梯度线圈及其制造方法与流程

本发明公开的实施方式涉及梯度线圈及其制造方法,特别是一种空心的梯度线圈及其制造方法。

背景技术：

梯度线圈是磁共振成像系统中的重要元件。空心梯度线圈有诸多优点，例如，良好的散热性能。然而，空心梯度线圈在制造方面却存在一定挑战。在现有方法中，制造空心梯度线圈需要将铜管在一平面上进行盘绕，接着将盘绕后的铜管弯曲至一曲面上。所述弯曲的过程会引起铜管变形进而影响梯度线圈的性能。所述弯曲的过程还会导致梯度线圈个体与个体间在形状上的误差。

在现有的梯度线圈组件中，绝缘层通常由一种单一材料制成，因此所述绝缘层在其任何部位上都具有相同的特性，因而无法满足实际应用中的不同需求，例如，可能在不同的部位需要不同的声学特性。

因此，有必要提供一种新的梯度线圈及新的梯度线圈制造方法来解决至少一个上述问题。

技术实现要素：

本发明的一个方面在于提供一种梯度线圈，该梯度线圈包括管状的弯曲导体，其大致成螺旋形。形成所述弯曲导体的步骤包括：将 至少一种非导体材料逐层累加来形成基底，及在所述基底的至少一部分表面上涂覆导体材料；其中，所述基底的形状与所述弯曲导体的大致螺旋形状相匹配。

本发明的另一个方面在于提供一种制造梯度线圈的方法，该方法包括：将至少一种非导体材料逐层累加来形成基底，及将导体材料涂覆在所述基底的至少一部分表面上来形成弯曲导体。其中，该基底的形状大致成螺旋形，与目标梯度线圈的形状相匹配；该弯曲导体具有与所述目标梯度线圈相同的形状，即大致成螺旋形。

附图说明

当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：

图1为根据本发明一具体实施例的梯度线圈制造方法的流程图；

图2为根据本发明另一具体实施例的梯度线圈制造方法的流程图；

图3为根据本发明又一具体实施例的梯度线圈制造方法的流程图；

图4为根据本发明一具体实施例的带有可去除的基底的梯度线圈的截面图；

图5为根据本发明另一具体实施例的梯度线圈的截面图；

图6为根据本发明的又一具体实施例的梯度线圈的截面图；

图7为根据本发明的又一具体实施例的梯度线圈的截面图；

图8为图7中D部分的局部放大图；

图9为根据本发明一具体实施例的梯度线圈的示意图；

图10为图9中C部分的局部放大图；

图11为根据本发明另一具体实施例的梯度线圈的示意图；

图12为根据本发明的又一具体实施例的梯度线圈的部分示意图；

图13为图12中的梯度线圈在剖面线A-A方向上的截面图；

图14为图12中的梯度线圈在剖面线B-B方向上的截面图；

图15为根据本发明又一具体实施例的梯度线圈的示意图；及

图16为根据本发明又一具体实施例的梯度线圈的截面图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。本发明中使用的“可”、“可以”与“可能”等词语表明在某些环境中事件发生的可能性；拥有一种特定属性、特征或功能；和/或通过与某一合格动词结合表示一个或多个能力、性能或可能性。相应地，“可能”的使用表明：被修饰的术语对于所示的能力、功能或用途是明显适当、可匹配或合适的；同时考虑到在某些情况的存在，被修饰的术语有时可能不适当，不匹配或不合适。

梯度线圈是磁共振成像系统的重要元件，为了满足各种不同的性能需求通常具有复杂的几何形状。然而，梯度线圈复杂的几何形状却加大了制造的难度。具有复杂几何形状的空心梯度线圈制造难度更大，因为空心导体与实心导体相比，在弯曲和焊接方面的难度更大。

本发明的具体实施例涉及一种使用增材制造法来制造梯度线圈的方法。该方法可以被广泛地应用于空心梯度线圈的制造，并且可以极大地简化具有复杂几何形状的空心梯度线圈的制造过程。图1至图3分别展示了所述方法的三个示范性实施例。该方法的动作以功能模块的形式图示，图1至图3所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。

图1为根据本发明一具体实施例的梯度线圈制造方法10的流程图。参见图1，所述方法10包括步骤11-14，将在下文中做具体阐述。

在步骤11中，对目标梯度线圈的形状进行设计。该步骤可能包括电磁设计和计算机辅助设计，可能通过一些软件工具来实现。所述目标梯度线圈大致成螺旋形。在一些具体实例中，所述目标梯度线圈可设计成铺设于一曲面上。

在步骤12中，根据步骤11中设计的目标梯度线圈的形状来确定基底的形状，所述基底的形状与目标梯度线圈的形状相匹配。

在步骤13中，通过增材制造法使用至少一种非导体材料来制造基底。具体地，根据步骤22中确定的所述基底的形状将至少一种非导体材料逐层累加来形成所述基底；该基底与目标梯度线圈相似，也大致为螺旋形。增材制造，又被称为3D打印，是一种用于制造三维物体的技术手段。由3D打印制造的三维物体几乎可以是任何形状或任何的材料成分的。在增材制造中，材料在计算机的控制下被连续地层层铺设。增材制造法包括光固化快速成型、熔融沉积建模、激光烧结和Po lyJet法。所述基底的制造可能通过一台3D打印机实现。所述非导体材料可能包括聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、尼龙或其任意组合。

在步骤14中，将导体材料涂覆在所述基底的至少一部分表面上来形成弯曲导体，该弯曲导体具有与所述目标梯度线圈相同的形状，即大致成螺旋形。所述基底的表面包括外侧周面，该涂覆的步骤包括通过电化学沉积、喷涂、浸渍、刷涂或者其任意组合的方式将导体材 料沉积在所述基底的外侧周面。其中，所述电化学沉积法包括电铸、电镀和化学镀。

当基底为空心时，所述基底表面还可能包括内表面。所述涂覆的步骤包括通过电化学沉积、喷涂、浸渍、刷涂或者其任意组合的方式将导体材料沉积在所述基底的内表面。其中，所述电化学沉积法包括电铸、电镀和化学镀。

图2是根据本发明的另一具体实施例的梯度线圈制造方法20的流程图。参见图2，如步骤21所示，对目标梯度线圈的形状进行设计。这一步骤可能包括电磁设计和计算机辅助设计，可能通过一些软件工具来实现。该目标梯度线圈被设计成具有大致的螺旋形状。

在步骤22中，根据步骤21中设计的目标梯度线圈的形状来确定基底的形状，所述基底的形状与目标梯度线圈的形状相匹配。所述基底可以是实心的，也可以是空心的，并且所述基底在与目标梯度线圈相对应的位置处的横截面比目标梯度线圈略小。所述基底可定义目标梯度线圈的空腔。例如，如果目标梯度线圈被设计成具有6毫米*10毫米的横截面，且壁厚为1毫米；则基底的横截面可能为4毫米*8毫米。在另一个例子中，如果目标梯度线圈的横截面是直径为8毫米的圆，且壁厚为1.5毫米，则基底的横截面是直径为5毫米的圆。

在步骤23中，根据步骤22中所确定的基底的形状将至少一种非导体材料逐层累加以形成基底。

在一些具体实例中，对基底的外侧周面进行涂覆从而在其上形成弯曲导体。所述覆层的厚度与所述目标梯度线圈的壁厚大致相同。如步骤24所示，将导体材料用电铸法沉积在基底的外侧周面来形成弯曲导体。电铸法能够在基底的外侧周面上附着厚达几毫米的涂层。在 一些具体实施例中，所述导体材料为铜。通过电铸法来生成所述弯曲导体时，可以允许使用纯度较低的铜，从而极大地降低生产成本。电铸这一步骤不仅能使铜塑型，并且可以对铜进行精炼纯化，以改善铜的电学性能、机械性能和热力学性能。所述电铸的步骤可能包括加入添加剂的步骤，从而提高弯曲导体的质量。在一些实施例中，添加剂的体积含量大于0.2％，且电流密度为30-60mA/cm²。

所述方法20进一步包括对弯曲导体的外表面进行精加工，如步骤25所示。所述精加工可能包括抛光、磨削、喷丸、酸洗及其任意组合。

在一些具体实施例中，所述方法20进一步包括去除所述基底，使之与所述弯曲导体分离，如步骤26所示。这一步骤可以通过加热的方法实现，例如，加热带有基底的弯曲导体。所述基底在加热过程中可能会熔化，然后将熔化的基底吹走，使之与弯曲导体分离。所述加热步骤包括在氮气的气氛中加热所述梯度线圈，这样，弯曲导体不会被氧化，从而可以提高弯曲导体的质量。在一些实施例中，所述去除的步骤可能包括在所述基底内形成多个空腔，其中，所述空腔在所述基底的端面上有开口；然后，加热带有所述基体的弯曲导体来去除所述基底。当所述基体被加热时，所述基体可能会发生膨胀，所述基体内的空腔为基体的膨胀预留了空间。当所述基体被加热时，还可能会产生气体，所述气体可从所述开口被释放出。所述带有空腔的基体可通过增材制造的方式一次形成。

所述去除的步骤也可以由化学方法实现，例如，用溶剂腐蚀基底。所述溶剂包括二氯甲烷、氯甲烷、四氢呋喃及其结合。在一些实施例中，所述去除的步骤可能包括在所述基底内形成多个空腔，其中， 所述空腔在所述基底的端面上有开口；然后，向所述空腔通入溶剂来去除所述基底。这样，基底可能会更容易地被去除。所述带有空腔的基体可通过增材制造的方式一次形成。参见图4，图4为通过上述步骤21-24制造而得的带有可去除基底的梯度线圈490的截面图。如图4所示，所述梯度线圈490包括基底493和附着在所述基底493外侧周面的弯曲导体491。基底493包括位于其内部的多个空腔492，空腔492用于容纳去除基底的溶剂。基底493进一步包括位于其中心的通道494，也可以用来容纳溶剂。

在一些情况下，步骤25-26并不是必须的步骤，或者这两步可以交换顺序。

图3为根据本发明又一具体实施例的梯度线圈制造方法30的流程图。参见图3，方法30包括步骤31-35，将在下文中做具体阐述。

在步骤31中，对目标梯度线圈的形状进行设计。该步骤可通过设计类软件来实现。目标梯度线圈大致成螺旋形。

在步骤32中，根据目标梯度线圈的形状来确定基底的形状，使基底的形状与在步骤31中设计得到的目标梯度线圈的形状相匹配。基底是管状的，具有一内表面。在与目标梯度线圈相对应的位置，基底的横截面积大于目标梯度线圈的横截面积。基底的内表面可定义所述梯度线圈的外部形状。

在步骤33中，根据目标梯度线圈的性能要求设计基底的材料组成。与现有的梯度线圈不同，在本发明的一些实施例中，梯度线圈的基底在材料特性上不均匀。所述材料特性包括机械强度、密度、导热系数、声阻抗或其任意组合。这样，所述基底在不同部位有不同的材料特性，从而优化了所述目标梯度线圈的总体性能。例如，可以在 一些位置采用有弹性的材料，例如，橡胶；可以在另一些位置采用坚硬的材料，如聚碳酸酯。为了满足一些声学性能要求，可以采用声阻尼特性较好的材料；也可以在产生热较多的位置采用导热系数好的材料。

在步骤34中，根据确定的所述基底的形状和材料组成，将至少一种非导体材料逐层累加以形成基底。所述基底可能由单一的非导体材料制成，也可能由多种非导体材料制成。

在一些具体实施例中，对基底的内表面进行涂覆从而在其上形成弯曲导体。更具体的，如步骤35所示，将导体材料用化学镀的方法沉积在基底的内表面上以形成所述弯曲导体。化学镀可能包括对活化剂或催化剂进行物理吸附，及将所述内表面暴露在含有氧化态或还原态金属的液体介质中。所述活化剂或催化剂可能包括铂、金、钯或其任意任意组合。

在一些具体实例中，化学镀法可能包括在真空中将金属导体或者催化剂溅射到所述内表面从而活化所述内表面，及将所述内表面浸没在一溶液中，该溶液至少含有金属离子和一种适合的还原剂，例如，甲醛。所述被活化的内表面的促使金属离子还原成金属，并且促使还原剂氧化，被沉积下来的金属又进一步促进沉积，直到达到期望的厚度。

在另一些具体实施例中，涂覆的步骤可能包括喷涂、浸泡或刷涂含有导电介质的试剂。其中，所述导电介质为分散在液体介质中的金属颗粒或薄片，例如，导电的铜涂料。

图5-8展示了一些通过方法30制造的示例性梯度线圈，具体阐述如下。

在图5中，梯度线圈410包括基底411和附着在基底411内表面的弯曲导体413。基底的至少一种材料特性随着在基底上位置的变化而连续变化。如图5所示的具体实施例，基底411的密度从基底的一侧到另一侧逐渐变小。

在一些具体实施例中，所述基底的材料特性随着在所述基底上位置的变化而不连续变化。参见图6，梯度线圈420包括基底421和附着在基底421内表面的弯曲导体423。基底421包括至少一个与相邻区域材料不同的区块425。例如，区块425由第一材料制成，而相邻区域由第二材料制成；第一材料比第二材料机械强度高，因此可以给所述梯度线圈上的相应位置提供强度更大的支撑。

在一些实施例中，基底具有网格结构。在图7中，梯度线圈430包括基底431和附着在基底431内表面的弯曲导体433。图8是图7中基底431的D部分的局部放大图。在图8中，所述D部分包括多个按阵列排布的单元435。基底431可能由单一材料制成，也可能由多种材料制成。如果基底431由单一材料制成，基底431的材料特性取决于单元435的形状和尺寸中的至少一项。所以，单元435形状和尺寸中的至少一项根据该单元在所述基底上位置的不同而不同，以求达到预设的性能要求。

本发明揭露的方法可以用来制造以前很难制造或者无法制造的新样式的梯度线圈，从而提高磁共振成像系统的性能。下文将对一些使用本方法制造出的示例性梯度线圈进行具体描述。

图9是根据本发明的一具体实施例的梯度线圈440的示意图。梯度线圈440包括弯曲导体441，弯曲导体441呈管状且大致为螺旋形。形成弯曲导体441的步骤包括：将至少一种非导体材料逐层累加来形 成基底，及在所述基底的至少一部分表面上涂覆导体材料；其中，所述基底的形状与所述弯曲导体的形状相匹配，大致成螺旋形。

图10为图9中C部分的局部放大图。参见图9-10，弯曲导体441包括至少一区段442。区段442的曲率半径R小于区段442沿该曲率半径方向上的宽度W的2.5倍，这对于现有的加工方法来说是很难达到的。现有的梯度线圈是通过将直的金属管弯曲成预设的形状而得到的，曲率半径一般大于沿该曲率半径方向上宽度的2.5倍。这是因为曲率半径通常会受到金属管的材料、壁厚及横截面形状的限制。由于现有技术中通常采用机械力弯曲金属管，一旦曲率半径小于这个值，金属管就会出现褶皱、横截面变形或断裂等缺陷。然而，在本发明的具体实施例中，弯曲导体441是通过在所述基底表面沉积导电层而得到的，所以，弯曲导体441的形状取决于基底的形状，而所述基底又是通过增材制造法制造的。增材制造法可以制造出几乎任何几何形状的物体，因此，在本实施例中，曲率半径小于沿曲率半径方向宽度的2.5倍是很容易实现的。因为曲率半径较小，相比于现有的梯度线圈，本发明的具体实施例中的梯度线圈的结构更紧凑、更灵活，从而还带来很多其他优势，例如，能够缩小梯度线圈的尺寸，为磁共振成像系统中的其它元件腾出更多的空间。

图11为根据本发明的另一具体实施例的梯度线圈450的示意图。参见图11，梯度线圈450与图9中的梯度线圈440相似。主要的区别在于梯度线圈450进一步包括与弯曲导体451连接的分支导体455，分支导体455和弯曲导体451成一体设置。在现有的梯度线圈中，分支导体和弯曲导体一般通过焊接的方式连接，由于梯度线圈是空心的，所以这样的工序非常复杂且非常耗时。另外，分支导体和弯曲导体之 间的焊接点通常是导致异变和现场故障的根本原因。在这一具体实施例中，设计基底的形状，使之包括一个与分支导体455相对应的部分，这个部分与基底的其他部分成一体设置。接着，通过涂覆基底表面的方法，同时形成分支导体455与弯曲导体451。

在一些具体实施例中，弯曲导体横截面的形状和尺寸中的至少一项沿弯曲导体的长度方向变化。图12是根据本发明一具体实施例的梯度线圈的一部分461的示意图。图13为图12中的梯度线圈在剖面线A-A方向上的截面图。图14为图12中的梯度线圈在剖面线B-B方向上的截面图。参见图13-14可以发现，横截面A-A的面积大于横截面B-B的面积。在一些具体实施例中，梯度线圈的一些部分需要比其它部分排布得更加紧密，从而优化磁共振成像系统的整体性能。因此，可以将在此部分弯曲导体的横截面设计得较小，这样，在一个面积确定的区域内，可以排布更多的弯曲导体。然而，在现有的梯度线圈中，弯曲导体的横截面通常不变，所以要将所述弯曲导体在有限区域内排布得更紧密是非常困难的。

图15是根据本发明另一具体实施例的梯度线圈470的示意图。参见图15，梯度线圈470包括弯曲导体471，其大体上成螺旋形。弯曲导体417包括至少一区段473，区段473的曲率中心位于区段473的远离所述螺旋形中心479的一侧。这种形状通常被称为“负曲率”，其很难用现有的加工方法制造。

图16是根据本发明一具体实施例的梯度线圈480的截面图。参见图16，梯度线圈480包括基底483和附着在基底483内表面的弯曲导体481。基底483为管状，且通过增材制造法由非导体材料制成，基底483在材料特性上非均匀。在一些具体实例中，在基底483上形 成至少一个通道482，所述通道482用来使冷却液通过。通道482可设置在磁共振成像系统工作时温度较高的区域，流经通道482的冷却液会使这一区域的温度下降。所述带有通道的基体可通过增材制造的方法一次形成。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。