專利名稱：核磁共振成像掃描器接收線圈的冷卻的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于冷卻物體，尤其是核磁共振成像掃描器中接收線圈的設(shè)備和方法。
核磁共振成像(MRI)是一強(qiáng)大的通用診斷技術(shù)，廣泛用于大腦和人體的掃描。由于MRI是唯一可接受的獲得脊骨和大腦等一定圖象的方式，因此對(duì)MRI需求的增長(zhǎng)超過了其供應(yīng)，而且，MRI的靈活性使其具有新的應(yīng)用，如干涉成像。另外，對(duì)使用以CT和其它X射線為基礎(chǔ)的技術(shù)給病人和工作人員所帶來的射線危害的關(guān)注也正在增加。
盡管MRI是一個(gè)強(qiáng)大的技術(shù)，所需要的設(shè)備卻存在很多問題，如一臺(tái)設(shè)備需要很高的資金費(fèi)用，對(duì)于從基本到中等再到高等領(lǐng)域的掃描器，其價(jià)格在0.5到1百萬英鎊范圍內(nèi)。掃描器由于使用液氦和需要高素質(zhì)的工作人員，例如放射線專家和技術(shù)人員，因此具有高的運(yùn)行和操作費(fèi)用，并且由于其使用磁邊緣場(chǎng)，因此還具有很高的維護(hù)費(fèi)用和很大的場(chǎng)地，另外由于使用很高的磁場(chǎng)，因此還具有與其它設(shè)備(如，生命支持和監(jiān)控設(shè)備)的兼容問題。在一些病人和有局限的病人入口的情況下，有限的“病人入口”會(huì)導(dǎo)致幽閉恐怖癥。
MRI依賴于核磁共振，其過分簡(jiǎn)單的涉及在磁場(chǎng)中校正氫核，利用射頻脈沖來激發(fā)它們并探測(cè)一弱的射頻(rf)信號(hào)該rf信號(hào)利用一“接收線圈”測(cè)得。這主要是一靈敏天線，在傳統(tǒng)的MRI設(shè)備中，該天線通常是由如銅等金屬制成，并且在室溫(約300K)下操作。
為了使成像成為可能，信噪比(SNR)必須被提高到一可接受的水平。在傳統(tǒng)掃描器中這是通過增加提高信號(hào)的磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的。磁場(chǎng)在成像區(qū)域還必須是均勻和穩(wěn)定的。這導(dǎo)致使用高磁場(chǎng)(如1特斯拉或更高)的設(shè)備并且需要使用超導(dǎo)磁體。
本發(fā)明的方法和裝置可以有利地被利用來冷卻普通金屬線圈，由此使普通金屬接收天線的傳導(dǎo)率增加并進(jìn)而提高信噪比性能。然而，這與本發(fā)明期望最大化使用的冷卻超導(dǎo)MRI接收線圈有關(guān)。
已經(jīng)顯示出降低銅接收線圈的溫度提高了其敏感性，并且由于具有比銅低的阻抗使得使用超導(dǎo)接收線圈改善了進(jìn)一步其敏感性。所謂高溫超導(dǎo)(HTS)的發(fā)現(xiàn)使得將操作溫度引入該領(lǐng)域中，進(jìn)而變得可以經(jīng)濟(jì)適用地利用這種性能。HTS超導(dǎo)體具有在液氮溫度77K以上的轉(zhuǎn)變溫度，例如YBa2Cu3Ox在92K下變成超導(dǎo)，(Bi，Pb)2Sr2Ca3Cu3Ox在105K下具有超導(dǎo)，TlBa2Ca2Cu3Ox在115K下具有轉(zhuǎn)變，HgBa2Ca2Cu3Ox在135K和加壓下具有轉(zhuǎn)變。這些材料因此可以在液氮溫度下使用。已經(jīng)利用本液氮冷卻的HTS接收線圈進(jìn)行成像，并且在A S Hall，NAlford，T W Button，D J Gilderadale，K A Gehring，J R Young的文章“高溫超導(dǎo)體在核磁共振成像的接收線圈中的使用”(Magnetic Resonance in Medicine 20，pps.340-343，1991)有記載。利用如液氮等液體制冷劑來冷卻線圈。在一些情況下是會(huì)缺點(diǎn)的，如在遠(yuǎn)程區(qū)域，在常規(guī)基礎(chǔ)上獲得液體制冷劑是有問題的。
我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出完全避免需要使用液體制冷劑和利用緊湊制冷機(jī)來冷卻接收線圈的裝置。使用制冷機(jī)必須克服幾個(gè)問題，因?yàn)樵诔Ｒ?guī)操作中是直接將需被冷卻的物體放置在冷卻頭上，將防輻射罩放置在該物體上方來防止熱損失，隨后將真空夾套放置在組件上方，然后將所述物體冷卻到絕對(duì)零度上的幾度。
然而，由于接收線圈不能直接放置在冷卻頭的上方，因此一起使用接收線圈是不可能的，這是因?yàn)槔鋮s器的金屬構(gòu)造會(huì)干涉用于產(chǎn)生圖象中非自然信號(hào)或NMR信號(hào)的信號(hào)。同樣不可能使用封閉的防輻射罩，因?yàn)镹MR信號(hào)不能被接收線圈探測(cè)，這意味著，一起使用冷卻器和接收線圈的話，接收線圈將必須放置成離冷卻頭一定距離；準(zhǔn)確的距離依賴于例如線圈尺寸、形狀、本底磁場(chǎng)等幾個(gè)因素。為了克服在距離冷卻頭一定距離處冷卻接收線圈的問題，由于鐵金屬被磁場(chǎng)吸引，所以鐵金屬熱導(dǎo)體不能使用，而且即使非鐵金屬不被磁場(chǎng)吸引，但是由于在金屬內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流將干涉信號(hào)，所以也不能使用非鐵金屬。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱的非金屬復(fù)合物可以用作熱導(dǎo)體，來克服上述問題。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)有用于冷卻如核磁共振成像裝置中接收線圈等物體的裝置，該裝置包括一個(gè)制冷單元，該制冷單元包括一個(gè)冷卻頭，一個(gè)由導(dǎo)熱非金屬復(fù)合物制成的熱導(dǎo)體，該熱導(dǎo)體是與冷卻頭熱接觸的，其中設(shè)有用于使熱導(dǎo)體與要被冷卻的物體熱接觸的裝置。
使用中，制冷單元被操作，從而冷卻頭被冷卻到需要的溫度，并且將熱導(dǎo)體放置成與冷卻頭和接收線圈熱接觸，由此來冷卻接收線圈。
本發(fā)明還提供了一種冷卻MRI設(shè)備中接收線圈的方法，其中該方法中，利用冷卻頭操作制冷單元來冷卻冷卻頭，非金屬熱導(dǎo)體放置成與冷卻頭和接收線圈熱接觸，由此來冷卻接收線圈。
可以使用在制冷單元中的冷卻頭包括傳統(tǒng)的冷卻器，如斯特靈(Stirling)循環(huán)冷卻器、Gifford McMahon冷卻器或脈沖管冷卻器等。這些冷卻器包括一個(gè)與再生器相連的置換器，并且有時(shí)是指再生冷卻器。置換器在制冷機(jī)的熱端和冷端之間循環(huán)氣體(如氦)并保持與由振動(dòng)活塞產(chǎn)生的振動(dòng)壓力的合適相位關(guān)系(Thomas P Sheahen的“高溫超導(dǎo)的介紹”，Plenum出版，1994 ISBN 0-306-4793-2)。最終結(jié)果是這冷卻了冷卻器的冷卻頭。不排除使用熱電冷卻器，但是它們的基礎(chǔ)溫度比上面描述的再生冷卻器高很多。
熱導(dǎo)體可以由導(dǎo)熱非金屬復(fù)合物形成，如熱導(dǎo)陶瓷。熱導(dǎo)體可以由公知的高熱導(dǎo)率的非金屬復(fù)合物形成，如燒結(jié)陶瓷形式或單晶形式的氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、碳化硅。優(yōu)選地，該復(fù)合物具有至少10W/m.K的導(dǎo)熱性，最好是在室溫(300K)的30W/m.K。
一般，這樣的復(fù)合物最好是相當(dāng)純(少于5％雜質(zhì))，因?yàn)椋谶@些復(fù)合物中的雜質(zhì)對(duì)其導(dǎo)熱性有有害影響。
也應(yīng)該注意到，在感興趣的溫度下，即例如100K以下的低溫溫度下，許多材料的導(dǎo)熱性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其室溫下的導(dǎo)熱性。
所以，例如，在表1中示出了燒結(jié)陶瓷材料的導(dǎo)熱性(從Y.S.Toulakian和E.H.Buyco的“非金屬固體的比熱”中摘錄，Thermophysical properties of matter volume 5.IFI/PlenumNew York，Washington 1970)
優(yōu)選的，接收線圈連接在熱導(dǎo)體的一個(gè)桿上，該桿又連在封閉循環(huán)冷卻器的冷卻頭上。桿足夠長(zhǎng)來防止金屬冷卻頭和冷卻體干涉MRI信號(hào)。為了防止射線損失，接收線圈封裝在一個(gè)絕緣體中，如薄金屬化的聚酯薄膜(Mylar)，也就是所謂超絕緣。
本發(fā)明使得MRI接收線圈被冷卻到低溫，用來提高M(jìn)RI掃描器的性能，從而使得無需液體制冷劑即可使用低強(qiáng)度磁場(chǎng)能。
在附圖
中示出的本發(fā)明示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。
參照附圖，例如斯特靈循環(huán)冷卻器的封閉循環(huán)冷卻器具有一個(gè)被冷卻器冷卻的冷卻頭2。一個(gè)導(dǎo)熱的非金屬桿3連接在冷卻頭2。被冷卻的物體，如接收線圈，連接在所述桿3上。冷卻頭、熱導(dǎo)桿和被冷卻的物體被真空夾套5包圍。
在使用中，操作冷卻器1來冷卻冷卻頭2，隨后利用桿3來冷卻物體4。甚至在非常強(qiáng)的MRI相關(guān)磁場(chǎng)中，也可以有效地操作接收線圈。
本發(fā)明進(jìn)一步在例子中被描述。
例子例1氧化鋁的桿長(zhǎng)度為150mm，直徑為25mm，連接在斯特靈循環(huán)冷卻器的冷卻頭上。接收線圈由超導(dǎo)YBa2Cu3Ox材料構(gòu)成，被沉積在3摩爾百分比的Y-穩(wěn)定氧化鋯的100mm×100mm×1mm平方基片上?；胖迷诿艿碾s質(zhì)＜5％的氧化鋁桿的頂部上。基片利用5瓦的冷卻功率獲得70K的溫度。這足以將超導(dǎo)冷卻到其超導(dǎo)轉(zhuǎn)換溫度以下。
例2與例1的過程相同，除了基片是由氧化鋁組成的100mm×100mm×1mm平方基片。而且，基片獲得的溫度低于70K。
例3與例2中相同的過程施加在由氧化鋁組成的基片上，在基片上印有銀線圈。達(dá)到的溫度低于70K。
例4與例2中相同的過程施加在由聚合電路板材料組成的25mm×25mm×1mm平方基片上，在基片上印有銅線圈。獲得的溫度低于70K。
權(quán)利要求
1.一種用于冷卻物體的設(shè)備，該設(shè)備包括制冷單元，該制冷單元包括一冷卻頭、由導(dǎo)熱非金屬復(fù)合物形成的熱導(dǎo)體，該熱導(dǎo)體是與冷卻頭熱接觸的，并且該設(shè)備設(shè)有一個(gè)用于使熱導(dǎo)體與所述物體熱接觸的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述物體是核磁共振成像裝置的接收線圈。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述接收線圈是由高溫超導(dǎo)體制成。
4.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述接收線圈是由YBa2Cu3Ox制成。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述制冷單元包括一個(gè)斯特靈循環(huán)冷卻器，Gifford McMahon冷卻器，脈沖管冷卻器或熱電冷卻器。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱導(dǎo)體是由熱導(dǎo)陶瓷形成，其導(dǎo)熱性至少為10W/m.K，優(yōu)選為在300K下至少為30W/m.K。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱導(dǎo)體由燒結(jié)陶瓷形式的或單晶形式的氮化鋁、氧化鋁、氧化鈹、氧化鎂、碳化硅制成。
8.一種MRI掃描器的接收線圈的冷卻方法，在該方法中，操作帶有冷卻頭的制冷單元來冷卻冷卻頭，將非金屬熱導(dǎo)體放置成與冷卻頭和接收線圈熱接觸，由此來冷卻接收線圈。
全文摘要
一種用于將MRI掃描器中HTS接收線圈(4)冷卻到低于HTS轉(zhuǎn)變溫度以下的設(shè)備，該設(shè)備包括例如斯特靈冷卻器(1)的制冷單元，該制冷單元的冷卻頭(2)利用非金屬熱導(dǎo)體桿(3)連接在接收線圈(4)上。
文檔編號(hào)A61B5/055GK1476525SQ01819334
公開日2004年2月18日 申請(qǐng)日期2001年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月26日
發(fā)明者尼爾·M·奧爾福德, 尼爾 M 奧爾福德 申請(qǐng)人:南岸大學(xué)企業(yè)有限公司