專利名稱：梯度線圈聲音輸出的主動(dòng)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及梯度線圈聲音輸出的主動(dòng)控制的方法和裝置，更具體地涉及用來減小梯度線圈系統(tǒng)噪聲輸出而不影響線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場的方法和裝置。
隨著在磁諧振成象(MRI)中的磁場變高(P.MansfieldP.和P.G.Morris，生物醫(yī)學(xué)中的NMR成象，AcademicPress，紐約(1982)〕，在成象過程所需要的梯度線圈由于所產(chǎn)生的聲音噪聲水平非常高而變得更為難以接受，這一問題的提出是因?yàn)楫a(chǎn)生梯度需要導(dǎo)線中流過的大電流與所出現(xiàn)的大靜態(tài)磁場相互作用，產(chǎn)生很大的勞倫斯力。
已經(jīng)作了各種努力，通過阻尼或者企圖消除空氣中噪聲強(qiáng)度來改進(jìn)噪聲問題。這種途徑象是改善問題的癥狀而不是究其原因。最近提倡一種新方法，它平衡線圈系統(tǒng)內(nèi)的全部勞倫斯力(P.Mansfield，B.Chapman，P.Glover和R.Bowtell，國際專利申請編號PCT/GB94/01187，優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)為9311321.5，6月2日(1993)，P.Mansfield，P.Glover和R.Bowtell，主動(dòng)聲音屏蔽MRI中無噪聲梯度線圈的設(shè)計(jì)原理，Meas.Sci.Technol.5，1021-1025(1994)，和P.Mansfield，B.L.W.Chapman，R.Bowtell，P.Glover，R.Coxon和P.R.Harvey，主動(dòng)聲音屏蔽利用勞倫斯力平衡減少梯度線圈中的噪聲Magn.Reson.Med.33，276-281(1995))。原則上問題應(yīng)當(dāng)完全解決。如果連接平衡導(dǎo)線的力的支持材料具有無限高的壓縮波速，便是這種情況。然而，從這個(gè)觀點(diǎn)來看，全部材料是可以壓縮的，對于大多數(shù)可以利用的塑性材料，聲波速度在1-3Kms-1范圍內(nèi)。實(shí)際上，它意味著當(dāng)頻率升高時(shí)，結(jié)構(gòu)可能達(dá)到諧振狀態(tài)，當(dāng)然也可根據(jù)支持材料的尺寸。但是，即使在出現(xiàn)這種情況以前，已經(jīng)顯示出支持材料中的畸變造成聲波發(fā)射到空氣中(P.Mansfield，P.M.Glover和J.Beaumount，MRI梯度線圈結(jié)構(gòu)中聲音的產(chǎn)生，Magn.Reson.Med.(將要提交))。對于一塊平板，可以看出空氣中的聲波產(chǎn)生聲音衍射圖形。當(dāng)勞倫斯力平衡的導(dǎo)線和任何材料耦合時(shí)，聲音輸出取決于頻率，除非采用附加的防范來吸收在衍射側(cè)波瓣中的聲音能量，否則聲音通常很大，因而，這一方法的價(jià)值看來是有限的。在最近的PCT申請No.GB96100734中，采用了不同的方法，其中，增加附加導(dǎo)線環(huán)作為線圈結(jié)構(gòu)的整體部分，試圖抵消在固體結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的聲波。這一方法利用了附加導(dǎo)線環(huán)產(chǎn)生的勞倫斯力。正確地調(diào)整勞倫斯力的相位和幅值，這一方法便產(chǎn)生了所希望的聲音噪聲消除。這種方法的小缺點(diǎn)是附加導(dǎo)線環(huán)自身會(huì)在梯度線圈中心產(chǎn)生不希望的磁場，對于磁屏蔽線圈來說，附加導(dǎo)線環(huán)也會(huì)產(chǎn)生不希望的寄生磁場，它在某種程度上會(huì)損壞磁場屏蔽。
在本發(fā)明所敘述的新方法中，以上提到的附加導(dǎo)線環(huán)由壓電型或者一些其他類型的自保持傳感器代替，它們不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的寄生磁場。
無噪聲梯度線圈的值將在MRI應(yīng)用范圍內(nèi)，這里，研究對象的耳塞或者耳保護(hù)器均是不希望的或者不實(shí)用的。此類情況存在于孕婦胎兒掃描，各種非常年幼的兒科成象和各種各樣的應(yīng)用中。廣泛的應(yīng)用存在于各種正常的患者掃描，其中，即使帶了耳塞，噪聲水平也會(huì)侵入并存在著潛在的危險(xiǎn)。無噪聲梯度在腦基本成象研究中有特別的應(yīng)用。對聲音皮質(zhì)(acoustic cortices)和它們對特別剪輯的聲學(xué)輸入的響應(yīng)的研究相當(dāng)有興趣，此類響應(yīng)除非被明顯衰減，否則可以被侵入的梯度噪聲輸入完全壓倒。
本發(fā)明提供了一種對安裝在聲學(xué)材料塊中的線圈系統(tǒng)的主動(dòng)聲音屏蔽的裝置，它包括安裝在所述材料塊中的主動(dòng)機(jī)電傳感器以及用于激勵(lì)機(jī)電傳感器，以對抗激勵(lì)時(shí)所述線圈產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲的部件。
本發(fā)明還提供一種主動(dòng)聲控磁線圈系統(tǒng)，它包括至少一個(gè)形成環(huán)狀的載流導(dǎo)體，提供向外和返回通道，安裝在具有預(yù)先確定的聲音傳輸特性的材料制成的支持塊中，所述支持塊包括由氣隙隔開的第一和第二部分，所述向外和返回通道分別安裝在所述第一和第二部分，進(jìn)一步還包括安裝在所述氣隙中的至少一個(gè)主動(dòng)傳感器，并包括將預(yù)先確定的交流電流供給所述導(dǎo)體的部件和用相對于所述交流電流的選定激勵(lì)和選定相位向至少一個(gè)主動(dòng)傳感器供電的激勵(lì)部件，所述選定激勵(lì)在所述的傳感器中產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所述導(dǎo)體在所述的支持塊中有效地產(chǎn)生相反振動(dòng)，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的聲音噪聲。
本發(fā)明進(jìn)一步提供聲控的磁線圈系統(tǒng)，其中，提供有多個(gè)傳感器，每一個(gè)提供有激勵(lì)，在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。
用于確定供給傳感器的選定激勵(lì)的部件最好包括話筒，它用來接受至少一個(gè)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的噪聲信號，所述話筒連接到顯示部件，它包括控制電路，向所述激勵(lì)部件提供相對的相位和幅值控制信號，以激勵(lì)傳感器，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的聲音噪聲。
主動(dòng)傳感器最好由壓電式傳感器組成。壓電材料可以是石英晶體，鈦酸鋇，鈦酸鉛鋯或者其他類似壓電材料。
主動(dòng)傳感器或者也可以由磁發(fā)電機(jī)精確裝置組成，它的尺寸小到對所需要梯度場的影響不明顯。另一種由一個(gè)封閉到橡皮塊上的細(xì)電流環(huán)組成的主動(dòng)傳感器，選擇它的尺寸，使得在運(yùn)行頻率下裝置不諧振。
在第一實(shí)施例中，支持塊的第一和第二部分可以由同樣材料組成，氣隙位置可以等距離地在向外和返回通道之間。
在第二個(gè)實(shí)施例中，支持塊的第一和第二部分可以由具有不同的聲音壓縮波速和不同的衰減常數(shù)的不同材料組成，氣隙位置可以不等距地在所述載流導(dǎo)體的向外和返回通道之間。
在第三實(shí)施例中，傳感器可以提供有匹配單元，使它能夠在氣隙的每一側(cè)產(chǎn)生不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，向外和返回通道可以包括有分立驅(qū)動(dòng)部件的分開導(dǎo)體，形成線圈系統(tǒng)包括初級線圈和所述線圈系統(tǒng)的磁屏蔽線圈，傳感器部件被激勵(lì)以產(chǎn)生線圈系統(tǒng)的聲音輸出。
在用于MRI的復(fù)雜系統(tǒng)中，線圈系統(tǒng)可以包括x，y和z的梯度線圈和用于所述x，y和z梯度線圈的屏蔽線圈，傳感器可以安裝在所述線圈和所述屏蔽線圈之間，被激勵(lì)以減小系統(tǒng)的聲音輸出。
可以要求傳感器有間距地分布在公共區(qū)域內(nèi)，用于抵消x，y和z梯度線圈的聲波，邏輯矩陣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以用來有選擇地激勵(lì)多個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)單元，在任何公共區(qū)域以內(nèi)的這些傳感器以不同于非公共區(qū)域中的幅值和相位驅(qū)動(dòng)。
每個(gè)初級線圈和磁屏蔽線圈的導(dǎo)體和聲控傳感器最好各自分散在不同的圓柱體幾何結(jié)構(gòu)上，上述每一個(gè)線圈以指紋線圈形式配置，每一個(gè)圓柱體以巢狀同心和同軸組配置。
磁場內(nèi)導(dǎo)體以電流I脈動(dòng)，它們便受到取決于磁場強(qiáng)度B的勞倫斯力的影響，當(dāng)電流和磁場方向成90°時(shí)，勞倫斯力為最大。如果導(dǎo)線嵌在支持塊材料中，它的運(yùn)動(dòng)會(huì)在材料中發(fā)射聲波。本發(fā)明的基本思想是抵消梯度線圈導(dǎo)線發(fā)射到支持材料中的聲波。但是，是通過注入有適當(dāng)相位和適當(dāng)幅值的第二聲波去抵消固體結(jié)構(gòu)內(nèi)的第一聲波來完成的。以前的設(shè)計(jì)是通過在梯度線圈設(shè)計(jì)中增加額外的導(dǎo)線來完成的(P.Mansfield，MRI的無噪聲梯度線圈設(shè)計(jì)中的主動(dòng)聲控，PCT申請GB96/00734)。本發(fā)明通過使用適當(dāng)?shù)姆谴艂鞲衅鱽硗瓿?。這些傳感器可以是基于石英晶體，鈦酸鋇或者鈦酸鉛鋯或者其他壓電材料的任何一種，或者使用尺寸小到對所需要梯度磁場的影響不明顯的磁發(fā)電機(jī)精確裝置，或者使用小的自保持局部電流環(huán)，使環(huán)平面與磁場B正交。下面，我們用到傳感器這個(gè)詞便意味著上面提到的裝置，或者按照類似原理工作的單獨(dú)裝置或者任何上述裝置的組合。
現(xiàn)在參考以下附圖通過實(shí)例敘述
具體實(shí)施例方式

圖1中給出了由四個(gè)矩形N匝環(huán)組成，均通過電流I的x梯度組的圖，；圖2所示為由電流環(huán)(矩形或者弧形)組成的分布式x梯度線圈的平面圖，約為x-y平面中心的每4個(gè)環(huán)流過同一電流。如果相鄰四個(gè)之間的空間恒定，它們可以具有不同的電流；
圖3所示的草圖給出由閉合弧形環(huán)的4個(gè)弧形分段組成的x梯度，每一個(gè)由N匝組成，流過電流；圖4所示的草圖給出有一個(gè)電流環(huán)插入的導(dǎo)線支持板，該板由一個(gè)氣隙分開，通過兩個(gè)連接塊BL1和BL2保持機(jī)械上的整體性，傳感器粘在狹槽中；圖5所示為圖4所示配置的平面圖，傳感器粘在狹槽或者氣隙中；圖6為傳感器驅(qū)動(dòng)電路配置的方塊圖，示出網(wǎng)絡(luò)分析儀，它的輸出經(jīng)過分相器到梯度電源和用于傳感器的電壓源。試驗(yàn)線圈產(chǎn)生的聲音輸出由話筒接收。話筒信號通過預(yù)放大器返回到網(wǎng)絡(luò)分析儀。點(diǎn)PQ和P′Q′為圖7所示電路的連接點(diǎn)。
圖7所示為插入在圖6中點(diǎn)PQ和P′Q′之間的修正電路的方框圖。修正的目的是允許電路用梯形或者其它形狀的波形脈動(dòng)，并且在梯度波形和傳感器波形之間引入必要的時(shí)延，為此，開關(guān)S1和S2是一組分別切換脈沖發(fā)生器PG1和PG2的開關(guān)，這些發(fā)生器由觸發(fā)脈沖觸發(fā)，觸發(fā)脈沖由圖6的觸發(fā)器輸入T起動(dòng)，但是，由延時(shí)D1和D2彼此之間相對延時(shí)；圖8所示草圖為橫向梯度線圈(見圖3)的一個(gè)弧段，它安裝在中心切有狹槽的板上，傳感器和匹配配置一起安裝在氣隙中；圖9所示草圖為安裝在兩個(gè)表面之間聲音匹配配置和傳感器。匹配配置包括在端部分(粗黑線)所示的三個(gè)剛性平面，中間平面兩端與其它兩個(gè)平面鉸接或者樞軸連接。陰影所示為柔性填充材料；圖10所示為單個(gè)平板上梯度線圈的兩個(gè)弧段的安裝草圖，傳感器和匹配配置裝在中心狹槽中，附加氣隙槽也在圖中示出；圖11所示為兩個(gè)電路環(huán)組成的部分軸向線圈安裝草圖，它由電流分別為I1和I2，半徑分別為a和c的兩個(gè)電流環(huán)組成；圖12所示為流體冷卻墊片環(huán)形物草圖；圖13所示為顯示梯度線圈平板和墊片的裝配梯度線圈草圖；圖14所示為兩個(gè)同軸環(huán)形圓柱體的端面圖草圖，圓柱體由槽分隔，在必要時(shí)傳感器和相匹配單元裝在槽內(nèi)，內(nèi)圓柱體帶有半徑為a的初級線圈，外圓柱體帶有半徑為c的磁屏蔽線圈，內(nèi)圓柱體的厚度為x1，聲波傳播速度為v1，衰減常數(shù)為α1，外圓柱體厚度為x2，聲波傳播速度為v2，衰減常數(shù)為α2。這一配置代表了磁屏蔽的橫向梯度線圈或者磁屏蔽的軸向梯度線圈；圖15所示草圖為磁屏蔽橫向梯度線圈的剖面圖，它包括兩個(gè)同軸環(huán)形圓柱體，尺寸和細(xì)部見圖14。需要時(shí)的傳感器和匹配件顯示在內(nèi)圓柱體的外表面上。
圖16(a)所示為傳感器均勻分布在未卷的圓柱形表面的草圖。僅給出軸+z，和rθ的正半平面，表面分為9個(gè)區(qū)域；Z1，Z2，Z12和Z21和它們對應(yīng)的反相位區(qū)域Z加上Z3。全部傳感器和匹配單元固定在薄的柔性表面上，它攜帶到裝置的支持引線。如果包括-z半平面，需要另外9個(gè)區(qū)域與上述的互補(bǔ)。
圖16(b)示出了圖16(a)的傳感器陣列板卷成環(huán)形圓柱體的端面圖。半徑為b’的外表面還包括保持匹配單元就位的薄柔性材料板。整個(gè)傳感器組件插入圖14的狹槽中；圖16(c)中畫出另一種電流傳感器的草圖，它包括帶狀導(dǎo)體夾著一個(gè)剛性橡皮墊片。傳感器用帶狀線導(dǎo)體供電如圖所示，閉合電流環(huán)的平面與磁場B垂直；圖17所示為圖16(a)中傳感器組件的電路驅(qū)動(dòng)配置，指示了各個(gè)區(qū)域的驅(qū)動(dòng)配置以及如表1真值表圖解的公共區(qū)和邏輯驅(qū)動(dòng)。
有幾種目前在使用的梯度設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)，它們可以從本發(fā)明的應(yīng)用中獲益。梯度線圈可以被磁屏蔽或者不屏蔽。各種不屏蔽的梯度線圈可以由一系列閉環(huán)組成(P.Mansfield，B.Chapman.P.Glover和R.Bowtell，國際專利申請No.PCT/GB94/01187；優(yōu)先權(quán)數(shù)據(jù)9311321.5，6月2日(1993)，P.Mansfield，P.Glover，和R.Bowtell，主動(dòng)聲音屏蔽MRI中無噪聲梯度線圈的設(shè)計(jì)原則。Meas.Sci.Technol.5，1021-1025(1994)，P.Mansfield，B.L.W.Chapman，R.Bowtell，P.Golver，R.Coxon和P.R.Harvey，主動(dòng)聲音屏蔽用勞倫斯力平衡減小梯度線圈的噪聲.Magn.Reson.Med.33，276-281(1995)和V.Bangert和P.Mansfield，NMR成象的磁場梯度線圈。J.Phy.E.Sci.Instrum.，15，235-239(1982)).
由于矩形對稱橫向梯度可以從一系列適當(dāng)排列和分布的矩形閉環(huán)產(chǎn)生，給出最好的橫向梯度。圖1所示為有四個(gè)環(huán)的橫向梯度線圈，每個(gè)為N匝。整個(gè)線圈處于沿z軸指向的磁場B中。圖2所示為通過不同電流I1，I2...的相等間距環(huán)的分布平面圖，一種變化是全部環(huán)流過公共電流和改變每一個(gè)環(huán)的匝數(shù)。另一種變化是保持匝數(shù)和電流相同，改變環(huán)間距離，也可以是兩種變化的混合。
對于圓柱形對稱的橫向梯度，可以采用一系列閉合弧形環(huán)分段。圖3所示為有四個(gè)分段的橫向圓柱形對稱梯度線圈。如同矩形分段的情況，可以采用更多弧形分段形成如圖2平面圖所示的分布線圈配置。矩形分段所討論的關(guān)于電流，匝數(shù)和間距的考慮也同樣應(yīng)用于弧形分段。
可以采用亥姆霍茲線圈的軸向磁場梯度修正，其中，采用分布線圈來建立更加均衡的梯度磁場。
當(dāng)環(huán)平面處于磁場法線方向時(shí)，包括一系列閉環(huán)的線圈具有內(nèi)在抵消在環(huán)周圍的勞倫斯力的能力。為了簡單起見，我們考慮圖1中的一個(gè)矩形閉環(huán)線圈。這是和圖4中它的安裝板一起重畫的。
我們?nèi)￠L軸和短軸的比率大于1，最好約為3∶1，這樣，當(dāng)它們支撐在合適的材料上時(shí)，沿線圈長軸感應(yīng)的聲音壓縮波可以被忽略。我們集中注意于沿線圈短軸傳輸?shù)钠矫鎵嚎s波的發(fā)射。在其它地方(P.Manfield，P.M.Glover，J.Beaumont，MRI的梯度線圈結(jié)構(gòu)中聲音發(fā)射Magn.Reson.Med。(將要提交))已經(jīng)給出，從支持板兩側(cè)同時(shí)發(fā)射波造成板厚度的畸變，根據(jù)加在邊緣上勞倫斯力的方向引起板變厚或者變薄，板變厚或者變薄會(huì)在空氣中產(chǎn)生聲波，聲波在板面的法線沿靜止磁場方向運(yùn)動(dòng)。為了抵消固體板40中的橫向聲波，建議在板的中央切狹槽42，如圖4所示。在狹槽中粘一個(gè)或者幾個(gè)壓電器件44，46，它們的表面和粘在槽表面的薄金屬帶接觸。導(dǎo)電帶提供電源以激活傳感器。圖5平面圖中示出這一配置。箭頭代表導(dǎo)線環(huán)在磁場B中激勵(lì)時(shí)板邊緣的移動(dòng)。如果不安放壓電器件就位，從板邊緣上每一根導(dǎo)線發(fā)射的聲波達(dá)到時(shí)有一個(gè)相角延遲，它和聲波橫移的材料寬度以及板材料中聲音的速度相關(guān)。由于板邊緣的導(dǎo)線流過相等但是反向電流，固有180°相位差，由于波傳輸?shù)难舆t，當(dāng)它們到達(dá)狹槽的各側(cè)時(shí)，該相位移在兩個(gè)波之間略為減小。如果現(xiàn)在用正確的相位移和幅值激活壓電器件，在支持材料的狹槽中的聲波可以被消除，對于梯度線圈中連續(xù)正弦波或者其他諧波調(diào)制電流(P.Mansfield，P.R.Harvey，R.J.Coxon，用于特高速NMR成象的多模式諧振梯度線圈電路，Meas.Sci.Technol.2，1051-1058(1991))，必須用適當(dāng)幅值和相位的正弦或者其他諧波調(diào)制電壓激活壓電器件，以便抵消聲波。圖6給出梯度和傳感器驅(qū)動(dòng)電路。此處所采用的作為測試裝配的配置中，網(wǎng)絡(luò)分析儀用于產(chǎn)生基本AF輸出信號和接收聲音響應(yīng)和監(jiān)視器信號。它允許聲音輸出數(shù)據(jù)的掃頻顯示。AF輸出饋送到分相器，產(chǎn)生相互獨(dú)立的可變幅值的兩個(gè)電壓輸出V1和V2，并且有可變相位差Φ。輸出V1通過梯度驅(qū)動(dòng)放大器，饋送到電流放大器，它的輸出I直接送到梯度線圈。電壓輸出V2通過傳感器驅(qū)動(dòng)電路送到電壓放大器(在壓電傳感器的情況下)，相位為Φ的電壓V放大器輸出電壓直接饋送到傳感器。
監(jiān)視器信號從兩個(gè)功率放大器送回到網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入A，B。話筒拾取噪聲，它的信號返回到R輸入。網(wǎng)絡(luò)分析儀可以用在掃頻模式或者點(diǎn)頻模式。
如果以單脈沖形式激勵(lì)梯度線圈電流，則壓電器件也必須相似地用適當(dāng)幅值和延遲時(shí)間來脈動(dòng)，以便有效地抵消狹槽中的到達(dá)波。對于脈沖，網(wǎng)絡(luò)分析儀的觸發(fā)輸出T作為時(shí)間事件。對于擴(kuò)散介質(zhì)，到達(dá)槽的實(shí)際波形可能會(huì)受到畸變。這種情況下，必須對壓電器件的波形整形，使得它能夠產(chǎn)生匹配波形，以達(dá)到完全抵消的目的。用于脈沖整形和時(shí)延的電路配置見圖7所示，它插入在圖6電路圖的PQ和p’Q’點(diǎn)之間。開關(guān)S1和S2適當(dāng)?shù)卣ǎ员惴謩e適當(dāng)開斷脈沖發(fā)生器PG1和PG2，脈沖發(fā)生器從輸入T經(jīng)過時(shí)延D1和D2觸發(fā)。
在非試驗(yàn)使用時(shí)，可以用帶有適當(dāng)發(fā)生器的波形控制器來代替網(wǎng)絡(luò)分析儀。在此使用中，需要三個(gè)梯度驅(qū)動(dòng)器x，y和z，和至少三個(gè)帶形傳感器驅(qū)動(dòng)器。
可以裝配矩形梯度線圈單元來產(chǎn)生如上面所討論的橫向梯度。同樣的原則可以應(yīng)用于由一組閉合弧形環(huán)配合壓電傳感器組成的圓柱形對稱橫向梯度，然而，當(dāng)考慮到如圖3所示的曲線幾何圖形時(shí)，便稍為復(fù)雜。聲音在支持媒體中不再是由平面波，而是由圓柱形波傳輸?；旧?，這意味著由凸形導(dǎo)線形成的波在進(jìn)到固體媒體時(shí)幅值減小，而由凹形導(dǎo)線形成的波進(jìn)到媒體時(shí)幅值會(huì)增大。
由于這一特性，一個(gè)匹配方法是用兩種不同材料來制造梯度線圈導(dǎo)線環(huán)的支持結(jié)構(gòu)，一種支持凸形聲波，第二種支持凹形聲波。一般說來，這兩種材料具有不同的壓縮波速，從而，這意味著兩導(dǎo)線之間的槽不再處于中央，代之為處于達(dá)到的槽的凸形和凹形聲波在槽上具有相同和相反幅值的位置。
另一種途徑是保持槽在板的中央，用傳感器匹配單元去配合在槽邊緣的聲波幅值。典型的槽可以是2-3mm。如圖8所示。圖9所示為一種形式的機(jī)械匹配配置和槽邊緣之間安裝的壓電傳感器。顯示的這一配置包括三個(gè)剛性平板90，92，94，兩個(gè)成角度的92，94，由第三平板90連接，第三平板90在前兩板之間鉸接或者樞軸連接。平板所封閉的空間用柔性材料填充，匹配單元的材料和全部尺寸使得在所使用的頻率范圍內(nèi)不會(huì)諧振。使連接板90低于一半處，即h＜H/2，匹配單元的頂和底的垂直運(yùn)動(dòng)將是不同的，從而達(dá)到所希望的聲音配合。圖中還示出傳感器80和整體配置位置，它是由帶狀導(dǎo)體夾在兩個(gè)表面之間。
我們已經(jīng)討論了具體的低頻匹配裝置，另一種配置也可以用作匹配裝置。
弧形分段可以成對地安裝在板上，如圖10所示。在此情況下，可以引入附加槽100，102，104，106(虛線)來防止相切的聲音傳輸。
圓形z梯度線圈也可以由單板上的一對環(huán)組成，板上有分隔槽，槽中裝入匹配的傳感器，如圖11。為了抵消聲音，內(nèi)環(huán)和外環(huán)上的電流I1和I2可以調(diào)整到使槽的每一側(cè)的聲音幅值相等但是相位相反。在這種情況下，僅能采用傳感器，匹配配置是不必要的。為了保持板的整體性，保留了幾個(gè)支持分段110，112，114。
無論橫向還是軸向梯度平板由水或者油冷卻墊片平板120分開分布，梯度平板122和墊片的整體組件如圖13。
基于閉環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的橫向梯度線圈當(dāng)然不是磁屏蔽。如果需要磁屏蔽，它可以作為附加設(shè)計(jì)來完成。然而，很難用這一外部磁屏蔽完成它的本身聲波抵消。聲波不抵消，從磁屏蔽上會(huì)有一些聲音輸出，它將損壞整個(gè)線圈組件的聲音抵消效果。
產(chǎn)生磁屏蔽線圈的最滿意的途徑是眾所周知的(P.Mansfield和B.Chapman，在NMR成象中梯度線圈的主動(dòng)磁屏蔽，J.Mag.Res.66，573-576(1986)和P.Mansfield和B.Chapman，NMR成象中用于產(chǎn)生靜止和隨時(shí)間變化磁場的線圈主動(dòng)磁屏蔽.J.Phys.E.19，540-545(1986))它涉及兩個(gè)磁線圈，一個(gè)可稱為初級線圈，第二線圈為磁屏蔽。對于圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的橫向梯度，無論初級還是屏蔽線圈通常是分布式設(shè)計(jì)或者是指紋設(shè)計(jì)。每一個(gè)線圈繞在自身的圓柱形表面上。兩個(gè)線圈的半徑使得初級和屏蔽之間留有氣隙。用適當(dāng)?shù)乃苄园l(fā)泡材料填充，使得內(nèi)、外線圈在機(jī)械上連接。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，由于磁屏蔽線圈的電流通常低于初級線圈的電流，這樣的配置勞倫斯力是不平衡的。當(dāng)初級線圈和屏蔽同時(shí)用極性相反的電流去激勵(lì)，在線圈之間的材料內(nèi)將發(fā)射不同幅值的聲波。通常初級線圈產(chǎn)生的勞倫斯力大于磁屏蔽所產(chǎn)生的。因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在處理線圈之間空間中的圓柱形波的產(chǎn)生，凸形圓柱形波在徑向向外通過時(shí)幅值會(huì)減小，而磁屏蔽產(chǎn)生的凹形聲波在徑向向內(nèi)發(fā)射時(shí)幅值會(huì)增大。在兩個(gè)波具有相同但反向幅值的地方將檢測為圖14中圓柱形槽140的位置，這樣形成一對本征匹配圓柱體。在這種配置中，內(nèi)圓柱環(huán)上攜帶凸形波的材料142一般不同于在外圓柱環(huán)上攜帶凹形波的材料144，因而。產(chǎn)生不同的壓縮波速和不同的波衰減常數(shù)。
在圖14的部分草圖中，給出了沿圓柱體z軸看的視圖，初級線圈146的半徑為a，通過電流為I1。它模壓成厚度為x1，外徑為b的圓柱體環(huán)142，用聲音壓縮波速為v1，衰減常數(shù)為α1的材料制成。磁屏蔽148具有半徑c，通過電流為I2，它模壓成厚度為x2，內(nèi)徑為b’的第二圓柱體環(huán)144，用聲音壓縮波速為v2，衰減常數(shù)為α2的材料制成。槽140的位置和因此的聲音配合效果通常取決于所提到的全部變量以及初級和磁屏蔽線圈的細(xì)部。
一系列壓電傳感器141，143貼在兩個(gè)圓柱體之間的槽140中，如圖15中的剖面圖所示，金屬電壓供應(yīng)帶150粘在其上。然后，圖6和圖7的電路可以用來激勵(lì)磁線圈和壓電傳感器141，143等，以便抵消固體圓柱體內(nèi)部的聲波。這一配置并不影響磁梯度的產(chǎn)生或者它的磁屏蔽的效果，因?yàn)榧釉趥鞲衅魃系碾娏骺梢院雎?，由這一電流所產(chǎn)生的小磁場也是完全可以忽略的。
另一種匹配配置是槽在初級和屏蔽線圈之間的一半處，到達(dá)聲波幅值的不同可以用如圖8和圖9或者其他類似的機(jī)械匹配配置的傳感器來完成。它的優(yōu)點(diǎn)是無論內(nèi)或者外圓柱體142，144，均可以用相同的材料制成。
在工作梯度組中，需要三個(gè)梯度線圈，沿x，y和z三個(gè)軸產(chǎn)生三個(gè)梯度，在圖14和圖15所示的分布式線圈配置中，三個(gè)梯度將全部被磁屏蔽，如果可以的話，初級線圈全部處于半徑為a的圓柱體內(nèi)表面，而磁屏蔽線圈全部處于半徑為c的圓柱體表面。三個(gè)軸的傳感器全部分布在半徑為b和b’之間的同一個(gè)槽中，傳感器陣列的范圍是全部三個(gè)梯度軸之間有一些交叉，因此，我們建議傳感器陣列被劃分成區(qū)域。
圖16a所示為一種配置，其中，傳感器沿圓柱體表面均勻分布，圖中顯示了尚未卷的平板。僅給垂直軸為+z，水平軸為rθ的正半平面。在圖示傳感器和匹配單元規(guī)則陣列的配置中，我們有9個(gè)區(qū)域，Z1，Z1對應(yīng)于x軸，Z2，Z2對應(yīng)于y軸，Z3對應(yīng)于z軸，陰影覆蓋區(qū)域?yàn)閆21，Z21，Z12，Z12。在包括-z半平面的整個(gè)梯度組中，需要另外9個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)于+z半平面區(qū)域的補(bǔ)充狀態(tài)。
在實(shí)際配置中，傳感器141，143等固定在薄的柔性片160上，用驅(qū)動(dòng)帶線導(dǎo)體150等合適地連接到各個(gè)區(qū)域。整個(gè)片卷成如圖16b所示的薄的環(huán)形圓柱體，第二薄的柔性片162支持傳感器的內(nèi)表面。
圖16b中的插入圖所示為匹配單元90，92，94和傳感器80(見圖9)夾在兩個(gè)薄的柔性圓柱體160，162之間的配置。
圖16c中畫出另一種電流傳感器的配置164。它包括帶狀導(dǎo)體166夾著一個(gè)剛性橡皮墊片168，用帶狀線導(dǎo)體供電。電流I通過圍繞剛性橡皮導(dǎo)體的矩形環(huán)，環(huán)的平面與磁場方向垂直。使橡皮墊片的機(jī)械響應(yīng)在運(yùn)行頻率以上諧振，這一傳感器可以用來代替前面提到的壓電器件。
因?yàn)閳D16a中的一些區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)或者多個(gè)軸公用的，通過驅(qū)動(dòng)9個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)器用上述區(qū)域配置更好，每一個(gè)區(qū)域經(jīng)過一個(gè)邏輯譯碼矩陣170，如圖17所示。它可以激勵(lì)x，y或z軸輸入。根據(jù)表1的真值表，使用必要的方向邏輯，需要附加的區(qū)域驅(qū)動(dòng)器和譯碼邏輯來驅(qū)動(dòng)-z半平面上的傳感器。真值表建立梯度方向(x，y，z)和9個(gè)區(qū)域傳感器狀態(tài)的關(guān)系。符號+和-代表輸出放大器的極性，0代表零輸出。
在矩形閉合電流環(huán)或者閉合弧形電流環(huán)的基礎(chǔ)上已經(jīng)敘述了用在MRI中的幾種橫向梯度線圈配置。<
通過引入合適位置的槽，在安裝板的矩形或者弧形分段形成氣隙，可以引入傳感器，當(dāng)它被帶狀導(dǎo)體提供的外部電壓或者電流激勵(lì)，便可以抵消由電流環(huán)中勞倫斯力所產(chǎn)生的聲波。類似的配置可以抵消一對圓形環(huán)中所產(chǎn)生的聲音噪聲，用一對環(huán)的分布來產(chǎn)生軸向磁場梯度。
對于弧形幾何結(jié)構(gòu)，由于在安裝板內(nèi)所產(chǎn)生的波不再是平面波，便需要聲音匹配配置。一種可能的方法是槽的各側(cè)用兩種不同的材料，選擇材料特性以給出聲音配合。在這種情況下，傳感器可以直接貼在槽中，如果槽的各側(cè)采用相同的材料，則需要聲音配合裝置。
以上所討論的梯度配置沒有一個(gè)安裝有磁屏避。磁屏避可以引入到上述的基于閉合電流環(huán)的配置中，但是，磁屏避沒有聲音抵消。
對于完全磁屏蔽的系統(tǒng)，我們建議基于指紋設(shè)計(jì)的分布橫向梯度和分布z梯度的整體構(gòu)造。這種方法以標(biāo)準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)初級和磁屏蔽線圈，每一個(gè)安裝在各自的環(huán)形圓柱體上。兩個(gè)圓柱體同軸，并且由小氣隙隔開。傳感器適當(dāng)?shù)匚挥跉庀吨?，并且和兩個(gè)圓柱體表面接觸。為了達(dá)到聲音匹配，圓柱體選擇為不同的材料，此時(shí)，傳感器可以直接夾在圓柱體之間，并且用帶狀導(dǎo)體向它們提供電壓。另一種方法是圓柱體用相同的材料制成，這種情況下，由和傳感器一起插入的匹配單元來獲得聲音配合。無論那一種方法均可能抵消聲音，但是都不犧牲梯度線圈的磁特性。
在以上實(shí)例中，我們已經(jīng)通過粘貼傳感器的例子敘述了單個(gè)槽的配置。在單個(gè)槽配置的另一個(gè)例子中，槽中粘貼有多個(gè)傳感器，它們由多個(gè)不同幅值和不同相位驅(qū)動(dòng)。為了獲得較大的聲音衰減效率，也可以用多個(gè)槽，用于圓柱體線圈的幾何結(jié)構(gòu)的槽位于不同半徑處，用于矩形幾何結(jié)構(gòu)的槽分布到支持塊中。每一個(gè)槽由自身驅(qū)動(dòng)器配置驅(qū)動(dòng)，需要以電流或者電壓獨(dú)立調(diào)節(jié)相位和幅值去驅(qū)動(dòng)多個(gè)傳感器。
也可以采用一個(gè)或者多個(gè)槽結(jié)合我們共同申請No.GB96/00734中所敘述的重新加入環(huán)配置來改進(jìn)聲音率減效率。通常，每一個(gè)槽安裝有多個(gè)重新加入環(huán)，每一個(gè)重新加入環(huán)由相位和幅值可以獨(dú)立調(diào)整的自身電流驅(qū)動(dòng)。
理想上采用多個(gè)傳感器或者多個(gè)重新加入環(huán)的情況下，支持平板將包括至少除了邊緣外不相連的兩層。這種配置允許在獨(dú)立支持材料內(nèi)獨(dú)立聲波傳輸，目的是在板的邊緣建立振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，從而防止板的邊緣移動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種安裝在聲學(xué)材料塊中的線圈系統(tǒng)的主動(dòng)聲音屏蔽裝置，包括安裝在所述材料塊的機(jī)電主動(dòng)傳感器和激勵(lì)機(jī)電傳感器去抵消由所述線圈系統(tǒng)在激勵(lì)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲的裝置。
2.一種主動(dòng)聲控磁線圈系統(tǒng)，包括至少一個(gè)形成環(huán)狀的載流導(dǎo)體，以提供向外和返回通道，它安裝在具有預(yù)先確定的聲音傳輸特性的材料制成的支持塊中，所述支持塊包括由氣隙隔開的第一和第二部分，所述向外和返回通道分別安裝在所述第一和第二部分，還包括安裝在所述氣隙中的至少一個(gè)主動(dòng)傳感器，和包括將預(yù)先確定的交流電流供給所述導(dǎo)體的部件和用相對于所述交流電流的選定激勵(lì)和選定相位向至少一個(gè)主動(dòng)傳感器供電的激勵(lì)部件，所述選定激勵(lì)在所述的傳感器中產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所述導(dǎo)體在所述的支持塊中主動(dòng)地產(chǎn)生相反振動(dòng)，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的聲音噪聲。
3.如權(quán)利要求2所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，它提供有多個(gè)傳感器，每一個(gè)被激勵(lì)，在傳感器內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲。
4.如權(quán)利要求3所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，用于確定向傳感器供電的選定激勵(lì)的部件包括用來接受至少一個(gè)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的噪聲信號的話筒，所述話筒連接到顯示部件并包括控制電路，向所述激勵(lì)部件提供相對相位和幅值控制信號，激勵(lì)傳感器，以減小線圈系統(tǒng)產(chǎn)生的聲音噪聲。
5.如權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，主動(dòng)傳感器最好由壓電式傳感器組成，它的壓電材料可以是石英晶體，鈦酸鋇，鈦酸鉛鋯或者其他類似壓電材料。
6.如權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，主動(dòng)傳感器或者也可以由磁發(fā)電機(jī)精確裝置組成，它的尺寸小到對所需要梯度場的影響不明顯。
7.如權(quán)利要求2至4中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，主動(dòng)傳感器由一個(gè)封閉橡皮塊的細(xì)電流環(huán)組成，選擇它的尺寸，使得在運(yùn)行頻率下裝置不諧振。
8.如權(quán)利要求7所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，支持塊的第一和第二部分可以由同樣材料組成，氣隙位置可以等距離地在向外和返回通道之間。
9.如權(quán)利要求7所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，支持塊的第一和第二部分可以由具有不同的聲音壓縮波速和不同的衰減常數(shù)的不同材料組成，氣隙位置可以不等距地在所述載流導(dǎo)體的向外和返回通道之間選擇。
10.如權(quán)利要求7所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，，傳感器可以提供有匹配單元，使它能夠在氣隙的每一側(cè)產(chǎn)生不同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
11.如權(quán)利要求2至10中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，向外和返回通道可以包括帶有分立驅(qū)動(dòng)部件的分開導(dǎo)體，形成的線圈系統(tǒng)包括初級線圈和所述線圈系統(tǒng)的磁屏蔽線圈，激勵(lì)傳感器部件以減小線圈系統(tǒng)的聲音輸出。
12.如權(quán)利要求2至11中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，線圈系統(tǒng)可以包括x，y和z的梯度線圈，和用于所述x，y和z梯度線圈的屏蔽線圈，傳感器可以安裝在所述線圈和所述屏蔽線圈之間，其被激勵(lì)以減小系統(tǒng)的聲音輸出。
13.如權(quán)利要求12所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，傳感器有間距地分布在公共區(qū)域內(nèi)，用于抵消x，y和z的梯度線圈的聲波，邏輯矩陣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以用來有選擇地激勵(lì)多個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)單元，在任何公共區(qū)域以內(nèi)的這些傳感器以不同于非公共區(qū)域中的幅值和相位驅(qū)動(dòng)。
14.如權(quán)利要求11至13中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，每一個(gè)初級線圈的導(dǎo)體配置為弧形。
15.如權(quán)利要求12至13中任何一項(xiàng)所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，每個(gè)初級線圈和磁屏蔽線圈和聲控傳感器的導(dǎo)體最好各自分散在不同的圓柱體幾何結(jié)構(gòu)上，上述每一個(gè)線圈以指紋線圈形式排列，每一個(gè)圓柱體以巢狀同心和同軸組排列。
16.如權(quán)利要求12或13所述的聲控磁線圈系統(tǒng)，其中，線圈形成MRI裝置中的梯度線圈系統(tǒng)。
全文摘要
提供一種聲控磁線圈系統(tǒng),其中,合適的非磁傳感器嵌在聲學(xué)材料塊中,線圈也嵌在其中,傳感器被激勵(lì)以抵消線圈在激勵(lì)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲。
文檔編號G10K11/16GK1265216SQ97198289
公開日2000年8月30日 申請日期1997年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月27日
發(fā)明者彼得·曼斯菲爾德 申請人:彼得曼斯菲爾德