CN104020429A - 一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度线圈并联分层的布线结构，GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈并联。本发明还公开了一种梯度线圈并联分层的布线方法。本发明克服现有技术中GX、GY线圈性能差异大的问题，提高梯度线圈整体的性能。

Description

一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法

技术领域

本发明属于核磁共振系统领域，特别涉及了一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)系统是一种使用核磁共振方法来获得病人的详细图像的医疗系统，是目前临床医学诊断最重要的工具之一。在所有医学影像学手段中，MRI对软组织的显像最为清晰，在很多专门科室的疾病诊断与治疗中发挥重要作用。

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。其中磁体系统能够围绕病人身体的某部分产生强而高度均匀的静磁场，目前常用的有超导磁体系统或永磁磁体系统；梯度系统主要作用是在成像区域内产生一个近似线性的梯度磁场；射频系统主要用于收发射频信号；三大核心部件的性能是决定MRI仪器性能的关键。除了三大核心部件外，还包括计算机处理系统，该系统从射频接收线圈接收信号，并且将该信号进行处理，从而生成医学图像。

梯度线圈根据应用可分为全人体线圈和局部线圈，比如头线圈。其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，它们分别在X、Y、Z三个正交方向生成梯度磁场。其中，GX、GY又被称为横向梯度线圈，GZ被称为纵向梯度线圈。对于超导MRI上使用的梯度线圈，还需要考虑电磁屏蔽，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)，这样的梯度线圈称为有源屏蔽梯度线圈。

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。无论是哪一种类型，GX与GY所在的空间位置距离成像区域中心的距离必然有差别，因此造成GX与GY梯度线圈性能的差别。特别是对于绕线式制作工艺来说，为了减小梯度线圈的电阻必须采用比较粗的导线，从而会导致GX与GY的性能具有较大差别。这种差别体现在两个线圈的梯度场强度不同，或者电感、电阻、切换率等电磁参数的不同。在MRI系统成像时，梯度线圈的性能是由较差的一个线圈决定的。因此，GX与GY梯度线圈的性能差异会影响整个梯度线圈部件的性能。

目前的梯度线圈制作工艺中，GX、GY、GZ三个梯度线圈各占一层圆柱面或平面。有一些专利采用多层绕线的方式，但是其做法是将多层线圈进行串联。这些做法都不能减小GX与GY这两个横向梯度线圈之间的性能差异。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法，克服现有技术中GX、GY线圈性能差异大的问题，提高梯度线圈整体的性能。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种梯度线圈并联分层的布线结构，包含GX/GY/GZ三种梯度线圈，每种梯度线圈均包含主线圈，其中GX/GY为两种不同方向的横向梯度线圈，GZ为纵向梯度线圈，GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈分别作为一个并联支路或者一个并联支路的一部分，各并联支路并联。

其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，则该种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，并联后的主线圈与并联后的屏蔽线圈串联。

其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，且屏蔽线圈层数与该种梯度线圈的主线圈层数相同，则该种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联后作为该种梯度线圈的一层，然后该种梯度线圈的各层并联。

其中，每层梯度线圈由n根并联的导线绕制而成，n为大于等于1的自然数。

其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈还包含屏蔽线圈，某种梯度线圈的每层主线圈的并联导线的数目与该种梯度线圈的每层屏蔽线圈的并联导线的数目不同。每层主线圈的并联导线数目为2-3根，每层屏蔽线圈的并联导线数目为2-6根。

其中，同种梯度线圈的相邻层采用方向相反的跳线方式。

本发明还包含一种梯度线圈并联分层的布线方法，包含以下步骤：

(1)分别确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的主线圈层数NP_X、NP_Y和NP_Z和屏蔽线圈层数NS_X、NS_Y和NS_Z，然后确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的每层主线圈的厚度与每层屏蔽线圈的厚度，其中，NP_X、NP_Y和NP_Z均为正整数且三者中至少有一个为大于1的正整数，NS_X、NS_Y和NS_Z均为非负整数；

(2)确定梯度线圈中各层线圈之间的相对位置，根据各层线圈的厚度与各层线圈之间的间隙厚度确定梯度线圈中各层线圈的中心坐标；

(3)确定同种梯度线圈中各层线圈的连接方式，如果主线圈与屏蔽线圈层数相等，则每层主线圈与某层对应的屏蔽线圈串联连接作为一层，然后同种梯度线圈的各层并联连接；若主线圈与屏蔽线圈层数不等，则各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联；

(4)选择每层梯度线圈的制作工艺，并对每层梯度线圈的形状进行设计；

(5)独立制作各层线圈，然后将所有线圈按顺序依次装配，并将每层线圈按其预定的连接方式进行连接。

步骤(4)中，各层梯度线圈的形状采用流函数法确定。

步骤(4)中，在确定各层梯度线圈的形状时，保证同种梯度线圈的各层线圈之间的梯度场强度和线性度的差异均小于5％。

采用上述技术方案带来的有益效果是：

本发明的梯度线圈采用分层结构和每层多根导线并联的绕线方式，不但能够减小梯度线圈的电感，还能减小导线自身的涡流效应，并且有更好的散热特性，避免局部过热。同时，并联导线由于横截面积小，因此与单根导线相比更容易绕线，降低了工艺难度。在材料成本上，多根并联导线与单根导线的总长度与总的横截面积差不多，因此材料成本几乎一样，但是能够显著的提升线圈的性能。

附图说明

图1是单层梯度线圈中3种线圈的空间位置分布示意图；

图2是圆柱形横向梯度线圈GX/GY的绕线方式示意图；

图3是圆柱形纵向梯度线圈GZ的绕线方式示意图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)依次为某种梯度线圈仅有主线圈、有主线圈和屏蔽线圈、主线圈与屏蔽线圈层数相等情况下的连接方式示意图；

图5-图12是有源屏蔽梯度线圈的八种典型分层结构示意图；

图13是GX/GY梯度线圈每层上的并联绕线方式示意图；

图14是有源屏蔽梯度线圈的抗涡流分层绕线方式示意图。

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。

有源屏蔽梯度线圈部件主要包括X、Y、Z三个方向的梯度线圈，分别用GX、GY、GZ表示，其中GX与GY为横向梯度线圈，线圈结构相似，设计原理相同，GZ为纵向线圈。每个方向的梯度线圈又分为主线圈与屏蔽线圈，分别用P与S表示，例如GXP表示X方向梯度线圈的主线圈。如图1所示为单层梯度线圈中3种线圈的分布示意图，其中最内层的区域为成像区域DSV，内三层线圈为主线圈，排布顺序依次为GXP、GYP、GZP；外三层为屏蔽线圈，排序为GZS、GXS、GYS。其中GXP、GYP、GXS、GYS为马鞍形状，如图2所示；GZP与GZS为圆环形状，如图3所示。

在梯度线圈设计中，我们关心的主要有三个指标：成像区域内梯度磁场的强度B、线性度E以及切换率S或爬升时间Δt。在梯度磁场强度B一定的情况下，线性度E与切换率S越高越好或者说爬升时间Δt越大越好。其中切换率S与磁场强度B、爬升时间Δt之间的关系为：

$\mathrm{\Δt}=\frac{\mathrm{LI}}{V-\mathrm{IR}}---\left(1\right)$

$S=\frac{B}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

式中L,R为梯度线圈的电感与电阻，V,I为梯度放大器的最大电压与最大电流。

可以看出，为了提高切换率，必须减小梯度线圈的电感与电阻。其中电感对切换率的影响比电阻更大。而梯度线圈的电阻除了与切换率有关外，与梯度线圈的散热性能也有关，因此电阻R也需要尽可能的减小。

但是梯度线圈的电感与电阻是互为矛盾的。为了减小梯度线圈的电阻，需要横截面积较大的导线。导线在轴线方向的宽度是有限的，因此只能增加导线在径向的高度。一般导线厚度在4mm以上，而且不同层导线之间需要有绝缘板进行隔离。这样做的结果是，在GX与GY的梯度场强度相同时，两线圈之间的电感差很大，一般相差30uH以上。由于梯度线圈的整体性能是由最差的一个梯度线圈决定的，因此GY线圈的性能会拖累整个设备的性能。

在本发明中，我们提出一种分层布线结构，即：GX线圈以及GY线圈中的一种或两种采用并联分层结构，线圈每层采用比较细的导线。如果GX线圈与GY线圈分两层，则每层厚度约为单层的一半，如果为n层，则每层厚度约为单层的1/n，这样能保证导线的总的横截面积不变。对于GZ线圈，因为GZ线圈设计比横向线圈容易，因此可根据工程需要采用单层布线结构或多层布线结构。例如当GZ线圈用作冷却水管时则必须用单层布线结构。在其他情况下，GZ线圈采用多层布线方式可以减小涡流噪声，同时更容易绕线。

通过合理的布局每层梯度线圈的相对位置，可以使线圈总电阻几乎不变，但是能够有效的减小GX线圈以及GY线圈之间的电感差，同时可以减小GX线圈以及GY线圈本身的电感，从而提高梯度线圈整体的性能。本发明中的分层结构可以有多种形式。对于有源屏蔽梯度线圈来说，GX/GY/GZ三种梯度线圈中每种梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈的层数可以相同，也可以不同。当某种梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈的层数不同时，同种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联。当某种梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈层数相同时，也可以采用上述连接方法，但是为了增加屏蔽线圈的屏蔽效果，推荐采用如下的方法连接：首先将同种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联作为一层，然后同种梯度线圈的不同层在两端并联。图4(a)为仅存在主线圈时的各层连接方式示意图，此时各层主线圈并联。图4(b)为存在屏蔽线圈时的各层连接方式示意图，同种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联。图4(c)是存在屏蔽线圈，且主线圈与屏蔽线圈层数相等时的各层连接方式示意图，同种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联作为一层，然后同种梯度线圈的各层在两端并联。权利要求1中所述主线圈的连接方式包含了图4(a)-(c)所示的三种情况。

下面对GX与GY的主线圈与屏蔽线圈都为两层的情况进行详细的讨论。如图5～图12所示，分别为GX与GY均采用两层线圈，或主线圈采用两层，屏蔽线圈采用一层时的8种典型的分层布线方式的径向分布图。

需要说明的是，图5～图12中所示的所有布线方式中，GZ线圈均可以用单层且横截面积增加一倍的导线替代，因为GX与GY代表两个相互正交且类型相同的横向梯度线圈，因此GX与GY的位置可以互换。当同一方向的梯度线圈的不同层在空间相邻时，可以合并为一层，并用粗导线替代。

确定好每层导线的尺寸以及间隔后，就可以计算出导线中心的径向位置，然后对每层梯度线圈的绕线方式采用相应的算法进行设计。本发明中推荐采用流函数方法设计，其思路是首先假定在每层梯度线圈的表面分布有连续的电流密度J，并且J具有流函数二者之间的关系为：

式中n为该层梯度线圈的单位法向矢量。根据成像区域DSV内的z方向磁场Bz，以及一些必要的输入条件如梯度场强度、线性度等，采用合适的算法如泛函数法、模拟退火算法等可确定电流密度J的具体形式，根据电流密度J可确定流函数进而得到每层梯度线圈导线的形状。采用流函数方法设计的梯度线圈形状为数个不相交的闭合环状结构。将闭合环进行连接，则得到实际的梯度线圈形状。将不同闭合环进行连接的线称为跳线。为了保证梯度线圈的性能，对于同种类的梯度线圈，设计的指标如梯度磁场强度、线性度要尽可能的接近。按照设计经验，同方向线圈不同层的设计指标差异不超过5％。

为了更好地减小梯度线圈的电感，作为进一步的优选方案，对于GX、GY、GZ梯度线圈在每层线圈上可以采用1根导线或多根导线并联绕线，这样能够进一步减小每个线圈自身的电感。在采用流函数方法设计梯度线圈时，每根导线对应的闭合环位置的流函数值构成等差序列。假定梯度线圈采用绕线法制作，且总共有k根导线并联，则导线上的最小流函数值为1/(2k)，在设计时将所有流函数值为n+1/(2k)(n为自然数)的环进行串联作为第一根导线，然后将流函数值为n+3/(2k)(n为自然数)的环进行串联作为第二根导线，以此类推。然后同层上的每根导线在首尾进行并联。如图13所示为在某层采用两根导线并联的横向梯度线圈的布线方式示意图。为了提高性能，主线圈与屏蔽线圈可以采用不同的并联导线根数。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，首先将每层线圈上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。

以内径为700mm，外径为890mm的圆柱型梯度线圈为例，采用4.4mm×7.6mm的导线单层绕线，采用2.2mm×7.6mm的导线双层绕线以及采用2.2mm×3.8mm的双层并联导线绕线的电感与电阻仿真结果如表1所示。其中双层线圈绕线采取图6中的导线分布方式。从表中可以看出，采用双层并联方式，GX与GY梯度线圈之间的电感差明显减小了，而且每个线圈自身的电感降低了。采用双层双线时GY线圈的电感比采用单层单线时GX线圈的电感还小。在梯度线圈设计时，可以针对图5～图12所示的八种线圈布线结构分别计算电阻与电感，从中选择一种使GX与GY之间的电感差最小的布线方案。

表1

	GX电感	GX电阻	GY电感	GY电阻
					单层单线	385	104	413	110
双层单线	377	113	392	115
					双层双线	368	105	383	116

与单层单根导线绕线方式相比，采用双层或者每层并联的好处除了能够减小梯度线圈的电感之外，还能减小导线自身的涡流效应，并且有更好的散热特性，避免局部过热。同时，并联导线由于横截面积小，因此与单根导线相比更容易绕线，降低了工艺难度。在材料成本上，多根并联导线与单根导线的总长度与总的横截面积差不多，因此材料成本几乎一样，但是能够显著的提升线圈的性能。

下面介绍一下分层梯度线圈减小涡流的措施。因为分层梯度线圈每层采用更细的导线，因此导线本身产生的涡流必然比单层的要小很多，这部分涡流可以忽略。因此主要的涡流来源于冷屏上的涡流，这部分涡流值大小约为0.5％左右，能够对图像的质量产生影响。为了减小冷屏上的涡流，对于同方向多层梯度线圈，我们建议在相邻层采用图14所示的绕线方式——同一种梯度线圈，其相邻的两层采用方向相反的跳线方式，并且相邻两层上导线的正负端互换，其中，图14包含(a)、(b)两幅图，分别为同一方向线圈的相邻两层的绕线方式示意图，图中箭头所示为电流流向。由于两幅图中绕线方式相反，同时电流方向相反，因此每个环中的电流方向相同，而跳线处的电流值相反。采用这种结构，理论上可以把冷屏上的涡流值减小到0.02％以下，可以完全忽略。同时，采用这种布线方式，梯度线圈跳线处产生的电磁力可以相互抵消，从而可以降低梯度线圈产生的震动噪声。

从上面的描述可以看出，采用本实施例所述的双层梯度线圈结构在材料成本上与单层梯度线圈相同，但是在提高电性能、降低涡流、减小噪声等各方面有着很大的优势，而且能降低工艺复杂度，因此是一种更为优化的布线方式。

本实施例虽然以圆柱形有源屏蔽梯度线圈为例，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)

1.一种梯度线圈并联分层的布线结构，包含GX/GY/GZ三种梯度线圈，每种梯度线圈均包含主线圈，其中GX/GY为两种不同方向的横向梯度线圈，GZ为纵向梯度线圈，其特征在于：GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈分别作为一个并联支路或者一个并联支路的一部分，各并联支路并联。

2.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，则该种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，并联后的主线圈与并联后的屏蔽线圈串联。

3.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，且屏蔽线圈层数与该种梯度线圈的主线圈层数相同，则该种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联后作为该种梯度线圈的一层，然后该种梯度线圈的各层并联。

4.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：每层梯度线圈由n根并联的导线绕制而成，n为大于等于1的自然数。

5.根据权利要求4所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈还包含屏蔽线圈，该种梯度线圈的每层主线圈的并联导线的数目与该种梯度线圈的每层屏蔽线圈的并联导线的数目不同。

6.根据权利要求5所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：每层主线圈的并联导线数目为2-3根，每层屏蔽线圈的并联导线数目为2-6根。

7.根据权利要求1或2或3所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于：同种梯度线圈的相邻层采用方向相反的跳线方式。

8. 一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于：包含以下步骤，

（1）分别确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的主线圈层数NP_X 、NP_Y和NP_Z和屏蔽线圈层数NS_X 、NS_Y和NS_Z，然后确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的每层主线圈的厚度与每层屏蔽线圈的厚度，其中，NP_X 、NP_Y和NP_Z均为正整数且三者中至少有一个为大于1的正整数，NS_X 、NS_Y和NS_Z均为非负整数；

（2）确定梯度线圈中各层线圈之间的相对位置，根据各层线圈厚度与各层线圈之间的间隙厚度确定各层线圈的中心坐标；

(3) 确定同种梯度线圈中各层线圈的连接方式，若主线圈与屏蔽线圈层数相等，则每层主线圈与某层对应的屏蔽线圈串联连接作为一层，然后同种梯度线圈的各层并联连接；若主线圈与屏蔽线圈层数不等，则各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联；

（4）选择每层梯度线圈的制作工艺，并对每层梯度线圈的形状进行设计；

（5）独立制作各层线圈，然后将所有线圈按顺序依次装配，并将每层线圈按其预定的连接方式进行连接。

9.根据权利要求8所述一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于：步骤（4）中，各层梯度线圈的形状采用流函数法确定。

10.根据权利要求8所述一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于：步骤（4）中，在确定各层梯度线圈的形状时，保证同种梯度线圈的各层线圈之间的梯度场强度和线性度的差异均小于5%。