專利名稱：磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體及其線圈繞制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁體及其線圈繞制方法，特別涉及一種用于腦神經(jīng)外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體及其磁體線圈繞制方法。
背景技術(shù)：
在常規(guī)的介入式手術(shù)中，手術(shù)導(dǎo)管是通過人體表皮插入到動(dòng)脈或靜脈中的，導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)是通過在導(dǎo)管的后端施加力來實(shí)現(xiàn)的，因此導(dǎo)管必須由很硬的材料制成，以保證在推進(jìn)的過程中導(dǎo)管不會(huì)發(fā)生折彎，但由于導(dǎo)管較硬，若所經(jīng)路徑較為復(fù)雜，則導(dǎo)管往往不能到達(dá)目的地。因此在某些人體的重要部位(如心臟，大腦)，常規(guī)的介入式療法充滿了挑戰(zhàn)性和復(fù)雜性，常常需要花費(fèi)熟練的醫(yī)生很長的時(shí)間。
所謂磁導(dǎo)航立體定位手術(shù)系統(tǒng)指的是在計(jì)算機(jī)控制的三維磁場的作用下，在立體定向系統(tǒng)、成像系統(tǒng)的引導(dǎo)下，使得預(yù)先植入人體內(nèi)的鐵磁性物質(zhì)按照規(guī)定的路徑運(yùn)動(dòng)，直接作用于患處或者引導(dǎo)各種手術(shù)器件(如介入式導(dǎo)管，放射性物質(zhì)等)在人體內(nèi)進(jìn)行各類復(fù)雜的手術(shù)的方法。該系統(tǒng)使用不同于現(xiàn)有的腦神經(jīng)外科介入式手術(shù)的方法，利用超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的外磁場與手術(shù)器械中鐵磁性物質(zhì)的相互作用力引導(dǎo)介入導(dǎo)管在患者體內(nèi)完成復(fù)雜的手術(shù)操作，整個(gè)操作在CT成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)的監(jiān)視和控制下完成。
目前美國已有類似的裝置用于臨床試驗(yàn)和研究中，為了能夠在一個(gè)球形的手術(shù)空間中產(chǎn)生合適的三維磁場來引導(dǎo)導(dǎo)管前端的鐵磁物質(zhì)。美國專利6,014,580提出一種裝置建造由三對相互正交放置的螺線管線圈組成的磁體系統(tǒng)，即共由六個(gè)兩兩對稱分布的線圈組成，通過改變線圈中電流的大小來控制鐵磁物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。由Earnshaw定理可知，為了使鐵磁物質(zhì)在磁場中穩(wěn)定的受控運(yùn)動(dòng)，需要引入反饋控制回路，也就意味著線圈中的電流需要不斷的變化和振蕩。由于鐵磁物質(zhì)在磁場中的受力與外磁場的梯度和鐵磁物質(zhì)本身的磁偶極矩有關(guān)，從公式的推導(dǎo)結(jié)果來看，在由三對螺線管線圈產(chǎn)生的三維磁場空間中，磁場梯度與空間坐標(biāo)點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系很復(fù)雜，為了能夠?qū)κ中g(shù)導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)作出精確的控制，需要準(zhǔn)確的獲得手術(shù)進(jìn)行的各個(gè)時(shí)刻的鐵磁物質(zhì)的位置坐標(biāo)，這對監(jiān)控系統(tǒng)提出了很高的要求。
盡管螺線管線圈作為一種普遍應(yīng)用的磁體線圈結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，建造容易，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但也有磁場梯度變化規(guī)律復(fù)雜，磁場梯度較小，電感相對其它形狀線圈較大，不適于應(yīng)用在電流變化較大的場合。上述磁外科手術(shù)系統(tǒng)對磁體系統(tǒng)提出了新的要求，即磁場梯度相對較大，變化規(guī)律相對簡單，電感相對較小等，采用上述結(jié)構(gòu)的磁體線圈未能滿足這些要求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，滿足磁場梯度相對較大，變化規(guī)律相對簡單，電感相對較小的磁外科手術(shù)要求，本發(fā)明提出了一種采用新型線圈結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)磁體，它主要包括超導(dǎo)線圈、低溫杜瓦和屏蔽層。超導(dǎo)線圈由大中小三個(gè)相互嵌套在一起，并相互正交放置的空心球臺形線圈組成，三個(gè)線圈的軸線分別為直角坐標(biāo)系的x，y，z軸線，三個(gè)線圈的軸線相交于一點(diǎn)。為了便于相互嵌套，小的空心球臺形線圈的外球半徑略小于中的空心球臺形線圈的內(nèi)球半徑，中的空心球臺形線圈的外球半徑略小于大的空心球臺形線圈的內(nèi)球半徑，每個(gè)空心球臺形線圈的半徑和厚度由它們各自需要產(chǎn)生的磁場梯度的大小來決定。大中小三個(gè)相互嵌套的空心球臺形線圈構(gòu)成7/8球形磁體。整個(gè)磁體置于一個(gè)7/8球形低溫杜瓦中，低溫杜瓦外包裹屏蔽層。
每個(gè)空心球臺形線圈由兩個(gè)左右對稱的半扇形環(huán)組成，扇形環(huán)兩側(cè)面之緯度角為從10度到80度之間，即半扇形環(huán)所占據(jù)的緯度角范圍小于70度，兩個(gè)半扇形環(huán)所占據(jù)的緯度角范圍之和稱為延伸角，每個(gè)球臺形線圈的延伸角均小于140度。
本發(fā)明在球臺形骨架的球殼表面上連續(xù)繞制線圈，通過每一層中各匝線圈半徑沿球面的連續(xù)變化來改變磁場的空間分布，在球殼內(nèi)腔的空間中沿軸向和徑向產(chǎn)生一均勻的梯度磁場。由于該手術(shù)裝置的工作區(qū)域?yàn)榫€性介質(zhì)，磁場符合疊加定理，通過三個(gè)正交放置的空心球臺形線圈的均勻梯度磁場疊加，能夠在球殼內(nèi)腔空間中產(chǎn)生任意大小和方向均勻分布的梯度磁場。
本發(fā)明磁體線圈在同一層線圈中各匝線圈直徑沿軸向的變化如同球面曲線的變化，而且又通過在圓臺上如上所述的特定區(qū)域繞制線圈，可以消除其他多極磁場分量，故可以產(chǎn)生一較高的均勻梯度磁場。因此可獲得較等直徑螺管線圈大的梯度磁場。
由于本發(fā)明球形線圈的體積相對產(chǎn)生同樣大小的梯度磁場的螺線管要小得多，因此本發(fā)明球形線圈的電感也較小，而且漏磁場也相對螺線管小。綜上可知，本發(fā)明球形線圈與同樣體積的螺線管線圈相比具有磁場梯度高，磁場大小隨空間坐標(biāo)位置變化規(guī)律簡單，同時(shí)電感又相對較小等優(yōu)點(diǎn)，此外，與普通螺線管線圈相比，球形線圈結(jié)構(gòu)占有較小的空間，而且其形狀非常適合于腦外科手術(shù)之用。因此這種結(jié)構(gòu)能夠擴(kuò)大手術(shù)范圍，便于手術(shù)的操作，提高了系統(tǒng)的性能。
為了使超導(dǎo)線圈工作在低溫的環(huán)境中，本發(fā)明的低溫杜瓦為一7/8球形杜瓦，該球形杜瓦的外半徑稍大于三個(gè)線圈中最大球臺形線圈的外半徑，內(nèi)半徑略小于最小球臺形線圈的內(nèi)半徑，以便將整個(gè)線圈包裹起來，為其提供冷卻環(huán)境。
本發(fā)明的磁體除了包括上述產(chǎn)生均勻梯度磁場的線圈結(jié)構(gòu)外還包括磁體系統(tǒng)中的屏蔽層。屏蔽層位于球形杜瓦外的室溫區(qū)域中。該屏蔽層為7/8屏蔽球殼，采用軟鐵磁材料制成，其內(nèi)半徑略大于球形杜瓦的外半徑，以便于將整個(gè)杜瓦包裹起來，以減少磁場對外界非工作區(qū)域的影響，同時(shí)對工作區(qū)域的磁場分布沒有影響。球殼厚度由所需屏蔽的磁場大小決定。這樣整個(gè)磁體結(jié)構(gòu)從內(nèi)到外依次為球形線圈、低溫杜瓦、屏蔽層。
本發(fā)明超導(dǎo)線圈繞制方法的工藝步驟為首先制作空心球臺形線圈骨架。骨架采用不銹鋼空心球臺和不銹鋼大半徑端板和小半徑端板焊接制成。在大半徑端板上需要預(yù)先打一些孔，以備過線、接頭之用。在繞線之前還需要根據(jù)線圈的工作電壓確定所需的絕緣等級，選擇適當(dāng)?shù)慕^緣漆均勻涂于骨架上。然后按照從小半徑端板向大半徑端板的方向繞線，采用“雙餅線圈”的繞線方法，從一根導(dǎo)線的中間開始，先在小半徑端板用工夾具固定線的中部，用其半根導(dǎo)線貼著球殼面，圍繞球臺形線圈骨架的軸線從小半徑端板向大半徑端板一圈圈地繞制，待這半根線繞完后再從小半徑端板向大半徑端板繞另半根導(dǎo)線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。并根據(jù)線圈的電壓等級選擇合適的層間絕緣和匝間絕緣，一般對于超導(dǎo)線而言，因?yàn)榫€圈的運(yùn)行電壓很低，而且超導(dǎo)線的本身也有足夠的絕緣水平，因此一般不需要考慮匝間絕緣和層間絕緣，線圈的層間是否需要填充材料則取決于線圈的運(yùn)行電流和散熱的因素。在線圈繞制完成后再根據(jù)線圈運(yùn)行時(shí)所受的電磁應(yīng)力選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)力防護(hù)措施，一般采用環(huán)氧樹脂固化和外加不銹鋼帶綁扎等方法。最后將繞好的線圈置于一半球形外殼中，完成一個(gè)空心球臺形線圈的繞制工作。另外兩個(gè)空心球臺形線圈的繞制方法同上，待三個(gè)線圈都繞制完成后，最后裝配完成整個(gè)球形磁體線圈。


圖1a為本發(fā)明磁體空心球臺形線圈具體實(shí)施方式
示意圖，圖1b為磁外科手術(shù)系統(tǒng)工作示意圖；圖中1、2、3為空心球臺形線圈，4磁外科手術(shù)系統(tǒng)的工作區(qū)域，9低溫杜瓦，10屏蔽層。
圖2為本發(fā)明磁體空心球臺形線圈具體實(shí)施方式
的正視圖。
圖3a為單個(gè)空心球臺形線圈俯視圖；圖3b為單個(gè)空心球臺形線圈剖面圖(沿附圖3a中A-A的剖面)；圖中5剖面圖中線圈的左半部分；6剖面圖中線圈的右半部分；7線圈的對稱軸；B線圈的右半部分的小半徑端面；A線圈的右半部分的大半徑端面。
圖4a為單個(gè)空心球臺形線圈骨架剖面圖(沿附圖3a中的A-A的剖面)；圖4b為線圈繞制方法示意圖；圖中8空心球臺形不銹鋼骨架球殼；D小半徑端板；C大半徑端板。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
如圖1a和圖1b所示，本發(fā)明磁體球形線圈由大中小三個(gè)正交放置的半徑不同的空心球臺形線圈1、2、3組成。三個(gè)線圈的軸線分別為直角坐標(biāo)系的x，y，z軸線，并相交于一點(diǎn)。為了便于相互嵌套，小的空心球臺形線圈2的外球半徑略小于中的空心球臺形線圈1的內(nèi)球半徑，中的空心球臺形線圈1的外球半徑略小于大的空心球臺形線圈3的內(nèi)球半徑。圖1b中的陰影部分4代表磁外科手術(shù)系統(tǒng)的工作區(qū)域，例如可以將患者的頭部置于此區(qū)域，來完成相應(yīng)的腦神經(jīng)外科手術(shù)。三個(gè)相互嵌套的空心球臺形線圈1、2、3構(gòu)成7/8球形磁體，整個(gè)球形磁體置于一個(gè)低溫杜瓦9中，低溫杜瓦9外包裹屏蔽層10。
圖2是本發(fā)明磁體的俯視圖，包括三個(gè)空心球臺形線圈結(jié)構(gòu)1、2、3。在每個(gè)空心球臺形線圈頂部均開有圓孔，它不僅可以為成像系統(tǒng)提供觀察窗口而且可以解除患者的幽蔽感，消除患者的恐懼情緒，有利于患者保持良好的心理狀態(tài)。從理論分析計(jì)算上來說，為了產(chǎn)生所需要的均勻梯度磁場，線圈中的電流密度應(yīng)該沿球殼表面按照J(rèn)＝I×sin(2×Ф)的規(guī)律分布，J代表電流密度，I代表電流的基值。Ф代表沿圓周方向的角度。連續(xù)改變磁體線圈中電流密度需要連續(xù)改變線圈的填充系數(shù)，這在工程上較難實(shí)現(xiàn)，因此，本實(shí)施例采用扇形環(huán)兩側(cè)面之緯度角為15度和75度(即整個(gè)球臺延伸角為120度)的空心球臺形線圈，線圈的電流密度在此角度范圍內(nèi)保持為恒定值，這樣既便于線圈的建造，又可以產(chǎn)生所需的磁場空間分布。同時(shí)這種空心球臺形線圈結(jié)構(gòu)便于患者的頭部或身體的其他部位進(jìn)入磁體的工作區(qū)域，增大了手術(shù)的工作空間。
在本實(shí)施例中球臺形線圈沿軸線的剖面圖由兩個(gè)左右對稱的半扇形環(huán)組成，如圖3b所示，剖面圖中線圈以軸線7為對稱軸繞制而成，剖面圖的右半部分6的小半徑端面B與對稱軸7所夾銳角(緯度角)為15度，大半徑端面A與對稱軸7所夾銳角(緯度角)為75度，即所占據(jù)的緯度角范圍為60度，兩個(gè)扇形環(huán)所占據(jù)的緯度角之和即延伸角為120度。因?yàn)榫€圈以軸線7為對稱軸呈軸對稱分布，因此在該剖面圖中線圈的左半部分5與右半部分6完全對稱，左半部分5與軸線7的角度關(guān)系完全等同右半部分6同軸線7的相互關(guān)系。從計(jì)算中可知這種方案可以產(chǎn)生較大的磁場梯度和較少的其他多級分量，同時(shí)還可以提供較大的觀察窗口。
圖4a是本發(fā)明實(shí)施例的線圈骨架剖面圖，其中端板C、D的作用是在繞線的過程中提供支撐，防止“跑線”。從圖4b中可看到，由于D端的半徑小于C端，若繞線的方向?yàn)閺腃到D，則在繞制的過程中線會(huì)滑向D端，因此，本發(fā)明線圈的繞線方向從小半徑端--D端向大半徑端--C端。如果采用多層的線圈結(jié)構(gòu)這種繞制方法將會(huì)有很多的接頭，為了減少線圈的接頭我們采用下述的雙餅線圈方法參考附圖4b，從一根導(dǎo)線的中間開始，先在D端用工夾具固定線的中部，用用其半根導(dǎo)線貼著球殼面，圍繞球臺形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端向大半徑端板C端一圈圈地繞制。為了防止線打滑可以在繞線前在骨架上或下面一層線表面涂上一層膠水，這樣可以有效地減少“跑線”“打滑”等現(xiàn)象。待這半根線繞完后，在大半徑端板的孔中固定線頭，然后再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導(dǎo)線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。這樣，同一根導(dǎo)線的兩個(gè)部分均為從D向C繞制，避免了“跑線”現(xiàn)象的發(fā)生。而且一根線可以繞兩層，繞完后在線圈的表面再次涂一層膠，并做好層間絕緣。對于超導(dǎo)線圈，由于線圈的運(yùn)行電壓較低，層間一般刷環(huán)氧樹脂，這樣既可以起到絕緣又可起到固化的作用；對于常規(guī)銅導(dǎo)線若運(yùn)行電壓很高，可用黃蠟綢或其他絕緣薄膜來做層間絕緣；若運(yùn)行電壓不高，直接使用絕緣固化漆涂于每一層線圈表面即可。接著再用另外一根導(dǎo)線繞兩層，方法同上。依此類推可以完成多層線圈的繞制工作。為了保證線圈表面的平整，在繞制的過程中也可以使用工夾具。綜上所述，通過使用本實(shí)施例中的方法，既可以有效解決“跑線”“打滑”等問題，又能夠?qū)?dǎo)線的結(jié)頭數(shù)量減少一半，這對于使用超導(dǎo)線繞制的磁體具有更加明顯的優(yōu)勢和意義。
權(quán)利要求
1.一種磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體，主要包括超導(dǎo)線圈、低溫杜瓦[9]和屏蔽層[10]，其特征在于超導(dǎo)線圈由大中小三個(gè)相互嵌套在一起，并相互正交放置的空心球臺形線圈[1]、[2]、[3]組成；三個(gè)線圈的軸線分別為直角坐標(biāo)系的x，y，z軸線，三個(gè)線圈的軸線相交于一點(diǎn)；小的空心球臺形線圈[2]的外球半徑略小于中的空心球臺形線圈[1]的內(nèi)球半徑，中的空心球臺形線圈[1]的外球半徑略小于大的空心球臺形線圈[3]的內(nèi)球半徑；每個(gè)空心球臺形線圈頂部均開有圓孔；三個(gè)相互嵌套的空心球臺形線圈構(gòu)成7/8球形磁體，整個(gè)球形磁體置于一個(gè)低溫杜瓦[9]中，低溫杜瓦[9]外包裹屏蔽層[10]。
2.按照權(quán)利要求1所述的磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體，其特征在于所述的每個(gè)空心球臺形線圈沿軸線的截面均由兩個(gè)左右對稱的扇形環(huán)組成，其中每個(gè)扇形環(huán)所占據(jù)的緯度角范圍從10度到80度之間，每個(gè)球臺形線圈的延伸角均小于140度。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體，其特征在于所述的低溫杜瓦[9]為一7/8球形杜瓦，杜瓦的外半徑稍大于三個(gè)線圈中最大球臺形線圈[3]的外半徑，內(nèi)半徑略小于最小球臺形線圈[2]的內(nèi)半徑。
4.按照權(quán)利要求1至3的任何一項(xiàng)所述的磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體，其特征在于所述的球形磁體的球形低溫杜瓦[9]外包裹有一用軟鐵磁材料制成的7/8球殼屏蔽層[10]，屏蔽層[10]的內(nèi)半徑略大于球形杜瓦[9]的外半徑。
5.權(quán)利要求1所述的磁外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體線圈的繞制方法，其特征在于從一根導(dǎo)線的中間開始，先在小半徑端板D端用工夾具固定線的中部，用其半根貼著球殼面，圍繞球臺形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端，向大半徑端板C端一圈圈地繞制；待這半根導(dǎo)線繞完后，在大半徑端板的孔中固定線頭，然后再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導(dǎo)線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反；繞完后在線圈的表面再次涂一層膠水，并做好層間絕緣，接著再用另外一根導(dǎo)線繞兩層，方法同上；依此類推可以完成多層線圈的繞制工作。
全文摘要
神經(jīng)外科手術(shù)用的超導(dǎo)磁體及其線圈的繞制方法。磁體線圈由大中小三個(gè)相互嵌套，并相互正交放置的空心球臺形線圈[1]、[2]、[3]組成，每個(gè)球臺形線圈所占據(jù)的緯度角范圍為10度到80度之間；三個(gè)線圈的軸線為直角坐標(biāo)系的x，y，z軸線且相交于一點(diǎn)；小的空心球臺形線圈[2]的外球半徑略小于中的空心球臺形線圈[1]的內(nèi)球半徑，中的空心球臺形線圈[1]的外球半徑略小于大的空心球臺形線圈[3]的內(nèi)球半徑。磁體線圈的繞制方法是從一根導(dǎo)線的中間開始，用其半根貼著球殼面，圍繞球臺形線圈骨架的軸線從小半徑端板D端，向大半徑端板C端一圈圈地繞制；待這半根導(dǎo)線繞完后，再從D端向C端貼著已繞好的一層線圈的外表面繞另半根導(dǎo)線，但其繞線方向與前半根繞線方向相反。
文檔編號A61B17/00GK1741208SQ20041000948
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月27日
發(fā)明者白燁, 王秋良, 余運(yùn)佳, 楊明 申請人:中國科學(xué)院電工研究所