CN113009395B - 一种并联结构的梯度线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联结构的梯度线圈，包括：三套线圈和两个功率放大器，每套线圈均包括两组并联结构的主线圈和两组并联结构的屏蔽线圈，其中一组并联结构的主线圈和并联结构的屏蔽线圈由一个功率放大器的一条通道驱动，另一组并联结构的主线圈和并联结构屏蔽线圈由另一个功率放大器的一条通道驱动。本发明提供的梯度线圈采用并联的结构，具有热点温度低的优点，能够降低冷却管路的设计和制造难度，而且具有更高的梯度线性度，可以改善图像质量；此外通过采用两个常规的功率放大器来同时驱动线圈，降低了对驱动电源的性能要求，提高了磁共振成像系统的可靠性，降低了系统的成本。

Description

一种并联结构的梯度线圈

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，特别是涉及一种并联结构的梯度线圈。

背景技术

随着磁共振成像技术的发展，追求更高的图像分辨率和更快的扫描速度，这对梯度线圈的性能提出了更高的要求。

高性能梯度线圈要能够产生更高的梯度强度，且具有更快的切换速率。可以通过增加线圈的匝数或者增大线圈电流来提高梯度强度，更快的切换速率则要求梯度线圈具有较低的电感。

但是，由于空间尺寸的限制，在有限的空间内仅能布置一定匝数的通电导线。而且，匝数的增加会导致电感的增大，这对功率放大器提出了更高的要求。增大线圈的电流则会带来更严重的发热问题，需要更多的空间用于布置冷却介质回路，这带来了性能的下降和成本的增加。

为了解决发热问题，现有技术都布置了非常复杂的冷却管路，这给生产制造带来了困难，而且给产品的可靠性增加了风险。双层导体结构要求更高的电压和更大的电流，需要配置更高性能的功率放大器，带来了成本和技术难度的增加，受限于现有功率器件的技术水平，目前最高性能的功率放大器能够提供2200V的峰值电压和1500A的峰值电流。

发明内容

本发明的目的是提供一种并联结构的梯度线圈，可以有效解决现有梯度线圈制造成本高和可靠性低等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

一种并联结构的梯度线圈，包括：

第一线圈，所述第一线圈包括两组相互串联的第一主线圈和第一屏蔽线圈，两组所述第一主线圈均包括相互并联的两个第一主指纹线圈，两组所述第一屏蔽线圈均包括相互并联的两个第一屏蔽指纹线圈；

第二线圈，所述第二线圈包括两组相互串联的第二主线圈和第二屏蔽线圈，两组所述第二主线圈均包括相互并联的两个第二主指纹线圈，两组所述第二屏蔽线圈均包括相互并联的两个第二屏蔽指纹线圈；

第三线圈，所述第三线圈包括两组相互串联的第三主线圈和第三屏蔽线圈，两组所述第三主线圈均包括相互并联的两个第三主螺线管线圈，两组所述第三屏蔽线圈均包括相互并联的两个第三屏蔽螺线管线圈；

第一功率放大器，所述第一功率放大器用于分别驱动其中一组所述第一主线圈和所述第一屏蔽线圈、其中一组所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈、其中一组所述第三主线圈和所述第三屏蔽线圈；

第二功率放大器，所述第二功率放大器用于分别驱动另一组所述第一主线圈和所述第一屏蔽线圈、另一组所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈、另一组所述第三主线圈和所述第三屏蔽线圈。

优选地，两个所述第一主线圈位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X主线圈层；两个所述第二主线圈位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y主线圈层；两个所述第三主线圈位于同一圆柱表面，分别位于Z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z主线圈层；两个所述第一屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X屏蔽线圈层；两个所述第二屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y屏蔽线圈层；两个所述第三屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z屏蔽线圈层。

优选地，所述X主线圈层、所述Y主线圈层、所述Z主线圈层、所述Z屏蔽线圈层、所述X屏蔽线圈层和所述Y屏蔽线圈层在径向自内向外依次设置。

优选地，所述第一屏蔽线圈的两个第一屏蔽指纹线圈的结构是两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路；所述第一主线圈的两个第一主指纹线圈、所述第二主线圈的两个第二主指纹线圈和所述第二屏蔽线圈的两个第二屏蔽指纹线圈与所述第一屏蔽线圈的两个第一屏蔽指纹线圈的结构相同。

优选地，所述第一主线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的所述指纹形回路的长度相同、电阻相同。

优选地，所述第一屏蔽线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的所述指纹形回路的长度相同、电阻相同。

优选地，所述第二主线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的所述指纹形回路的长度相同、电阻相同。

优选地，所述第二屏蔽线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的所述指纹形回路的长度相同、电阻相同。

优选地，相互并联的两个所述第三主螺线管线圈位于同一圆柱表面，且相互嵌套在一起；相互并联的两个所述第三屏蔽螺线管线圈位于同一圆柱表面，且相互嵌套在一起。

优选地，相互并联的两个所述第三主螺线管线圈的长度相同、电阻相同；相互并联的两个所述第三屏蔽螺线管线圈的长度相同、电阻相同。

优选地，所述第一主线圈、所述第一屏蔽线圈、所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈的指纹形回路均通过金属导线绕制成型或通过金属板加工成型，所述第三主螺线管线圈和所述第三屏蔽螺线管线圈均通过金属导线绕制成型或通过金属板加工成型。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明所提供的一种并联结构的梯度线圈，具有热点温度低的优点，能够降低冷却管路的设计和制造难度，而且具有更高的梯度线性度，可以改善图像质量；此外通过采用两个常规的功率放大器来同时驱动线圈，降低了对驱动电源的性能要求，提高了磁共振成像系统的可靠性，降低了系统的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为梯度线圈的横剖面层次示意图；

图2为梯度线圈的纵剖面位置示意图；

图3为第一屏蔽线圈的结构示意图；

图4为第三屏蔽线圈的结构示意图；

图5为梯度线圈的驱动电路的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

请参考图1~图5，图1为梯度线圈的横剖面层次示意图；图2为梯度线圈的纵剖面位置示意图；图3为第一屏蔽线圈的结构示意图；图4为第三屏蔽线圈的结构示意图；图5为梯度线圈的驱动电路的示意图。

本发明的一种具体实施方式提供了一种并联结构的梯度线圈，包括三套线圈和两个功率放大器，分别记为第一线圈Gx、第二线圈Gy和第三线圈Gz，第一功率放大器G1和第二功率放大器G2。每套线圈均包括两组并联结构的主线圈和两组并联结构的屏蔽线圈，其中一组并联结构的主线圈和并联结构的屏蔽线圈由一个功率放大器的一条通道驱动，另一组并联结构的主线圈和并联结构的屏蔽线圈由另一个功率放大器的一条通道驱动。

其中第一线圈Gx包括两组相互串联的第一主线圈和第一屏蔽线圈，分别记为第一主线圈P11、第一主线圈P12、第一屏蔽线圈S11、第一屏蔽线圈S12，第一主线圈P11和第一屏蔽线圈S11串联，第一主线圈P12和第一屏蔽线圈S12串联；两组第一主线圈均包括相互并联的两个第一主指纹线圈，分别记为P11a、P11b、P12a和P12b，P11a和P11b并联，P12a和P12b并联；两组第一屏蔽线圈均包括相互并联的两个第一屏蔽指纹线圈，分别记为S11a、S11b、S12a、S12b，S11a和S11b相互并联，S12a和S12b相互并联。

其中第二线圈Gy包括两组相互串联的第二主线圈和第二屏蔽线圈，分别记为第二主线圈P21、第二主线圈P22、第二屏蔽线圈S21、第二屏蔽线圈S22，第二主线圈P21和第二屏蔽线圈S21串联，第二主线圈P22和第二屏蔽线圈S22串联；两组第二主线圈均包括相互并联的两个第二主指纹线圈，分别记为P21a、P21b、P22a和P22b，P21a和P21b并联，P22a和P22b并联；两组第二屏蔽线圈均包括相互并联的两个第二屏蔽指纹线圈，分别记为S21a、S21b、S22a、S22b，S21a和S21b相互并联，S22a和S22b相互并联。

其中第三线圈Gz包括两组相互串联的第三主线圈和第三屏蔽线圈，分别记为第三主线圈P31、第三主线圈P32、第三屏蔽线圈S31和第三屏蔽线圈S32，P31与S31串联，P32与S32串联；两组第三主线圈均包括相互并联的两个第三主螺线管线圈，分别记为P31a、P31b、P32a和P32b，其中P31a和P31b相互并联，P32a和P32b相互并联；两组第三屏蔽线圈均包括相互并联的两个第三屏蔽螺线管线圈，分别记为S31a、S31b、S32a和S32b，S31a和S31b相互并联，S32a和S32b相互并联。

如图5所示，第一功率放大器G1用于分别驱动其中一组第一主线圈和第一屏蔽线圈、其中一组第二主线圈和第二屏蔽线圈、其中一组第三主线圈和第三屏蔽线圈，即第一功率放大器具有三个通道，线圈P11a、P11b、S11a和S11b构成一个通路，由第一功率放大器G1的第一个通道来驱动；线圈P21a、P21b、S21a和S21b构成一个通路，由第一功率放大器G1的第二个通道来驱动；线圈P31a、P31b、S31a和S31b构成一个通路，由第一功率放大器G1的第三个通道来驱动。

如图5所示，第二功率放大器G2用于分别驱动另一组第一主线圈和第一屏蔽线圈、另一组第二主线圈和第二屏蔽线圈、另一组第三主线圈和第三屏蔽线圈，即第二功率放大器具有三个通道，线圈P12a、P12b、S12a和S12b构成一个通路，由第二功率放大器G2的第一个通道来驱动；线圈P22a、P22b、S22a和S22b构成一个通路，由第二功率放大器G2的第二个通道来驱动；线圈P32a、P32b、S32a和S32b构成一个通路，由第二功率放大器G2的第三个通道来驱动。

其中第一功率放大器G1和第二功率放大器G2优选常规的功率放大器，同时驱动相应的线圈，具有高度的同步性，能够满足磁共振成像要求的相位、频率和幅值的一致性，此外降低了对驱动电源的性能要求，能够提高磁共振成像系统的可靠性，同时降低了系统的成本。

具体地，如图1和图2所示，两个第一主线圈P11和P12位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X主线圈层；两个第二主线圈P21和P22位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y主线圈层；两个第三主线圈P31和P32位于同一圆柱表面，分别位于Z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z主线圈层；两个第一屏蔽线圈S11和S12位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X屏蔽线圈层；两个第二屏蔽线圈S21和S22位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y屏蔽线圈层；两个第三屏蔽线圈S31和S32层位于同一圆柱表面，分别位于z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z屏蔽线圈层。

其中，X主线圈层、Y主线圈层、Z主线圈层、Z屏蔽线圈层、X屏蔽线圈层和Y屏蔽线圈层在径向自内向外依次设置。除此之外，不同线圈层之间可以调换位置来满足梯度线圈的性能要求。

第一屏蔽线圈S11的两个第一屏蔽指纹线圈S11a和S11b是两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路，如图3所示，指纹形回路的形状通常是由优化算法根据实际要求离散得到，其中S11a和S11b具有相同的长度和相同的电阻，相比于单线圈结构，相互并联的两个第一屏蔽指纹线圈S11a和S11b具有更低的电流密度，每个线圈分流一半的电流，能够有效地降低热点温升，而且该并联线圈具有更多的电流回路，可以更精确地逼近优化算法得到的理想电流分布，能够提高梯度线圈的线性度和涡流特性。

第一主线圈P11和P12、第二主线圈P21和P22、第一屏蔽线圈S12、第二屏蔽线圈S21和S22与所述第一屏蔽线圈S11的结构相同，此处不再赘述。第一线圈Gx和第二线圈Gy的指纹形回路通过金属导线绕制成型或通过金属板加工成型，例如通过CNC、冲压等工艺来进行加工。

第三屏蔽线圈S31的两个第三屏蔽螺线管线圈S31a和S31b是两个位于同一圆柱表面的相互并联的螺线管线圈，且相互嵌套在一起，如图4所示。相互并联的两个第三屏蔽螺线管线圈S31a和S31b的长度相同、电阻相同。相比于单线圈结构，相互并联的S31a和S31b具有更低的电流密度，每个线圈分流一半的电流，能够有效地降低热点温升，而且该并联线圈具有更多的电流回路，可以更精确地逼近优化算法得到的理想电流分布，能够提高梯度线圈的线性度和涡流特性。其中第三主线圈P31和P32、第三屏蔽线圈S32与第三屏蔽线圈S31的结构相似，此处不再赘述。第三线圈Gz的螺线管线圈优选采用金属导线绕制成型或通过金属板加工成型。

综上所述，本发明提供的梯度线圈采用相互嵌套的并联线圈，具有热点温度低的优点，能够降低冷却管路的设计和制造难度，而且具有更高的梯度线性度，可以改善图像质量；此外通过采用两个常规的功率放大器来同时驱动线圈，降低了对驱动电源的性能要求，提高了磁共振成像系统的可靠性，降低了系统的成本。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种并联结构的梯度线圈，其特征在于，包括：

第一线圈，所述第一线圈包括两组相互串联的第一主线圈和第一屏蔽线圈，两组所述第一主线圈均包括相互并联的两个第一主指纹线圈，两组所述第一屏蔽线圈均包括相互并联的两个第一屏蔽指纹线圈；

第二线圈，所述第二线圈包括两组相互串联的第二主线圈和第二屏蔽线圈，两组所述第二主线圈均包括相互并联的两个第二主指纹线圈，两组所述第二屏蔽线圈均包括相互并联的两个第二屏蔽指纹线圈；

第三线圈，所述第三线圈包括两组相互串联的第三主线圈和第三屏蔽线圈，两组所述第三主线圈均包括相互并联的两个第三主螺线管线圈，两组所述第三屏蔽线圈均包括相互并联的两个第三屏蔽螺线管线圈；

第一功率放大器，所述第一功率放大器用于分别驱动其中一组所述第一主线圈和所述第一屏蔽线圈、其中一组所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈、其中一组所述第三主线圈和所述第三屏蔽线圈；

第二功率放大器，所述第二功率放大器用于分别驱动另一组所述第一主线圈和所述第一屏蔽线圈、另一组所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈、另一组所述第三主线圈和所述第三屏蔽线圈；

所述第一屏蔽线圈的两个第一屏蔽指纹线圈的结构是两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路；所述第一主线圈的两个第一主指纹线圈、所述第二主线圈的两个第二主指纹线圈和所述第二屏蔽线圈的两个第二屏蔽指纹线圈与所述第一屏蔽线圈的两个第一屏蔽指纹线圈的结构相同；

两个所述第一主线圈位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X主线圈层；两个所述第二主线圈位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y主线圈层；两个所述第三主线圈位于同一圆柱表面，分别位于Z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z主线圈层；两个所述第一屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于x轴的正半轴方位和负半轴方位，形成X屏蔽线圈层；两个所述第二屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于y轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Y屏蔽线圈层；两个所述第三屏蔽线圈位于同一圆柱表面，分别位于z轴的正半轴方位和负半轴方位，形成Z屏蔽线圈层。

2.根据权利要求1所述的梯度线圈，其特征在于，所述X主线圈层、所述Y主线圈层、所述Z主线圈层、所述Z屏蔽线圈层、所述X屏蔽线圈层和所述Y屏蔽线圈层在径向自内向外依次设置。

3.根据权利要求1所述的梯度线圈，其特征在于，所述第一主线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路的长度相同、电阻相同；所述第一屏蔽线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路的长度相同、电阻相同；所述第二主线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路的长度相同、电阻相同；所述第二屏蔽线圈的两个位于同一圆柱表面且相互嵌套在一起的指纹形回路的长度相同、电阻相同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的梯度线圈，其特征在于，相互并联的两个所述第三主螺线管线圈位于同一圆柱表面，且相互嵌套在一起；相互并联的两个所述第三屏蔽螺线管线圈位于同一圆柱表面，且相互嵌套在一起。

5.根据权利要求4所述的梯度线圈，其特征在于，相互并联的两个所述第三主螺线管线圈的长度相同、电阻相同；相互并联的两个所述第三屏蔽螺线管线圈的长度相同、电阻相同。

6.根据权利要求3所述的梯度线圈，其特征在于，所述第一主线圈、所述第一屏蔽线圈、所述第二主线圈和所述第二屏蔽线圈的指纹形回路均通过金属导线绕制成型或通过金属板加工成型。

7.根据权利要求4所述的梯度线圈，其特征在于，所述第三主螺线管线圈和所述第三屏蔽螺线管线圈均通过金属导线绕制成型或通过金属板加工成型。

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