電絕緣和振動聲學性能的材料的製作方法

2023-05-20 13:21:51 5

專利名稱：電絕緣和振動聲學性能的材料的製作方法
電絕緣和振動聲學性能的材料

圖1示出工作中的公知的MRI (磁共振成像)系統10的部分橫截 面圖。場磁鐵12和具有邊緣部分17的梯度線圈14在成像區域15中 提供均勻的磁場。RF線團16產生高能RF場，如MRI操作所要求的那 樣。覆蓋部18覆蓋RF線圈16、梯度線圈14和場磁鐵12。還可以設 置病床19，該病床19為患者20提供支撐。患者可接觸到覆蓋部18。 例如，讓手臂在病床旁邊搖擺，患者20可以接觸到該覆蓋部。間隙22 通常存在於RF線團16與覆蓋部18之間。MRI系統可以是圓柱體狀的， 其中患者處於該圓柱體的中間。覆蓋部18然後形成圓柱內表面，用於 容納患者。在這種情況下，覆蓋部可被稱為患者內腔套管(patient bore liner)。間隙22中的氣壓可被減小到1 - 100毫巴，以便減小 聲波噪聲從電磁鐵線團12、 14、 16到患者20的傳遞。本發明涉及在局部真空中的任意高壓高頻源與接近該高壓高頻源 的人體或動物體之間的擊穿。該局部真空用於減小聲波噪聲傳遞，但 是該局部真空具有不期望的副作用，即減小從電磁鐵線圈到覆蓋部的擊穿電壓。圖2示出圖1的系統沿線II - II的部分橫截面圖。現在考慮圖2 的結構的電特性。由於人體的特性，患者20可被認為是電接地。RF 線圏16產生高壓高頻信號，該高壓高頻信號跨越間隙22和覆蓋部18 到達患者20處的地。在本申請人的現有產品之一上執行的模擬說明梯度線圈14與覆蓋 部18的內部之間的RF電擊穿，申請人的現有產品之一包括高頻高壓 RF線圏。該模擬基於圖1中所示的裝置。由該模擬導出一電容性模型， 以描述該系統在擊穿情況下的操作。防止間隙22兩端的任何電壓擊穿是重要的，因為這種擊穿會導致 從RF線團16到患者20形成高壓高頻RF能量的電弧。在某些MRI系 統中，RF功率可以達到超過15kW的值。形成到患者的這種功率級的弧 會造成傷害。考慮到穩態下的電壓分布，該高壓高頻電壓VRF被分成 間隙22兩端的電壓降Vg和覆蓋部18的材料兩端的電壓降Vs。患者 20是導電的並且處於假定的地電壓，使得VRF-Vg + Vs。 Vs和Vg的
相對值根據對應層的相應電容Cs、 Cg的倒數的比率來確定。在某些公 知的裝置中，已經發現，70%的RF電壓由間隙22來承受，而30%由 覆蓋部的材料來承受。圖4示出表示如被用於上述模擬的電容性模型的示意圖。在圖4 中，Cl表示RF線圈16之間的電容；C2和C3表示在該設備的相應端 上的梯度線圏14與覆蓋部18之間的間隙22的電容；C4表示覆蓋部 18的暴露到間隙22的表面的表面電容；C6和C7表示在該設備的相應 端上的覆蓋部18的材料的電容；以及C5表示覆蓋部18的朝向患者20 的表面的表面電容。當患者沒有與覆蓋部18接觸時，該模型假設該設備對稱，以致C2 =C3， C4 = C5以及C6-C7。當患者與覆蓋部18接觸時，不再保持對 稱。電容C5降為零，因為患者提供與覆蓋部18的表面處於良好的電 接觸的電阻性路徑。這種狀態下的模型在圖5中示出。當患者在適當 的位置時，間隙22的電容C2、 C3以及覆蓋部18的材料的電容C6、 C7在限定間隙22兩端的電壓Vg(圖2)中變得非常重要。在這種情況 下，總電壓VRF中的在間隙22兩端產生的部分(proportion) Vg與 間隙兩端的距離dg成比例。這是從以下事實得出的，即間隙兩端的電 容Cg與間隙尺寸dg的增加成比例地減小。為了減小在高壓高頻源(RF 線圏16)與患者之間發生電壓擊穿的可能性，總電壓VRF中的在間隙 兩端產生的部分Vg必須減小，和/或總電壓VRF中的在覆蓋部兩端產 生的部分Vs必須增加。間隙尺寸減小間隙兩端的電壓V g並且從而減小在間隙兩端發生電壓擊穿的 可能性的一種方式是通過減小間隙兩端的距離dg來增加間隙兩端的電容。覆蓋部材料的介電常數等於(VRF-Vs)的間隙22兩端的電壓Vg可被視為與覆蓋部18 的厚度ds相反地變化，並且與覆蓋部18的材料的相對介電常數"s 成比例地變化。這是從以下事實得出的，即間隙兩端的電容Cg與e" 成比例地增加；而覆蓋部兩端的電容Cs與厚度ds的增加成比例地減 小。在實施例中，e"大約為4。因此，應當被最小化的間隙22兩端的電壓Vg滿足以下關係式VgrocEra.dgr/ds為了實現最小Vg，必須最小化s"，即最小化覆蓋部18的材料的 相對介電常數，同時減小間隙的厚度dg和/或增加覆蓋部18的材料的 厚度ds。氣壓和間隙厚度-帕邢(Paschen)定律影響介質的電擊穿電壓的另一方面是介質的電氣強度。帕邢定律 規定，針對氣體中的電極之間的放電的擊穿電壓是氣體壓力和電極間 的距離的乘積(pd)的函數。該函數對於空氣而言的最小值為pd= 0. 55 Torr cm ( 0. 733Nm_1)，從而表示在相隔0. 01m的電極之間的擊穿電 壓為352V。在帕邢定律的一個表達式中，空氣中的間隙的擊穿電壓Vbg 由下式給出A - 6.72/(pd) + 24.36(pd) kV 。由於希望增加間隙兩端的擊穿電壓，因此希望減小在間隙兩端發生電 壓擊穿的可能性，所以必須避免在帕邢最小值處進行操作。在壓力距 離乘積(pd)高於或者低於帕邢最小值的壓力距離乘積時的操作將提 供提高的抗擊穿性。在公知的MRI系統中，間隙22中的空氣或者其他氣體通常在非常 低的壓力下，但是該壓力高於帕邢最小值。這將從利用大氣壓下的空 氣填充的等效間隙的擊穿電壓降低間隙22的擊穿電壓。由於該間隙通 常包含低於大氣壓的空氣，所以有電擊穿的風險。增加間隙中的氣壓 是有利的，因為本發明旨在減小在間隙22兩端發生電擊穿的風險。然 而，這不是實際建議，因為通過間隙的聲波噪聲傳遞會增加。對於本發明所考慮的系統的實例，在壓力為75Torr ( 10000 Nm2) 的空氣中的0. 005m的間隙給出大約為2. 8kV的擊穿電壓，該間隙的壓 力距離乘積pd為37.5Torr cm (50 NnT1)。這也高於帕邢最小值。 給出為507 Nm^的壓力距離乘積pd，填充有大氣壓下的空氣的相同間 隙會具有大約16. 9kV的擊穿電壓；相對於低壓間隙的擊穿電壓，這是 顯著的提高。在另一方面，如果間隙中的氣壓減小，則從MRI系統IO傳遞到患 者20的聲波噪聲會更少。減小壓力的氣體比聲音的傳遞機制更沒有效 率。由於患者20可被封閉在相對小的圓柱形封閉體中，所以減小患者 聽到的聲波噪聲是很重要的，因為當患者被容納在圓柱形封閉體中
時，高棒別的聲波噪聲會增加患者的緊張感。然而，間隙22中的減小 的氣壓會導致間隙兩端的擊穿電壓更低。因此，對於間隙22中的氣壓有相矛盾的要求。對於減小聲波噪聲 傳遞期望減小的壓力，而為了增加間隙的擊穿電壓期望增加的壓力。覆蓋部材料的電抗間隙22的電擊穿實際上會在高壓高頻源(RF線圍16)與患者20 之間提供電阻性路徑。這對於患者是有害的。通過將高壓高頻源(RF 線圏16)與患者之間的連接限制為電容性連接，消除該風險。本發明 旨在減小在高壓高頻源(RF線團16)與患者20之間建立電阻性路徑 的可能性。為了進一步減小總電壓VRF中的在間隙22兩端的部分Vg，可以增 加保持在覆蓋部18的材料兩端的部分Vs。這可以通過提供較高電抗X 的覆蓋部18的材料來實現。發明內容本發明旨在提供一種覆蓋部以及一種用於製造覆蓋部的材料，該 覆蓋部和該材料具有比公知的裝置的電抗高很多的電抗X。該材料可被用來製造用於可接近人或者動物的高頻高壓源的任何覆蓋部。特別是，本發明旨在通過經過一個或多個上述效果使材料和結構 適應來增加MRI或者NMR系統中的RF線圏與患者之間的擊穿電壓。本發明還旨在提供用於覆蓋部18以及將人或者動物與高頻高壓源 隔開的其他保護性覆蓋部的材料，該材料帶有電壓VRF中的在其本身 兩端的較高部分Vs，因此減小間隙22兩端的部分Vg並且減小在間隙 兩端發生電壓擊穿的可能性。因此，本發明提供如在隨附的權利要求中所述的材料和結構。 在本發明的某些實施例中，提供一種用於NMR或者MRI系統的覆 蓋部和覆蓋部的材料，其被阻止來最小化空氣傳播的噪聲的傳遞；其 具有足夠的機械強度，以承受大氣壓到真空的靜負載；其具有足夠的 電特性，以抑制RF能量在間隙中的擊穿和擊穿患者；其最小化RF系 統上的負載；其是可透過RF的；以及符合相關防火等級。該機械負載 能力必須至少匹配病床上的最大額定負載，該機械負載能力通常被設 定為預期最大患者重量的四倍，例如為800kg或者lOOOOONnT2。參照附圖，結合僅作為實例給出的某些實施例，將進一步闡述本 發明的上述和其他目的、特徵和優點，其中 圖1示出公知的MRI系統的部分橫截面圖； 圖2示出圖1的系統的部分橫截面圖； 圖3示出根據本發明的實施例的材料/結構的橫截面圖； 圖4示出用於模擬圖1的系統的電氣特性的電容性模型；以及 圖5示出適應於模擬患者存在於MRI系統中的圖4的電容性模型。 為了減小高頻高壓能量源與患者20之間的電壓擊穿的可能性，本發明採用以下技術中的某些技術，這些技術在上面被確定為是有潛在效用的-減小間隙尺寸dg;-增加覆蓋部的厚度ds;-最小化覆蓋部材料的相對介電常數s ";-增加覆蓋部材料的電抗X;-增加間隙中的氣壓。與該最後 一種技術相矛盾的是減小到患者的噪聲傳遞的要求，該 要求可通過降低間隙中的氣壓來實現。圖3示出根據本發明的實施例的用於構造MRI系統中的覆蓋部的 材料30的橫截面圖。這種材料能用於製造將人或者動物與高壓高頻源 隔開的任何覆蓋部。這對於在部分真空中容納這種源的封閉體是特別 有利的。以第一材料設置盤形元件32。以第二材料設置多孔覆蓋部34。 第一和第二材料可以是相同的材料。第二材料的多孔性可以通過覆蓋 部中的氣孔或者小孔36來提供。該盤和覆蓋部限定封閉腔38。該封閉 腔38可以容納不導電材料製成的薄片39。為了獲得對患者20或者其他人或者動物的所要求的保護，必須設 置如圖3中所示的單個盤形結構，從而覆蓋整個感興趣的區域。在本發明的實施例中，盤32和覆蓋部34可以由阻燃材料製成， 從而滿足相關阻燃要求，例如滿足ULVO標準。圖3的材料通過容納腔38而與用於製造覆蓋部的簡單的現有技術 材料(例如玻璃纖維加強樹脂)形成對比。該腔可以用大氣壓下的空 氣進行填充，因為覆蓋部34具有多孔性36。空氣填充的腔38提供比 固體材料或者用降低的壓力下的氣體填充的等效腔高的擊穿電壓。該 材料可被構造成多層32、 34，層32、 34中的每層的厚度均大約為現
有技術的固體材料的厚度的一半。然而，提供一層稍微厚於另一層的層32、 34是有利的，以減小材料進入聲共振狀態的機會。儘管如此， 本發明的材料仍然強得足以用作結構性材料。空氣填充的結構30 (可選地具有位於腔38中的不導電薄片39的 層)防止從高頻高壓源(RF線圏16)到患者20建立電阻性路徑。僅 在結構30發生電壓擊穿的情況下才會出現到患者的電阻性路徑。對於 圖3的結構所選的材料應可透過感興趣頻率的RF信號，並且應當優選 地輕便，以易於處理和拆卸。盤32具有通常大小為3 — 4mm壁厚，還具有lmm厚的頂蓋34和 2mm深的腔38。本發明人已發現，提供具有這種大小的本發明的結構 30的電擊穿所要求的電壓在9 — 17kV的數量級，這與之前已被用作覆 蓋部18的材料的玻璃纖維加強樹脂的固體層的擊穿電壓相比非常有 利。盤32提供的機械強度足以使其用作真空室。覆蓋部34優選地提 供合意的覆蓋部的表面拋光，以及增加整個結構的結構剛度。在盤內 可放置一系列薄片39。這些薄片39是不導電的並且分解了盤內的空 間，以通過用作隔板來提供聲阻尼。該覆蓋部34是多孔體36。這意味 著，容納薄片39的腔38在大氣壓下。這增加了該結構兩端的擊穿電 壓。這些薄片可以是MYLAI^聚酯薄膜製成的薄片。這些薄片可以通過 諸如杆或者濾網之類的隔離體來保持分開。這些薄片可以成波狀或者 以其它方式構造來提供隔離。在可替換的實施例中，腔38可用開孔泡 沫來將薄片保持分開。在實例實施例中，其中具有盤32和覆蓋部34，該盤32具有4mm 厚的玻璃纖維加強樹脂壁並且覆蓋部34也具有4邁m厚的玻璃纖維加強 樹脂壁，每種材料的5" = 4，以及在腔38中具有四個MYLAI^聚酯薄 膜薄片39，產生電容鏈，從而提供電容c6、 c7為1661(/Fm — 2的覆蓋部 結構，其中vk是常數。通過對比，由5" = 4的相同材料的8mm厚的固 體層構造的覆蓋部18提供500v|/Fm — 2的電容。5mm的間隙22提供 200M/FnT2的電容。利用該實例實施例，由於間隙22和覆蓋部18兩端 的總電壓VRF與串聯電容成反比分布，所以在覆蓋部18的材料兩端得 至ij電壓VRF中的增加的部分Vs ( Vs=200mV366vj/ x vrf = 0. 55 x VRF )， 同時在間隙22兩端得到相應減小的部分Vg (Vg=166vi;/366v|/x VRF =
0. 45xVRF)。為了進行比較，玻璃纖維加強樹脂製成的8mm厚的固體 層的等效值是Vs=200m//700v|/xVRF=0. 29xVRF ; Vg=500vt//700\(/x VRF = 0.71x VRF。利用本發明的材料的所述實施例，總電壓VRF中的在間隙22兩端 產生的部分Vg大約為0. 55VRF。這與具有固體材料的等效系統相比非 常有利，其中部分Vg大約為0. 71VRF。採用本發明的材料的覆蓋部時 的降低的間隙兩端的電壓直接導致在間隙兩端發生電壓擊穿的可能性 降低。減小電壓VRF中的間隙22兩端的部分Vg的另一方法是減小間 隙的厚度dg。如果可能的話，間隙22可^:減小到lmm。在這種情況下， 採用本發明的用於覆蓋部18的材料時落在間隙兩端的電壓Vg會是 0. 16VRF， Vg進一步降低，並且因此進一步降低在間隙兩端發生電壓 擊穿的可能性。盤32和覆蓋部34可以才艮據國際專利申請WO 2004/009924或者國 際專利申請W0 2004/098870的材料來構造。這些文獻中的每一篇文獻 都描述了具有有效阻尼特性的相應的在結構上可能的材料。因此，本發明提供一種覆蓋部和一種用於覆蓋部的材料，本發明 在相應的某些實施例中採用下面的技術來減小在高頻高壓能量源與患 者20之間發生電壓擊穿的可能性。減小間隙尺寸dg間隙22的尺寸可被減小到考慮生產和維護問題可實踐的程度。 增加覆蓋部的厚度ds對於相同重量的材料由於在材料的相應表面之間包含了空氣填充 的腔38，本發明的材料30和覆蓋部與公知的覆蓋部相比具有增加的厚度。最小化覆蓋部材料的相對介電常數s "通過在覆蓋部的相應表面之間包含空氣填充的腔(S r " 1 )，減小 覆蓋部材料的介電常數。增加覆蓋部材料的電抗x在固定操作頻率下，電抗X與電容成反比，X l/C。如上所述， 本發明用來將病床電容減小2/3。這種電容減小引起覆蓋部的電抗相應增加。
增加間隙中的氣壓通過在覆蓋部的相應表面之間提供空氣填充的腔38，有效設置第 二間隙，該第二間隙容納大氣壓下的空氣，以及具有比間隙22相應更 高的擊穿電壓，該間隙22通常填充有非常低的壓力的氣體。通過降低間隙中的氣壓來減小到患者的噪聲傳遞由於本發明的覆蓋部和材料包括封閉腔38中的高壓間隙，所以能 在間隙22中維持低氣壓，仍然可以減小擊穿患者的可能性。通過在間 隙22中維持低氣壓，可以維持聲音絕緣。在腔38內可選地存在薄片39用來通過將所述薄片用作隔板而進 一步減小噪聲傳遞。利用本發明的材料可以提供以下優點。覆蓋部可以更加靠近高壓 高頻源。這又意味著要求更小的整體封閉體。在螺線管MRI或者NMR 成像系統領域，這意味著，對於相同尺寸的磁裝置，中央患者內腔的 直徑會增加，或者可以使用更小的磁裝置來提供給定大小的患者內 腔。這些優點中的每個都有助於製造出更具吸引性的產品。在第一種 情況下，更大的患者內腔意味著，更多比例的人群落入可以在該內腔 內容納的尺寸範圍內。在第二種情況下，使用更小以及更廉價的磁體 來提供相同的患者內腔尺寸，從而導致成像系統更加廉價或者更加有 羸利性。雖然特別參照用於MRI或者NMR設備的覆蓋部或者患者內腔套管 來描述本發明，但是本發明的材料還有用地被用於以其它方式存在擊 穿人或者動物的風險的任何高壓高頻源的覆蓋部的製造中。
權利要求
1.一種用於構造高壓高頻源的外部覆蓋部(18)的結構性材料(30)，人或者動物可接觸到所述覆蓋部，該材料(30)包括-第一材料的第一元件(32)；-第二材料的多孔覆蓋部(34)；被限定在第一元件與覆蓋部之間的封閉腔(38)。
2. 根據權利要求1所述的材料，其中，第一元件包括盤形凹槽， 所述凹槽由多孔覆蓋部封閉，以形成相應的至少一個封閉腔(38)。
3. 根據權利要求1或者權利要求2所述的材料，其中，第一和第二材料是相同的材料。
4. 根據前述任一權利要求所述的材料，其中，第二材料的多孔性 通過覆蓋部中的氣孔或者小孔(36)來提供。
5. 根據前述任一權利要求所述的材料，其中，封閉腔(38)容納 不導電材料製成的薄片(39)。
6. 根據權利要求5所述的材料，其中，薄片為聚酯薄膜製成的薄片。
7. 根據權利要求5或權利要求6所述的材料，其中，通過諸如杆 或者濾網的隔離體來保持薄片分開。
8. 根據權利要求5或權利要求6所述的材料，其中，薄片成波狀 或者以其它方式構造來提供隔離。
9. 根據前述任一權利要求所述的材料，其中，第一元件和多孔覆 蓋部中的一個比另一個厚，因此減小材料進入聲共振狀態的機會。
10. —種材料，其基本上如在此所述的那樣和/或如附圖中的圖3 所示。
11. 一種用於MRI系統(10)的覆蓋部(18)，其包括根據前述 任一權利要求所述的材料。
12. —種MRI系統(IO),其包括根據權利要求11所述的覆蓋部。
13. —種被容納在覆蓋部之內的高壓高頻源，該覆蓋部由根據權 利要求1 - 10中的任何一個所述的材料製成。
14. 一種被容納在覆蓋部之內的高壓高頻源，該覆蓋部由根據權 利要求l-IO中的任何一個所述的材料製成，其中，在該源與該覆蓋部 之間存在部分真空。
全文摘要
本發明提供一種用於構造人或者動物可接觸到的外部覆蓋部的材料。本發明旨在通過使材料和結構適應來增加高壓VRF、高頻能量源與人或者動物之間的擊穿電壓。根據本發明的實施例，對於用在MRI或者NMR系統中的覆蓋部來設置結構，該覆蓋部具有電壓VRF中的其本身兩端的較大的部分Vs，因此減小間隙22兩端的電壓Vg以及減小擊穿的可能性。
文檔編號G01R33/28GK101128744SQ200580047752
公開日2008年2月20日 申請日期2005年12月15日 優先權日2005年2月4日
發明者A·F·阿特金斯, S·羅伯茨 申請人:西門子磁體技術有限公司