CN104062613B - 一种有源屏蔽梯度线圈及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈和纵向梯度线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料。本发明还公开了一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法。本发明一种有源屏蔽梯度线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题。同时，采用该方案设计的梯度线圈与铜板切割式相比重量更轻。

Description

一种有源屏蔽梯度线圈及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种核磁共振成像系统中的部件，具体涉及核磁共振成像系统中的有源屏蔽梯度线圈部件。本发明还涉及设计有源屏蔽梯度线圈的方法。本发明属于核磁共振成像系统部件设计领域。

背景技术

梯度线圈是核磁共振系统的关键部件之一，其主要作用是为核磁共振成像系统在三个正交方向提供交变的梯度磁场，从而实现被成像物体的空间定位。梯度线圈的基本部件包括X/Y/Z三个正交方向的梯度线圈，分别在三个方向生成梯度磁场。对于超导核磁共振系统上使用的梯度线圈，每个方向的梯度线圈由主线圈与屏蔽线圈两部分构成，二者共同在成像区域形成梯度场，并使屏蔽线圈外部的磁场最小。在工作时，三个方向的梯度线圈分别与梯度放大器相连接，其内部的交变电流可达数百安培。

目前梯度线圈有金属板切割式线圈和导线绕线式线圈两种。金属板切割式线圈的制作工艺采用铜板切割式。导线绕线式线圈的制作工艺采用绕线式。

这两种工艺各有优缺点。铜板切割式制作工艺的优点是铜板的厚度薄，同时线圈的平均横截面积大，因此电阻较小，切换率高。但是采用铜板切割具有较大的涡流效应。特别是屏蔽线圈由于铜板面积宽，因此涡流效应更明显。另外铜板切割式的价格比绕线式要贵许多。这部分多出来的费用包括材料费以及加工制作费。绕线方法工艺简单，线圈自身产生的涡流效应可以忽略，而且造价比较便宜。一般来说，对于同一台梯度线圈采用绕线法与铜板切割法制作的成本相差两万以上，这是一个很大的数字。如何设计一种工艺，实现梯度线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题，且使得整体重量更轻，就成为亟需解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有源屏蔽梯度线圈及其设计方法，以解决现有技术中主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈时，制作成本高，涡流效应大的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈，每个横向梯度线圈包括主线圈与屏蔽线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；相邻两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈，还包含纵向梯度线圈，其特征在于，纵向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈均采用导线绕线式线圈。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述绝缘材料为GFRP，梯度线圈采用的金属材料为纯铜。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，导线绕线式线圈均采用多根导线并联的绕线方式。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述横向梯度线圈的每层导线绕线式屏蔽线圈中并联导线数目为2-4根。

前述一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金属板切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作；

步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布；

步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔距离；

步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度；

步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，针对每个方向的梯度线圈，依据梯度场强度、线性度、成像区域范围，设计梯度线圈形状。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，采用流函数法设计梯度线圈的形状。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最大值为f_max，f的最小值为f_min，则绕线式线圈中导线的中心线为由f＝n+0.5描述的所有曲线，n为[f_min-0.5,f_max-0.5]内的任意整数。

前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最大值为f_max，f的最小值为f_min，则金属板上刻刀走线的路径为由f＝n描述的所有曲线，n为[f_min-0.5,f_max+0.5]内的任意整数。

本发明的有益之处在于：本发明一种有源屏蔽梯度线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题。同时，采用该方案设计的梯度线圈与铜板切割式相比重量更轻。

附图说明

图1是本发明圆柱型横向有源屏蔽梯度线圈的径向分布图；

图2是本发明采用铜板切割工艺制作的横向梯度线圈主线圈平面展开结构；

图3是本发明采用绕线工艺制作的横向梯度线圈主线圈平面展开结构；

图4是本发明采用三线并联绕线工艺制作的横向梯度线圈屏蔽线圈平面展开结构；

图5是本发明一种有源屏蔽梯度线圈的制作方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，本发明的重点内容是关于有源屏蔽梯度线圈中的横向梯度线圈设计。本实施例针对圆柱形有源屏蔽梯度线圈进行说明。在本发明中，公布了一种结合绕线法与金属板切割法制作梯度线圈的设计方案。可以预见，本发明同样适用于平板式梯度线圈等结构。图1是圆柱形有源屏蔽梯度线圈中的两个相互正交的横向梯度线圈在空间的分布。图中内层为主线圈，外层为屏蔽线圈，每层梯度线圈包含4片对称的结构；为了方便，两个横向梯度线圈分别用GX与GY表示。

传统的梯度线圈制作工艺包括绕线法与铜板切割法两种。对于圆柱形有源屏蔽梯度线圈，铜板切割工艺制作的横向梯度线圈的平面展开结构图如图2所示，图中只画出了1/4部分，其他部分可由对称性得到。绕线法制作的梯度线圈平面展开结构图如图3所示。从图中可以看出，采用铜板切割法能充分利用该层的面积，从而有效的降低梯度线圈的电阻。采用铜板切割法的梯度线圈厚度较薄，有利于提升梯度线圈的整体性能。但是采用铜板切割法需要的金属材料要远多于绕线法。铜板切割法目前常用的工艺有激光切割、水切割等。无论采用哪种切割方式，铜板切割的加工成本都远高于绕线的成本。对于全身人体成像有源屏蔽梯度线圈来说，每层横向梯度线圈采用两种制作工艺的制作与材料成本差异约5000元-8000元人民币左右。如果所有横向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈全部采用铜板切割的制作方法，则每台成本差在20000人民币以上。绕线法除了制作成本低之外，工艺也相对简单，重量轻，而且自身的涡流效应不明显。因此，两种方法各有优势。

本发明中，我们结合两种梯度线圈的制作工艺设计梯度线圈。至少一个横向梯度线圈主线圈采用铜板切割的方法制作，至少一个横向梯度线圈屏蔽线圈采用绕线法制作。这样一般只有一层或两层梯度线圈采用铜板切割的制作方法，能够显著的节省制作成本，同时涡流效应小、减轻了梯度线圈重量。本发明中的梯度线圈设计方案如下，附图参考图5：

步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金属板切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作；

步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布；

步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔距离；

步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度；

步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。

在本实施例中，屏蔽线圈均采用绕线式工艺制作，每层屏蔽线圈采用多根导线并联的绕线方式，每层并联导线数目优选为2-4根。这样做的好处是，与采用一根粗的导线相比，涡流效应小，而且电感小。而如果屏蔽层采用一根比较细的导线，则会增加梯度线圈的电阻，并影响屏蔽层的散热。

为了保证纵向梯度线圈的性能，本实施例中对纵向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈均采用绕线法制作，并且同样采用多根导线并联的绕线方式。因此，本实施例中，为了减小梯度线圈的电感，横向梯度线圈屏蔽线圈与纵向梯度线圈采用多根导线并联的绕线方式。对于屏蔽线圈来说，每层并联导线数目优选为2-4根。

本发明中的横向梯度线圈与纵向梯度线圈均优选采用流函数方法设计。流函数的定义为：满足连续方程的一个描述流速场的标量函数。在这里为描述电流密J在骨架上的分布的一个标量函数。本实施例中的流函数法设计思路如下。

首先给定梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈的骨架形状及位置，这样能够定义梯度线圈所在的两个面。假定主线圈与屏蔽线圈所在骨架上的流函数基函数分别为：{f_p,i|1≤i≤N_p}，{f_s,i|1≤i≤N_s}，这里N_p，N_s为基函数的展开项数，为预先给定的正整数；则两个面上的流函数f_p与f_s展开式分别为:

这里a_i以及b_i为待求系数。通过流函数可以得到电流密度的表达式：

这里J_p为主线圈骨架上的电流密度分布，J_s为屏蔽线圈骨架上的电流密度分布，n为骨架的外法向矢量。

定义好电流密度表达式后，可以求出空间任意一点的磁场值B以及线圈储能W:

公式中，μ₀为真空中的磁导率，π为圆周率，S与S'为线圈骨架所在的面，r与r'为骨架上任一点的坐标矢量，J为电流密度。

在成像区域内选取K1个目标点，并给定每个目标点r_k处的理想磁场值的z分量为B_z,des(r_k)；在屏蔽层外部区域选取K2个目标点，每个目标点上的理想磁场为零；然后构造如下泛函：

式中的w₁,w₂,w₃为权重因子，W为线圈储能，B_z(r_k)为电流密度J在r_k处产生的磁场的z分量，B(r_k')为电流密度J在r_k'处产生的磁场。将(1)-(4)分别代入上式(5)并求解其最小值，即可得到梯度线圈的最优解a_i以及b_i，进而可求得每层梯度线圈上的电流密度分布及流函数分布。

求出a_i以及b_i后，根据a_i以及b_i可得到电流密度的空间分布以及导线的实际形状。假定流函数为f，f的最大值为f_max，f的最小值为f_min，则导线的电流中心线位置为流函数值为f＝n+0.5(n为[f_min-0.5,f_max-0.5]内的任意整数)的曲线构成的集合。采用绕线制作时，将上述的所有曲线串联，即为实际梯度线圈的形状，如图3所示。如果为多根导线并联，则以上述曲线为中心并行排列，保证并联导线的电流中心位置在上述曲线上；采用金属板切割方法制作时，金属板上刻刀走线的路径为由f＝n(n为[f_min-0.5,f_max+0.5]内的任意整数)描述的所有曲线。所有上述曲线串联，即为完整的刻刀走线路径，如图2所示。

为了减小梯度线圈的电阻，该实施例中梯度线圈采用的金属材料为实心或空心的纯铜。为了保证三个方向梯度线圈之间的绝缘效果，每层梯度线圈之间的绝缘材料优选为GFRP板。

下面根据具体的算例给出仿真结果。本实施例中的梯度线圈采用前面所述的流函数方法设计。假定某一横向梯度线圈主线圈中心半径为0.34495m，屏蔽线圈中心半径为0.4372m。横向梯度线圈主线圈采用厚度为2.4mm的铜板刻蚀，横向屏蔽线圈采用横截面尺寸为4.0mm×6.0mm的导线三根并联绕线。设计指标为50cm×50cm×40cm的椭球区域内的磁场强度为55uT/m/A，线性度为4.5％。设计得到的主线圈与屏蔽线圈形状如图2与图4所示。图4中采用三根导线并联绕线。主线圈长度约为117m，屏蔽线圈长度约为74m，总电感为361uH。如果屏蔽线圈采用铜板切割的方法制作，则总电感为355uH。二者的电感值非常接近。

虽然本实施例是针对圆柱形有源屏蔽梯度线圈的情况，但是应当指出的是，本发明同样适用于椭圆形梯度线圈、平面梯度线圈、非对称梯度线圈等结构。本发明专利保护范围由所附权利要求书限定。

采用本实施例方案，梯度线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题。同时，采用该方案制作的梯度线圈与铜板切割式相比重量更轻。本发明适用于圆柱形、近似圆柱形有源屏蔽梯度线圈、平面有源屏蔽梯度线圈等结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈，每个横向梯度线圈包括主线圈与屏蔽线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；相邻两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料；纵向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈均采用导线绕线式线圈；所述绝缘材料为GFRP，梯度线圈采用的金属材料为纯铜；导线绕线式线圈均采用多根导线并联的绕线方式；所述横向梯度线圈的每层导线绕线式屏蔽线圈中并联导线数目为2-4根。

2.权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金属板切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作；

步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布；

步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔距离；

步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度；

步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。

3.根据权利要求2所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，针对每个方向的梯度线圈，依据梯度场强度、线性度、成像区域范围，设计梯度线圈形状。

4.根据权利要求2所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，采用流函数法设计梯度线圈的形状。

5.根据权利要求4所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最大值为f_max，f的最小值为f_min，则绕线式线圈中导线的中心线为由f＝n+0.5描述的所有曲线，n为[f_min-0.5,f_max-0.5]内的任意整数。

6.根据权利要求4所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最大值为f_max，f的最小值为f_min，则金属板上刻刀走线的路径为由f＝n描述的所有曲线，n为[f_min-0.5,f_max+0.5]内的任意整数。