[发明专利]用于核磁共振成像系统的超导磁体结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁体结构，尤其是涉及一种用于核磁共振成像系统的超导磁体结构，属于医疗器械设计制造技术领域。

背景技术

医疗影像高端产品MRI市场方兴未艾，各方势力竞争异常激烈。运行安全稳定、图像质量好、维护成本低是消费者对该类产品提出的基本要求。超导磁体作为MRI系统的核心部件，其合理的设计、稳定的运行关系到整个MRI系统的性能。MRI系统使用的超导磁体一般由几组绕制在磁体骨架上的螺线管线圈组成。为了产生MR成像所需的高磁场均匀度，通常都是在所述磁体骨架上设置几组由线槽构成的线圈支撑结构用于超导线圈的绕制，并保证各组线圈间的相对位置关系。在工作状态下，超导线圈会通入500到1000安倍的较大电流，以产生核磁共振成像系统所需的高磁场强度。这时，超导线圈会在洛伦兹力的作用下产生巨大的电磁力，以一个中心磁场强度为1.5T的超导磁体为例，其中某些线圈受到的沿磁体轴向的应力可以达到100吨以上。另一方面，在电磁力的作用下超导线圈也会产生一个巨大的环向应力。为了避免超导线在这个环向应力的作用下受到损坏，在绕制超导线圈的同时会施加一定的绕线张力，并在线圈的外侧额外绕制一组强度较高的束缚线圈。考虑到上述两种情况，超导磁体的线槽支撑结构必须具有足够的机械强度，以承受线圈在绕制时的预应力以及线圈在工作状态下受到的强大的电磁力。由所述线槽构成的任何线圈支撑结构的不稳定，都会造成线圈的微小位移，从而引起磁体的失超。一个高强度、结构合理的线圈支撑结构对超导磁体的稳定运行起到了决定性的作用。

现有超导磁体的线圈支撑结构都是采用单一种材料制造。一种是金属材料如铝合金、不锈钢等，其优点是强度高、低温下机械性能稳定、机加工性能好等。其中不锈钢材料在液氦温度下的机械强度高，更为重要的是在从室温冷却到液氦温度时，不锈钢材料具有和超导线材料非常相近的热收缩率。所以使用不锈钢材料制成的线圈支撑结构可以大大降低超导磁体在降温过程中产生的额外热应力，从而提高超导线圈的稳定性，降低磁体失超的风险。另外，不锈钢材料制成的线圈支撑结构可以直接作为液氦容器的一部分同液氦容器的其他部件，如端盖和外筒等焊接成整体，从而降低液氦容器制造的复杂程度。但是使用不锈钢制造线圈支撑结构也有显著的缺点：

第一，超导磁体在失超及其它失效条件下会产生上千伏的高电压，因此不锈钢线圈支撑结构必须对每个线槽的端面、底面、以及进出线的位置进行复杂的电绝缘处理，以防止电压击穿对超导线圈造成永久性的破坏。

第二，不锈钢的线圈支撑结构重量大，从而使整个液氦容器的重量增大，进而会造成液氦容器的悬挂系统复杂，并且造成热负荷增大等问题。

第三，MRI系统所用的大尺寸不锈钢线圈支撑结构的制造费用比较高，并且工艺难度大。

复合材料是另外一种常用于线圈支撑结构制造的材料。相对于金属材料，复合材料具有重量轻，比强度高等特点。更重要的是，复合材料具有良好的电绝缘性，所以线圈可以不需要特别的绝缘处理而直接绕制在复合材料支撑结构上，从而大大简化线圈的制造工艺。另外，对于用于MRI系统的大尺寸线圈支撑结构，一般可以采用绕制工艺用玻璃纤维/布和树脂制成，工艺难度小，并且制造费用低。复合材料制成的线圈支撑结构还具有重量轻的特点，可以减少液氦容器悬挂系统设计的复杂性并降低热负荷。但是复合材料在从室温冷却到液氦温度的过程中，其热收缩率和超导线材料相比有较大的差别，从而使超导线圈产生较大的热应力。在某些情况下，较大的热应力会增加超导线圈失超的风险性，从而降低了整个超导磁体的稳定性。另外，复合材料的特殊制造工艺决定了其机械强度及其它重要的物性参数存在较大的各向异性，并且这些参数也会受工艺的影响产生较大的波动，这给线圈支撑结构的整体设计增加了不确定性。

综上所述，目前使用单一材料制造超导磁体线圈支撑结构的技术方案根据所使用材料的不同，各有优缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种重量轻、结构稳定，使用过程中不容易出现失超工况的用于核磁共振成像系统的超导磁体结构。