CN1115110A

CN1115110A - 用于极板磁极的有源屏蔽平面式梯度线圈

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Publication number: CN1115110A
Application number: CN95108596A
Authority: CN
Inventors: 冈瑟·波奇
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-06-29
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: US5581187A; JPH0838458A; CN1079572C; JP3523373B2; DE4422781C1

Abstract

极板磁铁的每个极板(3、4)配置有一梯度线圈的分线圈(11、12)。每个分线圈(11、12)包括一初级线圈和一次级线圈(11a、11b、12a、12b)它们均敷设在一节锥体(13)的表面上。每个分线圈(11、12)的线圈曲线多次通过节锥体(13)的外壳表面从一个表面变换到另一表面。该梯度线圈可如此实现最优化，即使所要求的最大的表面电流密度相对于传统的有源屏蔽装置显著变小。

Description

用于极板磁极的有源屏蔽平面式梯度线圈

在低磁场区域内采用永久磁铁或普通电磁铁工作的原子核自旋层析X射线摄影仪常具有极板电极结构。它的开启式结构有利于病人的可接近性和使病人感到方便和舒适。

US-PS 5166619已介绍了这样一种核自旋层析X射线摄影仪，为便于说明，在图1中图示出这种已有的摄影仪示意图。这个实施例中的核自旋层析X射线摄影仪带有一个基波场磁铁1，它是一C形磁铁，它的静止的磁基波场平行于由X，Y和Z轴组成的直角坐标系中的Z轴方向。这个核自旋层析X射线摄影仪用于检查待测物体，特别是用于检查人体，待测体的体轴沿着该坐标系的X轴方向延伸，并且要检查的物体处于基波场磁场1的圆环形极板3和4之间的投影体积2内。磁性基波场B₀沿坐标系的Z轴方向延伸，它是由电线圈5和6所产生的。坐标系的零点应位于极板3和4之间的中点处，图中为便于清楚说明，将其示于投影体积2之外，因此Z轴是极板3和4的旋转轴。极板3和4之间的间隔H如可取为45cm。这个磁基波场B₀通过磁轭9形成闭合回路。

在极板3和4的缺口内各嵌入用作扁平式梯度线圈的一个分线圈11、12。沿每个梯度方向X，Y、Z都配有一个特殊的分线圈对。

具有不同的极板磁铁结构的脉动式梯度线圈的相互作用是不同于带有亥姆霍兹线圈的磁性装置的，而是更加复杂。除了涡流外，还出现扩散过程，在极靴中的磁滞效应还会引发瞬时的干扰场，它一般呈非线性地变化，并且取决于整个系统的以前的磁场状况。这一干扰场的出现对图象质量产生了不利的影响，特别是现代的快速的图像发生方法(例如回波平面式成象法)对此很敏感，因为当梯度具有较高幅值时，将产生极其快速的转换操作。

人们已研究了多种能抑制上述干扰效应的方案，通常是采用一种特殊构形的极板表面，一方面能抑制涡流，另一方面利用具有合适导磁率的材料将梯度线圈的漏磁通量引导到一确定层面上。例如，目前已有人将紧靠梯度线圈的极板部分制成具有中间隔离层的卷绕铁箍。这样的措施只能对于较简单的序列种类(例如旋转回波序列)提供令人满意的图象质量。类似于采用圆筒形检查室的MR-装置，人们可以显著减小干扰的相互作用，一般是采用有源屏蔽的梯度线圈，也就是说，每个梯度线圈或每个分线圈包括一个初级线圈和一与之平行的次级线圈。初级和次级线圈由电流方向相反地流过，它们的尺寸应使梯度线圈的磁场沿极靴的方向被抵消。然而由两个相互平行布置的方向相反地由电流流过的线圈形成的简单装配并不能实际解决问题，这在图2-图5的说明中予以技术说明。

图2表示一个简化的有源屏蔽的横向梯度线圈的基本结构示意图(在这种情况下沿X方向倾斜)。在图3的断面图中，给出了相应的磁场磁力线。这个X方向的梯度线圈由一上部和下部初级线圈(11a、12a)和一下部和上部次级线圈(11b、12b)组成。每个分线圈的结构与前述美国专利描述的相同。

如果人们忽略这种线圈结构的边缘效应，并限制开始时电流密度X＝0，可以得到下列磁通φ的计算公式：

φ－(r·Z_p)/2μ_o·G_x＝H_x·Δz

其中r是整个线圈装置的半径，Z_p是初级线圈的Z坐标，G_x是沿X方向的梯度，H_x是X方向的磁场强度，Δz是初级和次级线圈之间的间距。

由此计算出当X＝0且在地点X_s上的次级线圈11b，12b的表面电流密度J_ys：

J_ys＝-H_x＝-Z_p/μ_o·G_x·(r/·2Δz)

如果人们在X＝0时用J_o＝Z_p/μ_o·G_x表示一个没有屏蔽的线圈的表面电流密度，则初级线圈11a，12a在地点Z_p的必要的表面电流密度为：

J_yp＝J_ys＋J_o

由此计算出必要的电流密度之比：

J_ys/J_o＝-(r/2Δz)

J_yp/J_o＝1＋(r/2Δz)

人们设置极板磁极的常规数值(例如r＝0.48米，Δz＝0.03米)，于是得到J_ys/J_o＝-8和J_yp/J_o＝9。上述实例表明，一个有源屏蔽式梯度线圈的电流密度应是一没有屏蔽的线圈的大约17倍。

图4表示本文开头所述的US-PS 5166619给出的没有屏蔽的线圈布置图，其中只图示出具有对称结构的分线圈的一半。人们由此可清楚看出，例如在取X＝0时，线圈外边缘的卷绕密度比线圈内部的卷绕密度大得多。由此人们认识到，在给定电流下，通过加大线圈内部区域的卷绕密度，可明显提高表面电流密度。而要提高在线圈外边缘的卷绕密度会增加导线截面。

在上述实例中，对于一有源屏蔽的梯度线圈，在给定电流下，为了把表面电流密度提高9倍，须具有加大9倍的匝数，或在给定匝数时应具有加大9倍的电流。在梯度线圈的运行中，或馈以较大电流，或在较多匝数的前提下(减少导线截面)，明显增大了梯度线圈的消耗损失。尤其是导致梯度线圈外侧局部区域内的很高的耗损。

图5中给出了一种有源屏蔽的梯度线圈的线圈结构，即示出了各为对称布置的分线圈的一半的初级线圈11a和次级线圈11b。它与图2的线圈的区别在于，它为一种所谓“指纹”结构，这种结构记载在US-PS5309107的方法中。与图4相比较，这里选择了三倍大的线圈电流，于是在给定的表面电流密度下，匝数减小到1/3。在初级线圈的中心区，人们可辨认出大约17根导体元件，它们主要朝向Z方向延伸，相反地，图4中传统的(没有屏蔽的)结构只由6根这样的元件构成。如果人们选取三倍大的线圈电流，并且表面电流密度也相应改变，则人们可计算出屏蔽的和没有屏蔽的线圈的下列等效表面电流密度比值：

\frac{(17.3)}{6} = 5.5

仅从比值5.5与上述计算中的9倍的对比得出的事实归结于节能结构的优点。

从图5看出，线圈的外周缘区具有高密度的线圈线，这是由于有高的表面电流密度。在这个边缘区域内，产生高的热负荷。但是在至今为止的有源屏蔽式横向梯度线圈的极板磁极内很难解决这种装置的散热问题。

因此本发明的目的是提供一种用于极板磁极的有源屏蔽的横向梯度线圈，能显著地减小最大表面电流密度。

本发明的目的是通过权利要求1的特征部分的特征实现的，本发明的优选实施例体现在从属权利要求中。

下面参照附图6-14进一步说明本发明的实施例。附图为：

图6和7说明本发明思想的示意图，

图8具有格网的圆筒，用于计算线圈结构，

图9网格内电流示意图，

图10本发明梯度线圈的局部线圈曲线，

图11和12梯度线圈不同实施例的侧视图，

图13和14梯度线圈的不同顶面。

首先根据图6和7说明本发明的基本思想。图6给出上部分线圈的初级(11a)和次级线圈(11b)的各一半，其布置同传统的装置结构。已知初级线圈和与其有关的次级线圈是方向相反地由电流通过的。人们认识到，在图示情况下可以取消初级线圈11a的一根圆弧形回线，其措施在于，它不通过位于外面的圆弧引导，而是直接与一个次级线圈11b的回引的屏蔽件相连接，如图7所示。图6和图7所给出的教导可进一步扩展，人们将其用于极板磁铁的有源屏蔽横向梯度线圈上，能够节省线圈匝数和减小表面电流密度，初级线圈和次级线圈的表面之间的线圈曲线是交替变化的。

必须考虑到，当图6的原始结构从目标场方面被加以优化后，在不采取相应措施的情况下，该附加操作会使目标场(梯度场)的质量劣化。

大为有利的是，在本来的线圈优化中作为附加的自由度允许进行从一个线圈平面到另一线圈平面(即在初级和次级线圈11a、11b的平面之间)的转换。

图8是一横向梯度线圈的一分线圈的初级和次级线圈托架(圆形板、圆筒形)13的简化实例。线圈曲线应这样确定，使导体在这个托架板13的顶面上延伸，并能通过侧表面13a从一个顶面变换到另一顶面。

关于线圈结构设计，人们可概括US-PS 5309107中所给的各种方法来实现。具体地说实行下述各步骤：

1、首先如图8所示，在线圈架的表面上装有一网络。这一确定的网络不是只由多个矩形的同样形状的网格构成的，而是在圆柱形罩表面上也出现梯形网格。假设共有m个网格，它们按数字上的合理分布编号(1、2......m)。

2、人们在有关的体积内选出n个空间点P_i(i＝1、2......n)，n＞m。在这些空间点P_i中确定所要求的目的数场Z_i。

3、人们设想在每个网格中先后流过一单位电流，然后计算出每个网格在n个空间点的各点上由单位电流所产生的场b_ij。b_ij指在第j个网格的第i个空间点处单位电流的场量(Feldbeitrag)。于是给出下列定义：

\underset{=}{b} = (b_{ij})

是所有网络元件的有效矩阵。 I ^t＝(I₁、I₂......I_m)是网络电流矢量，即I_k是在第K个网格内流动的电流，而B ^t＝(B₁、B₂......，B_n)与B_k＝∑b_kj·I_j表示在n个点内所有场量的矢量。它们具有以下关系：

\underline{B} = \underset{=}{b} \cdot I

4、利用一种适用的FIT-算法(例如“最小均方”-FIT)确定一解析矢量 I，即：使目的数场的象限(quadratische)偏差之和最小化，例如对上述关系通过左乘(Links-Multiplikation)，并取乘数项于是人们可求出该矢量I：

\underline{I} = ({\underset{=}{b}}^{t} \cdot \underset{=}{b})^{- 1} \cdot {\underset{=}{b}}^{t} \cdot \underline{B}

5、由于每个网格支路直到边缘网格属于各两个相邻的网格，因此对于每个这样的支路，其实际电流由两个网格电流叠加求得，图9说明了这种情况。具体地说，以位于网格K和K＋m之间的网格支路为例，其实际电流应为I_k－I_K＋m。而位于网格K和K＋1之间的网格支路，求得它的网格电流为I_k－I_k＋1。

这样就得出了外壳面上的总的电流分布，该电流分布一方面由所要求的目的数场所产生的，另一方面满足了连续性方程式的要求。后者适用于每个网格互相连接在一起的情况。这种条件的维持是重要的，因为这种空间电流分布的平衡网络只有通过一个封闭的电路环路才能实现。

6、通过流过固定的额定电流的分立的导体实现预定的电流分布的平衡。为此已存在各种解决方案。例如可以首先求出应流过计算出的电流的网格支路一个限定的面积(网格宽度·网格长度)。再根据在外壳面积内总的电流分布计算出表面电流密度的分布和用额定电流去除，得到在给定外壳面积中的匝数密度分布。每根导体的空间曲线可以从中根据沿合适的积分路径(例如在外壳面积上匝数密度分布的滞留点的偶数线束的投影)的积分求出。人们这样沿路径对匝数密度函数积分，直到该积分值变为整数为止。在这样确定的积分限内，导体的位置应使两边具有同等大小的匝数。

关于由一网格网络确定绕组结构的方法的进一步细节，请参见US-PS 5309107。

在这里推荐的方法中，提出的优化任务的重点在于最大限度地减小耗散损失。这种辅助要求与在有效容积中所要求的场分布有一定的矛盾。这种矛盾可以这样说明，假如在最简化的情况下能简单地实现耗散损失的最小化，即没有电流流动，也不存在有效场。

在一般情况下，在优化任务中借助加权因子来权衡这种相互矛盾的目标要求。例如可如下确定待最小化的函数：

一个网格(一个所谓的支路)的每一侧可配有一浮动(relative)电阻R_i(i＝1，......V)，该电阻与该支路的长度L_i成正比，而与支路的宽度B_i成反比，

R_i＝L_i/B_i

因此，这个网格支路对总热负载的耗散值与R_i J_i ²成正比，其中相应对电流而言，J_i＝(I_k－I_m)，这个电流指流过第i个支路的电流，该第i个支路为第k个和第m个网格所共有。

如果用W表示上述加权因子(Wichtungsfaktor)，则最佳化任务的关系式为：

最小化

Q = Σ_{i = 1}^{v} {[(Σ_{j = 1}^{m} b_{ij} \cdot I_{j}) - Z_{i}]}^{2} + w \cdot Σ_{i = 1}^{v} \cdot R_{i} {J_{i}}^{2}

此外，可以把尽可能减小的耗散损失的边界条件与其它的物理要求，例如使线圈能量最小化，相结合。为此人们计算出网络的所有自感和互感。假设用L_K1表示第K个网络与第1个网格的互感，用L_KK表示第K个网格的自感，人们从下式得到线圈能量W：

W = \frac{1}{2} \cdot \underset{k}{Σ} L_{kk} \cdot {I_{k}}^{2} + \underset{k < I}{Σ} L_{k 1} \cdot I_{k} \cdot I_{1}

最后人们计算出相应的最小函数Q_w：

Q_w＝Q＋ω·W

其中ω是又一个加权因子，它使线圈能量的最小化满足上述关系的要求。

一个按上述方法优化得到的梯度线圈除了提供令人满意的场分布质量外，在实现耗散损耗最小化的同时还提供一短的上升时间。与使用传统的有源屏蔽梯度线圈的线圈结构相比，本发明的线圈结构的最大表面电流密度明显减小，因此本发明可提供实用有效的平面式有源屏蔽梯度线圈。

图10透视地示出按上述方法得到的线圈结构的线圈曲线，为了便于清楚观看，图中只绘出了内部的线匝。由此人们可清楚看出，这些线匝通过线圈边界在初级和次级线圈的表面上变换。

本发明所述的线圈结构不是只限于这里给出的圆筒形，还可以是截锥式结构，(如在图11或12的剖面图所示的)，既可从检查室方向向外缩小，也可朝向检查室方向缩小。如图14所示，线圈支架的罩不一定是圆形的，也可如图13所示，制成椭圆形的。

Claims

1、有源屏蔽平面式梯度线圈，用以产生横向梯度场，用于核自旋层析X射线摄影仪磁铁，包括两个相对放置的围成一检查容积的极板，其中每个极板配置有一个由初级和次级线圈(11a、11b、12a、12b)构成的梯度线圈的分线圈(11、12)，每个分线圈的初级和次级线圈(11a、11b、12a、12b)放在一截锥体(13)的外罩上，并且初级和次级线圈(11a、11b、12a、12b)是这样构成的和通过电流的，即使所产生的磁场朝极板方向增大，其特征在于，每个分线圈(11、12)的线圈曲线多次通过截锥体(13)的外壳表面从一个表面变换到另一个表面。

2、根据权利要求1的梯度线圈，其特征在于，该截锥体(13)是一个圆柱体。

3、根据权利要求1或2的梯度线圈，其特征在于，截锥体(13)的表面是椭圆形的。

4、根据权利要求1或2的梯度线圈，其特征在于，该截锥体(13)的表面是圆形的。

5、根据权利要求1-4之一的梯度线圈，其特征在于，各线圈在根据下列方法确定的轨迹上伸展：

a)通过截锥体敷设一网格网络；

b)每个网格带有一封闭线圈形式的基本线圈；

c)对由每个基本线圈产生的磁场进行计算；

d)采用FIT算法根据给定的目的数场分布确定每个基本线圈的安培-匝数；

e)对每个网格支路通过与相邻网格支路的叠加确定一安培-匝数；

f)沿一合适路径在预定的电流下积分出分别为整数的匝数，由此确定分立的各导体位置，并用作导体轨迹的支点。

6、根据权利要求1-5之一的梯度线圈，其特征在于，该梯度线圈的欧姆损耗被最小化。

7、根据权利要求6的梯度线圈，其特征在于，在使耗散损失最小化的同时，尽量附加实现线圈能量的最小化。