СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАТУШЕК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 1994 года по МПК G01R33/24 

Изобретение относится к аппаратуре для создания дополнительного магнитного поля с линейным градиентом, используемого, например, в магниторезонансной томографии.

В магниторезонансных томографах для создания основного магнитного поля в последнее время используются электромагниты и постоянные магниты с полюсными наконечниками. В таких томографах для формирования изображения используются системы плоских катушек, создающих магнитное поле с линейным градиентом. Эти катушки выполняются обычно на пластинах из электроизоляционного материала и располагаются непосредственно на полюсных наконечниках основного магнита. Системы, генерирующие градиентное магнитное поле должны иметь высокую линейность создаваемого градиента (порядка 1% в рабочей области) для уменьшения геометрических искажений получаемого изображения.

Известна система катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом в магните с полюсными наконечниками, состоящая из двух параллельных пластин, на которых уложены проводники электрических катушек в виде нескольких прямоугольников, ширина которых равномерно увеличивается. Однако нелинейность градиента магнитного поля в такой системе велика и составляет 10% в области размером 70% от расстояния между пластинами.

Известна также система плоских катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом, в которой расположение витков определено из условия компенсации члена третьего порядка разложения функции индукции магнитного поля в ряд Тейлора. Область с высокой линейностью градиента этой системы составляет около 40% от расстояния между пластинами и также недостаточна.

Наиболее близкой по технической сущности и принятой авторами в качестве прототипа является система катушек для получения полей поляризации с линейным градиентом с целью формирования изображений посредством ядерного магнитного резонанса. Катушки этой системы расположены в двух параллельных плоскостях и состоят из двух концентрических секций, имеющих отношение витков близкое к 8,66 и расположенных на пересечении плоскостей и круглых конусов с вершиной в центре системы. В этой системе минимизированы члены ряда Тейлора третьего и пятого порядков и отклонение от линейности создаваемого такой системой градиента менее 1% в рабочей зоне, составляющей примерно 62% от расстояния между плоскостями.

Недостатком описанной системы является небольшая область магнитного поля с градиентом высокой линейности из-за неполного использования при расчете числа варьируемых параметров электрических катушек.

Целью изобретения является расширение области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в системе плоских катушек для создания магнитного поля, состоящей из двух параллельных пластин, на поверхностях которых аксиально расположены электрически соединенные последовательно катушки с противоположным направлением намотки, имеющие по две концентрично расположенные и электрически соединенные последовательно секции, минимизация членов разложения в ряд Тейлора осевой составляющей индукции магнитного поля по седьмой порядок включительно достигается при диаметрах секций 1,46 и 0,52 расстояния между пластинами и отношении числа витков в секциях большего диаметра к числу витков в секциях меньшего диаметра равном 10.

Авторы не обнаружили в известных технических решениях отличительных признаков заявленной совокупности применяемой с целью расширения области с высокой линейностью создаваемого градиента и, поэтому, считают что данное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже схематично изображена система электрических катушек.

Система электрических катушек для создания магнитного поля с линейным градиентом состоит из двух параллельных пластин 1 и 2 из электроизоляционного материала. На пластинах выполнены электрические катушки, состоящие из двух концентрических секций 3, 4 и 5, 6. Отношение числа витков в секциях 3 и 4, а также 5 и 6 равно 10. Витки секций уложены в соответствующие пазы пластин или могут быть изготовлены другими способами. Направление намотки электрических катушек - противоположное. Пластины расположены так, что катушки имеют общую ось. Катушки и секции в них электрически соединены между собой последовательно. Направление создаваемого такой системой катушек градиента магнитного поля перпендикулярно плоскостям пластин.

Для определения размеров и соотношения числа витков секций может использоваться следующий метод. Проведем ось Z перпендикулярно плоскостям, в которых находятся катушки с центром О в геометрическом центре системы катушек. Обозначим расстояние между плоскостями L = 2Z_o. Тогда для кругового витка с током I и радиусом R расположенного на плоскости, осевая составляющая индукции магнитного поля в точке Z на оси системы определяется выражением (Н. Андерсон, Применение токовых шимм для коррекции магнитных полей, ПНИ, т. 32, N 3, 1961 г. )
B_z=
(1) где μ = 4 π˙ 10^-7.

Для системы из двух круговых витков с противоположным направлением токов, расположенных на параллельных плоскостях выражение (1) раскладывается в ряд Тейлора, в котором присутствуют только члены нечетного порядка
B_z(R)= 2[G₁Z+G₃Z³+. . . +G_nZⁿ]
(2) где G_n= - коэффициент n-го члена ряда.

n = 1, 3, 5, . . . .

Отсюда видно, что линейный характер градиента определяется первым членом разложения, а все последующие члены ряда искажают линейный закон изменения индукции. Таким образом, задача получения линейного градиента магнитного поля сводится к минимизации коэффициентов третьего и выше порядков.

Система катушек, состоящих из двух секций с разным числом витков имеет три независимых параметра - радиус наружной секции R₁, радиус внутренней секции R₂ и отношение числа витков в секциях К. Подбором этих параметров можно скомпенсировать три коэффициента ряда (2) - третьего, пятого и седьмого порядков. Значения параметров могут быть получены путем решения системы из трех нелинейных уравнений
+K = 0
n = 3, 5, 7.

В результате решения получены значения R₁ = 1,46001Z_o, R₂ = 0,53751Z_o и К = = 9,63149. Практическое выполнение такой системы катушек затруднено, так как отношение числа витков секций не является целым. Установив отношение числа витков в секциях равным 10 и решив систему неравенств

n = 3, 5, 7, где ε - малая величина, получим новое значение радиуса R_z = 0,52Z_o. Это соответствует расположению концентрических секций катушек на пересечении плоскостей катушек и круговых конусов с вершиной в центре системы и с полууглами к вершине близкими к 55,6^о и 28,3^о.

Если использовать две пластины из электроизоляционного материала, например, гетинакса и выполнить на них плоские катушки, содержащие концентрические секции с отношением числа витков 10, намотанные, например, медным проводом диаметром 2 мм и расположить их на расстоянии 600 мм, то при пропускании тока 87А между пластинами создается магнитное поле с градиентом 5 мТм.

В таблице приведены для сравнения параметры прототипа и предлагаемой системы катушек.

Из таблицы следует, что область с высокой линейностью градиента магнитного поля в предлагаемой системе катушек увеличена более чем на 10% . Кроме того, преимуществами предлагаемой системы являются целое отношение числа витков в секциях, уменьшение потребляемого тока на 46% . При этом потребляемая мощность составляет 36% от аналогичного показателя прототипа. (56) Патент Франции N 2571496, кл. G 01 N 24/06, 1986.

Применение: магниторезонансная томография. Суть изобретения: система состоит из двух параллельных пластин 1 и 2, на поверхностях которых аксиально расположены электрически соединенные последовательно катушки с противоположным направлением намотки, имеющие по две концентрично расположенные, электрически соединенные последовательно секции 3, 4 и 5, 6. Для расширения области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля за счет минимизации членов разложения в ряд Тейлора осевой составляющей индукции магнитного поля по седьмой порядок включительно, диаметры секций равны 1,48 и 0,52 расстояния между электрическими катушками, а отношение числа витков секциях большего и меньшего диаметров равно 10. Область с нелинейностью градиента менее 1% составляет 72% от расстояния между катушками. 1 ил.

СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАТУШЕК ДЛЯ СОЗДАНИЯ ГРАДИЕНТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ, состоящая из двух параллельных пластин, на поверхностях которых аксиально расположены электрически соединенные последовательно катушки с противоположным направлением намотки, имеющие по две концентрично расположенные последовательно электрически соединенные секции, отличающаяся тем, что, с целью расширения области с высокой линейностью создаваемого градиента магнитного поля за счет минимизации членов разложения в ряд Тейлора осевой составляющей индукции магнитного поля по седьмой порядок включительно, диаметры секций равны 1,46 и 0,52 расстояния между электрическими катушками, а отношение числа витков в секциях большего и меньшего диаметров равно 10.