梯度线圈单元的制作方法

本实用新型涉及一种包括初级线圈、次级线圈和支承单元的梯度线圈单元，其中支承单元使初级线圈和次级线圈间隔开。

背景技术：

在也被称为磁共振断层扫描成像系统的磁共振设备中，通常借助主磁体使待检查对象的、特别是患者的待检查物体暴露于相对高的例如1.5或3特斯拉的主磁场。额外地，借助梯度线圈单元来发出梯度脉冲。然后经由高频天线单元借助合适的天线装置发送高频脉冲(HF脉冲)，特别是激励脉冲，这使得由这些HF脉冲共振激发的某些原子的核自旋相对于主磁场的磁力线倾斜一定的翻转角。在核自旋驰豫期间放射高频信号，即所谓的磁共振信号，其由合适的高频天线接收并且然后进一步处理。最终可以由这样获得的原始数据重建所需的图像数据。

梯度线圈单元通常包括三个初级线圈和与其对应的三个次级线圈。初级线圈通常被设计为在空间方向上产生磁场梯度。与其对应的次级线圈这样屏蔽由初级线圈产生的磁场梯度，使得所述磁场梯度在梯度线圈单元外部被补偿和/或在梯度线圈单元外部不产生磁场梯度。初级线圈和次级线圈由电流控制，所述电流的幅值达到几百A并且所述电流以几百kA/s的上升和下降速率经受频繁和快速的电流方向变化。线圈电流的驱动电压高达数kV，并且通常需要5kW至50kW的连接负载。因此，需要精确和成本密集地对梯度线圈单元进行设计。同样地，梯度线圈单元的运行特别耗能并且因此也是成本密集的。在梯度线圈单元的运行期间，梯度线圈单元通常由于高电流而被加热。迄今为止对梯度线圈单元的进一步开发主要涉及梯度线圈单元的冷却，例如DE 10 2013 208 631 B3和/或DE 10 2011 083 204 A1。

梯度线圈单元以及为梯度线圈单元供电的馈电线和诸如变压器、功率放大器、电缆和过滤器等的部件被称为梯度系统。梯度系统通常是磁共振设备的子单元，也就是说其包括在磁共振设备内，其中梯度系统通常是磁共振设备的具有最大功率需求的子单元。磁共振设备的主磁体通常具有圆柱形开孔，在该开孔中布置有梯度线圈单元。梯度线圈单元通常设计为具有内置的圆柱形中空区域的圆柱体，在该中空区域中布置有中空圆柱形的高频天线单元。高频天线单元的内部区域通常被称为患者接收区域。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种特别有效和以低成本操控的梯度线圈单元。该技术问题通过独立权利要求的特征来解决。在从属权利要求中描述了有利的设计方式。

根据本实用新型的梯度线圈单元包括初级线圈、次级线圈和支承单元，其中初级线圈被设计为具有第一壁厚、第一内半径和第一外半径的第一中空圆柱体。次级线圈被设计为具有第二壁厚、第二内半径和第二外半径的第二中空圆柱体，其中第二内半径大于第一外半径。初级线圈布置在次级线圈内，并且支承单元将初级线圈和次级线圈以这样的方式间隔开，使得第一外半径和第二内半径之间的至少一个间隔区域没有支承单元，没有匀场单元 (Shimeinheit)并且不含灌注料。

初级线圈和/或次级线圈通常被设计成具有内置的圆柱形中空区域的垂直圆柱体。支承单元通常被设计用于定位初级线圈和次级线圈，使得初级线圈和次级线圈相对于彼此处于固定的空间布置中，并且初级线圈被布置在次级线圈的中空区域中。间隔区域通常本身具有中空圆柱体的外部形状，其中所述间隔区域的该外部形状通常由支承单元所包括的部件穿透。支承单元所包括的这些部件通常限定间隔区域的边界，并且间隔区域不包括支承单元所包括的那些部件。间隔区域优选地具有尽可能大的径向维度，使得初级线圈和次级线圈之间的距离尽可能大。支承单元可以包括例如塑料和/或玻璃纤维增强塑料(GFK)和/或树脂。支承单元通常是不导电的。

梯度线圈单元，特别是初级线圈和次级线圈，通常包括灌注料，该灌注料使初级线圈和次级线圈的电线绝缘和/或在空间上稳定。在常规的梯度线圈单元中，灌注料通常完全包围初级线圈和次级线圈，其中在初级线圈和次级线圈之间通常不留间隙。如果在初级线圈和次级线圈之间留有间隙，则该间隙在常规的梯度线圈单元中用于定位匀场元件。匀场元件使梯度线圈单元所产生的磁场梯度被专门针对梯度线圈单元均匀化。常规的梯度线圈单元通常被设计成使得梯度线圈单元的内半径和外半径之间的距离尽可能小。这允许在主磁体直径尽可能小的情况下磁共振设备的患者接收区域的直径尽可能大，这在常规的磁共振设备中能够实现在成本特别低的情况下为患者提供特别高的舒适性。

已经认识到，梯度线圈单元的效率随着初级线圈和次级线圈之间的距离增加而增加。梯度线圈单元的效率可以由磁场梯度的强度与初级线圈和次级线圈中所需电流的强度之商来表示。同样已经认识到，梯度线圈单元的功率损失随着初级线圈和次级线圈之间的距离增加而减小，由此尤其是可以降低梯度线圈单元的运行所需的能量并因此降低运行成本。根据本实用新型的梯度线圈单元能够实现在待使用的材料方面成本高效且节省地构造梯度线圈单元，因为支承单元能够实现初级线圈和次级线圈的大的间隔，即初级线圈和次级线圈之间的大的距离。由此可以省去用于该间隔、即在间隔区域内的灌注料。灌注料通常包括塑料和/或玻璃纤维增强塑料(GFK)，该灌注料在根据本实用新型的梯度线圈单元的情况下可以尽可能地省去。这导致成本降低，因为灌注料作为材料是成本密集的并且该制备、特别是灌注件的制备是劳动密集的且因此昂贵。

在具有小于1特斯拉、特别是小于0.8特斯拉的主磁场的磁共振设备中，梯度线圈单元的成本、特别是梯度系统的成本随梯度线圈单元的直径缩放变化(skalieren)比主磁体的成本随主磁体的直径的缩放变化更为剧烈。这导致更为成本低廉的是，使用具有较大内直径的主磁体和具有与所述主磁体的较大内直径相匹配的第二外半径和较大的在初级线圈和次级线圈之间的距离的根据本实用新型的梯度线圈单元，其中初级线圈和次级线圈之间的间隔被这样选择，使得该间隔优选地至少对应于主磁体的内直径的扩大。

根据本实用新型的梯度线圈单元由于其改进的效率而能够以特别低成本的方式操控。由此还可以低成本地选择给梯度线圈单元供应能量的线路和部件，由此可以降低梯度系统的总成本。随着内半径的增大而增加的主磁铁成本可以至少得到补偿。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少一个间隔区域至少部分地包括空气。如果支承单元被设计成使得间隔区域至少部分地不含其他单元，诸如冷却单元和/或匀场单元，则间隔区域的该部分可以包括空气。间隙区域的包括空气的部分易于制造，并且空气尤其在空气循环的情况下可有助于冷却梯度线圈。空气可以吸收和/或存储和/或通过循环排出在梯度线圈单元的运行期间产生的热量。空气可以增加梯度线圈单元的热容量。此外，空气不导电，由此减少了初级线圈和/或次级线圈中的电流的相互作用。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少一个间隔区域至少部分地包括介质，该介质具有比空气更高的热容量。优选地，该介质是液态的并且间隔区域至少部分地被介质填充。特别优选地，间隔区域被介质完全填充。该介质可以例如包括石蜡。该介质优选地增加了梯度线圈单元的热容量，由此梯度线圈单元可以特别好地补偿瞬态增加的功率损耗。由此必要时可将用于梯度线圈单元的冷却单元设计得更小和/或更加低成本，由此可以降低梯度系统的成本。替代地和/或额外地，可以增加梯度线圈单元的效率。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，梯度线圈单元包括灌注料，其中初级线圈包括被第一部分灌注料包围的初级绕组，并且次级线圈包括被第二部分灌注料包围的次级绕组。初级绕组通常被布置为使得初级绕组在患者接收区域中产生尽可能均匀的磁场梯度。次级绕组通常被布置为使得由初级绕组产生的磁场梯度在梯度线圈单元外部被补偿和/或存在于梯度线圈单元外部。为此目的，初级绕组和/或次级绕组包括导体，该导体通常遵循多匝缠绕和/ 或部分地彼此平行地延伸。为此目的，需要精确布置该导体，使得初级绕组和/或次级绕组的布置通常是固定的。梯度线圈单元所包括的灌注料通常被设计为使得初级绕组和/或次级绕组的导体分别相对固定地定位。为此，在制备过程中，初级绕组和/或次级绕组通常被灌注以灌注料和/或被嵌入灌注料中。灌注料通常包括塑料和/或玻璃纤维增强塑料(GFK)。第一外半径和第二内半径之间的至少一个间隔区域不含该灌注料。

该实施方式的优点在于，灌注料能够实现初级绕组和次级绕组的精确布置。由此使得梯度线圈单元所产生的磁场梯度特别精确。根据本实施方式还可以节省地使用灌注料，这导致成本降低。还可以以特别低的功率、即低成本地操控该梯度线圈单元。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，支承单元包括冷却剂管线，该冷却剂管线能够实现在初级线圈和次级线圈之间交换冷却剂。冷却剂优选为液态和/或气态介质。冷却剂管线优选设计成使得冷却剂管线内的冷却剂经历和/ 或可以执行定向运动并且吸收和/或输出由于功率损失而在梯度线圈单元的运行期间产生的热量。如果冷却剂管线能够实现在初级线圈和次级线圈之间交换冷却剂，则初级线圈和次级线圈可以通过冷却剂管线进行冷却。相应地，只需要将冷却剂供入冷却剂管线一次，由此可以以特别低成本的方式制造和 /或运行冷却剂管线和/或梯度线圈单元的冷却。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，支承单元包括电线，该电线将初级线圈和次级线圈彼此电连接。电线优选连接梯度线圈单元的初级绕组和次级绕组。该实施方式的优点在于，初级绕组和次级绕组之间的电连接可以以特别高效且低成本的方式来实现。尤其地，支承单元可以包括开孔和/或凹空，该开孔和/或凹空对电线进行固定和/或定位。由此可使电线、特别是初级线圈和次级线圈之间的电连接特别坚固。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，电线被设计为使得初级线圈和次级线圈串联连接。通过在初级线圈和次级线圈之间的这种电连接，能够以特别低成本的方式操控梯度线圈单元。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，梯度线圈单元包括匀场单元，该匀场单元布置在初级线圈内。

在安装磁共振设备时，通常对由梯度线圈单元产生的磁场梯度进行测量，并且基于结果来对匀场元件、如金属这样定位，从而降低磁场梯度的均匀性的偏差。由此可以检查和/或改善均匀性。该过程也被称为“匀场(Shimming)”。可以单独地针对磁共振设备确定匀场元件的材料和/或形状和/或空间维度和 /或位置。为了定位匀场元件，通常在梯度线圈单元中设置开孔和/或凹空。这样的开孔和/或凹空可以被称为匀场单元。匀场单元也可以包括匀场元件。

根据该实施方式，初级线圈包括至少一个匀场单元。优选地，初级线圈包括初级绕组和部分灌注料，其中该部分灌注料具有至少一个用于匀场元件、即用于至少一个匀场单元的凹空。该实施方式的优点是，匀场单元被特别好地固定并且能够特别精确地定位。此外，以这种方式布置的匀场单元特别接近检查区域。由此可以以特别精确和可靠的方式确保磁场梯度的均匀性。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，梯度线圈单元包括匀场单元，该匀场单元布置在至少一个间隔区域内。根据该实施方式，间隙区域可以包围匀场单元。这是有利的，因为匀场单元优选地不减小间隔区域的径向维度。由此使得尽管存在匀场单元，还是保持了特别是由次级线圈与初级线圈的距离、特别是由次级绕组与初级绕组之间的距离所确定的梯度线圈单元的效率。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，支承单元被构造成使得间隔区域不包含对气体紧密封闭的体积。间隔区域尤其是空气能够从间隔区域之外输入的体积。为此，特别是支承单元的包围所述至少一个间隔区域的部分具有开孔，优选至少两个开孔。这些开孔优选地实现该间隔区域内的空气循环。这是特别有利的，因为由此可使梯度线圈单元内、特别是在间隔区域内被加热的空气漏出并且/或者支承单元的形状保持稳定。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，支承单元具有至少两个支柱，这些支柱这样连接初级线圈和次级线圈，使得初级线圈相对于次级线圈固定。如果梯度线圈单元、特别是支承单元是中空圆柱形的，则所述至少两个支柱优选地布置成使得当支承单元垂直投影在基面上时，所述至少两个支柱径向地布置。优选地，支承单元具有至少四个支柱，其中这些支柱关于支承单元的中心对称地布置。这种支承单元能够实现梯度线圈单元的特别坚固的实施方式。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，初级线圈和次级线圈之间的至少两个支柱中的至少一个支柱在初级线圈和/或次级线圈的纵向维度的方向上从初级线圈和/或次级线圈的端部向内位错地布置。如果初级线圈和支承单元是中空圆柱形的，则初级线圈的纵向维度优选地对应于支承单元的纵向维度。纵向维度优选对应于圆柱轴线的至少一个部分区域或与其平行。如果支柱在纵向维度的方向上向内位错地布置，则这导致初级线圈和次级线圈和向内位错地布置的支柱之间的自由区域。该自由区域可以用于梯度线圈单元和/或磁共振设备所需的其他设备，例如照明设备和/或用户界面和/或用于眼镜、线圈、电子元器件的存储设备。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少两个支柱中的至少一个支柱与初级线圈和次级线圈垂直地连接。梯度线圈单元、尤其是支承单元的该实施方式能够特别简单并且坚固地制造。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少两个支柱中的至少一个支柱在初级线圈和/或次级线圈的纵向维度的方向上从初级线圈至次级线圈向内倾斜。梯度线圈单元、尤其是支承单元的该实施方式特别稳定。初级线圈和次级线圈由此被固定得特别好，因此磁场梯度特别均匀和长期稳定。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少两个支柱中的至少一个支柱在初级线圈和/或次级线圈的纵向维度的方向上从初级线圈至次级线圈向外倾斜。梯度线圈单元、尤其是支承单元的该实施方式特别稳定。初级线圈和次级线圈由此被固定得特别好，因此磁场梯度特别均匀和长期稳定。

梯度线圈单元的一个实施方式规定，至少两个支柱中的至少一个支柱与初级线圈和/或次级线圈之间的过渡部分具有倒圆的角。优选地，支承单元的角部和/或边缘是倒圆的。由此可以避免在梯度线圈单元的运行期间由于高洛伦兹力引起的应力和/或开裂。

从下面描述的实施例并参照附图获知本实用新型的其他优点、特征和细节。

附图说明

图1示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第一实施方式的横截面示意图，

图2示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第二实施方式的横截面示意图，

图3示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第三实施方式的横截面示意图，

图4示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第四实施方式的纵截面示意图，

图5示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第五实施方式的纵截面示意图，

图6示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第六实施方式的纵截面示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第一实施方式的横截面示意图。梯度线圈单元通常是圆柱体，并且所示的横截面是圆形的。梯度线圈单元包括初级线圈31、次级线圈32和支承单元33。初级线圈31被设计为具有第一壁厚63、第一内半径61和第一外半径62的第一空心圆柱体。次级线圈32被设计为具有第二壁厚66、第二内半径64和第二外半径65的第二中空圆柱体。在此，第二内半径64大于第一外半径62并且初级线圈31 被布置在次级线圈32内。支承单元33将初级线圈31和次级线圈32这样间隔开，使得在第一外半径62和第二内半径64之间的至少一个间隔区域35 没有支承单元33、没有匀场单元并且没有灌注料。在该实施例中，支承单元 33被设计成使得间隔区域35包括四个部分区域和/或所述四个部分区域中的每一个均可被限定为多个间隔区域之一。

此外，根据第一实施方式，梯度线圈单元包括匀场单元39，该匀场单元39设置在初级线圈31内部。至少一个间隔区域35优选地至少部分包括空气。额外地和/或替代地，至少一个间隔区域35可以包括介质，该介质具有比空气更高的热容量。在这种情况下，支承单元33优选设计成使得间隔区域35没有对气体紧密密封的体积。特别地，支承单元33为此可以具有至少一个开孔，该开孔例如能够使空气和/或介质循环。

图2示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第二实施方式的横截面示意图。根据该实施方式，梯度线圈单元包括灌注料34，其中初级线圈31 包括由第一部分灌注料34包围的初级绕组41，并且次级线圈32包括由第二部分灌注料34包围的次级绕组42。此外，支承单元33包括电线38，该电线38将初级线圈31和次级线圈32彼此电连接。在此，电线38优选设计成使得初级线圈31和次级线圈32，特别是初级绕组41和次级绕组42串联连接。

图3示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第三实施方式的横截面示意图。根据该实施方式，支承单元33包括冷却剂管线36，该冷却剂管线 36能够实现在初级线圈31和次级线圈32之间交换冷却剂37。此外，梯度线圈单元的该实施方式包括匀场单元39，该匀场单元39被布置在该至少一个间隔区域35内。

图4示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第四实施方式的纵截面示意图。该梯度线圈单元通常是圆柱体，特别是圆形中空圆柱体，并且所示的纵截面是矩形的，其中该圆柱体的中空区域也呈现为矩形。在纵截面中尤其示出了支承单元33的结构。支承单元33具有至少两个支柱，特别是四个支柱51,52,53,54，这些支柱51,52,53,54这样连接初级线圈31和次级线圈32，使得初级线圈31相对于次级线圈32固定。

优选地，所有支柱51,52,53,54均与初级线圈31和次级线圈32垂直地连接。支柱51,52,53,54中的至少一个支柱与初级线圈31和/或次级线圈32 之间的过渡部分在此优选具有倒圆的角。

在初级线圈31和次级线圈32之间的支柱51,52,53,54中的至少一个支柱、优选所有支柱51,52,53,54在初级线圈31和/或次级线圈32的纵向维度的方向上从初级线圈31和/或次级线圈32的端部向内位错布置。由此，支承单元33具有至少一个开孔，优选地在每个向内位错布置的支柱的情况下，支承单元33具有多个开孔71,72,73,74，这些开孔71,72,73,74例如可用于照明装置和/或用户界面和/或存储设备。

图5示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第五实施方式的纵截面示意图。根据该实施方式，支柱51,52,53,54中的至少一个支柱、优选所有支柱在初级线圈31和/或次级线圈32的纵向维度的方向上从初级线圈31至次级线圈32向内倾斜。

图6示出了根据本实用新型的梯度线圈单元的第六实施方式的纵截面示意图。根据该实施方式，支柱51,52,53,54中的至少一个支柱、优选所有支柱在初级线圈31和/或次级线圈32的纵向维度的方向上从初级线圈31至次级线圈32向外倾斜。

虽然已经通过优选实施例进一步详细说明和描述了本实用新型，但是本实用新型不受所公开的示例的限制，并且在不脱离本实用新型的范围的情况下，本领域技术人员可以从中推导出其他变化。