磁外科手術用的超導磁體及其線圈繞制方法
2023-05-21 10:48:36
專利名稱：磁外科手術用的超導磁體及其線圈繞制方法
技術領域：
本發明涉及一種磁體及其線圈繞制方法，特別涉及一種用於腦神經外科手術用的超導磁體及其磁體線圈繞制方法。
背景技術：
在常規的介入式手術中，手術導管是通過人體表皮插入到動脈或靜脈中的，導管的運動是通過在導管的後端施加力來實現的，因此導管必須由很硬的材料製成，以保證在推進的過程中導管不會發生折彎，但由於導管較硬，若所經路徑較為複雜，則導管往往不能到達目的地。因此在某些人體的重要部位(如心臟，大腦)，常規的介入式療法充滿了挑戰性和複雜性，常常需要花費熟練的醫生很長的時間。
所謂磁導航立體定位手術系統指的是在計算機控制的三維磁場的作用下，在立體定向系統、成像系統的引導下，使得預先植入人體內的鐵磁性物質按照規定的路徑運動，直接作用於患處或者引導各種手術器件(如介入式導管，放射性物質等)在人體內進行各類複雜的手術的方法。該系統使用不同於現有的腦神經外科介入式手術的方法，利用超導磁體產生的外磁場與手術器械中鐵磁性物質的相互作用力引導介入導管在患者體內完成複雜的手術操作，整個操作在CT成像系統和計算機的監視和控制下完成。
目前美國已有類似的裝置用於臨床試驗和研究中，為了能夠在一個球形的手術空間中產生合適的三維磁場來引導導管前端的鐵磁物質。美國專利6,014,580提出一種裝置建造由三對相互正交放置的螺線管線圈組成的磁體系統，即共由六個兩兩對稱分布的線圈組成，通過改變線圈中電流的大小來控制鐵磁物質的運動。由Earnshaw定理可知，為了使鐵磁物質在磁場中穩定的受控運動，需要引入反饋控制迴路，也就意味著線圈中的電流需要不斷的變化和振蕩。由於鐵磁物質在磁場中的受力與外磁場的梯度和鐵磁物質本身的磁偶極矩有關，從公式的推導結果來看，在由三對螺線管線圈產生的三維磁場空間中，磁場梯度與空間坐標點之間的對應關係很複雜，為了能夠對手術導管的運動作出精確的控制，需要準確的獲得手術進行的各個時刻的鐵磁物質的位置坐標，這對監控系統提出了很高的要求。
儘管螺線管線圈作為一種普遍應用的磁體線圈結構具有結構簡單，建造容易，使用方便等優點，但也有磁場梯度變化規律複雜，磁場梯度較小，電感相對其它形狀線圈較大，不適於應用在電流變化較大的場合。上述磁外科手術系統對磁體系統提出了新的要求，即磁場梯度相對較大，變化規律相對簡單，電感相對較小等，採用上述結構的磁體線圈未能滿足這些要求。
發明內容
為克服現有技術的缺點，滿足磁場梯度相對較大，變化規律相對簡單，電感相對較小的磁外科手術要求，本發明提出了一種採用新型線圈結構的超導磁體，它主要包括超導線圈、低溫杜瓦和屏蔽層。超導線圈由大中小三個相互嵌套在一起，並相互正交放置的空心球檯形線圈組成，三個線圈的軸線分別為直角坐標系的x，y，z軸線，三個線圈的軸線相交於一點。為了便於相互嵌套，小的空心球檯形線圈的外球半徑略小於中的空心球檯形線圈的內球半徑，中的空心球檯形線圈的外球半徑略小於大的空心球檯形線圈的內球半徑，每個空心球檯形線圈的半徑和厚度由它們各自需要產生的磁場梯度的大小來決定。大中小三個相互嵌套的空心球檯形線圈構成7/8球形磁體。整個磁體置於一個7/8球形低溫杜瓦中，低溫杜瓦外包裹屏蔽層。
每個空心球檯形線圈由兩個左右對稱的半扇形環組成，扇形環兩側面之緯度角為從10度到80度之間，即半扇形環所佔據的緯度角範圍小於70度，兩個半扇形環所佔據的緯度角範圍之和稱為延伸角，每個球檯形線圈的延伸角均小於140度。
本發明在球檯形骨架的球殼表面上連續繞制線圈，通過每一層中各匝線圈半徑沿球面的連續變化來改變磁場的空間分布，在球殼內腔的空間中沿軸向和徑向產生一均勻的梯度磁場。由於該手術裝置的工作區域為線性介質，磁場符合疊加定理，通過三個正交放置的空心球檯形線圈的均勻梯度磁場疊加，能夠在球殼內腔空間中產生任意大小和方向均勻分布的梯度磁場。
本發明磁體線圈在同一層線圈中各匝線圈直徑沿軸向的變化如同球面曲線的變化，而且又通過在圓臺上如上所述的特定區域繞制線圈，可以消除其他多極磁場分量，故可以產生一較高的均勻梯度磁場。因此可獲得較等直徑螺管線圈大的梯度磁場。
由於本發明球形線圈的體積相對產生同樣大小的梯度磁場的螺線管要小得多，因此本發明球形線圈的電感也較小，而且漏磁場也相對螺線管小。綜上可知，本發明球形線圈與同樣體積的螺線管線圈相比具有磁場梯度高，磁場大小隨空間坐標位置變化規律簡單，同時電感又相對較小等優點，此外，與普通螺線管線圈相比，球形線圈結構佔有較小的空間，而且其形狀非常適合於腦外科手術之用。因此這種結構能夠擴大手術範圍，便於手術的操作，提高了系統的性能。
為了使超導線圈工作在低溫的環境中，本發明的低溫杜瓦為一7/8球形杜瓦，該球形杜瓦的外半徑稍大於三個線圈中最大球檯形線圈的外半徑，內半徑略小於最小球檯形線圈的內半徑，以便將整個線圈包裹起來，為其提供冷卻環境。
本發明的磁體除了包括上述產生均勻梯度磁場的線圈結構外還包括磁體系統中的屏蔽層。屏蔽層位於球形杜瓦外的室溫區域中。該屏蔽層為7/8屏蔽球殼，採用軟鐵磁材料製成，其內半徑略大於球形杜瓦的外半徑，以便於將整個杜瓦包裹起來，以減少磁場對外界非工作區域的影響，同時對工作區域的磁場分布沒有影響。球殼厚度由所需屏蔽的磁場大小決定。這樣整個磁體結構從內到外依次為球形線圈、低溫杜瓦、屏蔽層。
本發明超導線圈繞制方法的工藝步驟為首先製作空心球檯形線圈骨架。骨架採用不鏽鋼空心球檯和不鏽鋼大半徑端板和小半徑端板焊接製成。在大半徑端板上需要預先打一些孔，以備過線、接頭之用。在繞線之前還需要根據線圈的工作電壓確定所需的絕緣等級，選擇適當的絕緣漆均勻塗於骨架上。然後按照從小半徑端板向大半徑端板的方向繞線，採用「雙餅線圈」的繞線方法，從一根導線的中間開始，先在小半徑端板用工夾具固定線的中部，用其半根導線貼著球殼面，圍繞球檯形線圈骨架的軸線從小半徑端板向大半徑端板一圈圈地繞制，待這半根線繞完後再從小半徑端板向大半徑端板繞另半根導線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。並根據線圈的電壓等級選擇合適的層間絕緣和匝間絕緣，一般對於超導線而言，因為線圈的運行電壓很低，而且超導線的本身也有足夠的絕緣水平，因此一般不需要考慮匝間絕緣和層間絕緣，線圈的層間是否需要填充材料則取決於線圈的運行電流和散熱的因素。在線圈繞制完成後再根據線圈運行時所受的電磁應力選擇適當的應力防護措施，一般採用環氧樹脂固化和外加不鏽鋼帶綁紮等方法。最後將繞好的線圈置於一半球形外殼中，完成一個空心球檯形線圈的繞制工作。另外兩個空心球檯形線圈的繞制方法同上，待三個線圈都繞制完成後，最後裝配完成整個球形磁體線圈。
圖1a為本發明磁體空心球檯形線圈具體實施方式
示意圖，圖1b為磁外科手術系統工作示意圖；圖中1、2、3為空心球檯形線圈，4磁外科手術系統的工作區域，9低溫杜瓦，10屏蔽層。
圖2為本發明磁體空心球檯形線圈具體實施方式
的正視圖。
圖3a為單個空心球檯形線圈俯視圖；圖3b為單個空心球檯形線圈剖面圖(沿附圖3a中A-A的剖面)；圖中5剖面圖中線圈的左半部分；6剖面圖中線圈的右半部分；7線圈的對稱軸；B線圈的右半部分的小半徑端面；A線圈的右半部分的大半徑端面。
圖4a為單個空心球檯形線圈骨架剖面圖(沿附圖3a中的A-A的剖面)；圖4b為線圈繞制方法示意圖；圖中8空心球檯形不鏽鋼骨架球殼；D小半徑端板；C大半徑端板。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
如圖1a和圖1b所示，本發明磁體球形線圈由大中小三個正交放置的半徑不同的空心球檯形線圈1、2、3組成。三個線圈的軸線分別為直角坐標系的x，y，z軸線，並相交於一點。為了便於相互嵌套，小的空心球檯形線圈2的外球半徑略小於中的空心球檯形線圈1的內球半徑，中的空心球檯形線圈1的外球半徑略小於大的空心球檯形線圈3的內球半徑。圖1b中的陰影部分4代表磁外科手術系統的工作區域，例如可以將患者的頭部置於此區域，來完成相應的腦神經外科手術。三個相互嵌套的空心球檯形線圈1、2、3構成7/8球形磁體，整個球形磁體置於一個低溫杜瓦9中，低溫杜瓦9外包裹屏蔽層10。
圖2是本發明磁體的俯視圖，包括三個空心球檯形線圈結構1、2、3。在每個空心球檯形線圈頂部均開有圓孔，它不僅可以為成像系統提供觀察窗口而且可以解除患者的幽蔽感，消除患者的恐懼情緒，有利於患者保持良好的心理狀態。從理論分析計算上來說，為了產生所需要的均勻梯度磁場，線圈中的電流密度應該沿球殼表面按照J＝I×sin(2×Ф)的規律分布，J代表電流密度，I代表電流的基值。Ф代表沿圓周方向的角度。連續改變磁體線圈中電流密度需要連續改變線圈的填充係數，這在工程上較難實現，因此，本實施例採用扇形環兩側面之緯度角為15度和75度(即整個球檯延伸角為120度)的空心球檯形線圈，線圈的電流密度在此角度範圍內保持為恆定值，這樣既便於線圈的建造，又可以產生所需的磁場空間分布。同時這種空心球檯形線圈結構便於患者的頭部或身體的其他部位進入磁體的工作區域，增大了手術的工作空間。
在本實施例中球檯形線圈沿軸線的剖面圖由兩個左右對稱的半扇形環組成，如圖3b所示，剖面圖中線圈以軸線7為對稱軸繞制而成，剖面圖的右半部分6的小半徑端面B與對稱軸7所夾銳角(緯度角)為15度，大半徑端面A與對稱軸7所夾銳角(緯度角)為75度，即所佔據的緯度角範圍為60度，兩個扇形環所佔據的緯度角之和即延伸角為120度。因為線圈以軸線7為對稱軸呈軸對稱分布，因此在該剖面圖中線圈的左半部分5與右半部分6完全對稱，左半部分5與軸線7的角度關係完全等同右半部分6同軸線7的相互關係。從計算中可知這種方案可以產生較大的磁場梯度和較少的其他多級分量，同時還可以提供較大的觀察窗口。
圖4a是本發明實施例的線圈骨架剖面圖，其中端板C、D的作用是在繞線的過程中提供支撐，防止「跑線」。從圖4b中可看到，由於D端的半徑小於C端，若繞線的方向為從C到D，則在繞制的過程中線會滑向D端，因此，本發明線圈的繞線方向從小半徑端--D端向大半徑端--C端。如果採用多層的線圈結構這種繞制方法將會有很多的接頭，為了減少線圈的接頭我們採用下述的雙餅線圈方法參考附圖4b，從一根導線的中間開始，先在D端用工夾具固定線的中部，用用其半根導線貼著球殼面，圍繞球檯形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端向大半徑端板C端一圈圈地繞制。為了防止線打滑可以在繞線前在骨架上或下面一層線表面塗上一層膠水，這樣可以有效地減少「跑線」「打滑」等現象。待這半根線繞完後，在大半徑端板的孔中固定線頭，然後再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。這樣，同一根導線的兩個部分均為從D向C繞制，避免了「跑線」現象的發生。而且一根線可以繞兩層，繞完後在線圈的表面再次塗一層膠，並做好層間絕緣。對於超導線圈，由於線圈的運行電壓較低，層間一般刷環氧樹脂，這樣既可以起到絕緣又可起到固化的作用；對於常規銅導線若運行電壓很高，可用黃蠟綢或其他絕緣薄膜來做層間絕緣；若運行電壓不高，直接使用絕緣固化漆塗於每一層線圈表面即可。接著再用另外一根導線繞兩層，方法同上。依此類推可以完成多層線圈的繞制工作。為了保證線圈表面的平整，在繞制的過程中也可以使用工夾具。綜上所述，通過使用本實施例中的方法，既可以有效解決「跑線」「打滑」等問題，又能夠將導線的結頭數量減少一半，這對於使用超導線繞制的磁體具有更加明顯的優勢和意義。
權利要求
1.一種磁外科手術用的超導磁體，主要包括超導線圈、低溫杜瓦[9]和屏蔽層[10]，其特徵在於超導線圈由大中小三個相互嵌套在一起，並相互正交放置的空心球檯形線圈[1]、[2]、[3]組成；三個線圈的軸線分別為直角坐標系的x，y，z軸線，三個線圈的軸線相交於一點；小的空心球檯形線圈[2]的外球半徑略小於中的空心球檯形線圈[1]的內球半徑，中的空心球檯形線圈[1]的外球半徑略小於大的空心球檯形線圈[3]的內球半徑；每個空心球檯形線圈頂部均開有圓孔；三個相互嵌套的空心球檯形線圈構成7/8球形磁體，整個球形磁體置於一個低溫杜瓦[9]中，低溫杜瓦[9]外包裹屏蔽層[10]。
2.按照權利要求1所述的磁外科手術用的超導磁體，其特徵在於所述的每個空心球檯形線圈沿軸線的截面均由兩個左右對稱的扇形環組成，其中每個扇形環所佔據的緯度角範圍從10度到80度之間，每個球檯形線圈的延伸角均小於140度。
3.按照權利要求1或2所述的磁外科手術用的超導磁體，其特徵在於所述的低溫杜瓦[9]為一7/8球形杜瓦，杜瓦的外半徑稍大於三個線圈中最大球檯形線圈[3]的外半徑，內半徑略小於最小球檯形線圈[2]的內半徑。
4.按照權利要求1至3的任何一項所述的磁外科手術用的超導磁體，其特徵在於所述的球形磁體的球形低溫杜瓦[9]外包裹有一用軟鐵磁材料製成的7/8球殼屏蔽層[10]，屏蔽層[10]的內半徑略大於球形杜瓦[9]的外半徑。
5.權利要求1所述的磁外科手術用的超導磁體線圈的繞制方法，其特徵在於從一根導線的中間開始，先在小半徑端板D端用工夾具固定線的中部，用其半根貼著球殼面，圍繞球檯形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端，向大半徑端板C端一圈圈地繞制；待這半根導線繞完後，在大半徑端板的孔中固定線頭，然後再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反；繞完後在線圈的表面再次塗一層膠水，並做好層間絕緣，接著再用另外一根導線繞兩層，方法同上；依此類推可以完成多層線圈的繞制工作。
全文摘要
神經外科手術用的超導磁體及其線圈的繞制方法。磁體線圈由大中小三個相互嵌套，並相互正交放置的空心球檯形線圈[1]、[2]、[3]組成，每個球檯形線圈所佔據的緯度角範圍為10度到80度之間；三個線圈的軸線為直角坐標系的x，y，z軸線且相交於一點；小的空心球檯形線圈[2]的外球半徑略小於中的空心球檯形線圈[1]的內球半徑，中的空心球檯形線圈[1]的外球半徑略小於大的空心球檯形線圈[3]的內球半徑。磁體線圈的繞制方法是從一根導線的中間開始，用其半根貼著球殼面，圍繞球檯形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端，向大半徑端板C端一圈圈地繞制；待這半根導線繞完後，再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。
文檔編號A61B17/00GK1741208SQ20041000948
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月27日 優先權日2004年8月27日
發明者白燁, 王秋良, 餘運佳, 楊明 申請人:中國科學院電工研究所