CN1409124A

CN1409124A - 通过机械振动的减振降低噪声的核自旋断层造影装置

Info

Publication number: CN1409124A
Application number: CN02144411A
Authority: CN
Inventors: 雷纳·库思
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2003-04-09
Also published as: DE10147745A1; GB0222279D0; DE10147745C2; US20030088172A1; GB2384859A

Abstract

通过使用具有电致伸缩特性的聚合物在MRT装置中、特别是梯度线圈和磁容器中对机械振动强减振来降低噪声。本发明一般涉及核自旋断层造影法(同义词：磁共振断层造影法，MRT)，它在医学中用于对病人进行检查。本发明尤其涉及一种核自旋断层造影装置，其中，降低了在许多方面给整个系统造成有害影响的设备部件的振动并减少了噪声传播的途径。本发明的核自旋断层造影装置具有一个被磁罩(12)包围的基本磁场磁铁(1)，该磁罩环绕并隔离出一个内腔(21)，在该内腔(21)中有一个梯度线圈系统(2)。在该隔离出内腔(21)的磁罩(12)的内壁上设置了用于吸收在梯度线圈系统(2)切换时所产生的声音振动的具有电致伸缩特性材料的减振部件(14)。

Description

通过机械振动的减振降低噪声的核自旋断层造影装置

技术领域

本发明一般涉及核自旋断层造影法(同义词：磁共振断层造影法，MRT)，如其在医学中用于对病人进行检查那样。本发明尤其涉及一种核自旋断层造影装置，其中，对在许多方面会对整个系统造成有害影响的设备部件的振动作了衰减。

背景技术

MRT是基于核自旋共振这一物理现象，其作为成功应用于医学和生物物理学领域的成像方法已有超过15年的历史。在这种检查方法中，对象被置于一个强大而恒定的磁场中，由此使对象内原本无规律取向的原子核自旋定向。高频波在此时激励“有序的”核自旋产生某种特定的振动。这种振动在MRT内产生所需的测量信号，该信号由适当的接收线圈所接收。通过使用由梯度线圈产生的不均匀磁场可以将测量对象在所有三维空间方向上进行立体编码。这种方法允许自由选择成像层，从而可在所有方向上拍摄人体断层图像。MRT作为断层成像方法用于医疗诊断中，其特点首先体现在它是一种具有多种对比分辨能力的“非侵入性”检查方法。由于其出色的软组织显示特性，MRT已成为一种性能数倍于X光-计算机断层造影的方法。目前MRT基于自旋回波和梯度回波序列的使用，能够在数量级为秒至分的测量时间内实现优良的图像质量。

MRT装置部件技术的不断改进以及使用更高的成像频率，使MRT在医学的越来越多的应用领域中得到应用。支持最少侵入手术的实时成像、用于神经科的功能性成像、以及用于心脏病学的灌注测量只是其中少数几个例子。

这种MRT装置的核心部分的基本结构如图4所示。图中示出了一个超导基本磁场磁铁1(例如一个具有主动式散射场屏蔽的轴向超导空气线圈磁铁)，它在内腔中产生一个均匀基本磁场。该超导基本磁场磁铁1在内部由置于液氦中的线圈构成。该基本磁场磁铁被包围在一个通常用钢制成的双壳容器12(图1)内。其内层容器含有液氦，它的一部分也作为磁线圈的绕组体，该内层容器通过弱导热的Gfk棒(杆)悬挂在温度为室温的外容器上。内、外容器之间是真空。内、外容器被称为磁性容器。

通过支承部件7可在基本磁场磁铁1内将筒形梯度线圈2同心地安装在支承管上。该支承管向外以外壳8为界，向内以内壳9为界。衬层10的作用将在后面描述。

梯度线圈2有3个子绕组，它们分别产生与所施加的电流成正比的、在空间上相互垂直的梯度磁场。如图5所示，所述梯度线圈2包括一个x线圈3，一个y线圈4和一个z线圈5，它们分别环绕线圈铁心6缠绕，并因此产生在笛卡儿坐标系中x、y和z方向上的梯度磁场。其中每个线圈都由其专用的电源供电，以便以准确的振幅和时间按照脉冲序列控制器中程序设置的顺序产生相应的独立的电流脉冲。所要求的电流范围约为250A。

在梯度线圈内安装有高频谐振器(高频线圈或天线，在图4和图5中未示出)。该高频谐振器的任务是将功率发送器输出的高频脉冲转换成电-磁交变场，以激励原子核转向，然后将该带有精确核矩的交变场转换为输送给接收支路的电压。

由于梯度切换时间应当尽可能地短，所以电流上升速率应在250kA/s的数量级内。在一种如基本磁场磁铁1所产生的极强的磁场中(典型的是在0.2至1.5特斯拉之间)，由于采用这种开关过程所出现的洛伦兹力会引起强烈的机械振动。所有与该梯度系统机械耦合的系统部件(壳体、盖板、基本磁场磁铁的容器和磁罩、HF体线圈等)都会发生强迫振动。

因为梯度线圈通常被导电的结构所围绕(例如钢制的磁性容器)，所以在梯度线圈中由于脉冲场而产生涡流，该涡流又通过与基本磁场的交互作用而对该围绕结构产生力作用，这同样会引起振动。

各种不同的MRT部件的振动会在很多方面对磁共振系统产生不利影响：

1.会产生很强的空气传播音(噪声)，对病人、操作人员以及其他在磁共振装置附近的人员造成损害。

2.在基本磁场磁铁和梯度线圈内，梯度线圈和基本磁场磁铁的振动以及传递到高频谐振器和患者卧榻的振动都会造成不符合要求的临床图像质量，甚至会导致误诊(例如在功能性成像、即fMRI中)。

3.当外层容器的振动通过Gfk杆传递到内层容器时，或者引起超导体自身的振动时，则类似于超声波喷射器的情况，将使容器内部的氦蒸发增加，因此需补充相应较多的液氦，从而增加了费用。

4.为了阻断设备和地面之间的双向振动传播，必须安装一套类似于光学工作台的减振系统，由此也会产生昂贵的费用。

在现有技术中，梯度线圈和断层造影装置的其它部件(磁性容器，患者卧榻等)之间振动能的传播是通过使用机械的和/或带磁机械减振器消除的。通常使用的有如下方法：

I)通过使用被动工作的振动吸收材料(例如橡胶套管或粘胶绝缘材料)，将振动能转化为热。特别是对在MRT装置内的噪声形成路径，即由于梯度线圈的振动所产生的噪声被传递到梯度线圈内的支承管(8，9图2)，又由该支承管将噪声向内辐射给患者和内腔，如在美国专利文献US4954781中所述，这种振动可通过一种敷设在支承管双内层上、具有减振作用的粘质弹性层10加以阻断。此外对上述阻断噪声形成路径的公知方案还有，在支承管和梯度线圈之间的区域内填充具有吸音特性的所谓声学泡沫，以达到减振目的。

II)机械去耦，例如通过图2所示的支承件7。

III)将振动源置于真空中或密封起来，由此使图1所示的真空容器的内壳与外壳去耦。

IV)有目的地加强有振动的结构，例如使用更厚和更重的材料或从“外部”敷设减振层(例如沥青(Teer))。

V)通常集成进在可变磁场中可弹性改变形状的磁致伸缩材料。

尽管如此当今常用的MRT装置的声音反射仍然非常强。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，进一步降低MRT装置运行中的噪声传播。

本发明的技术问题是通过一种核自旋断层造影装置解决的，它具有一个被磁罩包围的基本磁场磁铁，该磁罩环绕并隔离出一个内腔，其中，在该内腔中有一个通过支承部件固定的梯度线圈系统，以及在该内腔内还设置了一个高频谐振器。在至少两个同心层之间设置了用于吸收在梯度线圈系统切换时所产生的声音振动的减振部件。按照本发明，该减振部件包含一种具有电致伸缩特性的材料。

该减振部件优选地包含一种掺入了电致伸缩的液晶弹性体的材料。

此外，所述掺入材料为一种弹性材料或橡胶类物质。

电致伸缩特性在于一种机械形变，即当电场改变时，处于电场中的材料(一般绝缘体)的长度发生改变。与此相反的效应是压电效应，即当材料发生形变时，电的极性即电压随之改变。

本发明的减振部件可以用于不同的应用领域或应用可能性：

-将该减振部件安装在梯度线圈系统和磁罩之间；

-将该减振部件安装在梯度线圈系统和高频谐振器之间；

-将该减振部件安装在磁罩和地面之间；

-在梯度线圈中用具有电致伸缩特性的材料构成其它减振部件。

这些减振部件优选地构成为平板状、环状、环段状，或为薄层状。

此外，按照本发明，在隔离出所述内腔的磁罩的内壁上设置了一个减振层板结构，它至少由两个中间夹有减振部件的板构成。

所述减振层板结构可以构成一种开放系统，其中，一个内板构成所述磁罩的真空承载内壁，以及一个外板连同处于两个板之间的减振部件构成所述磁罩的减振外壁。

所述开放系统可以仅在磁罩面对内腔的部分表面上延伸或在磁罩面的整个表面上延伸。

另一种可能的实施方式是，所述减振层板结构构成一种封闭系统，其中，所述内板和外板均构成所述磁罩的真空承载壁，并且在该两个板之间设置减振部件。

在这种情况下，所述封闭系统可以仅在磁罩的面对内腔的部分表面上延伸。

同样具有优点的是，所述减振层板结构在多层构造中由多个层板以及位于层板之间的减振部件构成一种封闭系统。

用于控制电致伸缩减振部件的能量是从梯度线圈的电源获得的。

按照本发明，所述电致伸缩减振部件由一个有学习能力的电子部件进行控制。

此外，按照本发明，建议将用于减振的电致伸缩材料用于核自旋断层造影装置，该装置具有一个被磁罩包围的基本磁场磁铁，该磁罩环绕并隔离出一个内腔，其中，在该内腔中有一个通过支承部件同心悬挂的梯度线圈系统。在该内腔内还同心悬挂了一个高频谐振器。其中，在至少两个同心层之间设置了用于吸收在梯度线圈系统切换时所产生的声音振动的减振部件。按照本发明，该减振部件包含这种电致伸缩材料。

应用这种材料的具有优点的特征在于，在构成减振部件的材料中掺入了电致伸缩的液晶弹性体。

此外，对这种材料的一种优选应用是被掺入材料的物质为一种弹性材料或橡胶类物质。

附图说明

下面将结合附图对本发明的其它优点、特征及特性作进一步的描述：

图1示出了基本磁场磁铁和其所环绕的内部空间部件的剖面图；

图1a示出了一个开放式系统的减振层板结构的剖面图；

图1b示出了一个仅在磁罩面对内腔的部分表面上延伸的封闭式系统的减振层板结构的剖面图；

图1c示出了一个在磁罩的整个表面上延伸的封闭式系统的减振层板结构的剖面图；

图1d示出了一个封闭式系统的减振层板结构的剖面图，其由多个层板及层板间的减振层构成；

图2a示出了一个磁罩端部的剖面图，其中使用了径向设置的加强件；

图2b示出了基本磁场磁铁端部的正视图，其中使用了径向设置的加强件；

图3示出了患者卧榻，通过在支承架结构内集成进减振层降低振动；

图4示出了基本磁场磁铁的透视图；

图5示出了带有3个子绕组的梯度线圈的透视图。

具体实施方式

图1示出了MRT装置的基本磁场磁铁1和其所环绕的内部空间的其它部件的示意性剖面图。所述基本磁场磁铁1包括超导磁线圈，该超导磁线圈处于液氦中，并被一个由双层容器构式的磁罩12所包围。为了保持温度恒定，在磁罩12外面设置了所谓的冷却头15。在由磁罩12(也称为磁容器)所包围的内腔中，通过支承件7同心悬挂着梯度线圈2。在该梯度线圈2内部同样同心安装了高频谐振器13。该高频谐振器的任务是将功率发送器输出的高频脉冲转换成交变磁场，从而激励患者18体内的原子核，然后将带有精确核矩的交变磁场变换成输送给接收支路的电压。患者18躺在位于滑轨17上的卧榻19上，通过安装在高频谐振器13上的滚轮20进入系统的开口或内腔中。该滑轨支承在一个垂直可调的支承架16上。此外，图1中还示例性地示出了防护部分11和MRT装置所位于的地面22。

图1所示的系统具有两个振动源或振动中心。其中之一是冷却头15，另一个是梯度线圈2。

本发明通过在特定的关键位置使用特殊的减振部件14或减振层E来降低噪声的传播。

所述应当使用减振部件14的关键位置是梯度线圈2和磁容器12之间的接口，特别是磁罩内壁14a对振动特别敏感的区域(热区(Warmbore))、环绕冷却头15的区域、和患者卧榻16、17、19和在磁容器12和地面22之间的区域、以及在高频谐振器13和梯度线圈2之间的区域。

建议在梯度线圈2和磁容器12之间、磁容器12和地面22之间以及高频谐振器13和梯度线圈2之间使用用具有电致伸缩特性的材料实现的调节的机械减振。

在自然界中存在电致伸缩材料，其随电场强度发生的如上所述的形变是场强的平方，这些材料是具有一个(或多个)极轴的晶体，如石英(SiO₂)、电气石、钛酸钡、酒石酸钾钠。但所谓的电致伸缩材料还可以是人造的，如通过烧结选出的陶瓷(钙钛矿)。这种陶瓷在大约2Kv/mm下的长度改变为每密勒1(1 pro mille)。

利用在弹性体内液晶分子(Mesogene，中基因)的电致伸缩性可以得到明显大得多的拉力(Zug)。尽管液晶分子能够在电场中轻易地校准，但由于其流体的特性既不能保持机械形变也不能发挥形变的作用。为了防止液晶的流动，将其置于弹性体中。如生胶或橡胶这样的弹性体由构成三维网络的聚合物构成，因此在发生形变时聚合物链不会相互脱离。掺入了中基因的弹性体的极强的形状稳定性使形状得以稳定，但却使中基因有足够的空间用于电感校准。

所建议的减振材料由于其稳定的功能特性特别适用于MRT装置，尤其是在梯度线圈和磁容器中。其具有很强的减振作用(超薄(＜100nm)液晶弹性体薄膜在仅为1.5MV/m下的拉力为4％)，可以有效地减小机械振动，并因此可以减少所不期望的噪声形成或噪声传播。

同样还建议将这种材料用于降低梯度线圈2自身内部的振动。在此优选的是将这种材料安装在振动波腹的位置，以降低振动的振幅。

按照本发明，有不同的实施方式：

图1a示出了一个系统，其仅在隔离出内腔21的磁罩12的内壁14a采用双层结构。内层A和端面K一样，用于在磁罩12内部形成真空，以抵抗外部作用的气压。这需要足够的机械刚度，从而能够承受静态负压载荷。在图1a所示的系统中，只有隔离出内腔21的磁罩12的内壁14a装有另一个层板B，该层板不必是真空密封的。其任务是增强刚性和内壁14a的减振特性。但实际的减振作用来自减振层，即位于两层板A和B之间用E表示的中间夹层。该层与相邻的金属层A和B粘合在一起。

通过改变加在层E上的电压可以对层A发生的形变(例如由于梯度线圈系统的接通所产生的感应力所造成的)产生反作用。

由于图1a中的外层B没有支承作用，所以将所示的磁罩12的结构称为开放系统。

相反地，图1b示出的是一种封闭系统。其中隔离出内腔21的磁罩12的内壁14a同样由内层C和外层D构成。在这两层之间同样是减振层E。但其与图1a所示的开放系统的区别在于，内层C以及外层D和端面K都必须承受磁罩12内部的超高真空。因此两个层板C和D相互之间以及与壳K之间采用焊接方式连接，从而形成一个三明治式结构的封闭的整体结构。这种封闭系统虽然成本高，但从根本上具有更高的刚性。因此，在这种实施方式中，对电致伸缩层E的长度或厚度变化的要求较少。

在这两种系统中各层的板厚可以相同或不同。在图1a和图1b所示的实施方式中，分层结构中间有一电致伸缩的中间层，它仅设置在对振动特别敏感的热区14a处(见图1)。但是同样也可将减振层板结构设置在整个磁罩12上，如图1c所示。

另一种成本更高但减振效果更好的结构是多于两层的层板结构，例如如图1d所示的3层结构G、H、J。

如上所述，通过一个多层结构可以提高涉及到整个表面的多个电致伸缩层的主动反向控制的效率。特别是通过附加安装径向加强件F可在磁罩12的端面获得更高的刚性(见剖面图2a和正视图2b)。对减振层E可以单独地也可以一起进行控制。

同样可能的实施方式也适用于相应的防止振动传播的集成方案，即对振动源采用环形绝缘，如冷却头的例子所示。

图3中示出了患者卧榻。一个患者躺卧的凹形床19安装在滑轨17上。该滑轨17本身可以水平运动，它位于一个垂直可调的支承架16上，通过该支承架可将躺有患者的卧榻移动到滚动轴承20的高度，并且平移到系统的开口内。

由磁铁或高频谐振器传递到患者卧榻16、17、19上的振动同样可通过在卧榻的支撑结构中集成进减振层E得到阻止，也就是说，将减振层E设置在卧榻19和滑轨17中，或者在这两个部件之间、在支承架16和滑轨17之间，以及通过采用具有减振作用的滚动轴承20，来阻止振动的传播。

用于加在电致伸缩层上的电压或用于电压变化的能量例如可以通过一个变压器从梯度线圈的电源获得。

所述电致伸缩减振部件或减振层由具有学习能力的电子部件进行控制。在经过相应的反应时间或延迟时间之后，该控制部件可将振动区域的噪声调节到最小。

Claims

1.一种核自旋断层造影装置，具有一个被磁罩(12)包围的基本磁场磁铁(1)，所述磁罩环绕并隔离出一个内腔(21)，其中，在该内腔(21)中有一个通过支承部件(7)固定的梯度线圈系统(2)，以及在该内腔(21)内还设置了一个高频谐振器(13)，其中，设置了减振部件(14)，用于吸收在梯度线圈系统(2)切换时所产生的声音振动，其特征在于，所述减振部件(14)包含一种具有电致伸缩特性的材料。

2.根据权利要求1所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振部件(14)包含一种掺入了电致伸缩的液晶弹性体的材料。

3.根据权利要求2所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述被掺入材料的物质为一种弹性材料或橡胶类物质。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振部件(14)安装在梯度线圈系统(2)和磁罩(12)之间。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振部件(14)安装在梯度线圈系统(2)和高频谐振器(13)之间。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振部件(14)安装在磁罩(12)和地面(22)之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述梯度线圈系统(2)还具有其它由具有电致伸缩特性的材料构成的减振部件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振部件(14)构成为平板状、环状、环段状，或为薄层状。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，在隔离出所述内腔(21)的磁罩(12)的内壁(14a)上设置了一个减振层板结构(A-E-B，C-E-D)，它至少由两个中间夹有减振部件(14)的板构成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振层板结构构成一种开放系统，其中，一个内板(A)构成所述磁罩(12)的真空承载内壁，以及一个外板(B)连同处于两个板(A)和(B)之间的减振部件(E)构成所述磁罩(12)的减振外壁。

11.根据权利要求10所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述开放系统仅在磁罩(12)面对内腔(21)的内壁(14a)上延伸。

12.根据权利要求10所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振层板结构构成一种封闭系统，其中，所述内板(C)和外板(D)均构成所述磁罩(12)的真空承载壁，并且在该两个板(C)和(D)之间设置了减振部件(E)。

13.根据权利要求12所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述封闭系统仅在磁罩(12)的面对内腔(21)的内壁(14a)上延伸。

14.根据权利要求12所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述封闭系统延伸在磁罩(12)的全部表面上。

15.根据上述权利要求中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振层板结构由两个板(A-B或C-D)以及位于两者之间的减振部件(E)构成。

16.根据上述权利要求中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述减振层板结构在多层构造(3)中由多个层板(G-H-J)以及位于层板之间的减振部件(E1-E2)构成一种封闭系统。

17.根据上述权利要求中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，用于控制电致伸缩减振部件(14，E)的能量由梯度线圈的电源获得。

18.根据上述权利要求中任一项所述的核自旋断层造影装置，其特征在于，所述电致伸缩减振部件(14，E)由一个有学习能力的电子部件进行控制。