CN104198968B - 一种横向梯度线圈及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁共振成像系统的横向梯度线圈及其制作方法。所述横向梯度线圈包括若干片子线圈，子线圈由导线与金属板构成，其中，最外圈或最外圈的一部分为导线，其余部分为金属板，各圈之间采用跳线连接。其制作方法为：将设计好的梯度线圈数据输入数控切割机，按照设定的切割路径对金属板进行切割；截取与设定最外圈长度相同的导线，将导线与金属板进行焊接，然后将导线绕制成设计的最外圈形状；在上述步骤中完成的整个线圈的表面涂上快干树脂；将涂上快干树脂的线圈粘结在绝缘板上，并压紧晾干使其固定成型。本发明能够减小梯度线圈产生的涡流，改善线性度，并且更容易组装，减轻了梯度线圈的重量。
Description
技术领域
本发明涉及一种横向梯度线圈及其制作方法，特别涉及一种用于核磁共振成像系统的横向梯度线圈及其制作方法。
背景技术
梯度线圈是核磁共振成像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。
目前梯度线圈的制作工艺主要有两类：切割金属板式与绕线式。切割金属板式制作工艺的优点是能充分利用骨架上的空间，线圈的平均横截面积大，因此电阻较小，切换率高，发热量小，因此具有更高的性能。特别是对于横向梯度线圈，切割金属板制作工艺是一种较好的方法。
然而，切割金属板式线圈的一个难点在于最外圈边缘线的处理。以圆柱式横向梯度线圈为例，圆柱式横向梯度线圈通常包含4片对称的梯度线圈，如图1所示的圆柱型横向有源屏蔽梯度线圈的径向分布图。其中，内层为主线圈，外层为屏蔽线圈，且每层梯度线圈包含4片对称的子线圈。两个横向梯度线圈分别用GX与GY表示，对于X方向梯度线圈GX，则4片线圈分别关于XY平面以及YZ平面对称；对于Y方向梯度线圈GY，则4片线圈分别关于XY平面以及XZ平面对称。假定圆柱面的轴向为z方向，骨架上任意一点与X轴之间的夹角为在采用流函数方法设计时，通常假定电流密度分布在整个骨架上，即在的范围内均有电流分布。因此，四片线圈的最外圈必然都为矩形，而且各片线圈之间没有缝隙。这种线圈在组装的时候会存在很多的问题，例如会发生短路等。因此必须对最外圈或外圈的一部分进行处理。传统的方法是设计好后对最外圈进行剪切从而增加每片的缝隙，但是剪切后的金属板最外圈的电流中心线会偏离原来的位置，因此或多或少会对线性度造成影响；同时，对于有源屏蔽梯度线圈来说，电流中心线的偏移还会影响屏蔽效果，从而造成涡流的增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种横向梯度线圈及其制作方法，适用于横向梯度线圈的任意子线圈。在该方案中，子线圈由导线和金属片构成。其中，子线圈的最外圈或最外圈的一部分为导线，采用绕线工艺制作；其它部分为金属板，采用切割金属板的工艺制作；子线圈内各圈之间用跳线连接。采用该设计方案，能够改善梯度线圈的性能，而且更容易组装。本发明的技术方案适用于圆柱形、近似圆柱形梯度线圈、平面梯度线圈等结构。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种横向梯度线圈，包括若干片子线圈。子线圈由导线与金属板构成，其中，子线圈的最外圈或最外圈的一部分为导线，其余部分为金属板；子线圈内各圈之间采用跳线连接。
作为本发明的进一步优化方案，采用流函数方法进行梯度线圈设计。
作为本发明的进一步优化方案，采用流函数方法进行梯度线圈设计时，定义流函数为f，f的最大值为fmax，f的最小值为fmin，则切割金属板工艺中，金属板上刻刀走线的路径为由表达式f＝n描述的所有曲线，其中n为[fmin-0.5,fmax+0.5]内的任意非零整数。
作为本发明的进一步优化方案，采用流函数方法进行梯度线圈设计时，定义流函数为f，则在绕线工艺中，最外圈导线的绕线路径为由表达式|f|＝0.5描述的曲线。
作为本发明的进一步优化方案，金属板与外圈导线之间采用渐近线进行过渡。过渡区域同样采用切割金属板工艺制作，若最外圈均为导线，采用绕线工艺制作，则导线与金属板连接的地方正好为跳线；若仅最外圈的一部分为导线，采用绕线工艺制作，则过渡区域的中心线位于表达式f＝±0.5描述的曲线之上。
作为本发明的进一步优化方案，所述金属板的材料为纯铜，导线为实心铜线。
另一方面，本发明提供一种横向梯度线圈的制作方法，用于制作如上所述的横向梯度线圈，包括以下步骤：
步骤1，将设计好的梯度线圈数据输入数控切割机，按照设定的切割路径对金属板进行切割；
步骤2，截取与设定最外圈长度相同的一段导线，将导线与金属板进行焊接，同时绕线绕制成设定的最外圈形状；
步骤3，在整个线圈的表面涂上快干树脂；
步骤4，将涂上快干树脂的线圈粘结在绝缘板上，并压紧晾干使其固定成型。
作为本发明的进一步优化方案，所述切割机为激光切割机。
作为本发明的进一步优化方案，所述绝缘板材质为环氧树脂。
作为本发明的进一步优化方案，导线与金属板之间的焊接采用钎焊。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：采用本发明的设计方案，能够减小梯度线圈产生的涡流，改善线性度，并且更容易组装，减轻了梯度线圈的重量。本发明适用于圆柱形、近似圆柱形梯度线圈、平面梯度线圈等结构。
附图说明
图1是圆柱型有源屏蔽梯度线圈中的横向梯度线圈的径向分布图。
图2是采用流函数方法设计的一片子线圈上的电流密度分布。
图3是根据图2中的电流密度计算得到的金属板刻蚀路径。
图4是一片子线圈的金属板刻蚀路径平面展开图。
图5是跳线连接后一片子线圈的平面展开图。
图6是最外圈采用绕线法制作的线圈平面展开图。
具体实施方式
下面以圆柱型有源屏蔽梯度线圈为例，同时结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1为圆柱型有源屏蔽梯度线圈部件中的横向梯度线圈径向分布图。其中，内层为主线圈，外层为屏蔽线圈，每个梯度线圈部件中包含两个正交方向的横向梯度线圈，分别用GX与GY表示，每层梯度线圈包含四片对称的子线圈。
本实用中采用目前比较流行的流函数法设计梯度线圈，如图2所示的是采用流函数法得到的一片子线圈上的电流密度分布。根据电流密度分布，可以得到梯度线圈骨架上的金属板刻蚀路径或者导线绕线路径。如图3所示的是根据图2中的电流密度计算得到的金属板刻蚀路径，该路径由数圈闭合线组成。
如图4所示给出了一片子线圈的金属板刻蚀路径平面展开图，线圈由多个环形的金属片构成，在实际应用的线圈中，还需要将各环形的金属片进行连接，以实现其功用。连接处的导线或金属片称为跳线，连接之后的线圈平面展开图如图5所示，图中的黑色线条即为刻蚀路径。由此可以看出，如图5所示的四片对称的子线圈之间组合后相互之间不存在缝隙，这种线圈在组装的时候会存在例如短路等问题。因此，必须对线圈的最外圈进行处理，传统的方法是设计好后对最外圈进行剪切从而增加每片的缝隙，但是剪切后的金属板最外圈的电流中心线会偏离原来的位置，因此或多或少会对线性度造成影响；同时，对于有源屏蔽梯度线圈来说，电流中心线的偏移还会影响屏蔽效果，从而造成涡流的增大。
因此，本实施例中，将子线圈的最外圈设计为导线，采用绕线工艺制成；其余部分仍为金属板，采用切割金属板工艺制成；各圈之间采用跳线连接。
本实施例中采用流函数方法进行梯度线圈设计，具体为：定义流函数为f，f的最大值为fmax，f的最小值为fmin，则切割金属板工艺中，金属板上刻刀走线的路径为由表达式f＝n描述的所有曲线，其中n为[fmin-0.5,fmax+0.5]内的任意非零整数；在绕线工艺中，最外圈导线的绕线路径为由表达式|f|＝0.5描述的曲线。
因为导线与金属板分开的，金属板与最外圈导线之间采用渐近线进行过渡。过渡区域同样采用切割金属板工艺制作。由于最外圈均为导线，则导线与金属板连接的地方即为跳线。在本实施例中，金属板的材料采用纯铜，导线采用实心铜线。
另外，依照实际设计需求，还可以仅将线圈的最外圈的一部分设计为导线，其余部分仍为金属板。因为导线与金属板分开的，金属板与外圈导线之间则采用渐近线进行过渡。过渡区域同样采用切割金属板工艺制作，过渡区域中心线位于f＝±0.5描述的曲线之上。由于过渡区域对电性能影响不大，因此渐近线的形状没有具体的要求，只要便于设计与加工即可。
通过上述实施方式，能够有效的避免由于线圈最外圈电流的改变造成的线性度与涡流的变化，使得梯度线圈的性能与设计的性能几乎相当，同时减轻了梯度线圈的重量，并且有利于梯度线圈的装配。
另一方面，针对如上所述的横向梯度线圈的制作方法，具体流程如下：
步骤1，将设计好的梯度线圈数据输入数控切割机，按照设定的切割路径对金属板进行切割；
步骤2，截取与设定最外圈长度相同的一段导线，将导线与金属板进行焊接，同时绕线绕制成设定的最外圈形状；
步骤3，在整个线圈的表面涂上快干树脂；
步骤4，将涂上快干树脂的线圈粘结在绝缘板上，并压紧晾干使其固定成型。
经过上述流程，即可得到制作好的线圈，如图6所示。在本实施例中，数控切割机采用激光切割机，绝缘板材料为环氧树脂，导线与金属板之间采用钎焊焊接。
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，本发明同样适用于类圆柱形梯度线圈、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。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，该横向梯度线圈包括若干片子线圈，子线圈由导线与金属板构成，其中，子线圈的最外圈或最外圈的一部分为导线，其余部分为金属板；子线圈内各圈之间采用跳线连接；
该横向梯度线圈的制作方法包括以下步骤：
步骤1，将设计好的梯度线圈数据输入数控切割机，按照设定的切割路径对金属板进行切割；
步骤2，截取与设定的最外圈的导线长度相同的导线，将导线与金属板进行焊接，同时采用绕线法绕制成设定的最外圈形状；
步骤3，在步骤2中完成的整个线圈的表面涂上快干树脂；
步骤4，将涂上快干树脂的线圈粘结在绝缘板上，并压紧晾干使其固定成型。
2.根据权利要求1所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，采用流函数方法进行梯度线圈设计。
3.根据权利要求2所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最大值为fmax，f的最小值为fmin，则切割金属板工艺中，金属板上刻蚀路径为由表达式f＝n描述的所有曲线，其中n为区间[fmin-0.5,fmax+0.5]内的任意非零整数。
4.根据权利要求2所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，定义流函数为f，则绕线工艺中，最外圈导线的绕线路径为由表达式|f|＝0.5描述的曲线。
5.根据权利要求2所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，金属板与最外圈导线之间采用渐近线进行过渡。
6.根据权利要求1所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，所述金属板的材料为纯铜，导线为实心铜线。
7.根据权利要求1所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，步骤1中所述切割机为激光切割机。
8.根据权利要求1所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，步骤4中所述绝缘板材质为环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的一种横向梯度线圈的制作方法，其特征在于，步骤2中导线与金属板之间的焊接采用钎焊。
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