专利名称：平面有源屏蔽梯度线圈的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振成像(MRI)系统中使用的平面有源屏蔽梯度线圈。
背景技术：
磁共振成像(MRI)是广泛应用的影像诊断方法。磁共振成像(MRI) 系统包含磁体子系统、梯度子系统和射频子系统等。其中磁体系统产生强 而均匀的静磁场，为了对图像进行空间编码需要在静磁场上增加梯度磁 场，梯度磁场由一系列梯度线圈组成，梯度线圈通常有X、 Y、 Z三个方向 的梯度线圈。
梯度线圈的性能包括最高梯度强度、切换速率和线圏均匀区等。为 了适应成像需求需要快速变化的磁场，随时间变化的磁场在其周围的导电 材料中会产生涡流，涡流最明显的作用是阻碍梯度磁场的快速变化，还会引起主磁场的不均匀，使图像质量下降，给快速序列的应用带来困难。
上世纪90年代之前，受到梯度线圈性能的制约，梯度系统很难实现高
梯度强度和高切换率，给MRI的应用带来很多限制。目前，许多重要成像 功能和新脉冲序列的应用对梯度线圈的性能提出了更高的要求。如心脏和 神经成像、扩散加权成像、血管造影等。
对涡流问题起初提出的解决办法是调整加载在梯度放大器上的梯度波 形对涡流效应造成的影响进行补偿，但这样会使梯度驱动器的成本增加， 而且电流变化引起的涡流并没有因为梯度补偿的作用而完全消失，在梯度 采样的时候会给图像带来随时间变化的伪影。这种情况妨碍了短回波时间 的高速成像脉冲序列的应用，运行那些脉冲要精确配合的序列更是完全不 可能的。
为了解决涡流问题，产生高场强、切换速度快的梯度磁场，设计了平 面有源屏蔽梯度线圈。
梯度线圈设计方案主要分为分立式绕线结构和分布式绕线结构线圈。 1951年，Garrent通过比较分布式绕线结构线圈和传统的分立式结构线圈
得出前者更为优越的结论。分布式绕线结构线圈的效率高、电感小，具有 较高的梯度磁场切换速率。
获得分布式绕线方式的方法有矩阵反演方法、流函数方法和目标场 方法等。反演方法是一种逆向方法，优点是能够适用于各种线圈框架结构。 流函数方法是通过定义流函数，反映线圈的电流分布的整体情况。目标场 方法能显著提高线圈的最大梯度强度，1988年Turner在目标场方法中引 入了电感最小化的约束条件，显著减小了线圈电感，提高了切换速率。 Blaine综合了电感最小化约束条件、电流密度约束条件和闭合约束条件从 而给出了一套相对比较完整的目标场方法。
目前，屏蔽梯度线圈只是用于高场圆桶型的磁共振成像(MRI)系统 中，而在开放型设备中由于可用空间少，还没有应用该技术。
发明内容
本发明的目的是设计并制造医疗诊断磁共振成像系统专用的梯度线 圈系统，使该系统具有以下特点产生梯度磁场强、梯度磁场线性度均匀、磁场切换速度快、有效抑制涡流等。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种平面有源屏蔽 梯度线圈的制作方法，制作用于低场开放型磁共振成像系统的梯度线圈， 其具体步骤为
a) 根据已知的场分布，按照目标场的方法，求出主动线圈的电流分 布函数；
b) 在主动线圈外侧各加一个屏蔽线圈，当两屏蔽线圈满足以下公
式<formula>formula see original document page 9</formula>时，
<formula>formula see original document page 9</formula>
屏蔽线圈外的磁场消失，从而达到屏蔽性好、减小涡流的目的；根据上述 两公式中主动线圈和屏蔽线圈中电流的关系式，可得出屏蔽线圈中的电流 分布函数；
上两式中，6为主动线圈与尸0平面之间的距离，"为屏蔽线圈与y-O 平面之间的距离，F"(K)和F"(K)分别是两个主动线圏上电流分布函 数的傅立叶变换，F/")(、,;t.)和CK.)分别是两个屏蔽线圏上电流分布
函数的傅立叶变换，sinh()和csch()分别是正割和余割函数。
c) 将电感最小的约束条件代入设计中，进行电感优化的平面线圈设
计，得到在电感最小的条件下的主动线圈和屏蔽线圈中的电流分布函数；
d) 按照c)步骤所求主动线圈和屏蔽线圈中的电流分布函数绕制线
圈，计算线圈产生的磁场分布，根据该磁场与目标磁场的差别调整线圈； 如此反复，直到得到满足要求的平面有源屏蔽梯度线圈；
e) 按照设计图用激光切割的方法得到梯度线圈，并对梯度线圈进行
f) 调配环氧树脂胶，对切割后的线圈进行粘接；
g) 用液压机压制线圈；
h) 裁制环氧板，加工制作成绝缘层；
j)压制下梯度盘，在20个大气压下压制，45。C高温凝固，36小时 固化，要求环境通风，且湿度小于30%。将环氧树脂构成的绝缘层，置于 任意两层梯度线圈之间以水平设置的绝缘中间层为梯度盘支架，在中间 支架上表面以任意排列顺序将X、 Y、 Z主动线圈和绝缘层间隔压入，在中
间支架下表面，以任意排列顺序将x、 y、 z屏蔽线圈和绝缘层间隔压入； k)压制上梯度盘，上梯度盘的压制与下梯度盘相同，是对称的；
i:'梯度盘中各线圈的连接是，z主动线圈和z屏蔽线圈相连接，y
主动线圈和y屏蔽线圈相连接，x主动线圈和x屏蔽线圈相连接。
所述的制作方法，其在中间支架内设置冷却系统，冷却系统位于x 主动线圈和x屏蔽线圈之间，具有对梯度线圈产生的热量进行冷却的作用。
所述的制作方法，其所述j)、 k)步骤中，是在中间支架上表面，将 x主动线圈压入，后压入绝缘层，在绝缘层的上面压入y主动线圈，再依 次压入绝缘层和z主动线圈，在中间支架下表面，如前述方法顺序压入x 屏蔽线圈、绝缘层、y屏蔽线圈、绝缘层和z屏蔽线圈。
所述的制作方法，其所述x、 y、 z主动线圈，厚度为3 5ram;绝缘 层，厚度为l 3mm;中间支架，厚度为17 19mm。
所述的制作方法，其所制成品装配时，主动线圈在梯度盘靠近成像 区域的一侧，屏蔽线圈在梯度盘远离成像区域的一侧。本发明设计了一种平面有源屏蔽梯度线圈，并将其应用于低场开放型磁共振成像(MRI)系统。
本发明主要采用了傅立叶反演方法结合目标场算法，进行设计和仿真 计算平面有源屏蔽梯度线圈。目标场方法是一种已有的方法，但已有的方 法中只对成像区域进行计算，没有考虑梯度磁场对成像区域外的影响，本 设计所用的目标场方法在考虑成像区域的同时，还使成像区域外的磁场为 零。设计的线圈具有梯度磁场强、梯度磁场线性度均匀、磁场切换速度快、 有效抑制涡流等特点。
与传统的技术相比，本发明所得平面有源屏蔽梯度线圏具有如下的技术先进性
1) 梯度场强高，在磁共振成像(MRI)系统工作状态下(160A供 电)X、 Y、 Z三个方向的梯度强度均可达到20mT/m以上。
2) 梯度线性度好，线性均匀区域可达400mm直径球，X、 Y、 Z三 个方向梯度强度的相对标准差分别小于1. 5%、 1. 6%和0. 8%。
3) 线圈电感小，梯度磁场切换速度快，可达50mT/m/s。 4) 线圈电阻小，损耗低，发热少。
5) 线圈有源屏蔽效果好，可有效抑制涡流，提高磁共振成像(MRI) 图像质量。
6) 线圈设计结构合理，试制过程中初步形成了对该线圈的生产工 艺工序，便于加工和批量生产。
图1是包含平面有源屏蔽梯度线圈的磁共振成像(MRI)设备示意
图2是设计的X、 Y方向的主动线圈的正视图； 图3是设计的X、 Y方向的屏蔽线圈的正视图； 图4是设计的Z方向的主动线圈的正视图； 图5是设计的Z方向的屏蔽线圈的正视图； 图6、图7是下梯度盘的构成图； 图8是上梯度盘的构成图9是图6所示梯度盘中对应梯度线圈的连接示意图。
具体实施例方式
本发明梯度线圈的设计流程为首先根据设计指标确定初步草案，利 用梯度磁场反演计算软件进行模拟计算得到原始设计方案，然后使用大型 商用电磁场仿真计算软件对原始方案进行正演验证计算，经过反演计算和 正演验证反复修正设计方案，形成梯度线圈前期设计方案，依据该方案完 成梯度线圈样品试制，并对相关技术指标进行测试，根据测试结果对设计 方案进行进一步的改进完善，得到最终设计方案，从而完成高性能平面有 源屏蔽梯度线圈的研制。具体方法如下
1. 计算平面电流产生的静磁场分布
对于磁场的标矢，考虑直角坐标系中拉普拉斯方程的解V、-0，又 由于S:-V甲，将平面电流Fx(X，Z)、 F.,(X，Z)作为边界条件代入即可求得静
磁场的分布。
2. 目标场方法
目标场方法即为己知磁场分布求产生该磁场的电流分布的方法。具体 方法如下
对双平面梯度线圈，假设一个平面位于y=b，其上的电流分布为 F(1)(x,z)，另一个平面位于y^b，其上的电流分布为F(2)(x,z)根据l所求平
面电流产生的静磁场分布表达式可得两平面间的磁场的z分量如公式(l)
选择两个平面y-C和y--C (C<b)，由上式可得两个平面上磁场的Z分量 B,Oc,c,z;)和Bjx,-c,z)，由B,(x,c,z)和Bjx，-c,z)最终可以得出产生该磁场的
电流分布表达式
<formula>formula see original document page 15</formula>
式中F」')(k,， !O和F尸(k,， U分别是电流FW(x,z)和F")(x，z)的傅立叶变换。 3.平面屏蔽线圈
设计四个平行平面，使最外层两个平面之外的区域磁场的z分量可以
忽略不计。
在2的基础上再加两个平面， 一个平面位于y=d，其上的电流分布为 另一个平面位于y=-d，其上的电流分布为P， Ff(k,，、)和Cj分别 是F:'和Ff的傅立叶变换，当Ff(、,ig和F"(kx,lO满足以下条件时y〉d和
y〈-d的区域空间磁场的z分量就会消失。
<formula>formula see original document page 16</formula>
如果已知区域-b〈y〈b内场分布的公式，运用目标场的方法可以得到 y二b和尸-b平面上电流分布的表达式，将其代入公式(4)、 (5)上式又可
得出y=d和y=-d平面上电流分布的表达式。 4.电感优化的平面线圈设计
在3的基础上，用电感最小的约束条件，对3所得的双平面梯度线圈 进行优化。
由双平面结构线圈的电感表达式可以得到<formula>formula see original document page 17</formula>
(6)
为寻求电感最小化并能够产生目标场的电流分布，构造以下函数:
<formula>formula see original document page 17</formula> (7)
上式对Fx(') (kx，kz)和(kx，kz)求偏微分，并令结果为零最终可得到
F!')dig和Ff dig的表达式。
5.根据上述方法，经过反复的反演计算和正演验证，得到梯度线圈结构
分布的正视图，如图2、 3为X (或Y)方向主动线圈和屏蔽线圈的正
视图，图4、 5为Z方向主动线圈和屏蔽线圈的正视图。
实施例
1、 根据已知的场分布，按照目标场的方法，求出主动线圈的电流分
布函数。
2、 在主动线圈外加两个屏蔽线圈，当满足 <formula>formula see original document page 17</formula> (8)
Fx (kx,kz) = -csch(2kvd)
: (9) x{Fx(1)(kx,kz)sinh[ky(b-d)] + Fx(2)(kx,kz)sinh[ky(d + b)]}
时，屏蔽线圈外的磁场消失，从而达到屏蔽性好、减小涡流的目的。根据 公式(8)、 (9)中主动线圈和屏蔽线圈中电流的关系式，可得出屏蔽线圈 中的电流分布函数。
3、 将电感最小的约束条件代入设计中，进行电感优化的平面线圈设 计，得到在电感最小的条件下的主动线圈和屏蔽线圈中的电流分布函数。
4、 按照所求主动线圈和屏蔽线圈中的电流分布函数绕制线圈，计算 线圈产生的磁场分布，根据该磁场与目标磁场的差别调整线圈。如此反复， 直到得到满足要求的平面有源屏蔽梯度线圈。
5、 按照设计图用激光切割的方法得到梯度线圈，并对梯度线圈进行 打磨。
6、 调配环氧树脂胶，对切割后的线圈进行粘接。
7、 用液压机压制线圈。
8、 裁制0.5iran环氧板，加工制作成绝缘层。
9、 按图6、图7压制下梯度盘。图中，27是用环氧树脂构成的绝缘层，位于任意两层梯度线圈之间。图6为下梯度盘的一个示例，中间层为 梯度盘中间支架28，同时起冷却层的作用，在中间支架28上面先将厚为 4mm的X主动线圈23压入，后压入2mm厚的绝缘层27，绝缘层27的上面 压入4mm厚的Y主动线圈22，再往上依次为2mra厚的绝缘层和4咖厚的Z 主动线圈21，在中间支架下面，按图6的顺序压入X屏蔽线圈24、 Y屏蔽 线圈25、 Z屏蔽线圈26和两个绝缘层27，梯度盘中间支架28厚为18mm， 其间可以放入冷却系统进行梯度系统的冷却。只要保证主动线圈在梯度盘 靠近成像区域的一侧且屏蔽线圈在梯度盘远离成像区域的一侧，线圈的排 列顺序可以是任意的。如图7所示为下梯度盘线圈的另一种排列方式。图 9为图6所示下梯度盘中各线圈的连接示意图，Z主动线圈21和Z屏蔽线 圈26通过29相连接，Y主动线圈22和Y屏蔽线圈25通过30相连接，X 主动线圈23和X屏蔽线圈24通过31相连，冷却层位于X主动线圈23和 X屏蔽线圈24之间，具有对梯度线圈产生的热量进行冷却的作用。
10、按图8压制上梯度盘。上梯度盘的压制应跟下梯度盘是对称的， 如图8所示的上梯度盘对应于图6所示的下梯度盘。按图8的顺序将线圈
和绝缘层压入上梯度盘内。上梯度盘制作时，只要保证主动线圈在梯度盘 靠近成像区域的一侧且屏蔽线圈在梯度盘远离成像区域的一侧，各线圈的 排列也可以是任意的。
11、如图1所示为包含平面有源屏蔽梯度线圈的MRI设备垂直剖面
图。图1为一磁共振成像(MRI)成像设备，成像区域13位于两个相对的
磁极1、 2之间，3为C型磁体。主磁场方向为垂直于两个磁极轴线的方向，
与Z轴方向相同。本发明的平面有源屏蔽梯度线圈由X、 Y、 Z三组梯度线
圈组成，图中只显示了一个方向的梯度线圈，每个方向的梯度线圈包括两
个相对的梯度线圈组14、 15，这两个线圈组分别位于成像区域13和两个
磁极l、 2之间，每个线圈组又分别由主动线圈4和屏蔽线圈5组成，屏
蔽线圈5位于同侧的主动线圈4和相应的磁极之间，每个线圈组的主动线
圈4和屏蔽线圈5之间通过机械方式连接。X、 Y、 Z三组线圏的排列应能
产生均匀的梯度磁场，并且使主磁场和梯度电流的作用力为零。
由梯度磁场控制器8控制的电流供应组件7对梯度线圈提供电流。 射频线圈9、 10分别位于成像区域13和同侧的梯度线圏之间，两个
射频线圈接到功分器6上，在发射射频脉冲时，功分器6将信号分开输入 射频线圈9、 10中，接收信号时，射频线圈9、 IO将接收到的信号传到功 分器6中。
12、根据上述方法压制梯度盘后，对其性能进行测试，测试结果如
下
对线圈进行测试，加以160A电流，X、 Y、 Z三个方向的梯度强度分别 为22mT/m、 21mT/m、 21mT/m，三个方向的电阻最大为0. 58Q，电感最大为 10.3H,梯度磁场切换速度为52mT/m/s，各项指标均满足设计要求。
权利要求
1、一种平面有源屏蔽梯度线圈的制作方法，制作用于低场开放型磁共振成像系统的梯度线圈，其特征在于，具体步骤为a)根据已知的场分布，按照目标场的方法，求出主动线圈的电流分布函数；b)在主动线圈外侧各加一个屏蔽线圈，当两屏蔽线圈满足以下公式
2、 如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在中间支架内设 置冷却系统，冷却系统位于X主动线圈和X屏蔽线圈之间，具有对梯度线 圈产生的热量进行冷却的作用。
3、 如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述j)、 k)步骤 中，是在中间支架上表面，将X主动线圈压入，后压入绝缘层，在绝缘层 的上面压入Y主动线圈，再依次压入绝缘层和Z主动线圈，在中间支架下 表面，如前述方法顺序压入X屏蔽线圈、绝缘层、Y屏蔽线圈、绝缘层和 Z屏蔽线圈。
4、 如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述X、 Y、 Z主 动线圈，厚度为3 5咖；绝缘层，厚度为1 3mrn;中间支架，厚度为17 19mm。
5、 如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述j)步骤压制 下梯度盘，是在20个大气压下压制，45。C高温凝固，36小时固化，要求 环境通风，且湿度小于30%。6、如权利要求l、 2或4所述的制作方法，其特征在于，所制成品 装配时，主动线圈在梯度盘靠近成像区域的一侧，屏蔽线圈在梯度盘远离 成像区域的一侧。
全文摘要
本发明一种平面有源屏蔽梯度线圈的制作方法，涉及磁共振成像系统中使用的平面有源屏蔽梯度线圈技术，首先根据设计指标确定初步草案，利用梯度磁场反演计算软件进行模拟计算得到原始设计方案，然后使用大型商用电磁场仿真计算软件对原始方案进行正演验证计算，经过反演计算和正演验证反复修正设计方案，形成梯度线圈前期设计方案，依据该方案完成梯度线圈样品试制，并对相关技术指标进行测试，根据测试结果对设计方案进行进一步的改进完善，得到高性能平面有源屏蔽梯度线圈。本发明方法制作的梯度线圈，产生梯度磁场强、梯度磁场线性度均匀、磁场切换速度快、有效抑制涡流。
文档编号G01R33/38GK101191829SQ200610144180
公开日2008年6月4日 申请日期2006年11月29日 优先权日2006年11月29日
发明者周德开, 培 李, 王为民, 黄开文 申请人:北京万东医疗装备股份有限公司;北京大学