專利名稱:聲屏蔽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種線圈的聲和磁屏蔽的裝置和方法,其中,與周圍靜磁場(chǎng)相互作用的迅變電流經(jīng)過線圈以產(chǎn)生強(qiáng)洛倫茲力。下面稱為有源聲屏蔽或聲屏蔽的本發(fā)明特別適合在磁共振成像(MRI)以及公知的核磁共振(NMR)成像中使用。更確切地說,本發(fā)明尤其涉及一種對(duì)任何線圈結(jié)構(gòu)的有源聲屏蔽裝置和方法,其中,線圈結(jié)構(gòu)位于靜磁場(chǎng)中并由于可變電流驅(qū)動(dòng)流過線圈而使線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不希望的噪聲。此外,還提供一種具體實(shí)施例,其能夠?qū)o磁場(chǎng)中的線圈結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行有源聲屏蔽和有源磁屏蔽。
本發(fā)明具體應(yīng)用于MRI或NMR設(shè)備中,其中,在靜磁場(chǎng)存在的情況下對(duì)梯度線圈施加脈沖。雖然,在任何場(chǎng)強(qiáng)下都會(huì)產(chǎn)生噪聲,但本發(fā)明特別涉及的是場(chǎng)強(qiáng)為0.1T(特斯拉)或更高時(shí)的MRI中的情況。為一致起見,NMR設(shè)備下面也稱為MRI設(shè)備。
磁場(chǎng)梯度線圈是MRI必須具有的(如Mansfield p.和Morris P.G.在Biomedicine Academic Press(1982)N.Y.中的NMR成像技術(shù)中討論的那樣)而且還在包括擴(kuò)散研究及流動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)成像方面,靜磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng),伴隨快速梯度轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的聲音噪聲越嚴(yán)重,最好的情況是對(duì)病人產(chǎn)生刺激,最壞的情況會(huì)對(duì)病人造成損傷。采用耳朵保護(hù)裝置會(huì)給與成人和兒童以某種程度的保護(hù)。但是,在胎兒研究、使用動(dòng)物進(jìn)行研究以及在一般的獸醫(yī)學(xué)方面,聲保護(hù)即使不是不可能做到,可也是很困難的。
已經(jīng)出現(xiàn)一些方法來緩解聲音噪聲問題。例如,通過把線圈輕輕安裝在橡膠墊上,或增加梯度裝置的總質(zhì)量,以及通過使用采用吸聲泡沫材料的吸收技術(shù)來消聲。公開的歐洲專利申請(qǐng)EP-A1-431216,EP-A2-350640和EP-A1-304127已經(jīng)涉及到聲音噪聲問題。而且,US-A-4680545,US-A-5018359和申請(qǐng)?zhí)枮閃O-A1-8607459的公開的國(guó)際專利申請(qǐng)也涉及到聲屏蔽。這些文件下面將作簡(jiǎn)要介紹。
US-A-4680545記載了一種對(duì)電流脈沖進(jìn)行整形的方法,用以減少或消除高頻分量。這樣可以減少一些高頻噪聲。
EP-A1-431216記載了一種通過對(duì)脈沖進(jìn)行整形來減少脈沖上升和下降時(shí)間的技術(shù)。這樣就去除了高頻噪聲分量。
EP-A1-304127記載了一種所包括的一組層疊的弓形導(dǎo)體連接到以剛性自我支承配置的構(gòu)架的裝置。該裝置減少了弓形導(dǎo)體間的相對(duì)移動(dòng),從而減少了會(huì)引起聲音噪聲的振動(dòng)的程度。
WO-A1-8607459記載了一種線圈嵌入環(huán)氧樹脂和/或掛在橡膠減震器上的裝置。在一個(gè)實(shí)施例中,在一個(gè)線圈上附裝一塊不銹鋼鋼塊,用以降低系統(tǒng)的特征頻率。通過聲吸收和/或?qū)φ駝?dòng)設(shè)備進(jìn)行減振來減少噪聲。
EP-A2-350640記載了一種梯度線圈嵌在粘彈性材料層中的裝置。在線圈間夾入這種粘彈性材料層以對(duì)線圈進(jìn)行約束限制。
US-A-5018359記載了一種深冷冷卻裝置,其中采用磁屏蔽對(duì)超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽,深冷冷卻裝置通過一個(gè)振動(dòng)吸收裝置與一個(gè)真空容器相連。
還提出了一些抵消聲音噪聲的技術(shù)。在這類方法中,采用耳機(jī)或聲管在病人頭部區(qū)域發(fā)射與聲音噪聲等值反向的聲音,由此,在一個(gè)限制區(qū)域上抵消噪聲。這種抵消技術(shù)取決于頻率和位置,并可能導(dǎo)致意外,即不是抵消噪聲而是增加噪聲幅度。
US-A-5198769號(hào)美國(guó)專利記載了一種設(shè)置在磁性線圈中的等軸梯度線圈。梯度線圈包括多個(gè)設(shè)置成閉環(huán)的線圈以減少在被查對(duì)象中所感應(yīng)產(chǎn)生的渦流。
公開的國(guó)際專利申請(qǐng)WO-A1-9119209記載了一種對(duì)磁性線圈進(jìn)行聲屏蔽的裝置。該裝置包括至少兩個(gè)支承一個(gè)或多個(gè)線圈的基本同軸的圓柱形部件。這兩個(gè)圓柱形部件通過在它們之間放置填充物而結(jié)合在一起。另一方面,支承在每一個(gè)圓柱形表面上的線圈可以通過層疊材料的連續(xù)層,然后去掉材料的某些部分并由留下的余下部分限定出一個(gè)電流回路來形成。如果該電流回路例如遵循一種簡(jiǎn)單的沿著圓柱形表面的螺旋線,就象比方可以由車床或銑床很容易形成的路徑一樣,這是不困難的。但是,梯度線圈經(jīng)常具有需要仔細(xì)纏繞的復(fù)雜形狀的路徑。采用車床或銑床切割材料來形成這種復(fù)雜非螺旋形的路徑是困難的。
上述現(xiàn)有技術(shù)的裝置沒有考慮到由徑向和撓曲應(yīng)力產(chǎn)生振動(dòng)的問題。
所有上述技術(shù)可以被稱為試圖降低噪聲的消極或者最好為“半消極”的辦法,而沒有真正注意到產(chǎn)生噪聲的原因,即,磁性線圈的振動(dòng)。因此,上述技術(shù)限于使用材料的吸收特性或可以事先成形的脈沖或彈性減震器的頻率響應(yīng)的準(zhǔn)確性。當(dāng)對(duì)經(jīng)過線圈結(jié)構(gòu)的電流進(jìn)行調(diào)制時(shí),特別是正在使用強(qiáng)磁場(chǎng)的情況下,在線圈結(jié)構(gòu)中振動(dòng)的問題仍然存在。雖然本發(fā)明可以在弱一些的磁場(chǎng)中使用,但是,對(duì)那些高于約0.1T(特斯拉)的磁場(chǎng)一般被認(rèn)為是強(qiáng)磁場(chǎng)。
本發(fā)明就是為解決上述問題而產(chǎn)生的。
根據(jù)本發(fā)明,提供一種聲屏蔽的磁性線圈,該線圈適合放置在一個(gè)靜磁場(chǎng)中,該線圈包括一條導(dǎo)電回路,該回路具有這樣的傳輸?shù)谝缓偷诙娏鞯牡谝缓偷诙糠?,即作用在回路第一部分上的第一洛倫茲力明顯減少作用在回路第二部分上的第二洛倫茲力,其特征在于第一和第二部分是機(jī)械耦合的。
第一第二部分最好這樣機(jī)械耦合,即其分量有兩個(gè)或更多洛倫茲力的合成力在數(shù)值上明顯減上,最好為零。這可以通過使用一種合成塑料或樹脂這樣的封裝材料來實(shí)現(xiàn)。另一方面,其它材料在其上面形成槽用以裝入限定出第一和第二部分的電導(dǎo)體,該材料形成有一個(gè)厚片以接住導(dǎo)體,使其留在槽內(nèi)。
上述公開的國(guó)際申請(qǐng)WO-A1-9119209雖然能夠產(chǎn)生磁屏蔽,但只能實(shí)現(xiàn)局部聲屏蔽,合成的洛倫茲力仍然對(duì)線圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用。
同樣也不能認(rèn)為US-A-5198769號(hào)美國(guó)專利記載了一種合適的技術(shù),作為一種在一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)的恒定電流(例如,如
圖11的實(shí)施例所示)與本發(fā)明的根本不同在于其不能抵消洛倫茲力。因此,不能認(rèn)為這樣一種用于減少噪聲的技術(shù)的參考文件記載了一種能夠解決問題的方案。
聲屏蔽磁性線圈最好包括一個(gè)閉環(huán),一個(gè)限定第一回路的內(nèi)部部分和一個(gè)限定第二回路的外部部分。但是,也可以采用開環(huán)線路,其中用分離的電線限定形成回路。
可以使多條第一和第二導(dǎo)電回路具有這樣的大小和設(shè)計(jì)安排以形成一系列嵌套的、閉合的回路。在這樣一種裝置中,閉合環(huán)路最好包括一個(gè)由閉合環(huán)路的第一弧形部分限定形成的第一導(dǎo)電通路和一個(gè)由閉合環(huán)路的第二弧形部分限定形成的第二導(dǎo)電通路。如下面定義的那樣,各弧形部分最好在徑向排齊。
可以使兩個(gè)或更多的線圈相疊加以減小裝置的尺寸和體積。該裝置可以用在磁共振成像方面,例如用于產(chǎn)生一個(gè)梯度磁場(chǎng)。相似地,再采用一些線圈可以提供附加的聲屏蔽。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面,提供一種使磁場(chǎng)梯度線圈聲屏蔽的方法,包括的步驟有通過使電流這樣流過導(dǎo)電回路的第一部分和使電流這樣流過導(dǎo)電回路的第二部分,即,作用在第一部分上的第一洛倫茲力基本上被作用在第二部分上的第二洛倫茲力所抵消,并使這兩個(gè)部分機(jī)械耦合在一起,由此建立一個(gè)磁場(chǎng)梯度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供一種對(duì)磁性線圈產(chǎn)生有源磁屏蔽和有源聲屏蔽的方法,包括的步驟有用第一個(gè)線圈裝置建立一個(gè)磁場(chǎng)梯度,用第二個(gè)線圈裝置對(duì)第一個(gè)線圈裝置進(jìn)行有源聲屏蔽(如上所述),用第三個(gè)線圈裝置對(duì)第一和第二個(gè)線圈裝置進(jìn)行有源磁屏蔽;用第四個(gè)線圈裝置對(duì)第三個(gè)線圈裝置進(jìn)行有源聲屏蔽,所說的第一和第二個(gè)線圈裝置相互機(jī)械耦合在一起,所說的第三和第四線圈裝置相互機(jī)械耦合在一起。
此外還可以按可供選擇的方式對(duì)線圈裝置進(jìn)行附加的一個(gè)或更多的聲屏蔽。
最好把產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的方法合并到磁共振成像方法中來,包括的步驟是同時(shí)設(shè)置一個(gè)物體使其受由第一個(gè)線圈提供的第一磁場(chǎng)梯度的作用;用第二個(gè)線圈所產(chǎn)生的第二磁場(chǎng)梯度對(duì)第一磁場(chǎng)梯度進(jìn)行有源磁屏蔽;由第三個(gè)線圈建立第三磁場(chǎng)梯度,第三個(gè)線圈產(chǎn)生的洛倫茲力基本抵消了由第一和第二磁性線圈所產(chǎn)生的洛倫茲力。
由第三個(gè)磁性線圈產(chǎn)生的洛倫茲力最好與第一和第二個(gè)線圈所產(chǎn)生的洛倫茲力之和基本上大小相等,方向相反,從而消除振動(dòng)。
可采用剛性連接部件或支柱實(shí)現(xiàn)線圈的機(jī)械耦合。但是最好通過把線圈封裝或灌注在適宜的合成塑料材料中來實(shí)現(xiàn)。
一種最佳組合的聲屏蔽和有源磁屏蔽技術(shù)可以應(yīng)用于一種與已經(jīng)授權(quán)的英國(guó)專利2180943B記載的裝置類似的有源磁屏蔽裝置中。該專利的內(nèi)容在本申請(qǐng)中用作參考。本發(fā)明可以對(duì)這種裝置作這樣的改進(jìn),即平衡各個(gè)振動(dòng)力,由此提供一種聲屏蔽。其結(jié)果是進(jìn)行有源磁和聲屏蔽的磁性線圈裝置適合與MRI裝置一起使用,并能在0.1T(特斯拉)以上的范圍工作,同時(shí)使聲音噪聲比以前已經(jīng)達(dá)到的降低程度還要低。
由于洛倫茲力被抵消確保了沒有合成力產(chǎn)生,所以,聲屏蔽有助于消除徑向力和扭力。
這些線圈和屏蔽可以是繞一個(gè)軸的同軸和同心式的。一個(gè)適合在磁場(chǎng)中使用,或適合產(chǎn)生使用時(shí)和靜磁場(chǎng)結(jié)合在一起的磁力梯度的消音線圈是這樣有助于力平衡的,即對(duì)于初級(jí)線圈中的每一條通路,在聲屏蔽中都設(shè)置有一條徑向排齊的導(dǎo)線通路,在機(jī)械耦合后,該導(dǎo)線通路傳輸?shù)碾娏髌錁O性與初級(jí)線圈中電流的極性相反,其幅值設(shè)置得使作用在通路上的各洛倫茲力嚴(yán)格平衡,其中聲衰減是一個(gè)sin(πfx/v)的函數(shù),這里f為聲頻,v為聲在連接材料中的速度。
一個(gè)聲屏蔽線圈最好包括一個(gè)初級(jí)線圈和多個(gè)平衡的聲屏蔽線圈(n),每個(gè)屏蔽線圈包括一個(gè)組合的分段聲屏蔽線圈,以可以減少形成初級(jí)線圈的導(dǎo)線與其各自的聲屏蔽線圈之間的間隔,由此提高聲衰減并通過采用安培環(huán)路定理擴(kuò)展其頻率范圍。這是通過確保梯度場(chǎng)強(qiáng)度來獲得的,通過在距初級(jí)聲屏蔽結(jié)構(gòu)距離為x的地方設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的聲屏蔽結(jié)構(gòu)來使線圈結(jié)構(gòu)的效益在整個(gè)線圈結(jié)構(gòu)上不會(huì)降低,其中聲衰減在頻率為f的情況下為sin(πfx/v)的函數(shù),其中v是關(guān)于組合式聲屏蔽結(jié)構(gòu)的每一段(縱)壓縮波在連接材料中的聲速。下面說明這個(gè)實(shí)施例的理論。
產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的裝置最好包括一個(gè)用于產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的第一線圈;一個(gè)第二線圈,其適合于環(huán)繞第一線圈的至少一部分,并能建立起一個(gè)磁場(chǎng)梯度,其產(chǎn)生的力與第一線圈裝置產(chǎn)生的洛倫茲力相反;以及一個(gè)第三線圈裝置,它適合環(huán)繞第一和第二線圈裝置的至少一部分,并對(duì)第一線圈裝置進(jìn)行有源磁屏蔽。
還可能對(duì)線圈進(jìn)行組合以使第一線圈成為初級(jí)線圈,第二線圈對(duì)初級(jí)線圈進(jìn)行組合的聲和磁屏蔽,而第三線圈對(duì)初級(jí)線圈進(jìn)行磁屏蔽。
效果最佳的裝置是通過線圈的疊加把兩個(gè)提到過的線圈結(jié)合成一個(gè)線圈。這樣盡管預(yù)計(jì)可以使用四個(gè)或更多的線圈,但是最少用三個(gè)獨(dú)立的線圈就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲和磁屏蔽。實(shí)際上兩個(gè)線圈疊加,因而電流分布的結(jié)果是減少了材料用量并使裝置更小,使制造更容易,更便宜。
最好把第一、第二和第三線圈(或第四和更高次的線圈裝置的組合)所產(chǎn)生的徑向力的矢量和組合起來以使合成的力為零。當(dāng)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)時(shí),消除了所有的機(jī)械振動(dòng)并使裝置保持安靜。只有當(dāng)構(gòu)成每一個(gè)線圈的導(dǎo)線導(dǎo)體用在所需工作頻率下具有高聲速的材料與其它線圈上的相應(yīng)導(dǎo)線機(jī)械相連時(shí)才會(huì)發(fā)生這種情況。導(dǎo)線導(dǎo)體的設(shè)置最好是徑向排齊的。即各線圈位于各同心圓柱形面上并通過一個(gè)由連接到所說各圓柱共用軸一端處的一條邊界線所限定的,且基本落在一個(gè)半徑方向的非導(dǎo)電連接器彼此相連。
因此,上述的一個(gè)最佳裝置是把徑向排齊、力平衡的線圈裝置封裝或包入一種象環(huán)氧樹脂或任何其它相似的很硬并具有高的聲傳播速率的填充材料這樣的固化樹脂中。各導(dǎo)線仍會(huì)有極微小的運(yùn)動(dòng)。加熱會(huì)改變線圈裝置的尺寸。因此,為加強(qiáng)聲屏蔽,線圈裝置可以進(jìn)一步封裝或包在一種和聲吸收材料一起構(gòu)成能吸收高頻噪聲分量的合成填充材料的環(huán)氧樹脂中。
還可以把類似的其它脈沖成形技術(shù)與該線圈裝置結(jié)合使用,這可以進(jìn)一步降低聲輸出。根據(jù)本發(fā)明可以預(yù)計(jì)可以制造出線圈裝置用于現(xiàn)有的MRI或其它設(shè)備,在這種情況下,它們對(duì)于這種現(xiàn)有設(shè)備適合于作為標(biāo)準(zhǔn)部件出售。
可以設(shè)置線圈裝置以產(chǎn)生軸向和/或橫向磁場(chǎng)梯度。可以提供分離的磁和聲屏蔽線圈裝置以便可以沿不同的軸建立梯度。這些軸可以是正交的。
要很好地為線圈裝置選擇尺寸和設(shè)計(jì),以使線圈弧形部分的至少一部分在其位于磁場(chǎng)中時(shí)不受場(chǎng)的影響。具體講,這樣一種嵌套線圈的裝置可以非常好地用作一種插入梯度線圈。
線圈裝置優(yōu)選的是包括多個(gè)弧形閉合回路。這些弧形回路所對(duì)的角度最好基本為120°。
雖然已經(jīng)提到閉合回路裝置,但是可以預(yù)計(jì)本發(fā)明可以同等地用于開路回路線圈裝置,或所謂的分布線圈裝置。這類分布線圈裝置有時(shí)為已知的指紋或姆指紋線圈。同樣,開路和閉合回路線圈可以用于產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)。開路和閉合回路線圈可以根據(jù)安培定律進(jìn)行分段,和/或可以嵌套這兩種線圈。
安培環(huán)路定律在物理上可以設(shè)想多個(gè)相對(duì)小的閉合回路的總面積等于一個(gè)單獨(dú)的相對(duì)大的閉合回路的面積。因?yàn)橛梢粋€(gè)電導(dǎo)體形成的閉合回路可以不用嚴(yán)格地位于一個(gè)平面內(nèi),所以為了計(jì)算一個(gè)平面內(nèi)的有效面積,需要與磁軸正交,以把限定到閉合回路之內(nèi)的面積投影到上述正交平面上??梢灶A(yù)計(jì)當(dāng)所謂開路回路線圈遵守安培環(huán)路定律時(shí),這種投影面積實(shí)際上是一種標(biāo)稱面積。就是說限定在由第一和第二通路所圍繞的區(qū)域之內(nèi)的標(biāo)稱面積被投影到與磁軸正交的平面上。
下面參照附圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表說明各種裝置的實(shí)施例,其中圖1示意性地表示了作用在傳輸電流I并放置在磁場(chǎng)B中的導(dǎo)線基元al上的力F;圖2示意性地表示了通過由彈性系數(shù)為k的彈簧所代表的壓縮支桿使傳輸有電流I、質(zhì)量為m的導(dǎo)線基元dl固定到一個(gè)不可移動(dòng)物上的支承物;圖3表示了兩個(gè)質(zhì)量m相等并傳輸?shù)戎捣聪螂娏鞯鸟詈系膶?dǎo)線基元;圖4a表示了一個(gè)放置在磁場(chǎng)B中傳輸電流I的矩形導(dǎo)體回路,以使回路平面垂直于B,力F和F′平衡;圖4b示意性地表示了具有防止導(dǎo)體移動(dòng)的支桿和連接桿的矩形電流傳輸回路;圖4c表示了為防止導(dǎo)體移動(dòng)而封裝在聚合物樹脂中的導(dǎo)體回路;圖5是一個(gè)示意圖,表示的是設(shè)置四個(gè)矩形電流回路以沿x軸產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度,各中心部分的線中的所有電流方向相同;圖6是一個(gè)平面圖,表示了一組傳輸電流I1、I2、…In的矩形電流回路,以近似一種沿x軸產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度的分布電流陣列;圖7表示了四個(gè)電流回路變形為相連的弧形回路,每個(gè)弧形回路傳輸電流I并設(shè)置以沿x軸產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度;圖8表示了兩個(gè)未連接的電流弧形回路,它們具有公共原點(diǎn)O,且半徑分別為a和b并分別傳輸電流+Ia和-I1,角位移Φa和Φb不相等;圖9a是半徑為a,傳輸電流Ip的Np匝初級(jí)線圈的總圖,其用傳輸電流Is,半徑為b的Ns匝線圈進(jìn)行有源屏蔽;圖9b表示一個(gè)用半徑為b的屏蔽線圈(實(shí)線)對(duì)其進(jìn)行有源屏蔽的半徑為a的初級(jí)線圈(實(shí)線);又一個(gè)線圈(虛線)和屏蔽線圈(虛線)形成聲屏蔽結(jié)構(gòu);
圖10是關(guān)于一個(gè)具有形成所謂指紋線圈的分布弧形結(jié)構(gòu)的有源屏蔽的x或y梯度線圈系統(tǒng)的典型的線圈連線布置的示意圖;圖11是表示圓柱形坐標(biāo)系的示意圖;圖12是一個(gè)示意圖,表示的是成對(duì)地產(chǎn)生沿軸向即z軸的線性磁場(chǎng)梯度的麥克斯韋線圈;圖13是表示有四個(gè)弧形回路的簡(jiǎn)單的橫向梯度線圈組的示意圖;圖14表示的是包括四個(gè)具有共面返回弧形回路的內(nèi)部弧形回路的橫向梯度裝置組;圖15表示了一組圖14所示的120°弧形回路,其中弧形回路平面沿圓柱形軸的間隔不相等;圖16表示的是角位移變化的分布弧形回路,及沿圓柱軸不相等的平面間隔;圖17表示一對(duì)封裝在塑料樹脂中的弧形回路(虛線);圖18表示的是在一個(gè)平穩(wěn)的x或y梯度線圈設(shè)計(jì)中的一些分布離散的120°弧形回路的位置;圖19示意性地表示了在一個(gè)平穩(wěn)的x或y梯度線圈設(shè)計(jì)中的一些分布離散的弧形回路的位置或各種弧角位移;圖20表示了關(guān)于一個(gè)分布的整體平穩(wěn)梯度線圈裝置的一個(gè)象限的導(dǎo)線通路,(a)表示了初級(jí)線圈的導(dǎo)線位置;(b)表示了組合的初級(jí)/磁屏蔽聲屏蔽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線位置;(c)表示了有源磁屏蔽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線位置;圖21表示了說明聲屏蔽實(shí)施例的單匝,其在進(jìn)行聲屏蔽時(shí)作為關(guān)于初級(jí)梯度線圈的返回通路(聲屏蔽也可以用來對(duì)于磁屏蔽提供返回通路);圖22是一個(gè)示意圖,表示了關(guān)于一個(gè)對(duì)各電流返回通路采用聲屏蔽的另一個(gè)分布式的整體平穩(wěn)梯度線圈設(shè)計(jì)一個(gè)象限的導(dǎo)線通路(見圖21)。a)關(guān)于初級(jí)線圈的位置,(b)關(guān)于組合的初級(jí)/磁屏蔽聲屏蔽結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線位置,(c)關(guān)于有源磁屏蔽的導(dǎo)線位置;圖23(a)到(d)表示的是用圖7、12、14和17所示并具有表2給定參數(shù)的平穩(wěn)梯度結(jié)構(gòu)組,在3.0特斯拉T的場(chǎng)強(qiáng)下得到的回波響應(yīng)平面的“快照”圖像;圖23(a)表示了玻璃與水的影像,其平面分辨率為0.75毫米,圖像陣列尺寸為256×256像素。切片厚度2.5毫米;圖23(b、c和d)表示了一個(gè)正常聲源者頭部的圖像,表示了一組具有腦室,灰白質(zhì)和腦干細(xì)節(jié)的圖像;其平面分辨率為1.5毫米;圖24a是與圖24b機(jī)械等效的彈簧質(zhì)量的示意圖,其中如果彈性系數(shù)相等,則系統(tǒng)的質(zhì)量中心保持固定;圖24b表示了一個(gè)放置在磁場(chǎng)B中傳輸電流I的矩形導(dǎo)體回路,以使回路平面垂直于B;圖25a是一個(gè)示意圖,表示了四個(gè)回路一組的第n組4個(gè)矩形電流回路的平面圖,其沿x軸產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度,其中在第n組4電流回路的中心導(dǎo)線中的所有電流方向相同;圖25b表示了包括兩個(gè)寬度為a、長(zhǎng)度為b的矩形回路的測(cè)試線圈的平面圖,其中線圈之間隔開一個(gè)距離x,線圈的平面平行于B;圖26是一個(gè)示意圖,表示當(dāng)由峰值為10A的正弦電流驅(qū)動(dòng)時(shí),關(guān)于圖25所示的測(cè)試線圈裝置的聲壓電平衰減A(dB)與頻率(Hz)之間的函數(shù)關(guān)系曲線A與當(dāng)測(cè)試裝置中的一個(gè)線圈通電時(shí)由在一個(gè)適當(dāng)位置的話筒所接收的發(fā)出聲音相對(duì)應(yīng);曲線B是當(dāng)兩個(gè)線圈通電時(shí)降低了的由話筒所接收的聲信號(hào)電平;衰減曲線C與曲線A和B不同;曲線D是理想的衰減A,公式(10);圖27到29表示弧形的閉合回路構(gòu)形;圖30到32表示不同實(shí)施例的線圈繞制和構(gòu)形;以及圖33到41表示線圈繞制的不同實(shí)施例。
參照?qǐng)D1,在一個(gè)B=Bk的均勻磁場(chǎng)中的流有I=Iα電流的導(dǎo)體基元dl(10)每單位長(zhǎng)度所受到的洛倫茲力F為F=-B×I=-BIβsinθ(1)其中,θ是導(dǎo)體與磁場(chǎng)方向的夾角,α、β和k是分別沿導(dǎo)體方向、作用力方向和磁場(chǎng)方向(z軸)的單位矢量。當(dāng)θ=0時(shí),F(xiàn)=0而當(dāng)θ=90°時(shí),F(xiàn)最大。
圖2表示了一個(gè)質(zhì)量為m的導(dǎo)體dl基元10,它通過一個(gè)彈性支承物12固定在一個(gè)不能轉(zhuǎn)動(dòng)的物體14上。彈性支承物12由一個(gè)彈性系數(shù)為k的彈簧來代表。因此,導(dǎo)體基元10起一個(gè)角頻率為ω的諧振器的作用。在實(shí)際安裝中要考慮到各種阻尼;在這種情況下,該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為F(t)=md2xdt2+ηdxdt+kx------(2)]]>其中η為阻尼系數(shù)。
作用在導(dǎo)體基元10上的磁力會(huì)使其加速進(jìn)入由如下對(duì)于位移為x的一般解所表示的強(qiáng)迫振動(dòng)模式x(t)=xo+(A1/a)(eat-1)+(A2/b)(ebt-1)+B1eat∫ote-atF(t)dt+B2ebt∫ote-btF(t)dt----(3)]]>其中a=-η/2m+[(η2/4m2)-k/m]1/2(3a)b=-η/2m-[(η2/4m2)-k/m]1/2(3b)A1、A2、B1和B2是由系統(tǒng)特性決定的常數(shù)。
在實(shí)際的線圈系統(tǒng)中當(dāng)然不可能把線圈安裝在不能移動(dòng)的物體上。可以增加線圈構(gòu)架的質(zhì)量以試圖使線圈不能活動(dòng),但是在高速成像技術(shù)中就要采用強(qiáng)的靜磁場(chǎng)和很大的電流來產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度,這樣就會(huì)使磁力太大以致于不可能形成有效的不可動(dòng)質(zhì)量。
圖3表示了一個(gè)由兩個(gè)“背靠背”振動(dòng)塊10和11組成的諧振系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,對(duì)不可動(dòng)質(zhì)量不再有要求,而且質(zhì)量塊10和11相等,彈簧12和13的彈簧系數(shù)k1和k2也相等,圖3所示的系統(tǒng)保持系統(tǒng)的質(zhì)量中心恒定。這里部分說明了這種機(jī)械模式,本發(fā)明的磁力屏蔽原理如前所述。
如圖4a所示,對(duì)于一個(gè)流有電流I并位于磁場(chǎng)B中的矩形回路的導(dǎo)體16使用上述磁力屏蔽原理。倘若線圈回路16的平面與磁場(chǎng)B的方向正交,作用在導(dǎo)體16上的所有作用力F、F′對(duì)任何方向的電流都是數(shù)值相等、方向相反的。如果這些力通過非壓縮支桿18和螺栓20耦合在一起,即如圖4b所示,則在該系統(tǒng)中所有力被抵消。此外所有力矩、力偶,因而力矩也被抵消。這種機(jī)械模式說明了本發(fā)明的原理,即有源聲屏蔽或線圈的力平衡原理。
如果使用的是非壓縮材料,導(dǎo)體16就不能移動(dòng)。在這種情況下,在這種線圈22系統(tǒng)中不會(huì)有聲音產(chǎn)生。如圖4c所示,可以把整個(gè)線圈22的結(jié)構(gòu)灌注或封裝在一種合適的塑料樹脂24中,從而通過使支桿有效地連成一體而取代各單個(gè)獨(dú)立的支桿。
但是,所有材料都可能受某種程度的壓縮。這就意味著,從這一點(diǎn)上上述聲屏蔽會(huì)有一些實(shí)際限制,導(dǎo)體會(huì)有一些殘余的運(yùn)動(dòng)。但是,本發(fā)明顯著地降低了聲音噪聲。
導(dǎo)體的突然運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓縮波穿過材料。這樣一種波v的速度為v=(E/ρ)1/2(4)其中E是楊氏模量,ρ是材料密度。為了使導(dǎo)體的等值反向運(yùn)動(dòng)和/或?qū)w在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)不出現(xiàn)問題,支桿長(zhǎng)度最好是1≤λ/12。
速度與波長(zhǎng)λ關(guān)系為v=fλ (5)其中f是傳播波的頻率。使用提供的E和ρ值,可以計(jì)算多種通用材料的波速。對(duì)于玻璃,v=5.0kms-1。對(duì)于典型的硬木,v=4.5kms-1。對(duì)于鋁,v=5.1kms-1。對(duì)于黃銅,v=3.4kms-1。采用關(guān)于木材的速度值并取0.15米的支桿長(zhǎng)度則得到(從公式(5))f=2.0KHz的最大頻率。這個(gè)頻率以上的傳播相位的影響能夠?qū)е侣暡ú荒鼙坏窒?。在這種情況下,可以把更多的傳統(tǒng)吸聲材料與有源聲屏蔽物相結(jié)合使用。耳朵保護(hù)器的使用總是一種附加的選擇,但是如上所述,這在胎兒掃描或獸醫(yī)使用領(lǐng)域是沒有什么作用的。
上述討論表明要想獲得最好效果,支桿材料,或合成塑料樹脂封裝材料應(yīng)該具有大數(shù)值的E和小數(shù)值的密度ρ。這樣一種結(jié)合會(huì)得到一種高的縱(壓縮)波的速度。因此,與直覺相反,要求有一種高強(qiáng)度的輕耦合結(jié)構(gòu)。使用具有重填充材料的加載塑料樹脂,由于明顯增加了線圈結(jié)構(gòu)的重量,因此可能是合乎需要的并表明增加了v(聲音的速度)。
在梯度線圈的設(shè)計(jì)中采用上述線圈力平衡的原理。下面參照?qǐng)D5到10對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說明。在最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中,如圖5和6所示,一個(gè)橫向梯度線圈由四個(gè)矩形回路26構(gòu)成。
在圖5中,回路26產(chǎn)生x梯度Gx。在這種結(jié)構(gòu)中,每個(gè)回路包含N匝導(dǎo)體,每個(gè)回路所有臂中的電流都為I。在這樣一種線圈結(jié)構(gòu)中力和力矩被抵消了。
下面從一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來說明聲屏蔽的功能。
圖5所示的結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)展為如圖6平面圖所示的多重回路,其中可以改變電流和/或?qū)w28各順序弧形回路的間隔,以在空間產(chǎn)生更均勻的磁場(chǎng)或磁場(chǎng)梯度。各回路平行平面間的間隔可以不相等。由于絕大多數(shù)整體MRI成像系統(tǒng)具有圓柱形靜磁場(chǎng)對(duì)稱性,所以,圖5和6所示的矩形回路可以變形為圖7所示的弧形回路30。倘若弧形回路30構(gòu)成閉合回路,以及倘若各回路的平面與磁場(chǎng)B正交,和矩形回路的情況一樣,所有力矩和力都是平衡的。對(duì)任何閉合回路都是如此。
研究這樣兩個(gè)弧形回路,其到公共原點(diǎn)O的半徑為a和b,具有的角位移為Φa和Φb,并流有電流+Ia和-Ib。這兩個(gè)弧形回路沒有形成閉合回路。這種結(jié)構(gòu)如圖8所示。在這種結(jié)構(gòu)中為了使力和力矩達(dá)到平衡,在Φa=Φb情況下,我們要求Ib=-abIa=-Ia/α------(6)]]>只有當(dāng)兩個(gè)弧形回路結(jié)合在一起構(gòu)成閉合回路的時(shí)候,弧形回路電流才相等。有必要指出對(duì)于所有圓柱形梯度線圈的設(shè)計(jì),力平衡原理即公式(6)只適用于線圈結(jié)構(gòu)的彎曲或成方位角的部分。洛倫茲力不作用在沿靜磁場(chǎng)B0方向(z軸)的電流分量上。
圖7所示的弧形回路30可以是串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu),或者是兩者的結(jié)合。在所有情況下,必須這樣實(shí)現(xiàn)弧形回路的連接,即饋電和連接器導(dǎo)線或?qū)w以成對(duì)方式與主磁場(chǎng)B0平行。這種平行導(dǎo)線結(jié)構(gòu)可以取緊密同軸成對(duì)、平行載流條對(duì)、甚至是纏繞在一起的一對(duì)導(dǎo)線的形式。平行載流條的好處是可以隔開并用螺栓固定精確平行的載流條以防止或減少導(dǎo)體的殘余移動(dòng)。由于纏繞的導(dǎo)線對(duì)是柔軟的,因此,在最終的連線結(jié)構(gòu)中必須把其設(shè)置在環(huán)氧樹脂或某種類似的樹脂中。
在超導(dǎo)磁鐵的閉合區(qū)域內(nèi)部轉(zhuǎn)換各線圈時(shí),由一個(gè)梯度線圈組產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)會(huì)與一個(gè)低溫箱的四周金屬結(jié)構(gòu)發(fā)生很強(qiáng)的相互作用。所以,這種相互作用會(huì)在低溫箱和超導(dǎo)線圈自身產(chǎn)生渦流。由于小電阻衰減得極慢,這種作用反過來又會(huì)產(chǎn)生破壞原基本梯度特性的不希望出現(xiàn)的附加的隨時(shí)間產(chǎn)生的梯度。有源磁屏蔽是由Masnfield和Chapman圍繞渦流問題提出的,見Mansfield P.and Chapman Mag.Res,66,573-576(1986),Mansfield P and Chapman B.,J.Phys,E.19,540-545(1986),Mansfield P.and Chapman B.Mag.Res.72,211-223(1987)。在目前這種情況下以及產(chǎn)生有源力或聲屏蔽的情況下,還需要具有有源磁屏蔽的整個(gè)梯度線圈組。
作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,對(duì)圖9a所示的,由設(shè)置在半徑為b的圓柱上的屏蔽線圈磁屏蔽半徑為a的單個(gè)回路32的情況進(jìn)行討論。從上述有源磁屏蔽的理論知道,在這樣一種結(jié)構(gòu)中,屏蔽電流Is與初級(jí)電流Ip的關(guān)系為Is=(Np/Ns)[a/b]2Ip (7)其中Np和Ns分別是初級(jí)和屏蔽線圈匝數(shù)。但是,這種結(jié)構(gòu)沒有聲屏蔽。對(duì)半徑為a的內(nèi)部線圈需要進(jìn)行聲屏蔽而且對(duì)于半徑為b的磁屏蔽線圈需要第二聲屏蔽。在初級(jí)線圈只有一匝的情況下,聲屏蔽線圈自身在與初級(jí)線圈相同的平面內(nèi)也只有一匝。設(shè)其半徑為αa,在這種情況下α>1。對(duì)于要進(jìn)行磁屏蔽的聲屏蔽線圈來說,所需要的全部就是要把其屏蔽線圈設(shè)置在半徑為αb的圓柱表面上。就是說原始屏蔽線圈組按比例系數(shù)α沿半徑擴(kuò)展,但其長(zhǎng)度保持不變。這由圖9b示意表示并且是從一匝初級(jí)線圈到分布的初級(jí)線圈是對(duì)齊的。如果所謂初級(jí)聲屏蔽線圈和對(duì)聲屏蔽線圈進(jìn)行磁屏蔽的屏蔽線圈的長(zhǎng)度與要進(jìn)行聲屏蔽的各線圈的各自的長(zhǎng)度保持相等,那么,借助屏蔽磁場(chǎng)特性和強(qiáng)度的略微變化可以折衷聲屏蔽線圈的磁場(chǎng)屏蔽性能。這種情況可以通過如下所述改變場(chǎng)屏蔽模式和/或保持α較小來得到改善,由此,線圈的繞制以及它們各自的聲屏蔽可以有較小的徑向不對(duì)齊。
在上述結(jié)構(gòu)中,聲屏蔽初級(jí)線圈和屏蔽電流Ipf和Isf根據(jù)公式7來定標(biāo)。就是說αIpf=Ip和αIsf=Is。聲屏蔽線圈的位置是任意的。這樣一種情況可以這樣安置線圈,即初級(jí)聲屏蔽線圈半徑與初級(jí)線圈磁屏蔽半徑相一致。就是說,αa=b,在這種情況下,磁屏蔽的聲屏蔽半徑b′為b′=αb=α2a(8)這意味著對(duì)于a和b′都是固定的一種最佳設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來說,α由幾何條件決定。各線圈,屏蔽和聲屏蔽的電流方向遵循下列安排+Ip、-Ipf、-Is、+Isf,這樣,在初級(jí)線圈聲屏蔽半徑αa與初級(jí)線圈磁屏蔽的半徑b相一致的情況下,不會(huì)發(fā)生電流不連續(xù)的情況。
對(duì)于一種典型整體梯度裝置,a=65cm、b′=94cm,故得出α=1.2。α的這個(gè)數(shù)值足夠小,從而不會(huì)明顯改變初級(jí)和初級(jí)聲屏蔽繞組或初級(jí)屏蔽及其聲屏蔽繞組的徑向?qū)R。術(shù)語(yǔ)“徑向?qū)R”的意思是在內(nèi)部線圈表面的導(dǎo)體的位置徑向突出到外部同軸圓柱體的表面上,由此,限定這個(gè)線圈上繞組的位置。是以這樣一種方式突出的,即內(nèi)部繞組圖形的長(zhǎng)度與外部繞組圖形的長(zhǎng)度相等。上述這個(gè)具體實(shí)施例會(huì)使梯度結(jié)構(gòu)的磁屏蔽性能受到某種程度的犧牲。但是,當(dāng)磁屏蔽線圈及其聲屏蔽線圈中的電流發(fā)生變化時(shí),通過保持初級(jí)及其聲屏蔽線圈中的電流,來使其得到某種程度的補(bǔ)償。后者通過保持屏蔽比率和屏蔽電流恒定來實(shí)現(xiàn),由此保持力平衡。
為了恢復(fù)磁屏蔽性能和保持聲屏蔽,可能考慮的是整個(gè)屏蔽表面上的力平衡(集合力),而不是各徑向?qū)R的導(dǎo)線對(duì)和組的細(xì)節(jié)的力平衡。在這種設(shè)計(jì)安排中,凈力和凈力矩等于零,后面在理論部分還要作進(jìn)一步說明。磁屏蔽也可以得到極大改進(jìn)。在這種情況下,力的集合是通過把三個(gè)或四個(gè)線圈封裝在一種適宜的固定樹脂中,由此使整個(gè)線圈結(jié)構(gòu)具有剛性。
附加的聲屏蔽還要從其自由空間數(shù)值B1中減去屏蔽場(chǎng)的作用。對(duì)于所討論的系統(tǒng),有效的初級(jí)場(chǎng)B1e近似為B1e=-B1(1-NpNs[ab]2)(α2-1)/α2-----(9)]]>很明顯可以構(gòu)成幾個(gè)有源力或聲屏蔽回路的結(jié)構(gòu)以建立一個(gè)麥克斯韋型的線性梯度線圈或一個(gè)亥姆霍茲型的均勻場(chǎng)線圈。圓柱形的磁屏蔽的(或不屏蔽)橫向梯度線圈也可以用上述發(fā)明進(jìn)行聲屏蔽。對(duì)于一個(gè)有源屏蔽橫向梯度線圈,一個(gè)第二定標(biāo)的屏蔽梯度裝置組與上述第一屏蔽梯度線圈組相交錯(cuò)。這種結(jié)構(gòu)由圖9b表示,其中第一屏蔽梯度組由實(shí)線示意表示。第二屏蔽梯度裝置組由虛線表示。
圖10表示了一個(gè)關(guān)于產(chǎn)生橫向梯度的有源屏蔽梯度線圈的導(dǎo)線布置的例子。繞制圖形呈現(xiàn)為一種鋪開平面或展開表面。初級(jí)和屏蔽繞組都是所謂的指紋圖形的分布繞組。初級(jí)和屏蔽連線圖形沿aθ和bθ軸進(jìn)行定標(biāo),以便為一個(gè)屏蔽線圈裝置提供聲屏蔽。
初級(jí)線圈布置中的象限標(biāo)記Q表示從一個(gè)等值線到另一條等值線的連線路徑在一個(gè)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中是如何相連的。根據(jù)力平衡原理,用于對(duì)初級(jí)和屏蔽線圈進(jìn)行聲屏蔽的連線布置方式可以和圖10所示相似,但要按系數(shù)α沿a和b軸擴(kuò)展。
通過把線圈繞在三個(gè)或更多的輕圓柱體的表面上,可以實(shí)現(xiàn)初級(jí)線圈、聲屏蔽繞組和磁屏蔽繞組的定位。為了獲得合適的力平衡,整個(gè)結(jié)構(gòu)集中在一個(gè)裝放圓柱筒中,然后用一種高彈性模量和低密度的適且固定的聚合物樹脂進(jìn)行灌注或封裝。在樹脂固定之前,用泵去除氣泡以在線圈系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)真空。象聚碳酸酯這樣的聚合物應(yīng)該是最好的材料,但是,由于象環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、甚至聚苯乙烯這樣的其它材料在相對(duì)低一些的頻率下具有良好的聲學(xué)性能,所以也可以使用這些材料。
磁屏蔽和有源聲屏蔽的組合作用會(huì)對(duì)來自梯度線圈驅(qū)動(dòng)器的電流產(chǎn)生附加的要求。降低B1e會(huì)降低梯度線圈組的感抗,以便使附加匝數(shù)可以有某種程度的增加,從而使感抗恢復(fù)到其所要求的數(shù)值。反過來增加B1e對(duì)此也有所幫助。但是,由于L隨Np2變化,而B1e線性地取決于Np,故恢復(fù)感抗所增加的匝數(shù)不能完全補(bǔ)償B1e的損失。因此,一般需要用更多的電流來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以獲得所需的梯度強(qiáng)度。與這種額外電流伴隨產(chǎn)生的大的力會(huì)使所降下來的聲音又有些增大。這在下面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將進(jìn)行說明。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中,對(duì)聲屏蔽和磁屏蔽的理論方面進(jìn)行了說明。這些都會(huì)導(dǎo)致屏蔽性能的提高。
現(xiàn)在對(duì)這種理論簡(jiǎn)要說明如下。
作用在位于磁場(chǎng)中的長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體上的合力的洛侖茲表達(dá)式為F=-IB×l(10)在一種最佳軸向磁場(chǎng)中,該力整個(gè)使用在徑向平面上。在一個(gè)系統(tǒng)的情況下,磁場(chǎng)B=3T、l典型的為0.5m的數(shù)量級(jí),在質(zhì)量為0.0765kg/m的銅導(dǎo)體中I=200A。這導(dǎo)致一個(gè)600v(N)的力作用在產(chǎn)生800g加速的導(dǎo)線上。電流通常以多模式,Mansfield P.,Harvey P.R.和Coxon R.J.(1992).Meas.Sci.Techmol.2,1051-1058,梯形方式,典型地以500Hz速率進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以在人類聽力的峰值敏感區(qū)產(chǎn)生諧音。
在球面諧波弧形回路中,標(biāo)準(zhǔn)線元設(shè)計(jì)理論按照Legendre(勒讓多)多項(xiàng)式(Pnm),采用磁場(chǎng)的球面諧波函數(shù)展開式,以規(guī)定一系列弧形回路的角度和位置,這些弧形回路可以提供結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)所需場(chǎng)的可能的最好的近似,Romeo and Hoult(1984)磁場(chǎng)分布分析與校正,線圈設(shè)計(jì)。Mag.Res.in Med.Vol.1,No,1,44-65.Chapman B.and Mansfield P.(1984).A simpleshimming strategy for whole body MRI imaging magnets.22ndCongress Ampere on Mag.Res.and Relatedphen.Proc.512-513。當(dāng)在一個(gè)球前上向外移向線元時(shí),環(huán)繞的場(chǎng)偏離理想值。對(duì)于MRI,最方便的結(jié)構(gòu)是圓柱形表面,見圖11,對(duì)于這種結(jié)構(gòu)場(chǎng)的表達(dá)式為dBO=μOI4πsinαΣn=0∞Σm=0n[Fn,m-1Gn,m-1----(11)]]>+Fn,m+1Jn,m+1]rnPnm(cosθ)cosm(φ-ψ)dψ其中Fnm=εm(n-m+1)!Pn+1,m(cosα)/(n+m+1)!Gnm=-(1+δm.0)/2fn+1Jnm=(1-δm,0)(n+m+1)(n+m)/2fn+1且此外對(duì)于m=0和2,εm=1。
關(guān)于一個(gè)軸向梯度,即m=0,系統(tǒng)關(guān)于中心平面是不對(duì)稱的。因此,解是一對(duì)在軸的兩側(cè)距軸等距離并流有相反電流的環(huán)的形式。這可以直接消除表達(dá)式中的所有偶數(shù)項(xiàng)。對(duì)一個(gè)單獨(dú)一對(duì)的半徑為a的導(dǎo)體在半個(gè)間距為b的情況下進(jìn)行積分并求解,得到如下展開式B=3μ0nIa2b/(a2+b2)5/2[rP1(cosθ)+(20b2-15a2)r3P3(cosθ)/(a2+b2)2+O(r5)+..]. (12)當(dāng)立方項(xiàng)即T3為零時(shí),在這種情況下也就是當(dāng) 時(shí),在中心產(chǎn)生的最佳梯度為B=0.6413μ0nIz/a2+O(r5)(13)這是標(biāo)準(zhǔn)的麥克斯韋解(并由圖12表示)。在圖12所示的實(shí)施例中,作用在由與Bz相互作用所產(chǎn)生的每一個(gè)環(huán)上的洛侖茲力是平衡的。環(huán)間的磁偶極力雖然不平衡但相對(duì)較小。
盡管使用更多的環(huán)會(huì)使問題很快變的極為復(fù)雜,但是,通過對(duì)于第五項(xiàng)和更高次項(xiàng)同時(shí)為零的情況進(jìn)行求解可以找到更好的解。通過關(guān)于表面電流分布對(duì)Biot-Savart公式直接進(jìn)行求和解可以得到一個(gè)更好更直接的解,Bangert V.and Mansfield P.(1982).關(guān)于MRI成像的磁場(chǎng)梯度線圈,J.Phy.E.Sci.Instrum.,15,235-239。Mansfield P.and Chapman B.(1987)。MRI中的梯度線圈的多重屏蔽的有源磁屏蔽,J.May.Res.72,211-223。Turner R.J.(1986)。接近最佳線圈設(shè)計(jì)的目標(biāo)場(chǎng),J.Phy.DAppl.Phys.Vol.19,L147-L151.這種方法在下面討論。
一般是通過使導(dǎo)體所對(duì)的角Δψ=2qπ/m(如圖11所示)來消除所有次數(shù)m的諧波,其中q是正整數(shù),ψ是方位角。此外,如果這些弧形回路與交流電流方向都是隔開π/m弧度,那么,消除所有偶次諧波和次數(shù)小于m的所有諧波。對(duì)于橫向梯度即m=1,電流必須是對(duì)稱的,那么具有相差180°的反向電流的120°弧形回路要消除除了T11、T13等以外的諧波。和上述麥克斯韋線圈的例子一樣,通過對(duì)T13求零以提供最佳的間隔/直徑之比,這可以很容易求解,即F(a)=a/(b2+a2)5/2[35b4/(b2+a2)2-35b2/(b2+a2)+4]=0 (14)立即得出tan-1(a/b)=21.3°和68.7°。因此,第二個(gè)解提供了圖13所示的返回路徑的位置。兩個(gè)存在的解可以同時(shí)用來消除T15。但是,場(chǎng)質(zhì)量的改進(jìn)可能很小。
當(dāng)把這些線圈結(jié)構(gòu)設(shè)置在一個(gè)軸向磁場(chǎng)中時(shí),作用在這些線圈結(jié)構(gòu)上的力是徑向的,由于弧形部分之間的連接部分與磁場(chǎng)平行,因此不受磁場(chǎng)作用。同樣它們不會(huì)對(duì)Bz場(chǎng)有所貢獻(xiàn)。對(duì)于麥克斯韋線圈,力是平衡的,沒有凈力作用(如圖12所示)。因此,對(duì)于很好固定的導(dǎo)線,來自麥克斯韋線圈的聲音噪聲是由整個(gè)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展和收縮引起的局部微觀運(yùn)動(dòng)整體產(chǎn)生的。對(duì)于橫向線圈,力沿結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度方向產(chǎn)生可觀的凈力矩,因?yàn)樗形挥谝惶囟ㄝS向位置的弧形部分在同一方向作用一致,見圖13。作用在該結(jié)構(gòu)上的力沿結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度產(chǎn)生一個(gè)凈力矩。
如上所述提出另一種線圈結(jié)構(gòu),其中回轉(zhuǎn)弧形部分安裝在與初級(jí)線圈中相同的軸向位置上。因此,每一部分上的凈力和力矩都為零。
這方面最簡(jiǎn)單的實(shí)施例采用線元設(shè)計(jì),即使用在線圈上的力平衡。從Legendre展開式的分析,圖14以及忽略連接弧形部分的作用可以得知,最佳弧長(zhǎng)是面對(duì)120°的角度,最佳間隔由下式求零得出F(a)-F(c)=0 (15)其中a、c分別是初級(jí)和回轉(zhuǎn)弧形部分的半徑。圖14中的裝置確保沒有凈力或力矩作用在每一個(gè)弧形回路上。
方程(15)有兩個(gè)解,但是為有效起見,最小間隔是b。對(duì)于任何給定的半徑a和c所需的最佳間隔b可以用數(shù)字方式得到??梢匀芜x這些數(shù)值的兩個(gè)。
根據(jù)和通過尋找圍繞點(diǎn)b的間隔距離,并計(jì)及徑向連接弧形部分的作用,可以改進(jìn)場(chǎng)的質(zhì)量。這很容易通過如下步驟來完成(i)對(duì)于位于一個(gè)軸向位置的單個(gè)線圈對(duì),對(duì)于在一個(gè)所要研究的內(nèi)部區(qū)域(ROI)上的且徑向延伸以包容尋找空間的一些網(wǎng)格點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算,
(ii)在圍繞點(diǎn)b的各種位置,使所計(jì)算的場(chǎng)強(qiáng)自身進(jìn)行卷積,和(iii)在整個(gè)ROI上尋找與理想梯度場(chǎng)的最小的偏差。通過提供兩個(gè)弧長(zhǎng)有自由度可以有進(jìn)一步的微小改進(jìn),盡管引入兩個(gè)附加的自由度對(duì)這個(gè)問題的好處不大。徑向弧部分的問題也可以通過分析與直線(straight line)弧的精確表達(dá)式相結(jié)合來進(jìn)行處理,Bangert V.and Mansfield p.(1982).關(guān)于MRI成像的磁場(chǎng)梯度線圈,J.Phy.E.Sci.Instrum.,15,235-239。
另一種方法是采用以表面電流梯度線圈形式的表面分布電流。對(duì)于軸向梯度,采用任何標(biāo)準(zhǔn)方法都可以很容易求解,Mansfield P.and Chapman B.(1987),在MRI中梯度線圈的多重屏蔽式有源磁屏蔽,記載于J.Mag.Res.72,211-223;TurnerR.J.(1986),接近最佳線圈設(shè)計(jì)的目標(biāo)場(chǎng),記載在J.Phys.DAppl.Phys.Vol.19,L147-L151;Chapman B.,Doyle M.andPohost G.M.(1992),優(yōu)選電磁線圈設(shè)計(jì)理論,IEEE proceedingsSouthestcon,2,757-762,這是因?yàn)樵谒星闆r下都可以設(shè)法使凈力平衡。同樣,可以很容易地采用所有來提供具有或沒有有源磁屏蔽的聲屏蔽的有源磁屏蔽。下面的分析關(guān)于Chapman的方法說明了這一點(diǎn),Chapman B,Doyle M.and Pohost,G.M.(1992)。優(yōu)選電磁線圈設(shè)計(jì)理論,IEEE proceedings Southestcon,2.757-762,具有最佳場(chǎng)和方法的限定長(zhǎng)度的屏蔽的電磁線圈。
反映電流與磁場(chǎng)關(guān)系的基本Biot-Savart方程是一個(gè)卷積,因此在付利葉域中最容易處理。對(duì)于長(zhǎng)度有限的圓柱形表面,強(qiáng)迫電流I沿方位角和軸向方式流動(dòng),Chapman B,Doyle M.andPohost,G.M.(1992),優(yōu)選電磁線圈設(shè)計(jì)理論,IEEEproceedings,Southestcon,2,757-762,研究基本單元電流環(huán)路。允許的諧波模式為cos(mθ)的形式,其中m是整數(shù)。相對(duì)應(yīng)的在軸向場(chǎng)的軸向的付里葉變換在半徑為r時(shí)為Ba(r、k)=∑mBa(r、m、k)(16)其中Ba(r,m,k)=μokaIm′(ka)Km(kr)r>a(17)μokaKm′(ka)Im(kr)r<a同樣,許可的軸向諧波Jn在長(zhǎng)度為1的圓柱形的情況下為Jn(z)=CnH(z)cos(2πnz/l+φ)(18)其中Cn是第n次諧波的電流幅度,和H(z)=1|z|≤1/20|z|>1/2 (19)公式(18)的付里葉變換得到Jn=πl(wèi)Cn[eiφsinc(kl/2-nπ)+e-iφsinc(kl/2+nπ)]. (20)合成的軸向場(chǎng)的付里葉變換是公式(18)和(20)這兩個(gè)項(xiàng)的乘積,為Bz=∑n∑mJn(k)Ba(r、m、k)(21)我們總是只對(duì)一種諧波模感興趣,即對(duì)于軸向場(chǎng)m=0,對(duì)于橫向場(chǎng)m=1。然后,通過最小平方可以求出與由在和付里葉空間相比為實(shí)空間的空間中的ROI上的有效模所產(chǎn)生的場(chǎng)相配的幅度Cn。注意這樣所有設(shè)計(jì)問題減至一維研究,假若關(guān)于線圈結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度l是預(yù)先確定的。
為了使凈力為零增加第二表面。有一些根據(jù)構(gòu)成技術(shù)來完成這一任務(wù)的辦法。下面將對(duì)其中的一些辦法進(jìn)行說明。
固定弧長(zhǎng)的平衡力回路圖15表示了一組都具有120°固定角位移的弧形回路。如上所述,以通過消除球面諧波函數(shù)展開式中的高次Legendre項(xiàng)來確定回路的位置。一種更直接和更一般的近似方法是使這些回路如下接近連續(xù)分布例如通過對(duì)Biot-Savart公式進(jìn)行直接的數(shù)字積分,來確定所要研究的軸向擴(kuò)展區(qū)域上(ROI)的由位于單獨(dú)一個(gè)位置上的一對(duì)回路所產(chǎn)生的磁場(chǎng)B1(r)=μo4π∫J(r′)×(r-r′)|r-r′|3dτ′-----(22)]]>其中醒目的字母表示矢量的量,dτ′表示單位體積。
然后對(duì)于關(guān)于m的合適值確定連續(xù)分布是通過最小二乘法,在下面展開式中確定Cn來實(shí)現(xiàn)的Bz=∑nJn(k)B1(r、m、k) (23)其中B1(r、m、k)是單獨(dú)一對(duì)回路所產(chǎn)生場(chǎng)的軸向分量的付里葉變換。然后回路確定位置以便每一回路需要相等的電流。另一方面,可以由一個(gè)公共電源利用和每個(gè)回路都并聯(lián)的電阻器電路或者一組不同的電流源向每個(gè)回路提供不同的電流。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了連接的徑向弧形部分。
另一種方法是從一對(duì)力平衡表面計(jì)算全部表面電流,即從關(guān)于圓柱形線圈的公式(21)我們得到Bz=∑nJn(k)[Ba(r,m,k)-Bc(r,m,k)].(24)形成的弧形部分具有各種弧長(zhǎng),見圖16,這可以通過在電流分布的相鄰等勢(shì)線(流線)之間設(shè)置弧形部分很容易地得出。這可以提供一個(gè)比由方程(22)所得到的更好的解,但是由于方程(24)沒有考慮徑向弧形部分,所以,它非常依賴于這些弧形部分影響程度。
除了平衡力極大減少低頻聲音噪聲之外,還可以如圖17所示在設(shè)計(jì)中使用吸聲材料。這可以衰減剩余的高頻噪聲。實(shí)芯芯體將力平衡弧形部分徑向連接部耦合到初級(jí)弧形部分。此外,柔軟的吸聲材料(黑色)減少剩余的高頻噪聲。
平衡力表面電流分布還有另外一種方法是采用標(biāo)準(zhǔn)表面電流分布方法,其中線圈整體嵌入表面中。在這種情況下通過使兩個(gè)表面整個(gè)面積,或在一些重要點(diǎn)上進(jìn)行耦合來實(shí)現(xiàn)力平衡。然后,方程(24)必須改形以按等于各半徑之比的比例系數(shù)減小力,從而與外側(cè)的半徑較長(zhǎng)的長(zhǎng)度相適應(yīng),即,Bz=ΣnJn(k)[Ba(r,m,k)-acBc(r,m,k)].----(25)]]>對(duì)于這種方法連接弧形部分沒有影響,因?yàn)闆]有連接弧形部分。
有源磁屏蔽通過對(duì)總屏蔽環(huán)路場(chǎng)進(jìn)行置換,在這些方程中加入磁屏蔽因素是很簡(jiǎn)單的事,即對(duì)于未屏蔽場(chǎng)
Bs=μokaIm(kr)[K′m(ka)-K′m(ks)I′m(ka)/I′m(ks)](26)如果需要還可以對(duì)磁屏蔽自身進(jìn)行聲屏蔽。則總的磁場(chǎng)分量(Bn)為Bn=μokIm(kr)[Ja(k)aKm′(ka)+Jc(k)cKm′(kc)+Jt(k)tKm′(kt)+Js(k)sKm′(ks)](27)其中a是初級(jí)線圈半徑,c是初級(jí)線圈聲屏蔽線圈半徑,s是磁屏蔽線圈半徑,t是磁屏蔽力屏蔽線圈半徑。方程(27)中的變量定義如下Jc(k)=-acJa(k),]]>Js(k)=asJa(k)[I′m(ka)-I′m(kc)]/[I′m(kt)-I′m(ks)]---(28b)]]>和Jt(k)=-stJs(k)------(28c)]]>通過使c=t,可以使兩個(gè)聲屏蔽電流分布相疊加。這樣就提供了一種更緊湊、電阻更低和更容易制造的結(jié)構(gòu)。
采用幾何相似性的聲或力屏蔽研究對(duì)整個(gè)屏蔽的數(shù)學(xué)處理,初級(jí)線圈和磁屏蔽線圈半徑為a和b的完全聲屏蔽圓柱形梯度裝置組,用半徑為f、t的附加圓柱形線圈使力平衡。還參考在MRI中梯度線圈的多重屏蔽式有源磁屏蔽,P.Mansfield and B.chapman J.Mag.Res 72,211-223;Turner R.J.(1986).接近最佳線圈設(shè)計(jì)的目標(biāo)場(chǎng),J.Phys.DAppl.Phys.Vol.19,L147-L151,這是關(guān)于圓柱形分布導(dǎo)線線圈的。
用通量(stream)函數(shù)S(Φ,Z)來說明半徑為a的圓柱體上的x梯度線圈。路徑由S的等線值給出。電流分布為J=-S.n (29)其中n是圓柱形表面上任意一點(diǎn)上的法線。J具有如下分量。Jz=1a∂S∂φ-------(30)]]>Jφ=-∂S∂z------(31)]]>在方程(31)的付里葉變換中的第m次分量為Jφm(k)=ikSm(k)(32)其中Jφm(k)=FT{Jφ(φ,z)}=12π∫-∞∞dz∫-ππdφe-imφe-ikzJφ(φ,z)----(33)]]>和Sm(k)=FT{S(Φ,z)} (34)對(duì)于一個(gè)x梯度線圈,只有S1和S-1不為零。
這個(gè)內(nèi)部場(chǎng)為Bz=-μoπ∫-∞∞ak ik2acosφS1(k)K′1(ka)I1(kr).----(35)]]>外部場(chǎng)由下式給出Bz=μoπ∫-∞∞ak ik2acosφS1(k)I′1(ka)K1(kr).----(36)]]>其中r是徑向極坐標(biāo)。
帶有第二線圈的聲屏蔽所加的第二線圈由關(guān)于半徑為f的圓柱形的通量函數(shù)S(Φ,z)來描述。那么,對(duì)于力平衡,我們要求S(Φ,z)=-afS(Φ,z)------(37)]]>這就確保了導(dǎo)線路徑在每個(gè)線圈上具有相同的Z,Φ值和正確的電流比1∶a/f。也就是說,線路是徑向?qū)R的。
聲屏蔽和有源屏蔽討論四個(gè)繞在半徑為a、b(是初級(jí)和磁屏蔽的)和f,F(xiàn)(實(shí)質(zhì)上是初級(jí)聲屏蔽和磁屏蔽的)圓柱形表面上的線圈。圖9(b)表示了一種總體線圈結(jié)構(gòu)的布置。使用原符號(hào),f=αa,F(xiàn)=αb,這種結(jié)構(gòu)的相關(guān)流函數(shù)為半徑電流通量函數(shù)作用 對(duì)于也稱作力屏蔽的聲屏蔽,我們要求Sf=-afSa----(38)]]>以及SF=-bFSb------(39)]]>要在半徑r>d時(shí)取消場(chǎng),我們需要aI1′(ka)Sa1(k)+fI1′(kf)S1f(k)+bI1′(kb)Sb1(k)+FI1′(kF)S1F(k)=0 (40)在k空間使用方程(38)和(39),我們發(fā)現(xiàn)a[I1′(ka)-I1′(kf)]S1a(k)=-b[I1′(kb)-I1′(kF)]Sb1(k).(41)整理后我們得到Sb1(k)=-a[I1′(kf)-I1′(ka)]b[I1′(kF)-I1′(kb)]Sa1(k).----(42)]]>內(nèi)部場(chǎng)由下式給出Bz=-μo2π∫-∞∞dk ik2cosφI1(kr)T------(43)]]>其中T=ΣllSl1(k)K1′(kl).----(44)]]>而且其中1=a、b、f和F。使用方程(38)和(39)得出
T=aSa1(k)[K1′(ka)-K1′(kf)](45)+bSb1(k)[K1′(kb)-K1′(kF)].使用方程(41)和(42)得出T=S1a(k)T′ (46a)T′=a{[K1′(ka)-K1′(kf)]-[K1′(kb)-K1′(kf)](46b)×[I1′(kf)-I1′(ka)]I1′(kF)-I1′(kb)}.]]>現(xiàn)在可以采用目標(biāo)場(chǎng)近似,Turner R.J.(1986),最佳線圈設(shè)計(jì)的目標(biāo)場(chǎng)近似,J.Phys.DAppl.Phys.Vol.19,L147-L151,其中場(chǎng)Bz(c、Φ、z)是規(guī)定的。然后關(guān)于半徑c進(jìn)行付里葉變換得到Bz(c、k)。使方程(43)的被積函數(shù)等于Bz1(c、k),并對(duì)于Sa′(k)進(jìn)行反相得到表達(dá)式Sa1(k)=-2πμok2I1(kc)T′Bz1(c,k)------(47)]]>采用總屏蔽電流平衡實(shí)現(xiàn)全部力屏蔽和有源磁屏蔽為了設(shè)計(jì)一種包含有源和力屏蔽的系統(tǒng),盡管關(guān)于每個(gè)線圈圓柱體的回轉(zhuǎn)弧形部分都落在其它圓柱形面的一個(gè)上,但是也需要關(guān)于所有各圓柱形面總電流之和為零。只有三個(gè)線圈圓柱形在原理上是做不到這一點(diǎn)的。但是電流平衡,采用四個(gè)線圈圓柱形面上的電流分布,就可以設(shè)計(jì)聲屏蔽和有源磁屏蔽線圈裝置。
討論半徑為a、b、f和F(a<f<b<F)的圓柱形面上的電流分布,這些電流分布用在付里葉空間中由Sam、Sfm(k)、Sbm(k)和SFm(k)代表的通量函數(shù)進(jìn)行描述。
要滿足的三個(gè)條件是a)對(duì)于電流平衡Sam+Sfm+Sbm+SFm=0-------(48)]]>b)對(duì)于力平衡aSam+fSfm+bSbm+FSFm=0----(49)]]>c)和對(duì)于有源磁屏蔽a Im′(ka)Sam+fIm′(kf)Sfm+bIm′(kb)Sbm(50)+FIm′(kF)SFm=0對(duì)這些方程進(jìn)行求解,我們通過如下公式發(fā)現(xiàn)通量函數(shù)Sbm、Sfm和SFm與Sam的關(guān)系SfmSam=a(b-F)Im′(ka)+b(F-a)Im′(kb)+F(a-b)Im′(kF)f(F-b)Im′(kf)+b(f-F)Im′(kb)+F(b-f)Im′(kF)----(51)]]>SbmSam=a(f-F)Im′(ka)+f(F-a)Im′(kf)+F(a-f)Im′(kf)b(F-f)Im′(kb)+f(b-F)Im′(kf)+F(f-b)Im′(kF)-----(52)]]>SFmSam=a(b-f)Im′(ka)+b(f-a)Im′(kb)+f(a-b)Im′(kf)F(f-b)Im′(kF)+b(F-f)Im′(kb)+f(b-F)Im′(kf)----(53)]]>
如果f→b,如預(yù)料的那樣我們會(huì)發(fā)現(xiàn)SFm→∞,這意味著對(duì)于3個(gè)線圈圓柱形面沒有解。這樣就使得近似工作嚴(yán)格要求4個(gè)線圈圓柱形面。但是,如下面所述,我們可以找到近似滿足所要求的電流值的3個(gè)圓柱形面的結(jié)構(gòu)。
這樣,我們可以規(guī)定Bz(c、Φ、z),用公式(47)計(jì)算Sa1(k),然后用公式(38、39、41和42)計(jì)算Sf1(k)、Sb1(k)和SF1(k)。
有源聲屏蔽可以與有源磁屏蔽相結(jié)合以形成至少用三個(gè)圓柱形表面支承三個(gè)線圈的線圈結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),需要在圓柱形表面之間適當(dāng)產(chǎn)生力平衡。這是通過確保所有三個(gè)圓柱形面上的導(dǎo)線徑向?qū)R來實(shí)現(xiàn)的。
電感線圈任何閉合的平面,或近似平面的回路的電感Lf是由等效的環(huán)形回路,即包圍相同面積的環(huán)形回路來近似表示。在這種情況下Lf=μo(Aπ)1/2n2ln(16d(Aπ)1/2-2)-----(54)]]>其中A是所包圍的面積,d是導(dǎo)體在徑向的厚度,n是匝數(shù)而A是所包圍的面積。
分布線圈關(guān)于分布線圈的一個(gè)有用的近似方案是由一個(gè)短的均勻螺線管的電感Ls來提供的Ls=μon2AlE------(55)]]>其中l(wèi)是結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度,A是平均橫截面積,E是端部修正系數(shù),E由表示關(guān)于表面電流分布的修正系數(shù)的表1給出。
關(guān)于電感的總方程為L(zhǎng)pq=-μoπ2pq/(DpDq)Σm∫Jp(-k,-m)Jq(k,m)Im′(kp)Km′(kq)dk)--(56)]]>其中p和q是兩個(gè)在其上分別流有電流分布Jp和Jq的表面的半徑,Dp和Dq是它們各自的幅值。
結(jié)果1.離散的弧形回路設(shè)計(jì)參見圖14,對(duì)于一個(gè)插入梯度線圈實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì),它和3T整體MR系統(tǒng)中的EPI結(jié)合使用,目前在Nottingham大學(xué)的MR中心使用。該線圈結(jié)構(gòu)封裝在一種加有碳酸鈣的聚苯乙烯樹脂中并包括有x、y和z梯度線圈。
表2給出了設(shè)計(jì)中關(guān)于尺寸、存取、現(xiàn)有電源供應(yīng)以及上述所有制造性能的具體規(guī)定的細(xì)節(jié)。
即對(duì)于一個(gè)沒有磁屏蔽的系統(tǒng),關(guān)于50cm的半徑外部場(chǎng)為a)對(duì)于麥克斯韋線圈2.4×10-7T/安-匝(在接近z=±20cm處),b)對(duì)于橫向梯度線圈3.6×10-7T/安-匝(在z=0cm處)。這是一些最不好的點(diǎn),但在可允許范圍內(nèi)。
采用這種設(shè)計(jì)明顯減少了聲音噪聲,從而可以按彩像形式獲得EPI結(jié)果并且是在3.0T下關(guān)于志愿者頭部的。第一結(jié)果的一些內(nèi)容表示在圖23b、c和d中。
橫軸快照表示了具有腦室、灰白質(zhì)和腦干細(xì)節(jié)的大腦的連續(xù)的圖像。(a)玻璃和水的影像。平面分辨率0.75毫米。圖像陣列大小256×256像素。切片厚度2.5毫米。(b、c和d)正常志愿者的頭部圖像。這些圖像的平面分辨率為1.5毫米。圖像陣列尺寸128×128像素。切片厚度5毫米。所有圖像都是單獨(dú)的快照而且每張都是用接近140毫秒的時(shí)間拍得的。線圈參數(shù)由表2給出。
對(duì)于橫向梯度裝置也已經(jīng)提出了理論設(shè)計(jì),這些橫向梯度裝置采用了2.恒定(120°)弧長(zhǎng)的分布弧形回路;3.弧長(zhǎng)變化的分布弧形回路;4.平衡力表面電流分布;5.全部力平衡屏蔽表面電流分布,和6.對(duì)于返回線路采取力屏蔽的全部力平衡屏蔽表面電流分布。
為了比較,對(duì)這些設(shè)計(jì)要限制使用上述離散的弧形回路所形成的線圈裝置的尺寸。這些線圈裝置長(zhǎng)度和直徑都是40厘米,并且定義ROI為其長(zhǎng)度和直徑都為20厘米的中央圓柱形區(qū)域。為此,采用限定長(zhǎng)度的初級(jí)線圈優(yōu)化方法,Turner R.J.(1986)。目標(biāo)場(chǎng)逼近優(yōu)化線圈設(shè)計(jì)。J.Phys.DAppl.Phys.Vol.19,L147-L151。在覆蓋了最大梯度平面的一個(gè)代表性象限的點(diǎn)陣(r=0、2、…10厘米;z=0、0.2、…10厘米)上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
恒定(120°)弧長(zhǎng)的離散弧形回路在延伸的軸向范圍確定z=0處的由單獨(dú)一對(duì)基本弧形回路產(chǎn)生的場(chǎng)。然后把這些場(chǎng)與連續(xù)的軸向電流諧函數(shù)進(jìn)行卷積。按ROI上的合成場(chǎng)的最小二乘法的擬合使由第一組四個(gè)軸向諧波組成的電流分布得到優(yōu)化。合成的(20)回路的位置如圖18所示。
弧長(zhǎng)變化的離散的弧形回路。
使用方程24并忽略連接弧形部分的影響,最小二乘法優(yōu)化導(dǎo)致求出一個(gè)有4個(gè)系數(shù)(0-3)的解。形成(20)回路的位置如圖19所示。通過在等勢(shì)流線之間確定弧形部分的位置來確定長(zhǎng)度。
力平衡表面電流分布這種具體設(shè)計(jì)范例不適合于限制初級(jí)表面。因此,采用公式25產(chǎn)生的設(shè)計(jì)在這種具體情況下不是特別起作用。長(zhǎng)度有所限制的這種設(shè)計(jì)的一個(gè)具體實(shí)施例只對(duì)長(zhǎng)度為10厘米數(shù)量級(jí)的要研究的區(qū)域有可能,但是效果也不如離散的弧形回路方法。
全部力平衡屏蔽表面電流分布由于電流返回線路的要求,設(shè)計(jì)一個(gè)更長(zhǎng)的整體系統(tǒng),其中初級(jí)線圈的長(zhǎng)度限制可以有些放松。從實(shí)際考慮選擇線圈尺寸。典型的是要受到病人出入的空間和電流供給的限制。尺寸為1.初級(jí)線圈半徑(a)為30厘米,2.初級(jí)線圈長(zhǎng)度為120厘米(2×直徑)3.屏蔽半徑為5厘米(1.5×a)4.半徑為20厘米(66%,a)和長(zhǎng)度為40厘米的圓柱形ROI。要使初級(jí)線圈和磁屏蔽線圈的力屏蔽線圈相一致,同時(shí)確定單獨(dú)的合成電流分布。通過在方位角方向上分別對(duì)初級(jí)線圈和磁屏蔽線圈布置進(jìn)行徑向定標(biāo)來簡(jiǎn)單地提供各電流分布,從而提供通路。
選擇力屏蔽表面的半徑以使梯度效益最大。這可以通過關(guān)于第一電流諧波使自感最小來實(shí)現(xiàn)。這得出39.75厘米的優(yōu)化半徑。在這個(gè)區(qū)域關(guān)于半徑實(shí)現(xiàn)由公式(27)和(28)得出的梯度場(chǎng)的全部最小二乘法優(yōu)化,從而產(chǎn)生在38厘米處的優(yōu)化,見表5。圖(20a)、(20b)和(20c)分別給出了關(guān)于初級(jí)線圈一個(gè)象限的綜合的表面線圈布置、組合的力屏蔽和磁屏蔽。
表3給出了每個(gè)表面中所要求的電流。
對(duì)返回通路采取力屏蔽的全部力平衡屏蔽表面電流分布在上述實(shí)施例中,在每個(gè)表面上電流分布的積分為零。從表3得知,在力屏蔽線圈中流動(dòng)的總電流幾乎是其它兩個(gè)繞組中電流的總和。一般來說是這樣并具有圖21所示的可靠性,即其中對(duì)其它兩個(gè)線圈的返回通路進(jìn)行力屏蔽。在連接弧形部分的位置上要求在電流中留有不平衡用以平衡由這些弧形部分產(chǎn)生的徑向力。進(jìn)行幾何證明很簡(jiǎn)單,當(dāng)滿足kirchoff(克希荷夫)定律時(shí)力則精確平衡。通過討論r-θ平面上的投影(在圖21中,I=I′+I(xiàn)″)可以立刻清楚這一點(diǎn)。
如上所述,為了電流完全平衡,力平衡和磁屏蔽的附加規(guī)定是至少要求4個(gè)繞有4個(gè)分離線圈的表面同時(shí)滿足方程(48-50)要求的條件。與這一點(diǎn)的任何不同就是要兼顧磁屏蔽或力平衡或電流平衡。后者在第一個(gè)例子中近似得到實(shí)現(xiàn),然后引入附加小電流通路以處理任何產(chǎn)生不平衡的其它部分。
設(shè)計(jì)的比較下面的表4包含對(duì)這些各種設(shè)計(jì)在場(chǎng)質(zhì)量、性能和電感方面的比較。
離散的弧形回路設(shè)計(jì)合成線圈是軸向上極為緊湊的。這就使得它們非常適合用作插入梯度線圈。這些線圈還相對(duì)容易構(gòu)成并可以方便地和具有進(jìn)一步減少聲音噪聲特征的結(jié)構(gòu)相結(jié)合(如圖17所示的裝置)。
恒定(120°)弧長(zhǎng)的分布弧形回路這些線圈也很緊湊,而且它們?nèi)匀荒軌蛟诟蟮妮S向延伸范圍上提供梯度場(chǎng)。因此,這些線圈也適合設(shè)計(jì)成插入梯度線圈。
弧長(zhǎng)變化的分布弧形回路這些實(shí)施例具有和弧長(zhǎng)恒定的那些分布弧形回路相似的特性,即在線圈軸向范圍的大的比例范圍上提供梯度場(chǎng)。因此,它們非常適合設(shè)計(jì)成插入梯度線圈。
通過改變徑向間隔能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)的效益。
平衡力表面電流分布對(duì)于橫向梯度,這些線圈的軸向長(zhǎng)度一般需要比上述回路設(shè)計(jì)得更長(zhǎng),以容納每個(gè)單獨(dú)的表面上的返回通路。這些線圈特別適合設(shè)計(jì)成允許整個(gè)人體出入的標(biāo)準(zhǔn)梯度線圈。
這種無屏蔽的例子會(huì)導(dǎo)致無效設(shè)計(jì)。這是由于這樣的事實(shí),即關(guān)于初級(jí)和力屏蔽線圈的電流返回通路分別受到它們表面的各自限制。
當(dāng)磁屏蔽時(shí),借助由屏蔽線圈提供的附加場(chǎng)可以提高這種設(shè)計(jì)的性能。
所有這些設(shè)計(jì)都可以進(jìn)行磁屏蔽,而且這種屏蔽自身能夠與可以和初級(jí)力屏蔽相一致的第二力屏蔽相結(jié)合。
全部力平衡屏蔽表面電流分布附加磁屏蔽的作用是改善可用場(chǎng)的范圍和改善性能。力屏蔽表面的一個(gè)次要作用是部分屏蔽初級(jí)磁場(chǎng)。由于電流比比磁屏蔽((a/b)2)要求的要高(a/b),所以,在力屏蔽表面上更對(duì)初級(jí)外部場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此,磁屏蔽電流對(duì)于力屏蔽的外部場(chǎng)進(jìn)行基本補(bǔ)償并把初級(jí)場(chǎng)加到ROI上。
為效益最大,磁屏蔽和力屏蔽表面應(yīng)該盡可能地遠(yuǎn)離初級(jí)線圈。屏蔽線圈的半徑通常由MRI系統(tǒng)的自由腔限定。必須采取其它物理量限制以確定力平衡表面的最佳定位,例如,導(dǎo)體的最大電流載流量。例如,其上能流過電流的磁屏蔽和組合的力屏蔽表面的軸向長(zhǎng)度比初級(jí)線圈的現(xiàn)有長(zhǎng)度要長(zhǎng)(通常為兩倍的數(shù)量級(jí))。因此,用兩倍的匝數(shù)線圈傳輸與初級(jí)線圈相同的電流可以是很方便的,另一些做法是選擇力屏蔽表面的位置以使總電感最小或效益最大。
對(duì)于普通的磁屏蔽線圈,系統(tǒng)的總電感只是初級(jí)線圈的電感和屏蔽線圈的互感之和。
如果加入力屏蔽線圈并選擇其位置使其自感為零,那么,其它表面的互感可以被忽略。這樣,總電感L可以和一般屏蔽情況相比。這又會(huì)使效益最大,其中效益(η)定義為η=1LI------(57)]]>其中I是每單位梯度的電流。
整體線圈這種設(shè)計(jì)提供每安-匝1.2μT/m的梯度場(chǎng)。與之相比,類似的優(yōu)化屏蔽線圈提供每安-匝2.6μT/m的梯度場(chǎng)。全部力平衡屏蔽線圈在屏蔽中要求非常大的電流,盡管這可以很容易用附加的屏蔽匝數(shù)來調(diào)節(jié)而且不會(huì)對(duì)電感有任何影響。
把力屏蔽表面從這個(gè)最佳位置移向初級(jí)或磁屏蔽表面會(huì)使電流在兩者表面漸近增加。
對(duì)返回通路采取力屏蔽的全部力平衡屏蔽表面電流分布圖22(a)、22(b)和22(c)表示了這種設(shè)計(jì)的初級(jí)、力屏蔽和磁屏蔽線圈的導(dǎo)線分布,其參數(shù)由后面的表5給出。沒有返回通路會(huì)使其特別適合縮短線圈。這與結(jié)構(gòu)的幾何條件結(jié)合在一起會(huì)顯著地降低系統(tǒng)的電感,這是一個(gè)高效益的選擇。在這種設(shè)計(jì)中,連接部分和力屏蔽電流(其全部都小)的必需的附加返回通路的影響被忽略不計(jì)。如果需要可以把這些特性的全部結(jié)合到這種設(shè)計(jì)中。
上述在一般4個(gè)圓柱形面中的“以總屏蔽電流平衡實(shí)現(xiàn)的全部力屏蔽和有源磁屏蔽”是求得方程(48-50)精確解所必需的。在這個(gè)部分指出的這個(gè)例子中只采用了3個(gè)圓柱形面,這就意味著電流平衡要好,就要損失磁屏蔽,或者換句話說,如果磁屏蔽要好,那么就要犧牲力平衡。
關(guān)于連接導(dǎo)線可以使用力抵消的相同原理。流進(jìn)和流出電流的導(dǎo)線應(yīng)該盡可能緊密地設(shè)置在一起,以使磁場(chǎng)的影響被忽略不計(jì)。對(duì)于這樣一種結(jié)構(gòu)凈力自動(dòng)為零,但是在小量級(jí)上這些力可能會(huì)很明顯。三種選擇是扭絞線對(duì)、平行的導(dǎo)線或同軸電纜。扭絞線對(duì)產(chǎn)生的外部場(chǎng)小但產(chǎn)生的移動(dòng)明顯。此外沒有力為零的定向性。扭絞線對(duì)可以被看作一對(duì)交錯(cuò)的線圈。因此,線對(duì)的主軸對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)仍然會(huì)在最壞的定向上好像保留了有效的線圈部分。
對(duì)于平行導(dǎo)線,只有當(dāng)平行對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)時(shí),每條導(dǎo)線才有絕對(duì)是零的力,但是在其它取向上盡管作用在每條導(dǎo)線上的力是平衡的但卻是值得注意的。此外,有一個(gè)盡管小但卻存在的凈磁偶極矩。
對(duì)于同軸電纜,盡管力的取向取決于一個(gè)導(dǎo)體套入另一導(dǎo)體在兩者之間的力的優(yōu)化分布,但是,因?yàn)槠錄]有磁場(chǎng),即自身屏蔽很好,所以同軸電纜是優(yōu)選的;當(dāng)然凈力也為零。標(biāo)準(zhǔn)的同軸電纜是為高電壓小電流設(shè)計(jì)的。而MR卻要求大電流、電壓適中。因此,我們通過把12AWG線束電纜套入6.35毫米銅管中來構(gòu)成我們自己適用的大電流、低阻抗導(dǎo)體。然后整個(gè)結(jié)構(gòu)展平以使導(dǎo)線固定就位并套入絕緣用的軟塑料管(Porfe×7毫米×10.5毫米)。
減少高頻聲音噪聲的一個(gè)措施是把成對(duì)的力平衡線對(duì)密封在吸收材料中。圖17表示的就是這樣一個(gè)關(guān)于球面諧波式弧形回路的例子。
由于初級(jí)和力屏蔽線圈產(chǎn)生的場(chǎng)有一定程度的抵消,所以,即使無磁屏蔽設(shè)計(jì)也有部分自身屏蔽。當(dāng)初級(jí)線圈的長(zhǎng)度具有嚴(yán)格限制時(shí),和插入線圈的情況一樣,使用弧形回路設(shè)計(jì)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)不是這種情況時(shí),由于選取表面分布線圈,制造非常容易和場(chǎng)質(zhì)量更好,使其成為一種較好的選擇。在對(duì)于一種具體應(yīng)用、具體實(shí)施方案作出最終決定之前,總是必須考慮現(xiàn)有空間和總的線圈電感。
通過選取力屏蔽設(shè)計(jì)是能夠明顯減少聲音噪聲的,已證明在強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)中會(huì)提高益處并增加梯度強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換速率。這些設(shè)計(jì)不會(huì)有任何降低效益且超過普通屏蔽線圈的不合理的開支。
其它設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,如J.W.Carlson,K.A.Derby,K.C.Hawrlyszko and M.Weideman(1992),屏蔽梯度線圈的設(shè)計(jì)與評(píng)估,Mag.Res.Med.26,191-206,象總電感最小化,效益最大化等,與使用降低聲音噪聲力屏蔽完全兼容。
分布弧形回路設(shè)計(jì)與一般設(shè)計(jì)相比在長(zhǎng)度的更大范圍上提供均勻性,以使這設(shè)計(jì)用作插入梯度線圈很理想。除了其高效益,這還使得這些設(shè)計(jì)非常適合用在象FLASH和EPI這樣的急需MR成像技術(shù)中。除總力平衡外,弧形回路設(shè)計(jì)還使力矩完全抵消?;⌒位芈吩O(shè)計(jì)使得場(chǎng)的軸向分量在幅值比兩個(gè)橫向分量大一個(gè)或兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這與普通橫向梯度設(shè)計(jì)中軸向分量小于橫向分量中的一個(gè)形成對(duì)比。這就使得這種設(shè)計(jì)本質(zhì)上就具有確保施加到對(duì)象上的梯度場(chǎng)的水平更安全的特性。
分布表面設(shè)計(jì)本質(zhì)上就具有非常易于制造的特性。雖然這類設(shè)計(jì)不能使力矩完全抵消,但是和弧形回路設(shè)計(jì)一樣,也是只有小的剩余力矩作用在小段的方位角區(qū)的距離上。這與普通設(shè)計(jì)中如圖13所示的大力矩作用分布在軸向長(zhǎng)度的每一半形成對(duì)比。
所有設(shè)計(jì)都很容易進(jìn)行變化以進(jìn)行有源磁屏蔽。
有源力屏蔽線圈的原理已經(jīng)說明過并表明這樣一種方法能夠抓住MRI所使用的磁屏蔽和未屏蔽梯度線圈所產(chǎn)生的噪聲的主要原因。雖然在這種方法中主要任務(wù)是由靜梯度線圈改進(jìn)的,即對(duì)病人和所使用的動(dòng)物是安全而沒有損害的,但是在線圈移動(dòng)會(huì)成為一個(gè)問題的情況下力屏蔽線圈還是有價(jià)值的。在要求空間分辨率非常高的圖像的MRI顯微術(shù)中存在這樣一種情形。梯度線圈結(jié)構(gòu)的微小移動(dòng)會(huì)對(duì)最終得到的分辨率造成破壞和/或限制。
下面參照所包括的圖24至26以及方程58至63對(duì)試驗(yàn)結(jié)果作進(jìn)一步說明。
從以上討論清楚地知道,具有最好效果的支桿材料和包覆用的塑料樹脂應(yīng)該有大數(shù)值的E和小數(shù)值的密度ρ。這樣一種組合會(huì)得到一個(gè)高縱波速。這樣在直覺上有一個(gè)比較,高強(qiáng)度的輕耦合結(jié)構(gòu)的作用和重一些的材料一樣好;在每一種情況下的決定性的因素是高波速。添加使用了重填充材料的塑料樹脂可以明顯增加線圈結(jié)構(gòu)的重量并顯示出特別大的強(qiáng)度。
可以把力平衡線圈的原理直接在梯度線圈的設(shè)計(jì)中使用。在這種最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中,可以用其中的一個(gè)為圖24b所示的矩形回路的四個(gè)或更多的矩形回路來設(shè)計(jì)圖5的橫向梯度線圈以產(chǎn)生x梯度Gx。為形成更理想的梯度,如圖25a的平面圖所示,可以用n組四個(gè)一組的回路構(gòu)成梯度線圈。在這種結(jié)構(gòu)中,每個(gè)四個(gè)回路組具有寬度為a1、長(zhǎng)度為bn和為Nn匝的導(dǎo)體。在依次的四個(gè)一組的回路中的電流等于In。第n個(gè)四回路組的平面間隔為2Zn而且回路在平面上的位移為an+Xn。在這樣一種線圈結(jié)構(gòu)中,力和力矩被抵消了。n>1就可獲得一個(gè)在空間更均勻的磁場(chǎng)或場(chǎng)梯度。
由于絕大多數(shù)整體成像系統(tǒng)利用的圓柱形靜磁場(chǎng)的對(duì)稱性,所以,所說明的矩形回路可以變?yōu)榛⌒?。倘若用弧形?gòu)成閉合回路,回路的平面與磁場(chǎng)B正交,倘若線圈導(dǎo)線通過支桿或封裝在樹脂中而進(jìn)行機(jī)械耦合,和矩形回路的情況完全一樣,所有力矩和力都平衡。對(duì)于任何限定在一個(gè)平面內(nèi)而且θ=90°的流有電流I的閉合回路都是這種結(jié)果,這是因?yàn)榄h(huán)繞回路的線積分為∮dF=0.(58)這個(gè)結(jié)果可以推廣到線積分,其中回路中的電流是變化的,即Σi∫idFi=Σi∫iB×Iidl=0-----(59)]]>其中Ii是在等值線的第i段流過的電流。在這種形式中,用開路式電流回路也能實(shí)現(xiàn)力平衡。
弧形回路可能按串聯(lián)或并聯(lián)相連接,或兩種的組合。在所有情況下,對(duì)弧形部分的連接必須使供電裝置和連接器的導(dǎo)線或?qū)w成對(duì)地與主磁場(chǎng)B平行,而且最終連線,最好是設(shè)置在塑料樹脂中。
在現(xiàn)在所說明的具體試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中,兩個(gè)平面矩形線圈50和51的每一個(gè)都是由10匝導(dǎo)線構(gòu)成,而且線圈尺寸為a=40厘米,b=40厘米。兩個(gè)線圈同軸安裝,它們的平面平行于B,而且隔開7.5厘米。這種結(jié)構(gòu)由圖25b的平面圖表示。兩個(gè)線圈(分別與未聲屏蔽和聲屏蔽結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng))或其中之一經(jīng)連接要能夠被一個(gè)電流源(沒有表示)所驅(qū)動(dòng)。圖25b的兩個(gè)陰影區(qū)被封裝在固態(tài)聚苯乙烯52中,以包圍流有相反電流的導(dǎo)線50和51。陰影表示通過封裝在樹脂中而在線圈間形成的機(jī)械耦合。電流在每個(gè)線圈中都是相等和相反的。在導(dǎo)體中與B平行的電流不產(chǎn)生力。因此,這種結(jié)構(gòu)是一個(gè)開路電流回路的例子,其中返回的電流在x-y平面內(nèi)為零。由于線圈長(zhǎng)度b大于平面間隔x,所以,所討論的兩個(gè)導(dǎo)線50和51(來自每一個(gè)線圈的)位移的縮小/擴(kuò)大是等值反向的。為簡(jiǎn)單起見,假設(shè)導(dǎo)線50和51的每一個(gè)在該實(shí)芯體中連續(xù)發(fā)射平面聲波。在屏蔽情況下,該波會(huì)增加導(dǎo)線位置處的總橫向聲源幅值A(chǔ)1,由下式給出A1′=±Aie2iπft(eikxe-αx-1)(60)其中A1是在每個(gè)導(dǎo)線位置處的初始波幅,f是施加到線圈中的電流脈沖的頻率,k是在聚苯乙烯塊中的波傳播常數(shù),為k=2πf/v(61)α是每單位長(zhǎng)度波衰減系數(shù)。作為一種簡(jiǎn)化取α=0。假設(shè)這種橫向運(yùn)動(dòng)可能通過塊的轉(zhuǎn)換作用,沿z軸引起與方程(60)形式相似的波傳播。用兩個(gè)或一個(gè)通電的線圈進(jìn)行聲測(cè)量。
只對(duì)一個(gè)線圈,未屏蔽的聲源幅值A(chǔ)o為Ao′=Aoe2iπft(62)因此,根據(jù)方程(60)和(62)以dB表示的噪聲衰減A為A=-20log10([2A1/Ao]sin(π×f/v)) (63)圖26表示的是當(dāng)用由一個(gè)TECHRON(商標(biāo))放大器(沒有示出)提供的10A正弦電流向一個(gè)線圈(曲線A)、或兩個(gè)線圈(曲線B)施加脈沖時(shí)的實(shí)驗(yàn)的聲音噪聲衰減數(shù)據(jù)。使用一個(gè)EK3033型(沒有示出),KNOWLES(商標(biāo))的駐極體話筒,把其輸出經(jīng)一個(gè)20分貝增益前置放大器傳送給HEWLETT PACKARD(商標(biāo))網(wǎng)絡(luò)分析儀(HP8751A)就可以獲得這些結(jié)果。曲線C是實(shí)驗(yàn)衰減曲線,是曲線A和B之間有差。圖26表示的曲線D是根據(jù)在A1/A0=0.0707,v=0.975×103ms-1和x=0.075m情況下的理論表達(dá)式方程(10)畫出的。
與比A1/A0的單位偏離是與當(dāng)只有一個(gè)線圈通電時(shí)的力不平衡相聯(lián)系的,它有效地增加了聲波幅值A(chǔ)0。另外,它可能是由導(dǎo)線產(chǎn)生的圓柱形波而引起的。帶狀導(dǎo)體可以更好地接近發(fā)射平面波。選擇最佳適配的v的數(shù)值。在(1.15-2.02)×103ms-1的范圍計(jì)算關(guān)于聚苯乙烯的v的數(shù)值。
數(shù)據(jù)表明在100赫茲處的約40dB下降到3.5赫茲下的0dB的正衰減。理論表達(dá)式與平滑處理的數(shù)據(jù)相當(dāng)好地符合并證實(shí)下面說明的理論逼近的基本正確性。在一種低損耗材料中,A在更高頻率處周期性地達(dá)到峰值。在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到這種情況,估計(jì)可能是因?yàn)棣痢?。
在梯度線圈設(shè)計(jì)中的聲屏蔽的擴(kuò)展方面的一個(gè)要著重考慮的是梯度有效率。聲屏蔽不可避免地要降低梯度強(qiáng)度。因此,問題是當(dāng)線圈電流增加以補(bǔ)償梯度幅值不夠時(shí)是否會(huì)損害所得到的聲衰減。
實(shí)驗(yàn)表明在圖25b的點(diǎn)P處,即在到一個(gè)線圈平面中心的垂直距離為10厘米的地方,從未屏蔽到屏蔽的相對(duì)磁場(chǎng)改變?yōu)?.16T,這表明在電流驅(qū)動(dòng)中需要增加近3倍以在該點(diǎn)恢復(fù)完全的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在分開的實(shí)驗(yàn)中,建立起聲衰減隨線圈電流驅(qū)動(dòng)的線性變化關(guān)系。這樣增加3倍電流使可獲得的聲衰減減少9.5dB。但是,由這些結(jié)果得知,在約1赫茲以下的頻率的情況下仍應(yīng)具有聲衰減的優(yōu)點(diǎn)。為了改善,需要能產(chǎn)生更高傳播速率v的導(dǎo)線包圍/封裝材料。在取決于尺寸的完全梯度線圈設(shè)計(jì)中,可以很好地設(shè)置為恢復(fù)不用聲屏蔽就可獲得的梯度強(qiáng)度所需要的電流,電流增加只為2倍,在這種情況下使可獲得聲衰減為6dB。
在上述線圈結(jié)構(gòu)中,強(qiáng)調(diào)了為形成初級(jí)線圈和各種力屏蔽和磁屏蔽所使用的術(shù)語(yǔ)“各個(gè)導(dǎo)線”。可以同等使用另外的制造方法。例如,對(duì)于線圈結(jié)構(gòu)的每一個(gè)圓柱形表面的導(dǎo)體通路布置可以由一整塊銅或其它金屬片材經(jīng)蝕刻而形成。還有其它的方法就是使用銑刀或流體噴射切削刀具從銅或其它金屬片材切割出導(dǎo)線通路。
下面參照?qǐng)D27到29說明本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例,其包括有有源聲屏蔽和有源磁屏蔽而且作為上述參照附圖4、5、6、7、14、15、16、17、18和19所述內(nèi)容的概括是對(duì)本發(fā)明的擴(kuò)展。雖然能夠?qū)D4-7和14-19所包含的任何一種線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁屏蔽,但是,為了獲得磁屏蔽的有源聲屏蔽,需要兩個(gè)附加的圓柱形表面。第一表面用于支承有源磁屏蔽線圈,第二個(gè)表面用于確定有源磁屏蔽的有源聲屏蔽線圈。現(xiàn)在說明本附加實(shí)施例中的一種對(duì)根據(jù)了上述圖4-7和14-19任何一個(gè)的類型的梯度線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁屏蔽的系統(tǒng)方法。具體講,這種結(jié)構(gòu)能夠與包括例如圖7、圖15和圖16所示的閉合弧形回路的圓柱形對(duì)稱梯度結(jié)構(gòu)的情況相結(jié)合。
討論圖27對(duì)理解這個(gè)附加的實(shí)施例是有幫助的,圖27表示了一個(gè)單獨(dú)的夾角為2φo的流有電流I的閉合弧形回路,其中內(nèi)部半徑為ρs,電流沿半徑ρF返回。我們討論整體位于x、y平面內(nèi)的閉合線圈回路,并發(fā)現(xiàn)一個(gè)關(guān)于沿垂直于x、y平面的z軸的磁場(chǎng)強(qiáng)度Bz的表達(dá)式。對(duì)于ρ<ρs,場(chǎng)Bz由下式給出Bz=μo√(2π3)Σm=-∞m=∞(1-eimπ)∫-∞∞dkeikzeimφc(k)sinmφomkIm(kρ)]]>×∫ρSρFdρ′kρ′Km(kρ′)------(64)]]>其中Im(kp)和Km(kp)是變形的貝塞爾函數(shù),m=1、3、5…是場(chǎng)在極角為Φo時(shí)的諧波次數(shù)。μo是自由空間的磁矩。對(duì)于ρ>ρF,磁場(chǎng)由下式給出Bz=μo√(2π3)Σm=-∞m=∞(1-eimπ)∫-∞∞dkeikzeimφc(k)sinmφomkKm(kρ)]]>×∫ρSρFdρ′kρ′Km(kρ′)------(65)]]>其中c(k)是空間付里葉變換,由下式給出c(k)=1√2π∫-∞∞dze-ikzc(z)------(66)]]>其中c(z)是弧形回路沿z軸的分布,這里k是z的共軛或互為空間位移。在一種實(shí)際的梯度線圈中,如圖7所示,要設(shè)置至少四個(gè)閉合的弧形回路的對(duì)稱裝置。也可以采用圖15和16所示的另一種多于四個(gè)回路的布置。
如前面強(qiáng)調(diào)的那樣,倘若電流的回路是閉合的,在每個(gè)分開的回路中總力和力矩是平衡的,用合適的支桿或支承材料來約束和包圍弧形回路導(dǎo)線。圖27與方程64和66一起表示怎樣用閉合形式的表達(dá)方式來設(shè)計(jì)嵌套的閉合弧形回路的結(jié)構(gòu)。圖28表示了四個(gè)回路為一組的一個(gè)象限。在這種結(jié)構(gòu)中,對(duì)于m的具體值可以選擇角位移以優(yōu)化Bz的所需要的特性。通過消除以m表示的各高次項(xiàng),可以提高線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的純化度(purity)。關(guān)于線圈結(jié)構(gòu)內(nèi)外的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以產(chǎn)生閉合形式的表達(dá)方式這一事實(shí)使得能夠采用相同的數(shù)學(xué)模式來建立一組能夠設(shè)置對(duì)初級(jí)線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行磁屏蔽的嵌套回路。圖29表示了這樣的一個(gè)例子,其中又是表示了梯度線圈結(jié)構(gòu)的一部分。嵌套回路60代表了產(chǎn)生一個(gè)具體次數(shù)為m而且特征標(biāo)為Φ2的梯度的初級(jí)梯度線圈系統(tǒng)的一部分。線圈回路62具有有源磁屏蔽并具有圖29所示的對(duì)于初級(jí)線圈相似的極角位移。但是,如圖29所示,設(shè)置回路60的電流和半徑以對(duì)相似的初級(jí)線圈結(jié)構(gòu)62a、b和c進(jìn)行磁屏蔽。采用這種結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行有源磁屏蔽,而且在初級(jí)線圈,或在磁屏蔽線圈中的每個(gè)閉合的弧形回路總是力平衡(因此力矩平衡)的,倘若所有梯度線圈結(jié)構(gòu)都位于垂直于所施加的靜磁場(chǎng)的平面內(nèi),在這里靜磁場(chǎng)是沿z軸方向的。
另一種對(duì)圖27到29所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有源磁屏蔽的方法是在位于半徑ρF之外的一個(gè)半徑為b的圓柱形上建立一個(gè)屏蔽線圈。在這種情況下,為屏蔽初級(jí)梯度線圈(包含一組閉合弧形回路)所需的電流分配由下式給出Jφm(k)=2(2π)1/2sinmφm∫ρSρFkρ′Im(kρ′)dρ′bI′m(kb)c(k)------(67)]]>其中空間付里葉變換JΦm(k)定義為Jφm(k)=12π∫-∞∞dz∫-ππdφJφ(z,φ)eikzeimφ.------(68)]]>盡管是用導(dǎo)線在其表面上所遵循的通量函數(shù)來取代連續(xù)函數(shù),但是在實(shí)空間JΦ(z、ρ)中的極電流密度仍然表述了有源屏蔽的實(shí)際電流密度。使用單個(gè)的有源磁屏蔽會(huì)對(duì)在這個(gè)結(jié)構(gòu)中的初級(jí)線圈處獲得的聲屏蔽有某種程度的破壞,但是,如果有源屏蔽線圈的半徑b足以大于表面電流密度而使屏蔽線圈中的電流能夠非常小,那么就可以使對(duì)該屏蔽線圈的洛倫茲力最小。
如上所述,一個(gè)屏蔽的最佳方法是通過閉合弧形回路的第二布置部分來對(duì)初級(jí)線圈進(jìn)行屏蔽,在這種情況下,對(duì)內(nèi)部線圈的完全磁屏蔽的條件是d(k)=c(k)×∫ρSρFkρ′I1(kρ′)dρ′∫ρS′ρF′kρ′I1(kρ′)dρ′------(69)]]>其中ρs′和ρF′分別是圖29中標(biāo)記為B的磁屏蔽弧形回路的內(nèi)外半徑,而且d(k)=1√2π∫-∞∞dzd(z)e-ikz------(70)]]>其中d(z)是對(duì)包括初級(jí)梯度線圈的閉合回路的空間分布c(2)進(jìn)行磁屏蔽所需的屏蔽弧形沿z軸的空間分布。方程69表明只有在m=1時(shí)屏蔽條件才予以評(píng)述。初級(jí)弧形回路和屏蔽弧形回路位于同一平面內(nèi)不是必要條件。為產(chǎn)生更純或更高次的磁場(chǎng)或磁場(chǎng)梯度,如圖28和29所示,需要極角為Φ1范圍的附加弧形回路。所有直到并包括(αN+1)次的項(xiàng)變?yōu)榱愕臈l件是須滿足下列表達(dá)式Σl=Ol=Nsinmφl=δm,1.------(71)]]>對(duì)于m的一些特定數(shù)值可以滿足這個(gè)表達(dá)式;一個(gè)例子是對(duì)于Φo=π/3。在方程(64)中第三次項(xiàng)m=3變?yōu)榱?,留下m=5作為場(chǎng)擴(kuò)展中最低不為零次項(xiàng)。
初級(jí)和磁屏蔽線圈的閉合弧形回路的結(jié)構(gòu)本身,適合于一種單獨(dú)的弧形回路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單方法。取代把整個(gè)線圈結(jié)構(gòu)灌注在封裝樹脂中的另一種結(jié)構(gòu)是,在弧形回路中的每根導(dǎo)線采取的是扁平條帶的形式,其由合適材料的片材機(jī)械加工后放入一合理緊密配合的縫槽中。這種結(jié)構(gòu)由圖30a表示。如果如上所述正確選擇材料,那么,這種結(jié)構(gòu)確保各安裝的導(dǎo)線產(chǎn)生非常小的聲音噪聲。如果在一個(gè)具體的弧形回路中需要多于一根的導(dǎo)線,則建議采用另一種結(jié)構(gòu),即每根導(dǎo)線緊密地裝入各自的支承板的凹槽中,如圖30b所簡(jiǎn)要表示的,板安裝在間隔件和支撐棒上,在這種方法中,完全消除了彼此纏繞在一起的導(dǎo)線間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),而無需使用使塑料樹脂等完全滲透導(dǎo)線束的真空浸漬技術(shù)。上述概括的方法本身還可以更易于適合采用更吸引人的支撐材料,象一定類型的陶瓷片和耐熱巖鹽(pyrothalite)塊。這后一種材料在燒制前,最好是可機(jī)械加工的并可以機(jī)械加工出縫槽、孔洞,和類似的結(jié)構(gòu)。在燒制后,這種材料就會(huì)變成再也不能進(jìn)行機(jī)械加工的與陶瓷類似的材料。還可以以相似的方法使用玻璃或透明材料。
在上述安裝方法中,把矩形或環(huán)形部分導(dǎo)體插入縫槽中,并灌入合適的粘接材料,可能是環(huán)氧樹脂,或一些其它的非常硬的凝固聚合的樹脂,以防止導(dǎo)線在磁場(chǎng)中當(dāng)接收到脈沖時(shí)產(chǎn)生殘余的運(yùn)動(dòng)。使用陶瓷的好處是在這樣的材料中聲速非常高,如上述實(shí)驗(yàn)部分所說明的那樣,在力平衡線圈中可以更好地抵消高頻聲。
根據(jù)聲傳播理論和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性,電平衰減A(公式63)是sin(π×f/v)的函數(shù)。到目前我們已著重強(qiáng)調(diào)使sin(π×f/v)的自變量保持對(duì)所有頻率都小,我們理想地要求波傳播速率v要大。上面說明用選擇合適的材料來滿足這種要求的多種可能性。但是,在得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,使用的是載荷聚苯乙烯樹脂,對(duì)于這種材料典型的波速約為1公里/秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于x=7.5厘米,塊(block)在6或7千赫處變成共振。記住波速很高的材料機(jī)械加工困難而且昂貴,另一種方法是使用聚苯乙烯,但要減小正弦自變量中x的值。在正常情況下,減小x會(huì)急劇降低所能獲得的磁場(chǎng)梯度,因此,迫使需要非常大的驅(qū)動(dòng)電流。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中,其中和圖5、6、7、12、14、15、16和17一樣,磁場(chǎng)梯度由一組閉合的弧形回路產(chǎn)生,但是,每一個(gè)大的回路由一些小一些的回路所取代以形成組合力屏蔽。小一些的閉合回路結(jié)構(gòu)的總面積理想地等于它們所替代的單個(gè)大回路的面積。
圖33a表示了這個(gè)實(shí)施例的一個(gè)例子,并包括有寬度為2x的基本為矩形的閉合回路,見圖33b。如果兩個(gè)回路的相鄰導(dǎo)線彼此合理地靠近,那么,這與圖33a至33b所示的寬度為x的兩個(gè)回路磁等效。這遵守安培環(huán)路定理。然而,盡管兩種線路磁等效,但是在聲學(xué)上不等效。組合線圈的每一小段由具有傳播常數(shù)k的合適材料所包圍。相鄰線圈間的間隔g由具傳播常數(shù)k1的材料輕輕地耦合。在這種結(jié)構(gòu)中,重要的是要確保每一段上的導(dǎo)線位于非波節(jié)點(diǎn)的位置。這就意味著在一個(gè)特定頻率f下,理想的是x=λ/2而且g=λ/2,如圖34所示。但是,根據(jù)安培環(huán)路定理,要使g<<x。這又意味著在間隔中的傳播速度v1必須為v1=(g/x)v。尋找波速低的材料相對(duì)容易一些,因此,這后一個(gè)條件更容易滿足。
另一種方法是不填充間隙,見圖33c,而是留有小的氣隙,以使兩個(gè)組合線圈自由移動(dòng)。重要的一點(diǎn)是如果線圈相接觸,或者如果裝置作為一個(gè)整體壓制而成,那么,兩條具有等值反向電流的相鄰導(dǎo)線實(shí)質(zhì)上會(huì)形成一個(gè)破壞這種結(jié)果的聲波節(jié)點(diǎn)。
還有另外一種方法是以圖35的形式把每個(gè)副線圈安裝在自己的板上。如果板和導(dǎo)線都足夠薄,則一個(gè)導(dǎo)線厚度取代兩個(gè)平線圈不會(huì)破壞磁等效??傊覀円颜f明,用一組n個(gè)回路代替單獨(dú)一個(gè)回路的作用是結(jié)構(gòu)共振頻率從v/λ推到nv/λ。這又意味著對(duì)于相同的封裝材料在圖26中的0dB相交點(diǎn)被推向非常高的頻率。就是說,對(duì)于n個(gè)回路,電平衰減A(公式63)變成sin(πfx/nv)的函數(shù)。采用這種方法能夠在更寬的頻率范圍保持高的聲衰減。
圖36到42表示了各種關(guān)于組合力屏蔽閉合回路結(jié)構(gòu)的原理的實(shí)施例。圖36a、b和c表示了一個(gè)由三部分構(gòu)成的組合矩形回路及其磁等效單個(gè)回路。還以平面圖的方式表示了一個(gè)使用滑動(dòng)搭接接頭的可能的構(gòu)成方法。圖37a、b和c表示了一個(gè)由三個(gè)閉合弧形部分構(gòu)成的組合弧形回路及其磁等效的單個(gè)回路。還以側(cè)視圖的方式表示一個(gè)使用滑動(dòng)搭接接頭的可能的構(gòu)成方法。圖38a、b和c表示一個(gè)與其磁等效回路一起的由兩個(gè)力平衡環(huán)路組成的組合環(huán)形線圈。還表示一個(gè)使用如圖38c所示的滑動(dòng)搭接接頭的可能的構(gòu)成方法。
要強(qiáng)調(diào)的是在閉合矩形和閉合弧形回路中,所有部分的電流相等。對(duì)于合適的力平衡環(huán)路,電流應(yīng)該為下列比值對(duì)于分段的環(huán),I2=-I1(a/b);如圖38a和b所示,對(duì)于磁等效力屏蔽線圈I3=-I1(a/c)得出I3=I2(b/c)。
可以使用相似的分段以構(gòu)成組合力屏蔽開路結(jié)構(gòu)。圖39到41表示了這種結(jié)構(gòu)的例子。圖39a、b和c一起表示分段直線開路力平衡結(jié)構(gòu)及其磁等效結(jié)構(gòu),和使用滑動(dòng)搭接接頭原理的可能的構(gòu)成方法。圖40a、b和c一起表示了一種分段開路弧形回路力平衡結(jié)構(gòu)及其磁等效結(jié)構(gòu),和使用滑動(dòng)搭接接頭原理的可能的構(gòu)成方法。圖41a和b表示了一種關(guān)于構(gòu)成圓柱形表面電流分布一部分的開路弧形結(jié)構(gòu)的組合分段力屏蔽結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中,關(guān)于初級(jí)線圈的力屏蔽結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)圓柱形分段構(gòu)成的。把兩個(gè)圓柱形分段合適地封裝在聚合物材料中,但彼此用薄橡膠條隔開,以使每個(gè)分段中的相鄰導(dǎo)體形成聲的非波節(jié)點(diǎn)的圓柱形表面。
圖36a表示了三個(gè)組合的閉合回路,它們與圖36b中的單個(gè)閉合回路磁等效。圖36c是埋入封裝材料厚片中的三個(gè)回路的端視圖。每個(gè)回路相對(duì)其它兩個(gè)是可以移動(dòng)的。每個(gè)厚片移動(dòng)的方向在厚片所在的平面內(nèi)。
圖37a表示與圖37b中的閉合回路等效的組合閉合回路。組合的閉合回路是弧形的。圖37c是圖37a的側(cè)視圖。
圖38a表示的是環(huán)形的組合閉合回路,這些閉合回路等效于圖38b所示的單個(gè)環(huán)路。圖38c是圖38a的側(cè)視圖。圖39a和40a表示的是開路弧形組合回路。圖39c和40c分別是其端部視圖。圖39b和40b分別表示了其等效的開路組合回路。圖40a和40c所示的開路回路線圈的組合弧形對(duì)著相同的角度。
圖41b表示的是一種包括線圈210、212、230和232的結(jié)構(gòu)200的部分截面圖。這些線圈埋在封裝材料中。使用可壓縮的橡膠隔片250把外封裝線圈支承物220與內(nèi)封裝線圈支承物240分開。內(nèi)直徑260由成像物體(例如一個(gè)病人)決定。
應(yīng)該清楚上面只是以舉例的形式對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行了說明,在不離開本發(fā)明范圍的情況下可以作改變。
表1短螺線管電感校正系數(shù)0 0.5 110E 1 0.8 0.7 0.2表2插入梯度線圈細(xì)目表類型軸向(麥克斯韋) 橫向X 橫向Y初級(jí)結(jié)構(gòu)半徑 22.25 22.5 22.5(米×10-2)力屏蔽結(jié)構(gòu)半徑 32.5 32.5(米×10-2)第一弧形位置 19.25 7 8(米×10-2)弧長(zhǎng)(度) 360 120 120梯度(Tm-1A-1×10-6) 130 6161匝數(shù) 8 9 9導(dǎo)線(軸向?qū)挾? 4.5 4.5 4.5(米×10-3)導(dǎo)線(徑向深度) 2.242.242.24(米×103)電阻率(ohmm-1×10-3) 1.781.781.78總電阻(ohm) 0.160.340.34電感(亨×10-6) 192 2269269表3全部力平衡屏蔽表面電流分布表面半徑(厘米)總電流(安培)★初級(jí)(圖20(a)) 30 8.313力屏蔽(圖20(b))38 -10.245磁屏蔽(圖20(c))45 3.199★對(duì)于每初級(jí)安匝為10mT/m或0.0012mT/m的場(chǎng)。
表4回路設(shè)計(jì)的比較類目1.直線元2.回路(120°3.回路梯度(Tm-1A-1×10-6) 61 4951質(zhì)量(最大)★89 5172質(zhì)量(最小)★23 4630匝數(shù)(每個(gè)象限) 92020電感(亨×10-6)269 184 93電阻(歐姆) 0.34 0.76 0.44★這是在一個(gè)長(zhǎng)度和直徑都為20厘米的圓柱形ROI上的,該區(qū)域軸向延伸至這個(gè)線圈結(jié)構(gòu)的邊界。關(guān)于這個(gè)線圈有用的區(qū)域是直徑為20厘米,長(zhǎng)為10厘米的圓柱形。最大(10、10、8)和最小(10、10、0)兩個(gè)點(diǎn)在這個(gè)區(qū)域之外。包括它們只為進(jìn)行比較。
表5對(duì)返回通路采取力屏蔽的全部力平衡屏蔽表面電流分布表面 半徑(厘米)總電流(安培)★初級(jí)(圖22(a)) 30 8.421力屏蔽(圖22(b))38 -12.832磁屏蔽(圖22(c))45 5.239★關(guān)于每初級(jí)安匝10mT/m或0.0012mT/m的場(chǎng)。
權(quán)利要求
1.一種聲屏蔽磁性線圈,其適合放在靜磁場(chǎng)中,該線圈包含一條導(dǎo)電通路,該通路具有傳輸?shù)谝缓偷诙娏鞯牡谝缓偷诙糠?,以使作用在通路第一部分上的第一洛侖茲力顯著減少了作用在通路第二部分上的第二洛侖茲力,其特征在于第一和第二部分是機(jī)械耦合的。
2.如權(quán)利要求1所述的一種線圈,其中使用一種封裝材料使第一和第二部分產(chǎn)生機(jī)械耦合。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的一種線圈,其中該線圈包括一個(gè)閉合回路以使第一電流基本等于第二電流。
4.如權(quán)利要求3所述的一種線圈,其中閉合回路包括第一和第二弧形部分。
5.如權(quán)利要求4所述的一種線圈,其中弧形部分所對(duì)的角度基本為120°。
6.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的包括多個(gè)線圈的一種裝置,其中這些線圈分布在多個(gè)基本垂直于靜磁場(chǎng)的平面內(nèi)。
7.一種如權(quán)利要求6所述的裝置,其中線圈所位于的這些平面距基準(zhǔn)面的距離為Z,Z是使用關(guān)于通路在空間中的位置的互易空間體系表達(dá)式分析計(jì)算得出的并導(dǎo)致磁場(chǎng)變化。
8.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種包括多個(gè)線圈的裝置,其中這些線圈是組合嵌套的。
9.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的裝置,其中由每個(gè)閉合回路包圍的投影到垂直于磁場(chǎng)方向的平面上的標(biāo)稱面積與由一個(gè)組合回路包圍的投影到所說平面上的標(biāo)稱面積基本相等。
10.如權(quán)利要求9所述的一種裝置,其中把各通路的第一和第二部分埋在第一材料中,以形成第一和第二厚片,在厚片之間設(shè)置第二材料,第一和第二材料關(guān)于聲速具有不同的傳播常數(shù)。
11.如權(quán)利要求10所述的一種裝置,其中厚片能夠彼此相對(duì)移置。
12.如權(quán)利要求11所述的一種裝置,其中厚片在它們所位于的平面內(nèi)是可移置的,所說的平面是平行或共平面的。
13.如權(quán)利要求1所述的一種聲屏蔽磁性線圈,其中該線圈由第一和第二導(dǎo)電通路所限定,并設(shè)置成開路回路關(guān)系,第一電流與第二電流基本相等。
14.如權(quán)利要求12所述的一種線圈,其中開路回路包括第一和第二弧形部分。
15.如權(quán)利要求13所述的一種線圈,其中弧形部分所對(duì)的角度基本為120°。
16.如權(quán)利要求12到14任何一個(gè)權(quán)利要求所述的包括多個(gè)線圈的一種裝置,其中線圈是組合嵌套的。
17.如權(quán)利要求15所述的一種裝置,其中各線圈分布多個(gè)與一個(gè)靜磁場(chǎng)基本垂直的平面中。
18.如權(quán)利要求16所述的一種裝置,其中線圈位于的這些平面距基準(zhǔn)面的距離為Z,Z是使用關(guān)于通路在空間中的位置的互易空間體系的表達(dá)式分析計(jì)算得出的,并導(dǎo)致磁場(chǎng)變化。
19.如權(quán)利要求13-18中任何一個(gè)所述的一種裝置,其中由每一個(gè)閉合回路所包圍的投影到垂直于磁場(chǎng)方向的平面上的標(biāo)稱面積與由一個(gè)組合回路包圍的投影到所說平面上的標(biāo)稱面積基本相等。
20.如權(quán)利要求18所述的一種裝置,其中把各通路的第一和第二部分埋在第一材料中,以形成第一和第二厚片,在厚片之間放置第二材料,第一和第二材料關(guān)于聲速具有不同的傳播常數(shù)。
21.如權(quán)利要求20所述的一種裝置,其中厚片可以彼此相對(duì)移置。
22.如權(quán)利要求1所述的一種聲屏蔽磁性線圈,其中第一和第二導(dǎo)電通路形成一個(gè)開路回路關(guān)系,第一電流與第二電流明顯不同。
23.如權(quán)利要求22所述的一種線圈,其中開路回路包括有第一和第二弧形部分。
24.如權(quán)利要求23所述的一種線圈,其中弧形部分具有不同的曲率半徑。
25.如權(quán)利要求23或24所述的一種包括多個(gè)線圈的裝置,其中線圈是組合嵌套的。
26.如權(quán)利要求25所述的一種包括多個(gè)線圈的裝置,其中這些線圈分布在多個(gè)與一個(gè)靜磁場(chǎng)基本垂直的平面上。
27.如權(quán)利要求23所述的一種裝置,其中這些線圈所位于的這些平面距基準(zhǔn)面的距離為Z,Z是使用關(guān)于通路在空間中的位置的互易空間體系表達(dá)式分析計(jì)算得出的,并導(dǎo)致磁場(chǎng)變化。
28.如權(quán)利要求22-27中任何一個(gè)所述的裝置,其中由每個(gè)閉合回路包圍的投影到垂直于磁場(chǎng)方向的表面上的標(biāo)稱面積與由一個(gè)組合回路包圍的投影到所說表面上的標(biāo)稱面積基本相等。
29.如權(quán)利要求28所述的一種裝置,其中把通路的第一和第二部分埋在第一材料中,以形成第一和第三厚片,在厚片之間放置第二材料,第一和第二材料關(guān)于聲速具有不同的傳播常數(shù)。
30.如權(quán)利要求29所述的一種線圈裝置,其中把每條通路都埋在一種材料中,以使材料的厚片可以彼此相對(duì)移動(dòng)。
31.如權(quán)利要求30所述的一種裝置,其中厚片可以彼此相對(duì)移置。
32.如權(quán)利要求1所述的一種聲屏蔽磁性線圈,其中第一和第二導(dǎo)電通路形成一種開路回路關(guān)系,第一和第二通路形成在第一和第二圓柱形表面上,這些圓柱形表面同心,第一電流與第二電流明顯不同。
33.如權(quán)利要求32所述的一種線圈,其中線圈是一個(gè)姆指紋(或指紋)型的分布線圈。
34.如權(quán)利要求32所述的一種線圈,其中開路回路包括第一和第二弧形部分。
35.如權(quán)利要求34所述的一種線圈,其中這些開路回路具有不同的曲率半徑。
36.如權(quán)利要求32至35所述的一種包括多個(gè)線圈的一種裝置,其中線圈是組合嵌套的。
37.如權(quán)利要求32所述的一種裝置,其中使用關(guān)于通路在空間中的位置及合成磁場(chǎng)變化的互易空間形式體系表達(dá)式來分析計(jì)算得出線圈所位于的這些圓柱形表面。
38.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的一種線圈或裝置,其中線圈或每一個(gè)線圈是有源磁屏蔽的。
39.如權(quán)利要求38所述的一種線圈,其中用權(quán)利要求1至37任何一個(gè)所規(guī)定的一個(gè)線圈對(duì)有源磁屏蔽線圈或一些線圈進(jìn)行聲屏蔽。
全文摘要
本發(fā)明記載了對(duì)磁場(chǎng)線圈進(jìn)行有源聲屏蔽和組合的有源聲和磁屏蔽的裝置及方法,線圈中流有隨時(shí)間變化的電流并設(shè)置在典型大于約0.1T的相對(duì)強(qiáng)的靜磁場(chǎng)中。本發(fā)明特別適合于對(duì)磁共振成像(MRI)中所使用的磁場(chǎng)梯度線圈進(jìn)行聲屏蔽。在一個(gè)最佳實(shí)施例中,設(shè)置流有電流的閉合回路以使回路的兩個(gè)不同部分彼此相互機(jī)械耦合,選定尺寸和設(shè)置,以明顯降低磁性設(shè)備所受的洛侖茲力,最好是被抵消。在一個(gè)不同的實(shí)施例中,本發(fā)明有所改變以便同時(shí)進(jìn)行磁和聲屏蔽。本發(fā)明解決非聲屏蔽線圈在強(qiáng)磁場(chǎng)中使用時(shí)存在的問題,是通過在梯度線圈結(jié)構(gòu)中抵消振動(dòng)的力來降低它們,而不是通過衰減或吸收發(fā)射的高水平的聲音噪聲。
文檔編號(hào)A61B5/055GK1127041SQ9419278
公開日1996年7月17日 申請(qǐng)日期1994年6月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月2日
發(fā)明者P·曼斯菲爾德, B·L·W·查普曼, P·M·格羅弗, R·W·包特爾 申請(qǐng)人:英國(guó)技術(shù)集團(tuán)有限公司