本發(fā)明公開的實施方式涉及梯度線圈及其制造方法,特別是一種空心的梯度線圈及其制造方法。

背景技術：

梯度線圈是磁共振成像系統(tǒng)中的重要元件?？招奶荻染€圈有諸多優(yōu)點，例如，良好的散熱性能。然而，空心梯度線圈在制造方面卻存在一定挑戰(zhàn)。在現(xiàn)有方法中，制造空心梯度線圈需要將銅管在一平面上進行盤繞，接著將盤繞后的銅管彎曲至一曲面上。所述彎曲的過程會引起銅管變形進而影響梯度線圈的性能。所述彎曲的過程還會導致梯度線圈個體與個體間在形狀上的誤差。

在現(xiàn)有的梯度線圈組件中，絕緣層通常由一種單一材料制成，因此所述絕緣層在其任何部位上都具有相同的特性，因而無法滿足實際應用中的不同需求，例如，可能在不同的部位需要不同的聲學特性。

因此，有必要提供一種新的梯度線圈及新的梯度線圈制造方法來解決至少一個上述問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方面在于提供一種梯度線圈，該梯度線圈包括管狀的彎曲導體，其大致成螺旋形。形成所述彎曲導體的步驟包括：將 至少一種非導體材料逐層累加來形成基底，及在所述基底的至少一部分表面上涂覆導體材料；其中，所述基底的形狀與所述彎曲導體的大致螺旋形狀相匹配。

本發(fā)明的另一個方面在于提供一種制造梯度線圈的方法，該方法包括：將至少一種非導體材料逐層累加來形成基底，及將導體材料涂覆在所述基底的至少一部分表面上來形成彎曲導體。其中，該基底的形狀大致成螺旋形，與目標梯度線圈的形狀相匹配；該彎曲導體具有與所述目標梯度線圈相同的形狀，即大致成螺旋形。

附圖說明

當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的梯度線圈制造方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明另一具體實施例的梯度線圈制造方法的流程圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明又一具體實施例的梯度線圈制造方法的流程圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的帶有可去除的基底的梯度線圈的截面圖；

圖5為根據(jù)本發(fā)明另一具體實施例的梯度線圈的截面圖；

圖6為根據(jù)本發(fā)明的又一具體實施例的梯度線圈的截面圖；

圖7為根據(jù)本發(fā)明的又一具體實施例的梯度線圈的截面圖；

圖8為圖7中D部分的局部放大圖；

圖9為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的梯度線圈的示意圖；

圖10為圖9中C部分的局部放大圖；

圖11為根據(jù)本發(fā)明另一具體實施例的梯度線圈的示意圖；

圖12為根據(jù)本發(fā)明的又一具體實施例的梯度線圈的部分示意圖；

圖13為圖12中的梯度線圈在剖面線A-A方向上的截面圖；

圖14為圖12中的梯度線圈在剖面線B-B方向上的截面圖；

圖15為根據(jù)本發(fā)明又一具體實施例的梯度線圈的示意圖；及

圖16為根據(jù)本發(fā)明又一具體實施例的梯度線圈的截面圖。

具體實施方式

以下將描述本發(fā)明的一個或者多個具體實施方式。首先要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特征均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現(xiàn)開發(fā)者的具體目標，或者為了滿足系統(tǒng)相關的或者商業(yè)相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發(fā)生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發(fā)過程中所作出的努力可能是復雜并且冗長的，然而對于與本發(fā)明公開的內(nèi)容相關的本領域的普通技術人員而言，在本公開揭露的技術內(nèi)容的基礎上進行的一些設計，制造或者生產(chǎn)等變更只是常規(guī)的技術手段，不應當理解為本發(fā)明公開的內(nèi)容不充分。

除非另作定義，在本說明書和權利要求書中使用的技術術語或者科學術語應當為本發(fā)明所屬技術領域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書中使用的“第一”或者“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個。“或者”包括所列舉的項目中的任意一者或者全部。本發(fā)明中使用的“可”、“可以”與“可能”等詞語表明在某些環(huán)境中事件發(fā)生的可能性；擁有一種特定屬性、特征或功能；和/或通過與某一合格動詞結合表示一個或多個能力、性能或可能性。相應地，“可能”的使用表明：被修飾的術語對于所示的能力、功能或用途是明顯適當、可匹配或合適的；同時考慮到在某些情況的存在，被修飾的術語有時可能不適當，不匹配或不合適。

梯度線圈是磁共振成像系統(tǒng)的重要元件，為了滿足各種不同的性能需求通常具有復雜的幾何形狀。然而，梯度線圈復雜的幾何形狀卻加大了制造的難度。具有復雜幾何形狀的空心梯度線圈制造難度更大，因為空心導體與實心導體相比，在彎曲和焊接方面的難度更大。

本發(fā)明的具體實施例涉及一種使用增材制造法來制造梯度線圈的方法。該方法可以被廣泛地應用于空心梯度線圈的制造，并且可以極大地簡化具有復雜幾何形狀的空心梯度線圈的制造過程。圖1至圖3分別展示了所述方法的三個示范性實施例。該方法的動作以功能模塊的形式圖示，圖1至圖3所示的模塊的先后順序和模塊中動作的劃分并非限于圖示的實施例。例如，模塊可以按照不同的順序進行；一個模塊中的動作可以與另一個或多個模塊中的動作組合，或拆分為多個模塊。

圖1為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的梯度線圈制造方法10的流程圖。參見圖1，所述方法10包括步驟11-14，將在下文中做具體闡述。

在步驟11中，對目標梯度線圈的形狀進行設計。該步驟可能包括電磁設計和計算機輔助設計，可能通過一些軟件工具來實現(xiàn)。所述目標梯度線圈大致成螺旋形。在一些具體實例中，所述目標梯度線圈可設計成鋪設于一曲面上。

在步驟12中，根據(jù)步驟11中設計的目標梯度線圈的形狀來確定基底的形狀，所述基底的形狀與目標梯度線圈的形狀相匹配。

在步驟13中，通過增材制造法使用至少一種非導體材料來制造基底。具體地，根據(jù)步驟22中確定的所述基底的形狀將至少一種非導體材料逐層累加來形成所述基底；該基底與目標梯度線圈相似，也大致為螺旋形。增材制造，又被稱為3D打印，是一種用于制造三維物體的技術手段。由3D打印制造的三維物體幾乎可以是任何形狀或任何的材料成分的。在增材制造中，材料在計算機的控制下被連續(xù)地層層鋪設。增材制造法包括光固化快速成型、熔融沉積建模、激光燒結和Po lyJet法。所述基底的制造可能通過一臺3D打印機實現(xiàn)。所述非導體材料可能包括聚合物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚碳酸酯(PC)、尼龍或其任意組合。

在步驟14中，將導體材料涂覆在所述基底的至少一部分表面上來形成彎曲導體，該彎曲導體具有與所述目標梯度線圈相同的形狀，即大致成螺旋形。所述基底的表面包括外側周面，該涂覆的步驟包括通過電化學沉積、噴涂、浸漬、刷涂或者其任意組合的方式將導體材 料沉積在所述基底的外側周面。其中，所述電化學沉積法包括電鑄、電鍍和化學鍍。

當基底為空心時，所述基底表面還可能包括內(nèi)表面。所述涂覆的步驟包括通過電化學沉積、噴涂、浸漬、刷涂或者其任意組合的方式將導體材料沉積在所述基底的內(nèi)表面。其中，所述電化學沉積法包括電鑄、電鍍和化學鍍。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的梯度線圈制造方法20的流程圖。參見圖2，如步驟21所示，對目標梯度線圈的形狀進行設計。這一步驟可能包括電磁設計和計算機輔助設計，可能通過一些軟件工具來實現(xiàn)。該目標梯度線圈被設計成具有大致的螺旋形狀。

在步驟22中，根據(jù)步驟21中設計的目標梯度線圈的形狀來確定基底的形狀，所述基底的形狀與目標梯度線圈的形狀相匹配。所述基底可以是實心的，也可以是空心的，并且所述基底在與目標梯度線圈相對應的位置處的橫截面比目標梯度線圈略小。所述基底可定義目標梯度線圈的空腔。例如，如果目標梯度線圈被設計成具有6毫米*10毫米的橫截面，且壁厚為1毫米；則基底的橫截面可能為4毫米*8毫米。在另一個例子中，如果目標梯度線圈的橫截面是直徑為8毫米的圓，且壁厚為1.5毫米，則基底的橫截面是直徑為5毫米的圓。

在步驟23中，根據(jù)步驟22中所確定的基底的形狀將至少一種非導體材料逐層累加以形成基底。

在一些具體實例中，對基底的外側周面進行涂覆從而在其上形成彎曲導體。所述覆層的厚度與所述目標梯度線圈的壁厚大致相同。如步驟24所示，將導體材料用電鑄法沉積在基底的外側周面來形成彎曲導體。電鑄法能夠在基底的外側周面上附著厚達幾毫米的涂層。在 一些具體實施例中，所述導體材料為銅。通過電鑄法來生成所述彎曲導體時，可以允許使用純度較低的銅，從而極大地降低生產(chǎn)成本。電鑄這一步驟不僅能使銅塑型，并且可以對銅進行精煉純化，以改善銅的電學性能、機械性能和熱力學性能。所述電鑄的步驟可能包括加入添加劑的步驟，從而提高彎曲導體的質(zhì)量。在一些實施例中，添加劑的體積含量大于0.2％，且電流密度為30-60mA/cm²。

所述方法20進一步包括對彎曲導體的外表面進行精加工，如步驟25所示。所述精加工可能包括拋光、磨削、噴丸、酸洗及其任意組合。

在一些具體實施例中，所述方法20進一步包括去除所述基底，使之與所述彎曲導體分離，如步驟26所示。這一步驟可以通過加熱的方法實現(xiàn)，例如，加熱帶有基底的彎曲導體。所述基底在加熱過程中可能會熔化，然后將熔化的基底吹走，使之與彎曲導體分離。所述加熱步驟包括在氮氣的氣氛中加熱所述梯度線圈，這樣，彎曲導體不會被氧化，從而可以提高彎曲導體的質(zhì)量。在一些實施例中，所述去除的步驟可能包括在所述基底內(nèi)形成多個空腔，其中，所述空腔在所述基底的端面上有開口；然后，加熱帶有所述基體的彎曲導體來去除所述基底。當所述基體被加熱時，所述基體可能會發(fā)生膨脹，所述基體內(nèi)的空腔為基體的膨脹預留了空間。當所述基體被加熱時，還可能會產(chǎn)生氣體，所述氣體可從所述開口被釋放出。所述帶有空腔的基體可通過增材制造的方式一次形成。

所述去除的步驟也可以由化學方法實現(xiàn)，例如，用溶劑腐蝕基底。所述溶劑包括二氯甲烷、氯甲烷、四氫呋喃及其結合。在一些實施例中，所述去除的步驟可能包括在所述基底內(nèi)形成多個空腔，其中， 所述空腔在所述基底的端面上有開口；然后，向所述空腔通入溶劑來去除所述基底。這樣，基底可能會更容易地被去除。所述帶有空腔的基體可通過增材制造的方式一次形成。參見圖4，圖4為通過上述步驟21-24制造而得的帶有可去除基底的梯度線圈490的截面圖。如圖4所示，所述梯度線圈490包括基底493和附著在所述基底493外側周面的彎曲導體491?；?93包括位于其內(nèi)部的多個空腔492，空腔492用于容納去除基底的溶劑。基底493進一步包括位于其中心的通道494，也可以用來容納溶劑。

在一些情況下，步驟25-26并不是必須的步驟，或者這兩步可以交換順序。

圖3為根據(jù)本發(fā)明又一具體實施例的梯度線圈制造方法30的流程圖。參見圖3，方法30包括步驟31-35，將在下文中做具體闡述。

在步驟31中，對目標梯度線圈的形狀進行設計。該步驟可通過設計類軟件來實現(xiàn)。目標梯度線圈大致成螺旋形。

在步驟32中，根據(jù)目標梯度線圈的形狀來確定基底的形狀，使基底的形狀與在步驟31中設計得到的目標梯度線圈的形狀相匹配?；资枪軤畹?，具有一內(nèi)表面。在與目標梯度線圈相對應的位置，基底的橫截面積大于目標梯度線圈的橫截面積?；椎膬?nèi)表面可定義所述梯度線圈的外部形狀。

在步驟33中，根據(jù)目標梯度線圈的性能要求設計基底的材料組成。與現(xiàn)有的梯度線圈不同，在本發(fā)明的一些實施例中，梯度線圈的基底在材料特性上不均勻。所述材料特性包括機械強度、密度、導熱系數(shù)、聲阻抗或其任意組合。這樣，所述基底在不同部位有不同的材料特性，從而優(yōu)化了所述目標梯度線圈的總體性能。例如，可以在 一些位置采用有彈性的材料，例如，橡膠；可以在另一些位置采用堅硬的材料，如聚碳酸酯。為了滿足一些聲學性能要求，可以采用聲阻尼特性較好的材料；也可以在產(chǎn)生熱較多的位置采用導熱系數(shù)好的材料。

在步驟34中，根據(jù)確定的所述基底的形狀和材料組成，將至少一種非導體材料逐層累加以形成基底。所述基底可能由單一的非導體材料制成，也可能由多種非導體材料制成。

在一些具體實施例中，對基底的內(nèi)表面進行涂覆從而在其上形成彎曲導體。更具體的，如步驟35所示，將導體材料用化學鍍的方法沉積在基底的內(nèi)表面上以形成所述彎曲導體?；瘜W鍍可能包括對活化劑或催化劑進行物理吸附，及將所述內(nèi)表面暴露在含有氧化態(tài)或還原態(tài)金屬的液體介質(zhì)中。所述活化劑或催化劑可能包括鉑、金、鈀或其任意任意組合。

在一些具體實例中，化學鍍法可能包括在真空中將金屬導體或者催化劑濺射到所述內(nèi)表面從而活化所述內(nèi)表面，及將所述內(nèi)表面浸沒在一溶液中，該溶液至少含有金屬離子和一種適合的還原劑，例如，甲醛。所述被活化的內(nèi)表面的促使金屬離子還原成金屬，并且促使還原劑氧化，被沉積下來的金屬又進一步促進沉積，直到達到期望的厚度。

在另一些具體實施例中，涂覆的步驟可能包括噴涂、浸泡或刷涂含有導電介質(zhì)的試劑。其中，所述導電介質(zhì)為分散在液體介質(zhì)中的金屬顆?；虮∑?，導電的銅涂料。

圖5-8展示了一些通過方法30制造的示例性梯度線圈，具體闡述如下。

在圖5中，梯度線圈410包括基底411和附著在基底411內(nèi)表面的彎曲導體413。基底的至少一種材料特性隨著在基底上位置的變化而連續(xù)變化。如圖5所示的具體實施例，基底411的密度從基底的一側到另一側逐漸變小。

在一些具體實施例中，所述基底的材料特性隨著在所述基底上位置的變化而不連續(xù)變化。參見圖6，梯度線圈420包括基底421和附著在基底421內(nèi)表面的彎曲導體423。基底421包括至少一個與相鄰區(qū)域材料不同的區(qū)塊425。例如，區(qū)塊425由第一材料制成，而相鄰區(qū)域由第二材料制成；第一材料比第二材料機械強度高，因此可以給所述梯度線圈上的相應位置提供強度更大的支撐。

在一些實施例中，基底具有網(wǎng)格結構。在圖7中，梯度線圈430包括基底431和附著在基底431內(nèi)表面的彎曲導體433。圖8是圖7中基底431的D部分的局部放大圖。在圖8中，所述D部分包括多個按陣列排布的單元435。基底431可能由單一材料制成，也可能由多種材料制成。如果基底431由單一材料制成，基底431的材料特性取決于單元435的形狀和尺寸中的至少一項。所以，單元435形狀和尺寸中的至少一項根據(jù)該單元在所述基底上位置的不同而不同，以求達到預設的性能要求。

本發(fā)明揭露的方法可以用來制造以前很難制造或者無法制造的新樣式的梯度線圈，從而提高磁共振成像系統(tǒng)的性能。下文將對一些使用本方法制造出的示例性梯度線圈進行具體描述。

圖9是根據(jù)本發(fā)明的一具體實施例的梯度線圈440的示意圖。梯度線圈440包括彎曲導體441，彎曲導體441呈管狀且大致為螺旋形。形成彎曲導體441的步驟包括：將至少一種非導體材料逐層累加來形 成基底，及在所述基底的至少一部分表面上涂覆導體材料；其中，所述基底的形狀與所述彎曲導體的形狀相匹配，大致成螺旋形。

圖10為圖9中C部分的局部放大圖。參見圖9-10，彎曲導體441包括至少一區(qū)段442。區(qū)段442的曲率半徑R小于區(qū)段442沿該曲率半徑方向上的寬度W的2.5倍，這對于現(xiàn)有的加工方法來說是很難達到的?，F(xiàn)有的梯度線圈是通過將直的金屬管彎曲成預設的形狀而得到的，曲率半徑一般大于沿該曲率半徑方向上寬度的2.5倍。這是因為曲率半徑通常會受到金屬管的材料、壁厚及橫截面形狀的限制。由于現(xiàn)有技術中通常采用機械力彎曲金屬管，一旦曲率半徑小于這個值，金屬管就會出現(xiàn)褶皺、橫截面變形或斷裂等缺陷。然而，在本發(fā)明的具體實施例中，彎曲導體441是通過在所述基底表面沉積導電層而得到的，所以，彎曲導體441的形狀取決于基底的形狀，而所述基底又是通過增材制造法制造的。增材制造法可以制造出幾乎任何幾何形狀的物體，因此，在本實施例中，曲率半徑小于沿曲率半徑方向寬度的2.5倍是很容易實現(xiàn)的。因為曲率半徑較小，相比于現(xiàn)有的梯度線圈，本發(fā)明的具體實施例中的梯度線圈的結構更緊湊、更靈活，從而還帶來很多其他優(yōu)勢，例如，能夠縮小梯度線圈的尺寸，為磁共振成像系統(tǒng)中的其它元件騰出更多的空間。

圖11為根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施例的梯度線圈450的示意圖。參見圖11，梯度線圈450與圖9中的梯度線圈440相似。主要的區(qū)別在于梯度線圈450進一步包括與彎曲導體451連接的分支導體455，分支導體455和彎曲導體451成一體設置。在現(xiàn)有的梯度線圈中，分支導體和彎曲導體一般通過焊接的方式連接，由于梯度線圈是空心的，所以這樣的工序非常復雜且非常耗時。另外，分支導體和彎曲導體之 間的焊接點通常是導致異變和現(xiàn)場故障的根本原因。在這一具體實施例中，設計基底的形狀，使之包括一個與分支導體455相對應的部分，這個部分與基底的其他部分成一體設置。接著，通過涂覆基底表面的方法，同時形成分支導體455與彎曲導體451。

在一些具體實施例中，彎曲導體橫截面的形狀和尺寸中的至少一項沿彎曲導體的長度方向變化。圖12是根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的梯度線圈的一部分461的示意圖。圖13為圖12中的梯度線圈在剖面線A-A方向上的截面圖。圖14為圖12中的梯度線圈在剖面線B-B方向上的截面圖。參見圖13-14可以發(fā)現(xiàn)，橫截面A-A的面積大于橫截面B-B的面積。在一些具體實施例中，梯度線圈的一些部分需要比其它部分排布得更加緊密，從而優(yōu)化磁共振成像系統(tǒng)的整體性能。因此，可以將在此部分彎曲導體的橫截面設計得較小，這樣，在一個面積確定的區(qū)域內(nèi)，可以排布更多的彎曲導體。然而，在現(xiàn)有的梯度線圈中，彎曲導體的橫截面通常不變，所以要將所述彎曲導體在有限區(qū)域內(nèi)排布得更緊密是非常困難的。

圖15是根據(jù)本發(fā)明另一具體實施例的梯度線圈470的示意圖。參見圖15，梯度線圈470包括彎曲導體471，其大體上成螺旋形。彎曲導體417包括至少一區(qū)段473，區(qū)段473的曲率中心位于區(qū)段473的遠離所述螺旋形中心479的一側。這種形狀通常被稱為“負曲率”，其很難用現(xiàn)有的加工方法制造。

圖16是根據(jù)本發(fā)明一具體實施例的梯度線圈480的截面圖。參見圖16，梯度線圈480包括基底483和附著在基底483內(nèi)表面的彎曲導體481?；?83為管狀，且通過增材制造法由非導體材料制成，基底483在材料特性上非均勻。在一些具體實例中，在基底483上形 成至少一個通道482，所述通道482用來使冷卻液通過。通道482可設置在磁共振成像系統(tǒng)工作時溫度較高的區(qū)域，流經(jīng)通道482的冷卻液會使這一區(qū)域的溫度下降。所述帶有通道的基體可通過增材制造的方法一次形成。

雖然結合特定的具體實施方式對本發(fā)明進行了詳細說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到，權利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。