一种有源屏蔽梯度线圈及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈和纵向梯度线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料。本发明还公开了一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法。本发明一种有源屏蔽梯度线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题。同时，采用该方案设计的梯度线圈与铜板切割式相比重量更轻。
【专利说明】一种有源屏蔽梯度线圈及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种核磁共振成像系统中的部件，具体涉及核磁共振成像系统中的有 源屏蔽梯度线圈部件。本发明还涉及设计有源屏蔽梯度线圈的方法。本发明属于核磁共振 成像系统部件设计领域。
【背景技术】
[0002] 梯度线圈是核磁共振系统的关键部件之一，其主要作用是为核磁共振成像系统在 三个正交方向提供交变的梯度磁场，从而实现被成像物体的空间定位。梯度线圈的基本部 件包括X/Y/Z三个正交方向的梯度线圈，分别在三个方向生成梯度磁场。对于超导核磁共 振系统上使用的梯度线圈，每个方向的梯度线圈由主线圈与屏蔽线圈两部分构成，二者共 同在成像区域形成梯度场，并使屏蔽线圈外部的磁场最小。在工作时，三个方向的梯度线圈 分别与梯度放大器相连接，其内部的交变电流可达数百安培。
[0003] 目前梯度线圈有金属板切割式线圈和导线绕线式线圈两种。金属板切割式线圈的 制作工艺采用铜板切割式。导线绕线式线圈的制作工艺采用绕线式。
[0004] 这两种工艺各有优缺点。铜板切割式制作工艺的优点是铜板的厚度薄，同时线圈 的平均横截面积大，因此电阻较小，切换率高。但是采用铜板切割具有较大的涡流效应。特 别是屏蔽线圈由于铜板面积宽，因此涡流效应更明显。另外铜板切割式的价格比绕线式要 贵许多。这部分多出来的费用包括材料费以及加工制作费。绕线方法工艺简单，线圈自身产 生的涡流效应可以忽略，而且造价比较便宜。一般来说，对于同一台梯度线圈采用绕线法与 铜板切割法制作的成本相差两万以上，这是一个很大的数字。如何设计一种工艺，实现梯度 线圈整体的性能非常接近主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但 是制作成本能够明显的下降，而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题，且使得整体重量更轻， 就成为亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种有源屏蔽梯度线圈及其设计 方法，以解决现有技术中主线圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈时，制作成 本1?，润流效应大的技术问题。
[0006] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0007] -种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈，每个横向梯度线圈包括主线圈与屏 蔽线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向 梯度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；相邻两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料。
[0008] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈，还包含纵向梯度线圈，其特征在于，纵向梯度线圈 的主线圈与屏蔽线圈均采用导线绕线式线圈。
[0009] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述绝缘材料为GFRP，梯度线圈采用 的金属材料为纯铜。
[0010] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，导线绕线式线圈均采用多根导线并 联的绕线方式。
[0011] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述横向梯度线圈的每层导线绕线 式屏蔽线圈中并联导线数目为2-4根。
[0012] 前述一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0013] 步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金 属板切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作；
[0014] 步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布；
[0015] 步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔 距离；
[0016] 步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度；
[0017] 步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。
[0018] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，针对每个 方向的梯度线圈，依据梯度场强度、线性度、成像区域范围，设计梯度线圈形状。
[0019] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤五中，采用流函 数法设计梯度线圈的形状。
[0020] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f·，f的最 大值为f max，f的最小值为fmin，则绕线式线圈中导线的中心线为由f = n+o. 5描述的所有曲 线，η为[fmin_0. 5, fmax_0. 5]内的任意整数。
[0021] 前述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函数为f，f的最 大值为f max，f的最小值为fmin，则金属板上刻刀走线的路径为由f = η描述的所有曲线，η 为[fmin-0. 5，fmax+0. 5]内的任意整数。
[0022] 本发明的有益之处在于：本发明一种有源屏蔽梯度线圈整体的性能非常接近主线 圈与屏蔽线圈均采用铜板切割法制作的梯度线圈的性能，但是制作成本能够明显的下降， 而且不存在屏蔽线圈自身的涡流问题。同时，采用该方案设计的梯度线圈与铜板切割式相 比重量更轻。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明圆柱型横向有源屏蔽梯度线圈的径向分布图；
[0024] 图2是本发明采用铜板切割工艺制作的横向梯度线圈主线圈平面展开结构；
[0025] 图3是本发明采用绕线工艺制作的横向梯度线圈主线圈平面展开结构；
[0026] 图4是本发明采用三线并联绕线工艺制作的横向梯度线圈屏蔽线圈平面展开结 构；
[0027] 图5是本发明一种有源屏蔽梯度线圈的制作方法流程图。
【具体实施方式】
[0028] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0029] 参照图1所示，本发明的重点内容是关于有源屏蔽梯度线圈中的横向梯度线圈设 计。本实施例针对圆柱形有源屏蔽梯度线圈进行说明。在本发明中，公布了一种结合绕线 法与金属板切割法制作梯度线圈的设计方案。可以预见，本发明同样适用于平板式梯度线 圈等结构。图1是圆柱形有源屏蔽梯度线圈中的两个相互正交的横向梯度线圈在空间的分 布。图中内层为主线圈，外层为屏蔽线圈，每层梯度线圈包含4片对称的结构；为了方便，两 个横向梯度线圈分别用GX与GY表示。
[0030] 传统的梯度线圈制作工艺包括绕线法与铜板切割法两种。对于圆柱形有源屏蔽梯 度线圈，铜板切割工艺制作的横向梯度线圈的平面展开结构图如图2所示，图中只画出了 1/4部分，其他部分可由对称性得到。绕线法制作的梯度线圈平面展开结构图如图3所示。 从图中可以看出，采用铜板切割法能充分利用该层的面积，从而有效的降低梯度线圈的电 阻。采用铜板切割法的梯度线圈厚度较薄，有利于提升梯度线圈的整体性能。但是采用铜 板切割法需要的金属材料要远多于绕线法。铜板切割法目前常用的工艺有激光切割、水切 割等。无论采用哪种切割方式，铜板切割的加工成本都远高于绕线的成本。对于全身人体 成像有源屏蔽梯度线圈来说，每层横向梯度线圈采用两种制作工艺的制作与材料成本差异 约5000元-8000元人民币左右。如果所有横向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈全部采用铜 板切割的制作方法，则每台成本差在20000人民币以上。绕线法除了制作成本低之外，工艺 也相对简单，重量轻，而且自身的涡流效应不明显。因此，两种方法各有优势。
[0031] 本发明中，我们结合两种梯度线圈的制作工艺设计梯度线圈。至少一个横向梯度 线圈主线圈采用铜板切割的方法制作，至少一个横向梯度线圈屏蔽线圈采用绕线法制作。 这样一般只有一层或两层梯度线圈采用铜板切割的制作方法，能够显著的节省制作成本， 同时涡流效应小、减轻了梯度线圈重量。本发明中的梯度线圈设计方案如下，附图参考图 5 ：
[0032] 步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金 属板切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作；
[0033] 步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布；
[0034] 步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔 距离；
[0035] 步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度；
[0036] 步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。
[0037] 在本实施例中，屏蔽线圈均采用绕线式工艺制作，每层屏蔽线圈采用多根导线并 联的绕线方式，每层并联导线数目优选为2-4根。这样做的好处是，与采用一根粗的导线相 t匕，涡流效应小，而且电感小。而如果屏蔽层采用一根比较细的导线，则会增加梯度线圈的 电阻，并影响屏蔽层的散热。
[0038] 为了保证纵向梯度线圈的性能，本实施例中对纵向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈 均采用绕线法制作，并且同样采用多根导线并联的绕线方式。因此，本实施例中，为了减小 梯度线圈的电感，横向梯度线圈屏蔽线圈与纵向梯度线圈采用多根导线并联的绕线方式。 对于屏蔽线圈来说，每层并联导线数目优选为2-4根。
[0039] 本发明中的横向梯度线圈与纵向梯度线圈均优选采用流函数方法设计。流函数的 定义为：满足连续方程的一个描述流速场的标量函数。在这里为描述电流密J在骨架上的 分布的一个标量函数。本实施例中的流函数法设计思路如下。
[0040] 首先给定梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈的骨架形状及位置，这样能够定义梯 度线圈所在的两个面。假定主线圈与屏蔽线圈所在骨架上的流函数基函数分别为： {fRi|l彡i <NP}，{fs，」l彡i彡Ns}，这里NP，N S为基函数的展开项数，为预先给定的正整 数；则两个面上的流函数fp与fs展开式分别为：
【权利要求】
1. 一种有源屏蔽梯度线圈，包括横向梯度线圈，每个横向梯度线圈包括主线圈与屏蔽 线圈，其特征在于，至少一层横向梯度线圈的主线圈为金属板切割式线圈，至少一层横向梯 度线圈的屏蔽线圈为导线绕线式线圈；相邻两层梯度线圈之间间隔内填充绝缘材料。
2. 根据权利要求1所述的一种有源屏蔽梯度线圈，还包含纵向梯度线圈，其特征在于， 纵向梯度线圈的主线圈与屏蔽线圈均采用导线绕线式线圈。
3. 根据权利要求1或2所述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述绝缘材料为 GFRP，梯度线圈采用的金属材料为纯铜。
4. 根据权利要求1或2所述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，导线绕线式线圈均 采用多根导线并联的绕线方式。
5. 根据权利要求4所述的一种有源屏蔽梯度线圈，其特征在于，所述横向梯度线圈的 每层导线绕线式屏蔽线圈中并联导线数目为2-4根。
6. 权利要求1所述一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一：确定每层梯度线圈的制作工艺：至少一层横向梯度线圈的主线圈采用金属板 切割的工艺制作，至少一层横向梯度线圈的屏蔽线圈采用导线绕线的工艺制作； 步骤二：确定每层梯度线圈在空间的相对位置分布； 步骤三：确定制作每层梯度线圈的材料及其厚度以及相邻两层梯度线圈之间间隔距 离； 步骤四：确定每层梯度线圈骨架的位置以及每层骨架上的线圈纵向长度； 步骤五：针对每个方向的梯度线圈，设计梯度线圈形状。
7. 根据权利要求6所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤 五中，针对每个方向的梯度线圈，依据梯度场强度、线性度、成像区域范围，设计梯度线圈形 状。
8. 根据权利要求6所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤 五中，采用流函数法设计梯度线圈的形状。
9. 根据权利要求8所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函 数为f，f的最大值为fmax，f的最小值为f min，则绕线式线圈中导线的中心线为由f = n+0. 5 描述的所有曲线，η为[fmin-0. 5, fmax-0. 5]内的任意整数。
10. 根据权利要求8所述的一种有源屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于，定义流函 数为f，f的最大值为fmax，f的最小值为f min，则金属板上刻刀走线的路径为由f = η描述的 所有曲线，η为[fmin-0. 5, fmax+0. 5]内的任意整数。
【文档编号】G01R33/385GK104062613SQ201410264633
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】平学伟 申请人:河海大学