头部制动消除磁共振成像运动伪影的电流变装置的制作方法

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及利用电流变效应设计一种头部制动消除磁共振成像运动伪影的电流变装置。

背景技术：

头部的磁共振成像(magneticresonanceimaging,mri)(相对于电子计算机断层扫描成像(computedtomography,ct))不仅避免了x-射线辐射蓄积导致癌变的风险，还可以避免使用造影剂造成对组织和器官造成的感染、化学和物理伤害，当然头部mri还具有无电离辐射、可以多参数成像和任意层面成像、以及可获得正常-病理软组织的良好对比度和高时空分辨率等诸多优势。因此，在脑部疾病(包括脑血管病、脑部肿瘤、畸形和意外损伤等)筛查、诊断和鉴别诊断中，mri具有无可取代的优势。

头部mri检查过程因头部较长时间(如30min)在电磁场、噪音大、幽闭环境，容易产生紧张恐惧心理，而出现躁动、轻微震颤及随机不自主运动等就会给头部mri带来影响成像效果的运动伪影。通常多采用协助按抚检查者头部，或使用带凹槽的枕头、夹板夹持、海绵垫或布条捆绑等简单粗糙方式来固定被检查者的头部，这些方法繁琐费事、舒适度不高，往往不能取得良好的固定效果。针对上述问题，中国专利201610651921.3公开了一种在人头部和mri头部线圈之间的、并覆盖头后部、头枕部、头部两侧及双耳部位的气囊(从微分几何角度讲是同胚0亏格的)，尽管该设计具有轻便、舒适、操作方便可控、耳罩降噪等优点，但是该发明具有如下不足：1)充气和放气耗时过长，这是一个致命的缺点，因mri机时非常昂贵且被检查者等待时间过长；2)气囊太硬时，头部制动效果好，却会让头部因两侧气囊高压压迫加剧人的躁动不适感；气囊硬度不够又会导致头部制动效果变差。可见，用气囊头部固定在舒适感和制动效果上两者是很难兼顾的。3)气囊耳罩位置不能随个体耳朵位置的变化而改变，这可降低降噪效果。

电流变效应(electrorheologicaleffect,ere)(z.p.shulman,etal.,journalofnon-newtonianfluidmechanics,1981,8,29-41)是指电流变液(electrorheologicalfluids,erf)在施加电场时快速地、无级地且可逆地改变其表观粘度，甚至在电场的作用下使erf从液体无级地变为固体，在取消电场作用时又可迅速地、可逆地从固体变成液体。因此可以利用ere中的erf加电场后颗粒纤维化，使erf粘度大幅度升高直至变硬固化，从而达到固定头部的目的。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种头部制动消除磁共振成像运动伪影的电流变装置，基于ere原理，将特定erf填充在一个软性的、同胚0亏格的完整曲面三维体积内，该曲面三维体积内设计有曲面对曲面的类似电容器结构的对电极。该软性曲面对电极被固定于适合头部轮廓的相应硬质有机材料的支撑曲面的内壁，该支撑曲面被固定在mri头部线圈内，其弯曲度不仅要使头部进出自如，克服了气囊固定方法中充气和放气耗时长的缺陷，该发明很好地兼顾了头部制动效果和被检查者舒适感，在mri即将工作但还没给该电流变装置加电场时，被检查者在平躺舒适体位下，使液态erf保持7-20mm均匀厚度，并包裹被检查者的头颅后部、头顶部、头部两侧及双耳部位，给该电流变装置加电场后，使紧贴于上述部分头颅部位的erf从液体变成具有相当的机械强度的“固体”曲面，像固定头部的“模具”，从而严丝合缝地紧贴上述头颅部位，起到制动头部消除甚至消除mri中运动伪影的作用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

头部制动消除磁共振成像运动伪影的电流变装置，包括与被检查者头部吻合的erf囊5主体，erf囊5主体包括一个完整连续的、柔性的囊状绝缘层6，囊状绝缘层6的非被检查者头部接触面粘贴在支撑曲面13的内侧，囊状绝缘层6非被检查者头部接触面的内侧粘贴有硬曲面正电极7，囊状绝缘层6被检查者头部接触面的内侧粘贴有软曲面负电极10，囊状绝缘层6被检查者头部接触面的外侧粘贴有降噪声层11，囊状绝缘层6的腔体内盛放有液态的erf8，在硬曲面正电极7的中心位置设置有头枕部支架9，头枕部支架9浸泡在erf8中。

所述的erf囊5使用时其中轴线l2和被检查者的头部-脊柱中轴线l1和平行，被检查者仰卧平躺下后，中轴线l1与l2重合；

所述的囊状绝缘层6分为正电极部分、负电极部分和绝缘部分12三部分，硬曲面正电极7和支撑曲面13之间的囊状绝缘层6是正电极部分；软曲面负电极10和降噪声层11之间的囊状绝缘层6为负电极部分；硬曲面正电极7和软曲面负电极10之间的囊状绝缘层6为绝缘部分12；

所述囊状绝缘层6为软性绝缘材料，厚度为0.5-3mm，质地软、有韧性、绝缘，包括橡胶、硅胶材质。

所述硬曲面正电极7是一个给erf8提供正电荷的曲面电极；所述硬曲面正电极7为硬质导电材料，厚度0.5-3mm，包括铜、钛合金、锌合金等磁兼容导电材料。

所述的erf8的外侧与硬曲面正电极7接触，erf8的内侧与软曲面负电极10接触，erf8的最上端是囊状绝缘层6的绝缘部分12；

所述erf8厚度7-20mm，在施加电场工作时迅速改变其表观粘度，使得erf变硬，让头部被包裹部位无缝镶嵌在固化erf形成的“模具”之中，但在取消电场作用时又可迅速地从固体变成液体，使头部顺利出来；

所述的erf8选为粒径微米级的、高介电常数的固体微粒，能够被分散在低介电常数的绝缘液中，形成无水悬浮液体；

所述erf8为纳米纤维聚苯胺颗粒与硅油组成的erf，纳米纤维聚苯胺的颗粒直径200nm、颗粒长1-5μm、比表面积43m²/g、导电率～0.6s/cm、介电常数43f/m、较低的零电场粘度0.101pas，纳米纤维聚苯胺颗粒以10％wt分散在介电常数2.58f/m、25℃下粘度50mpas的硅油中，在6kv/mm电场强度下剪切应力达到1250pa～1570pa，且25℃下响应时间53ms；

所述erf8采用丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶与硅油组成的erf，丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶的颗粒密度1.54-1.62g/cm³、颗粒重量比37％wt，丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶以8％wt分散在介电常数2.70f/m、25℃下粘度500mpas的硅油中，在3kv/mm直流电场强度下剪切应力达到12.6kpa。

所述头枕部支架9靠近软曲面负电极10内侧一端的是一个契合头枕部的曲面支架，以免因头部重量导致正负电极接触。

所述头枕部支架9为硬质绝缘材料，包括酚醛树脂、陶瓷。

所述软曲面负电极10是一个给erf8提供负电荷的软曲面电极，且粘贴在囊状绝缘层6的负电极部分的内侧。

所述软曲面负电极10为软性导电材料，厚度0.5-3mm，包括导电布、导电网纱、导电海绵、导电膜以及导电纤维。

所述降噪声层11是包裹人头部的一层具有降低噪声、舒适柔软、透气作用的软性材料，包括棉布、麂皮绒；降噪声层11被粘贴在囊状绝缘层6中负电极部分的外侧，紧贴被检查者头部。

所述支撑曲面13用于支撑其上部内侧的erf囊5，处于填充层14内侧，erf囊5外侧，erf在液态时，保证约7-20mm厚度的erf均匀地紧密包裹头部1-4部位，且其弯曲度保证在不加电时使头部进出自如，在加电场时使erf囊5中的erf固化，保证紧密镶嵌头部，实现头部制动。

所述支撑曲面13选择有相当硬度、厚度和质轻的材料，包括铜、酚醛树脂、硬质塑料。

所述填充层14用于固定支撑曲面13，处于头部线圈15和支撑曲面13之间。

所述填充层14应选择有相当硬度、无毒、价廉的材料，包括聚苯乙烯、树脂。

所述的硬曲面正电极7和软曲面负电极10的正负电荷，通过导线16连接高压电源17提供，可采用多种高压电源(直流、交流)；导线16应选择磁兼容材料，包括铜导线、银导线；高压电源17应放在mri仪器屏蔽区之外。

由于ere的一系列特性，如可控的流动特性、可控的粘度特性、固化效应、快速响应、低能耗以及可控的可逆性等，当将上述特性用于本发明新设计的装置时，可明显地看到本发明具有以下优点：

(1)本发明的头部制动消除mri运动伪影的电流变装置具有良好的制动效果和舒适感。在电场作用下可使erf在液态与固态之间快速转换，这种转换是可逆的、无级的和可控的。本发明装置采用简单的电信号控制，即通过简单地调节电场强度就可无级地、可逆地改变erf的机械强度，erf固化形成一个类似包裹头部的“模具”，不会让头部有挤压压迫感，保证了良好的头部舒适感，还保证了很好的头部制动效果(减少甚至消除运动伪影)。

(2)本发明电流变装置消耗能量极低。与其它能消除头部mri运动伪影的装置相比，本发明是根据ere设计的电流变装置，是在加上高压电场(如场强6kv/mm)后使介电的erf在液态-固态之间转换，故装置电流应在微安级别(如10μa)，装置功率很低(如6w)。

(3)本发明电流变装置中的erf状态切换(液态/固态)在毫秒级实现(如约25ms)。文献专利201610651921.3采用充气/放气方式头部制动需要较长时间，会消耗宝贵的mri有效机时。本发明电流变装置毫秒级响应，即mri开始前加电场使紧贴人头颅的、固定厚度的液态erf瞬间固化，而在mri工作结束后去除电场，使erf毫秒级地从固态回到液态，让头部从mri工作状态时的高强度固化的erf“模具”中释放出来。

(4)本发明电流变装置可以反复使用，是环境友好型装置。该电流变装置只与电信号(加电场、去电场)操控有关，erf、电极、绝缘层、降噪声层、填充层以及支撑曲面等部件均可反复使用。

以下是本发明的较佳实施例详细说明。

附图说明

图1是仰卧位被检查者头部接触电流变装置的示意图，涉及头部接触部位分区和电流变装置erf囊5的外观。

图2是本发明电流变装置整体结构示意图。(a)正视结构示意图；(b)斜视结构示意图。

图3是本发明头部制动电流变装置的各层细节放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明装置进行清楚、完整地详细介绍：

本发明以鸟笼型线圈为例，匹配设计了头部制动消除mri运动伪影的电流变装置。本发明装置经形状变化后也可用于其他形状的mri头部线圈中，且都属于本专利的保护范围。

参照图2、3，头部制动消除磁共振成像运动伪影的电流变装置，包括与被检查者头部吻合的erf囊5主体，erf囊5主体包括一个完整连续的、柔性的囊状绝缘层6，囊状绝缘层6的非被检查者头部接触面粘贴在支撑曲面13的内侧，囊状绝缘层6非被检查者头部接触面的内侧粘贴有硬曲面正电极7，囊状绝缘层6被检查者头部接触面的内侧粘贴有软曲面负电极10，囊状绝缘层6被检查者头部接触面的外侧粘贴有降噪声层11，囊状绝缘层6的腔体内盛放有液态的erf8。在硬面曲正电极7的中心位置设置有头枕部支架9，头枕部支架9浸泡在erf8中。

参照图1，所述的erf囊5使用时其中轴线l2和被检查者的头部-脊柱中轴线l1和平行，被检查者仰卧平躺下后，中轴线l1与l2重合；

所述的囊状绝缘层6分为正电极部分、负电极部分和绝缘部分12三部分，硬曲面正电极7和支撑曲面13之间的囊状绝缘层6是正电极部分；软曲面负电极10和降噪声层11之间的囊状绝缘层6为负电极部分；硬曲面正电极7和软曲面负电极10之间的囊状绝缘层6为绝缘部分12。

所述囊状绝缘层6为软性绝缘材料，厚度为0.5-3mm，质地软、有韧性、绝缘，包括橡胶、硅胶材质。本实施例选用约1mm厚的硅胶。

所述硬曲面正电极7是一个给erf8提供正电荷的曲面电极；所述硬曲面正电极7为硬质导电材料，厚度0.5-3mm，包括铜、钛合金、锌合金等磁兼容导电材料；本实施例选用约0.5mm厚的铜板。

所述的erf8的外侧与硬曲面正电极7接触，erf8的内侧与软曲面负电极10接触，erf8的最上端是囊状绝缘层6的绝缘部分12。

所述erf8厚度7-20mm，在施加电场工作时迅速改变其表观粘度，使得erf变硬，让头部被包裹部位无缝镶嵌在固化erf形成的“模具”之中，但在取消电场作用时又可迅速地从固体变成液体，使头部顺利出来。

所述的erf8选为粒径微米级的、高介电常数的固体微粒，能够被分散在低介电常数的绝缘液中，形成无水悬浮液体。

所述erf8为纳米纤维聚苯胺颗粒与硅油组成的erf，纳米纤维聚苯胺的颗粒直径200nm、颗粒长1-5μm、比表面积43m²/g、导电率～0.6s/cm、介电常数43f/m、较低的零电场粘度0.101pas，纳米纤维聚苯胺颗粒以10％wt分散在介电常数2.58f/m、25℃下粘度50mpas的硅油中，在6kv/mm电场强度下剪切应力达到1250pa～1570pa，且25℃下响应时间53ms。

或者所述erf8采用丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶与硅油组成的erf，丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶的颗粒密度1.54-1.62g/cm³、颗粒重量比37％wt，丙三醇活化二氧化钛有机-无机杂化凝胶以8％wt分散在介电常数2.70f/m、25℃下粘度500mpas的硅油中，在3kv/mm直流电场强度下剪切应力达到12.6kpa。

所述头枕部支架9靠近软曲面负电极10内侧一端的是一个契合头枕部的曲面支架，以免因头部重量导致正负电极接触。

所述头枕部支架9为硬质绝缘材料，包括酚醛树脂、陶瓷，本实施例选用陶瓷。

所述软曲面负电极10是一个给erf8提供负电荷的软曲面电极，且粘贴在囊状绝缘层6的负电极部分的内侧。

所述软曲面负电极10为软性导电材料，厚度0.5-3mm，包括导电布、导电网纱、导电海绵、导电膜以及导电纤维；本实施例选用约0.5mm厚度的导电布(铜浆印刷)。

所述降噪声层11是包裹人头部的一层具有降低噪声、舒适柔软、透气作用的软性材料，包括棉布、麂皮绒；降噪声层11被粘贴在囊状绝缘层6中负电极部分的外侧，紧贴被检查者头部；本实施例选用1mm厚度的麂皮绒。

所述支撑曲面13用于支撑其上部内侧的erf囊5，处于填充层14内侧，erf囊5外侧，erf在液态时，保证约7-20mm厚度的erf均匀地紧密包裹头部1-4部位，且其弯曲度保证在不加电时使头部进出自如，在加电场时使erf囊5中的erf固化，保证紧密镶嵌头部，实现头部制动。

所述支撑曲面13选择有相当硬度、厚度和质轻的材料，包括铜、酚醛树脂、硬质塑料，本实施例选用10mm厚度的硬质塑料。

所述填充层14用于固定支撑曲面13，处于头部线圈15和支撑曲面13之间。

所述填充层14应选择有相当硬度、无毒、价廉的材料，包括聚苯乙烯、树脂，本实施例选用树脂。

所述的硬曲面正电极7和软曲面负电极10的正负电荷，通过导线16连接高压电源17提供，可采用多种高压电源(直流、交流)；导线16应选择磁兼容材料，包括铜导线、银导线，本实施例选用铜导线。高压电源17应放在mri仪器屏蔽区之外。本发明高压电源17选用60kv、2ma、120w的高压发生器(high-voltagegenerator)；电流变装置对电压稳定性的要求和mri仪器对电压稳定性的要求是一致的。

本发明工作原理为：(1)在被检查者仰卧位时接触头部的几个部位，参照图1，包括头顶部1、头枕部2、头部两侧3和双耳部位4；在被检查者进行头部mri检查前，要求被检查者或其家属仔细阅读《磁共振(mri)常规检查知情同意书》，确认同意后签字；(2)被检查者以舒适体位仰卧平躺，erf囊5内erf为没加电场的液体状态时，使erf囊5紧贴头部并包裹1-4部位，并保持erf约10mm均匀厚度；(3)mri设备医师同时开启mri头部扫描和该电流变装置的高压电源；(4)erf囊5加上高场强(如6kv/mm)后，囊中的erf由液态无级地变为固态，固化的erf囊5内壁紧贴头部形成头部制动的“模具”，使被检查者头部固定且处于舒适状态；(5)降噪声层11紧贴头部双耳部位4以降低mri设备的工作噪音；(6)头部mri扫描开始常规扫描流程(如5-30min)，待扫描完成后，去掉电场，erf囊5中的erf8瞬间从固态变为液态，被检查者的头部可以自如退出；(7)(协助)被检查者离开mri屏蔽室，完成使用电流变装置制动头部消除mri运动伪影的扫描过程。

本发明利用ere中的erf加电场后颗粒纤维化，使erf粘度大幅度升高直至变硬固化，从而达到固定头部，而去电场后又回到erf低粘度的液体状态，从而使头部进出自如，并实现可以方便地、反复地使用的目的。这类基于ere特性的器件具有电控制使用简便、毫秒级状态切换、能耗低和适用范围广等优点。

该人体部位制动电流变装置具有适用mri人体多部位制动(如头部、胳膊、腿部、脚等部位)的优点；由于erf从液体到固体是无级变化的，通过控制电场强度就可无级地、可逆地改变erf的机械强度，保证良好的制动效果(减少甚至消除运动伪影)和良好的舒适感；erf在液-固间毫秒级切换，即mri工作期间加电场使紧贴人头颅的、固定厚度的液态erf瞬间固化，而待mri结束后，去除电场使erf从固态瞬间恢复到液态，使人头部从有强度的、固化的erf“模具”中释放出来；当然该发明装置只与加电场、去电场操控有关，而erf、曲面对电极、曲面绝缘层、曲面降噪层以及支撑曲面等部件均可反复使用，可见该装置具有节能环保的优点。