疊加到靜態(tài)磁場B₀的梯度磁場。

此外，磁共振成像系統(tǒng)10包括射頻天線設(shè)備28，其被設(shè)計為圓柱全身線圈，所述圓柱全身線圈被提供用于將射頻激勵場B₁施加到感興趣對象22的核或感興趣對象22內(nèi)的核，以在射頻傳輸時間段期間進(jìn)行磁共振激勵，從而激勵感興趣對象22的核或感興趣對象22內(nèi)的核以用于磁共振成像的目的。為此，射頻功率由磁共振成像系統(tǒng)10的控制單元26控制并經(jīng)由發(fā)送/接收開關(guān)32從射頻發(fā)送器30被饋送到全身線圈。所述全身線圈具有中心軸，并且在操作狀態(tài)中被同心地布置在超導(dǎo)磁體設(shè)備的腔內(nèi)，使得全身線圈的中心軸與超導(dǎo)磁體設(shè)備的中心軸18相一致。如本領(lǐng)域中公知的，圓柱金屬射頻屏蔽34被同心地布置在磁梯度線圈系統(tǒng)24與全身線圈之間。

全身線圈還被提供用于在射頻接收階段期間從已經(jīng)由所發(fā)送的射頻場B₁激勵的感興趣對象22的核或感興趣對象22內(nèi)的核接收磁共振信號。所接收的磁共振信號從全身線圈經(jīng)由發(fā)送/接收開關(guān)32而被傳遞到控制單元26的信號處理單元，所述控制單元26還被配置用于控制磁共振成像系統(tǒng)10的另外的功能。在磁共振成像系統(tǒng)10的操作狀態(tài)中，射頻發(fā)送階段和射頻接收階段以連續(xù)的方式進(jìn)行。

此外，磁共振成像系統(tǒng)10包括患者臺36，以用于支撐感興趣對象22并用于將感興趣對象22定位在檢查空間20內(nèi)。磁共振成像系統(tǒng)10的所有這些部件在磁共振成像領(lǐng)域中都是公知的，并且因此在本文中不再詳細(xì)討論也不在附圖中示出。

如圖1和圖2的詳細(xì)視圖所示，超導(dǎo)磁體設(shè)備14還包括超導(dǎo)部件42₁-42₅、44，其不同于超導(dǎo)導(dǎo)線的四個線圈繞組16₁-16₄。三個超導(dǎo)部件被設(shè)計為超導(dǎo)接頭42₁-42₃，其連接四個線圈繞組16₁-16₄的不同線圈繞組的端部，從而為電流提供流過所有四個線圈繞組16₁-16₄的超導(dǎo)路徑。一個超導(dǎo)部件被設(shè)計為超導(dǎo)開關(guān)44，其通過兩個或更多個超導(dǎo)接頭42₄-42₅并聯(lián)地電連接到四個超導(dǎo)線圈繞組16₁-16₄，從而允許在如本領(lǐng)域公知地使由電源52通過全部四個線圈繞組16₁-16₄提供的電流斜升之后以持久模式操作超導(dǎo)磁體設(shè)備14的超導(dǎo)線圈繞組16₁-16₄。超導(dǎo)開關(guān)和超導(dǎo)接頭已知相對于未受干擾的超導(dǎo)導(dǎo)線具有關(guān)于超導(dǎo)性的劣化的屬性，并且因此已知需要特別注意冷卻。

超導(dǎo)導(dǎo)線的四個線圈繞組16₁-16₄與被廣泛用于磁共振成像中的Gifford-McMahon(GM)型低溫制冷機(jī)的階段的冷頭38熱傳導(dǎo)地接觸(圖2)。GM低溫制冷機(jī)被配置用于使超導(dǎo)導(dǎo)線的四個線圈繞組16₁-16₄從室溫下降到4K的標(biāo)稱操作溫度并用于將其保持在該標(biāo)稱操作溫度處，所述標(biāo)稱操作溫度遠(yuǎn)低于超導(dǎo)導(dǎo)線的臨界溫度。

此外，超導(dǎo)磁體設(shè)備14包括完全由輕量金屬鋁制成的多個氣密容器40。多個氣密容器40中的每個氣密容器40永久地含有范圍在大約25kg/m³到35kg/m³之間的氦填充。這是通過在室溫處并在開放狀態(tài)下利用具有大約205bar壓力的加壓氦氣經(jīng)由填充噴嘴對每個容器40進(jìn)行填充并通過隨后掐斷填充噴嘴而完成的。

如圖2所指示的，多個氣密容器40中的每個氣密容器40與四個線圈繞組16₁-16₄中的至少一個和/或與不同于四個線圈繞組16₁-16₄的超導(dǎo)部件42₁-42₅、44中的一個熱傳導(dǎo)地接觸，以用于在至少一個操作狀態(tài)中拾取熱量。

圖3相對于永久地含有30kg/m³的氦填充的氣密容器40中的溫度分別示出了壓力狀況和焓水平。注意到，當(dāng)氣體類型容器40拾取熱量時，氦填充的溫度和壓力將上升。焓水平的對數(shù)刻度示出了能夠由氣體類型容器40拾取基本量的熱量。

由此，在發(fā)生諸如斷電、低溫制冷機(jī)的冷卻液缺乏、低溫制冷機(jī)維護(hù)或低溫制冷機(jī)的可恢復(fù)故障的事件時，能夠提供在低溫溫度處的大的熱容量以作為熱緩沖，并且由超導(dǎo)磁體設(shè)備14生成的靜態(tài)磁場B₀不必斜降以作為安全預(yù)防措施。

數(shù)值范例將說明本發(fā)明的優(yōu)勢：13.2l體積的氣體類型容器40和30kg/m³的氦填充永久地含有400g的氦，這得到在4.2K溫度處的大約5.0kJ/K的熱容量(等價于大約2500kg的鋼)。五個這樣的氣體類型容器40可以提供在4.2K處的大約25.0kJ/K的熱容量，這等價于10l的液氦，該熱容量足以操作無制冷劑超導(dǎo)磁體設(shè)備。

圖4示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的超導(dǎo)磁體設(shè)備46的備選實施例。超導(dǎo)磁體設(shè)備46被同樣地設(shè)計為先前實施例的超導(dǎo)磁體設(shè)備14，除了對氣體類型容器48的設(shè)計。因此，在圖4中針對備選實施例中的與超導(dǎo)磁體設(shè)備14的先前實施例相同的那些部件使用相同的附圖標(biāo)記。

在備選實施例中，具有比先前實施例中小很多的尺寸的多個氣密容器48被利用固體基質(zhì)材料50來保持。氣體類型容器48也由鋁制成并永久地含有范圍在大約25kg/m³到35kg/m³之間的氦填充。所含有的氦的質(zhì)量與不具有氦填充的氣體類型容器48的質(zhì)量的比率獨(dú)立于容器尺寸。因此，如同先前實施例的較大的氣體類型容器40，實現(xiàn)了關(guān)于在低溫溫度處的熱容量的相同的有利屬性。另外，由于熱量必須通過具有較小厚度的材料傳播以達(dá)到所述氦處，因此能夠?qū)崿F(xiàn)較大的熱擴(kuò)散。

環(huán)氧樹脂被用于固體基質(zhì)50，并且多個氣體類型容器48在環(huán)氧樹脂發(fā)生固化之前基本上已經(jīng)被均勻地布置在環(huán)氧樹脂中。為了釋放機(jī)械應(yīng)力，環(huán)氧樹脂可以額外地被裝載有一些惰性填充材料，例如細(xì)粒的石英砂。經(jīng)由環(huán)氧樹脂基質(zhì)50，多個氣體類型容器48與四個線圈繞組16₁-16₄和/或不同于線圈繞組16₁-16₄的、被設(shè)計為超導(dǎo)觸點42₁-42₅以及超導(dǎo)開關(guān)44的超導(dǎo)部件42₁-42₅、44熱傳導(dǎo)地接觸。

盡管先前實施例的數(shù)字范例提及了氣密容器40的典型體積在大約10l的范圍中，但本實施例中的氣密容器48的典型體積優(yōu)選地在大約0.1l或更少的區(qū)域中。

盡管已經(jīng)在附圖和前文的描述中詳細(xì)說明并描述了本發(fā)明，但這種說明和描述被視為說明性或示范性的，而非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過研究附圖、公開內(nèi)容以及權(quán)利要求書，在實踐要求保護(hù)的本發(fā)明時，能夠理解并實現(xiàn)對所公開的實施例的其他變型。在權(quán)利要求書中，詞語“包括”不排除其他元件或步驟，并且詞語“一”或“一個”不排除多個。盡管在互不相同的從屬權(quán)利要求中記載了特定措施，但是這并不指示不能有利地使用這些措施的組合。權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記都不應(yīng)被解釋為對范圍的限制。