一种用于头部成像的超导磁体系统，所述的超导磁体由不同空间位置分布的电流产生9.4T的高磁场，中心区Φ280mm×160mm范围内磁场均匀度达到30ppm，然后由主动匀场技术达到1ppm的磁场均匀度。超导线圈采用径向电流密度分级，使用不同半径的非对称结构形成脑部功能成像磁体结构。该超导磁体有多个超线圈组成，为在较高的磁场环境中承载较大的电流并节省材料和造价，主线圈采用分层结构，补偿线圈使用NbTi超导材料获得磁场均匀度。磁体采用自激发热管传热技术冷却超导磁体系统，所述的超导磁体系统具有无液氦消耗的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及核磁共振成像超导磁体系统，特别是用于高磁场脑部功能成像装置的超导磁体系统。
技术介绍
磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术。近二十年来，随着磁体技术，超导技术、低温技术、电子技术和计算机等相关技术的发展，MRI技术得到了飞速发展。MRI以其自身技术上的特点和功能上的优势，已成为临床影像诊断中不可缺少的现代化诊断设备。磁共振成像(MRI)系统主要由磁体系统、谱仪系统、计算机系统和图像显示系统几部分组成，其中磁体系统是磁共振成像系统最重要、成本最高的部件。而磁体系统中最重要、成本最高的部分是主磁体。主磁体的作用是产生一个均匀的磁场，使处于磁场中的人体内氢原子核被磁化而形成磁化强度矢量。磁共振成像装置的主磁体要求具有高场强(>0.5T)和高均匀度(I lOppm)。人体成像中，有用于全身成像的磁共振装置和身体某一局部成像的装置。全身成像的磁共振装置要求能够容纳整个身体，因此，均匀区较大，磁体制造难度大，成本高。人体的头部功能成像系统已经广泛应用于医学诊断和研究。头部成像所需要均匀磁场区域较小，只需要包围整个头部即可，磁体孔径也不需要太大，端部线圈内径以能让肩部顺利通过为宜。但由于头部组织多样，结构细密，成像要求高。磁共振成像质量与磁场均匀度相关，磁场均匀度越高，成像质量越好，所以在诊断头部所需的球体空间中，磁场均匀度比全身成像装置要高。头部所需的磁体设计核心问题是非对称磁体的线圈分布。在现有的文献中，美国专利 US6, 064，290，SHORT BORE-LENGTH ASYMMETRIC ELECTROMAGNETS FOR MAGNETICRESONANCE IMAGING提供了一种基于最小耗能的非对称磁体线圈参数设计方法；US6，140，900A1,ASSYMETRIC SUPERCONDUCTING MAGNETS FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING 提出了基于电流密度分布和非线性优化获得最终的线圈分布。目前所使用的成像系统的磁场相对较低，通常在1-3T的水平，为适用功能成像系统和医学研究的应用需要，特别是神经科学和认知科学研究的需要，高磁场磁体系统应用于脑部成像是非常必要的。高磁场能够带来较高的分辨率和信噪比，从而使得图像更加清晰。目前使用NbTi超导线材制造的超导磁体系统产生功能成像核磁共振系统的磁场强度在1.5-3T，由于需求高磁场成像系统的超导磁体的磁场强度持续提高，因此，需要研究能够产生更高磁场、高均匀度的超导磁体以满足应用需要。随着新型超导材料和低温技术的发展，目前可以研制出具有完全无液氦的高磁场系统，以多线圈结构配合以NbTi和Nb3Sn结合形成超高磁场的磁体系统将可以获得新型结构的磁体。这种超导磁体具有较大开口、较高的磁场和较为紧凑的结构的特点，具有很好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的磁场强度低、消耗大量液氦的缺点，提出一种适应脑部功能成像的高磁场超导磁体系统。本专利技术通过制冷机提供冷量来冷却高压氦容器内的氦气，使之形成液氦，通过热交换器将冷量直接传至整个超导磁体，从而使磁体温度均匀。本专利技术还采用交替布置的两层Nb3Sn超导线圈产生主磁场和多个不同位置布置的NbTi超导线圈产生辅助磁场，达到高磁场均匀性，实现系统全开放，从而产生较高的磁场，适应局部成像的需要。本专利技术超导磁体包括多个提供主磁场的超导线圈和多个补偿磁场均匀度的补偿线圈。本专利技术第一主磁场超导线圈位于超导磁体内层的一端，第三主磁场超导线圈位于超导磁体内层的另一端；第三主磁场超导线圈的外层布置有第四主磁场超导线圈。第四在主磁场超导线圈的外部，在轴向方向上向超导磁体中心方向依次布置第四补偿超导线圈和第三补偿超导线圈。在超导磁体的内层，第三主磁场超导线圈的内层布置第五补偿超导线圈；在第一主磁场超导线圈的外层，从磁体中心到磁体端部依次布置第六补偿超导线圈、第七补偿超导线圈和第二主磁场超导线圈，在第二主磁场超导线圈的外层从磁体中心到磁体端部依次布置第二补偿超导线圈和第一补偿超导线圈。本专利技术超导磁体系统还包括制冷机、高压氦容器和自激发热管。制冷机的二级冷头连接高压氦容器，利用制冷机二级冷头的冷量来冷却高压氦容器内的氦气，使之形成液氦，通过自激发热管将冷量直接传给超导磁体。自激发热管均匀缠绕在超导磁体的外表面，使磁体温度均匀。自激发热管的两个端口连接到高压氦容器上，形成闭环的冷却回路。本专利技术超导磁体内的热扰动使自激发热管内可能有氦气和液氦同时存在，由于氦气的膨胀产生热感应流动，导致自激发热管内的氦气和液氦相互作用，以激发液氦振动，从而提闻其传热效率。本专利技术自激发热管的临界直径应小于0.5 1_，以保证实现自激发传热功能。本专利技术采用高强度、高热导率材料制作热管，管内封闭3_5atm (标准大气压)的氦气以增加冷却效率和减小系统整体冷却重量。本专利技术用多个补偿超导线圈补偿磁场的均匀度，多个补偿线圈分布在小直径的主线圈之外和大直径的主线圈的内外。位于超导磁体内层的第一主磁场线圈和第三主磁场线圈采用高性能的Nb3Sn导线，形成不同半径的主磁场线圈，所述的主磁场线圈在高于IOT的磁场下具有较高的电流载流能力。位于超导磁体外层的第二主磁场线圈和第四主磁场线圈采用NbTi导线，第三超导主线圈与第一超导主线圈的半径之比为1.3-1.35，实现超导磁体的室温孔在轴向上具有不同孔径的室温孔结构。本专利技术超导线圈采用径向电流密度分级，使用不同半径的非对称结构超导线圈形成脑部功能成像结构超导磁体。本专利技术超导磁体系统使用自激发振动的热管冷却技术实现系统的整体低温运行，不仅节省了超导磁体的液氦用量，而且完全消除了低温液体冷却带来的问题，极大提高了系统的温度均匀性。附图说明图1超导磁体系统的冷却系统结构图，图中:23制冷机，24高压氦容器，25自激发热管，26超导磁体；图2超导磁体的线圈结构，图中:1第一主磁场超导线圈，2第二主磁场超导线圈，3第三主磁场超导线圈，4第四主磁场超导线圈，5成像区，16第一补偿超导线圈、17第二补偿超导线圈、18第三补偿超导线圈、19第四补偿超导线圈、20第五补偿超导线圈、21第六补偿超导线圈、22第七补偿超导线圈；图3在DSV区域内的磁场等位线分布；图4是DSV内的磁感应强度分布。具体实施例方式以下结合附图及具体实施方式进一步说明本专利技术。图1是超导磁体冷却系统。为了节省超导磁体的液氦用量，整体超导磁体采用自激发的热管来冷却。该冷却系统包括制冷机23、高压氦容器24和自激发热管25。制冷机23的二级冷头连接高压氦容器24，利用制冷机23 二级冷头的冷量来冷却高压氦容器24内的氦气，使之形成液氦。通过自激发热管25将冷量直接传给超导磁体26。自激发热管25均匀缠绕在超导磁体26的外表面，使超导磁体26温度均匀。自激发热管25的两个端口连接到高压氦容器24上，产生闭环冷却回路。由于超导磁体26内的热扰动使自激发热管25内可能有气体和液体同时存在，由于氦气的膨胀产生热感应流动，导致自激发热管25内的气体和液体相互作用，以激发液氦振动，从而提高其传热效率。自激发热管25的临界直本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于头部成像的超导磁体系统，其特征在于所述的超导磁体（26）包括主磁场超导线圈（1、2、3、4），补偿超导线圈（16、17、18、19、20、21、22），还包括制冷机（23）、高压氦容器（24）和自激发热管（25）；制冷机（23）的二级冷头连接高压氦容器（24）上，利用制冷机（23）二级冷头的冷量来冷却高压氦容器（24）内的氦气形成液氦，通过自激发热管（25）将冷量直接传给超导磁体（26），自激发热管（25）均匀缠绕在超导磁体（26）的外表面；自激发热管（25）的两个端口连接到高压氦容器（24）上，产生闭环冷却回路；所述的超导磁体（26）采用自激发热管(25)来冷却。
【技术特征摘要】
1.一种用于头部成像的超导磁体系统，其特征在于所述的超导磁体(26)包括主磁场超导线圈(1、2、3、4)，补偿超导线圈(16、17、18、19、20、21、22)，还包括制冷机(23)、高压氦容器(24)和自激发热管(25);制冷机(23)的二级冷头连接高压氦容器(24)上，利用制冷机(23)二级冷头的冷量来冷却高压氦容器(24)内的氦气形成液氦，通过自激发热管(25)将冷量直接传给超导磁体(26)，自激发热管(25)均匀缠绕在超导磁体(26)的外表面；自激发热管(25)的两个端口连接到高压氦容器(24)上，产生闭环冷却回路；所述的超导磁体(26)采用自激发热管(25)来冷却。2.按照权利要求1所述的超导磁体系统，其特征在于第一主磁场超导线圈(I)位于超导磁体(26)内层的一端，第三主磁场超导线圈(3)位于超导磁体(26)内层的另一端；第三主磁场超导线圈(3)的外层布置有第四主磁场超导线圈(4);在第四主磁场超导线圈(4)的外部，在轴向方向上向超导磁体(26)中心方向依次布置第四补偿超导线圈(19)和第三补偿超导线圈(18);在超导磁体(26)的内层，在第三主磁场超导线圈(3)的内层布置第五补偿超导线圈(20);在第一主磁场超导线...
【专利技术属性】
技术研发人员：王秋良，胡新宁，倪志鹏，李兰凯，严陆光，李毅，戴银明，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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