CN113203968A - 一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，包括鸟笼筒体骨架、两个端环导体和N根鸟笼腿导体，鸟笼筒体骨架由玻璃纤维从里往外逐渐绕制或涂覆而成；两个端环导体和N根鸟笼腿导体分别埋在鸟笼筒体骨架内，鸟笼筒体骨架的外圆周面的两端均设置有N个电容，每端的N个电容分别与相应的端环导体相连；鸟笼筒体骨架的外圆周面的中间均布有N个PIN二极管，N个PIN二极管一一对应地与N根鸟笼腿导体相连。本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，将发射线圈的导体埋设在发射线圈的骨架内，而不是布设在骨架外面，可以显著地提高发射效率，同时SAR值和安全性并不受显著影响，而且实现方法也比较简单，适于大规模推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，属于磁共振影像系统技术领域。
背景技术
磁共振成像是一种先进的人体无损成像的技术，广泛应用于人体各个部位疾病的诊断。
请参阅图1，通常的超导磁共振系统的主体结构从外向内依次包括超导磁体1'、梯度线圈2'、射频屏蔽网3'和发射线圈4'。超导磁体1'内部有大量的浸泡在低温液氦中的超导线圈，超导线圈上有很大的电流，为核磁共振的发生提供一个非常强的背景磁场。梯度线圈2'产生一个梯度磁场，为信号提供定位信息。在进行磁共振成像检测时，病床101上的病人100处于发射线圈4'内。
发射线圈4'负责提供一个与磁共振自旋频率相同的B1磁场，将人体组织中的H原子核的自旋状态由低能级激发到高能级，激发停止后，H原子核又从高能级跃迁回到低能级，并发射磁共振信号。
请参阅图2，发射线圈4'通常为鸟笼结构，鸟笼发射线圈的两端有两个圆形端环41'，每个端环41'上均匀分布有16个电容42'，两个端环41'之间均匀分布有16根鸟笼腿43'，将两个端环41'连接起来。每一根鸟笼腿43'的中间有一个PIN二极管44，PIN二极管44'发射期间打开，相当于射频短路；信号接收期间关闭，这样整个鸟笼发射线圈处于失谐状态，不会影响里面的接收线圈接收信号。端环和鸟笼腿构成发射线圈4'的导体。
发射线圈4'发射需要连接射频功率放大器，射频功率放大器输出射频功率到发射线圈，在鸟笼发射线圈的两个端环41'和16根鸟笼腿43'上产生电流，从而产生B1射频场。磁共振信号非常微弱，但激发磁共振信号的B1磁场需要非常强，通常最高的B1磁场可以达到几十个微特斯拉。
请参阅图3，在发射线圈4'和梯度线圈2'之间，还有一个射频屏蔽网3'，用于将发射线圈4'发射的射频能量局限在射频屏蔽网3'内部，防止干扰梯度线圈2'和超导磁体1'。射频屏蔽网3'对静磁场和低频的梯度场没有影响，但是对于鸟笼发射线圈4'产生的射频场，却有着显著的影响，如下公式所示：
式(1)中，d是鸟笼发射线圈4'的导体直径，D是射频屏蔽网3'的直径，l是鸟笼发射线圈4'的导体长度，I0是鸟笼腿上的电流，N是鸟笼腿的数目，μ是空气磁导率。
从公式中可以看出，同样的电流情况下，射频屏蔽网的存在会严重降低B1场的强度。鸟笼发射线圈的导体距离屏蔽网越近，B1场越小。
从降低成本的角度考虑，超导磁体的直径和梯度线圈的直径越小越好。而从实际使用的角度考虑，希望容纳病人的部分空间越大越好，所以希望发射线圈的内壁直径越大越好。传统结构的鸟笼发射线圈，为了获得尽可能大的内部空间，只能把发射线圈做得尽量大，发射线圈的导体就会离射频屏蔽网非常近，这样发射线圈的效率就会急剧下降，不但会有更高的能耗，带来发热问题，甚至会影响某些序列的实现。
为了尽可能扩大发射线圈的内部空间，鸟笼发射线圈4'的导体层通常离射频屏蔽网3'都很近，从公式(1)可以看出，当d和D接近的时候，B1随着鸟笼发射线圈的导体和射频屏蔽网的距离的变化而剧烈变化，所以，只要能够把这个距离有很小的变化就能显著提高发射效率。
鸟笼发射线圈4'通常是用玻璃钢材料制成，其生产工艺通常都是用玻璃纤维由里往外逐渐绕制或涂覆而成，并使用树脂固化。发射线圈的壁厚通常为5mm-10mm，传统上，是在整个鸟笼发射线圈的玻璃钢骨架40'制作完成后，将发射线圈的导体45'铺设在线圈的外表面，并焊接电容、二极管等元器件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，将鸟笼发射线圈的导体埋设在发射线圈的骨架内，而不是布设在骨架外面，可以显著地提高发射效率，同时SAR值和安全性并不受显著影响。
实现上述目的的技术方案是：一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，包括鸟笼筒体骨架、两个端环导体和N根鸟笼腿导体，其中：
所述鸟笼筒体骨架由玻璃纤维从里往外逐渐绕制或涂覆而成；
所述两个端环导体和N根鸟笼腿导体分别埋在所述鸟笼筒体骨架内，且所述两个端环导体一一对应地分布在鸟笼筒体骨架的两端，所述N根鸟笼腿导体沿所述鸟笼筒体骨架的圆周方向均匀分布，并位于所述两个端环导体之间，每根鸟笼腿导体的两端一一对应地与所述两个端环导体相连；
所述鸟笼筒体骨架的外圆周面的两端均设置有N个电容，每端的N个电容分别与相应的端环导体相连；
所述鸟笼筒体骨架的外圆周面的中间均布有N个PIN二极管，所述N个PIN二极管一一对应地与所述N根鸟笼腿导体相连。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，所述鸟笼腿导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离小于所述端环导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，所述鸟笼腿导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离为1mm。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，所述端环导体和鸟笼腿导体分别采用薄铜皮制成。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，每个电容焊接在相应的端环导体上；每个PIN二极管焊接在相应的鸟笼腿导体上。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，端环导体和鸟笼腿导体通过以下制备方法埋在所述鸟笼筒体骨架内：在用玻璃纤维从里往外绕制鸟笼筒体骨架的过程中，先用玻璃纤维绕制一个鸟笼筒体骨架毛坯，进行车床加工，将两个端环导体和N根鸟笼腿导体分别铺设并固定在鸟笼筒体骨架毛坯的外壁面上，然后继续在其外部绕制玻璃纤维，达到所需的鸟笼筒体骨架厚度后，再次进行机床加工，露出需要焊接电容的端环导体的部位和需要焊接PIN二极管的鸟笼腿导体的部位。
上述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其中，所述鸟笼腿导体的数量、PIN二极管的数量以及每端的电容数量分别为16。
本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，将鸟笼发射线圈的导体埋设在发射线圈的骨架内，而不是布设在骨架外面，可以显著地提高发射效率，同时SAR值和安全性并不受显著影响，而且实现方法也比较简单，适于大规模推广应用。
附图说明
图1为常规的超导磁共振系统的主体结构图；
图2为1.5T磁共振常用的高通鸟笼发射线圈的结构示意图；
图3为传统发射线圈的矢状面剖面示意图
图4为本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构的纵向剖面图；
图5为本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构的横向剖面图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：
请参阅图4和图5，本发明的最佳实施例，一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，包括鸟笼筒体骨架40、两个端环导体41和16根鸟笼腿导体43。
鸟笼筒体骨架40由玻璃纤维从里往外逐渐绕制而成；端环导体41和鸟笼腿导体43分别采用薄铜皮制成。
两个端环导体41和N根鸟笼腿导体43分别埋在鸟笼筒体骨架40内，且两个端环导体41一一对应地分布在鸟笼筒体骨架40的两端，16根鸟笼腿导体沿鸟笼筒体骨架40的圆周方向均匀分布，并位于两个端环导体41之间，每根鸟笼腿导体43的两端一一对应地与两个端环导体41相连；鸟笼筒体骨架40的外圆周面的两端均设置有16个电容42，每端的16个电容分别与相应的端环导体41相连；鸟笼筒体骨架40的外圆周面的中间均布有16个PIN二极管44，16个PIN二极管44一一对应地与16根鸟笼腿导体相连。每个电容42焊接在相应的端环导体41上；每个PIN二极管44焊接在相应的鸟笼腿导体43上。
鸟笼腿导体43与鸟笼筒体骨架40的内壁面之间的距离h小于端环导体41与鸟笼筒体骨架40的内壁面之间的距离。
鸟笼腿导体43与鸟笼筒体骨架40的内壁面之间的距离h为1mm。
端环导体41和鸟笼腿导体43通过以下制备方法埋在鸟笼筒体骨架40内：在用玻璃纤维从里往外绕制鸟笼筒体骨架的过程中，先用玻璃纤维绕制一个鸟笼筒体骨架毛坯，进行车床加工，将两个端环导体41和N根鸟笼腿导体43分别铺设并固定在鸟笼筒体骨架毛坯的外壁面上，然后继续在其外部绕制玻璃纤维，达到所需的鸟笼筒体骨架厚度后，再次进行机床加工，露出需要焊接电容的端环导体的部位和需要焊接PIN二极管的鸟笼腿导体的部位。
以目前市面上的一款大孔径磁体和梯度线圈为例说明。
这款大孔径梯度线圈2的内径是760mm，也就是其射频屏蔽网3的内径D为760mm。希望发射线圈的内部孔径越大越好，如果发射线圈的内部孔径做到710mm，壁厚6mm，发射线圈的长度l定为700mm，16根鸟笼腿，并设每根鸟笼腿导体上的电流为10A。
如果是传统鸟笼发射线圈结构，把端环导体和鸟笼腿导体铺设到鸟笼筒体骨架的外壁面，则发射线圈导体部分的直径d为722mm，根据公式(1)：
B1＝4.56uT。
按照本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，将所有的端环导体41和鸟笼腿导体43均埋设在鸟笼筒体骨架40内部，鸟笼腿导体43与鸟笼筒体骨架40的内壁面之间的距离h为1mm，则d＝712mm，根据公式(2)计算可得：
B1＝5.81uT。
可以看出，与传统鸟笼发射线圈结构相比，本实施例将发射线圈的导体埋设在骨架内部后，发射线圈上的同样10A电流产生的射频磁场B1的强度从4.56uT上升到5.81uT，上升了27％。则产生相同的B1场所需要的能量下降了38％。
当然，由于电容、PIN二极管等元器件仍然在鸟笼线圈的鸟笼筒体骨架40的外面，B1场的实际改善幅度可能不会这么显著，但由于其这部分的导体长度所占总导体长度的比例很小，所以对此计算结果并不会有严重影响。
从安全角度考虑，本发明的鸟笼线圈结构内，只有在电容的两端在存在高强度电场，沿导体两端并不存在很强的电场，所以即使导体和人体之间只有1mm的玻璃纤维，也不会产生安全问题。而电容仍然远离人体，所以人体吸收的射频能量，即SAR值并不会显著提高。而且，如果需要提高安全性，还可以保持鸟笼腿导体埋在鸟笼筒体骨架内的深度不变，将两端的端环导体埋在鸟笼筒体骨架内的深度稍微浅一些即可。
本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，设计思想不像传统的鸟笼发射线圈的那样，将发射线圈导体铺设在鸟笼筒体骨架的外表面，而是根据鸟笼筒体骨架的生产工艺，在鸟笼筒体骨架的生产过程中，就将导体埋设在鸟笼筒体骨架内部，并尽量贴近人体，远离射频屏蔽网。只是在需要焊接电容、二级管等元器件的位置，将导体引出，这样所有的电容、PIN二极管等元器件仍然在线圈的外表面，不影响线圈的生产调试和维护。
本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，实现起来工艺比较简单，只需要在缠绕或涂覆玻璃纤维的过程中埋入所需要的导体后，继续缠绕即可，但需要将埋在内部的导体露出骨架表面。缠绕完毕后，再将露出来的导体和电容和二极管等元器件焊接调试即可。其电路导体离人体较近，而离其外部的射频屏蔽网较远，从而具有更高的发射效率，而且实现方法也比较简单，适于大规模推广应用。
综上所述，本发明的具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，将发射线圈的导体埋设在发射线圈的骨架内，而不是布设在骨架外面，可以显著地提高发射效率，同时SAR值和安全性并不受显著影响，而且实现方法也比较简单，适于大规模推广应用。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (7)
1.一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，包括鸟笼筒体骨架、两个端环导体和N根鸟笼腿导体，其中：
所述鸟笼筒体骨架由玻璃纤维从里往外逐渐绕制或涂覆而成；
所述两个端环导体和N根鸟笼腿导体分别埋在所述鸟笼筒体骨架内，且所述两个端环导体一一对应地分布在鸟笼筒体骨架的两端，所述N根鸟笼腿导体沿所述鸟笼筒体骨架的圆周方向均匀分布，并位于所述两个端环导体之间，每根鸟笼腿导体的两端一一对应地与所述两个端环导体相连；
所述鸟笼筒体骨架的外圆周面的两端均设置有N个电容，每端的N个电容分别与相应的端环导体相连；
所述鸟笼筒体骨架的外圆周面的中间均布有N个PIN二极管，所述N个PIN二极管一一对应地与所述N根鸟笼腿导体相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，所述鸟笼腿导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离小于所述端环导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，所述鸟笼腿导体与所述鸟笼筒体骨架的内壁面之间的距离为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，所述端环导体和鸟笼腿导体分别采用薄铜皮制成。
5.根据权利要求1所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，每个电容焊接在相应的端环导体上；每个PIN二极管焊接在相应的鸟笼腿导体上。
6.根据权利要求1所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，端环导体和鸟笼腿导体通过以下制备方法埋在所述鸟笼筒体骨架内：在用玻璃纤维从里往外绕制或涂覆鸟笼筒体骨架的过程中，先用玻璃纤维绕制一个鸟笼筒体骨架毛坯，进行车床加工，将两个端环导体和N根鸟笼腿导体分别铺设并固定在鸟笼筒体骨架毛坯的外壁面上，然后继续在其外部绕制玻璃纤维，达到所需的鸟笼筒体骨架厚度后，再次进行机床加工，露出需要焊接电容的端环导体的部位和需要焊接PIN二极管的鸟笼腿导体的部位。
7.根据权利要求1所述的一种具有高发射效率的磁共振发射线圈结构，其特征在于，所述鸟笼腿导体的数量、PIN二极管的数量以及每端的电容数量分别为16。
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