用于零蒸发液体冷却MR磁铁的再冷凝器的除冰系统和方法

摘要

一种为再冷凝器(76)除冰的系统和方法，包括至少一个用于融化再冷凝系统(76)中的冰颗粒(122，124，126)的加热元件(106)。还包括一个动力输送电路(112)，它用于将动力输送到至少一个电阻加热元件(106)、以使至少一个电阻加热元件能输送足以融化再冷凝器系统(76)中的冰颗粒(122，124，126)的供热。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及一种磁共振成像(MR)，更具体地说，涉及一种用于为再冷凝器系统除冰的无侵入系统和方法及液体冷却超导MR磁铁的方法。

背景技术

当一种物质，如人体组织受到均匀的磁场(极化场B₀)的作用时，组织内自旋的单磁矩力图与该极化场对齐，但这一过程是在它们的特性拉莫尔进动频率下按随机的顺序进行的。如果物质或组织受到磁场(励磁场B₁)的作用，该磁场处于x-y平面并接近拉莫尔频率，则净对齐磁矩或“纵向磁化”，MZ可旋转或“翻转”并进入x-y平面，以形成净横向磁矩Mt。在激励信号B₁被终止并且该信号可被接收和处理，以形成一个图像之后，通过激励自旋发射信号。

当采用这些信号以产生图像时，使用磁场梯度(G_x，G_x和G_z)。通常，成像区域按测量周期的顺序扫描，其中这些梯度依照使用的特定定位方法发生改变。将接收的NMR信号的最终集合数字化并进行处理，以便利用许多熟知的重建技术中的一种技术重建图像。

为了产生所需的磁场，采用高场MRI磁铁。通常由金属丝制成的超导磁铁在冷却到所需的低温范围时变成超导体。为了达到所需的低温，利用致冷剂连续地冷却超导磁铁。用于超导磁铁的一种常用致冷剂是氦，它使液体保持在开氏大约4.2度(K)。采用一种液氦浴，以冷却超导金属丝，使磁铁能被励磁或产生斜坡变化，以产生所需的磁场。所得到的特定磁场是金属丝所绕圈数、斜坡电流和斜坡电压的函数。最好在磁铁一进行斜坡变化时，磁铁就维持所需的磁场，直至磁铁斜坡向下时为止。然而，有时由于磁铁的温度上升到使金属丝作为超导体所需的温度范围之上，所以磁场不能维持到超过所需的持续时间。在这种情况下，磁铁失超并不再形成所需的磁场。

为了避免失超，现已研制了一种闭式回路或零蒸发冷却系统，以连续冷凝任何汽化或蒸发的氦。在一种零蒸发冷却系统中，在容纳超导磁铁的磁氦容器内，通过使用一个冷却或液化蒸发的氦气的冷凝器，使冷凝剂氦保持在恒定的氦液位/容量。

在正常运行的情况下，磁铁氦容器在高于大气压的条件下运行，以提高零蒸发冷却系统的频率，并防止大气流入。高于大气压的运行尤其重要，因为大气主要由氦气和氧气组成，它们的凝固温度分别大约为63°K和54°K，所以可防止大气进入。另外，大气中包含构成相对湿度的水蒸汽，其凝固温度约为273°K。这样，任何进入(通过裂缝或意外形成的开口)磁氦容器的空气都会凝固并可作为零蒸发冷却系统的阻挡物，并对保持液氦的温度造成干扰。

在使磁氦容器内的压力减小到大气压的运行期间，磁氦容器处于特别容易受空气进入的影响的状态。例如，在磁斜坡期间或在给磁氦容器充注液氦时，磁压力与大气压平衡，然后打开磁氦容器，以使斜坡线路或充氦线路穿通。通过这些运行，零蒸发系统的再液化器内有潜在的结冰的可能。如果再液化器结冰，则系统不会再冷凝蒸发的氦气，并且冷却系统将停止以零蒸发模式运行。

在这种情况下，过量氦的蒸发会在磁氦容器内产生压力并使压力升高。因此，压力释放阀通常设置在磁氦容器外部，并进行预设定，以在所选择的压力下开启，该压力大于正常运行的压力。当磁氦容器的压力上升至预定的极限时，压力释放阀开启，以损失氦气的代价释放升高的压力。

为了纠正这种情况，通常必须使MRI系统停止工作，以便由现场工程师进行重大维护，以对冷却系统进行除冰。特别是，MRI设备必须减低动力消耗，现场工程师必须通过旁路冷却回路打开冷却系统，并向结冰区喷射热的氦气。另外，必须对用于通过冷却使蒸发的氦气回到液体状态的再冷凝器进行加热。但是，在打开冷却系统，以便利用热氦气对其进行净化时，空气有可能进一步污染磁氦容器。

此外，当从冷却系统清除冰，并且喷射的热氦气与液体氦和超导磁铁接触时，向大气打开冷却系统也常常会使磁铁失超。因此，在运行MRI设备之前，磁铁必须再次斜坡向上(即磁铁线圈重新激励)。

所以，最好具有一种在没有潜在的磁氦容器被空气污染的情况下为液体冷却超导MR磁铁的再冷凝器系统除冰的系统和方法。也就是说，最好具有一种在不会使磁铁失超的情况下为液体冷却超导MR磁铁的再冷凝系统除冰的系统和方法。

发明内容

本发明提供一种克服了上述缺陷的、用于为液体冷却超导MR磁铁的再冷凝器系统除冰的系统和方法。本发明提供一种在不会使潜在的污染物进入磁氦容器内的情况下为再冷凝器除冰的系统和方法。因此，本发明包括一种在减小使磁铁失超的可能性时为液体冷却超导MR磁铁的再冷凝器系统除冰的系统和方法。

在本发明的一个方面中，公开了一种为MR系统的再冷凝器除冰的系统，它包括一个在密封容器内具有超导磁铁的MR系统和一个用于冷却超导磁铁的再冷凝系统。再冷凝系统包括至少一个加热元件，它们用于融化再冷凝系统中的结冰颗粒的和一个动力传递电路，它用于向至少一个加热元件传递动力、以使至少一个加热元件传递足以使再冷凝系统中的结冰颗粒融化的供热。

按照本发明的另一个方面，公开了一种MR系统的再冷凝器系统，它包括一个浸没在液态致冷剂浴中的超导磁铁和一个用于将气态致冷剂冷却成液态致冷剂的再冷凝器。供给管连接在再冷凝器上并用于向再冷凝器传送气态致冷剂，输送管连接在再冷凝器上并用于从再冷凝器中排除液态致冷剂。再冷凝器系统还包括至少一个阻挡部件，用于选择性地将供热传递到再冷凝器、供给管和输送管中的至少一个，以融化冰颗粒。

在本发明的再一个方面中，本发明包括一个MRI设备，它包括一个MRI系统，该系统具有多个用于施加极化磁场的围绕超导磁铁腔定位的梯度线圈、一个RF收发系统和一个由脉冲模块控制以将RF信号传送到一个RF线圈组件、用以获取MR图像的RF开关。MRI设备还包括一个设置在超导磁铁周围的冷却系统。该冷却系统包括一个形成用于使致冷剂汇聚到超导磁铁周围的冷却夹套的密封腔、一个连接在冷却夹套上并用于冷凝汽化的致冷剂的再冷凝器和至少一个用于为再冷凝器除冰的加热部件。

在本发明的另一个方面中，公开了一种超导MR磁铁组件的再冷凝器系统的无损害除冰方法，它包括一个用于融化至少在再冷凝系统上的冰沉积物的加热部分，其中再冷凝系统用于冷凝超导MR磁铁系统的致冷剂，并以真空方式排除融化的冰沉积物。

从下面详细的说明书和附图中可清楚地得知本发明的各种其它特征、目的和优点。

附图说明

附图示出了用于实现本发明的一个优选实施例。

在图中：

图1是用于本发明的一个MR成像系统的示意方框图；

图2是低温制冷系统的示意图，该系统包括本发明的一个用于液氦冷却的冷凝器除冰系统和零蒸发超导MR磁铁；

图3是图2的系统的一部分的放大示意图。

具体实施方式

参照图1，图中示出了体现本发明的优选的磁共振成像(MRI)系统10的主要部件。该系统的运行由操作员控制台12控制，控制台包括一个键盘或其它输入装置13、一个控制面板14和一个显示屏16。控制台12通过链路18与独立的计算机系统20相连，使操作员能控制显示屏16上图像的产生和显示。计算机系统20包括多个通过底板20a相互通信的模块。这些模块包括图像处理模块22，CPU模块24和存储模块26，这些都是现有技术中已知的作为存储图象数据阵列的帧缓存器。计算机系统20连接到用于存储图像数据和程序的磁盘存储器28和磁带机30上，并通过高速串行链路34与独立的系统控制器32相连。输入装置13可包括鼠标、操纵杆、键盘、轨迹球、触摸屏、光笔、声控装置或任何类似或等效的输入装置，并且可以采用交互式几何指令。

系统控制器32包括一组通过底板32a连在一起的模块。这些模块包括CPU模块36和通过串行链路40连接到操作员控制台12上的脉冲发生器模块38。系统控制器32通过通过链路40接收操作员的指令，以指示将进行的扫描序列。脉冲发生器模块38操作系统部件，以执行所需的扫描序列并产生指示所形成的RF脉冲的时间、强度和形状的数据。脉冲发生器模块38连接到一组梯度放大器42上，以指示在扫描过程中产生的梯度脉冲的时间和形状。脉冲发生器模块38还能接收来自生理探测控制器44的病人数据，该控制器44接收多个与病人相连的不同传感器的信号，如来自连接到病人身上的电极的ECG信号。最后，脉冲发生器模块38连接到扫描室接口电路46，该接口电路从与病人状况有关的各种不同传感器和磁系统接收信号。病人定位系统48也通过扫描室接口电路46接收将病人移动到扫描所需位置的指令。

由脉冲发生器模块38产生的梯度波形被应用到具有Gx，Gy和Gz放大器的梯度放大器系统42。各梯度放大器激励梯度线圈组件50中对应的物理梯度线圈，该组件通常被指示用于产生用作空间编码所需信号的磁场梯度。梯度线圈组件50形成磁组件52的一部分，该磁组件包括超导磁铁54和整体RF线圈56。系统控制器32中的收发器模块58产生被RF放大器60放大的脉冲，并通过发射/接收开关62耦合到RF线圈56上。通过病人体内激发的核子发射的最终信号可由同一RF线圈56感应并通过发射/接收开关62耦合到一个前置放大器64。放大的MR信号在收发器58的接收部分内被解调、滤波和数字化。发射/接收开关62由来自脉冲发生器模块38的信号控制，以在发射模式期间将RF放大器60电连接到线圈56上，并在接收模式期间将前置放大器64连接到线圈56上。发射/接收开关62也能使独立的RF线圈(例如，表面线圈)用在发射或接收模式中。

由RF线圈56提取的MR信号由收发器模块58数字化并将其传送到系统控制器32中的存储模块66。当在存储模块66中获取了原始k-空间数据的阵列时，扫描就完成了。原始k-空间数据重新排列在重建的各图像的独立k-空间数据到阵列中，并将各阵列输入到阵列处理器68中，该处理器68对进入图像数据阵列的数据进行傅里叶变换。该图像数据通过串行链路34传送到计算机系统20，在该计算机系统处数据存储在存储器，如磁盘存储器28内。响应从操作员控制台12接收的指令后，该图像数据可长时间地储存在例如磁带机30内，或可由图像处理器22进一步处理并传送到操作员控制台12，并在显示器16上显示。

参照图2，该图是示出MR超导磁铁54和相关的冷却系统70的示意图。冷却系统70围绕超导MR磁铁54并在其周围形成冷却夹套，从而使超导MR磁铁54被密封在容器内的液氦浴72覆盖。冷却系统70通过使气态(汽化)氦通过再冷凝器流动回路或冷却回路76来使液氦74维持适当液位。也就是说，允许蒸发的氦78通过连接到再冷凝器84上的供给管82流出磁氦容器80。再冷凝器84冷却气态氦78并使液态氦72通过输送管86返回。磁真空容器88使传到氦容器中的热负荷减至最小。磁真空容器88的外表面87形成内腔部分89，以限定一个病人空间，在成像过程中病人处于该空间内。如电磁中心线91所示，内腔89形成对称的病人空间。

在磁氦容器80内压力波动的情况下，包括压力释放阀90使冷氦气通过包围隔热屏94的辅助冷却回路92形式的旁通路径流出，并流过多层绝缘层96。正如下面所述的，包括再冷凝器除冰系统100用于进行无损害除冰。即，如果冷却回路76结冰，则用包括真空阀102和压力计104的真空阀系统98取代压力释放阀，并激活多个重要位置上的加热部件106a-c。

如上所述，在正常运行状态下，磁氦容器80以高于大气压的压力运行，以提高零蒸发冷却系统70的效率，并防止大气的流入。磁真空容器88形成一个真空屏障，以将冷却系统70与大气的热负荷隔绝。如果空气渗入冷却系统，例如在磁斜坡期间或在给磁氦容器80充注液氦72时，结冰通常发生在电磁零蒸发系统70的冷却回路76中。一旦冷却回路结冰，则零蒸发系统70停止使蒸发的氦78再液化。

由于磁氦容器80是封闭系统，所以氦的蒸发78提高了磁氦容器80内的压力并从而提高了冷却回路76中的压力。因此，压力释放阀90打开并使氦气流过辅助冷却回路92。辅助冷却回路92对隔热屏94提供冷却，同时冷却回路是不工作的。辅助冷却回路92起热阻断的作用，该作用减小了磁氦容器80的热流暴露。由于辅助冷却回路通过一个直接连接在从冷却回路76延伸出的三通管107，从供给管82排出的氦流冷却隔热屏94并减小了磁氦容器80的热负荷，但以氦损耗为代价。

但是，当检测出压力升高时，再冷凝器除冰系统100可用于排除任何结冰，并且不会使大气进入冷却系统70。再冷凝器除冰系统100通过从冷却回路76无损害地除冰而起作用，从而防止冷却系统70暴露于大气。再冷凝器除冰系统100在不开启冷却系统70和不使磁氦容器94进一步暴露于吸收的污染空气的情况下，为现场工程师提供一种安全有效的排除可形成冰块的空气，并防止会导致氦过量损失的磁铁失超现象。

再冷凝器除冰系统100包括设置在冷却回路76的重要位置上的加热元件106a-c。在除冰运行中，加热元件106a-c在重要位置处提供局部加热。加热元件106a-c由电源110通过动力传输电路112提供能量，以提供足够的热量来融化结冰的冷却回路76。如参照图3所作的描述，加热元件106a-c位于冰最经常聚集的地方，并通过动力传输电路提供能量，该动力传输电路在不损害磁真空容器88的密封的情况下，穿过使加热元件106a-c接收动力的馈入装置111。

通过举例对三个特定的重要点位进行说明；但可理解到，也可采用其它重要位置。此外，虽然按照本发明的优选实施例对本发明进行了描述，而且加热元件106a-c位于所举例的三个重要位置上，但也可将加热元件106a-c设置在其它稍差一些的位置上并取得足够的结果。也就是说，虽然在一个实施例中相对于重要点位对本发明进行了描述，但也可成功地采用其它重要点位和/或适当点位。

为了加速除冰的过程，可去除在辅助冷却回路92上的释放阀90，而用真空阀系统98替代。因此，真空阀系统98直接连接在辅助冷却回路92上，该冷却回路又于三通管107处与冷却回路76相连。另外，再冷凝器除冰系统100的一部分是真空泵108，该泵在连接点109处连接到真空阀系统98上，以便有助于清洗冷却回路76。真空泵108用于加速除冰的过程。特别是，融化的冰颗粒受到用于真空地去除融化的冰颗粒的真空压力作用。所以，当真空阀102打开时，辅助冷却回路92受到来自真空泵108的真空作用，并且当加热元件106a-c加热结冰的冷却回路76时，真空泵108去除融化冰的分子。在以这种方式将真空泵108应用于辅助冷却回路92时，辅助冷却回路92起融化冰颗粒的真空排放口的作用。

真空泵108一直使用到冰融化并且氦流返回到冷却回路76时为止。压力计104指示冷却回路76内的压力并帮助现场工程师控制除冰过程。开始时，运行真空泵108，以在辅助冷却回路92内形成真空，压力计104指示真空负荷。但在清除冰块时，压力会升高，直到该压力与磁氦容器80内的压力相匹配时为止。

这里，现场工程师关闭真空阀102，该真空阀消除了辅助冷却回路92和冷却回路76中的真空压力。即，当氦流动时，真空阀102关闭，将真空阀系统98去除，用压力释放阀90取代。加热器电源110可被切断或断开，可重新起动封闭循环冷却系统70，以恢复正常的氦再液化。

现在参照图3，该图是示出了冷却回路76和加热元件106a-c的详细视图。另外，当液氦蒸发时，蒸发的氦收集在冷却回路76中。冷却回路将气态氦78引入再冷凝器84。再冷凝器84包括一个装有热交换器翅片116的再冷凝器罐114。再冷凝器罐114利用热交换器翅片116散热，使氦气78重新液化。当氦液化时，液氦通过再冷凝器回路76的输送管86滴回到磁氦容器80内。这样，冷却回路76不断地给磁氦容器80补充液氦。利用封闭循环制冷机118可有效地排除热量，可将气态氦78在热负荷状态下冷却到大约4.2°K，这就将气态氦冷凝成液体。封闭循环制冷机118通过冷却套筒120连接到再冷凝器罐114上，该冷却套筒为磁真空容器88提供真空屏并防止大气进入。

然而，如果大气遍及压力密封磁氦容器80，则大气被迅速冻结122-126。如图所示，大气最经常被冻结的区域是在供给管82，122、输送管86，126和再冷凝器84，124内。这样，可连接多个加热元件106a-c，以便有选择地加热这些重要区域。按照一个优选实施例，多个加热元件106a-c包括第一电阻元件106a、第二电阻元件106b和第三电阻元件106c。

按照一个优选实施例，电阻元件106a-c串联地连接在动力输送电路112中。但可预料到，电阻元件106a-c以任何并联或以串联和并联结合的方式连接。此外，电阻元件106a-c最好这样构成：电阻元件106a的有效阻值是电阻元件106b或106c的有效阻值的2倍。也就是说，电阻元件106a的有效电阻等于电阻元件106b的有效阻值加上电阻元件106c的有效阻值。应理解到，这种有效电阻的关系可通过电阻元件106a-c的固有电阻或通过与在动力输送电路内的电阻元件的连接布置相结合的电阻元件的固有电阻来实现。当动力由电源110施加到电阻元件106a-c时，有效电阻的布置能确保由电阻元件106a产生热的动力消耗等于由电阻元件106b或电阻元件106c消耗的动力的2倍。这样，由电阻元件106a传送的热量将是由电阻元件106b和106c单独传送的热量的2倍。

如上所述，电阻元件106a-c连接到动力输送电路112上，该电路通过馈入装置111将动力从电源110传送到电阻元件106a-c。电馈入装置111用作通入磁氦容器80内的导管，因而，电源在不损害冷却系统70的压力密封的情况下被输送到电阻元件106a-c。电阻元件106a-c只在电源110接通时才接收输入的动力，否则电阻元件106a-c保持在不工作状态。

当冷却回路76内结冰122-126时，可接通电源110，以将动力通过动力输送电路112和通过馈入装置111传送到电阻元件106a-c。电阻元件开始加热冰颗粒122-126，以便融化冰颗粒122-126。在一个优选实施例中，由电阻元件106a-c传递到冰颗粒122-126的热量大小应能使冰颗粒122-126升华。然后，正如参照图2所述，升华的冰颗粒利用真空方式通过辅助冷却回路92排出。一旦冰颗粒122-126融化，就断开电源110并使冷却系统70恢复正常运行。

因此，这里公开了一种系统和方法，因而，一种用于液体冷却超导MR磁铁54的冷却系统70可以进行无损害除冰。上述技术提供了一种为冷却回路76除冰的系统和方法，它包括一个能排除被大气污染磁氦容器80的潜在可能性的再冷凝器84。另外，上述技术使液体冷却的超导MR磁铁系统52能在除冰前不发生超导磁铁失超的情况下除冰。

因此，按照本发明的一个实施例，为MR系统的再冷凝器除冰的系统包括一个MR系统，它具有一个处于密封容器内的超导磁铁和一个用于冷却超导磁铁的再冷凝器系统。再冷凝器系统包括至少一个用于融化再冷凝器系统中的冰颗粒的加热元件和一个用于将动力输送到至少一个加热元件、以使至少一个加热元件能输送足以融化再冷凝器系统中的冰颗粒的供热的动力输送电路。

按照本发明的另一个实施例，MR系统的再冷凝器系统包括一个浸入在液体冷却浴中的超导磁铁和一个用于将气态致冷剂冷却成液态致冷剂的再冷凝器。供给管连接到再冷凝器上并用于将气态致冷剂输送到再冷凝器，输送管连接到再冷凝器上并用于将液态致冷剂从再冷凝器中排出。再冷凝器系统还包括至少一个电阻元件，它们用于选择性地将供热输送到再冷凝器、供给管和输送管中的至少一个，以融化冰颗粒。

按照本发明的另一个实施例，MRI设备包括一个MRI系统，它具有多个设置在超导磁铁腔周围的梯度线圈，以施加极化磁场；及一个RF收发器系统和一个RF开关，它由脉冲模块来控制，通过向RF线圈组件发射RF信号来获取MR图像。MRI设备还包括一个设置在超导磁铁周围的冷却系统。该冷却系统包括一个密封腔，该腔形成一个用于在超导磁铁周围循环致冷剂的冷却夹套；一个再冷凝器，它连接到冷却夹套上并用于冷却蒸发的致冷剂；及至少一个加热元件，它们用于为再冷凝器除冰。

在本发明的再一个实施例中，一种超导MR磁铁组件的再冷凝器系统的无损害除冰的方法，包括一个再冷凝系统的加热部分，该部分用于融化至少在再冷凝系统上的冰沉积物，其中再冷凝系统用于冷凝超导MR磁铁系统的致冷剂，并以真空方式排除融化的冰沉积物。

现已根据优选实施例描述了本发明，应理解到，除了那些特别陈述之外，可以有等同物、其它选择方案和变型，并且它们都在所附权利要求书的范围内。

10 磁共振成像(MRI)系统

12 操作员控制台

13 键盘或其它输入装置

14 控制面板

16 显示屏

18 链路

20 计算机系统

22 图像处理模块

24 CPU模块

26 存储模块

28 磁盘存储器

30 磁带机

32 系统控制器

34 高速串行连线

36 CPU模块

38 脉冲发生器模块

40 串行连线

42 梯度放大器组

44 生理探测控制器

46 扫描室接口电路

48 病人定位系统

50 梯度线圈组件

52 磁铁组件

54 超导磁铁

56 整体式RF线圈

58 收发器模块

60 RF放大器

62 发射/接收开关

64 前置放大器

66 存储模块

68 陈列处理器

70 冷却系统

72 液氦浴

74 液氦的适当液位

76 再冷凝器流动回路或冷却回路

78 蒸发的氦

80 磁氦容器

82 供给管

84 再冷凝器

86 输送管

88 磁真空容器

90 压力释放阀

92 辅助冷却回路

94 隔热屏

96 多层绝缘层

98 真空阀系统

100 再冷凝器除冰系统

102 真空阀

104 压力计

107 三通管

108 真空泵

109 连接点位

110 电源

111 馈入装置

112 动力输送系统

114 再冷凝器罐

116 热交换器翅片

118 密封循环制冷机

120 冷却套筒

122 结冰管

124 结冰再冷凝器

126 结冰管