一种超导磁体设备及放疗系统的制作方法

1.本说明书涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种超导磁体设备及放疗系统。


背景技术：

2.超导磁体设备常用于核磁共振放射治疗，将治疗对象置于强磁场中，通过向治疗对象发射射频脉冲使治疗对象部分区域的原子核受到激发。撤除射频脉冲后，天线接收被激发的原子核辐射出的射频信号。当加入梯度磁场后，就可以通过射频信号获得治疗对象的空间分布信息，从而重建出治疗对象的二维或三维图像。梯度磁场由梯度线圈产生，工作时施加脉冲电流，过程中会产生杂散场，在超导磁体系统内产生或感生涡流，引起涡流发热。
3.在低液氦及无液氦系统中，由于没有大量的液氦用于维持超导线圈低温状态，持续的涡流发热会导致超导线圈温度上升，增加失超风险，这样就给大功率梯度序列应用带来诸多限制。因此，有必要提出一种可以减少或消除涡流的超导磁体设备，避免涡流发热引起超导磁体失超的风险。


技术实现要素：

4.本说明书实施例之一提供一种超导磁体设备，包括梯度线圈、超导线圈、制冷装置和防涡流装置；所述超导线圈套设在所述梯度线圈外；所述防涡流装置包括导电的环形结构；所述环形结构套设在所述梯度线圈外，且位于所述超导线圈与所述梯度线圈之间。
5.在一些实施例中，所述环形结构在10k以下温区时的电阻率小于或等于1
×
10-8
ω
·
m。
6.在一些实施例中，所述环形结构包括环形铜板、环形铝板或环形银板，或者，所述环形结构包括弧形铜板、弧形铝板或弧形银板所拼接形成的环形。
7.在一些实施例中，所述防涡流装置与所述制冷装置之间通过第一导冷组件热传导连接；所述制冷装置包括冷头和第二导冷组件，所述冷头与所述第二导冷组件热传导连接。
8.在一些实施例中，所述第二导冷组件包括导冷管，所述导冷管内用于制冷剂流动；所述导冷管套设在所述超导线圈外，且所述导冷管与所述冷头热传导连接。
9.在一些实施例中，所述第二导冷组件包括导冷板，所述导冷板套设在所述超导线圈外，所述导冷板通过传热结构与所述冷头热传导连接。
10.在一些实施例中，所述第一导冷组件包括线圈支架，所述超导线圈套设在所述线圈支架上，所述线圈支架与所述防涡流装置热传导连接。
11.在一些实施例中，所述环形结构通过第二导冷连接件与所述第二导冷组件热传导连接。
12.在一些实施例中，所述第一导冷组件包括第一导冷连接件；所述环形结构通过所述第一导冷连接件与所述冷头热传导连接。
13.在一些实施例中，所述环形结构的厚度为1～2mm。
14.在一些实施例中，所述环形结构包括整块的环形板，或者，由多块弧形板组合而成的环形板。
15.本说明书实施例之一还提供一种放疗系统，包括本说明书实施例中任一项所述的超导磁体设备。
16.本实施例所示的超导磁体设备的技术效果是：1)在梯度线圈与超导线圈之间设置防涡流装置，防涡流装置与制冷装置热传导连接，防涡流装置可以有效屏蔽涡流，并且可以将热量快速导走，从而降低磁体失超的风险，减少低液氦或无液氦系统的应用限制，提高扫描效率；2)环形结构为低温环境下电阻率较低的材质，其上产生的涡流热量很小；并且环形结构通过第一导冷连接件与冷头热传导连接，或者，环形结构与第二导冷组件之间设有第二导冷连接件，环形结构上的热量可以直接或间接传递至冷头，从而避免超导线圈受热失超。
附图说明
17.本说明书将以示例性实施例的方式进一步说明，这些示例性实施例将通过附图进行详细描述。这些实施例并非限制性的，在这些实施例中，相同的编号表示相同的结构，其中：
18.图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图；
19.图2是图1所示的超导磁体设备a-a面的剖视图；
20.图3是根据本说明书一些实施例所示的不同纯度铜的电阻率随温度的变化示意图；
21.图4是根据本说明书另一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图；
22.图5是根据本说明书又一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图；
23.附图标记说明：100、超导磁体设备；1、梯度线圈；2、超导线圈；3、制冷装置；31、冷头；32、第二导冷组件；321、导冷管；322、导冷板；33、传热结构；34、第二导冷连接件；4、防涡流装置；40、环形结构；5、第一导冷组件；51、线圈支架。
具体实施方式
24.为了更清楚地说明本说明书实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本说明书应用于其它类似情景。本说明书中所述实施例仅用以说明本说明书实施例的原则，是作为示例而非限制，其他的变形也可能属于本说明书的范围。
25.如本说明书和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。在一些应用中，为了避免超导线圈因为涡流发热失超，一般会限制序列功率的范围，避免使用大功率梯度序列，这缩减了超导磁体设备的应用范围。
26.核磁共振系统工作过程中，将人体置于强磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人
体部分区域的原子核收到激发。射频场撤除后，天线接收被激发的原子核辐射出的射频信号。当加入梯度磁场后(梯度磁场由梯度线圈产生)，就可以通过射频信号获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。在核磁共振扫描过程中，梯度线圈运行会产生时变场(即时变电磁场，也称交变电磁场)，处于时变场中的超导线圈会产生涡流发热，序列功率越高，涡流发热越严重。在一些实施例中，在mri超导磁体中，将超导线圈浸泡在液氦中来维持其低温状态，这种结构需要大量液氦，由于液氦价格逐年上涨，液氦成本在传统磁体中的比重越来越高，超导磁体的成本压力巨大。为了节约设备成本，在一些实施例中，超导磁体设备常采用低液氦或无液氦冷却系统，没有大量的液氦用于冷却超导线圈，持续的涡流发热会导致超导线圈温度上升，增加磁体失超风险，这样就给大功率梯度序列应用带来诸多限制。在一些应用中，为了保护磁体，系统会停止扫描，待超导线圈温度恢复正常后再进行扫描，极大降低扫描效率。
27.在一些实施例中，超导磁体设备中液氦含量很低，可以用热虹吸管道或导冷板对超导磁体中的超导线圈进行冷却，热虹吸管分别与超导线圈、制冷装置热传递连通，热虹吸管内是氦气和液氦的混合物。热虹吸管内氦气被制冷装置冷却凝结为液氦，流到超导线圈处，受热后又蒸发成氦气，回到制冷装置，通过这种传热方式冷却超导线圈。在此结构中，由于没有很大的冷质量来维持超导线圈中的低温状态，热虹吸管不能快速有效地将热量导走，热量输入容易引起超导线圈内温度波动，从而引起磁体失超风险。
28.在一些实施例中，超导磁体中不含有液氦，超导线圈外侧包裹一圈导冷板，导冷板为高导热率材料(比如，铜)制成，导冷板与制冷装置通过高导热率材料连接。通过这种传热方式，将制冷装置的冷质量传递至超导线圈，从而冷却超导线圈。但是，在此结构中，同样由于没有很大的冷质量来维持超导线圈中的低温状态，导冷板不能快速有效地将热量导走，也容易引起磁体失超风险。
29.本说明书一些实施例的超导磁体设备，在梯度线圈与超导线圈之间设置防涡流装置，防涡流装置可以包括导电的环形结构。导电的环形机构对时变电磁场可以起到很好的屏蔽作用，以防止超导线圈产生涡流而发热。在一些实施例中，防涡流装置还可以通过与制冷装置热传导连接，将制冷装置的冷量传递至防涡流装置，冷却防涡流装置和超导线圈，避免超导线圈发热导致磁体失超，减少低液氦或无液氦系统的应用限制，提高扫描效率。
30.图1是根据本说明书一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图；图2是图1所示的超导磁体设备a-a面的剖视图。
31.在一些实施例中，如图1、图2所示，超导磁体设备100可以包括梯度线圈1、超导线圈2、制冷装置3和防涡流装置4。超导线圈2套设在梯度线圈1外。防涡流装置4包括导电的环形结构40。环形结构40套设在梯度线圈1外，且位于超导线圈2与梯度线圈1之间。超导线圈2与梯度线圈1之间隔着导电的环形结构40，导电的环形结构40对梯度线圈1产生的时变电磁场可以起到很好的屏蔽作用，从而避免超导线圈2因产生涡流发热导致超导线圈2失超。
32.在一些实施例中，防涡流装置4与制冷装置3之间通过第一导冷组件5热传导连接。热传导连接，是指防涡流装置4通过第一导冷组件5与制冷装置3之间实现冷量的传导，具体地可以理解为，制冷装置3可以通过第一导冷组件5将冷量传导给防涡流装置4，以实现冷却防涡流装置4进而冷却超导线圈2。防涡流装置4上产生的涡流热量，可以通过第一导冷组件5将防涡流装置4产生的热量传导走，从而进一步避免超导线圈2受热失超。因此，该超导磁
体设备100可以减少系统扫描时磁体内部的涡流发热量，避免超导线圈2因为涡流发热导致磁体失超，减小了对扫描序列的限制，即可以使用大功率梯度序列。
33.在一些实施例中，第一导冷组件5可以包括线圈支架51，超导线圈2套设在线圈支架51上，线圈支架51与防涡流装置4热传导连接。由于超导磁体设备100在正常运行时，线圈支架51为超低温状态(例如，4k)，所以防涡流装置4也可以为超低温状态。防涡流装置4可以屏蔽梯度线圈1产生的涡流，并且可以将热量通过线圈支架51传递至制冷装置3而带走，从而使得超导线圈2不会受热失超。在基于线圈支架51用于支撑超导线圈2的基础上，线圈支架51又可以用来实现冷量的传导，无需再额外增设其他的热传导结构，因此该实施例的超导磁体设备100的结构实现了简化，便于生产。
34.在一些实施例中，防涡流装置4固定连接在线圈支架51内。例如，可以采用多个固定螺钉将防涡流装置4固定连接在线圈支架51内。又例如，可以采用低温粘胶将防涡流装置4粘贴在线圈支架51内。
35.在一些实施例中，如图1所示，制冷装置3可以包括冷头31和第二导冷组件32，冷头31与第二导冷组件32热传导连接，第二导冷组件32套设于超导线圈2外，第二导冷组件32可以将冷头31产生的冷量传递至超导线圈2，从而冷却超导线圈2。
36.图4是根据本说明书另一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图。在一些实施例中，如图4所示，第二导冷组件32包括导冷管321，导冷管321内用于制冷剂流动；导冷管321套设在超导线圈2外，且导冷管321与冷头31热传导连接。导冷管321内的制冷剂被冷头31冷却凝结为液体，流到超导线圈2处，受热后又蒸发成气体回到冷头31，制冷剂以这种方式循环，从而冷却超导线圈2。在一些实施例中，制冷剂可以包括液氦。
37.图5是根据本说明书又一些实施例所示的示例性超导磁体设备的结构示意图。在一些实施例中，如图5所示，第二导冷组件32包括导冷板322，导冷板322套设在超导线圈2外，导冷板322通过传热结构33与冷头31热传导连接，导冷板322可以将超导线圈2的热量传导至冷头31，从而冷却超导线圈2。在一些实施例中，传热结构33可以为高导热率的材料，例如，传热结构33可以包括铜带。
38.上述两个实施例所示的超导磁体设备是低液氦或者无液氦的磁体装置，通过到冷管或者导冷板可以减少液氦的使用，降低超导磁体设备的使用成本。但是，在低液氦或者无液氦的磁体装置中，超导线圈2容易发热而导致磁体失超。在低液氦或者无液氦的磁体装置内设置了防涡流装置4，既起到了用降低超导磁体设备的使用成本的作用，又起到了通过防涡流装置4避免超导线圈2因产生涡流发热导致磁体失超的作用。
39.在一些实施例中，环形结构40通过第二导冷连接件34与第二导冷组件32热传导连接。如图2所示，环形结构40与第二导冷组件32之间设有第二导冷连接件34，环形结构40上的热量可以通过第二导冷连接件34传递走，例如，传递至第二导冷组件32，甚至传递至冷头31。在一些实施例中，第二导冷连接件34可以采用高导热率的材料(例如，铜带)。
40.在一些实施例中，第一导冷组件5包括第一导冷连接件(附图未视出)；环形结构40通过第一导冷连接件与冷头31热传导连接，环形结构40上的热量可以通过第一导冷连接件传递走，例如，直接传递至冷头31。在一些实施例中，第一导冷连接件可以采用高导热率的材料(例如，铜带)。
41.一般地，基于公式q＝i
2 r(其中，q为热量，i为涡流电流，r为电阻)可知，防涡流装
置4的环形结构40的电阻r越小，涡流产生的热量q越小，引起超导线圈2失超的风险越小。在一些实施例中，环形结构40在10k以下温区时的电阻率可以小于或等于1
×
10-8
ω
·
m。在一些实施例中，环形结构40在4k温区时的电阻率小于1*10-8ω*m，比较合适的材料包括无氧铜、高纯铝、银等材料，从成本考虑，无氧铜最合适。
42.一般金属材料的电阻率随着温度降低而减小，在超低温下电阻率很小，导电性能会很大。超导磁体设备100在正常运行时，线圈支架51为超低温状态(例如，4k)，防涡流装置4也处于超低温状态，此时，环形结构40的导电性能很大，可以对时变场起到很好的屏蔽作用，避免超导线圈2及线圈支架51发热导致磁体失超。
43.超导材料在低温下的电阻率很小，环形结构40可以采用超导材料制成。在一些实施例中，环形结构40可以包括环形铜板、环形铝板或环形银板。图3是根据本说明书一些实施例所示的不同纯度铜的电阻率随温度的变化示意图。图3示出了温度从300k降至4k过程中，不同纯度的铜的电阻率变化曲线，其中，横坐标表示温度t，纵坐标表示当前温度下电阻率ρ，并且标出了温度为273k时的电阻率与4k时的电阻率的比值rrr，rrr＝ρ(273k)/ρ(4k)，将图中曲线由上到下依次编号，曲线
①
～
⑧
对应的铜材料的纯度依次递增。在一些实施例中，如图3所示，铜的纯度越高，对应的电阻率随着温度的变化越大。在一些实施例中，温度降低至4k时，高纯度的铜的电阻率可以降低至273k时电阻率的1/2000，环形结构40可以优选为环形铜板。在一些实施例中，防涡流装置4上也会产生涡流，但是因为其本身电阻很小，所以产生的热量很小，不会影响超导线圈2。
44.一般地，基于公式r＝ρl/s(其中，r为电阻，ρ为电阻率，l为长度，s为横截面积)可知，防涡流装置4的环形结构40的厚度越大(即横截面积越大)，其电阻越小，防涡流效果越好。但由于受设备内空间尺寸的限制，环形结构40的厚度不能太厚，以便于安装。在一些实施例中，可以基于设备内腔的空间大小，尽可能地将环形结构40的厚度设置得较大。在一些实施例中，环形结构40的厚度范围可以为1～2mm。在一些实施例中，环形结构40的厚度范围可以为1.2～1.8mm。在一些实施例中，环形结构40的厚度范围可以为1.4～1.6mm。
45.在一些实施例中，环形结构40可以包括整块的环形板。例如，环形结构40可以是一整圈的环形铜板。在一些实施例中，环形结构40可以是由多块弧形板组合而成的环形板。例如，可以由多块弧形板拼装成环形结构40，弧形板的数量及尺寸可根据实际组装情况设置。
46.本说明书还提供一种放疗系统，包括本说明书实施例中任一项所述的超导磁体设备，其中防涡流装置可以有效屏蔽涡流，并且可以将热量快速导走，从而降低超导磁体失超的风险，减少低液氦或无液氦类放疗系统的应用限制，提高放疗系统的扫描效率。
47.本说明书实施例可能带来的有益效果包括但不限于：(1)在梯度线圈与超导线圈之间设置防涡流装置，防涡流装置与制冷装置热传导连接，防涡流装置可以有效屏蔽涡流，并且可以将热量快速导走，从而降低磁体失超的风险，减少低液氦或无液氦系统的应用限制，提高扫描效率。(2)环形结构为低温环境下电阻率较低的材质，其上产生的涡流热量很小；并且环形结构通过第一导冷连接件与冷头热传导连接，或者，环形结构与第二导冷组件之间设有第二导冷连接件，环形结构上的热量可以直接或间接传递至冷头，从而避免超导线圈受热失超。
48.需要说明的是，不同实施例可能产生的有益效果不同，在不同的实施例里，可能产生的有益效果可以是以上任意一种或几种的组合，也可以是其他任何可能获得的有益效
果。
49.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本说明书的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本说明书进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本说明书中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本说明书示范实施例的精神和范围。
50.同时，本说明书使用了特定词语来描述本说明书的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本说明书至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一个替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本说明书的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
51.应当注意的是，为了简化本说明书披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本说明书实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本说明书对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。