一種有源屏蔽梯度線圈及其設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)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，其特征在于，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(dǎo)線繞線式線圈；兩層梯度線圈之間間隔內(nèi)填充絕緣材料。本發(fā)明還公開了一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法。本發(fā)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采用銅板切割法制作的梯度線圈的性能，但是制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，采用該方案設(shè)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(shè)計方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種核磁共振成像系統(tǒng)中的部件，具體涉及核磁共振成像系統(tǒng)中的有 源屏蔽梯度線圈部件。本發(fā)明還涉及設(shè)計有源屏蔽梯度線圈的方法。本發(fā)明屬于核磁共振 成像系統(tǒng)部件設(shè)計領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 梯度線圈是核磁共振系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是為核磁共振成像系統(tǒng)在 三個正交方向提供交變的梯度磁場，從而實現(xiàn)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。對于超導(dǎo)核磁共 振系統(tǒng)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(gòu)成，二者共 同在成像區(qū)域形成梯度場，并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(nèi)部的交變電流可達數(shù)百安培。
[0003] 目前梯度線圈有金屬板切割式線圈和導(dǎo)線繞線式線圈兩種。金屬板切割式線圈的 制作工藝采用銅板切割式。導(dǎo)線繞線式線圈的制作工藝采用繞線式。
[0004] 這兩種工藝各有優(yōu)缺點。銅板切割式制作工藝的優(yōu)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。但是采用銅板切割具有較大的渦流效應(yīng)。特 別是屏蔽線圈由于銅板面積寬，因此渦流效應(yīng)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制作費。繞線方法工藝簡單，線圈自身產(chǎn) 生的渦流效應(yīng)可以忽略，而且造價比較便宜。一般來說，對于同一臺梯度線圈采用繞線法與 銅板切割法制作的成本相差兩萬以上，這是一個很大的數(shù)字。如何設(shè)計一種工藝，實現(xiàn)梯度 線圈整體的性能非常接近主線圈與屏蔽線圈均采用銅板切割法制作的梯度線圈的性能，但 是制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(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種有源屏蔽梯度線圈及其設(shè)計 方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中主線圈與屏蔽線圈均采用銅板切割法制作的梯度線圈時，制作成 本1?，潤流效應(yīng)大的技術(shù)問題。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)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，其特征在于，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(dǎo)線繞線式線圈；相鄰兩層梯度線圈之間間隔內(nèi)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，其特征在于，縱向梯度線圈 的主線圈與屏蔽線圈均采用導(dǎo)線繞線式線圈。
[0009] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，所述絕緣材料為GFRP，梯度線圈采用 的金屬材料為純銅。
[0010] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，導(dǎo)線繞線式線圈均采用多根導(dǎo)線并 聯(lián)的繞線方式。
[0011] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，所述橫向梯度線圈的每層導(dǎo)線繞線 式屏蔽線圈中并聯(lián)導(dǎo)線數(shù)目為2-4根。
[0012] 前述一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0013] 步驟一：確定每層梯度線圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈采用金 屬板切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈采用導(dǎo)線繞線的工藝制作；
[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：確定制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(shè)計梯度線圈形狀。
[0018] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟五中，針對每個 方向的梯度線圈，依據(jù)梯度場強度、線性度、成像區(qū)域范圍，設(shè)計梯度線圈形狀。
[0019] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟五中，采用流函 數(shù)法設(shè)計梯度線圈的形狀。
[0020] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，定義流函數(shù)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(dǎo)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(nèi)的任意整數(shù)。
[0021] 前述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，定義流函數(shù)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(nèi)的任意整數(shù)。
[0022] 本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明一種有源屏蔽梯度線圈整體的性能非常接近主線 圈與屏蔽線圈均采用銅板切割法制作的梯度線圈的性能，但是制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，采用該方案設(shè)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(fā)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(fā)明采用銅板切割工藝制作的橫向梯度線圈主線圈平面展開結(jié)構(gòu)；
[0025] 圖3是本發(fā)明采用繞線工藝制作的橫向梯度線圈主線圈平面展開結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖4是本發(fā)明采用三線并聯(lián)繞線工藝制作的橫向梯度線圈屏蔽線圈平面展開結(jié) 構(gòu)；
[0027] 圖5是本發(fā)明一種有源屏蔽梯度線圈的制作方法流程圖。

【具體實施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0029] 參照圖1所示，本發(fā)明的重點內(nèi)容是關(guān)于有源屏蔽梯度線圈中的橫向梯度線圈設(shè) 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(fā)明中，公布了一種結(jié)合繞線 法與金屬板切割法制作梯度線圈的設(shè)計方案?？梢灶A(yù)見，本發(fā)明同樣適用于平板式梯度線 圈等結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(jié)構(gòu)；為了方便，兩 個橫向梯度線圈分別用GX與GY表示。
[0030] 傳統(tǒng)的梯度線圈制作工藝包括繞線法與銅板切割法兩種。對于圓柱形有源屏蔽梯 度線圈，銅板切割工藝制作的橫向梯度線圈的平面展開結(jié)構(gòu)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。繞線法制作的梯度線圈平面展開結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 從圖中可以看出，采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。采用銅板切割法的梯度線圈厚度較薄，有利于提升梯度線圈的整體性能。但是采用銅 板切割法需要的金屬材料要遠多于繞線法。銅板切割法目前常用的工藝有激光切割、水切 割等。無論采用哪種切割方式，銅板切割的加工成本都遠高于繞線的成本。對于全身人體 成像有源屏蔽梯度線圈來說，每層橫向梯度線圈采用兩種制作工藝的制作與材料成本差異 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采用銅 板切割的制作方法，則每臺成本差在20000人民幣以上。繞線法除了制作成本低之外，工藝 也相對簡單，重量輕，而且自身的渦流效應(yīng)不明顯。因此，兩種方法各有優(yōu)勢。
[0031] 本發(fā)明中，我們結(jié)合兩種梯度線圈的制作工藝設(shè)計梯度線圈。至少一個橫向梯度 線圈主線圈采用銅板切割的方法制作，至少一個橫向梯度線圈屏蔽線圈采用繞線法制作。 這樣一般只有一層或兩層梯度線圈采用銅板切割的制作方法，能夠顯著的節(jié)省制作成本， 同時渦流效應(yīng)小、減輕了梯度線圈重量。本發(fā)明中的梯度線圈設(shè)計方案如下，附圖參考圖 5 ：
[0032] 步驟一：確定每層梯度線圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈采用金 屬板切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈采用導(dǎo)線繞線的工藝制作；
[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：確定制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(shè)計梯度線圈形狀。
[0037] 在本實施例中，屏蔽線圈均采用繞線式工藝制作，每層屏蔽線圈采用多根導(dǎo)線并 聯(lián)的繞線方式，每層并聯(lián)導(dǎo)線數(shù)目優(yōu)選為2-4根。這樣做的好處是，與采用一根粗的導(dǎo)線相 t匕，渦流效應(yīng)小，而且電感小。而如果屏蔽層采用一根比較細的導(dǎo)線，則會增加梯度線圈的 電阻，并影響屏蔽層的散熱。
[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 均采用繞線法制作，并且同樣采用多根導(dǎo)線并聯(lián)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采用多根導(dǎo)線并聯(lián)的繞線方式。 對于屏蔽線圈來說，每層并聯(lián)導(dǎo)線數(shù)目優(yōu)選為2-4根。
[0039] 本發(fā)明中的橫向梯度線圈與縱向梯度線圈均優(yōu)選采用流函數(shù)方法設(shè)計。流函數(shù)的 定義為：滿足連續(xù)方程的一個描述流速場的標(biāo)量函數(shù)。在這里為描述電流密J在骨架上的 分布的一個標(biāo)量函數(shù)。本實施例中的流函數(shù)法設(shè)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(shù)基函數(shù)分別為： {fRi|l彡i <NP}，{fs，」l彡i彡Ns}，這里NP，N S為基函數(shù)的展開項數(shù)，為預(yù)先給定的正整 數(shù)；則兩個面上的流函數(shù)fp與fs展開式分別為：

【權(quán)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，其特征在于，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(dǎo)線繞線式線圈；相鄰兩層梯度線圈之間間隔內(nèi)填充絕緣材料。
2. 根據(jù)權(quán)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，其特征在于， 縱向梯度線圈的主線圈與屏蔽線圈均采用導(dǎo)線繞線式線圈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，所述絕緣材料為 GFRP，梯度線圈采用的金屬材料為純銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，導(dǎo)線繞線式線圈均 采用多根導(dǎo)線并聯(lián)的繞線方式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種有源屏蔽梯度線圈，其特征在于，所述橫向梯度線圈的 每層導(dǎo)線繞線式屏蔽線圈中并聯(lián)導(dǎo)線數(shù)目為2-4根。
6. 權(quán)利要求1所述一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：確定每層梯度線圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線圈的主線圈采用金屬板 切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線圈的屏蔽線圈采用導(dǎo)線繞線的工藝制作； 步驟二：確定每層梯度線圈在空間的相對位置分布； 步驟三：確定制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(shè)計梯度線圈形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟 五中，針對每個方向的梯度線圈，依據(jù)梯度場強度、線性度、成像區(qū)域范圍，設(shè)計梯度線圈形 狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟 五中，采用流函數(shù)法設(shè)計梯度線圈的形狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，定義流函 數(shù)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(dǎo)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(nèi)的任意整數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線圈的設(shè)計方法，其特征在于，定義流函 數(shù)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(nèi)的任意整數(shù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】平學(xué)偉 申請人:河海大學(xué)