本发明涉及一种小型抗磁铁，可用于如成像等全身磁共振分析。 用于磁共振成像的电激励抗磁铁，与要求使用冷冻剂与超导导线的超导磁铁比较时，抗磁铁具有成本低、尺寸小和制造容易等优点。然而，抗磁铁是低场强器件，在工作期间必须从外部的电源连续不断地得到激励，以及在工作期间要求外部的冷却来除去大量的热。
用于全身磁共振成像的电激励抗磁铁，在场强为0.3-0.4泰斯拉（Tesla）和腔孔径为0.8-1米时，因为过分大的总重和随着要求的磁场强度的平方而增加的过分大的功率消耗，而不受欢迎。腔孔径一般要求大于0.8米，以便在装配的时候，将一个射频/梯度线圈部件滑入磁铁腔内。
本发明的一个目的是提供一个具有减少了磁铁重量和功率损耗的0.3-0.4泰斯拉的全身磁共振抗磁铁。
本发明的另外一个目的是提供一个使用50-100仟瓦功率和总重小于7吨重的0.3-0.4泰斯拉全身磁共振抗磁铁。
在本发明的一个方面，是提供一个具有圆柱形射频/梯度线圈部件的抗磁铁。一个第一和第二圆柱形主线圈是位于射频/梯度线圈部件的两侧，与射频/梯度线圈部件同轴，以及第一和第二主线圈具有相同的内径界定一个磁铁腔。一个圆柱形校正线圈部件环绕着射频/梯度线圈部件。还配备有将第一和第二主线圈紧固于圆柱形校正线圈部件的装置。射频/梯度线圈部件对第一和第二主线圈部件提供轴向支持。一个第三圆柱形主线圈环绕着校正线圈。
当以特别地指出的权利要求和清楚地划定本发明来结束说明书时，从下面的最佳实施例连同附图的叙述，更容易确定本发明的目的和优点，其中：
图1是根据本发明的电激励铁轭抗磁铁的等角视图;
图2是图1磁铁的末端视图;
图3是沿图1Ⅲ-Ⅲ线的部分断面图;
图4是图3的部分部件分解图，说明螺旋冷却管由圆盘形垫圈环绕着，用作磁铁线圈的边缘冷却;
图5是根据本发明的电激励空气芯磁共振磁铁的等角视图;
图6是图5的末端视图;
图7是沿图5的Ⅶ-Ⅶ线的部分断面侧视图;以及
图8是适用于具有抗磁铁的本发明的水冷却控制系统示意图。
现参阅附图，其中各处同样的参考数字表示同样的元件，尤其是在图1和图2中，在图中示出圆柱形铁轭磁共振磁铁13有一纵向延伸腔15，提供了病人进出通路。图3表示磁铁的部分断面图。在最佳实施例中的磁铁13，依靠六个主线圈中的电流在磁铁的腔中提供一个恒定的磁场。六个主线圈中的二个，分别是圆柱形外侧线圈17a和17b，其余四个线圈是圆柱形内侧线圈19a、19b、21a和21b。二外侧线圈17a和17b是各用连续的铜片绕在非磁性线圈架22和23上，线圈架包括圆柱形铝壳。连续铜片在绕制以前藉将聚酯薄膜或聚酰亚胺薄膜绝缘带包裹在铜片上得到绝缘。用另一种方法，连续铜片能用聚醋酸甲基乙烯脂绝缘材料的涂层绝缘。二外侧线圈对称地配置在射频/梯度线圈部件24的两侧且与其同轴。射频/梯度线圈部件被密封在一纤维玻璃壳内。因为外侧线圈17a和17b具有近似于腔直径的内径，外侧线圈的重量实质上减少。
射频/梯度线圈部件24，在工作中产生一射频感应磁场横切由六个主线圈产生的磁场。此射频场对六个主线圈产生的磁化强度予以激励。射频线圈也接收在磁共振成像中需要的有效自由感应衰减信号。该部件的梯度线圈部分产生空间的线性场梯度，该梯度用于选择性的激励，以选择一成像的区域，也用于对接收自所测物的存储器信号的存储单元予以编码。射频/梯度线圈部件包含一圆柱形纤维玻璃壳，壳中设置有鞍形射频线圈。鞍形射频线圈是由全部密封在纤维玻璃壳内的梯度场线圈环绕着。外侧线圈和射频线圈具有同样的腔孔径。
校正线圈部件25围绕着射频/梯度线圈部件24，它改善了由六个主线圈提供的在磁铁腔中的场均匀性。校正线圈部件包含嵌入纤维玻璃内的校正线圈。校正线圈对二个外侧线圈17a和17b提供轴向的支持。四个内侧线圈部件19a、19b、21a和21b是用连续铜片直接绕在校正线圈的周围。铜片可以用前面关于外侧线圈17a和17b叙述的方法来绝缘。六个主线圈是用互相串联的方式进行电连接的。
邻接六个主线圈的各边是高导热非磁性材料的圆盘形垫圈27、29、31、33、35、37、39、41、43、45、47和49，它们在最佳实施例中是采用铝。成对的圆盘形垫圈50和27、29和51、64和31、33和35、37和39、41和43、45和66、52和47以及49和53各界定一个圆环的、定位于中心的环形孔，用作分别设置冷却线圈54、55、62、59、60、61、63、56以及57在孔内。冷却线圈最好由扁平的螺旋状矩形管组成，各自形成冷却线圈54、55、56以及57。矩形管是由非磁性高导热材料诸如铝、铜或不锈钢加工制成。由图4可见，管在螺旋的外径径向地延伸至磁铁外部。管在螺旋的内径处，通过在铝垫圈内一通道径向延伸至磁铁的外部，以使各冷却螺旋管装有恒定输入温度的冷却流体。恒定入口温度的水是一种合适的冷却剂。从恒压容器提供的饱和液态氟利昂也能用作恒温冷却剂。返回的蒸汽能用水或空气冷凝器来冷凝。
内侧线圈21a和21b分别绕在以非磁性材料例如铝加工制造的非磁性圆柱形垫片69和71上，以达到在磁铁内部有一均匀的磁场。一分隔楔73分开垫片69和71而设置在校正线圈内的一环形槽中。分隔楔固定内侧线圈相对于校正线圈的位置。再参阅图1，围绕在磁铁线圈周围的一铁轭75，在纵向的两末端留下孔，用作通向磁腔的入口。铁轭包含一对开的圆柱形壳77，由板79连结在一起。壳77界定一环形槽78在壳的内表面上。铝垫圈37和39的径向末端延伸进入槽78中。壳77围绕着内侧线圈19a、19b、21a和21b。一对具有小于壳77直径的对开圆柱形壳81a和81b，分别围绕在外侧线圈17a和17b的周围。壳81a和81b对称地设置在壳77的两边上，且与其同轴。一对对开的末端环83a和83b用环状间隔的纵向延伸螺栓85紧固在壳77上。末端环83a和83b中的中心孔径与圆柱形壳81a和81b的内径是相同的。螺栓87通过末端环83a和83b中的凹孔纵向延伸，分别进入圆柱形壳81a和81b。末端环89a和89b界定一中心孔，与线圈17a和17b的腔以及圆柱形壳22和23的腔同轴。末端环89a和89b用环状间隔的螺栓91分别紧固在圆柱形壳81a和81b上，该螺栓是分别通过末端环89a和89b纵向地延伸。铁轭、末端环89a和89b必须具有最小有效直径的腔孔，以可能获得最高场的增强。
当对开的末端环83a和83b用螺栓85紧固时，通过圆盘形波纹弹簧93a和93b提供轴向的压力，该弹簧保证垫圈31、33、35、37、39、41、43和45与内侧线圈的各边之间有良好的接触。末端环89a和89b是由环状地配置的螺栓95紧固于圆柱形壳，螺栓通过末端环89a和89b分别纵向延伸进入壳81a和81b中。圆盘形波纹弹簧97a和97b分别位于末端环89a与冷却线圈支架50之间和末端环89b与冷却垫圈支架53之间。波纹弹簧97a和97b提供外侧线圈17a和17b对于垫圈27和29以及47和49的轴向压力，保证从线圈边缘到各垫圈，然后到冷却线圈的良好热传导。一种热传导脂能用在线圈边交界面与垫圈之间，以进一步改善热传导。
现参阅图2，在组成铁轭75的圆柱形壳77、81a和81b的一边有一间隙，允许各冷却线圈连接至冷却液体源的恒温源以及使液体返回液源。铁轭是由一支架99支持，该支架能分散磁铁和轭部件的重量。
现参阅图3，铁轭磁铁是由圆盘形冷却线圈支架51中心孔的周边，例如用焊接法连结至在铝线圈骨架22末端处外侧部分而构成的。与此类似，圆盘形冷却线圈支架52连结于骨架23一端的外侧部分。射频梯度线圈部件24是同心地放置在校正线圈25里面。圆盘形冷却线圈支架51和52是用螺栓（未画出）连结至校正线圈部件25，螺栓通过线圈支架延伸进入校正线圈部件。分隔楔73是放置在校正线圈内的一环形槽78中。非磁性圆柱形垫片69和71围绕着校正线圈部件，并被放置在分隔楔73的两边。圆柱形垫圈37和39是放置在分隔楔73的两边，且包含着在圆柱形垫片上的螺旋冷却线圈60。垫圈35和41围绕着校正线圈部件，且被分别放置在垫片69和71的邻近。垫圈33环绕着校正线圈部件25，且与垫圈35一起包围冷却线圈59。垫圈43围绕校正线圈周围且封住冷却线圈61。内侧线圈19a和19b是直接绕在校正线圈部件上。外侧线圈17a和17b是绕在线圈架22和23上。内侧线圈21a和21b是绕在环绕校正线圈部件25的垫片69和71上。垫圈31和45各自放置在内侧线圈19a和19b的末端附近。冷却线圈支架64包围冷却线圈62，且被放置在线圈19a的邻近。类似地，冷却线圈支架66围绕冷却线圈63，并定位于内侧主线圈19b末端附近。
垫圈27和垫圈29是分别设置在外侧线圈17a和17b的邻近。分别包含冷却线圈54和57的冷却线圈支架50和57，是各自贴近垫圈27和49而设置。
垫圈37和39在径向较其他垫圈进一步的延伸。垫圈37和39贴合在壳77内部的环形槽78里面。壳77的两半围绕着内侧线圈，且用焊接在壳两半的边上的板79连结在一起。波纹弹簧93a和93b是分别位于冷却线圈支架64和66的附近。对开末端环83a和83b是用螺栓85栓接于壳77，供压缩波纹弹簧之用。对开圆柱形壳81a藉纵向延伸螺栓夹紧于壳83a。同样地，对开圆柱形壳81b由纵向延伸螺栓紧固于壳83b。壳81a和81b是对称地放置在壳77的两边围绕着外侧线圈。纵向延伸螺栓87将壳81a和81b分别紧固于端环83a和83b上。波纹弹簧95a和95b是放置在线圈支架50和53的邻近，且由末端环89a和89b压住。末端环89a和89b由纵向延伸螺栓95保持在适当的位置，该螺栓将末端环保持在圆柱形壳81a和81b上。
现参阅图5和图6，所示出的为空气芯抗磁铁的实施例，它具有可使病人进出的纵向延伸腔115。参阅图7，示出了磁铁的部分横剖面。在最佳实施例中的磁铁113，依靠六个主线圈中的电流，向磁铁腔提供一个恒定的磁场。六个主线圈中的二个是圆柱形外侧线圈，分别为117a和117b，余下的四个线圈分别是圆柱形内侧线圈119a、119b、121a和121b。如铁轭实施例中，两个外侧线圈117a和117b是用连续铜片分别绕在圆柱形非磁性线圈架122和123上，铜片可用以前叙述过的方法绝缘。两个外侧线圈对称地安排在射频/梯度线圈124的两边，且与其同轴，所提供的较小直径线圈能减小重量。四个内侧线圈其每一个，是直接用连续铜片绕在校正线圈部件125上，并用关于外侧线圈所叙述过的方法来绝缘。
紧贴六个主线圈的各边是高导热非磁性材料的圆盘形垫圈127、129、131、133、135、137、139、141、143、145、147和149，在最佳实施例中其材料是铝。成对的圆盘形垫圈150和127、129和151、164和131、133和135、137和139、141和143、145和166、152和147以及149和153各界定一个中心环形孔，在孔内分别设置冷却线圈154、155、162、159、160、161、163、156以及157。冷却线圈含有用在铁轭磁铁中的扁平螺旋型管。此管在螺旋冷却线圈的内径处，通过在铝垫圈中一通道径向朝外延伸到磁铁的外部。
圆盘形垫圈151和152藉焊接分别固定在线圈架122和123上。圆盘形垫圈151和152是藉通过圆盘延伸至校正线圈部件的螺栓（未画出）固定在校正线圈部件125上，以使校正线圈部件提供轴向支持给外侧线圈（117a和117b）。
垫圈至内侧线圈边的轴向压力是靠调整螺栓186来达到，螺栓分别于内侧线圈两轴向末端处的非磁性圆盘188a和188b的周围，呈环状间隔放置。轴向压力保证良好的热传导，并限制线圈的移动。调整螺栓196提供外侧线圈可调整的轴向压力。一种热传导脂能用在线圈边交界面与垫圈之间，以进一步改善热传导。校正线圈的阶梯式外侧和楔173保证圆盘形垫圈135、141和137的定位，从而保证相对于校正线圈的内侧线圈的定位。圆盘形铝垫圈164、131、133、135、137、139、141、143、145和166以及圆盘188a和188b是藉纵向延伸的拱形段190维持在适当的位置，拱形段具有横向的槽，冷却垫圈和圆盘188的边缘延伸在里面。拱形段的纵向末端藉螺栓194紧固于末端板192a和192b，螺栓通过拱形段而延伸进入末端板。末端板192a和192b具有一个贴合在线圈架122和123末端的周围的中心孔。环状安置的螺栓196纵向延伸通过末端板192a和192b，并藉对垫圈127和149施加轴向力而施加轴向压力于外侧线圈。内侧和外侧线圈的轴向压力保证在垫圈和线圈边两者之间的良好热接触，以及在磁体工作期间限制线圈的移动。
水的恒定入口温度能从图8中所示形式的控制系统获得。本发明抗磁铁的校正线圈和内侧主线圈共享同一冷却系统。20°-25℃水源的水是由泵201抽到一热交换器，该处的出水温度是藉改变蒸汽量调节到30℃，蒸汽是用一回授系统引进热交换器。回授系统响应由传感器207测得的热交换出口温度而控制阀205的位置，该传感器通过马达209控制阀205的定位。30℃的水被引至抗磁铁211的各螺旋冷却线圈，而当水排出时其热度大约为40℃。较好地调整冷却水的恒定入口温度至磁铁是重要的，这样可保证由磁铁产生的磁场有良好形稳性和由此而来的良好暂稳性。
虽然已对含有二个外侧线圈和四个内侧线圈的一种六线圈主磁铁设计作了说明。三个、四个或五个线圈磁铁设计也能具有相似的结构，该结构是在RF/梯度线圈部件的两边对称地排列外侧线圈，并具有相同直径的腔孔，但磁场均匀性较差。
示于图1、2、3和4中的磁轭实例，以25%的量值提高主线圈的中心磁场。因此在无磁轭的情况下可产生0.25泰斯拉中心磁场的六线圈的主线圈设计，当加进该磁轭而不附加功率损耗时，能升高到大约0.30泰斯拉。这种磁场的增强与相同场强和功率损耗的空气芯磁铁比较，该种磁铁有更大的费效比铁，因为铁较之铜费用要少三倍。铁芯和空气芯磁铁虽具有相似的总重，但采用铁芯设计用铜较少。磁轭也用作一个整体的磁屏蔽。仅当外侧线圈和轭末端板的内径即磁腔孔径具有最小值时，可以最少的铜、铁重量和功率损耗获得最大可能的腔磁场。
比较一下表示在图中的铁轭设计和空气芯设计，虽均具有0.3泰斯拉的磁场强度，60厘米的腔孔径以及六个主线圈，铁轭磁铁具有包含7，000磅铜和5，600磅铁的12，600磅总重。空气芯磁铁重12，670磅。各实施例具有56千瓦的功率损失。
当磁轭结合到该种磁铁设计中时，各线圈的安匝数和位置必须在给出轭的几何尺寸的情况下选定最佳数值，以产生在所关心的成像体积中最大可能的场均匀性。
下面的表1和表2分别表示出图3和图7所示的铁芯型和空气芯型磁铁的不同线圈尺寸。
表1 铁轭磁铁
线圈 17a和17b 19a和19b 21a和21b
内半径 30.53厘米 43.60厘米 43.74厘米
外半径 40.52厘米 53.59厘米 53.61厘米
线圈宽度 27.00厘米 27.00厘米 13.50厘米
从腔中心
轴向地至
线圈中心
线的距离 61.99厘米 59.14厘米 8.17厘米
铜片厚度 .040吋 .040吋 .080吋
匝数 96 96 48
电流 827A 827A 827A
表2 空气芯磁铁
线圈 117a和117b 119a和119b 121a和121b
内半径 30.88厘米 45.13厘米 45.94厘米
外半径 42.65厘米 62.21厘米 60.96厘米
线圈宽度 30.00厘米 30.00厘米 15.91厘米
从腔中心
轴向的至
线圈中心
线的距离 64.29厘米 23.18厘米 3.58厘米
匝数 115 164 73
电流 685A 685A 685A
本发明藉将主线圈设置于磁铁最小腔孔径处，而减少磁铁重量和功率损耗，并改进磁场均匀性。两外侧线圈和校正线圈形成一个腔，腔内设置射频/梯度线圈部件。以上叙述的抗磁铁，具有0.3-0.4泰斯拉的场强且重量小于7吨，适合用于全身磁共振分析。
虽然本发明已结合几个最佳实施例作出特别的示出和叙述，但在本技术领域中的技术人员将懂得，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，在结构和调节方面可作出不同的改变。