平面有源屏蔽梯度線圈的製作方法
2023-10-05 19:48:09 2
專利名稱：平面有源屏蔽梯度線圈的製作方法
技術領域：
本發明涉及磁共振成像(MRI)系統中使用的平面有源屏蔽梯度線圈。
背景技術：
磁共振成像(MRI)是廣泛應用的影像診斷方法。磁共振成像(MRI) 系統包含磁體子系統、梯度子系統和射頻子系統等。其中磁體系統產生強 而均勻的靜磁場，為了對圖像進行空間編碼需要在靜磁場上增加梯度磁 場，梯度磁場由一系列梯度線圈組成，梯度線圈通常有X、 Y、 Z三個方向 的梯度線圈。
梯度線圈的性能包括最高梯度強度、切換速率和線圏均勻區等。為 了適應成像需求需要快速變化的磁場，隨時間變化的磁場在其周圍的導電 材料中會產生渦流，渦流最明顯的作用是阻礙梯度磁場的快速變化，還會引起主磁場的不均勻，使圖像質量下降，給快速序列的應用帶來困難。
上世紀90年代之前，受到梯度線圈性能的制約，梯度系統很難實現高
梯度強度和高切換率，給MRI的應用帶來很多限制。目前，許多重要成像 功能和新脈衝序列的應用對梯度線圈的性能提出了更高的要求。如心臟和 神經成像、擴散加權成像、血管造影等。
對渦流問題起初提出的解決辦法是調整加載在梯度放大器上的梯度波 形對渦流效應造成的影響進行補償，但這樣會使梯度驅動器的成本增加， 而且電流變化引起的渦流並沒有因為梯度補償的作用而完全消失，在梯度 採樣的時候會給圖像帶來隨時間變化的偽影。這種情況妨礙了短回波時間 的高速成像脈衝序列的應用，運行那些脈衝要精確配合的序列更是完全不 可能的。
為了解決渦流問題，產生高場強、切換速度快的梯度磁場，設計了平 面有源屏蔽梯度線圈。
梯度線圈設計方案主要分為分立式繞線結構和分布式繞線結構線圈。 1951年，Garrent通過比較分布式繞線結構線圈和傳統的分立式結構線圈
得出前者更為優越的結論。分布式繞線結構線圈的效率高、電感小，具有 較高的梯度磁場切換速率。
獲得分布式繞線方式的方法有矩陣反演方法、流函數方法和目標場 方法等。反演方法是一種逆向方法，優點是能夠適用於各種線圈框架結構。 流函數方法是通過定義流函數，反映線圈的電流分布的整體情況。目標場 方法能顯著提高線圈的最大梯度強度，1988年Turner在目標場方法中引 入了電感最小化的約束條件，顯著減小了線圈電感，提高了切換速率。 Blaine綜合了電感最小化約束條件、電流密度約束條件和閉合約束條件從 而給出了一套相對比較完整的目標場方法。
目前，屏蔽梯度線圈只是用於高場圓桶型的磁共振成像(MRI)系統 中，而在開放型設備中由於可用空間少，還沒有應用該技術。
發明內容
本發明的目的是設計並製造醫療診斷磁共振成像系統專用的梯度線 圈系統，使該系統具有以下特點產生梯度磁場強、梯度磁場線性度均勻、磁場切換速度快、有效抑制渦流等。
為達到上述目的，本發明的技術解決方案是提供一種平面有源屏蔽 梯度線圈的製作方法，製作用於低場開放型磁共振成像系統的梯度線圈， 其具體步驟為
a) 根據已知的場分布，按照目標場的方法，求出主動線圈的電流分 布函數；
b) 在主動線圈外側各加一個屏蔽線圈，當兩屏蔽線圈滿足以下公
式formula see original document page 9時，
formula see original document page 9
屏蔽線圈外的磁場消失，從而達到屏蔽性好、減小渦流的目的；根據上述 兩公式中主動線圈和屏蔽線圈中電流的關係式，可得出屏蔽線圈中的電流 分布函數；
上兩式中，6為主動線圈與屍0平面之間的距離，"為屏蔽線圈與y-O 平面之間的距離，F"(K)和F"(K)分別是兩個主動線圏上電流分布函 數的傅立葉變換，F/")(、,;t.)和CK.)分別是兩個屏蔽線圏上電流分布
函數的傅立葉變換，sinh和csch分別是正割和餘割函數。
c) 將電感最小的約束條件代入設計中，進行電感優化的平面線圈設
計，得到在電感最小的條件下的主動線圈和屏蔽線圈中的電流分布函數；
d) 按照c)步驟所求主動線圈和屏蔽線圈中的電流分布函數繞制線
圈，計算線圈產生的磁場分布，根據該磁場與目標磁場的差別調整線圈； 如此反覆，直到得到滿足要求的平面有源屏蔽梯度線圈；
e) 按照設計圖用雷射切割的方法得到梯度線圈，並對梯度線圈進行
f) 調配環氧樹脂膠，對切割後的線圈進行粘接；
g) 用液壓機壓制線圈；
h) 裁製環氧板，加工製作成絕緣層；
j)壓制下梯度盤，在20個大氣壓下壓制，45。C高溫凝固，36小時 固化，要求環境通風，且溼度小於30%。將環氧樹脂構成的絕緣層，置於 任意兩層梯度線圈之間以水平設置的絕緣中間層為梯度盤支架，在中間 支架上表面以任意排列順序將X、 Y、 Z主動線圈和絕緣層間隔壓入，在中
間支架下表面，以任意排列順序將x、 y、 z屏蔽線圈和絕緣層間隔壓入； k)壓制上梯度盤，上梯度盤的壓制與下梯度盤相同，是對稱的；
i:'梯度盤中各線圈的連接是，z主動線圈和z屏蔽線圈相連接，y
主動線圈和y屏蔽線圈相連接，x主動線圈和x屏蔽線圈相連接。
所述的製作方法，其在中間支架內設置冷卻系統，冷卻系統位於x 主動線圈和x屏蔽線圈之間，具有對梯度線圈產生的熱量進行冷卻的作用。
所述的製作方法，其所述j)、 k)步驟中，是在中間支架上表面，將 x主動線圈壓入，後壓入絕緣層，在絕緣層的上面壓入y主動線圈，再依 次壓入絕緣層和z主動線圈，在中間支架下表面，如前述方法順序壓入x 屏蔽線圈、絕緣層、y屏蔽線圈、絕緣層和z屏蔽線圈。
所述的製作方法，其所述x、 y、 z主動線圈，厚度為3 5ram;絕緣 層，厚度為l 3mm;中間支架，厚度為17 19mm。
所述的製作方法，其所製成品裝配時，主動線圈在梯度盤靠近成像 區域的一側，屏蔽線圈在梯度盤遠離成像區域的一側。本發明設計了一種平面有源屏蔽梯度線圈，並將其應用於低場開放型磁共振成像(MRI)系統。
本發明主要採用了傅立葉反演方法結合目標場算法，進行設計和仿真 計算平面有源屏蔽梯度線圈。目標場方法是一種已有的方法，但已有的方 法中只對成像區域進行計算，沒有考慮梯度磁場對成像區域外的影響，本 設計所用的目標場方法在考慮成像區域的同時，還使成像區域外的磁場為 零。設計的線圈具有梯度磁場強、梯度磁場線性度均勻、磁場切換速度快、 有效抑制渦流等特點。
與傳統的技術相比，本發明所得平面有源屏蔽梯度線圏具有如下的技術先進性
1) 梯度場強高，在磁共振成像(MRI)系統工作狀態下(160A供 電)X、 Y、 Z三個方向的梯度強度均可達到20mT/m以上。
2) 梯度線性度好，線性均勻區域可達400mm直徑球，X、 Y、 Z三 個方向梯度強度的相對標準差分別小於1. 5%、 1. 6%和0. 8%。
3) 線圈電感小，梯度磁場切換速度快，可達50mT/m/s。 4) 線圈電阻小，損耗低，發熱少。
5) 線圈有源屏蔽效果好，可有效抑制渦流，提高磁共振成像(MRI) 圖像質量。
6) 線圈設計結構合理，試製過程中初步形成了對該線圈的生產工 藝工序，便於加工和批量生產。
圖1是包含平面有源屏蔽梯度線圈的磁共振成像(MRI)設備示意
圖2是設計的X、 Y方向的主動線圈的正視圖； 圖3是設計的X、 Y方向的屏蔽線圈的正視圖； 圖4是設計的Z方向的主動線圈的正視圖； 圖5是設計的Z方向的屏蔽線圈的正視圖； 圖6、圖7是下梯度盤的構成圖； 圖8是上梯度盤的構成圖9是圖6所示梯度盤中對應梯度線圈的連接示意圖。
具體實施例方式
本發明梯度線圈的設計流程為首先根據設計指標確定初步草案，利 用梯度磁場反演計算軟體進行模擬計算得到原始設計方案，然後使用大型 商用電磁場仿真計算軟體對原始方案進行正演驗證計算，經過反演計算和 正演驗證反覆修正設計方案，形成梯度線圈前期設計方案，依據該方案完 成梯度線圈樣品試製，並對相關技術指標進行測試，根據測試結果對設計 方案進行進一步的改進完善，得到最終設計方案，從而完成高性能平面有 源屏蔽梯度線圈的研製。具體方法如下
1. 計算平面電流產生的靜磁場分布
對於磁場的標矢，考慮直角坐標系中拉普拉斯方程的解V、-0，又 由於S:-V甲，將平面電流Fx(X，Z)、 F.,(X，Z)作為邊界條件代入即可求得靜
磁場的分布。
2. 目標場方法
目標場方法即為己知磁場分布求產生該磁場的電流分布的方法。具體 方法如下
對雙平面梯度線圈，假設一個平面位於y=b，其上的電流分布為 F(1)(x,z)，另一個平面位於y^b，其上的電流分布為F(2)(x,z)根據l所求平
面電流產生的靜磁場分布表達式可得兩平面間的磁場的z分量如公式(l)
選擇兩個平面y-C和y--C (C<b)，由上式可得兩個平面上磁場的Z分量 B,Oc,c,z;)和Bjx,-c,z)，由B,(x,c,z)和Bjx，-c,z)最終可以得出產生該磁場的
電流分布表達式
formula see original document page 15
式中F」')(k,， !O和F屍(k,， U分別是電流FW(x,z)和F")(x，z)的傅立葉變換。 3.平面屏蔽線圈
設計四個平行平面，使最外層兩個平面之外的區域磁場的z分量可以
忽略不計。
在2的基礎上再加兩個平面， 一個平面位於y=d，其上的電流分布為 另一個平面位於y=-d，其上的電流分布為P， Ff(k,，、)和Cj分別 是F:'和Ff的傅立葉變換，當Ff(、,ig和F"(kx,lO滿足以下條件時y〉d和
y〈-d的區域空間磁場的z分量就會消失。
formula see original document page 16
如果已知區域-b〈y〈b內場分布的公式，運用目標場的方法可以得到 y二b和屍-b平面上電流分布的表達式，將其代入公式(4)、 (5)上式又可
得出y=d和y=-d平面上電流分布的表達式。 4.電感優化的平面線圈設計
在3的基礎上，用電感最小的約束條件，對3所得的雙平面梯度線圈 進行優化。
由雙平面結構線圈的電感表達式可以得到formula see original document page 17
(6)
為尋求電感最小化並能夠產生目標場的電流分布，構造以下函數:
formula see original document page 17 (7)
上式對Fx(') (kx，kz)和(kx，kz)求偏微分，並令結果為零最終可得到
F!')dig和Ff dig的表達式。
5.根據上述方法，經過反覆的反演計算和正演驗證，得到梯度線圈結構
分布的正視圖，如圖2、 3為X (或Y)方向主動線圈和屏蔽線圈的正
視圖，圖4、 5為Z方向主動線圈和屏蔽線圈的正視圖。
實施例
1、 根據已知的場分布，按照目標場的方法，求出主動線圈的電流分
布函數。
2、 在主動線圈外加兩個屏蔽線圈，當滿足 formula see original document page 17 (8)
Fx (kx,kz) = -csch(2kvd)
: (9) x{Fx(1)(kx,kz)sinh[ky(b-d)] + Fx(2)(kx,kz)sinh[ky(d + b)]}
時，屏蔽線圈外的磁場消失，從而達到屏蔽性好、減小渦流的目的。根據 公式(8)、 (9)中主動線圈和屏蔽線圈中電流的關係式，可得出屏蔽線圈 中的電流分布函數。
3、 將電感最小的約束條件代入設計中，進行電感優化的平面線圈設 計，得到在電感最小的條件下的主動線圈和屏蔽線圈中的電流分布函數。
4、 按照所求主動線圈和屏蔽線圈中的電流分布函數繞制線圈，計算 線圈產生的磁場分布，根據該磁場與目標磁場的差別調整線圈。如此反覆， 直到得到滿足要求的平面有源屏蔽梯度線圈。
5、 按照設計圖用雷射切割的方法得到梯度線圈，並對梯度線圈進行 打磨。
6、 調配環氧樹脂膠，對切割後的線圈進行粘接。
7、 用液壓機壓制線圈。
8、 裁製0.5iran環氧板，加工製作成絕緣層。
9、 按圖6、圖7壓制下梯度盤。圖中，27是用環氧樹脂構成的絕緣層，位於任意兩層梯度線圈之間。圖6為下梯度盤的一個示例，中間層為 梯度盤中間支架28，同時起冷卻層的作用，在中間支架28上面先將厚為 4mm的X主動線圈23壓入，後壓入2mm厚的絕緣層27，絕緣層27的上面 壓入4mm厚的Y主動線圈22，再往上依次為2mra厚的絕緣層和4咖厚的Z 主動線圈21，在中間支架下面，按圖6的順序壓入X屏蔽線圈24、 Y屏蔽 線圈25、 Z屏蔽線圈26和兩個絕緣層27，梯度盤中間支架28厚為18mm， 其間可以放入冷卻系統進行梯度系統的冷卻。只要保證主動線圈在梯度盤 靠近成像區域的一側且屏蔽線圈在梯度盤遠離成像區域的一側，線圈的排 列順序可以是任意的。如圖7所示為下梯度盤線圈的另一種排列方式。圖 9為圖6所示下梯度盤中各線圈的連接示意圖，Z主動線圈21和Z屏蔽線 圈26通過29相連接，Y主動線圈22和Y屏蔽線圈25通過30相連接，X 主動線圈23和X屏蔽線圈24通過31相連，冷卻層位於X主動線圈23和 X屏蔽線圈24之間，具有對梯度線圈產生的熱量進行冷卻的作用。
10、按圖8壓制上梯度盤。上梯度盤的壓制應跟下梯度盤是對稱的， 如圖8所示的上梯度盤對應於圖6所示的下梯度盤。按圖8的順序將線圈
和絕緣層壓入上梯度盤內。上梯度盤製作時，只要保證主動線圈在梯度盤 靠近成像區域的一側且屏蔽線圈在梯度盤遠離成像區域的一側，各線圈的 排列也可以是任意的。
11、如圖1所示為包含平面有源屏蔽梯度線圈的MRI設備垂直剖面
圖。圖1為一磁共振成像(MRI)成像設備，成像區域13位於兩個相對的
磁極1、 2之間，3為C型磁體。主磁場方向為垂直於兩個磁極軸線的方向，
與Z軸方向相同。本發明的平面有源屏蔽梯度線圈由X、 Y、 Z三組梯度線
圈組成，圖中只顯示了一個方向的梯度線圈，每個方向的梯度線圈包括兩
個相對的梯度線圈組14、 15，這兩個線圈組分別位於成像區域13和兩個
磁極l、 2之間，每個線圈組又分別由主動線圈4和屏蔽線圈5組成，屏
蔽線圈5位於同側的主動線圈4和相應的磁極之間，每個線圈組的主動線
圈4和屏蔽線圈5之間通過機械方式連接。X、 Y、 Z三組線圏的排列應能
產生均勻的梯度磁場，並且使主磁場和梯度電流的作用力為零。
由梯度磁場控制器8控制的電流供應組件7對梯度線圈提供電流。 射頻線圈9、 10分別位於成像區域13和同側的梯度線圏之間，兩個
射頻線圈接到功分器6上，在發射射頻脈衝時，功分器6將信號分開輸入 射頻線圈9、 10中，接收信號時，射頻線圈9、 IO將接收到的信號傳到功 分器6中。
12、根據上述方法壓制梯度盤後，對其性能進行測試，測試結果如
下
對線圈進行測試，加以160A電流，X、 Y、 Z三個方向的梯度強度分別 為22mT/m、 21mT/m、 21mT/m，三個方向的電阻最大為0. 58Q，電感最大為 10.3H,梯度磁場切換速度為52mT/m/s，各項指標均滿足設計要求。
權利要求
1、一種平面有源屏蔽梯度線圈的製作方法，製作用於低場開放型磁共振成像系統的梯度線圈，其特徵在於，具體步驟為a)根據已知的場分布，按照目標場的方法，求出主動線圈的電流分布函數；b)在主動線圈外側各加一個屏蔽線圈，當兩屏蔽線圈滿足以下公式
2、 如權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，在中間支架內設 置冷卻系統，冷卻系統位於X主動線圈和X屏蔽線圈之間，具有對梯度線 圈產生的熱量進行冷卻的作用。
3、 如權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述j)、 k)步驟 中，是在中間支架上表面，將X主動線圈壓入，後壓入絕緣層，在絕緣層 的上面壓入Y主動線圈，再依次壓入絕緣層和Z主動線圈，在中間支架下 表面，如前述方法順序壓入X屏蔽線圈、絕緣層、Y屏蔽線圈、絕緣層和 Z屏蔽線圈。
4、 如權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述X、 Y、 Z主 動線圈，厚度為3 5咖；絕緣層，厚度為1 3mrn;中間支架，厚度為17 19mm。
5、 如權利要求1所述的製作方法，其特徵在於，所述j)步驟壓制 下梯度盤，是在20個大氣壓下壓制，45。C高溫凝固，36小時固化，要求 環境通風，且溼度小於30%。6、如權利要求l、 2或4所述的製作方法，其特徵在於，所製成品 裝配時，主動線圈在梯度盤靠近成像區域的一側，屏蔽線圈在梯度盤遠離 成像區域的一側。
全文摘要
本發明一種平面有源屏蔽梯度線圈的製作方法，涉及磁共振成像系統中使用的平面有源屏蔽梯度線圈技術，首先根據設計指標確定初步草案，利用梯度磁場反演計算軟體進行模擬計算得到原始設計方案，然後使用大型商用電磁場仿真計算軟體對原始方案進行正演驗證計算，經過反演計算和正演驗證反覆修正設計方案，形成梯度線圈前期設計方案，依據該方案完成梯度線圈樣品試製，並對相關技術指標進行測試，根據測試結果對設計方案進行進一步的改進完善，得到高性能平面有源屏蔽梯度線圈。本發明方法製作的梯度線圈，產生梯度磁場強、梯度磁場線性度均勻、磁場切換速度快、有效抑制渦流。
文檔編號G01R33/38GK101191829SQ200610144180
公開日2008年6月4日 申請日期2006年11月29日 優先權日2006年11月29日
發明者周德開, 培 李, 王為民, 黃開文 申請人:北京萬東醫療裝備股份有限公司;北京大學