CN104849681A - 一种核磁共振波谱仪梯度线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核磁共振波谱仪的梯度线圈，该梯度线圈由主线圈以及同轴设置于其外侧的屏蔽线圈组成，其中主线圈为若干组在所述线圈轴向方向上对称分布于上下两部的线圈绕组，上部的两组线圈与下部的两组线圈绕向相反，屏蔽线圈为两组上下两部对称分布且绕向相反的线圈绕组，所有绕组线圈串联连接，屏蔽线圈与主线圈之间优选保持4.3～5.3mm的间距，并且在主线圈的内部空间内还设置有隔热部件。按照本发明实现的梯度线圈，明显提高了线圈效率，并且用简单的算法和工艺就可获得强度大于50Gs/cm10A、线性误差小于0.5Gs10A的梯度磁场，并且能够确保梯度场在变温实验中的稳定性。

Description

一种核磁共振波谱仪梯度线圈

技术领域

本发明属于核磁共振波谱仪领域，更具体地，涉及一种梯度线圈。

背景技术

核磁共振波谱仪进行梯度匀场、二维梯度实验时需要在主磁场中产生一很强的纵向梯度场，一般要求其强度在50Gs/cm10A以上。因此需要在核磁共振波谱仪探头中加入梯度线圈，其在外部脉冲梯度电流的驱动下产生一个梯度场，该梯度场强越强越好，然而当梯度线圈产生梯度场时，它附近的金属导体上会感应出涡流，梯度场越强越容易产生涡流，涡流会产生与原梯度场相反的磁场，降低梯度线圈的效率，并且降低磁场的稳定性，影响到核磁共振波谱仪的正常工作。

现有技术中采用了流函数和目标场方法来求解，然而核磁共振波谱仪探头内放置梯度线圈的空间十分有限，梯度线圈必须满足体积小、电感小、梯度场强大等要求，流函数和目标场方法在场强要求高而线圈体积又被严格限制时，这种设计方法难以得出合理的梯度线圈方案，并且导致加工困难无法进行实际生产。

目前已经存在采用自屏蔽线圈来解决涡流问题的主流方法，但是屏蔽线圈会在目标区域产生反向磁场，会抵消掉主线圈几乎一半的梯度场，因此为了得到足够强的梯度场，不得不增加线圈绕组数量，但是在增加绕组数量的情况下又增大了线圈的电感和电阻，影响线圈的梯度场切换速度，并显著增加线圈功耗。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种核磁共振波谱仪的梯度线圈，其目的在于提供一种算法简单且能获得较高强度的梯度磁场，并解决在采用自屏蔽手段之后降低线圈功耗、减小线圈电感和电阻的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，该梯度线圈由主线圈以及同轴设置于其外侧的屏蔽线圈组成，其中所述屏蔽线圈为沿所述梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组，其上部线圈绕组与下部线圈绕组绕向相反；所述主线圈为沿所述梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组对，其对称的上部线圈绕组与下部线圈绕组绕向相反；所有所述绕组线圈串联连接，由此与外部电流源形成电流通路。

进一步地，所述屏蔽线圈与所述主线圈的间距优选为在核磁共振波谱仪探头允许的空间范围内的最大值，由此提高所述梯度线圈的工作效率。

进一步地，所述屏蔽线圈与所述主线圈的间距优选为4.3～5.3mm。

进一步地，所述主线圈的内部空间内还设置有隔热部件。

进一步地，所述主线圈包含若干对用于产生基础磁场的线圈绕组和若干对用于消除基础磁场9阶以内高阶奇数项的线圈绕组。

进一步地，所述主线圈的所述上部线圈绕组和所述下部线圈绕组分别具有多个匝数不同的子线圈绕组。

进一步地，所述隔热部件(3)的热膨胀系数小于10^-6/℃，可承受±200℃的热冲击。

进一步地，所述隔热部件的体积磁化率为10^-6量级。

进一步地，所述隔热部件优选为石英玻璃管。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)产生一个强度为60Gs/cm10A，在±10mm的有效区域内整体线性误差小于0.5Gs10A的纵向梯度场；

(2)通过适当增大屏蔽线圈与主线圈间距的方式来减小屏蔽线圈在目标区域的反向磁场，提高整个梯度线圈的效率，同时减小线圈电感和电阻；

(3)通过在梯度线圈内设置一层石英玻璃管，使得梯度线圈与其内部空间的快速温度变化相隔离，有效解决变温试验中线圈因热胀冷缩而发生形变，确保了梯度场在变温实验中的稳定性。

附图说明

图1是按照本发明实现的核磁共振波谱仪的梯度线圈整体示意图；

图2是按照本发明实现的核磁共振波谱仪的梯度线圈中的主线圈的绕线方式及电流方向示意图；

图3是按照本发明实现的核磁共振波谱仪的梯度线圈主线圈在轴线上产生的梯度场的计算结果示意图；

图4是按照本发明实现的核磁共振波谱仪的梯度线圈主线圈线性度指标的计算结果示意图；

图5是按照本发明实现的核磁共振波谱仪的梯度线圈整体线性度指标的计算结果示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-屏蔽线圈 2-主线圈 3-石英玻璃管 21-第一上部线圈绕组22-第二上部线圈绕组 23-第一下部线圈绕组 24-第二下部线圈绕组

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明梯度线圈由屏蔽线圈1、主线圈2和石英玻璃管3组成，如图1所示的核磁共振波谱仪梯度线圈的整体结构示意图。屏蔽线圈1套于主线圈2的外层，两者之间保持4.3～5.3mm的间距，屏蔽线圈1在其中心产生的磁场与主线圈2产生的梯度场方向相反，且弱于主线圈2产生的梯度场，屏蔽线圈1产生的磁场抵消主线圈2外侧的发散磁场，但也消弱了主线圈2中心的梯度场。

如图2所示的主线圈的结构示意图，其中屏蔽线圈1为沿梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组，其上部线圈绕组与下部线圈绕组绕向相反；主线圈2为沿梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组对，其对称的上部线圈绕组21,22与下部线圈绕组23,24，屏蔽线圈(1)与所述主线圈(2)之间绕向相反。屏蔽线圈1与主线圈2上的所有线圈绕组用串连的方式相互连接。外部输入的驱动电流依次流过屏蔽线圈1和主线圈2，主线圈2在其内部会产生一个场强大于设计要求的梯度场，主线圈2外侧的发散磁场会迅速衰减。

屏蔽线圈1位于主线圈2外侧，并与主线圈保持4.3～5.3mm的间距，在这种设置方式下，屏蔽线圈1与主线圈2共同产生的梯度场接近于理想的状态：整个梯度线圈中心的梯度场强度为60Gs/cm，梯度线圈外侧的发散磁场接近于0，在此种情况下可避免梯度线圈在其附近的金属导体上产生涡流。

本发明中，还更优选地采用石英玻璃管3同轴设置于主线圈2内部，使梯度线圈与其中心的空间区域相互隔离。在核磁共振波谱仪使用过程中，经常进行温度变化的实验，梯度线圈中心区域的温度会剧烈变化，并影响梯度线圈的形状、电阻率等各种特性，使梯度线圈产生的梯度场不稳定。石英玻璃管3的放置，使梯度线圈与其中心区域相互隔离，梯度线圈的温度保持恒定，可以在宽范围的温度下实现梯度场稳定。

如图2所示，是按照本发明实现的主线圈上线圈绕制示意图，梯度线圈的主线圈2由两对Maxwell线圈组成，上部和下部线圈通以互为反向的电流，由一对21匝Maxwell线圈21、24和一对2匝Maxwell线圈22、23组成，其中21匝Maxwell线圈21与2匝Maxwell线圈22成为一组设置在上部，另外一组23、24设置在下部，且上部和下部的线圈绕向相反。其中，21匝Maxwell线圈分布3层，每层7匝，直径分别为11.7mm、12.3mm和12.7mm，距离线圈中心的高度为14mm，这对Maxwell线圈产生一个强度约90Gs/cm10A的基础磁场，但含有高阶奇数项。一对2匝Maxwell线圈分布1层，直径11.7mm，距离线圈中心高度为4.5mm，这对同轴线圈产生补偿磁场，可消除基础磁场9阶以内的高阶奇数项。由上述同轴线圈的组合形式，形成了线性度良好的梯度场。

由上述Maxwell线圈组成的主线圈2在其中心轴线上产生的梯度场如图3所示，用计算结果与基准线的差值来衡量线性度，并绘制成二维曲线图，如图4所示，在±6mm的中心区域内，主线圈2产生的梯度场的线性误差小于0.02Gs10A。加上屏蔽线圈1后，整个梯度线圈的纵向梯度场在±10mm的有效区域内线性误差小于0.5Gs10A，如图5所示。

而本发明的梯度线圈主线圈的设计原理和方法如下：

先根据Biot-Savart定律，推导出环形电流在z轴上一点P(0,0,Z)的磁场计算公式：

${\stackrel{\→}{B}}_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\·I\·R^2}{2{(R^2+Z^2)}^{3/2}}\stackrel{\→}{k}---\left(1\right)$

式中，R为圆环半径，I为电流大小，真空磁导率μ₀＝4π·10^-7T·m/A，为z轴的方向向量。若向一对线圈通以互为反向的电流，就可以消除泰勒级数的偶次项。再看公式(1)泰勒展开后的奇数项：

$\frac{{\∂}^3{B}_Z}{\∂Z^3}=-\frac{{3R}^2}{{(R^2+Z^2)}^{7/2}}Z-\frac{{7R}^2}{{(R^2+Z^2)}^{9-2}}{Z}^3---\left(2\right)$

$\frac{{\∂}^5{B}_Z}{\∂Z^5}=\frac{{5R}^2}{{(R^2+Z^2)}^{9/2}}Z-\frac{30R^2}{{(R^2+Z^2)}^{11/2}}{Z}^3-\frac{33R^2}{{(R^2+Z^2)}^{13/2}}{Z}^5---\left(3\right)$

$\frac{{\∂}^7{B}_Z}{\∂Z^7}=-\frac{35R^2}{{(R^2+Z^2)}^{11/2}}Z-\frac{385R^2}{{(R^2+Z^2)}^{13/2}}{Z}^3-\frac{1001R^2}{{(R^2+Z^2)}^{15/2}}{Z}^5-\frac{715R^2}{{(R^2+Z^2)}^{17/2}}{Z}^7---\left(4\right)$

由此得出，通过多线圈组合，可以消除高阶奇数项。

以4线圈结构为例，两对线圈到中心点的垂直距离分别为Z1和Z2，线圈内分别通以电流I1和I2，由此得到消除3阶、5阶、7阶的方程组：

$I_1\frac{{\∂}^3{B}_Z}{\∂Z^3}{|}_{Z=Z_1}+I_2\frac{{\∂}^3{B}_Z}{\∂Z^3}{|}_{Z=Z_2}=0---\left(5\right)$

$I_1\frac{{\∂}^5{B}_Z}{\∂Z^5}{|}_{Z=Z_1}+I_2\frac{{\∂}^5{B}_Z}{\∂Z^5}{|}_{Z=Z_2}=0---\left(6\right)$

$I_1\frac{{\∂}^7{B}_Z}{\∂Z^7}{|}_{Z=Z_1}+I_2\frac{{\∂}^7{B}_Z}{\∂Z^7}{|}_{Z=Z_2}=0---\left(7\right)$

计算结果是一个最大不为零项为9阶的梯度场。梯度场强度由电流大小、线圈半径和匝数共同决定。

屏蔽线圈会削弱主线圈在轴线上产生的梯度场，现有技术只是从线圈设计算法上进行微调，效果不佳，还会显著提高设计和制作难度。本发明基于发散磁场在线圈外加速衰减这一现象，适当增大屏蔽线圈与主线圈的间距，让主线圈的发散磁场先经过一段距离的自然衰减，再进行屏蔽，因此可以降低屏蔽线圈磁场强度的设计要求。屏蔽线圈的磁场强度降低后，它对主线圈轴向梯度场的负面影响也会减小，因此主线圈可以更高效地工作。

本实施例中所涉及的梯度线圈要求在10A的电流下产生强度为60Gs/cm的梯度场，主线圈半径R1＝12mm，屏蔽线圈半径为R2。当R2＝15mm时，主线圈与屏蔽线圈在轴线上产生的梯度场强度分别为140Gs/cm和-80Gs/cm，线圈工作效率为27.3％；当R2＝17mm时，主线圈2与屏蔽线圈1在轴线上产生的梯度场强度分别为90Gs/cm和-30Gs/cm，线圈工作效率为50％。

主线圈与屏蔽线圈的间距增大后，线圈效率有了明显提高，从而可以有效减少梯度线圈的线圈匝数，并减小梯度线圈的电感和电阻。

因此本发明提出在核磁共振波谱仪探头允许的空间范围内，适当扩大主线圈与屏蔽线圈的间距，即在允许的范围内，将之间的间距设置为最大值，由此能够显著地提高梯度线圈的工作效率。

核磁共振波谱仪的变温范围较大，一般在-80℃～+160℃。梯度线圈的中心区域十分狭窄，且是温度变化的核心区域，该区域在低温气流作用下温度冷却或高温气流作用下温度上升时，梯度线圈的骨架容易因热胀冷缩而发生形变。这种形变使导线发生位移，影响梯度线圈的输出梯度场效果。例如，当梯度线圈中的屏蔽线圈1的导线整体向两端移动0.1mm时，整个梯度线圈溢出的杂散磁场会增大一倍。

本发明进一步对梯度线圈采用石英玻璃管3作为隔热措施，石英玻璃管3可以有效阻挡低温气流和高温气流，使梯度线圈受中心区域的温度变化影响最小。本实施例中玻璃管的材料选用石英玻璃，其热膨胀系数为5.5×10^-7/℃，只有普通玻璃的1/12～1/20，可有效地保证梯度线圈变形最小，确保了梯度场的稳定，当然隔热部件也可以采用其它材料，但须遵循以下条件：热膨胀系数小于10^-6/℃，可承受±200℃的热冲击；隔热部件材料的体积磁化率为10^-6量级；隔热部件材质均匀结构对称。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，该梯度线圈由主线圈(2)以及同轴设置于其外侧的屏蔽线圈(1)组成，其中所述屏蔽线圈(1)为沿所述梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组，其上部线圈绕组与下部线圈绕组绕向相反；所述主线圈(2)为沿所述梯度线圈轴向上下对称设置的若干线圈绕组对，其对称的上部线圈绕组(21,22)与下部线圈绕组(23,24)绕向相反；所有所述绕组线圈串联连接，由此与外部电流源形成电流通路。

2.如权利要求1所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述屏蔽线圈(1)与所述主线圈(2)的间距优选为在核磁共振波谱仪探头允许的空间范围内的最大值，由此提高所述梯度线圈的工作效率。

3.如权利要求2所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述屏蔽线圈(1)与所述主线圈(2)的间距优选为4.3～5.3mm。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述主线圈(2)的内部空间内还设置有隔热部件(3)。

5.如权利要求4所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述主线圈(2)包含若干对用于产生基础磁场的线圈绕组和若干对用于消除基础磁场9阶以内高阶奇数项的线圈绕组。

6.如权利要求5所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述主线圈(2)的所述上部线圈绕组和所述下部线圈绕组分别具有多个匝数不同的子线圈绕组。

7.如权利要求5或6所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述隔热部件(3)的热膨胀系数小于10^-6/℃，可承受±200℃的热冲击。

8.如权利要求7所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述隔热部件(3)的体积磁化率为10^-6量级。

9.如权利要求8所述的核磁共振波谱仪梯度线圈，其特征在于，所述隔热部件(3)优选为石英玻璃管。