CN104992807B - 一种旋转梯度磁场的生成装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转梯度磁场的生成装置，包含磁场发生部分和磁场驱动部分两部分；所述的磁场发生部分由两个线圈组组成，磁场驱动部分由信号源和功率放大器组成，用于给磁场发生部分的线圈供所需要的电流。所述的磁场发生部分的两个线圈组关于空间的一个平面镜像对称；每个线圈组由N个线圈单元(N≥3)组成，所有的N个线圈单元关于线圈组轴线中心对称并均匀分布。所述的磁场驱动部分的信号源的输出端与功率放大器的输入端连接；功率放大器的输出端通过导线连接至线圈组中相应的线圈单元。N个所述的线圈单元的线圈骨架的几何尺寸相同，线圈绕线的线径，材料以及绕线匝数相同。

Description

一种旋转梯度磁场的生成装置

技术领域

本发明涉及一种旋转磁场的发生装置。

背景技术

磁颗粒成像是一种新的成像方法，其原理是基于超顺磁纳米颗粒的非线性磁化特性，通过空间的磁场陷阱来获取特定位置的磁颗粒浓度分布，从而获得磁纳米颗粒的空间断层成像。

为了实现对磁纳米颗粒的空间定位，最初的磁场陷阱使用的是零磁场点的方式，也就是采用一个Maxwell线圈对，从而在空间中将产生一个零磁场点，通过迅速上升的梯度场使得其他区域的磁纳米颗粒被饱和，从而将仅获得零磁场强度点处的磁纳米颗粒含量(Bernhard Gleich,Jurgen Weizenecker."Tomographic imaging using the nonlinearresponse of magnetic particles",Nature,Vol 435,30,2005)。为了进一步提高成像的灵敏度以及成像速度，人们提出了零磁场线的概念。从理论上讲，零磁场线将能够将磁颗粒成像的信号提高近10倍(Juergen Weizenecker,Bernhard Gleich and Joern Borgert."Magnetic particle imaging using a field free line",J.Phys.D:Appl.Phys.41,2008)。由于成像可以通过投影重建的思想来进行，因而零磁场线可以充当投影线的作用。但是需要将该投影线以旋转的方式来探测断层成像层面，目前主要有两种方式来实现这种旋转，一种是机械式的旋转，也就是首先通过两对互相垂直的Maxwell线圈对生成零磁场线，然后通过机械旋转的方式来使整个磁体旋转(Tobias Knopp,Marlitt Erbe,TimoF.Sattel,Sven Biederer,and Thorsten M.Buzug."Generation of a static magneticfield-free line using two Maxwell coil pairs",Appl.Phys.Lett.97,2010)。另一种是电力驱动式的旋转，也就是磁体本身不动，通过改变组成线圈的电流相位来实现磁场旋转，这样可以达到更高的扫描速度，以及避免因为机械误差带来的图像重建问题(T Knopp,T F Sattel,S Biederer and T M Buzug."Field-free line formation in a magneticfield",J.Phys.A:Math.Theor.43,2010)，是目前研究的焦点。不过目前由于T Knopp组所采用的电力零磁场线发生装置磁场效率低，工程实现困难，到目前为止尚未查到其图像的工程实现的结果。

旋转磁场可以有很多方式来生成，如采用机械的方式旋转永磁体，如电动机或者磁力搅拌机等；也有用通电线圈和驱动电流调制的方式来生成旋转磁场，用于磁导航，磁定向等。CN202307400U提出了一种永磁式间隔绕组旋转磁场产生装置,是通过顺序对励磁绕组通断电产生旋转磁场。CN200810011110.2利用三对相互垂直的矩形线圈,通过单片机控制AD9959产生正弦信号,经功率放大器驱动线圈。CN101256873B是在三组亥姆霍兹线圈,每组线圈由三对亥姆霍兹线圈组合绕制而成,通过控制三组三相交流电得到旋转磁场。CN102867612A同样是采用三组正交的赫姆霍兹线圈对来生成空间任意角度的旋转磁场。然而，目前基本上所有的旋转磁场发生装置产生的都一种均匀的旋转磁场，也就是0阶的磁场，而不是1阶的梯度磁场，无法满足磁颗粒成像对旋转磁场的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有旋转磁场装置无法生成高效率的梯度磁场，以及机械式旋转梯度磁场速度慢，精度低等缺点，提出一种基于多线圈***的旋转梯度磁场发生装置。本发明工程实现简单，开放性好，并能提高其梯度生成效率。

本发明磁场发生装置主要包含磁场发生部分和磁场驱动部分两部分。磁场发生部分由多个线圈组成，用于生成旋转的梯度磁场。磁场驱动部分则是由信号源和功率放大器为核心器件组成，用于给磁场发生部分的线圈供所需要的电流。

所述的磁场发生部分由两个线圈组组成，这两个线圈组关于空间的一个平面α镜像对称。每个线圈组由N个线圈单元组成，N为大于等于3的整数，两个线圈组的线圈单元的数量相等。两个线圈组中，N个线圈单元关于线圈组轴线中心对称并均匀分布。每个线圈单元由矩形线圈骨架和线圈绕线组成，线圈绕线缠绕在线圈骨架上。所有的N个线圈单元的线圈骨架的几何尺寸相同，线圈绕线的线径，材料以及绕线匝数也相同，N为大于等于3的整数。

每个线圈组中，各个线圈单元的重心Gi均匀分布于圆心为O的圆上，1≤i≤N，且该圆平行于镜像面。两个相邻线圈单元之间的夹角为θ，N×θ为2π。沿着圆心O的圆的顺时针方向看，每个线圈上的电流方向同为顺时针或者逆时针。电流的大小满足公式为：

I(i,t)＝Af(2πt/T+2πi/N)

其中i为线圈的序号，1≤i≤N，A为电流强度，T为零场线的旋转周期，f为周期函数。

两组互相镜像的线圈组之间的间距为其重心之间的距离Gi-Gi’，Gi’为第i个线圈单元的镜像线圈组中相应线圈单元的重心,1≤i≤N，每个线圈组的线圈单元的重心离圆心O的距离为d。优选地，两组互相镜像的线圈组之间的间距Gi-Gi’可以调节，同时距离d也可以调节。

磁场驱动部分提供如上式所述的电流I。磁场驱动部分包含信号源和功率放大器，信号源的输出端与功率放大器的输入端连接。功率放大器的输出端通过导线连接至线圈组中相应的线圈单元。从电流的流向上看，首先信号源生成周期函数信号f(i,t)，输送至功率放大器，功率放大器将周期函数信号f(i,t)调制成每个线圈的电流信号I(i,t)，该电流信号I(i,t)通过导线输送至相对应的第i个线圈单元的线圈绕线上。

优选地，虽然每个线圈单元所需要供给的电流不相同，但可以利用线圈单元之间的对称关系来减少信号源和功率放大器的数量，便于工程实现。如，可以利用两个线圈组之间的镜像关系，直接将镜像的两个线圈单元之间的导线串联连接后供电；以及，如果每组线圈数N是偶数的话，可以利用180度相位差，将导线正负极反接即可实现。

优选地，磁场驱动部分还包括电流保护电路，调节电流强弱的电流调节器以及电源开关装置。电流保护电路、电源开关装置，以及电流调节器均连接在功率放大器和线圈单元之间，顺序不分先后。

附图说明

图1本发明线圈结构框图；

图2线圈驱动电流示意图；

图3本发明实施例的线圈组结构图；

图4本发明实施例的线圈组骨架结构图；

图5本发明实施例的线圈骨架结构图；

图6各个线圈的供电电流的相位差示意图。

图中，1线圈单元，2、2’线圈组，3导线，4信号源，5功率放大器，6单元线圈骨架，7线圈绕线，8线圈组骨架。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明旋转磁场发生与驱动装置包括磁场驱动部分和磁场生成部分。所述的磁场驱动部分为磁场生成部分提供所需功率的电流，磁场生成部分生成旋转的梯度磁场。

所述的磁场发生部分由两个线圈组2、2’组成，两个线圈组2、2’关于空间的一个平面α镜像对称。两个线圈组的线圈结构和供电电流的大小、流向均关于平面α镜像对称。每个线圈组由线圈组骨架8和8个线圈单元1组成，这8个线圈单元的骨架具有相同的几何尺寸，线圈绕线的线径以及匝数也完全相同线圈单元1由线圈骨架6和线圈绕线7两部分组成。线圈绕线7缠绕在线圈骨架6上。

如图1所示，线圈驱动部分主要由信号源与功率放大器组成。其中信号源产生的0dB正弦驱动信号接入功率放大器，经过功率放大后的驱动信号由功率放大器送入与其连接的线圈组相应的线圈单元。

本发明实施例采用两组线圈组2、2’来生成磁场，每组线圈组由8个线圈组成，8个线圈均分于一个圆，任意两个线圈之间的夹角为45°，如图3所示。

如图4所示，本发明实施例的线圈组2、2’的骨架采用和线圈同一材质制作。线圈组骨架8为镂空圆环形，骨架的外直径为内孔直径为线圈组骨架上均布8个可以***的滑道，用以固定嵌入此滑道的各个线圈单元。如图5所示，每个线圈骨架6尺寸为60mm×90mm×10mm；线圈绕线7采用漆包线，直径1.2mm，每个线圈上绕线共28匝。如图6所示，本发明磁场驱动部分的信号源采用DDS芯片AD9959(Analog Devices,Inc,USA),用以同时生成四路相互独立的正弦信号，信号的幅度和频率一致，信号之间的相位差为45度。图6中的0°、45°、90°和135°分别为信号相位值，由于线圈C0和线圈C4关于元点镜像对称，电流方向相反，因而线圈C4～C7的相位差分别为：180°+0°，180°+45°，180°+90°，180°+135°。具体实现时，线圈Ci和线圈Ci+4，以及在另一组和其镜像的两个线圈中的电流为串联连接。

Claims (4)

1.一种旋转梯度磁场的生成装置，其特征在于，所述的磁场发生装置包含磁场发生部分和磁场驱动部分两部分；所述的磁场发生部分由两个线圈组组成，用于生成旋转的梯度磁场；磁场驱动部分由信号源和功率放大器组成，用于给磁场发生部分的线圈供所需要的电流；

所述的磁场发生部分的两个线圈组关于空间的一个平面α镜像对称；每个线圈组由N个线圈单元组成，所有的N个线圈单元关于线圈组轴线中心对称并均匀分布；N为大于等于3的整数；

所述的磁场驱动部分的信号源的输出端与功率放大器的输入端连接；功率放大器的输出端通过导线连接至线圈组中相应的线圈单元。

2.按照权利要求1所述的旋转梯度磁场的生成装置，其特征在于，N个所述的线圈单元的线圈骨架的几何尺寸相同，线圈绕线的线径、材料以及绕线匝数相同，N为大于等于3的整数。

3.按照权利要求1所述的旋转梯度磁场的生成装置，其特征在于，两组互相镜像的所述线圈组之间的间距为其重心之间的距离Gi-Gi’，Gi’为第i个线圈单元的镜像线圈单元的重心，1≤i≤N，每个线圈组内线圈单元的重心距离圆心O的距离为d。

4.按照权利要求3所述的旋转梯度磁场的生成装置，其特征在于，两组互相镜像的所述线圈组之间的间距Gi-Gi’能够调节，每个线圈组内线圈单元的重心距离圆心O的距离d能够调节。