專利名稱：對于磁共振成像梯度線圈結(jié)構(gòu)中聲音產(chǎn)生的有效控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜聲的梯度線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具體來說，本發(fā)明涉及用于磁共振成像(MRI)的靜聲的梯度線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
在當(dāng)代的MRI掃描設(shè)備中，為了更加快速地掃描病人，有一種增高梯度強度和加快切換時間的趨勢。增高梯度強度和加快切換時間的組合意味著產(chǎn)生極大的洛倫茲力，所說的洛倫茲力是在存在大的靜磁場的情況下進行切換時和電流同時產(chǎn)生的，并且還意味著在梯度線圈結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生極大的對應(yīng)數(shù)量的振動，這又將產(chǎn)生有潛在危險的噪聲電平。我們的解決噪聲問題的第一個方案就是根據(jù)洛倫茲力的平衡。(有效的聲屏蔽在MRI中靜聲梯度線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，P.Mansfield,P.Glover和R.Bowtell,Meas Sci Technol5,1021-1025(1994)。有效的聲屏蔽通過洛倫茲力平衡減小梯度線圈中的噪聲，P.Mansfield,B L W Chapman,R.Bowtell,P.Glover,R Coxon,P R harvey,Mag-Res Med 33,276-28l(1995)。靜聲梯度線圈有效的聲和機械屏蔽的分布式橫向梯度設(shè)計，B L W Chapman和P.Mansfield,Meas Sci Technol6,349-354(1995)。橫向靜聲梯度線圈使用幾何相似原理的洛倫茲力平衡的結(jié)構(gòu)設(shè)計，R.W Bowtell和P.Mansfield,Mag-Res Med 34,494-497(1995)。使用優(yōu)化的、力屏蔽的、分布式的、線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計的一種靜聲梯度線圈裝置，B LW Chapman和P.Mansfield,J.Magn Reson B107,152-157(1995)。對于橫向靜聲梯度線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析方案，R.Bowtell和P.Mansfield，Prod 3rd SciMtg SMR,Nice,1,310(1995)。然而，這些方案的效率都是相當(dāng)差的。
最近已經(jīng)提出涉及梯度結(jié)構(gòu)內(nèi)有效消除噪聲的兩種方案(在MRI的靜聲梯度線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有效聲控，PMansfield，英國專利申請，95068298.2，優(yōu)先權(quán)日1995年4月1日，PCT WO96/31785，
公開日1996年10月10日；在梯度線圈中聲音輸出的有效控制，P.Mansfield，英國專利申請，9620138.9，優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日，PCT WO98/13821，
公開日1998年4月2日)，它們在原理上完全解決了聲音問題。然而，聲波在實心支撐結(jié)構(gòu)中的傳播特征在實踐中表明，實際上要完全消除噪聲還必須需要一些訣竅。本發(fā)明的目的就是討論這些訣竅，并且提出可演變成實際實施方案的方案。
本發(fā)明提供用于磁共振成像系統(tǒng)的一種靜聲線圈結(jié)構(gòu)，所說的線圈包括一個或多個導(dǎo)體，它們置入一個傳聲材料板中，所說的板有一個或多個邊緣表面，其特征在于，至少一個邊緣表面是倒棱的。
本發(fā)明還提供用于磁共振成像系統(tǒng)的一種靜聲線圈結(jié)構(gòu)，所說的線圈包括置入一個板材料中的一個或多個導(dǎo)體，所說的板包括多孔材料的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，這種材料有正的和負的泊松比σ，因此總的泊松比σ基本上是0。
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明，其中

圖1是一個聲板的示意圖，具有傳輸電流I1的單個的長方形的電流回路；圖2是一個示意圖，表示從寬度為d的發(fā)射體表面的發(fā)聲過程的細節(jié)。還表示出在位置x′的一個發(fā)射體表面元dx，和至一個遠點P的聲路徑長度差xsinθ，所說的P點在和原點O成一個角度θ的′平面內(nèi)。對于小的角度，r≈r0是兩個平面x,x′之間的距離。圖中還表示出聲衍射圖案，峰值在沿x′軸的±c處。聲干涉圖案的形成被認為是夫瑯禾費衍射過程，盡管沒有使用透鏡將所有的成分聚焦在點P。
圖3是一個聲板，表示一個具有電流I1的外部電流回路和一個傳輸電流I2eiφ的重新進入的內(nèi)部回路32，重新進入的內(nèi)部回路32安裝在一個剛性的非導(dǎo)電板上(現(xiàn)有技術(shù))。此外，還有一個空氣間隙34，空氣間隙占據(jù)穿過這個板的中間通路的大部分。板的每一端留下一小段36、38不開縫，以保持兩個半邊的完整性。
圖4是一個示意圖，表示一短段聲板，它是由交替的塑料材料條42和金屬條40制成的，聲波44在一側(cè)入射；圖5一個示意圖，表示自一個塑料板的聲波發(fā)射，所說的塑料板具有內(nèi)置的導(dǎo)線導(dǎo)體，傳輸電流為I1、I2eiφ，整個組件置入一個磁場B中，磁場方向垂直于板表面。(a)平板具有激發(fā)(blazed)輸出R1、R2，以及二次激發(fā)輸出R’1、R’2，R1來源于I1、R2來源于I2。(b)為使R1和R2平行激發(fā)輸出來自在中心鉸接(hinge)的一個板。(c)來自如以上(b)中所述的鉸接板的激發(fā)聲輸出射線，但其中使用兩個小型反光鏡產(chǎn)生附加的反射，以使R′1、R′2和主射線R1和R2平行；圖7表示自一個垂直于磁場B的平板發(fā)射體的激發(fā)聲波輸出，其中結(jié)合一個聲的凹透鏡，以使射線R1、R2平行。還包括一個中央反射器板，這個中央反射器板反射與主輸出R1和R2平行的交替的激發(fā)輸出R′1、R′2。聲在空氣中的速度是v′，聲在聲透鏡中的速度是v″，并且，v′＜v″；圖7是傳輸電流I1、I2eiφ的聲發(fā)射器板的示意圖，其中，將表面加工成交替的楔形斷面，在圖中用1和2表示。還表示出加工的表面的側(cè)視圖。
圖8是一個可移動的發(fā)射體板，它帶有一個外部電流回路I1和一個重新進入的內(nèi)部回路I2eiφ。結(jié)重新進入的內(nèi)部回路插入到一帶有中心縫成堞形的定子。(a)板的外側(cè)部分繞定子穿過樞軸轉(zhuǎn)動點87、88轉(zhuǎn)動。(b)側(cè)視圖表示發(fā)射體板的定子和可轉(zhuǎn)動外側(cè)部分。
圖9是用于疊層板結(jié)構(gòu)的一個梯度線圈板支裝置。(a)環(huán)形支撐表示用于長方形板x梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計?？梢允褂孟嗤拈L方形的板裝置產(chǎn)生x或z梯度。Y梯度板和x或z梯度板相同，只是要轉(zhuǎn)動90度。(b)表示板沿z軸分布的板疊置的平面圖。
注意長方形板用作梯度裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個例子。通過弧形板結(jié)構(gòu)設(shè)計、或通過對于x和y梯度進行弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計并且對于z梯度進行圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計、或通過長方形、弧形、和圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計的混合，都可產(chǎn)生所有的3梯度。
圖10表示通過一個發(fā)射體板邊緣的成形部分。(a)單尖端倒棱表示出5次內(nèi)部反射，最后一次反射垂直于這個單尖端表面。(b)具有和以上所述相同倒角的雙倒棱，并且表示出入射聲波的3次內(nèi)部反射，第三次內(nèi)部反射垂直于倒棱的邊緣。(c)可替換的喇叭口形邊緣。(d)另一個可替換的尖端頂形邊緣；圖11表示出穿過聲發(fā)射體板的邊緣的剖面圖，這個聲發(fā)射體板為單尖端倒棱形狀的倒棱，它結(jié)合到較軟的吸聲材料上。(a)聲吸收體粘結(jié)到一個尖端形表面上。(b)聲吸收材料粘結(jié)到兩個尖端形表面上。
圖12是一個示意圖，表示穿過一個發(fā)射體板的邊緣的一個剖面，這個發(fā)射體板逐漸變細，并且通過致密材料進入聲腔；圖13是一個示意圖，表示穿過一個發(fā)射體板的邊緣的一個剖面，這個發(fā)射體板逐漸變細，并且一個雙錐體進入聲腔。(a)聲腔是棱柱形狀，并且表示出一個入射聲波的12次內(nèi)部反射，最后一次反射垂直于一個棱柱表面。(b)半圓柱形聲腔表示出一個入射聲波的10次內(nèi)部反射，最后一次反射垂直于半圓柱形腔的表面；圖14是穿過聲發(fā)射體板的邊緣的一個剖面圖。(a)邊緣具有多個尖端邊緣鋸齒。(b)雙尖端形齒相互鎖緊，但不接觸一個第二板。兩個板表示出傳輸電流I2eiφ和-I2eiφ；圖15(a)-(c)是示意圖，表示具有不同的邊緣頭套(cap)結(jié)構(gòu)設(shè)計的倒棱邊緣的板的不同方案。(a)長方形頭套，具有載流I導(dǎo)線，靠近倒棱的頂部放置，但由頭套材料支撐。(b)類似于以上(a)所述的頭套裝置，但長方形各角頂成一定角度，以減少向回反射到主板材料；(c)上述(b)的另一種改進其中一些鋸齒形成在頭套材料上，以便進一步減少向回反射到主板材料；圖16是一個板的端視圖，外導(dǎo)體傳輸?shù)碾娏鳛镮1和I2eiφ。板的表面在一側(cè)外形如圖所示的形狀。圖中還表示出坐標(biāo)軸；圖17(a)-(e)是示意圖，表示用于內(nèi)和外圓柱體上的鋸齒或翅片的結(jié)構(gòu)，所說的圓柱體形成成套磁屏蔽和聲屏蔽的梯度系統(tǒng)。(a)兩個圓柱體的端視圖的特寫部分分別表示初級線圈、初級線圈的聲屏蔽、磁屏蔽聲屏蔽、和磁屏蔽的平均半徑a、b、b’、c。(b)翅片在所有的內(nèi)部和外部圓柱體表面上沿圓柱體的軸延伸。(c)切線方向結(jié)構(gòu)的翅片沿內(nèi)和外圓柱體的全部表面延伸。翅片可以形成單獨的槽或形成具有小間距的螺旋狀(threadlike)的結(jié)構(gòu)。(d)如以上(a)中所述的內(nèi)部和外部圓柱體的端視圖表示出縱向有翅片的結(jié)構(gòu)的一個小的部分的細節(jié)。(e)翅片外形的細節(jié)，它可以是帶單錐度的尖端(chisel)形式或帶雙錐度的楔形形式；圖18(a)-(c)是示意圖，表示出用于在梯度線圈內(nèi)運行冷卻管的3種結(jié)構(gòu)。(a)冷卻板帶有插入的冷卻管，用于疊置的長方形板的梯度線圈。在弧形板設(shè)計中可以使用類似的結(jié)構(gòu)。(b)冷卻管沿如圖17中所示的圓柱形梯度線圈的圓柱體軸延伸。(c)冷卻箔按螺旋方式包在如圖17所示的一個圓柱形梯度線圈的內(nèi)和外兩個圓柱體的梯度板之間；圖19表示(a)具有置入的單個外部電流回路或傳輸電流I1的初級回路。橫向?qū)Ь€通道在板后通過，并且由一個抗振固定件支撐。平行于初級導(dǎo)線還要置入壓電式或磁式換能器，如圖20(b)板的端視圖所示的，其中表示橫向?qū)Ь€支撐以及初級導(dǎo)線和換能器在板中的位置。換能器的驅(qū)動器相對于I1有可變的幅度和相位；
圖20(a)-(c)是示意圖，表示各種換能器結(jié)構(gòu)。(a)一種雙極性/雙壓電晶片陶瓷壓電型換能器的示意圖。(b)一種磁換能器，從一對由絕緣的可彎曲材料分隔開的導(dǎo)體形成，傳輸電流I2和-I2的導(dǎo)體形成一個磁偶極子。外部磁場B垂直于穿過這對導(dǎo)體的平面。(c)背靠背地放置如以上(b)中所示的兩對導(dǎo)體，從而使兩對導(dǎo)體中的外部的電流具有相同的電流I2并且內(nèi)部的一對導(dǎo)體都傳輸電流-I2?？梢愿淖僆2的相位和幅度。
圖21表示(a)一個邊緣倒棱的并且具有縫隙的聲板，所說的聲板具有傳輸電流I1的單個外部回路和具有電流I2eiφ的兩個內(nèi)部二次導(dǎo)線，兩個內(nèi)部二次導(dǎo)線靠近并且沿板的長軸平行于外部回路導(dǎo)線放置。用于I1的橫向?qū)Ь€路徑在板的后邊通過，板由一個抗振固定件支撐。(b)板結(jié)構(gòu)的端視圖，表示置入的外部導(dǎo)線和傳輸電流I2eiφ的二次導(dǎo)線，外部導(dǎo)線在回路中形成電流I1的固有的返回回路，二次導(dǎo)線也置入板材料中，它們的返回路徑在導(dǎo)體中，導(dǎo)體通過在A和B以及在A′和B′的兩個支撐柱弱耦合到板上。(c)如以上(b)中所述的板結(jié)構(gòu)的端視圖，但其中的導(dǎo)體PQ和AB以及P′Q′和A′B′已由如圖所示的兩對同軸的導(dǎo)體代替。還要注意的是，板的每一半可以分開支撐，如圖中示意所示的，從而使板的每一半可以自由的獨立振動。
圖22表示一個示意圖，表示聲板的一部分，包括3個疊層，每個疊層均有一個不同的聲傳播常數(shù)k1、k2、k3。組合的板可以由傳輸電流I1的單個導(dǎo)體驅(qū)動，或者由傳輸有3個獨立電流I11、I12、和I13的3個導(dǎo)體驅(qū)動；圖23表示擠壓成型的塑料管，(a)(c)表示六角形和圓形的橫斷面，它們的泊松比是正的。(b)(d)是反六角形和反圓形，它們的泊松比σxy是負的。
可以看出，放在垂直于板平面的一個大的靜磁場B中的長方形板10在受到橫向壓縮或膨脹的洛倫茲力作用時要產(chǎn)生板的厚度的變化，即變厚或變薄，這種板的厚度的變化要沿所加靜磁場的方向在垂直于板平面的空氣中發(fā)射聲波。壓縮型洛倫茲力的產(chǎn)生是由于在圖1的形成長方形回路12的板平面中插入有導(dǎo)線。如果與板的長度相比板的寬度是窄的，我們將忽略沿板長軸的聲傳輸，并且我們將著重討論波在橫向方向的傳播。
進一步可以看出，由于聲在板中的傳輸性質(zhì)決定，發(fā)射的聲是作為兩個激發(fā)函數(shù)出現(xiàn)的，這兩個激發(fā)函數(shù)以與法線成略微不同的角度±θc離開同一個板。這一狀況由下式表示|AsAP|=a[sinc b(x′-c)+sinc b(x′+c)].[1]其中近似地有sinθc≈θc=c/r0并且±c是在一個平面中平行于這個板的輻射狀輸出的峰值移動，并且移動了距板一個r0的距離。其幅度由下式給出a=ad-στβk-FmΛ(ω)r0=2στFmΛ(ω)r0bc=Γ1b0c0αβ=Γ1bc--[2]]]>其中Γ1由下式給出Γ1=Fm∧(ω)2στ/r0[3]并且，其中∧(ω)由下式給出Λ(ω)=1ω[((ω0/ω)2-1)2+K2/ω2]1/2--[4]]]>方程控(2)中的其它量的定義如下d是板寬度，d是板平均寬度，σ是泊松比，τ是板的半厚度，F(xiàn)m是每單位長度的比洛倫茲力的最大值，v是板中的波速，v是板中的平均波速，f是所加的電流的頻率，f是平均頻率，ω=2πf，ω0是板的基本機械共振角頻率，k是板的粘性阻尼常數(shù)。在固體中的平均波傳播常數(shù)k由下式給出k=γβk.[5]分別引入因子α、β、γ是為了計及不精確知道d、v、f產(chǎn)生的微小的不確定性，并且將因子α、β、γ定義為α=1±d/d、β=1/(1±Δv/v)≈ 1Δv/v、γ=1±Δf/f。從誤差分析可知，形成的不確定性由下式給出αβγ=1.[6]在以下所述的大部分內(nèi)容中，我們?nèi)ˇ=0，所以f=f并且γ=1。在方程(2)中的其它項由下式定義b=d-k′α2r0p=b0αp--[7]]]>k′是空氣中的聲波傳播常數(shù)。正弦函數(shù)圍繞衍射原點移動了±c，其中c由下式給出c=k-r0pβk′=c0pβ--[8]]]>項p是無量綱的，由下式給出1p=q-1--[9]]]>其中q由下式給出q=2kπr0ad-ck′--[10]]]>應(yīng)該指出，F(xiàn)m=BIsinξ/ρ，其中B是靜磁場，I是流過回路的電流，ξ是磁場方向和電流方向之間的角度，ρ是每單位長度板材料的密度。
對于夫瑯禾費衍射，我們從方程(1)注意到，當(dāng)x’是0，在點O’點接收的聲幅度ASAP簡化成我們以前的結(jié)果(有效的聲屏蔽在MRI中靜聲梯度線圈的設(shè)計原理，P.Mansfield，P.Glover,R.Bowtell,Meas Sci Technol5,1021-1025(1994)。
從方程序(1)顯然可以看出，聲輸出包括有一個衍射圖案，其兩個峰值發(fā)生在x′=±c。在圖2中示意表示發(fā)射體板的結(jié)構(gòu)和衍射圖案的形成。
在我們的現(xiàn)有技術(shù)(在MRI的靜聲梯度線圈設(shè)計中的有效聲控，P.Mansfield，英國專利申請，95068298.2，優(yōu)先權(quán)日1995年4月1日，PCTWO96/31785，
公開日1996年10月10日；在梯度線圈中聲音輸出的有效控制，P.Mansfield，英國專利申請，9620138.9，優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日，PCT WO98/13821，
公開日1998年4月2日)描述的一個新的實施例中，已經(jīng)提出如下的建議板應(yīng)該有兩個回路，即傳輸電流I1的一個大的外部電流回路30和傳輸電流I2eiφ的一個重新進入的內(nèi)部回路32，所說的板應(yīng)該有一個中心縫隙32，圖3。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個電流的幅度和相位是可變的。在該工作過程中，對于中心的垂直板平面的聲波進行考慮，并且表明，借助于適當(dāng)?shù)碾娏骱拖辔?，有可能在x′=0這一點在極大的程度上消除聲波。
對于這里給出的結(jié)構(gòu)進一步理論研究表明，對于圖1的單回路板，重新進入的內(nèi)部回路結(jié)構(gòu)設(shè)計也產(chǎn)生可用正弦函數(shù)近似描述的聲輸出，在這種情況下，有4個聲輸出，每半個板組件產(chǎn)生兩個聲輸出，由下式給出
其中，θ是輻射狀聲輸出相對于整個板組件的中心點O的環(huán)形位移，θ0是每半個板相對于O點的環(huán)形位移。幅度A和B分別正比于外部回路電流I1和重新進入的內(nèi)部回路電流I2。角度φ是I1和I2之間的相對相位。通過考慮聲輸出的空間分布，從以上所述的表達式在理論上我們可以得出結(jié)論對于每半個板組件，在正確的實驗條件下，完全消除聲波在理論上是可能的。在這項工作的某些細節(jié)方面對這些條件進行考察，從這些條件可以研究出一組實施例，從而實現(xiàn)不同程度的聲波消除。
激發(fā)(blazing)為了反復(fù)逼近上述結(jié)果，對于圖3的重新進入的回路設(shè)計，用方程(11)表示的4個正弦函數(shù)來描述聲輸出。這些正弦函數(shù)的形式表明，每個正弦輸出都有一個非零的激發(fā)角。為了實現(xiàn)完全的聲波消除，這個激發(fā)角在理想情況下應(yīng)該是零。這就是說，在板材料內(nèi)的聲速v應(yīng)該是無窮大。對于大多數(shù)的塑料材料，v在1-3千米/秒范圍內(nèi)。通過形成復(fù)合材料，如填充玻璃的環(huán)氧樹脂或填充金屬的環(huán)氧樹脂，可以顯著提高這個速度。通過如圖4所示使用交替的金屬條40和塑料條42制造板，還可以提高板中的聲波的有效速度。一個優(yōu)選實施例使用編織的碳纖維或玻璃纖維織物層作為環(huán)氧樹脂中的加強部件。但一般情況下，人們必須面對這種現(xiàn)實v總是有限的。因此，問題就是人們是否能采取另外的措施進一步減小激發(fā)角(blaze angle)。圖5(a)示意地表示出來自圖3的通電的板10的每個半板的聲輸出射線R1、R1′。如果相對于R1來說R2的相位是180度，因為射線在空間沒有重合，所以沒有任何聲音消除。圖5(b)所示的板10發(fā)生了彎曲，從而使R1和R2平行。然而，單靠這個過程還不能產(chǎn)生破壞性的干涉現(xiàn)象，因為二次射線R1′和R2′都有效加倍了它們的激發(fā)角。在圖5(c)中，在靠近板平面處引入小型反光鏡50、52，現(xiàn)在產(chǎn)生了完全平行的輸出。
在圖6中，表示出一個可替換實施例，其中使用一個聲透鏡62將來自平板60的發(fā)散射線變?yōu)槠叫休敵觯谒f的聲透鏡62中的聲速v″大于空氣中的聲速v′。為使這一結(jié)構(gòu)能夠工作，要從定位在中央的反光鏡64的兩側(cè)反射二次射線。
在圖7中表示出另一個固定式的結(jié)構(gòu)。這里，將發(fā)射板表面70加工形成一組相互交錯的楔形物，從而使由電流I1產(chǎn)生的固體中的聲波被限制在圖7中標(biāo)為1的這些條上，并且以相似的方式使由I2產(chǎn)生的聲波限制在圖7中標(biāo)為2的這些條上。這樣一種結(jié)構(gòu)可能在板上產(chǎn)生平行的輸出，并且，破壞性的干涉過程的效果取決于條的寬度和發(fā)射的聲波在空氣中的擴展。這個固定式的結(jié)構(gòu)的一個困難是它需要知道激發(fā)角才能加工楔形物的角度。
在圖8中表示出一種可替換的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以用于一個完整的雙板結(jié)構(gòu)80，這個雙板結(jié)構(gòu)80可實現(xiàn)機械方式的調(diào)節(jié)。這個結(jié)構(gòu)有一個重新進入的回路結(jié)構(gòu)，具有外部和內(nèi)部電流I1和12eiφ。加工發(fā)射板以產(chǎn)生一個中央定子82。板的外部堞形部分84、86繞樞軸87、88轉(zhuǎn)動，并且沿正確的激發(fā)方向產(chǎn)生波，從而可以產(chǎn)生消除作用，如圖8(b)所示。就圖7的討論情況而論，波消除的效果取決于定子82中指狀物部分的數(shù)目和它們的寬度。
內(nèi)部反射為了進一步實現(xiàn)這一步驟，還必須考慮聲波在固體中傳播的細節(jié)。在至今已經(jīng)研究的所有理論中，都忽略或忽視了波的內(nèi)部反射。這在說明正弦函數(shù)輸出的細節(jié)方面，尤其是正弦函數(shù)的寬度方面，變?yōu)闃O其重要。這些考慮導(dǎo)致雙板組件的一個新的表達式，由下式給出 在這個表達式中的N和M是每半個板組件中的反射次數(shù)。對于相同的材料，人們期望N等于M。在聲速大于2千米／秒的大多數(shù)塑料復(fù)合材料中，觀察到許多次反射，反射次數(shù)是通過輸出的正弦函數(shù)的寬度判斷的。在與此類似的情況下，I1和I2通常接近相等，但取決于導(dǎo)線固定在板中的牢固程度。通常的作法是，在板中研磨出一個槽，槽中插入導(dǎo)線，并將導(dǎo)線與環(huán)氧樹脂粘結(jié)在一起。對于較軟的材料，實現(xiàn)兩個電流有相同的幅度是比較困難的。
從對于方程(12)的整個表達式的詳細分析，將會注意到，當(dāng)I1=I2eiφ并且φ=2π，并且當(dāng)k=0時，可以使整個表達式為零。k=0這一條件意味著板材料中的聲速v為無窮大。這個條件在實踐中顯然是不能實現(xiàn)的。為了擴充我們較早些時候的說法，通過考慮復(fù)合塑料材料是可以逼近這個無窮大的速度的，為此要在復(fù)合塑料材料中選擇填充物以增加在基本樹脂材料上總的聲速。惰性填充物材料的范圍包含玻璃和碎細的金屬。前述的一種替換方案是用交替的金屬條和塑料條制造所說的板，如圖4所示。金屬條越寬，穿過板的平均聲速越高。如果整個板都由金屬制成，則可以實現(xiàn)的最高速度對于鋁為5.1千米/秒，對于銅為3.6千米/秒。如果整個板都由玻璃制成，則可以實現(xiàn)的最高速度為5.0千米/秒。這些數(shù)字是填充玻璃的環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)的復(fù)合物的最高速度的兩倍或更高，但仍舊沒有滿足無窮大速度的要求。如果我們接受有限速度這一事實，根據(jù)以上所述就可能通過機械激發(fā)得到聲波消除的結(jié)果。
另一種可替換的方案至今，我們已經(jīng)討論了在一個梯度線圈系統(tǒng)中的板的特定段中所發(fā)生的聲現(xiàn)象。對于整個梯度線圈組件，我們已經(jīng)設(shè)想出許可沿著z軸適當(dāng)分開的板，從而沿著所有3個軸可以產(chǎn)生一個均勻梯度場。在圖9a中實例表示出使用在支撐環(huán)92、94上支撐的一個長方形板90的特定的板組件。支撐板中各段的方案意味著必須能調(diào)節(jié)成各種板間隔，以實現(xiàn)上述的梯度均勻性。因此，在板之間將存在潛在的空氣間隙96。這種情況如圖9(b)所示。
因為對于指定的頻率存在關(guān)系λ=v/f，所以波長λ正比于聲速。因此，對于低的空氣中的聲速，波長是短的，一般情況下為11.4厘米。這就是說，存在從不同的板發(fā)出聲波沿聲的傳播軸產(chǎn)生建設(shè)性的或破壞性的干涉的可能性。有兩種方案是可行的。第一種方案是適當(dāng)?shù)亩ㄎ话逯懈鞫我韵诓僮黝l率的聲波。對于這種結(jié)構(gòu)，我們假定，在線圈組件中產(chǎn)生的聲波穿過空氣并且穿過其它的板中各段傳播，因此，在任何有關(guān)干涉的計算，不僅需要包括空氣中的聲速，而且包括在板的疊層中的傳播聲速。
一種可替換實施例是用具有高的聲波衰減能力的橡膠狀的材料填充空氣間隙，其目的在于在內(nèi)部吸收大部分在板之間的內(nèi)部聲波傳播。諸如聚苯乙烯之類的較硬的和較少的吸收材料具有約1千米/秒的聲波傳播速度，并且在3千赫將得到33厘米的波長，但衰減較少。在一般情況下，用某些固體材料填充空氣間隙似乎較好，這種材料還有助于將板中各段表面的反射減至最小。到達梯度線圈組件的端表面的聲波和同時來源于梯度線圈組件內(nèi)的不同深度的聲波共同作用導(dǎo)致產(chǎn)生破壞性的干涉，于是，可以將其加到在各個板中實現(xiàn)的總衰減上。對于較高的頻率這種情況得以改善，但在較低頻率由于干涉產(chǎn)生的反向軸向衰減將要減小，因而，當(dāng)組合的板中的段和間隔結(jié)構(gòu)中的波長等于線圈長度的一半時，實質(zhì)上不存在破壞性干涉。從每個板中的段輸出的聲波，對于均勻隔開的板來說，以非破壞性干涉方式疊加，增加了沿軸向方向輸出的噪聲，這個噪聲約為單板輸出的N倍，其中N是在每半個梯度線圈組件內(nèi)的板中的段數(shù)。
正弦函數(shù)的寬度控制早些時候我們已經(jīng)說過，正弦函數(shù)的寬度和聲波在前、后穿過板時遭遇反射的次數(shù)相關(guān)。當(dāng)N,M=1時，產(chǎn)生最寬的正弦函數(shù)。這意味著沒有反射。為了實現(xiàn)這種情況，必須在聲波首次通過時完全吸收聲波。如果可能作到這一點，則可以看出，對于與相當(dāng)小的k值對應(yīng)的很大的但有限的v值來說，對于立體角接近2π弧度的雙板組件，可以在一個極大的程度上實現(xiàn)消除聲波。這種說法的基礎(chǔ)是我們使用方程(12)和值k=6的計算，值k又是基于使用編織的玻璃纖維織物填充的環(huán)氧樹脂得到的。然而，從我們較早的評論可以看出，由于板使用編織的碳纖維織物加強的塑料，可以使k值較小。應(yīng)該強調(diào)的是，這個結(jié)果是基于如下的假設(shè)固體中的聲波在邊緣處不經(jīng)受反射。現(xiàn)在我們著手討論實現(xiàn)這結(jié)果的方案。
內(nèi)部反射的減小有幾種方案可以實現(xiàn)幾乎沒有或根本沒有內(nèi)部反射的板結(jié)構(gòu)設(shè)計。最簡單的也是最直觀的方案是由填充有合適的高彈性體的塑料樹脂制作所說的板。加入高彈性體的目的是為了吸收聲能，并且如果聲波幅度在第一次通過時就降到零，則不存在任何反射。表達式方程(12-14)如所給出的不包括波的吸收項，但也可以以簡單的方式包括這些吸收項，并且，增加能量損耗的機構(gòu)的結(jié)果是來源于各個板部件的聲波的相位產(chǎn)生了嚴重的變化，因此，波的消除變得很困難。因此，我們要尋求一個變通的方案，既減小了內(nèi)部反射，又不使用板中的損耗的機構(gòu)。
為此，要對于板的邊緣進行整形或倒棱處理，并且迫使倒棱內(nèi)的波經(jīng)過多次內(nèi)部反射，從而在板的邊緣實際上完全吸收這個聲波。在圖10中表示出這個過程。我們表示出兩種可能性，圖10(a)表示的是單倒棱，圖10(b)雙倒棱邊緣。對于單倒棱或尖端邊緣100，我們表示出，倒棱角ε與垂直反射前的內(nèi)部反射次數(shù)n有關(guān)，由下式給出nε=90°[15]對于一個雙倒棱邊緣102，如圖10(b)所示，內(nèi)部反射到垂直方向的次數(shù)較少，并且由下式給出 為了有效防止內(nèi)部反射穿過所說的板，n≥5似乎是必要的，對于尖端邊緣，這給出18度的倒棱角。雙倒棱的形狀變形是圖10c的喇叭口形式104和圖10(d)的尖端頂形式106。為了改善在一個楔形物或其它形式邊緣內(nèi)每次反射的聲波吸收，可以向如圖11(a)所示的方塊110形式的或如圖110(b)所示的薄片112形式的一個或兩個錐形表面上添加吸聲材料。
聲匹配限制或避免內(nèi)部反射的另一種方案是在板的邊緣進行聲匹配。對于平直的未進行倒棱的邊緣，固體的空氣界面沒有實現(xiàn)聲的匹配。聲匹配的條件是穿過界面的能量通量是一個常數(shù)。如果用另一種固體代替空氣，則聲匹配的條件是a1ρ1A12V1=a2ρ2A22V2。其中，at.ρt.At.Vt分別是第t種介質(zhì)橫截面積、密度、波幅度、和波速度。因此這個方程意味著，為了維持穿過界面的通量密度從高速到低速不變，必須增加在低速介質(zhì)中的聲幅度和/或密度。聲阻抗Z=ρv。我們還注意到，在兩種介質(zhì)之間的界面上的反射系數(shù)Γ=(Z1-Z2)/(Z1+Z2)，因此，對于Γ=0，Z1=Z2。因此，當(dāng)兩種材料是阻抗匹配時，將較硬的材料形成錐度，使之與較密的低速材料平接，就可以實現(xiàn)聲匹配。因為已經(jīng)實現(xiàn)了聲匹配，所以必然能夠完全吸收致密材料中的能量。為此，既要使尖端形成錐度，又要在較低速度的材料中實現(xiàn)大的聲衰減。用于高速介質(zhì)的合適的材料可以是疊置的玻璃纖維或碳纖維編織的用環(huán)氧樹脂浸漬的織物。低速介質(zhì)可以是鉛合金或鉛錫銻合金。
聲吸收的另一種方案是讓截獲在低速介質(zhì)122中的聲波輻射進入聲腔120中，如圖12所示。
在圖13中表示出幾個錐形結(jié)構(gòu)和腔室。圖13(a)所示的雙錐形結(jié)構(gòu)提供一個棱柱形腔130。在這種結(jié)構(gòu)中，有可能實現(xiàn)多達12次入射聲波的反射。雙錐形結(jié)構(gòu)可防止某些輸入的輻射直接進入腔內(nèi)。在圖13(b)中表示一個半圓形腔132，還有一個雙錐形部分。所示的內(nèi)部反射次數(shù)類似于上述圖13(a)。
上述這種腔結(jié)構(gòu)的困難之一是它們延伸板的寬度只有幾個厘米。一般來說，這不是一個期望值，但可以實現(xiàn)的衰減卻是極高的。對于腔的結(jié)構(gòu)和以及對于單尖端邊緣的結(jié)構(gòu)這兩者的替換是使用如圖14(a)所示的多尖端邊緣或鋸齒邊緣140。這里，在不擴大板寬度太多的情況下也可以實現(xiàn)期望的錐度角。實現(xiàn)鋸齒的方案是加工一個固體塊，或者按另一種方式，制作一個疊層的片結(jié)構(gòu)，其中，在裝配之前在片上加工出各個尖端的錐。
可以使用帶有鋸齒的邊緣以有助于互鎖式結(jié)構(gòu)，如圖14(b)中對于重新進入的內(nèi)部回路所示的。其中沒有表示出來外部電流回路?；ユi式結(jié)構(gòu)使內(nèi)部回路寬度能明顯減小。
在圖15中表示的是圖11的簡單方案的擴展。這里，高速板10材料的帶錐度的邊緣配對裝入還容有有效的導(dǎo)線152的低速材料的第二邊緣狀條頭套150(陰影部分)的V形槽內(nèi)。從主板進入狀條頭套150的聲波在其內(nèi)部得以反射和衰減，圖15(a)。通過使?fàn)顥l頭套的頂角154、156轉(zhuǎn)變角度，可以改善這個內(nèi)部反射過程，圖15(b)。為了進一步改善內(nèi)部反射和衰減效率，可以將狀條頭套的邊緣作成鋸齒形158，如圖15c所示。
板的外形加工在導(dǎo)出的方程(11)或(12)中，假定板的厚度2τ是常數(shù)。然而，如果外形加工的板的厚度τ(x)是距離的函數(shù)，從而有τ(x)sinkx=h[17]其中h是常數(shù)，則對于一個特定的k值，有τ(x)=hsinkx--[18]]]>在這種情況下可以看出，在方程(11)或(12)中的k有效地消除了，所有的激發(fā)角全都是零。這就立即將ASAP降為零。在圖16中表示出一個外形加工的板的橫斷面160。
實際的梯度線圈結(jié)構(gòu)如果在支撐介質(zhì)中聲速約為2.5千米/秒或更高，并且如果所有的內(nèi)部反射全被上述措施抑制，則有可能提出一系列實用的線圈結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括組合的板結(jié)構(gòu)，其中包括長方形板、圓形板、和扇形板，所有這些全可組裝成有3個軸(x、y、z)的梯度線圈組件。在我們的現(xiàn)有技術(shù)中(在MRI的靜聲梯度線圈設(shè)計中的有效聲控，P.Mansfield，英國專利申請，95068298.2，優(yōu)先權(quán)日1995年4月1日，PCT WO96/31785，
公開日1996年10月10日；在梯度線圈中聲音輸出的有效控制，P.Mansfield，英國專利申請，9620138.9，優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日，PCTWO98/13821，
公開日1998年4月2日)，給出了使用長方形的、圓形的、或弧形結(jié)構(gòu)板中各段的梯度線圈的實例。
這種類型的梯度set包含疊裝到一完整的梯度set中的上述板，通常產(chǎn)生相對短的梯度線圈，以及這種結(jié)構(gòu)設(shè)計常用于制造頭部梯度線圈。為了利用聲控線圈整體成像，由于空間包含在例如1.0米孔徑磁鐵中，最好，考慮圓柱形的扇型分布式線圈結(jié)構(gòu)。
圓柱形分布式線圈圓柱形分布式線圈在一般情況下將包括平均半徑為a的用于支撐初級線圈x、y、z的一個內(nèi)部圓柱體和平均半徑為c用于支撐3個磁屏蔽線圈的外部圓柱體172。插在這些磁線圈之間的是兩組聲屏蔽線圈，每組聲屏蔽線圈有3個聲屏蔽線圈，它們分別由平均半徑為b和b′的內(nèi)和外圓柱體支撐。這種結(jié)構(gòu)示意地畫在圖17(a)中。為了根據(jù)這個聲控原理受益，必須確保在固體支撐介質(zhì)中產(chǎn)生的圓柱形波完全被吸收在圓柱體表面。這就是說，必須在所有的表面上加工出如圖17(b)所示的沿圓柱體的軸延伸的各組鋸齒形槽、凹槽、滾花、或翅片174。外半徑為b、聲傳播速度為v1的內(nèi)圓柱體也有鋸齒形槽或翅片176，鋸齒形槽或翅片176與在聲傳播速度為v2外圓柱體的內(nèi)表面上的類似的一組鋸齒形槽178嚙合但不接觸。內(nèi)和外圓柱體170、172不得輕易振動，這將要求兩個圓柱體之間有某種相當(dāng)輕微的耦合支撐。合適的材料可能是軟橡膠，這種軟橡膠可粘結(jié)在關(guān)鍵點的兩個翅片之間的間隙中。在兩個圓柱體的之間的大部分間隙將留空?？稍谀Ｗ⒑髮⑦@些翅片加工成圓柱體表面，或者按另一種方式，在圓柱體放在一個形狀合適的模具內(nèi)的條件下模注這些翅片。另一個可替換的方案是將翅片粘結(jié)到平滑的圓柱表面上。
在圖17(c)中表示出的一種可替換的結(jié)構(gòu)是翅片171沿切線方向延伸到圓周表面，在所有的圓周表面形成一個螺旋狀結(jié)構(gòu)。
在圖17(d)和17(e)表示出適合于上述(a)、(b)兩種結(jié)構(gòu)的兩種翅片形狀。凹槽的角度和深度由方程(15)和(16)控制。
冷卻在所有的實際梯度線圈結(jié)構(gòu)中，如果使用極大的電流，則可能必須冷卻繞組。由于聲控原理的精確性和精密性，如果使用分段疊置的板的方案，則對于所有的繞組都使用相當(dāng)小直徑的銅導(dǎo)線。對于圓柱形分布的梯度線圈設(shè)計，實現(xiàn)繞組的最好方案是在相關(guān)厚度的銅的連續(xù)薄片上蝕刻、沖印、沖壓出導(dǎo)線的路徑。對于3個軸的銅片必須適當(dāng)?shù)厥顾鼈兿嗷ソ^緣。再有，銅片要相當(dāng)?shù)乇?，以便在聲學(xué)設(shè)計中調(diào)節(jié)關(guān)鍵尺寸。因此，在一般情況下，這將要求某種流體冷卻管為圓柱形盤管和疊置的板狀盤管。
最好通過使用適當(dāng)?shù)慕诲e插入梯度板之間的附加的冷卻板180來實現(xiàn)疊置的板181的冷卻，并且，其中的冷卻盤管182可以是薄的銅管，銅管的卷繞應(yīng)該與實際的載流繞組密切地一致。這種結(jié)構(gòu)示于圖18(a)中。
對于圓柱形的盤管結(jié)構(gòu)，由3個銅片導(dǎo)體組成的每一個組都可以包括兩層冷卻。在一種結(jié)構(gòu)中，冷卻管184可以是沿圓柱體的軸線前后延伸的銅管，如圖18(b)所示。因為有4組銅片，每一組銅片有3個沖壓的銅片，所以必須有4個冷卻盤管結(jié)構(gòu)。
一種可替換的結(jié)構(gòu)是有螺旋式走向但在梯度繞組之間的銅管186，圖18(c)。
定位的換能器雖然上述的有關(guān)消除聲波的構(gòu)思已經(jīng)證實是可行的，但正如我們已經(jīng)說過的，效率的大小取決于k的值。進而，實際的消除過程是在介質(zhì)k′下發(fā)生的。當(dāng)這個介質(zhì)是空氣時，這由于通過空氣的傳輸過程可能出現(xiàn)問題，并且由于存在定位的物體、反射、等可能出現(xiàn)擾動。
我們現(xiàn)在研究在包括梯度支撐系統(tǒng)在內(nèi)的固體內(nèi)真正聲消除的可能性。為了實現(xiàn)這一點，我們的理想要求是另有一種波，這種波和想要消除的波相比具有相同的幅度和相同的行進方向，但具有不同的相位。一種方案可以是包括第二根導(dǎo)線，第二根導(dǎo)線靠近第一根導(dǎo)線，但具有和第一根導(dǎo)線大小相等的并且方向相反的電流流動。這的確可能抵消想要消除的波，但所付出的代價可能只是梯度線圈中的零梯度強度。然而，晚些時候我們再回到這種結(jié)構(gòu)。因此，我們不是討論引入一根導(dǎo)線，而是研究在導(dǎo)線的附近設(shè)置換能器(trasducer)(一個或多個)的可能性，其目的在于使換能器在固體中產(chǎn)生必要的消除波。
在我們的現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)描述了結(jié)合梯度線圈設(shè)計使用壓電換能器。然而，在這項工作中，壓電換能器主要用來代替中心設(shè)置的重新進入的內(nèi)部回路結(jié)構(gòu)，用于梯度線圈的聲消除。但正如以上所述，這種結(jié)構(gòu)在梯度線圈組件的固體結(jié)構(gòu)中事實上沒有產(chǎn)生聲波消除效果。
在下面，我們具體涉及在固體中聲波消除的情況。在一個梯度線圈組件中靠近梯度產(chǎn)生導(dǎo)線適當(dāng)?shù)卦O(shè)置壓電換能器，從原理上看，有可能產(chǎn)生足夠大強度的聲波以消除在固體中的波。如果這種情況發(fā)生，梯度線圈組件立即變?yōu)殪o聲的。在圖19(a)中示意地表示出我們現(xiàn)在正在考慮的這個原理。在這種結(jié)構(gòu)中，我們有兩個初級導(dǎo)線190，它們形成初級回路傳輸電流I1的一部分。橫向返回導(dǎo)線192設(shè)置在板后方的一個單獨的抗振固定件194、195上，圖19(b)。初級導(dǎo)線置入在板中，在板的中央開有縫隙，并且在所有的內(nèi)和外縱向邊緣都倒成斜角。略微離開初級導(dǎo)線機加工開出一些縫隙，這些縫隙相互平行地延伸，以容納換能器196、198。使用環(huán)氧樹脂置入這些換能器。
在圖20(a)中表示出一種適宜的壓電換能器器件196、198，包括兩個導(dǎo)體板1961、1962，一個中央浮動的導(dǎo)體1965，和兩個壓電材料板1963、1964。
雖然我們上面已經(jīng)提到壓電器件196、198，如圖20的剖面圖所示，但使用也完全是可能的，并且甚至可能更好；所說的磁電流換能器包括兩個薄的銅導(dǎo)體條200、202，在它們的中間夾持一個可彎曲的墊片204。這種換能器由于以下的事實可能是優(yōu)選的a)構(gòu)造簡單，和b)在整個線圈系統(tǒng)連續(xù)分布，而壓電器件必須放在線圈組件內(nèi)的特定的關(guān)鍵點。顯然，在圖20(b)端視圖中表示的磁電流換能器在原理上可以產(chǎn)生振動，這些振動有可能消除按以上所述產(chǎn)生的聲波，然而，如果我們考察從單根導(dǎo)線產(chǎn)生的聲波，并且然后考察從一個磁換能器產(chǎn)生的聲波，則我們可以看到，在置入在固體中的單根導(dǎo)線的情況下，所產(chǎn)生的前后方向的聲波連續(xù)地通過導(dǎo)線所在位置的原始點。這就是說，向前傳播的波總是伴隨有向后方向傳播的幅度為負的波。和磁電流換能器相比，這實際上是一個磁偶極子。在這種情況下，從換能器產(chǎn)生的前向和后向的波兩者全是正值。因此，靠近單根導(dǎo)線放置圖20(b)所示的這種類型的磁換能器，在向前的方向或在向后的方向都將產(chǎn)生抵消作用，但是不是在同一時間。盡管如此，如果發(fā)生向前傳輸?shù)目臻g大于向后傳輸?shù)目臻g，這還可能剩有某些值?？赡苡邢拗葡蚝蟮牟ㄊ怪摧^高的幅值進入支撐結(jié)構(gòu)的有限體積內(nèi)的效果，在支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)聲波在沒有產(chǎn)生過大噪聲的情況下就消散掉。
這種方案的另一個實施例可以是按這樣一種方式使用兩個磁電流換能器，即它們的前和后表面?zhèn)鬏斚嗤碾娏?。在圖20(c)的端視圖中表示出這樣一種結(jié)構(gòu)，并且清楚地表示出背靠背的磁偶極子結(jié)構(gòu)。如果單根導(dǎo)線中的電流具有與換能器的前和后位置的電流相同的相位，由單根導(dǎo)線和雙換能器這兩者在固體中傳送類似的向前和向后的聲波。在這種情況下，在固體內(nèi)完全抵消聲波似乎是可能的。
雙磁電流換能器的壓電等效物是簡單地利用一個雙極性器件或雙壓電晶片器件，它包括兩個背靠背的壓電陶瓷器件，在兩個內(nèi)表面之間有一種導(dǎo)體材料。外表面應(yīng)該包括導(dǎo)電表面，并且與包括梯度線圈支撐在內(nèi)的固體材料牢固接觸。早些時候參照圖20(a)提出的壓電器件就是這種雙極性器件。
現(xiàn)在我們回到使用一對次級導(dǎo)線，這對次級導(dǎo)線極其靠近單個長方形導(dǎo)線回路的梯度產(chǎn)生初級導(dǎo)線，例如圖21(a)所示的結(jié)構(gòu)。初級導(dǎo)線PQ和P′Q′置入入板內(nèi)，為電流I1提供一個固有的返回路徑。I1的橫向?qū)w路徑在板的后方延伸，單獨地支撐在一個抗振支架212上，圖21(b)。次級導(dǎo)線AB和A′B′也置入在板中，每一個次級導(dǎo)線都有電流I2eiφ的返回路徑，將這個返回路徑取為一種在很大程度上沒有得到支撐的導(dǎo)體的形式，這些導(dǎo)體通過抗振支撐桿或柱210的形式隔開所說的板，(見圖21(b))，這樣就將與板的耦合減至最小。這后一點是通過使用抗振固定件形式的適宜部件實現(xiàn)的。圖21(c)表示和圖21(b)類似的一種結(jié)構(gòu)，但導(dǎo)體PQ和AB以及導(dǎo)體P′Q′和A′B′由同軸的導(dǎo)體對214、216代替。
如果次級導(dǎo)線的電流返回路徑接近所說的板，由I2eiφ產(chǎn)生的磁場將在梯度線圈組件的中心抵消。
考慮板的1/2，圖21。在固體內(nèi)部，從導(dǎo)體PQ發(fā)出一個從左到右行進的平面波，這個平面波由下式給出A1=A10ei(kx+ωt). [19]類似地，從導(dǎo)體AB發(fā)出一個波，它具有由下式給出的幅度和相位A2=A20ei(k(x+Δx)+φ+ωt). [20]因此，在固體內(nèi)總的波幅度Atot是Atot={A10+A20ei(kΔx+φ)}ei(kx+ωt)[21]其中Δx是兩根導(dǎo)線之間的距離。波的幅度A10和A20正比于電流的幅度I1和I2，因此可以用實驗方案得到。如果A10=A20，則在總相位kΔx+φ=2π的條件下可使Atot消失。在這些條件下，這個板應(yīng)該是寧靜的。
在聲控方面的進一步改進在大多數(shù)平板設(shè)計中，都是將板的兩半相互固定到頂部和底部以維持它們的整體性。在這種結(jié)構(gòu)的一種改進中，板的每一半是自由的，因此可以按自由振子方式振動。通過在一對板的后邊的頂部和底部的支撐條來維持一對板的整體性。支撐條以粘結(jié)墊的形式通過一個抗振固定件輕輕地附著到每個板上。
疊層板如果板的聲輸出和k無關(guān)，則可能改進消聲效率。圖22表示出板的一個剖面圖，所說的板包括3個或多個疊層，這些疊層形成一個復(fù)合物。每個疊層是從多層編織織物加強的塑料復(fù)合物形成的，所說的復(fù)合物具有不同的波傳播常數(shù)，即，k1k2k3…kn，其中kn=nk。對于n為奇數(shù)，可以看出，聲輸出包括描述總的板結(jié)構(gòu)變形的傅里葉分量。通過選擇k值有可能改變總的板變形形狀，使其變?yōu)榘遄鴺?biāo)x的任何期望的函數(shù)。驅(qū)動板系統(tǒng)的電流可以是一個正弦函數(shù)或是一個余弦函數(shù)。兩種簡單的板變形是當(dāng)各傅里葉分量的和產(chǎn)生隨距離x的變化而變化的一個均勻的板表面的位移，或一個板表面的線性斜坡位移。在這種情況下，板外形的傅里葉變換或者給出一個正弦函數(shù)，或者給出一個微分的正弦函數(shù)，二者都和k無關(guān)。
各向異性材料我們從方程(3)注意到，聲輸出取決于泊松比σ。如果σ是零，顯然沒有任何輸出。在大多數(shù)材料中，σ不是零，并且有一類材料，它的σ可以是負的并且可以是正的。因此，可能存在其中負和正值共存的組合，從而可以使總的泊松比為零。這些材料就是多孔固體。通常在多孔固體中，σ是高度各向異性的。
考慮在多孔固體中的3個軸x、y、z的情況。在這樣一種固體中，可能有各種泊松比，即σxy、σyx、；σxz、σzx；σyz、σzy，其中σij=εi/εj，當(dāng)沿i軸施加應(yīng)力時，εi、εj是分別沿i和j軸的應(yīng)變。對于包括多個細管的多孔固體，其中的管軸是z，我們希望σxy≈σyx=σ；σxz=σyz=0，σzx=σzy=1。
天然的多孔固體是木材。在這種材料中，多個近似的管沿樹干軸方向A延伸。相對于樹干軸的徑向和切向方向分別記為R和T。對于許多種類型的木材，σRA≈σTA≈0。在理論上，σAR≈σAT=σ，并且σTR=σRT=1。在實踐中，對于木材來說，σRT=0.75、σTR≈0.35、σAR≈0.45、σAT≈0.5。這就意味著，如果我們的梯度板是由木材制成的，從而使在木紋的軸向加上洛倫茲力，則σRA或σTA基本上是零。在這種情況下，方程(3)規(guī)定極大地減小了聲輸出幅度。在不加聲控的情況下，如果σRA減小10倍，則噪聲減小20分貝。使用聲控原理可實現(xiàn)噪聲的進一步減小。在我們的實例中，我們考慮的是木材。當(dāng)然，還可以使用制造的多孔固體取而代之，并且有可能更好地逼近期望的σ=0。
制造的多孔材料可能有負的σ值。因此我們建議使用組合的多孔材料，它既包括正的σ值又包括負的σ值，從而使總的σ=0。圖23表示出4種管的橫斷面，圖23(a)和(c)具有正的σ，圖23(b)和(d)具有負的σ。包括具有這些橫斷面的管的交替層的蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有接近于零的總σ值，其中的每個層對具有一個正的σ和一個負的σ。箭頭(±F)代表產(chǎn)生應(yīng)變的力，εx、εy，代表沿y軸的對應(yīng)應(yīng)變。
以上所述是展示各向異性(在這種情況下是泊松比的各向異性)的材料的特定實例。這種各向異性還能產(chǎn)生沿兩個或多個軸具有不同聲速的材料。聲速的各向異性在設(shè)計聲控板中可能是一個有用的特征。可以對于這些板進行配置，使其沿一個軸有高的速度，沿垂直于這個軸的另一個軸有低得多的速度。借助于這種材料，可以使一個板例如沿長軸方向憑借它的低速發(fā)生共振，但沿著高聲速的短軸可使聲激發(fā)最小。
先前我們已經(jīng)提到，組合材料包括多層編織玻璃纖維和編織碳纖維的塑料組合疊層，當(dāng)然，這種材料沿兩個軸x和y是各向同性的，但沿垂直于層的方向大體上是各向異性的。如果要求在x-y平面是各向異性的，則可能編織出新型材料，其中經(jīng)線纖維和緯線纖維是不同的材料，例如，玻璃纖維作經(jīng)線導(dǎo)線，碳纖維作緯線導(dǎo)線。這種材料在x-y平面展示出極大的各向異性，從而有可能設(shè)計出沿x和y軸具有不同的聲波傳播速度的聲板。
總括泊松比的各向異性效果，我們期望的σTA=σRA=0的情況是擠壓塑料形式的管束、木材、和泡沫復(fù)合物。如果我們使用擠壓塑料情況的組合擠壓形式，則還有可能得到至少一個另外的分量σRT=0。如果考慮板的本身，則重要的設(shè)計參數(shù)是輻射因子fT=√(E/ρ3)。替換聲速，可以有ft=V/ρ。這將給出建議對于最小值ft=和指定的聲速v，則應(yīng)該考察ρ。
權(quán)利要求
1．一種用于磁共振成像系統(tǒng)的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，所說的線圈包括一個或多個導(dǎo)體，它們置入一個傳聲材料板中，所說的板有一個或多個邊緣表面，其特征在于，所說板至少一個邊緣表面是倒棱的。
2．如權(quán)利要求1所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，傳聲材料是各向異性的，它沿一個軸是高速的，沿正交軸是低速的。
3．如權(quán)利要求2所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，傳聲材料是多孔的。
4．如前述權(quán)利要求1-3中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的板包括一個多層的塑料復(fù)合物結(jié)構(gòu)。
5．如權(quán)利要求4所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，多層的塑料復(fù)合物結(jié)構(gòu)的所有層都是編織的玻璃纖維織物加固的塑料。
6．如權(quán)利要求4所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，多層的塑料復(fù)合物結(jié)構(gòu)的所有層都是編織的碳纖維織物加固的塑料。
7．如權(quán)利要求4所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，經(jīng)導(dǎo)線和緯導(dǎo)線是具有不同波傳播常數(shù)的不同的材料。
8．如權(quán)利要求7所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，經(jīng)導(dǎo)線材料是玻璃纖維，緯導(dǎo)線材料是碳纖維。
9．如前述權(quán)利要求5-8中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，多個層形成一個疊層，板是由一組疊層形成的，每個疊層都具有不同的波傳播常數(shù)k。
10．如前述權(quán)利要求1-9中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的倒棱包括單尖端邊緣倒棱。
11．如前述權(quán)利要求1-9中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的倒棱包括雙尖端邊緣倒棱。
12．如前述權(quán)利要求1-9中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的倒棱包括喇叭口形倒棱。
13．如前述權(quán)利要求1-9中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的倒棱包括尖端頂形倒棱。
14．如權(quán)利要求10所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，確定倒棱角ε，以使所說板內(nèi)的聲波在垂直內(nèi)部反射之前已反射n次，服從表達式nε=90°。
15．如權(quán)利要求3所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，確定雙倒棱的倒棱角ε，以使所說板內(nèi)的聲波在垂直內(nèi)部反射之前已內(nèi)部反射n次，服從表達式(n+1)ε/2=90°。
16．如權(quán)利要求14或15所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，n大于5。
17．如前述權(quán)利要求1-16中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，將一個或多個吸聲材料塊加到一個或多個所說倒棱邊緣上。
18．如前述權(quán)利要求1-17中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的板包括第一相對低密度材料，第一相對低密度材料在外部邊緣結(jié)合到第二相對高密度材料，第二相對高密度材料加工形成一個聲腔，所說的聲腔包括多個倒棱的表面。
19．如權(quán)利要求18所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的聲腔包括大體上圓形橫斷面的腔，是從所說的高密度材材形成的。
20．如權(quán)利要求11所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，對所說的雙倒棱的窄端進行改進，以形成一個棱柱形腔，所說的棱柱形腔與所說的倒棱結(jié)合起來提供多個聲反射表面。
21．如權(quán)利要求11所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，對所說的雙倒棱的窄端進行改進，以形成一個半圓形腔，所說的半圓形腔與所說的倒棱結(jié)合起來提供多個聲反射表面。
22.如前述權(quán)利要求1-21中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括多個倒棱，從而可以形成第一多尖端形狀的結(jié)構(gòu)。
23．如權(quán)利要求22所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括另一個板，所說的另一個板包括第二多個倒棱，從而可以形成第二多尖端形狀的結(jié)構(gòu)，所說的另一個邊的位置靠近所說的板，從而使第一和第二多尖端形的結(jié)構(gòu)相互鎖緊。
24．如權(quán)利要求23所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，至少一個所說電導(dǎo)體置入在一個狀條頭套中，所說的狀條頭套附著到所說的傳聲材料板中的所說倒棱部分上，形成所說狀條頭套的材料具有比所說的板材料低的聲速。
25．如權(quán)利要求24所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說狀條頭套設(shè)有一個或多個倒棱的邊緣。
26.如前述權(quán)利要求中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，對于所說的線圈進行冷卻。
27．前述權(quán)利要求1-26中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說的線圈是梯度線圈。
28．如前述權(quán)利要求1-27中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，線圈結(jié)構(gòu)是從一個圓柱形的支撐材料上形成的，其表面帶有沿圓柱體軸延伸的多組鋸齒、凹槽、或切口。
29．如前述權(quán)利要求1-27中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，線圈結(jié)構(gòu)是從一個圓柱形的支撐材料上形成的，其表面帶有沿所說表面的圓周方向延伸的多組鋸齒、凹槽、或切口。
30．如前述權(quán)利要求1-29中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，板安裝在一個抗振固定件上。
31．如權(quán)利要求1所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，所說板包括由多孔材料組成的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，具有正的和負的泊松比σ的值，從而使總的泊松比σ基本為0。
32．如權(quán)利要求31所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，正的和負值的材料包括六邊形的和反六邊形的管狀結(jié)構(gòu)。
33．如權(quán)利要求1-32中任何一個所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，一個或多個導(dǎo)體包括用于產(chǎn)生磁場的一個第一載流導(dǎo)體和用于消除聲波的一個第二載流導(dǎo)體。
34．如權(quán)利要求33所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，兩個導(dǎo)體都置入在板中，而且二者略微間隔開一點并且相互平行。
35．如權(quán)利要求33所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，兩個導(dǎo)體都置入在板中，而且同軸地略微間隔開。
36．如權(quán)利要求34或35所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，第二導(dǎo)體的返回路徑位于板的外側(cè)，并且安裝在一個抗振板上。
37．一種用于磁共振成像系統(tǒng)的一種靜聲線圈結(jié)構(gòu)，所說的線圈包括置入板材料中的一個或多個導(dǎo)體，所說的板包括多孔材料的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu)，這種材料有正的和負的泊松比σ，因此總的泊松比σ基本上是0。
38．如權(quán)利要求37所述的靜聲線圈結(jié)構(gòu)，其特征在于，正和負值的材料包括六邊形的或圓形的和反六邊形的或反圓形的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種用于磁共振成像系統(tǒng)的靜聲梯度線圈結(jié)構(gòu),所說的線圈結(jié)構(gòu)包括一個或多個導(dǎo)體,它們置入一個傳聲材料板中,所說的板有一個或多個邊緣表面,其特征在于;所說板至少一個邊緣表面(100、102、104、106)是倒棱的。所說的板包括多孔材料的復(fù)合多孔結(jié)構(gòu),這種材料有正的和負的泊松比σ,因此總的泊松比σ基本上是0。
文檔編號G01R33/385GK1298487SQ9980543
公開日2001年6月6日 申請日期1999年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月7日
發(fā)明者彼得·曼斯菲爾德 申請人:彼得·曼斯菲爾德