电磁体组件的制作方法

文档编号:17934230
研发日期:2019/6/15

本公开涉及电磁体组件。

具体地,本公开与用于医学成像设备的电磁体组件有关。



背景技术:

磁共振成像(MRI)是特定的医学成像技术,在磁共振成像中,主电磁体被用来生成强磁场。为了包含该场,已知采用有源屏蔽,其中附加的屏蔽电磁体被用来“屏蔽”所生成的磁场。主电磁体和屏蔽电磁体以特定的空间布置来配置,其中屏蔽磁体被布置为同轴地围绕主磁体。

对于有源屏蔽,需要使用支撑结构来维持电磁体之间的该特定空间布置。为此目的,在某些常规MRI扫描仪中,使用多个支撑元件,而在另一些常规MRI扫描仪中,使用氦包含结构。在任一情况下,支撑结构都被布置为是轴对称的,反映了所生成的电磁负载是轴对称的事实。

除了电磁负载之外,电磁体还可能沿任何方向(特别是沿径向方向)经受外部引起的负载。例如,负载可以在磁体组件的运输期间而被引起。因此,要确保该支撑结构足够牢固以承受这样的沿任何径向方向的负载。与通过电磁体之间的相互作用引起的电磁负载不同,这些负载可以引起磁体上的局部应力和应变,导致变形并且最终导致性能下降。

以上考虑导致了具有相当大的重量和成本的电磁体组件。因此,非常期望具有最优支撑结构的电磁体组件,该最优支撑结构被配置为在运输中和在使用中提供充分支撑,而同时比相关技术的示例中提供的电磁体组件更轻并且使用更少的材料。



技术实现要素:

根据本公开,提供了一种如所附权利要求阐述的电磁体组件和医学成像设备。根据从属权利要求和以下描述,本发明的其他特征将是明显的。

因此,可以提供一种电磁体组件(200),其包括:一个内磁体(210);一个外磁体(220),外磁体(220)被布置为围绕内磁体(210);一个环形区域(230),环形区域(230)在内磁体(210)和外磁体(220)之间延伸;以及多个支撑元件(240),多个支撑元件(240)延伸穿过环形区域(230)并且将环形区域(230)划分成多个环形段(232、234);其中多个支撑元件(240)沿环形区域(230)分布,以形成一个第一环形段(232)和一个第二环形段(234),以及第一环形段(232)小于第二环形段(234)。

第二环形段(234)可以约为第一环形段(232)的整数倍。

每个环形段可以约为另一环形段的整数倍或整数因数。

外磁体(220)可以包括多个外支撑点(225),并且内磁体(210)可以包括多个内支撑点(215),其中多个支撑元件(240)中的每个支撑元件(240)在一个外支撑点(225)和一个内支撑点(215)之间延伸。

每一对相邻内支撑点(215)可以跨越一段距离,第一对相邻内支撑点(215)跨越的每段距离是第二对相邻内支撑点(215)跨越的一段距离的整数倍或整数因数。

每一对相邻外支撑点(225)可以跨越一段距离,其中第一对相邻外支撑点(225)跨越的每段距离是第二对相邻外支撑点(225)跨越的一段距离的整数倍或整数因数。

多个支撑元件(240)可以包括至少三个支撑元件(240)。

一个第一支撑元件(240)可以被定位在环形区域(230)的第一半;一个第二支撑元件(240)和一个第三支撑元件(240)可以被定位在环形区域(230)的第二半。

多个支撑元件(240)可以基本上共面。

外磁体(220)可以包括:一个第一线圈(222),以及一个第二外磁体线圈(224),第二外磁体线圈(224)与外磁体第一线圈(222)被间隔开,其中第一线圈(222)被配置为限定第一环形区域(230);并且第二线圈限定第二环形区域(231),第二环形区域(231)在内磁体(210)和第二线圈(224)之间延伸、由第二线圈(224)限定。多个支撑元件可以延伸穿过第二环形区域(231)。

还可以提供一种医学成像设备,该医学成像设备包括如上所述的电磁体组件。

医学成像设备的电磁体组件可以被布置为:沿医学成像设备的垂直方向比沿医学成像设备的水平方向向外磁体(220)提供更大的支撑。

电磁体组件可以在医学成像设备的第一侧上比在医学成像设备的第二侧上具有更大数目的支撑元件。

因此,提供了一种具有优化支撑结构的电磁体组件,该优化支撑结构被配置为在运输中和在使用中提供充分支撑,而同时比相关技术的示例中提供的电磁体组件更轻并且使用更少的材料。

附图说明

现在,将参考附图描述本公开的示例,其中:

图1是已知的电磁体组件的示意性图;

图2示出了根据本公开的电磁体组件的示意性横截面视图;

图3是根据本公开的电磁体组件的透视图;

图4是根据本公开的电磁体组件的另一示例的轴向视图;

图5是支撑结构的示意性横截面视图;

图6是另一支撑结构的示意性横截面视图;以及

图7是又一支撑结构的示意性横截面视图。

具体实施方式

图1示出了已知的电磁体组件110的示意性图。根据本示例,所使用的电磁体组件形成磁共振成像(MRI)扫描仪的一部分。为此目的,电磁体组件可以被包含在外壳内,在操作中,该外壳包含惰性气体作为冷却剂,例如氦。因此,外壳形成制冷剂容器,使得电磁体组件能够被冷却到足够低的温度,以优化性能。

电磁体组件100基本是圆柱形的,电磁体组件100限定组件轴A:A、径向方向和周向方向。电磁体组件沿组件轴而纵长地延伸,并且围绕组件轴具有旋转对称性。

在图1的左侧,示出了轴向横截面。即,示出了垂直于组件轴A:A的径向平面的视图。在图1的右侧,示出了径向横截面。即,示出了平行于组件轴并且包括组件轴的平面的视图。

电磁体组件100被配置为生成磁场,并且在磁场被生成时有源地屏蔽该磁场。电磁体组件可以包括:内(电)磁体110和外(电)磁体120。

内磁体110或主线圈组件110具有中空圆柱形形状。内磁体上放置多个线圈,多个线圈在第一轴向端112和第二轴向端114之间彼此间隔,并且被配置为生成磁场。

外磁体120或屏蔽线圈组件120界定(或“围绕”)内磁体110。外磁体120径向地大于内磁体并且具有环形/圆环形状。内磁体110和外磁体120被同轴布置,并且因此限定共同的组件轴A:A。即,内磁体110的轴向横截面和外磁体120的轴向横截面被同心布置。

外磁体120被配置用于有源屏蔽,这涉及生成磁场以部分地抵消由内磁体生成的磁场。外磁体可以包括一对线圈122、124。根据所讨论的示例,线圈122、124也被称为“屏蔽”线圈122、124。第一屏蔽线圈122和第二屏蔽线圈124被提供,第一屏蔽线圈122从第二线圈124被间隔开。更特别地,第一屏蔽线圈122朝向内磁体110的第一端112而被定位,并且第二屏蔽线圈124朝向内磁体的第二端114而被定位。

在内磁体110和外磁体120之间形成环形区域130或环形间隙130。更特别地,在内磁体的外边界(或“圆柱体表面”)115和外磁体的内边界(或“圆柱体表面”)125之间形成环形区域。因此,环形区域130具有由内半径和外半径所确定的径向大小,内半径延伸到内磁体110的外边界,外半径延伸到外磁体120的内边界。

包括多个支撑元件140的支撑结构位于环形区域130中。支撑元件140,或结构性约束,被提供在内磁体110和外磁体120之间,从而将磁体110、120保持在相对于彼此基本固定的位置中。支撑元件140提供并且维持内磁体110和外磁体120的精确定位。支撑元件可以在内磁体和外磁体之间径向地延伸(相对于组件轴A:A)。在图1所示的示例中,当沿轴向观察时,或等效地,当沿轴向横截面观察时,支撑元件140被布置为:与内磁体110和外磁体120大体垂直。

多个支撑元件140延伸穿过环形区域130,并且因此将环形区域130划分成多个环形段132。在图1的示例中,存在八个环形段132。环形段132是均匀布置的,因而环形段132具有相同的大小并且具有相等的间隔。

更特别地,环形段132是由支撑元件140限定的环形区域130的段,并且因此周向地间隔开。因此,环形段132周向地延伸,环形段132的范围由支撑元件140界定。即,环形段132具有第一周向端和第二周向端,第一周向端由第一支撑段140限定,第二周向段由第二支撑段140限定。因此,环形段132通过沿周向间隔开的一对相邻支撑元件140来界定。

现在继续描述在已知支撑结构上进行改进的备选支撑结构的示例。所述改进的支撑结构包括多个支撑元件240,多个支撑元件240被分布,以限定不同大小的环形段232、234,使得形成至少一个小环形段232,并且形成至少一个大环形段234。即,支撑元件240以不均匀的间隔沿周向间隔开。这具有以下益处:减少支撑结构的重量和成本,因为相对于图1的示例,可以省略一些支撑结构240,而同时提供针对所预期的负载(特别是沿径向方向的负载)的完全支撑。

图2示出了根据本公开的电磁体组件200的两个示意性横截面视图,而图3示出了透视图。

组件200的一些特征和已知组件100的特征相同,因此不再进一步详细描述。特别地,电磁体组件200包括:内磁体210、围绕内磁体布置的外磁体220、在内磁体和外磁体220之间延伸的环形区域230以及多个支撑元件240,多个支撑元件240延伸穿过环形区域230,并且将环形区域划分成多个环形段232、234。

第一对相邻支撑元件240界定第一环形段232。因此,相邻支撑元件240沿周向彼此间隔开(并且因此可以被称为彼此“相邻”或“邻近”)。类似地,第二对相邻支撑元件240界定第二环形段234。

第一环形段232小于第二环形段234。也就是说,与第二对相邻支撑元件240相比,第一对相邻支撑元件240沿周向间隔开更小的距离。换言之,与第二环形段234相比,第一环形段232围绕环形间隙230的周向延伸更短的距离。

换言之,提供了一种电磁体组件200,电磁体组件200包括:内磁体210、围绕内磁体来布置的外磁体220和在内磁体210和外磁体220之间延伸的环形区域230。多个支撑元件240延伸穿过环形区域230,并且将环形区域230划分成多个环形段232、234。支撑元件240沿环形区域分布,以形成第一环形段232和第二环形段234,其中第一环形段232小于第二环形段234。

一般而言,单个支撑元件240具有两个相邻(或“邻近”)支撑元件240。因此,每个支撑元件240与相邻支撑元件240中的每个支撑元件都形成一对支撑元件。即,单个支撑元件240可以属于两对,例如在图2所示的示例中,存在支撑元件240,其属于界定小(“第一”)环形段232的第一对支撑元件240,并且也属于界定大(“第二”)环形段234的第二对支撑元件。支撑元件240中的一些或全部可以被布置为共面。根据本示例,两个支撑元件240相对于与组件轴A:A垂直的平面而共面。

支撑元件240的间隔被至少部分地预先确定,以在操作期间维持内磁体210和外磁体220的期望间隔。因此,为此目的来选择支撑240的间隔,以及由此的第一环形段232和第二环形段234的相对范围。

在图2的示例中,大环形段234是小环形段232的整数倍。

图4示出了一个备选示例。图4的示例与图2和图3的示例相同,除了包括额外的支撑元件240’之外,额外的支撑元件240’限定第三环形段332和第四环形段334,其中第三环形段332小于第四环形段334。然而,如图4的另一示例所示,大环形段334的范围小于小环形段332的整数倍。也就是说,大环形段334的范围大于小环形段332的范围,但小于小环形段332的范围的两倍。

备选地(未示出),大环形段334的范围可以大于小环形段332的整数倍。也就是说,大环形段334的范围可以大于小环形段332的范围的两倍。

换言之,在图2至图4的示例中,大环形段234、334大于小环形段332的范围,并且可以基本上大于或小于小环形段232、332的整数倍。

在图2、图3的示例中,支撑元件240被对称布置在轴B:B的两侧,轴B:B垂直于轴A:A,使得支撑元件240的间隔在轴B:B的任一侧相同。在其他示例中,例如如图4所示,支撑元件240中的一些支撑元件240可以沿周向被间隔开不同范围,例如使得支撑元件240的间隔在轴B:B的任一侧不同,和/或使得支撑元件240的间隔围绕环形区域230而变化。

参考图2至图4的示例,相对于图1的示例,组件200的一些支撑元件240被省略。因此,一些环形段是其他较小环形段的整数倍。

在图2、图3的示例中,环形区域230的第一半包括单个支撑元件240,而环形区域230的第二半包括三个支撑元件240。根据本示例,第一半是环形区域230的上半部分,而第二半是环形区域230的下半部分。也就是说,在图中,“上半部分”示出为在轴A:A上方,并且“下半部分”在轴A:A下方。这可以对应于所使用的设备的定向,其中“上半部分”通过“下半部分”与支撑结构(例如,地板)间隔开。第一支撑元件240位于环形区域230的第一半,并且至少两个支撑元件240在环形区域230的第二半中。

在图2、图3的示例中,大环形段234大约大于小环形段232的三倍,其中忽略支撑元件240各自的宽度(沿周向方向所测量的)。即,大环形段234具有以下周向长度(即沿周向方向测量的长度),该周向长度大约大于小环形段232的周向长度的三倍。更精确地,大环形段234基本是小环形段232的三倍加上单个支撑元件240的宽度的两倍。

每对相邻支撑元件240跨越一个角度。在图2、图3的示例中,忽略单个支撑元件240的宽度,小环形段232对应于45°(或“度”,表示圆弧的度)的角度,并且大环形段234对应于135°的角度。

本公开的电磁体组件包括三个或更多支撑元件240,其中第一角度由第一对相邻支撑元件240跨越,第二角度由第二对相邻支撑元件240跨越,并且第一角度与第二角度不同。

支撑元件240通过合适的方式(例如机械地)被固定到内磁体210和外磁体220。内磁体210可以包括多个内支撑点215,并且外磁体220包括多个外支撑点225。根据本示例,单个支撑元件240从一个内支撑点215延伸到一个外支撑点225,并且根据一些示例,每个支撑元件240可以在一个外支撑点225和一个内支撑点215之间延伸。

每对相邻内支撑点215跨一段距离。该距离沿内磁体210的外边界,并且特别是沿周向方向而被测量。第一对相邻内支撑点215跨越的每段距离是第二对相邻内支撑点215跨越的距离的整数倍或整数因数。方便起见,整数倍和整数因数都可以排除等于1的整数。

类似地,每对相邻外支撑点225跨越一段距离。根据一些示例,第一对相邻外支撑点225跨越的每段距离是第二对相邻外支撑点225跨越的距离的整数倍或整数因数。

根据图2、图3的本示例,每个环形段232、234大约对应于另一环形段232、234的整数倍或整数因数。每个大环形段234可以是小环形段232中的任一个的整数倍。类似地,每个小环形段232可以是任何大环形段234的整数因数。

当沿轴向方向观察时,支撑元件240被布置为基本垂直于内磁体210以及外磁体220。然而,支撑元件不需要如图2所示那样垂直于轴A:A。

与已知组件100类似,内磁体210包括:沿组件轴A:A界定内磁体的第一(轴向)端212和第二(轴向)端214。类似地,外磁体220包括:沿组件轴界定外磁体的第一(轴向)端226和第二(轴向)端228。

电磁体组件200是用于在超导条件下生成高磁场的结构,并且因此具有精确设计并且在小容差内来制造。当组件受到冲击或振动负载时,重要的是:减轻这些负载,以便防止例如内磁体210和外磁体220的相对位置的变形,以维持组件的性能。

在电磁体组件200或包括该组件的设备的运输期间,最显著的冲击负载可能在垂直方向上。为了处理归因于垂直导向的负载而由磁体表现出的变形和应力,将支撑元件240集中在环形区域230中与垂直区域(下垂直区域或者上垂直区域)对应的部分中。这使得负载由支撑元件的张力或压缩而非弯曲来支配。同时,从电磁体组件移除承载不显著的支撑负载的支撑元件,以减少结构的重量和成本。

另外,在安装时,铁磁材料可以存在于电磁体组件200周围。这些铁磁材料可以用于各种目的,例如作为建筑的结构特征或磁屏蔽。然而,可能引起电磁体组件和铁磁材料之间的电磁吸引,这继而可以引起电磁组件的局部应力和应变。如果该组件不被支撑以对抗这样的吸引,则可能导致性能下降。因此,取决于将安装电磁体组件的建筑或其他结构的特性,可以在环形区域230中分布支撑元件。例如,关于包含组件的设备,多个支撑元件240可以沿水平方向被紧密间隔开,以便进行支撑,来对抗与铁磁建筑墙壁/地板的水平吸引。

此外,随着磁体强度的增加,与周围结构中的铁材料有关的考量变得更加重要。由现有电磁体技术生成的高磁场和超高磁场可以超过7T(特斯拉),并且因此可能非常容易受变形影响,该变形由电磁体和周围铁材料之间的吸引引起。然而,要有利地避免越来越复杂和庞大的支撑结构,因为如果不避免,电磁体组件或诸如MRI扫描仪的设备必须以零件形式运送、被组装并被冷却。这可能在设备的运送和运行之间增加数周的延时,并且可能增加大量成本。相比之下,根据本公开的电磁体组件200提供了磁体之间的足够强的支撑,并且同时减轻了重量。因此,包括该组件的MRI扫描仪或其他设备可以作为整体来运送。

图2所示的电磁体组件200包括不均匀地布置的支撑元件240,而根据图1的已知示例,支撑元件140被均匀布置。支撑元件的分布不均匀性不旨在排除旋转对称性。虽然电磁体组件200不具有旋转对称性,但是可以想到某些示例可以具有旋转对称性。这样的示例组件可以关于例如120°的旋转或180°的旋转而对称。

如图3所示,电磁体组件200包括外磁体220,外磁体220包括一对线圈222、224。第一线圈222朝向内磁体210的第一端212定位,并且第二线圈224朝向内磁体的第二端214定位。多个轴向加强元件250,或加强构件250在线圈对之间延伸。加强构件250提供了对外磁体220的附加支撑,特别是对抗沿组件轴A:A的力,该力可以包括作为有源屏蔽的一部分而被施加的电磁力。在这样的示例中,其中线圈被配置用于有源屏蔽,线圈可以备选地被称为“屏蔽”线圈222、224。

方便起见,加强构件250的数目大于径向支撑元件240的数目。根据本示例,存在八个加强构件250。相邻加强构件对250之间的间隔可以对应于小环形段232。

环形区域230、231由每个屏蔽线圈222、224以及内磁体210来限定。提供了两个支撑元件集240,每个支撑元件集相对于内磁体210支撑不同的屏蔽线圈222、224。也就是说,第一屏蔽线圈222限定第一环形区域230,并且第二屏蔽线圈224限定第二环形区域231,第二屏蔽线圈224从第一屏蔽线圈222被轴向间隔开,第二环形区域231在内磁体210和第二线圈224之间延伸。在每个环形区域230、231中提供支撑元件集240,以向对应的屏蔽线圈222、224提供支撑。

图6和图7示出了用于向电磁体组件200提供径向支撑的备选方案。根据图5所示的先前示例,提供了径向支撑件,使得径向支撑件被轴向地(即沿轴A:A)间隔开。备选地,如图6和图7所示,可以提供径向支撑件作为单个结构。在这样的示例中,认为限定了单个环形区域240,单个环形区域240包括两个外磁体220。

根据另一备选例,可以通过图5所示的局部固定件或图6中所示的轴颈来提供屏蔽线圈支撑。

尽管上文所讨论的示例具有四个支撑元件240,但是可以想到,至少三个的任意多个支撑元件可以用在电磁体组件中。

因此,可以提供一种医学成像设备,该医学成像设备包括如上所述的电磁体组件200。电磁体组件200被布置为:沿医学成像设备的垂直方向(例如,轴B:B)比沿医学成像设备的水平方向(例如,轴A:A)向外磁体220提供更大的支撑。

因此,可以认为医学成像设备具有“第一侧”(可以是上文所述的“下半部分”)和“第二侧”(可以是上文所述的“上半部分”)。因此,第一侧可以跨轴A:A与第二侧相对,以限定垂直侧。换言之,第一侧可以通过水平轴与第二侧分开。

备选地,第一侧可以跨轴B:B与第二侧相对,以限定“水平侧”。也就是说,第一侧可以通过垂直轴与第二侧分开。

因此,第一侧和第二侧是沿电磁体组件的径向方向来界定设备的“侧”。

因此,根据本发明,医学成像设备被配置为:使得电磁体组件在第一侧上比在第二侧上具有更大数目的支撑元件240,或在第一侧上比在第二侧上具有更少数目的支撑元件240。

根据特定示例,电磁体组件在第一水平侧上比在第二水平侧上具有更大数目的支撑元件240。

第一水平侧上的支撑元件240可以被定向为:沿垂直方向而不是沿水平方向进行支撑。

一般而言,电磁体组件的结构由电磁体生成的大电磁负载来控制,并且被设计和构造成轴对称。任何方向性负载情况被假定为在任何方向上施加,并且因此做出轴对称的设计。随着结构变得更加材料有效和成本有效,非轴对称的负载变得越来越大。传统的有源屏蔽线圈支撑通过径向支撑元件或使用氦包含结构来实现,径向支撑元件和氦包含结构都是轴对称的。这两种结构都是材料低效和成本低效的,因为这两种结构以适合大的垂直负载情况的水平来提供全支撑。相比之下,根据本公开的电磁体组件200在这些考虑上进行了改进。

电磁体组件被配置为在运输中和在使用中提供足够的支撑。在使用中,可以通过包括支撑元件240来适应所预期的负载,负载例如是通过与电磁体的操作场的相互作用而被生成的外部负载,支撑元件240被布置为进行支撑,以对抗这些预期负载。在沿电磁体组件的特定径向方向引起大负载的情况下,例如归因于支撑地板或相邻墙壁、天花板或其他附近的结构中存在的铁磁材料,可能特别期望这样的布置。

在预期不要求进行支撑,以对抗电磁体上的负载的区域,支撑元件240被省略。因此,所得的电磁体组件更不复杂,简化了制造并且减少了制造所需的材料量。因此,所得的电磁体组件通常更轻,这可以有利于电磁体组件的运输和操作。

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本发明不限于前述(多个)实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)所公开的特征中任何新颖的特征或任何新颖的组合,或者扩展到这样公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。

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