一种用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统.pdf

一种用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统，超导磁体系统由上低温容器（1）、下低温容器（2）、上超导主线圈、上超导屏蔽线圈（4）、下超导主线圈、下超导屏蔽线圈（6）和脉管制冷机（17）组成。上超导主线圈和上超导屏蔽线圈（4）安装上低温容器（1）内，上低温容器（1）提供直径为40cm的竖直室温孔。下超导主线圈和下超导屏蔽线圈（6）安装在平面型下低温容器（2）内，上、下低温容器之间提供间距为45cm的水平间隙。超导磁体在向上偏离超导磁体中心8cm、直径为20cm的球形成像区域内产生磁场强度为1.0T、磁场峰峰值不均匀度为15ppm的空间磁场分布，5高斯杂散场在竖直方向和水平方向分别约束在3.5m和4.0m的椭球范围内。

权利要求书一种用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统，其特征在于所述的超导磁体系统由上低温容器（1）、下低温容器（2）、上超导主线圈、上超导屏蔽线圈（4）、下超导主线圈、下超导屏蔽线圈（6）和脉管制冷机（17）组成；上超导主线圈和上超导屏蔽线圈（4）安装在上低温容器（1）内，下超导主线圈和下超导屏蔽线圈（6）安装在下低温容器（2）内，脉管制冷机（17）安装在上低温容器（1）的上表面处；超导磁体系统在距离超导磁体系统中心（20）向上偏离8cm位置处、直径为20cm的球形成像区域（14）内产生磁场强度为1.0T、磁场峰峰值不均匀度为15ppm的高均匀度磁场分布，5高斯杂散场在竖直方向和水平方向分别约束在3.5m和4.0m的椭球范围内。超导磁体系统提供了竖直室温孔（15）和水平间隙（16）。
按照权利要求1所述的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统，其特征在于所述的上低温容器（1）由上液氦罐（7）、上冷屏（8）和上真空容器（9）组成，下低温容器（2）由下液氦罐（10）、下冷屏（11）和下真空容器（12）组成；上超导主线圈和上超导屏蔽线圈（4）安装在上低温容器（1）的上液氦罐（7）内，下超导主线圈和下超导屏蔽线圈（6）安装在下低温容器（2）的下液氦罐（10）内；上低温容器（1）为空心平面型容器；上冷屏（8）安装在上液氦罐（7）的外面，上冷屏（8）和上液氦罐（7）之间的间隙为2mm；上真空容器（9）安装在上冷屏（8）的外面，上真空容器（9）和上冷屏（8）之间的间隙为2mm；下冷屏（11）安装在下液氦罐（10）的外面，下冷屏（11）和下液氦罐（10）之间的间隙为2mm；下真空容器（12）安装在下冷屏（11）的外面，下真空容器（12）和下冷屏（11）之间的间隙为2mm；上低温容器（1）和下低温容器（2）之间提供间距为45cm的水平间隙（16）；上低温容器（1）为空心平面型结构，下低温容器（2）为平面型结构，上低温容器（1）和下低温容器（2）通过两个间隔180度的空心立柱连接；脉管制冷机（17）的一级冷头连接上低温容器（1）的上冷屏（8），脉管制冷机（17）的二级冷头置于上低温容器（1）的上液氦罐（7）内。
按照权利要求1所述的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统，其特征在于所述的上超导主线圈、上超导屏蔽线圈（4）、下超导主线圈和下超导屏蔽线圈（6）均为以对称轴（13）为中心轴的轴对称螺线管线圈；第一上超导主线圈（3.1）、第三上超导主线圈（3.3）和第五上超导主线圈（3.5）加载的电流方向为正向，第二上超导主线圈（3.2）和第四上超导主线圈（3.4）加载的电流方向为反向；所述的第一上超导主线圈（3.1）安装在上液氦罐（7）中径向位置靠近竖直室温孔（15）的内壁处且轴向位置在液氦罐（7）的轴向中间位置处；第二上超导主线圈（3.2）、第三上超导主线圈（3.3）、第四上超导主线圈（3.4）和第五上超导主线圈（3.5）均安装在上液氦罐（7）中靠近超导磁体中心（20）的下端部位置处并沿着与对称轴（13）距离增大的方向依次布置；上超导屏蔽线圈（4）为一个通以反向电流的螺线管线圈，安装在上液氦罐（7）中距离超导磁体中心（20）最远位置处。第一下超导主线圈（5.1）和第三下超导主线圈（5.3）加载的电流方向为反向，第二下超导主线圈（5.2）和第四下超导主线圈（5.4）加载的电流方向为正向；第一下超导主线圈（5.1）、第二下超导主线圈（5.2）、第三下超导主线圈（5.3）和第四下超导主线圈（5.4）均安装在下液氦罐（10）中最靠近超导磁体中心（20）的上端部位置处并沿着与对称轴13距离增大的方向依次布置；下超导屏蔽线圈（6）为一个通以反向电流的螺线管线圈，安装在下液氦罐（10）中距离超导磁体中心（20）最远位置处。
按照权利要求1所述的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统，其特征在于所述的球形成像区域（14）为一直径为20cm的球形区域，球形成像区域（14）的中心在对称轴（13）上，且向上偏离超导磁体系统中心（20）8cm。

说明书一种用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种开放式式磁共振成像超导磁体系统。
背景技术
全身磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)一般需要在直径为40～50cm球域内产生磁场峰峰值不均匀度优于20ppm（parts per million,ppm）的高均匀度磁场分布。磁共振成像超导磁体均由螺线管型线圈组成，传统磁共振成像超导磁体提供一个满足患者全身成像需求的直径大于70cm的空心圆柱形室温孔。患者在进行磁共振成像时，需从狭长室温孔的一端进入中心磁场均匀区域进行成像诊断。大量临床实验表明患者在进行磁共振成像诊断时，普遍出紧张、不安等幽闭症现象，如何提高超导磁体系统的开放性，已经成为各大商业公司在技术领域竞争的热点，同时，开发具备设计开放性需求的磁共振成像超导磁体系统的电磁优化设计算法，已经成为电磁设计专家研究的热点。
开放式磁共振成像超导磁体系统主要为双平面型结构，超导线圈上、下对称地安装在两个平面型的低温容器内，两低温容器之间提供一个间距约为45cm的水平间隙，患者通过该水平间隙进入磁体中心位置进行成像诊断。然而，由于局部器官在人体中位置不同，一台磁共振成像系统难以满足所有人体器官成像的需求，因此，出现了一些定制的磁共振成像系统以满足局部器官成像的需求，如头部成像系统和关节成像系统等。最近研究表明，女性乳房磁共振成像的需求量呈现连年增长的趋势，研制一套用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统满足市场和患者的迫切需求。
美国专利US005994991A为美国通用公司提出的一种开放式磁共振成像系统，该系统用于产生磁场的超导线圈均安装在上、下对称的空心低温容器内，超导线圈在中心区域产生磁场强度约为0.5T，但由于该专利中所述的线圈结构特征使得该系统具有球形成像区域较小、均匀度较差以及杂散场范围较大等缺点。美国专利US005982260A为牛津磁体技术公司提出的一种开放式磁共振成像超导磁体系统，超导主线圈和超导屏蔽线圈均安装在上、下两个平面型的低温容器内，两个低温容器间的间隙提供满足全身成像需求的开放空间，该系统虽已满足了大部分患者全身成像的需求，但针对部分较胖的女性患者在进行乳房成像诊断时，存在乳房器官超出系统提供的磁场均匀区范围之外的风险。
发明内容
本发明的目的是克服现有磁共振成像超导磁体系统开放性不足和开展介入式手术治疗困难等缺点，提出一种用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统。
本发明超导磁体系统由上低温容器、下低温容器、上超导主线圈、上超导屏蔽线圈、下超导主线圈、下超导屏蔽线圈和脉管制冷机组成。上超导主线圈、上超导屏蔽线圈、下超导主线圈和下超导屏蔽线圈均为轴对称的同轴螺线管线圈，上超导主线圈和上超导屏蔽线圈安装在上低温容器内，下超导主线圈和下超导屏蔽线圈安装在下低温容器内。上低温容器为空心平面型结构，提供直径为40cm的竖直室温孔，下低温容器为平面型结构，上、下低温容器之间提供间距为45cm的水平间隙。上低温容器和下低温容器通过两个间隔180度的空心立柱连接，空心立柱连通两个低温容器内的液氦罐，并支撑两个低温容器间的相互作用力。脉管制冷机安装在上低温容器的上表面处，其一级冷头连接上低温容器的上冷屏，二级冷头置于上低温容器的上液氦罐内，可实现上低温容器和下低温容器内液氦的零挥发。
本发明超导磁体系统所产生的均匀磁场分布在一个直径为20cm的球形区域，球形成像区域的中心在上超导主线圈、上超导屏蔽线圈、下超导主线圈和下超导屏蔽线圈的对称轴线上并距离超导磁体系统中心向上偏离8cm，超导磁体系统在球形成像区域产生磁场强度为1.0T、磁场峰峰值不均匀度为15ppm的高均匀度磁场分布，5高斯杂散场在竖直方向和水平方向分别约束在3.5m和4.0m的椭球范围内。
本发明提出的竖直室温孔给开展介入式手术治疗提供了足够的开放空间，女性患者平躺在病床上从水平间隙进入超导磁体中心区域，并通过上、下方向调整病床的位置使得患者的乳房器官置于球形成像区域内，进行磁共振成像诊断，同时将机械手从竖直室温孔伸入球形成像区域处，通过计算机精确控制机械手的位置进行介入式手术治疗。
附图说明
图1本发明实施例用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统的线圈结构示意图；
图2本发明实施例用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统的外观示意图；
图3本发明实施例用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统在空间中产生的磁场均匀度等高线分布图；
图4本发明实施例用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统产生的杂散场等高线分布图。
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是本发明实施例的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统的线圈结构示意图。如图1所示，本发明超导磁体系统由上低温容器1、下低温容器2、上超导主线圈、上超导屏蔽线圈4、下超导主线圈、下超导屏蔽线圈6和脉管制冷机17组成。上低温容器1由上液氦罐7、上冷屏8和上真空容器9组成，下低温容器2由下液氦罐10、下冷屏11和下真空容器12组成。上低温容器1为空心平面型，上液氦罐7的内半径、外半径和轴向高度分别为22cm、60cm和35cm，上冷屏8安装在上液氦罐7的外面，上冷屏8和上液氦罐7之间的间隙为2mm，上真空容器9安装在上冷屏8的外面，上真空容器9和上冷屏8之间的间隙为2mm，上低温容器1可提供直径为40cm的竖直室温孔15。下液氦罐的半径和轴向高度分别为60cm和35cm，下冷屏11安装在下液氦罐10的外面，下冷屏11和下液氦罐10之间的间隙为2mm，下真空容器12安装在下冷屏11的外面，下真空容器12和下冷屏11之间的间隙为2mm。上低温容器1和下低温容器2之间通过相隔180度的两个空心立柱连接。上超导主线圈由第一上超导主线圈3.1、第二上超导主线圈3.2、第三上超导主线圈3.3、第四上超导主线圈3.4和第五上超导主线圈3.5组成，下超导主线圈由第一下超导主线圈5.1、第二下超导主线圈5.2、第三下超导主线圈5.3和第四下超导主线圈5.4组成。上超导主线圈、上超导屏蔽线圈4、下超导主线圈和下超导屏蔽线圈6均为以对称轴13为中心轴的轴对称螺线管线圈。上超导主线圈和上超导屏蔽线圈4安装在上低温容器1的上液氦罐7内，下超导主线圈和下超导屏蔽线圈6安装在下低温容器2的下液氦罐10内。第一上超导主线圈3.1加载的电流方向为正向，第二上超导主线圈3.2加载的电流方向为反向，第三上超导主线圈3.3加载的电流方向为正向，第四上超导主线圈3.4加载的电流方向为反向，第五上超导主线圈3.5加载的电流方向为正向。第一上超导主线圈3.1安装在上液氦罐7中径向位置靠近竖直室温孔15内壁处且轴向位置在液氦罐7的轴向中间位置处，第二上超导主线圈3.2、第三上超导主线圈3.3、第四上超导主线圈3.4和第五上超导主线圈3.5均安装在上液氦罐7中靠近超导磁体中心20的下端部位置处并沿着与对称轴13距离增大的方向依次布置。上超导屏蔽线圈4为一个通以反向电流的螺线管线圈，安装在上液氦罐7中距离超导磁体中心20最远位置处。第一下超导主线圈5.1加载的电流方向为反向，第二下超导主线圈5.2加载的电流方向为正向，第三下超导主线圈5.3加载的电流方向为反向，第四下超导主线圈5.4加载的电流方向为正向。第一下超导主线圈5.1、第二下超导主线圈5.2、第三下超导主线圈5.3和第四下超导主线圈5.4均安装在下液氦罐10中最靠近超导磁体中心20的上端部位置处并沿着与对称轴13距离增大的方向依次布置。下超导屏蔽线圈6为一个通以反向电流的螺线管线圈，安装在下液氦罐10中距离超导磁体中心最远位置处。超导磁体系统产生的均匀磁场分布在一个直径为20cm的球形成像区域14，球形成像区域14的中心在对称轴线13上，并距离超导磁体系统中心20向上偏离8cm处。上低温容器1和下低温容器2之间提供间距为45cm的水平间隙16。脉管制冷机17安装在上低温容器1的上表面处，其一级冷头连接上低温容器1的上冷屏8，二级冷头置于上低温容器1的上液氦罐7内，可实现上低温容器1和下低温容器2内液氦的零挥发。
图2是本发明实施例的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统的外观示意图。如图2所示，上低温容器1和下低温容器2之间通过两个连接支柱连接，连接支柱可提供上低温容器1和下低温容器2间的液氦回路和支撑作用。
图3是本发明实施例的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统在空间中产生的磁场均匀度等高线分布图。如图3所示，超导磁体系统在直径为20cm的球形成像区域14产生磁场峰峰值不均匀度为15ppm的高均匀磁场分布。
图4是本发明实施例的用于乳房成像的磁共振成像超导磁体系统产生的杂散场等高线分布图。由图4可知，5高斯杂散场在竖直方向和水平方向分别约束在3.5m和4.0m的椭球范围内。