一種有源屏蔽梯度線圈及其設計方法

2023-10-05 19:55:34 1

一種有源屏蔽梯度線圈及其設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種有源屏蔽梯度線圈，包括橫向梯度線圈和縱向梯度線圈，其特徵在於，至少一層橫向梯度線圈的主線圈為金屬板切割式線圈，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈為導線繞線式線圈；兩層梯度線圈之間間隔內填充絕緣材料。本發明還公開了一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法。本發明一種有源屏蔽梯度線圈整體的性能非常接近主線圈與屏蔽線圈均採用銅板切割法製作的梯度線圈的性能，但是製作成本能夠明顯的下降，而且不存在屏蔽線圈自身的渦流問題。同時，採用該方案設計的梯度線圈與銅板切割式相比重量更輕。
【專利說明】一種有源屏蔽梯度線圈及其設計方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種核磁共振成像系統中的部件，具體涉及核磁共振成像系統中的有 源屏蔽梯度線圈部件。本發明還涉及設計有源屏蔽梯度線圈的方法。本發明屬於核磁共振 成像系統部件設計領域。

【背景技術】
[0002] 梯度線圈是核磁共振系統的關鍵部件之一，其主要作用是為核磁共振成像系統在 三個正交方向提供交變的梯度磁場，從而實現被成像物體的空間定位。梯度線圈的基本部 件包括X/Y/Z三個正交方向的梯度線圈，分別在三個方向生成梯度磁場。對於超導核磁共 振系統上使用的梯度線圈，每個方向的梯度線圈由主線圈與屏蔽線圈兩部分構成，二者共 同在成像區域形成梯度場，並使屏蔽線圈外部的磁場最小。在工作時，三個方向的梯度線圈 分別與梯度放大器相連接，其內部的交變電流可達數百安培。
[0003] 目前梯度線圈有金屬板切割式線圈和導線繞線式線圈兩種。金屬板切割式線圈的 製作工藝採用銅板切割式。導線繞線式線圈的製作工藝採用繞線式。
[0004] 這兩種工藝各有優缺點。銅板切割式製作工藝的優點是銅板的厚度薄，同時線圈 的平均橫截面積大，因此電阻較小，切換率高。但是採用銅板切割具有較大的渦流效應。特 別是屏蔽線圈由於銅板面積寬，因此渦流效應更明顯。另外銅板切割式的價格比繞線式要 貴許多。這部分多出來的費用包括材料費以及加工製作費。繞線方法工藝簡單，線圈自身產 生的渦流效應可以忽略，而且造價比較便宜。一般來說，對於同一臺梯度線圈採用繞線法與 銅板切割法製作的成本相差兩萬以上，這是一個很大的數字。如何設計一種工藝，實現梯度 線圈整體的性能非常接近主線圈與屏蔽線圈均採用銅板切割法製作的梯度線圈的性能，但 是製作成本能夠明顯的下降，而且不存在屏蔽線圈自身的渦流問題，且使得整體重量更輕， 就成為亟需解決的技術問題。


【發明內容】

[0005] 為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種有源屏蔽梯度線圈及其設計 方法，以解決現有技術中主線圈與屏蔽線圈均採用銅板切割法製作的梯度線圈時，製作成 本1?，潤流效應大的技術問題。
[0006] 為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案：
[0007] -種有源屏蔽梯度線圈，包括橫向梯度線圈，每個橫向梯度線圈包括主線圈與屏 蔽線圈，其特徵在於，至少一層橫向梯度線圈的主線圈為金屬板切割式線圈，至少一層橫向 梯度線圈的屏蔽線圈為導線繞線式線圈；相鄰兩層梯度線圈之間間隔內填充絕緣材料。
[0008] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，還包含縱向梯度線圈，其特徵在於，縱向梯度線圈 的主線圈與屏蔽線圈均採用導線繞線式線圈。
[0009] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，所述絕緣材料為GFRP，梯度線圈採用 的金屬材料為純銅。
[0010] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，導線繞線式線圈均採用多根導線並 聯的繞線方式。
[0011] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，所述橫向梯度線圈的每層導線繞線 式屏蔽線圈中並聯導線數目為2-4根。
[0012] 前述一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，包括如下步驟：
[0013] 步驟一：確定每層梯度線圈的製作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈採用金 屬板切割的工藝製作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈採用導線繞線的工藝製作；
[0014] 步驟二：確定每層梯度線圈在空間的相對位置分布；
[0015] 步驟三：確定製作每層梯度線圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線圈之間間隔 距離；
[0016] 步驟四：確定每層梯度線圈骨架的位置以及每層骨架上的線圈縱向長度；
[0017] 步驟五：針對每個方向的梯度線圈，設計梯度線圈形狀。
[0018] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，所述步驟五中，針對每個 方向的梯度線圈，依據梯度場強度、線性度、成像區域範圍，設計梯度線圈形狀。
[0019] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，所述步驟五中，採用流函 數法設計梯度線圈的形狀。
[0020] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，定義流函數為f·，f的最 大值為f max，f的最小值為fmin，則繞線式線圈中導線的中心線為由f = n+o. 5描述的所有曲 線，η為[fmin_0. 5, fmax_0. 5]內的任意整數。
[0021] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，定義流函數為f，f的最 大值為f max，f的最小值為fmin，則金屬板上刻刀走線的路徑為由f = η描述的所有曲線，η 為[fmin-0. 5，fmax+0. 5]內的任意整數。
[0022] 本發明的有益之處在於：本發明一種有源屏蔽梯度線圈整體的性能非常接近主線 圈與屏蔽線圈均採用銅板切割法製作的梯度線圈的性能，但是製作成本能夠明顯的下降， 而且不存在屏蔽線圈自身的渦流問題。同時，採用該方案設計的梯度線圈與銅板切割式相 比重量更輕。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明圓柱型橫向有源屏蔽梯度線圈的徑向分布圖；
[0024] 圖2是本發明採用銅板切割工藝製作的橫向梯度線圈主線圈平面展開結構；
[0025] 圖3是本發明採用繞線工藝製作的橫向梯度線圈主線圈平面展開結構；
[0026] 圖4是本發明採用三線並聯繞線工藝製作的橫向梯度線圈屏蔽線圈平面展開結 構；
[0027] 圖5是本發明一種有源屏蔽梯度線圈的製作方法流程圖。

【具體實施方式】
[0028] 以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0029] 參照圖1所示，本發明的重點內容是關於有源屏蔽梯度線圈中的橫向梯度線圈設 計。本實施例針對圓柱形有源屏蔽梯度線圈進行說明。在本發明中，公布了一種結合繞線 法與金屬板切割法製作梯度線圈的設計方案。可以預見，本發明同樣適用於平板式梯度線 圈等結構。圖1是圓柱形有源屏蔽梯度線圈中的兩個相互正交的橫向梯度線圈在空間的分 布。圖中內層為主線圈，外層為屏蔽線圈，每層梯度線圈包含4片對稱的結構；為了方便，兩 個橫向梯度線圈分別用GX與GY表示。
[0030] 傳統的梯度線圈製作工藝包括繞線法與銅板切割法兩種。對於圓柱形有源屏蔽梯 度線圈，銅板切割工藝製作的橫向梯度線圈的平面展開結構圖如圖2所示，圖中只畫出了 1/4部分，其他部分可由對稱性得到。繞線法製作的梯度線圈平面展開結構圖如圖3所示。 從圖中可以看出，採用銅板切割法能充分利用該層的面積，從而有效的降低梯度線圈的電 阻。採用銅板切割法的梯度線圈厚度較薄，有利於提升梯度線圈的整體性能。但是採用銅 板切割法需要的金屬材料要遠多於繞線法。銅板切割法目前常用的工藝有雷射切割、水切 割等。無論採用哪種切割方式，銅板切割的加工成本都遠高於繞線的成本。對於全身人體 成像有源屏蔽梯度線圈來說，每層橫向梯度線圈採用兩種製作工藝的製作與材料成本差異 約5000元-8000元人民幣左右。如果所有橫向梯度線圈的主線圈與屏蔽線圈全部採用銅 板切割的製作方法，則每臺成本差在20000人民幣以上。繞線法除了製作成本低之外，工藝 也相對簡單，重量輕，而且自身的渦流效應不明顯。因此，兩種方法各有優勢。
[0031] 本發明中，我們結合兩種梯度線圈的製作工藝設計梯度線圈。至少一個橫向梯度 線圈主線圈採用銅板切割的方法製作，至少一個橫向梯度線圈屏蔽線圈採用繞線法製作。 這樣一般只有一層或兩層梯度線圈採用銅板切割的製作方法，能夠顯著的節省製作成本， 同時渦流效應小、減輕了梯度線圈重量。本發明中的梯度線圈設計方案如下，附圖參考圖 5 ：
[0032] 步驟一：確定每層梯度線圈的製作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈採用金 屬板切割的工藝製作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈採用導線繞線的工藝製作；
[0033] 步驟二：確定每層梯度線圈在空間的相對位置分布；
[0034] 步驟三：確定製作每層梯度線圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線圈之間間隔 距離；
[0035] 步驟四：確定每層梯度線圈骨架的位置以及每層骨架上的線圈縱向長度；
[0036] 步驟五：針對每個方向的梯度線圈，設計梯度線圈形狀。
[0037] 在本實施例中，屏蔽線圈均採用繞線式工藝製作，每層屏蔽線圈採用多根導線並 聯的繞線方式，每層並聯導線數目優選為2-4根。這樣做的好處是，與採用一根粗的導線相 t匕，渦流效應小，而且電感小。而如果屏蔽層採用一根比較細的導線，則會增加梯度線圈的 電阻，並影響屏蔽層的散熱。
[0038] 為了保證縱向梯度線圈的性能，本實施例中對縱向梯度線圈的主線圈與屏蔽線圈 均採用繞線法製作，並且同樣採用多根導線並聯的繞線方式。因此，本實施例中，為了減小 梯度線圈的電感，橫向梯度線圈屏蔽線圈與縱向梯度線圈採用多根導線並聯的繞線方式。 對於屏蔽線圈來說，每層並聯導線數目優選為2-4根。
[0039] 本發明中的橫向梯度線圈與縱向梯度線圈均優選採用流函數方法設計。流函數的 定義為：滿足連續方程的一個描述流速場的標量函數。在這裡為描述電流密J在骨架上的 分布的一個標量函數。本實施例中的流函數法設計思路如下。
[0040] 首先給定梯度線圈的主線圈與屏蔽線圈的骨架形狀及位置，這樣能夠定義梯 度線圈所在的兩個面。假定主線圈與屏蔽線圈所在骨架上的流函數基函數分別為： {fRi|l彡i <NP}，{fs，」l彡i彡Ns}，這裡NP，N S為基函數的展開項數，為預先給定的正整 數；則兩個面上的流函數fp與fs展開式分別為：

【權利要求】
1. 一種有源屏蔽梯度線圈，包括橫向梯度線圈，每個橫向梯度線圈包括主線圈與屏蔽 線圈，其特徵在於，至少一層橫向梯度線圈的主線圈為金屬板切割式線圈，至少一層橫向梯 度線圈的屏蔽線圈為導線繞線式線圈；相鄰兩層梯度線圈之間間隔內填充絕緣材料。
2. 根據權利要求1所述的一種有源屏蔽梯度線圈，還包含縱向梯度線圈，其特徵在於， 縱向梯度線圈的主線圈與屏蔽線圈均採用導線繞線式線圈。
3. 根據權利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，所述絕緣材料為 GFRP，梯度線圈採用的金屬材料為純銅。
4. 根據權利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，導線繞線式線圈均 採用多根導線並聯的繞線方式。
5. 根據權利要求4所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特徵在於，所述橫向梯度線圈的 每層導線繞線式屏蔽線圈中並聯導線數目為2-4根。
6. 權利要求1所述一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，包括如下步驟： 步驟一：確定每層梯度線圈的製作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈採用金屬板 切割的工藝製作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈採用導線繞線的工藝製作； 步驟二：確定每層梯度線圈在空間的相對位置分布； 步驟三：確定製作每層梯度線圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線圈之間間隔距 離； 步驟四：確定每層梯度線圈骨架的位置以及每層骨架上的線圈縱向長度； 步驟五：針對每個方向的梯度線圈，設計梯度線圈形狀。
7. 根據權利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，所述步驟 五中，針對每個方向的梯度線圈，依據梯度場強度、線性度、成像區域範圍，設計梯度線圈形 狀。
8. 根據權利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，所述步驟 五中，採用流函數法設計梯度線圈的形狀。
9. 根據權利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，定義流函 數為f，f的最大值為fmax，f的最小值為f min，則繞線式線圈中導線的中心線為由f = n+0. 5 描述的所有曲線，η為[fmin-0. 5, fmax-0. 5]內的任意整數。
10. 根據權利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設計方法，其特徵在於，定義流函 數為f，f的最大值為fmax，f的最小值為f min，則金屬板上刻刀走線的路徑為由f = η描述的 所有曲線，η為[fmin-0. 5, fmax+0. 5]內的任意整數。
【文檔編號】G01R33/385GK104062613SQ201410264633
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年6月13日
【發明者】平學偉 申請人:河海大學