СИСТЕМА ВЕНТИЛЯЦИИ ВОЗДУХА С РАДИОЧАСТОТНЫМ ЭКРАНИРОВАНИЕМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СИСТЕМАХ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
AIR VENTILATION SYSTEM WITH RADIO FREQUENCY SCREENING FOR USE IN MAGNET-RESONANCE VISUALIZATION SYSTEMS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству вентиляции воздуха для использования в системе магнитно-резонансной визуализации и системе магнитно-резонансной визуализации, содержащей подобное устройство вентиляции воздуха.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В области магнитно-резонансной визуализации известно применение системы вентиляции воздуха, содержащей вентилятор для охлаждения пациента или других частей сканирующего блока системы магнитно-резонансной визуализации. Охлаждающая система для циркуляции охлаждающего средства, такого как воздух для охлаждения цилиндрического туннеля для пациента системы магнитно-резонансной визуализации описана, например, в патентной заявке США 2005/0030028 A1. В патентной заявке США 2009/0134875 раскрывается охлаждающий блок для системы магнитно-резонансной визуализации с каналом и вентилятором для циркуляции охлаждающего воздуха элементов схемы РЧ-катушки. Вентилятор предусмотрен снаружи экранированного помещения для того, чтобы избежать влияния электрической системы вентилятора на сигналы, принимаемые на РЧ-катушкой.
Из соображений эффективности предпочтительно поместить вентилятор внутри экранированного от радиочастотных излучений помещения, в котором обычно устанавливается сканирующий блок. В таком комплексе измерения должны быть сделаны так, чтобы избежать электромагнитного взаимного влияния (ЭМП - электромагнитные помехи) между работающим вентилятором и чувствительной к ЭМП электроникой сканирующего блока, например, установив радиочастотный экран вокруг вентилятора.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Желательно уменьшить усилия для удовлетворения требованиям в отношении максимально допустимых электромагнитных помех, вызываемых устройствами вентиляции воздуха, в системах магнитно-резонансной визуализации, в которых вентилятор воздуха устройства вентиляции воздуха находится внутри экранированного от радиочастотных излучений помещения вместе со сканирующим блоком системы магнитно-резонансной визуализации.
Таким образом, целью изобретения является предоставление эффективно работающего и упрощенного устройства вентиляции воздуха, которое также сможет эффективно уменьшить электромагнитные помехи от электромагнитных сигналов, генерируемых устройством вентиляции воздуха при эксплуатации, или избежать их.
В одном из аспектов настоящего изобретения цель достигается с помощью устройства вентиляции воздуха для использования в системе магнитно-резонансной визуализации, причем устройства вентиляции воздуха, содержащего:
- приводимый в действие электродвигателем вентилятор, где вентилятор генерирует сигналы электромагнитных помех во время работы, которые формируют спектр излучения,
- корпус вентилятора, имеющий по меньшей мере одно отверстие для впуска воздуха и по меньшей мере одно отверстие для выпуска воздуха, причем вентилятор расположен внутри корпуса между по меньшей мере одним отверстием для впуска воздуха и по меньшей мере одним отверстием для выпуска воздуха и выполнен с возможностью по меньшей мере в одном рабочем состоянии забирать воздух по меньшей мере через одно отверстие для впуска воздуха и передавать воздух по меньшей мере в направлении одного отверстия для выпуска воздуха, и
- по меньшей мере один вентиляционный канал, предоставляемый в качестве соединения по текучей среде, которое по меньшей мере в одном рабочем состоянии соединяется по меньшей мере с одним отверстием для выпуска воздуха и может быть соединено по меньшей мере с одним впускным патрубком системы воздушной вентиляции сканирующего блока системы магнитно-резонансной визуализации.
Корпус вентилятора выполнен в виде волновода с открытым концом для электромагнитных волн, в частности радиочастотных волн, имеющих частоту отсечки большую, чем самая большая частота спектра излучения, превышающая заданный связанный с амплитудой параметр. Один конец волновода служит по меньшей мере в качестве одного отверстия для впуска воздуха, а противоположный конец волновода служит в качестве по меньшей мере одного отверстия для выпуска воздуха.
Следует понимать, что фраза «радиочастотные волны», как она используется в этой заявке, в частности, охватывает частотный диапазон электромагнитных волн между 30 кГц и 300 МГц.
Волноводы сконструированы для передачи электромагнитных волн между их концами, при условии, что частота электромагнитной волны больше, чем частота отсечки волновода. Электромагнитная волна, чья частота меньше, чем частота отсечки, не может распространяться внутри волновода. Ее амплитуда очень эффективно, а именно экспоненциально, затухает в направлении распространения. То есть, волновод функционирует как фильтр высоких частот, чья частота отсечки применяется к границе высокочастотной характеристики. Например, ослабление ниже частоты отсечки устанавливается на 3 дБ, 30 дБ или 100 дБ.
Таким образом, можно достичь объединения функции корпуса вентилятора, заключающейся в направлении воздуха, всосанного вентилятором у отверстия для впуска воздуха, к отверстию для выпуска воздуха корпуса, и функции, заключающейся в удержании сигналов электромагнитных помех, генерируемых вентилятором во время работы, в одном элементе устройства вентиляции воздуха, а именно волноводе с открытым концом, так, чтобы не создавать помех для чувствительной к ЭМП электроники сканирующего блока. Число компонентов устройства вентиляции воздуха может быть уменьшено и конструкция может быть упрощена, что позволяет уменьшить вес, объем и стоимость.
В предпочтительном варианте осуществления волновод имеет неизменное поперечное сечение в плоскости, перпендикулярной к ведущему направлению волновода, и по меньшей мере на одном непрерывном участке вдоль ведущего направления волновода. Тем самым можно легко определить параметры конструкции, которые соответствуют требованиям, относящимся к максимально допустимому перепаду давления при требуемом расходе воздуха и требуемому минимальному ослаблению генерируемых сигналов, электромагнитных помех.
Поскольку электромагнитные волны с частотой ниже частоты отсечки волновода экспоненциально затухают, достаточное затухание сигналов электромагнитных помех, создаваемых вентилятором во время работы, может быть достигнуто, если отношение длины волновода вдоль линии распространения и максимального размера волновода, перпендикулярного к линии распространения, проектируется так, чтобы оно лежало в интервале между 2 и 10.
Как правило, неизменное поперечное сечение волновода может иметь любую форму. Предпочтительно, чтобы неизменное поперечное сечение имело одну из форм: правильного многоугольника, например треугольника или прямоугольника, круглую форму или эллиптическую форму. Для волноводов с поперечными сечениями любой из этих форм частоту отсечки можно легко получить из теоретических соображений, без необходимости выполнения каких-либо экспериментов. Кроме того, волноводы с прямоугольным или круглым поперечным сечением широко используются и вследствие этого имеются в продаже для широкого диапазона частот.
Например, для волновода, имеющего прямоугольное поперечное сечение, частоту легко можно определить по формуле
,(ур. 1)
0
где a обозначает большую сторону прямоугольника, а c - скорость света в вакууме.
Для прямоугольного волновода с большей стороной a 0,3 м, получается частота отсечки 500 МГц, и любой сигнал электромагнитных помех, создаваемых вентилятором во время работы, чья частоты ниже, чем частота отсечки 500 МГЦ, будет экспоненциально затухать вдоль направления распространения.
В другом предпочтительном варианте осуществления волновод выполнен из неметаллического материала, причем внутренняя поверхность волновода покрыта электропроводящим покрытием. Как очевидно для специалиста в данной области, благодаря поверхностному эффекту электромагнитное поле электромагнитной волны способно проникать в материал только в той степени, которая характеризуется параметром, который известен как глубина проникновения. В режиме нормального поверхностного эффекта глубина δ проникновения имеет вид
,(ур. 2)
.
.
-6
2
0
где σ это электропроводность материала, ω - угловая частота 2πf, где f - частота электромагнитной волны, и μ обозначает магнитную постоянную 1,25710 Н/А.
.
7
-1
.
Например, для медного слоя (σ=5,610 (Ом)) и электромагнитной волны с частотой 300 кГц глубина скин-слоя составляет 125 микрон. Если слой меди составляет по меньшей мере 0,5 мм (= 4δ) в толщину, то будет иметь место едва заметная разница в массе медного вещества в отношении проникновения электромагнитной волны определенной частоты.
Таким образом, толщина электропроводящего покрытия на внутренней поверхности волновода может проектироваться в соответствии с требованиями к ослаблению сигналов электромагнитных помех, генерируемых вентилятором во время работы, с использованием ур. (2). Предпочтительными материалами для электропроводящего покрытия являются медь и алюминий. При использовании неметаллического материала, например пластика для волновода, и покрывая его электропроводящим покрытием, вес корпуса вентилятора может быть в значительной степени уменьшен, вместе с тем одновременно преимущественные свойства, относящиеся к удержанию сигналов электромагнитных помех, генерируемых вентилятором во время работы, могут быть сохранены.
В одном из вариантов осуществления электропроводящее покрытие изготовляется путем нанесения проводящей краски, которая приклеивается к неметаллическому материалу. В одном из вариантов осуществления электропроводящее покрытие содержит проводящую фольгу, которая прикрепляется к неметаллическому материалу. В одном из вариантов осуществления электропроводящее покрытие содержит композитный материал, содержащий в себе пластик и электропроводящие металлические или углеродные волокна. В принципе, электропроводящие покрытие может содержать любые материалы, которые представляются подходящими специалисту в данной области.
В другом аспекте изобретения вариант осуществления любого из устройств вентиляции воздуха, как описано в настоящем документе, или их сочетания компонуется вместе со сканирующим блоком системы магнитно-резонансной визуализации в экранированном от радиочастотных излучений помещении, причем по меньшей мере один вентиляционный канал подсоединяется по меньшей мере к одному впускному патрубку системы вентиляции воздуха сканирующего блока.
В одном из вариантов осуществления волновод гальванически соединен с экранированным от радиочастотных излучений помещением. Таким образом, волновод имеет определенный и стабильный электрический потенциал и предотвращается смещение электрического потенциала корпуса вентилятора из-за емкостной связи относительно экранированного от радиочастотных излучений помещения. В одном из вариантов осуществления экранированное от радиочастотных излучений помещение заземляется.
В другом предпочтительном варианте осуществления корпус вентилятора содержит по меньшей мере один радиочастотный проходник для приема по меньшей мере одного электрического провода, который выполнен с возможностью подачи электричества к вентилятору. Варианты осуществления радиочастотных проходников являются обычными для специалиста в данной области. Например, радиочастотный проходник может содержать емкость, чья функция состоит в предоставлении короткого замыкания на электрическое заземление для высоких радиочастот. Таким образом можно предотвратить распространение сигналов электромагнитных помех, создаваемых вентилятором во время работы, через питающие провода.
В еще одном аспекте изобретения предлагается система магнитно-резонансной визуализации, которая содержит сканирующий блок, который выполнен с возможностью сбора магнитно-резонансных изображений исследуемого субъекта, причем система магнитно-резонансной визуализации дополнительно включает в себя вариант осуществления любого из устройств вентиляции воздуха, описываемого в настоящем документе, или их сочетания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны и прояснены со ссылкой на описанном ниже варианте осуществления. Однако такой вариант осуществления не обязательно представляет собой полный объем изобретения, и поэтому для интерпретации объема изобретения делается ссылка на формулу изобретения и настоящий документ.
На чертеже (Фиг. 1) схематически показано устройство вентиляции воздуха в соответствии с изобретением, скомпонованное вместе со сканирующим блоком системы магнитно-резонансной визуализации в экранированном от радиочастотных излучений помещении.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На Фиг. 1 представлена схематическая иллюстрация устройства вентиляции воздуха в соответствии с изобретением. Устройство вентиляции воздуха выполнено с возможностью использования в системе магнитно-резонансной визуализации и компонуется вместе со сканирующим блоком 10 системы магнитно-резонансной визуализации в экранированном от радиочастотных излучений помещении 16, которое снабжено электрическим соединением 18 на землю. Сканирующий блок 10 является одним из широко распространенных магнитно-резонансных сканеров туннельного типа. Пространство 12 для исследования предоставляется внутри туннеля магнита сканирующего блока для размещения исследуемого субъекта внутри для сбора магнитно-резонансных изображений. Сканирующий блок 10 содержит впускной патрубок 14 системы вентиляции воздуха для приема воздуха, выходящего из устройства вентиляции воздуха. Впускной патрубок 14 системы вентиляции воздуха соединен с коллектором (не показан), расположенным внутри сканирующего блока 10 для распределения полученного воздуха, в частности, в пространство 12 для исследования и в градиентные катушки сканирующего блока 10 (не показаны).
-1/2
Устройство вентиляции воздуха включает в себя вентилятор 30, приводимый в действие электродвигателем, который генерирует сигналы электромагнитных помех во время работы, которые формируют спектр излучения. Задается максимально допустимый связанный с амплитудой параметр, задаваемый спектральной плотностью распределения мощности (выраженной в Вт. Гц) спектра излучения, который гарантирует, что сигналы электромагнитных помех не будут мешать чувствительной к ЭМП электронике (не показана) сканирующего блока 10. Самая большая частота спектра излучения, при которой достигается или превышается заданная максимальная допустимая спектральная плотность распределения мощности, лежит около 1 МГц.
Кроме того, устройство вентиляции воздуха содержит корпус 34 вентилятора, имеющий отверстие 36 для впуска воздуха и отверстие 38 для выпуска воздуха. Вентилятор 30 расположен внутри корпуса 34 вентилятора между отверстием 36 для впуска воздуха и отверстием 38 для выпуска воздуха и выполнен с возможностью, в активном рабочем состоянии, забирать воздух через отверстие 36 для впуска воздуха и передавать воздух в направлении отверстия 38 для выпуска воздуха. Вентилятор 30 установлен в корпусе 34 вентилятора таким образом, что воздух не может обойти вентилятор 30 в направлении от отверстия 36 для впуска воздуха к отверстию 38 для выпуска воздуха внутри корпуса 34 вентилятора. Гибкий вентиляционный канал 40, например, образованный гофрированным шлангом, предоставляется в качестве соединения по текучей среде, которое, в готовом к работе состоянии, соединено с отверстием 38 для выпуска воздуха одним своим концом и соединено с впускным патрубком 14 системы вентиляции воздуха сканирующего блока 10 системы магнитно-резонансной визуализации своим противоположным концом.
Корпус 34 вентилятора выполнен в виде отрезка с открытым концом волновода 24 для передачи электромагнитных волн. Один конец волновода 24 с открытым концом служит в качестве отверстия 36 для впуска воздуха, а противоположный конец волновода 24 с открытым концом служит в качестве отверстия 38 для выпуска воздуха. В плоскости, которая перпендикулярна к направлению распространения 28 электромагнитных волн, волновод 24 имеет неизменное поперечное сечение круглой формы вдоль всей своей протяженности в направлении распространения 28. На Фиг. 1 направление распространения 28 лежит в плоскости чертежа.
Волновод 24 изготовлен в основном из неметаллических материалов, в частности из пластика, и, следовательно, имеет малый вес. Его полная внутренняя поверхность покрыта медной фольгой 26 толщиной 2 мм в качестве электропроводящего покрытия. Электропроводящее покрытие гальванически соединено с экранированным от радиочастотных излучений помещением 16 медной шпилькой 20, имеющей низкую индуктивность таким образом, чтобы надежно обеспечить потенциал земли для волновода 24 также для больших радиочастот.
1
2
1
2
1
2
3
4
1
2
3
4
Корпус 34 вентилятора оснащен двумя радиочастотными проходниками 22, 22 для приема каждым одного электрического провода 32, 32, которые выполнены с возможностью подачи электричества к вентилятору 30. Радиочастотные проходники 22, 22 в корпусе 34 вентилятора гальванически соединены с медной фольгой 26. Таким же образом, экранированное от радиочастотных излучений помещение 16 содержит два радиочастотных проходника 22, 22 для приема двух электрических проводов 32, 32. Проходники 22, 22 гальванически соединены с экранированным от радиочастотных излучений помещением 16.
Круглая форма неизменного поперечного сечения волновода 24 имеет диаметр d 200 мм. Отношение длины волновода 24 вдоль направления распространения 28 и диаметра волновода 24, перпендикулярного направлению распространения 28, проектируется так, чтобы оно лежало в интервале между 2 и 10, и в частности составляет около 2,8.
c
Для круглых волноводов частота отсечки f, которая является самой низкой частотой любой электромагнитной волны, которая может распространяться внутри волновода 24, имеет вид
c
что приводит к частоте отсечки f волновода 24 около 880 МГц.
c
Следовательно, частота отсечки f волновода 24 гораздо больше, чем самая большая частота (1 МГц) спектра излучения, что превышает заданный связанный с амплитудой параметр, задаваемый спектральной плотностью распределения мощности. Следовательно, сигналы электромагнитных помех, генерируемые вентилятором 30 во время работы, экспоненциально затухают в направлении распространения 28 волновода 24 и при выходе из волновода 24 не могут создавать какое-либо помехи для чувствительной к ЭМП электроники сканирующего блока 10.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и предшествующем описании, такие иллюстрации и описание должны рассматриваться как иллюстративные или приведенные в качестве примера, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается описанными вариантами осуществления. Изучив чертежи, раскрытие и приложенную формулу изобретения, специалисты в данной области смогут понять и осуществить при практической реализации заявленного изобретения другие вариации показанных вариантов осуществления. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает других элементов или этапов, и формы единственного числа не исключают множественного числа. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно отличных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер нельзя использовать с пользой. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ СИМВОЛОВ
10 сканирующий блок
12 пространство для исследования
14 впускной патрубок системы вентиляции воздуха
16 экранированное от радиочастотных излучений помещение
18 электрическое соединение на землю
20 медная шпилька
22 проходник
24 волновод
26 медная фольга
28 направление распространения
30 вентилятор
32 электрический провод
34 корпус вентилятора
36 отверстие для впуска воздуха
38 отверстие для выпуска воздуха
40 вентиляционный канал
d диаметр волновода
c
f частота отсечки