用于构造磁共振成像超导磁体的方法与流程

本发明属于应用超导技术领域，尤其涉及构造磁共振成像(MagneticResonanceImaging，简称MRI)超导磁体的方法。

背景技术：
磁共振成像(MRI)是利用生物体的磁性核(主要是氢核)在磁场中所表现出的核磁共振特性来进行成像的高新技术。磁共振成像(MRI)设备主要由主磁体、扫描床、梯度线圈、射频线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。主磁体是MRI设备的主要构成部分，用于产生均匀静磁场，决定着MRI设备的图像质量和工作效率。同时，主磁体也是MRI设备中制造成本最大，运行费用最高的部分。MRI对磁场的强度、均匀度和稳定度有严格要求，这三项是主磁体最重要的指标。相对永磁体来说，超导磁体可以产生强度、均匀度和稳定度都更高的磁场，所以被用来获取更加清晰的图像。由于分布于超导磁体系统之外的漏磁场会对周围环境带来不利的影响，如10高斯数量级的磁场就有可能导致一些电子设备不能正常工作，并使带心脏起搏器的病人有生命危险，100高斯数量级的磁场就可能会使计算机系统工作异常，因此考虑到某些场所对漏磁场的限制，需要限制超导磁体的杂散场范围。MRI主磁体的磁场屏蔽方式包括被动屏蔽和主动屏蔽两类。采取被动屏蔽方式时，需要在磁体周围安置铁磁材料来屏蔽漏磁场，结构简单，但体积和重量都很大，且对磁场的均匀性也会产生影响。目前一般采用主动屏蔽方式，即通过在主线圈的外部增加通反向电流的屏蔽线圈来降低磁体外部的杂散场，从而缩小磁体的杂散场范围。同时由于传统MRI系统的长度较长，大量临床实验表明患者在狭长的空间中普遍表现出紧张、不安等幽闭症现象，因此近年来，短腔、自屏蔽MRI系统设计成为一种新的趋势。高均匀度磁共振成像磁体的电磁设计指标主要有：(1)成像区域(DiameterSensitiveVolume，简称DSV)，一般定义为直径为D的球形区域。(2)中心场B0，指成像区域中心点处的磁感应强度值。(3)磁场均匀度η(峰峰值)，计算公式为：其中，Bmax和Bmin分别为DSV中磁感应强度的最大值和最小值。(4)杂散场范围，一般指磁体通以工作电流时所产生磁场的5Gs等位线包围的区域。磁共振成像(MRI)超导磁体的优化设计是磁体制作的基础，并且对整个MRI设备的成像质量及生产成本控制起到非常重要的作用。以往的构造MRI超导磁体的方法一般可以归结为两大类，一类是直接寻优法，这类方法既可以在不给定磁体线圈结构初始值的情况下，对整个可行空间进行全局择优，也可以预先选定超导磁体的工作电流和基本线圈结构，以磁体的结构参数为自变量，成像区域内磁场均匀度、杂散场范围、超导磁体空间体积、磁体能量等为约束条件或目标函数，使用非线性优化算法如模拟退火算法或遗传算法对超导磁体的结构参数进行局部选优，得到最终的磁体结构。但由于MRI超导磁体设计是一个多参数、多目标的结构优化问题，使得该类方法计算量大，效率较低，尤其变量较多时更为明显，如果约束条件的选择及给定的初值不合理时，将很难得到最优解。另一类为函数方法是线性规划算法的引入。先将磁体结构简化，在超导磁体的可行载流区内划分规则的矩形网格，把MRI超导磁体设计问题等效成一线性规划模型进行求解，得到该超导磁体的初始电流密度分布，再根据初始电流密度分布确定磁体线圈的基本结构和位置参数，然后利用第一类非线性寻优算法，得到最终的矩形化磁体线圈结构.但由初始电流密度分布来确定磁体基本结构的方法，在磁体线圈个数和截面形状的选择上仍然具有一定的主观盲目性，也不易寻到全局最优结果。而且在上述两种方法的最后阶段，实际绕制磁体时，需要考虑超导线材截面尺寸，将线圈尺寸进行离散化处理，并对位置和半径进行取整，在取整和离散后，磁体的均匀性等指标通常会有明显下降，使设计结果偏离最优解。

技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于构造磁共振成像超导磁体的方法，用于解决现有的磁共振成像超导磁体的方法，实际绕制磁体时，需要考虑超导线材截面尺寸，将线圈尺寸进行离散化处理，并对位置和半径进行取整，在取整和离散后，磁体的均匀性等指标通常会有明显下降，使设计结果偏离最优解的问题。本发明的用于构造磁共振成像超导磁体的方法，包括：确定超导线材、运行电流以及可行载流区；以磁体的中心为原点，建立一圆柱坐标系(r，z，α)，其中r为径向距离，z轴为高，α为方位角度，磁体轴向为z轴方向；将该可行载流区划分为多个网格，对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，得到多个矩形网格，调整可行载流区的边界并获取可行载流区的矩形网格数n，获得每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri，zi，αi)；以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域；根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，按照对磁场均匀度的影响程度从大到小，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行矩形化；以及取得超导磁体线圈的参数。本发明对磁体进行优化设计时，以用线量最少为优化目标可以使内层磁体线圈自动向内部压缩，以杂散场为约束条件可以使外层线圈自动向外部压缩，经过整数线性规划得到的载流矩形网格能够形成较为紧密的导线集中分布区域，能够得到满足设计要求的全局最优解，设计结果为整数层和匝，有效地避免了通常方法中的取整误差。附图说明图1所示为本发明磁共振成像构造超导磁体的方法一实施例的示意图；图2为可行载流区示意图；图3所示为初始导线集中区域分布图；图4是矩形化后的磁体结构示意图；图5是成像区磁场的均匀度分布；图6所示为磁体杂散场的5Gs等位线图。具体实施方式图1所示为本发明磁共振成像构造超导磁体的方法一实施例的示意图，如图1所示：步骤1，估计磁体线圈的可行载流区的最大范围，包括可行载流区的最小内半径以及最大外半径，根据磁场设计要求、空间约束以及可行载流区的最大磁感应强度，确定超导线材并确定运行电流Iop；步骤2，以磁体的中心为原点，建立一圆柱坐标系(r，z，α)，其中r为径向距离，z轴为高，α为方位角度，磁体轴向为z轴方向；根据所选超导线材的尺寸，把可行载流区划分为多个网格，使每个网格的几何尺寸等于所选超导线材的截面的尺寸，对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，形成多个矩形网格，并相应调整每个可行载流区的边界，并得到该磁体线圈的可行载流区的的矩形网格数n及每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri，zi，αi)。步骤3，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域，如果得不到满足设计要求的导线集中分布或导线集中分布区域不易进行下一步的矩形化，则返回步骤1；其中步骤3具体可以为：计算每个矩形网格通以运行电流Iop时对各考察点的磁场轴向分量的贡献，及每个矩形网格所含超导线材的长度：在运行电流Iop下的矩形网格可以等效为位于矩形网格中心位置的电流环，其电流为I＝Iop，即将矩形网格中有截面大小的电流等效成处于矩形网格中心处的单一导线，且该导线的截面积为零，通的电流为运行电流Iop。则电流环在考察点坐标(rj，zj)处产生的磁场z向分量为：其中，μ0＝4π×10-7T·m/A(特斯拉·米/安培)引入因子ei＝-1，0，1，得到Bzi，j＝eiaijI，该式表示当ei＝0时该矩形网格为虚，即对磁场无贡献；当ei＝1或-1时该矩形网格为实，对磁场贡献为正或负，分别对应超导磁体的正向线圈和反向线圈；则各考察点的磁场为：每个矩形网格所含超导线材的长度可由下式计算：Li＝2|ei|πri磁体用线量则表示为：n为可行载流区的矩形网格数，I等于运行电流Iop。其中，本发明中，磁体线圈可行载流区的最小内半径受到预留室温孔径、杜瓦结构和磁体骨架的限制，设计时需要预留一定的量；磁体线圈的最大外半径和磁体的轴向长度受到磁体体积、杜瓦重量、用户体验等问题的限制，它们也会影响到磁体的磁场质量，从而影响到最终优化结果的合理性、实用性及经济性，所以对这两个变量要进行合理限制；使用本方法对磁体进行优化设计时，以用线量最少为优化目标可以使内层磁体线圈自动向内部压缩，以杂散场为约束条件可以使外层线圈自动向外部压缩，经过整数线性规划得到的载流矩形网格能够形成较为紧密的导线集中分布区域，以便对磁体进行下一步的优化。步骤5，根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，按照对磁场均匀度的影响程度从大到小，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行矩形化，以得到用线量最小磁体结构；其中，矩形化即为利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行规划。各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度的判定方式可以为：考察经过-1-0-1整数线性规划得到的磁体初始导线集中分布区域中，各个分离的各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，找到影响程度最强的一个，然后固定其他集中分布区域不变，对该集中分布区域进行矩形化；得到满足条件的结果后，再对下一个集中分布区域利用同样的方法进行矩形化；矩形化结束时，得到超导磁体线圈的最终截面参数，完成磁体的优化设计；更优的一种选择是，综合考虑所得初始导线各集中分布区域，各集中分布区域的形状接近矩形的程度和其对磁场均匀度的影响程度，按顺序对每个集中分布区域进行矩形化，以得到用线量最小磁体结构：判断是否存在尚未进行矩形化的该磁体初始的导线的各集中分布区域，如果完成，则执行步骤取得超导磁体线圈的截面参数，否则返回对该各集中分布区域进行矩形化的步骤；对该各集中分布区域进行矩形化的步骤的实现算法为：将在该运行电流下的该各集中分布区域再次进行矩形网格划分，根据该各集中分布区域确定该可行载流区内的新可行载流区，并对新可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，调整新可行载流区的边界并获得每个矩形网格中心的空间坐标及新可行载流区内的总矩形网格数n1，将该多个矩形网格等效为位于矩形网格中心位置的电流环，该电流环的电流等于该运行电流，电流环在考察点坐标(rj，zj，αj)处产生的磁场轴向z分量为：Bzi，j＝eiaijI其中，μ0＝4π×10-7T·m/A，(2)因子ei为-1、0或1，当ei＝0时该集中分布区域对磁场无贡献；当ei＝1时该集中分布区域对磁场贡献为正，对应超导磁体的正向线圈，当ei＝-1时该集中分布区域对磁场贡献为负，对应超导磁体的反向线圈；则各考察点的磁场z向分量为：每个该集中分布区域所含超导线材的长度由下式计算：Li＝2|ei|πri(7)磁体用线总量则表示为：其中，n1为新可行载流区的总网格数，I等于该运行电流。步骤6，判断最终设计的参数是否能够工程实现及满足超导线材的JC(B)特性，若满足则优化终止，若不满足则返回步骤1。步骤7，输出参数并计算相关参量，包括：输出线圈的结构图、磁场在均匀区内的磁场分布和等位线、磁体载流区的最大磁场以及5高斯线的范围。下面结合附图1以及前述的构造磁共振成像超导磁体的方法，来进一步说明本发明的原理和具体的实施方式。如图1所示，其基本步骤可以如下：步骤1.根据磁场设计要求和空间约束，设定短腔自屏蔽超导磁体线圈的可行载流区，选择合适的超导线材并确定运行电流Iop。图2为可行载流区示意图。磁体关于Z轴对称，并关于Z＝0平面对称，所以图2所示部分为可行载流区的1/4截面。磁体线圈的可行载流区内半径R1＝0.5m，外半径R2＝0.92m，长度L＝0.645m。所用超导线材的截面尺寸为1.80×1.20mm2，运行电流为400A。步骤2.把可行载流区划分为多个矩形网格。根据所选超导线材的尺寸，把可行载流区划分为多个矩形网格，使矩形网格的几何尺寸等于所选超导线材尺寸，对矩形网格取整并相应调整可行载流区的边界，得到磁体线圈可行载流区的矩形网格数n，然后确定每个矩形网格中心的空间坐标。步骤3.计算每个矩形网格对磁场的贡献及所含超导线材长度。把每个矩形网格等效为位于其中心位置的电流环，其运行电流为I＝Iop，每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri，zi，αi)，计算每个电流环在各个磁场考察点(rj，zj，αj)产生的磁场z向分量。每个矩形网格所含超导线材长度则由下式算出：Li＝2πri其中，如果考虑象限关于Z＝0平面对称，则可以将每个矩形网格所含超导线材长度则由下式算出：Li＝4πri步骤4.使用-1-0-1整数线性规划方法对磁体的导线集中分布进行优化计算。以最少用线量为优化目标，中心场、成像区磁场均匀度以及杂散场范围等为约束条件，利用-1-0-1整数线性规划方法对磁体的导线集中分布进行优化计算，图3所示为初始导线集中区域分布图，其中，黑色框1、2、3和4体代表电流为正向线圈，即因子e1，e2，e3和e4为1，白色框体5、6和7代表电流为反向线圈，因子e5、e6和e7为-1。步骤5.对导线集中区域进行矩形化，得到磁体的最终优化结果。图4是矩形化后的磁体结构示意图，其中，黑色框1、2、3和4体代表电流为正向线圈，即因子e1，e2，e3和e4为1，白色框体5、6和7代表电流为反向线圈，因子e5、e6和e7为-1。磁体长度为1.29m，所用超导线材总长为63.6km，表1为本实施案例设计完成的线圈参数。表1步骤6，判断最终设计的参数是否能够工程实现及满足超导线材的JC(B)特性，若满足则优化终止，若不满足则返回步骤1。图5是成像区磁场的均匀度分布，本实施例中所得的磁体中心场B0＝1.5T，磁体载流区的最大磁场Bmax＝6.07T，成像区的磁场均匀度分布如图5所示，单位为米(m)，可以看出，在直径为50cm的球形区域内，满足均匀度小于10ppm的设计指标。如图6所示为磁体杂散场的5Gs等位线图，单位为米(m)，5Gs等位线距磁体中心的距离，径向小于3.5m，轴向小于4m。步骤7.输出参数并计算相关参量，包括：输出线圈的结构图、磁场在均匀区内的磁场分布和等位线、磁体载流区的最大磁场以及5高斯线的范围。本发明用于构造磁共振成像超导磁体的方法通过把磁体线圈的可行载流区划分网格，网格的几何尺寸为所选带材尺寸，综合考虑用线量、磁感应强度、磁场均匀度、杂散场范围等指标，利用-1-0-1整数线性规划算法得到磁体线圈的初始导线集中区域分布，再按一定顺序把磁体的初始导线集中分布区域进行矩形化得到最终优化结果。上述用于构造磁共振成像超导磁体的方法不仅可以进行传统的MRI超导磁体设计，也适用于内层分布有反向电流线圈的短腔MRI超导磁体设计、非对称螺线管线圈系统以及开放式双平面线圈系统的MRI超导磁体设计等，另外，根据具体的设计坐标系的建立和对称关系可以灵活进行设置，例如，对于上述的MRI超导磁体设计如果是非对称结构，则坐标系不需关于Z＝0平面对称。本发明上述实施例是以-1-0-1整数线性规划算法为例，实际上还可以采用如0-1整数线性规划算法等，由于实现原理与上述实施例类似，本领域技术人员可参考上述实施例实现，故在此不做赘述。综上所述，本发明中对磁体进行优化设计时，以用线量最少为优化目标可以使内层磁体线圈自动向内部压缩，以杂散场为约束条件可以使外层线圈自动向外部压缩，经过整数线性规划得到的载流矩形网格能够形成较为紧密的导线集中分布区域，能够得到满足设计要求的全局最优解，设计结果为整数层和匝，有效地避免了通常方法中的取整误差。虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为所附权利要求所涵盖。