CN104020428A - 一种有源屏蔽梯度线圈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有源屏蔽梯度线圈结构，该结构分为内层和外层，内层置于外层之内，包含横向主线圈、纵向主线圈、横向屏蔽线圈、纵向屏蔽线圈、内层冷却水管和外层冷却水管，所述内层从里至外依次包含横向主线圈、内层冷却水管和纵向主线圈，所述外层从里至外依次包含外层冷却水管、纵向屏蔽线圈和横向屏蔽线圈，相邻的线圈之间采用绝缘材料相互隔离，所述横向主线圈以导线串联横向屏蔽线圈，纵向主线圈以导线串联纵向屏蔽线圈。本发明提高了梯度线圈的散热能力和整体性能。
Description
技术领域
本发明属于核磁共振领域，特别涉及了一种有源屏蔽梯度线圈结构。
背景技术
核磁共振（MRI）仪器的核心部件包括磁体系统、梯度系统和射频系统三大部分。梯度系统主要作用是在成像区域内产生一个近似线性的、可快速开关的梯度磁场。梯度线圈的结构形状主要有圆柱式与平面开放式两种，无论是哪一种类型的梯度线圈，其基本部件都是包括GX、GY、GZ三个梯度线圈，分别在X、Y、Z三个正交方向生成梯度磁场。其中GX与GY称为横向线圈，二者设计原理与结构形状相同，GZ称为纵向线圈。对于超导MRI上使用的梯度线圈，因为需要考虑涡流效应，往往在主线圈之外附加一层屏蔽线圈，将外部的磁场进行屏蔽，因此每个方向的梯度线圈又分为主线圈(Primary Coil)与屏蔽线圈(Shield Coil)，分别用P与S表示。图1所示是一种传统的有源屏蔽梯度线圈与冷却水管的布线方案的剖面结构图，对于圆柱形或椭圆形有源屏蔽梯度线圈，该图所示为包含Z轴与径向的剖面，对于平面有源屏蔽梯度线圈，该图所示为YZ或者XZ剖面。在该方案中，内层顺序为横向主线圈、纵向主线圈、冷却水管，外层顺序为冷却水管、横向屏蔽线圈、纵向屏蔽线圈。
梯度线圈主要关心的指标为梯度磁场强度B、线性度E、切换率S等指标。对于有源屏蔽梯度线圈来说，当采用图1中所示的布线方案时，在梯度磁场强度B与线性度E相同时，GZ线圈的切换率指标一般会大于横向梯度线圈GX与GY的值，线圈整体性能较低，GX与GY线圈达不到最优性能。该方案的另外一个缺点是内层的几个主线圈集中在一起不利于散热，因此对冷却系统以及树脂提出了较高的要求。
另一种布线方案是采用GZ线圈作为冷却水管，其做法是GZ线圈采用空心的导线，其内部流通冷却水，其布线方案的轴向剖面示意图如图2所示。该方案中横向线圈同样达不到最优性能。同时GZ线圈作为冷却水管时需要考虑涡流效应的影响，因此口径不能太大，从而影响了散热效果。
发明内容
一种有源屏蔽梯度线圈结构，分为内层和外层，内层置于外层之内，包含横向主线圈、纵向主线圈、横向屏蔽线圈、纵向屏蔽线圈、内层冷却水管和外层冷却水管，所述内层从里至外依次包含横向主线圈、内层冷却水管和纵向主线圈，所述外层从里至外依次包含外层冷却水管、纵向屏蔽线圈和横向屏蔽线圈，相邻的线圈之间采用绝缘材料相互隔离，所述横向主线圈以导线串联横向屏蔽线圈，纵向主线圈以导线串联纵向屏蔽线圈，所述横向主线圈和横向屏蔽线圈由厚度小于等于10毫米的金属导线或金属板制成，纵向主线圈和纵向屏蔽线圈由厚度小于等于12毫米的金属导线或金属板制成。
其中，上述内、外层冷却水管采用塑料管。
其中，上述内、外层冷却水管的直径大于等于6毫米。
其中，上述内、外层冷却水管相互串联。
其中，上述内、外层冷却水管均是由数根水管并联而成的，水管呈螺旋形绕在骨架上，并且相邻水管的水流方向相反。
其中，上述用以制成横向主线圈和横向屏蔽线圈的金属导线或金属板的厚度小于等于4.8毫米，用以制成纵向主线圈和纵向屏蔽线圈的金属导线或金属板的厚度小于等于6毫米。
其中，相邻两层线圈之间的间隙厚度大于等于0.2毫米，且小于等于0.9毫米。
其中，各线圈采用数根导线并联的绕线方式，横、纵向主线圈与其对应的横、纵向屏蔽线圈之间可以采用不同的并联导线数，且横、纵向主线圈为2-3根并联导线，横、纵向屏蔽线圈为2-6根并联导线。
采用上述技术方案带来的有益效果是：
本发明采用的梯度线圈与冷却水管的结构，虽然在一定程度上牺牲了纵向梯度线圈的性能，但是提高了两个横向线圈的性能，并且能够显著的改善梯度线圈的散热性能。
附图说明
图1是传统的有源屏蔽梯度线圈与冷却水管布线示意图。
图2是纵向线圈作为冷却水管时的布线示意图。
图3是本发明的有源梯度线圈与冷却水管布线示意图。
图4是本发明的横向梯度线圈平面展开结构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本实施例以圆柱形有源屏蔽梯度线圈为例说明。
图3所示是本发明的一种有源屏蔽梯度线圈在径向方向的结构示意图，其中最内层的圆形区域为成像区域DSV；分为内层和外层，内层之内的圆形区域为成像区域DSV，内层置于外层之内，所述内层从里至外依次包含横向主线圈、内层冷却水管和纵向主线圈，所述外层从里至外依次包含外层冷却水管、纵向屏蔽线圈和横向屏蔽线圈，各层线圈之间采用绝缘材料相互隔离，所述横向主线圈以导线串联横向屏蔽线圈，纵向主线圈以导线串联纵向屏蔽线圈，所述横向主线圈和横向屏蔽线圈由厚度小于等于10毫米的金属导线或金属板制成，纵向主线圈和纵向屏蔽线圈由厚度小于等于12毫米的金属导线或金属板制成。
在本发明所示方案中，纵向线圈与冷却水管采用不同的管道。为了增加散热效果，内层冷却水管置于纵向主线圈的内侧，这样能够同时靠近横向线圈与纵向线圈，有利于主线圈的散热。由于外层屏蔽线圈的平均电流密度远比内层主线圈的平均电流密度小，因此外层产生的热量也远小于内层。图4是横向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈的导线分布图，包含(a)、(b)两幅图，(a)为主线圈的平面展开图，(b)为屏蔽线圈的平面展开图。从图中可以看出，屏蔽线圈的导线密度约为主线圈的60%左右。在导线合理布置下，外层产生的热量不到内层的一半。因此外层冷却水管放置于纵向屏蔽线圈的内侧，从而有利于提升纵向线圈的性能。
在该方案中，牺牲了一部分纵向线圈的性能。但是在大多数情况下，采用该种布线方案纵向线圈的性能仍然比横向线圈的性能要好，同时大大改善了散热性能。
在该方案中，冷却水管既可采用金属材料，也可采用非金属材料。采用金属材料的导热性能比较好，但是需要考虑水管产生的涡流的影响，同时会增加梯度线圈的重量与成本。一种本发明的优选方案是采用塑料水管。采用塑料水管的好处是水管不存在涡流效应、重量轻、造价便宜，而且布管时容易绕线。由于塑料管不存在涡流效应，因此在保证GZ线圈性能的条件下，塑料水管可以采用非常大的口径。为了充分保证线圈的散热，作为本发明的一个优选方案，推荐采用外径大于等于6mm的塑料冷却水管。
作为一种优选的冷却水管排布方式，内层水管与外层冷却水管相互串联连接，这样有利于整个梯度线圈的散热均匀。冷却水管优选采用多根水管并联的方式，这样能够显著的提高散热效率，保证梯度线圈整体散热均衡。进一步的，水管呈螺旋形绕在所在的骨架上，并且进水管与出水管交错分布，这样一个水管进水端位置是另一个水管的出水端，从而使得整个管道上的温度分布相差不大。
为了保证梯度线圈的性能，作为本发明的优选方案，横向线圈厚度小于等于4.8mm，纵向线圈厚度小于等于6mm，同时最佳绝缘层厚度在2mm-4mm之间，从而保证了绝缘效果，又尽可能不影响梯度线圈性能。
目前梯度线圈的制作方法主要有两类：绕线式与铜板切割式，两种方法各有优缺点。作为本发明的一种优选方案，每层梯度线圈采用多根导线并联的绕线方式，这样能够降低梯度线圈的电感，并且使每层散热均匀。为了提高性能，主线圈与屏蔽线圈可采用不同的并联导线数。一般主线圈可采用2-3根导线并联，屏蔽线圈可采用2-6根导线并联。在绕线时，首先将每层上面的并联导线在末端进行连接，然后将主线圈与对应的屏蔽线圈进行串联。
可以理解的是，本发明适用于大范围的几何图形，包括但不限于平面梯度线圈、非对称梯度线圈等。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种有源屏蔽梯度线圈结构，分为内层和外层，内层置于外层之内，包含横向主线圈、纵向主线圈、横向屏蔽线圈、纵向屏蔽线圈、内层冷却水管和外层冷却水管，其特征在于：所述内层从里至外依次包含横向主线圈、内层冷却水管和纵向主线圈，所述外层从里至外依次包含外层冷却水管、纵向屏蔽线圈和横向屏蔽线圈，相邻的线圈之间采用绝缘材料相互隔离，所述横向主线圈以导线串联横向屏蔽线圈，纵向主线圈以导线串联纵向屏蔽线圈，所述横向主线圈和横向屏蔽线圈由厚度小于等于10毫米的金属导线或金属板制成，纵向主线圈和纵向屏蔽线圈由厚度小于等于12毫米的金属导线或金属板制成。
2.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述内、外层冷却水管采用塑料管。
3.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述内、外层冷却水管的直径大于等于6毫米。
4.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述内、外层冷却水管相互串联。
5.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述内、外层冷却水管均是由数根水管并联而成的。
6.根据权利要求5所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述水管呈螺旋形绕在骨架上，且相邻水管的水流方向相反。
7.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：所述用以制成横向主线圈和横向屏蔽线圈的金属导线或金属板的厚度小于等于4.8毫米，用以制成纵向主线圈和纵向屏蔽线圈的金属导线或金属板的厚度小于等于6毫米。
8.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：相邻两层线圈之间的间隙厚度大于等于0.2毫米，且小于等于0.9毫米。
9.根据权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：各线圈采用数根导线并联的绕线方式。
10.根据权利要求9所述一种有源屏蔽梯度线圈结构，其特征在于：横、纵向主线圈与其对应的横、纵向屏蔽线圈之间采用不同的并联导线数，且横、纵向主线圈为2-3根并联导线，横、纵向屏蔽线圈为2-6根并联导线。
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