一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法
【专利摘要】本发明公开了一种梯度线圈并联分层的布线结构，GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈并联。本发明还公开了一种梯度线圈并联分层的布线方法。本发明克服现有技术中GX、GY线圈性能差异大的问题，提高梯度线圈整体的性能。
【专利说明】一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法
【技术领域】
[0001]本发明属于核磁共振系统领域，特别涉及了一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法。
【背景技术】
[0002]磁共振成像(MRI)系统是一种使用核磁共振方法来获得病人的详细图像的医疗系统，是目前临床医学诊断最重要的工具之一。在所有医学影像学手段中，MRI对软组织的显像最为清晰，在很多专门科室的疾病诊断与治疗中发挥重要作用。
[0003]MRI仪器的核心部件包括磁体系统、梯度系统和射频系统三大部分。其中磁体系统能够围绕病人身体的某部分产生强而高度均匀的静磁场，目前常用的有超导磁体系统或永磁磁体系统；梯度系统主要作用是在成像区域内产生一个近似线性的梯度磁场；射频系统主要用于收发射频信号；三大核心部件的性能是决定MRI仪器性能的关键。除了三大核心部件外，还包括计算机处理系统，该系统从射频接收线圈接收信号，并且将该信号进行处理，从而生成医学图像。
[0004]梯度线圈根据应用可分为全人体线圈和局部线圈，比如头线圈。其结构形状主要有圆柱式与平面开放式两种。无论是哪一种类型的梯度线圈，其基本部件都是包括GX、GY、GZ三个梯度线圈，它们分别在X、Y、Z三个正交方向生成梯度磁场。其中，GX、GY又被称为横向梯度线圈，GZ被称为纵向梯度线圈。对于超导MRI上使用的梯度线圈，还需要考虑电磁屏蔽，因此每个方向的梯度线圈又分为主线圈(PrimaryCoil)与屏蔽线圈(ShieldCoil),这样的梯度线圈称为有源屏蔽梯度线圈。
[0005]目前梯度线圈的制作方法主要有两类:绕线式与铜板切割式。无论是哪一种类型，GX与GY所在的空间位置距离成像区域中心的距离必然有差别，因此造成GX与GY梯度线圈性能的差别。特别是对于绕线式制作工艺来说，为了减小梯度线圈的电阻必须采用比较粗的导线，从而会导致GX与GY的性能具有较大差别。这种差别体现在两个线圈的梯度场强度不同，或者电感、电阻、切换率等电磁参数的不同。在MRI系统成像时，梯度线圈的性能是由较差的一个线圈决定的。因此，GX与GY梯度线圈的性能差异会影响整个梯度线圈部件的性能。
[0006]目前的梯度线圈制作工艺中，GX、GY、GZ三个梯度线圈各占一层圆柱面或平面。有一些专利采用多层绕线的方式，但是其做法是将多层线圈进行串联。这些做法都不能减小GX与GY这两个横向梯度线圈之间的性能差异。
【发明内容】
[0007]为了解决上述【背景技术】存在的问题，本发明旨在提供一种梯度线圈并联分层的布线结构和布线方法，克服现有技术中GX、GY线圈性能差异大的问题，提高梯度线圈整体的性能。
[0008]为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为:[0009]一种梯度线圈并联分层的布线结构，包含GX/GY/GZ三种梯度线圈，每种梯度线圈均包含主线圈，其中GX/GY为两种不同方向的横向梯度线圈，GZ为纵向梯度线圈，GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈分别作为一个并联支路或者一个并联支路的一部分，各并联支路并联。
[0010]其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，则该种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，并联后的主线圈与并联后的屏蔽线圈串联。
[0011]其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，且屏蔽线圈层数与该种梯度线圈的主线圈层数相同，则该种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联后作为该种梯度线圈的一层，然后该种梯度线圈的各层并联。
[0012]其中，每层梯度线圈由η根并联的导线绕制而成，η为大于等于I的自然数。
[0013]其中，GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈还包含屏蔽线圈，某种梯度线圈的每层主线圈的并联导线的数目与该种梯度线圈的每层屏蔽线圈的并联导线的数目不同。每层主线圈的并联导线数目为2-3根，每层屏蔽线圈的并联导线数目为2-6根。
[0014]其中，同种梯度线圈的相邻层采用方向相反的跳线方式。
[0015]本发明还包含一种梯度线圈并联分层的布线方法，包含以下步骤:
[0016](I)分别确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的主线圈层数ΝΡΧ、ΝΡΥ和NPz和屏蔽线圈层数NSX、NSY和NSZ，然后确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的每层主线圈的厚度与每层屏蔽线圈的厚度，其中，NPx, NPy和NPz均为正整数且三者中至少有一个为大于I的正整数，NSx, NSy和NSz均为非负整数；
[0017](2)确定梯度线圈中各层线圈之间的相对位置，根据各层线圈的厚度与各层线圈之间的间隙厚度确定梯度线圈中各层线圈的中心坐标；
[0018](3)确定同种梯度线圈中各层线圈的连接方式，如果主线圈与屏蔽线圈层数相等，则每层主线圈与某层对应的屏蔽线圈串联连接作为一层，然后同种梯度线圈的各层并联连接；若主线圈与屏蔽线圈层数不等，则各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联；
[0019](4)选择每层梯度线圈的制作工艺，并对每层梯度线圈的形状进行设计；
[0020](5)独立制作各层线圈，然后将所有线圈按顺序依次装配，并将每层线圈按其预定的连接方式进行连接。
[0021]步骤(4)中，各层梯度线圈的形状采用流函数法确定。
[0022]步骤(4)中，在确定各层梯度线圈的形状时，保证同种梯度线圈的各层线圈之间的梯度场强度和线性度的差异均小于5%。
[0023]采用上述技术方案带来的有益效果是:
[0024]本发明的梯度线圈采用分层结构和每层多根导线并联的绕线方式，不但能够减小梯度线圈的电感，还能减小导线自身的涡流效应，并且有更好的散热特性，避免局部过热。同时，并联导线由于横截面积小，因此与单根导线相比更容易绕线，降低了工艺难度。在材料成本上，多根并联导线与单根导线的总长度与总的横截面积差不多，因此材料成本几乎一样，但是能够显著的提升线圈的性能。【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是单层梯度线圈中3种线圈的空间位置分布示意图；
[0026]图2是圆柱形横向梯度线圈GX/GY的绕线方式示意图；
[0027]图3是圆柱形纵向梯度线圈GZ的绕线方式示意图；
[0028]图4(a)、图4(b)、图4(c)依次为某种梯度线圈仅有主线圈、有主线圈和屏蔽线圈、主线圈与屏蔽线圈层数相等情况下的连接方式示意图； [0029]图5-图12是有源屏蔽梯度线圈的八种典型分层结构示意图；
[0030]图13是GX/GY梯度线圈每层上的并联绕线方式示意图；
[0031]图14是有源屏蔽梯度线圈的抗涡流分层绕线方式示意图。
【具体实施方式】
[0032]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0033]本实施例以圆柱形有源屏蔽梯度线圈为例说明。
[0034]有源屏蔽梯度线圈部件主要包括X、Y、Z三个方向的梯度线圈，分别用GX、GY、GZ表示，其中GX与GY为横向梯度线圈，线圈结构相似，设计原理相同，GZ为纵向线圈。每个方向的梯度线圈又分为主线圈与屏蔽线圈，分别用P与S表示，例如GXP表示X方向梯度线圈的主线圈。如图1所示为单层梯度线圈中3种线圈的分布示意图，其中最内层的区域为成像区域DSV，内三层线圈为主线圈，排布顺序依次为GXP、GYP、GZP ;外三层为屏蔽线圈，排序为GZS、GXS、GYS。其中GXP、GYP、GXS、GYS为马鞍形状，如图2所示；GZP与GZS为圆环形状，如图3所示。
[0035]在梯度线圈设计中，我们关心的主要有三个指标:成像区域内梯度磁场的强度B、线性度E以及切换率S或爬升时间At。在梯度磁场强度B —定的情况下，线性度E与切换率S越高越好或者说爬升时间At越大越好。其中切换率S与磁场强度B、爬升时间At之间的关系为:
【权利要求】
1.一种梯度线圈并联分层的布线结构，包含GX/GY/GZ三种梯度线圈，每种梯度线圈均包含主线圈，其中GX/GY为两种不同方向的横向梯度线圈，GZ为纵向梯度线圈，其特征在于:GX/GY/GZ三种梯度线圈中至少有一种梯度线圈采用至少两层结构，某种梯度线圈的某层在空间上与同种梯度线圈的其他层相邻或者与另一种梯度线圈的某层相邻，同种梯度线圈的各层主线圈分别作为一个并联支路或者一个并联支路的一部分，各并联支路并联。
2.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，则该种梯度线圈的各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，并联后的主线圈与并联后的屏蔽线圈串联。
3.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈包含屏蔽线圈，且屏蔽线圈层数与该种梯度线圈的主线圈层数相同，则该种梯度线圈的每层主线圈与对应的某层屏蔽线圈串联后作为该种梯度线圈的一层，然后该种梯度线圈的各层并联。
4.根据权利要求1所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:每层梯度线圈由η根并联的导线绕制而成，η为大于等于I的自然数。
5.根据权利要求4所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:GX/GY/GZ三种梯度线圈中的某一种梯度线圈还包含屏蔽线圈，该种梯度线圈的每层主线圈的并联导线的数目与该种梯度线圈的每层屏蔽线圈的并联导线的数目不同。
6.根据权利要求5所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:每层主线圈的并联导线数目为2-3根，每层屏蔽线圈的并联导线数目为2-6根。
7.根据权利要求1或2或3所述一种梯度线圈并联分层的布线结构，其特征在于:同种梯度线圈的相邻层采用方向相反的跳线方式。
8.一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于:包含以下步骤， (1)分别确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的主线圈层数NPx,NPy和NPz和屏蔽线圈层数NSx、NSY和NSZ，然后确定GX/GY/GZ三种梯度线圈的每层主线圈的厚度与每层屏蔽线圈的厚度，其中，NPx、NPY和NPz均为正整数且三者中至少有一个为大于I的正整数，NSX、NSY和NSz均为非负整数； (2)确定梯度线圈中各层线圈之间的相对位置，根据各层线圈厚度与各层线圈之间的间隙厚度确定各层线圈的中心坐标； (3)确定同种梯度线圈中各层线圈的连接方式，若主线圈与屏蔽线圈层数相等，则每层主线圈与某层对应的屏蔽线圈串联连接作为一层，然后同种梯度线圈的各层并联连接；若主线圈与屏蔽线圈层数不等，则各层主线圈并联，各层屏蔽线圈并联，然后将并联后的主线圈与屏蔽线圈串联； (4)选择每层梯度线圈的制作工艺，并对每层梯度线圈的形状进行设计； (5)独立制作各层线圈，然后将所有线圈按顺序依次装配，并将每层线圈按其预定的连接方式进行连接。
9.根据权利要求8所述一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于:步骤(4)中，各层梯度线圈的形状采用流函数法确定。
10.根据权利要求8所述一种梯度线圈并联分层的布线方法，其特征在于:步骤(4)中，在确定各层梯度线圈的形状时，保证同种梯度线圈的各层线圈之间的梯度场强度和线性度的差异均小于5 %。
【文档编号】H01F5/00GK104020429SQ201410250755
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】边彩霞, 田永伟, 陈磐 申请人:南京工程学院