[发明专利]用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈及其设计方法

说明书

本发明涉及一种用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈及其设计方法，属于磁共振系统线圈设计制造领域。本发明针对已有缠绕形式梯度线圈的不足，提出采用非缠绕形式梯度线圈来替代现有缠绕式梯度线圈。该发明有助于扩展成像空间、缩短成像时间、减小功耗、降低涡流效应、减小设备体积等，同时提高MRI成像质量、节省成本。另一方面，本发明提出一种新的线圈构型，可以有效减小自感的影响，有助于磁场的快速切换；减少线圈个数，保证线圈激励信号的高度一致性。本发明提供的设计方法，提出了3D打印，刻蚀等方式制造，有效提高了线圈的制造精度和实现复杂形状线圈的制造问题。解决了已有绕线的制造方法中制造精度低，对复杂形状难以制造的问题。

技术领域

本发明涉及磁共振系统梯度线圈设计制造领域，具体涉及一种用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈及其设计方法。

背景技术

梯度线圈作为磁共振系统的核心功能部件，其线性度、电感等性能参数将直接影响到磁共振成像系统的成像质量和响应时间。目前，现有的梯度线圈都是以缠绕形式来产生目标磁场。为了达到缠绕的形式，需要额外增加线圈的回绕部分。一方面引起了线圈的长度增加，增加了线圈所需空间，降低了磁共振系统空间利用率；另一方面，由于线圈长度增加以及缠绕的形式，增大了梯度线圈的电感、电阻，从而增大了能源消耗、发热量和系统响应时间。

发明内容

本发明针对已有缠绕形式梯度线圈存在的技术问题，提出了一种新型的用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈及其设计方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈，所述非缠绕形式梯度线圈由两条或者多条导线连接而成，所述非缠绕形式梯度线圈中导线的连接方式包括并联、串联或者其他可行的拓扑结构。

在上述技术方案中，所述非缠绕形式梯度线圈采用电流或电压驱动。

在上述技术方案中，所述非缠绕形式梯度线圈为单输入式或多输入式，对一对或多对节点施加额定电压产生所需梯度磁场。

在上述技术方案中，所述非缠绕形式梯度线圈用于设计梯度磁场线圈、匀场线圈或屏蔽线圈等用于磁共振成像系统的电磁线圈。

在上述技术方案中，所述非缠绕形式梯度线圈构型在平面、圆柱面或者任意光滑单连通或多连通曲面上实现其功能。

在上述技术方案中，所述非缠绕形式梯度线圈可采用但不局限于数控加工导体线、导体带，柔性PCB板结合3D打印技术加工，或结合刻蚀技术等各种加工方式。

一种用于磁共振成像系统的非缠绕形式梯度线圈的设计方法，包括以下步骤：

采用参数优化方法设计连接方式为并联或者串联的非缠绕形式梯度线圈；采用拓扑优化方法设计连接方式为拓扑结构的非缠绕形式梯度线圈。

在上述技术方案中，采用参数优化方法设计连接方式为并联或者串联的非缠绕形式梯度线圈的具体步骤如下：

步骤一：参数化建模：引入设计变量，目标函数建立非缠绕形式梯度线圈分析模型，建立线型f(r₀,θ,z)的参数化方程表示为：

其中，(r₀,θ,z)对应圆柱坐标系下线型的坐标，r₀是圆柱设计表面的半径，g(θ)是选定线型的特征参数方程。

根据Biot-Savart定律

其中，是场点坐标，是源点坐标；I是通过导线的电流，μ₀是真空磁导率；可得到磁场强度Z方向分量B_z为：

根据需求可建立目标方程：