用于射频线圈的冷却系统、磁共振成像设备

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，具体地讲，涉及一种用于射频线圈的冷却系统、磁共振成像设备。

背景技术

磁共振成像是一种对身体无害的医学成像方式，是生物医学领域研究的热门领域之一。磁共振成像在疾病诊断、精确定位以及疾病预防等方面，具有极大的优势和潜力。磁共振成像性能，主要由主磁场的磁场强度和射频线圈的接收性能决定。然而主磁场强度的提升，也将带来磁场不均匀度提升，磁体不稳定性增大和磁体制作成本上升的问题。因此，提高射频线圈的性能被认为是一种经济可行的方法。

射频线圈的成像性能，可由信噪比(SNR)进行表征。根据射频线圈信噪比的等效近似计算公式，降低射频线圈的温度和等效电阻，可提高射频线圈的信噪比。因此研究人员采用低温液体或者气体对射频线圈低温冷冻，达到提高射频线圈的目的。如Bruker公司的小动物成像射频线圈CryoProbe

现有的低温冷冻线圈技术都采用低温液体和气体，低温系统的设计相对较为复杂，制作成本较高。同时，低温液体和气体对低温系统的保温性能和力学性能要求较高，若设计的强度和保温性能不合理，易发生低温冻伤和爆炸的风险。低温液体的消耗需要及时补充，需要人工值守，对操作人员的专业性提出要求。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何简化射频线圈的降温系统的复杂结构。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于射频线圈的冷却系统，所述冷却系统包括：

真空腔体，包括底座和真空上盖，所述真空上盖与所述底座盖合，形成密闭空间；

半导体制冷单元，设置于所述真空腔体内，所述半导体制冷单元的散热端与所述底座接触，且所述半导体制冷单元的冷却端用于承载射频线圈；

冷却单元，与所述底座连接，用于吸收所述半导体制冷单元的散热端的热量。

优选地，所述半导体制冷单元包括多片层叠的半导体制冷片，相邻两片半导体制冷片中的一片半导体制冷片的冷却端与另一片半导体制冷片的散热端抵接，其中最顶层的半导体制冷片的冷却端承载射频线圈，最底层的半导体制冷片的散热端与所述底座连接。

优选地，各片所述半导体制冷片的功率沿着最顶层至最底层的方向递增。

优选地，各片所述半导体制冷片的传热部件采用无磁非金属导热片取代铜导热片。

优选地，各片所述半导体制冷片的输电导线采用金属屏蔽的四绞线，放置电流信号干扰。

优选地，所述真空上盖的侧壁开设有插孔，所述冷却系统还包括电流引线和插头，所述插头与所述插孔密封连接，所述电流引线的两端分别电连接于所述半导体制冷单元和所述插头，所述插头的位于所述真空上盖的外侧的一端用于连接匹配电路。

优选地，所述冷却系统还包括射频线圈信号线，所述射频线圈信号线的两端分别电连接于所述射频线圈和所述插头，信号线屏蔽层接地。

优选地，所述冷却单元包括相互连通的冷却水管道和冷却水循环模块，所述底座内部开设有容纳槽，所述冷却水管道与所述容纳槽连通，以将冷却水输送进容纳槽中。

优选地，所述冷却系统还包括温度计，所述温度计设置于所述半导体制冷单元的冷却端上。

优选地，所述真空上盖的内表面涂覆有聚氨酯低温胶。

优选地，所述真空上盖的材料为无磁非金属材料。

本申请还公开了一种磁共振成像设备，包括射频线圈和任一种上述的用于射频线圈的冷却系统，所述射频线圈设置于所述半导体制冷单元的冷却端上。

(三)有益效果

本发明公开了一种用于射频线圈的冷却系统、磁共振成像设备，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

采用半导体制冷的方式对射频线圈进行冷却，可提高安全性，大幅度缩小冷却系统体积、实现连续不间断冷却和控制冷却温度。

附图说明

图1是本发明的实施例一的用于射频线圈的冷却系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：在现有的低温冷冻线圈技术中，采用低温液体或气体来冷冻线圈，会导致低温系统结构复杂，制作成本高、安全性差等技术问题。本申请在真空腔体中设置半导体制冷单元，形成低温环境，并利用冷却单元将半导体制冷单元的热量排出，从而组成结构简单，安全性能高的冷却系统，实现对射频线圈的降温。

如图1所示，本实施例的用于射频线圈的冷却系统包括真空腔体10、半导体制冷单元20和冷却单元30。其中真空腔体10包括底座11和真空上盖12，真空上盖12与底座11盖合形成密闭空间，半导体制冷单元20设置于真空腔体10内，半导体制冷单元20的散热端与所述底座11接触，且半导体制冷单元20的冷却端用于承载射频线圈100。冷却单元30与所述底座12连接，用于吸收半导体制冷单元20的散热端的热量。

作为优选实施例，由于射频线圈100在高磁场下使用，为防止金属材料对磁场的影响和对射频信号的屏蔽，真空上盖12的材料选用低温强度高、制作简单且价格低廉的玻璃纤维环氧树脂材料(G10)。当然在其他实施方式中，真空上盖12还可以采用其他类型的无磁非金属材料。真空上盖12前后左右四个面壁厚为10mm，这样既满足强度要求，又能提高气密性。由于射频线圈100到被测体的距离越近，线圈成像信噪比越高，将真空上盖11的顶部厚度设计为2mm。

进一步地，在真空上盖12的内表面涂有约0.5mm的聚氨酯低温胶，聚氨酯低温胶气密性极好，可以有效地阻止真空上盖12的漏气。同时由于聚氨酯低温胶热导率较小，聚氨酯低温胶在底部也将起到绝热的作用。其中，真空上盖12的侧面开设有真空腔抽口11a，用于给系统抽真空。

作为优选实施例，半导体制冷单元20包括多片层叠的半导体制冷片21，相邻两片半导体制冷片中的一片半导体制冷片的冷却端与另一片半导体制冷片的散热端抵接，其中最顶层的半导体制冷片的冷却端承载射频线圈100，最底层的半导体制冷片的散热端与所述底座12连接，根据冷却温度的要求来确定半导体制冷片21的片数。为了抵消电加热带来的热功率，各片半导体制冷片的功率沿着最顶层至最底层的方向递增。示例性地，将半导体制冷片从上至下分别编号成1、2、3…n，为了抵消电加热带来的热功率，随着编号的增大，半导体制冷片的功率逐渐增大。1号半导体制冷片的冷却端与射频线圈接触换热，1号半导体制冷片的冷却端散热端与2号半导体制冷片的冷却端接触换热进行冷却，两半导体制冷片之间通过热导率较高的Stycast环氧树脂胶直接粘连，依此类推。

进一步地，最底层的半导体制冷片的散热端，需要进行主动散热。作为优选实施例，最底层的半导体制冷片的散热端通过导热硅脂与底座12连接，底座12将散热端的热量传递至冷却单元30，从而实现散热。作为优选实施例，所述冷却单元30包括相互连通的冷却水管道31和冷却水循环模块32，所述底座12的内部开设有容纳槽12a，冷却水管道31连接于所述容纳槽，将冷却水输送进容纳槽12a中，以将最底层的半导体制冷片的散热端的热量通过冷却水传导至外界，防止最底层半导体制冷片温度过高导致的损坏。

作为优选实施例，底座12由两个边长为200mm的方盘制成，下方盘的厚度为10mm，中间开有深度为6mm，边长为160mm的容纳槽12a，两侧开有孔径5mm的冷却水孔，用于通入冷却水对半导体制冷片的散热端进行散热。

为了实现对射频线圈100和半导体制冷单元20的控制，本实施例的冷却系统还包括所述冷却系统还包括插头40、电流引线50和射频线圈引线60。其中所述插头40采用无磁航空插头，真空上盖11的侧壁上开设有插孔，插头40与所述插孔密封连接，所述电流引线50两端分别电连接于所述半导体制冷单元20和所述插头40，所述插头40的位于所述真空上盖11外侧的一端用于连接匹配电路70，从而实现对半导体制冷单元20的供电。所述射频线圈引线60的两端分别电连接于所述射频线圈100和所述插头40，由于低温下射频线圈100的导线电阻降低，电容值变化等会引起线圈匹配变化，因此在真空腔体10外设置有匹配电路70，在低温时重新将射频线圈的电阻匹配至50Ω。

进一步地，所述冷却系统还包括温度计81和温度计引线82，所述温度计81设置于所述半导体制冷单元21的冷却端上。示例性地，温度计81贴合于最顶层的半导体制冷片的冷却端，温度计引线82的两端分别连接于温度计81和插头40，这样可实时监控射频线圈100的温度。上述的电流引线50、射频线圈引线60、温度计引线82均采用双绞铜线，防止电磁干扰。

实施例二还公开了一种磁共振成像设备，包括射频线圈100和任一种上述的用于射频线圈的冷却系统，所述射频线圈100设置于半导体制冷单元20的冷却端上，真空上盖11用于承载被测物体200。为了方便射频线圈100与半导体制冷片20的充分接触，射频线圈100采用贴片式或者薄PCB板式导线制成，也可以采用分布式电容的设计方式。射频线圈100未安装电容等元器件的面(背面)与半导体制冷单元20的低温面之间涂抹薄薄一层低温导热脂进行换热。

示例性地，冷却系统的使用方法如下：

(1)使用导热脂和聚酰亚胺胶带将射频线圈100背面固定于最顶层的半导体制冷片21的冷却端，射频线圈引线60连接插头40对应的编号；

(2)将半导体制冷单元20的最底层的半导体制冷片21的散热端通过导热硅脂与底座12紧密接触，并固定于设定的位置上；

(3)将半导体制冷单元20的电流引线与插头40接通，布置好排线后，盖上真空上盖11，并使用O圈和真空脂进行真空密封；

(4)通过插头40外侧接入射频线圈100的前置放大器、TR开关和匹配电路等部件；

(5)连接真空泵和真空腔抽口，将真空抽至低于10

(6)将整个冷却系统和射频线圈一并放入磁共振成像设备中，将被测样品200安放于真空上盖11的上方；

(7)接通冷却水循环模块32，接通半导体制冷单元的电源，对射频线圈进行降温冷冻。通过温度计81的测温，观察温度温度后，调节匹配电路至50Ω，进行磁共振成像。

本实施例公开的用于射频线圈的冷却系统，相对于现有技术，具有如下效果：(1)采用半导体制冷的方式对射频线圈进行冷却，可提高安全性，大幅度缩小系统体积、实现连续不间断冷却和控制冷却温度。(2)采用无磁非金属材料的设计，防止金属对磁共振系统磁场的干扰和射频信号的屏蔽。(3)采用冷量更大的液冷散热，为进一步增大制冷功率，提供安全保障。(4)采用聚氨酯低温胶处理无磁真空腔体的表面，提高真空腔体的气密性和保温性能。(5)采用可快速更换设计，外部调节线圈匹配，适用于不同尺寸、核素、形状的射频线圈。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。