《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》是中國科學院電工研究所於2011年6月24日申請的專利，該專利的申請號為2011101718716，公布號為CN102360691A，授權公布日為2012年2月22日，發明人是王秋良、王暉、胡新寧、戴銀明、嚴陸光、許建益。
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》是由超導線圈（1）與超導開關（14）組成閉環電流迴路產生磁場，所產生的磁場通過上下鐵軛（3）和側鐵軛（13）獲得磁通迴路並進行磁場禁止。磁體系統通過超導線圈（1）在磁體成像中心區域（15）內產生所需要的磁場。為了平衡超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間巨大的電磁力，在低溫容器（2）的內孔空間中安裝圓環形的鐵環（4）。通過鐵環（4）改變超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間的磁場分布，從而減小兩者之間的相互電磁作用力。
2016年12月7日，《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統
- 公布號：CN102360691A
- 授權日：2012年2月22日
- 申請號：2011101718716
- 申請日：2011年6月24日
- 申請人：中國科學院電工研究所
- 地址：北京市海淀區中關村北二條6號
- 發明人：王秋良、王暉、胡新寧、戴銀明、嚴陸光、許建益
- Int.Cl.：H01F6/00(2006.01)I；G01R33/3815(2006.01)I
- 代理機構：北京科迪生專利代理有限責任公司
- 代理人：關玲
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
醫學核磁共振系統需要較強的中心磁場和較為寬敞的成像空間。較強的中心磁場可以提高成像的解析度。與圓柱形的結構相比較，分離式超導線圈形成的開放式磁體系統提供給病人的是一個與樣品空間垂直的磁場，因而其成像效率是平行磁場的
倍，表明垂直場與平行場相比較具有較高的成像效率。隨時間變化的梯度磁場疊加在主磁場上，形成成像空間的空間編碼，通過射頻線圈提供樣品的激發，由此可以為病人提供清晰的診斷圖像。同時分離超導線圈磁體系統可以提供比永磁體更強的磁場和更為廣闊成像區域與線上手術治療的空間，對於病人而言不會產生幽閉症。
截至2011年6月，醫用核磁共振磁體系統使用釹鐵硼（NdFeB）永磁體、電阻磁體以及超導磁體等產生磁場。一般永磁產生的磁場強度在0.5特斯拉以下，磁場強度受到環境溫度的影響較大，為了穩定中心磁場，通常使用控溫系統保證磁體的溫度恆定。電阻磁體能夠提供較高的磁場，但功率消耗較大，磁場的穩定度受到電源的紋波係數的限制。隨著新型超導材料和低溫技術的發展，使用零揮發液氦浸泡冷卻可以將超導磁體運行時間持續幾年或更長的時間。
將超導磁體技術取代永磁技術，同時使用鐵軛來校正、禁止磁場和提供磁場迴路，可以形成新型結構的磁體系統。這樣的磁體系統重量較小，系統的結構較為緊湊。由於鐵軛與超導線圈之間的電磁力作用使得對稱分布的超導線圈與上、下鐵軛之間產生幾十噸的相互作用力，為克服線圈結構的不穩定性，需要較強外支撐結構。2011年6月前，這種較強的外支撐結構低溫下的形變將影響線圈產生形變，導致線圈結構材料破裂產生失超。同時由於外支撐結構體積較大、結構複雜，使得磁體系統的結構複雜，並且外支撐結構導致外接極高熱流進入到低溫系統內部，使得液氦消耗較高。
發明內容
專利目的
為了克服2011年6月前核磁共振磁體的外支撐結構體積大、結構複雜的缺點，《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》提出帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，該發明可以自平衡超導線圈和鐵軛之間的較強的相互電磁作用力，將電磁力抵消達到接近於零。
技術方案
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》使用低溫或高溫超導線材提供磁場驅動源，通過用鐵磁材料形成的鐵軛將超導線圈產生的磁通路徑相連並進行磁場禁止。
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》開放式核磁共振磁體系統包括圓環形的超導線圈和低溫容器，所述的磁體系統分為上下兩部分，上下兩部分結構相同，關於中心對稱。超導線圈放置在低溫容器內部獲得低溫環境，低溫容器上下兩部分之間由低溫容器連線管連通。超導開關放置在超導線圈的外表軸向的中間位置，超導線圈與超導開關組成閉環電流迴路，產生磁場。所產生的磁場通過上下鐵軛和側鐵軛獲得磁通迴路並進行磁場禁止。由鐵磁材料製成的上下鐵軛和側鐵軛被超導線圈產生的磁場磁化。所述的磁體系統通過超導線圈在磁體成像中心區域內產生所需要的磁場。為了平衡超導線圈與上下鐵軛之間巨大的電磁力，該發明在低溫容器的內孔空間中安裝了圓環形的鐵環。通過所述的鐵環改變超導線圈與上下鐵軛之間的磁場分布，從而減小兩者之間的相互電磁作用力。所述的鐵環由非磁性材料製作的鐵環支撐結構支撐固定。在鐵環支撐結構和上下鐵軛之間放置環氧樹脂墊板，保證鐵環支撐結構和上下鐵軛之間的電絕緣。在鐵環支撐結構的內壁依次布置有梯度線圈和勻場線圈，所述的梯度線圈和勻場線圈中心對稱，軸向方向上勻場線圈布置在梯度線圈的外側。所述的梯度線圈產生梯度場，所述的勻場線圈主要用於校正成像空間的磁場分布。為了禁止梯度線圈在切換過程中產生的渦流，該發明採用了禁止線圈，禁止線圈同軸放置在梯度線圈的外部。禁止線圈和梯度線圈通過環氧樹脂支撐板支撐。
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》在低溫容器內壁布置了鐵環，鐵環由多層圓環狀鐵片疊加組成。鐵環的外圈貼近低溫容器的內表面。鐵環的材料使用高磁導率的碳鋼或其他高磁導率材料，以減小鐵芯材料的使用量。超導線圈和上下鐵軛之間的零電磁吸引力作為鐵環的厚度和高度的設計目標，通過控制鐵環的厚度和高度，使超導線圈和上下鐵軛之間的電磁吸引力為零。組成鐵環的鐵片的重量儘可能小，每一片鐵片的厚度大約在1～2毫米，通過增加或減小鐵片的數量可以從工程上實現超導線圈與上下鐵軛之間的電磁吸引力接近於零，從而實現電磁力平衡。
所述的鐵環與上下鐵軛之間不再有磁路連線，使用空氣間隙形成磁阻，這樣被超導線圈的磁場磁化的鐵環從而產生相互作用力，該作用力能夠抵消超導線圈與上下鐵軛之間的相互作用力，從而平衡超導線圈與上下鐵軛之間的相互作用力。
所述的鐵環通過非導磁材料固定在對稱的鐵軛結構上，在機械上固定。同時，為了調整力的相互作用，將鐵環沿著軸線方向分成多層鐵片結構，通過調節鐵片的數目達到調節鐵環的厚度，從而調節《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》磁體系統的整體相互作用力，達到減小線圈與鐵軛之間的相互作用力。
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》開放式核磁共振磁體系統為了消除渦流，在鐵環上開有狹小縫隙以減小由於梯度線圈的磁場變化產生的渦流。
附圖說明
圖1是開放式結構的自適應平衡線圈與鐵軛之間相互作用力的磁體結構。1超導線圈，2低溫容器，3上下鐵軛、4鐵環，5鐵環支撐結構，6鐵環固定結構，7禁止線圈，8梯度線圈，9勻場線圈，10環氧樹脂支撐板，11環氧樹脂墊板，12低溫容器連線管，13側鐵軛，14超導開關，15磁體成像中心區域；
圖2是鐵環4和鐵環支撐結構；圖中：16鐵環上開的狹縫；
圖3是鐵環4結構，17鐵片。
技術領域
《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》涉及一種用於核磁共振成像裝置磁體系統。
權利要求
1.《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》包括圓環形的超導線圈（1）和低溫容器（2），超導線圈（1）放置在低溫容器（2）內部獲得低溫環境，所述的磁體系統分為上下兩部分，上下兩部分結構相同，關於中心對稱；低溫容器（2）的上下兩部分由低溫容器連線管（12）連通；其特徵在於，超導線圈（1）與超導開關（14）組成閉環電流迴路產生磁場，所產生的磁場通過上下鐵軛（3）和側鐵軛（13）獲得磁通迴路，並進行磁場禁止；上下鐵軛（3）和側鐵軛（13）被超導線圈（1）產生的磁場磁化，磁體系統通過超導線圈（1）在磁體成像中心區域（15）內產生所需要的磁場；低溫容器（2）的內孔空間中安裝有圓環形的鐵環（4）；通過鐵環（4）改變超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間的磁場分布，減小超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間的相互電磁作用力；所述的鐵環（4）由非磁性材料製成的鐵環支撐結構（5）支撐固定；在鐵環支撐結構（5）和上下鐵軛（3）之間放置環氧樹脂墊板（11）；在鐵環支撐結構（5）的內壁依次中心對稱布置有梯度線圈（8）和勻場線圈（9），在軸向方向上勻場線圈（9）布置在梯度線圈（8）的外側；禁止線圈（7）同軸放置在梯度線圈（8）的外部；禁止線圈（7）和梯度線圈（8）通過環氧樹脂支撐板（10）支撐。
2.按照權利要求1所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，所述的鐵環（4）與上下鐵軛（3）之間沒有磁路連線，使用空氣間隙形成磁阻；被超導線圈（1）的磁場磁化的鐵環（4）產生相互作用力，所述的作用力抵消超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間的電磁力。
3.按照權利要求1所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，所述的鐵環（4）由多層圓環形鐵片（17）疊加組成；鐵環（4）的外圈貼近低溫容器（2）的內表面，鐵環（4）通過非導磁材料固定在對稱的鐵軛結構上。
4.按照權利要求1或2或3所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，所述的鐵環（4）的材料使用碳鋼或其他導磁材料；通過控制鐵環（4）的厚度和高度，使超導線圈（1）和上下鐵軛（3）之間的電磁吸引力接近於零。
5.按照權利要求3所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，通過增加或減小所述的鐵片（17）的數量調節鐵環的厚度，平衡超導線圈（1）與上下鐵軛（3）之間的電磁力。
6.按照權利要求3所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，每一個所述的鐵片（17）的厚度為1～2毫米。
7.按照權利要求1所述的一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統，其特徵在於，所述的鐵環（4）徑向方向上開有狹小縫隙，以減小由於梯度線圈（8）的磁場變化產生的渦流。
實施方式
如圖1所示，《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》開放式核磁共振磁體系統包括圓環形的超導線圈1和低溫容器2，所述的磁體系統分為上下兩部分，上下兩部分結構相同，關於中心對稱。超導線圈1放置在低溫容器2內部獲得低溫環境，低溫容器2的上下兩部分由低溫容器連線管12連通。超導線圈1與超導開關14組成閉環電流迴路產生磁場，產生的磁場通過上下鐵軛3和側鐵軛13獲得磁通迴路，並進行磁場禁止。由鐵磁材料製成的上下鐵軛3和側鐵軛13被超導線圈1產生的磁場磁化，所述的磁體系統通過超導線圈1在磁體成像中心區域15內產生所需要的磁場。為了平衡超導線圈1與上下鐵軛3之間巨大的電磁力，在低溫容器2的內孔空間中安裝圓環形的鐵環4。通過鐵環4改變超導線圈1與上下鐵軛3之間的磁場分布，從而減小兩者之間的相互電磁作用力。鐵環4由非磁性材料的鐵環支撐結構5支撐固定。在鐵環支撐結構5和上下鐵軛3之間放置環氧樹脂墊板11，保證鐵環支撐結構5和上下鐵軛3之間的電絕緣。在鐵環支撐結構5的內壁依次中心對稱布置有梯度線圈8和勻場線圈9，軸向方向上勻場線圈9布置在梯度線圈8的外側。梯度線圈8產生梯度場，勻場線圈9主要用於校正成像空間的磁場分布。該發明採用禁止線圈7禁止梯度線圈8在切換過程中產生的渦流，禁止線圈7同軸放置在梯度線圈8的外部。禁止線圈7和梯度線圈8通過環氧樹脂支撐板10支撐。
圖2所示是鐵環4與鐵環支撐結構5的俯視圖，由於鐵環5的下部與梯度線圈8較為接近，為了消除渦流，在鐵環4徑向方向上開有狹小縫隙16，以減小由於梯度線圈8的磁場變化產生的渦流。
如圖3所示，鐵環4是由多個圓環狀鐵片17疊加組成，每一片鐵片的厚度大約在1～2毫米，可由碳鋼或高磁導率材料製成，鐵環4通過非導磁材料製成的鐵環支撐結構5固定在對稱的鐵軛結構上。同時為了調整力的相互作用將鐵環4沿著軸線方向分成若干層狀鐵片疊加結構，通過調節所述的鐵片的數目達到調節鐵環的厚度，通過增加或減小鐵片17的數量可以從工程上實現超導線圈1與上下鐵軛3之間的電磁吸引力接近於零，從而實現力的平衡。當調節鐵片17的數量達到力平衡後，通過加壓的鐵環固定結構6固定鐵片17實現鐵環結構的穩定。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種帶有鐵環結構的開放式核磁共振磁體系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
