一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈及其設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，包括橫向梯度線(xiàn)圈和縱向梯度線(xiàn)圈，其特征在于，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈為金屬板切割式線(xiàn)圈，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈為導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈；兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔內(nèi)填充絕緣材料。本發(fā)明還公開(kāi)了一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈整體的性能非常接近主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用銅板切割法制作的梯度線(xiàn)圈的性能，但是制作成本能夠明顯的下降，而且不存在屏蔽線(xiàn)圈自身的渦流問(wèn)題。同時(shí)，采用該方案設(shè)計(jì)的梯度線(xiàn)圈與銅板切割式相比重量更輕。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈及其設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種核磁共振成像系統(tǒng)中的部件，具體涉及核磁共振成像系統(tǒng)中的有 源屏蔽梯度線(xiàn)圈部件。本發(fā)明還涉及設(shè)計(jì)有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的方法。本發(fā)明屬于核磁共振 成像系統(tǒng)部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 梯度線(xiàn)圈是核磁共振系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其主要作用是為核磁共振成像系統(tǒng)在 三個(gè)正交方向提供交變的梯度磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)被成像物體的空間定位。梯度線(xiàn)圈的基本部 件包括X/Y/Z三個(gè)正交方向的梯度線(xiàn)圈，分別在三個(gè)方向生成梯度磁場(chǎng)。對(duì)于超導(dǎo)核磁共 振系統(tǒng)上使用的梯度線(xiàn)圈，每個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈由主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈兩部分構(gòu)成，二者共 同在成像區(qū)域形成梯度場(chǎng)，并使屏蔽線(xiàn)圈外部的磁場(chǎng)最小。在工作時(shí)，三個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈 分別與梯度放大器相連接，其內(nèi)部的交變電流可達(dá)數(shù)百安培。
[0003] 目前梯度線(xiàn)圈有金屬板切割式線(xiàn)圈和導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈兩種。金屬板切割式線(xiàn)圈的 制作工藝采用銅板切割式。導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈的制作工藝采用繞線(xiàn)式。
[0004] 這兩種工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)。銅板切割式制作工藝的優(yōu)點(diǎn)是銅板的厚度薄，同時(shí)線(xiàn)圈 的平均橫截面積大，因此電阻較小，切換率高。但是采用銅板切割具有較大的渦流效應(yīng)。特 別是屏蔽線(xiàn)圈由于銅板面積寬，因此渦流效應(yīng)更明顯。另外銅板切割式的價(jià)格比繞線(xiàn)式要 貴許多。這部分多出來(lái)的費(fèi)用包括材料費(fèi)以及加工制作費(fèi)。繞線(xiàn)方法工藝簡(jiǎn)單，線(xiàn)圈自身產(chǎn) 生的渦流效應(yīng)可以忽略，而且造價(jià)比較便宜。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一臺(tái)梯度線(xiàn)圈采用繞線(xiàn)法與 銅板切割法制作的成本相差兩萬(wàn)以上，這是一個(gè)很大的數(shù)字。如何設(shè)計(jì)一種工藝，實(shí)現(xiàn)梯度 線(xiàn)圈整體的性能非常接近主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用銅板切割法制作的梯度線(xiàn)圈的性能，但 是制作成本能夠明顯的下降，而且不存在屏蔽線(xiàn)圈自身的渦流問(wèn)題，且使得整體重量更輕， 就成為亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈及其設(shè)計(jì) 方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用銅板切割法制作的梯度線(xiàn)圈時(shí)，制作成 本1?，潤(rùn)流效應(yīng)大的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0007] -種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，包括橫向梯度線(xiàn)圈，每個(gè)橫向梯度線(xiàn)圈包括主線(xiàn)圈與屏 蔽線(xiàn)圈，其特征在于，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈為金屬板切割式線(xiàn)圈，至少一層橫向 梯度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈為導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈；相鄰兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔內(nèi)填充絕緣材料。
[0008] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，還包含縱向梯度線(xiàn)圈，其特征在于，縱向梯度線(xiàn)圈 的主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈。
[0009] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，所述絕緣材料為GFRP，梯度線(xiàn)圈采用 的金屬材料為純銅。
[0010] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈均采用多根導(dǎo)線(xiàn)并 聯(lián)的繞線(xiàn)方式。
[0011] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，所述橫向梯度線(xiàn)圈的每層導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn) 式屏蔽線(xiàn)圈中并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目為2-4根。
[0012] 前述一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0013] 步驟一：確定每層梯度線(xiàn)圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈采用金 屬板切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈采用導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)的工藝制作；
[0014] 步驟二：確定每層梯度線(xiàn)圈在空間的相對(duì)位置分布；
[0015] 步驟三：確定制作每層梯度線(xiàn)圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔 距離；
[0016] 步驟四：確定每層梯度線(xiàn)圈骨架的位置以及每層骨架上的線(xiàn)圈縱向長(zhǎng)度；
[0017] 步驟五：針對(duì)每個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈，設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈形狀。
[0018] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟五中，針對(duì)每個(gè) 方向的梯度線(xiàn)圈，依據(jù)梯度場(chǎng)強(qiáng)度、線(xiàn)性度、成像區(qū)域范圍，設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈形狀。
[0019] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟五中，采用流函 數(shù)法設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈的形狀。
[0020] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，定義流函數(shù)為f·，f的最 大值為f max，f的最小值為fmin，則繞線(xiàn)式線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)的中心線(xiàn)為由f = n+o. 5描述的所有曲 線(xiàn)，η為[fmin_0. 5, fmax_0. 5]內(nèi)的任意整數(shù)。
[0021] 前述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，定義流函數(shù)為f，f的最 大值為f max，f的最小值為fmin，則金屬板上刻刀走線(xiàn)的路徑為由f = η描述的所有曲線(xiàn)，η 為[fmin-0. 5，fmax+0. 5]內(nèi)的任意整數(shù)。
[0022] 本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈整體的性能非常接近主線(xiàn) 圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用銅板切割法制作的梯度線(xiàn)圈的性能，但是制作成本能夠明顯的下降， 而且不存在屏蔽線(xiàn)圈自身的渦流問(wèn)題。同時(shí)，采用該方案設(shè)計(jì)的梯度線(xiàn)圈與銅板切割式相 比重量更輕。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明圓柱型橫向有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的徑向分布圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明采用銅板切割工藝制作的橫向梯度線(xiàn)圈主線(xiàn)圈平面展開(kāi)結(jié)構(gòu)；
[0025] 圖3是本發(fā)明采用繞線(xiàn)工藝制作的橫向梯度線(xiàn)圈主線(xiàn)圈平面展開(kāi)結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖4是本發(fā)明采用三線(xiàn)并聯(lián)繞線(xiàn)工藝制作的橫向梯度線(xiàn)圈屏蔽線(xiàn)圈平面展開(kāi)結(jié) 構(gòu)；
[0027] 圖5是本發(fā)明一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的制作方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作具體的介紹。
[0029] 參照?qǐng)D1所示，本發(fā)明的重點(diǎn)內(nèi)容是關(guān)于有源屏蔽梯度線(xiàn)圈中的橫向梯度線(xiàn)圈設(shè) 計(jì)。本實(shí)施例針對(duì)圓柱形有源屏蔽梯度線(xiàn)圈進(jìn)行說(shuō)明。在本發(fā)明中，公布了一種結(jié)合繞線(xiàn) 法與金屬板切割法制作梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方案。可以預(yù)見(jiàn)，本發(fā)明同樣適用于平板式梯度線(xiàn) 圈等結(jié)構(gòu)。圖1是圓柱形有源屏蔽梯度線(xiàn)圈中的兩個(gè)相互正交的橫向梯度線(xiàn)圈在空間的分 布。圖中內(nèi)層為主線(xiàn)圈，外層為屏蔽線(xiàn)圈，每層梯度線(xiàn)圈包含4片對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)；為了方便，兩 個(gè)橫向梯度線(xiàn)圈分別用GX與GY表示。
[0030] 傳統(tǒng)的梯度線(xiàn)圈制作工藝包括繞線(xiàn)法與銅板切割法兩種。對(duì)于圓柱形有源屏蔽梯 度線(xiàn)圈，銅板切割工藝制作的橫向梯度線(xiàn)圈的平面展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，圖中只畫(huà)出了 1/4部分，其他部分可由對(duì)稱(chēng)性得到。繞線(xiàn)法制作的梯度線(xiàn)圈平面展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 從圖中可以看出，采用銅板切割法能充分利用該層的面積，從而有效的降低梯度線(xiàn)圈的電 阻。采用銅板切割法的梯度線(xiàn)圈厚度較薄，有利于提升梯度線(xiàn)圈的整體性能。但是采用銅 板切割法需要的金屬材料要遠(yuǎn)多于繞線(xiàn)法。銅板切割法目前常用的工藝有激光切割、水切 割等。無(wú)論采用哪種切割方式，銅板切割的加工成本都遠(yuǎn)高于繞線(xiàn)的成本。對(duì)于全身人體 成像有源屏蔽梯度線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)，每層橫向梯度線(xiàn)圈采用兩種制作工藝的制作與材料成本差異 約5000元-8000元人民幣左右。如果所有橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈全部采用銅 板切割的制作方法，則每臺(tái)成本差在20000人民幣以上。繞線(xiàn)法除了制作成本低之外，工藝 也相對(duì)簡(jiǎn)單，重量輕，而且自身的渦流效應(yīng)不明顯。因此，兩種方法各有優(yōu)勢(shì)。
[0031] 本發(fā)明中，我們結(jié)合兩種梯度線(xiàn)圈的制作工藝設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈。至少一個(gè)橫向梯度 線(xiàn)圈主線(xiàn)圈采用銅板切割的方法制作，至少一個(gè)橫向梯度線(xiàn)圈屏蔽線(xiàn)圈采用繞線(xiàn)法制作。 這樣一般只有一層或兩層梯度線(xiàn)圈采用銅板切割的制作方法，能夠顯著的節(jié)省制作成本， 同時(shí)渦流效應(yīng)小、減輕了梯度線(xiàn)圈重量。本發(fā)明中的梯度線(xiàn)圈設(shè)計(jì)方案如下，附圖參考圖 5 ：
[0032] 步驟一：確定每層梯度線(xiàn)圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈采用金 屬板切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈采用導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)的工藝制作；
[0033] 步驟二：確定每層梯度線(xiàn)圈在空間的相對(duì)位置分布；
[0034] 步驟三：確定制作每層梯度線(xiàn)圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔 距離；
[0035] 步驟四：確定每層梯度線(xiàn)圈骨架的位置以及每層骨架上的線(xiàn)圈縱向長(zhǎng)度；
[0036] 步驟五：針對(duì)每個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈，設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈形狀。
[0037] 在本實(shí)施例中，屏蔽線(xiàn)圈均采用繞線(xiàn)式工藝制作，每層屏蔽線(xiàn)圈采用多根導(dǎo)線(xiàn)并 聯(lián)的繞線(xiàn)方式，每層并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目?jī)?yōu)選為2-4根。這樣做的好處是，與采用一根粗的導(dǎo)線(xiàn)相 t匕，渦流效應(yīng)小，而且電感小。而如果屏蔽層采用一根比較細(xì)的導(dǎo)線(xiàn)，則會(huì)增加梯度線(xiàn)圈的 電阻，并影響屏蔽層的散熱。
[0038] 為了保證縱向梯度線(xiàn)圈的性能，本實(shí)施例中對(duì)縱向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈 均采用繞線(xiàn)法制作，并且同樣采用多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)的繞線(xiàn)方式。因此，本實(shí)施例中，為了減小 梯度線(xiàn)圈的電感，橫向梯度線(xiàn)圈屏蔽線(xiàn)圈與縱向梯度線(xiàn)圈采用多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)的繞線(xiàn)方式。 對(duì)于屏蔽線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)，每層并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目?jī)?yōu)選為2-4根。
[0039] 本發(fā)明中的橫向梯度線(xiàn)圈與縱向梯度線(xiàn)圈均優(yōu)選采用流函數(shù)方法設(shè)計(jì)。流函數(shù)的 定義為：滿(mǎn)足連續(xù)方程的一個(gè)描述流速場(chǎng)的標(biāo)量函數(shù)。在這里為描述電流密J在骨架上的 分布的一個(gè)標(biāo)量函數(shù)。本實(shí)施例中的流函數(shù)法設(shè)計(jì)思路如下。
[0040] 首先給定梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈的骨架形狀及位置，這樣能夠定義梯 度線(xiàn)圈所在的兩個(gè)面。假定主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈所在骨架上的流函數(shù)基函數(shù)分別為： {fRi|l彡i <NP}，{fs，」l彡i彡Ns}，這里NP，N S為基函數(shù)的展開(kāi)項(xiàng)數(shù)，為預(yù)先給定的正整 數(shù)；則兩個(gè)面上的流函數(shù)fp與fs展開(kāi)式分別為：

【權(quán)利要求】
1. 一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，包括橫向梯度線(xiàn)圈，每個(gè)橫向梯度線(xiàn)圈包括主線(xiàn)圈與屏蔽 線(xiàn)圈，其特征在于，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈為金屬板切割式線(xiàn)圈，至少一層橫向梯 度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈為導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈；相鄰兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔內(nèi)填充絕緣材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，還包含縱向梯度線(xiàn)圈，其特征在于， 縱向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈與屏蔽線(xiàn)圈均采用導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，所述絕緣材料為 GFRP，梯度線(xiàn)圈采用的金屬材料為純銅。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式線(xiàn)圈均 采用多根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)的繞線(xiàn)方式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈，其特征在于，所述橫向梯度線(xiàn)圈的 每層導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)式屏蔽線(xiàn)圈中并聯(lián)導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目為2-4根。
6. 權(quán)利要求1所述一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟一：確定每層梯度線(xiàn)圈的制作工藝：至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的主線(xiàn)圈采用金屬板 切割的工藝制作，至少一層橫向梯度線(xiàn)圈的屏蔽線(xiàn)圈采用導(dǎo)線(xiàn)繞線(xiàn)的工藝制作； 步驟二：確定每層梯度線(xiàn)圈在空間的相對(duì)位置分布； 步驟三：確定制作每層梯度線(xiàn)圈的材料及其厚度以及相鄰兩層梯度線(xiàn)圈之間間隔距 離； 步驟四：確定每層梯度線(xiàn)圈骨架的位置以及每層骨架上的線(xiàn)圈縱向長(zhǎng)度； 步驟五：針對(duì)每個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈，設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈形狀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟 五中，針對(duì)每個(gè)方向的梯度線(xiàn)圈，依據(jù)梯度場(chǎng)強(qiáng)度、線(xiàn)性度、成像區(qū)域范圍，設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈形 狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟 五中，采用流函數(shù)法設(shè)計(jì)梯度線(xiàn)圈的形狀。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，定義流函 數(shù)為f，f的最大值為fmax，f的最小值為f min，則繞線(xiàn)式線(xiàn)圈中導(dǎo)線(xiàn)的中心線(xiàn)為由f = n+0. 5 描述的所有曲線(xiàn)，η為[fmin-0. 5, fmax-0. 5]內(nèi)的任意整數(shù)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種有源屏蔽梯度線(xiàn)圈的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，定義流函 數(shù)為f，f的最大值為fmax，f的最小值為f min，則金屬板上刻刀走線(xiàn)的路徑為由f = η描述的 所有曲線(xiàn)，η為[fmin-0. 5, fmax+0. 5]內(nèi)的任意整數(shù)。
【文檔編號(hào)】G01R33/385GK104062613SQ201410264633
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】平學(xué)偉 申請(qǐng)人:河海大學(xué)