专利名称：一种开放式核磁共振超导磁体的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种超导磁体的设计方法，特别开放式核磁共振超导磁体的设计方法。
背景技术：
传统的核磁共振磁体系统主要使用多个圆柱形的超导线圈同轴放置形成，磁体系统在50cm球形范围内磁场均勻度小于lppm。从介入治疗以及医学诊断技术的发展来看，需要一种处于完全开放的磁体系统，以适应医学介入治疗的需要。圆柱形的超导线圈由于均勻度的需要，只能提供长度大于1. 25m以上的磁体，长度更短的磁体的造价和制作技术难度较大，使用NbTi材料的超导线圈达不到可接受的程度，因此需要发明新的技术和方法来克服这种问题。近年来核磁共振磁体技术的快速发展，导致了许多新型结构磁体系统的出现，发展超短腔或”C “形结构的磁体系统是其中最重要的内容之一，其实现全开放式磁体结构以适合于医疗诊断和介入治疗使用，对于病人而言不会产生幽闭症。多对线圈组成的无铁磁屏蔽的开放式的超导磁体结构可以克服现有技术问题，并通过使用优化设计方法可以极大获得系统的开放空间。中国专利200810114736. 6提出了一种磁共振成像超导磁体设计的离散化方法。 该方法通过加权法设置目标函数，综合考虑磁场强度、磁场均勻度，杂散场范围，用线量，制作误差等指标，采用离散变量作为优化变量。美国专利文献中(US6140900A1)提出了基于电流密度分布和非线性优化获得最终的线圈分布的方法，以决定超导磁体的结构。中国专利200910082180. 1根据圆柱电流层分布设计主线圈，然后以主线圈为背景，加入屏蔽线圈确定超导磁体结构。EP0304188A2根据线圈的球谐分量展开式，建立均勻磁场方程和杂散场方程，然后采用蒙特卡罗法优化得到线圈结构。这些方法主要针对某一类磁体效果较好，如圆柱形磁体的设计，对于开放性磁体设计适用性不强，得到的磁体结构往往总电流过大，最高磁场偏大，难以实施。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种开放式核磁共振超导磁体的设计方法，本发明设计的磁体具有磁场自屏蔽和较大的开放空间等优点，适合于医疗诊断和介入治疗使用。本发明根据超导磁体设计参数，如磁体空间体积大小和中心区场强，确定求解区域。根据设定的约束条件，如均勻区球域(DSV)内的均勻度高于lOOOppm，从求解区域搜索设计计算得到η对种子线圈和其位置。本发明方法首先把螺线管线圈简化成电流圆环，称为种子线圈。通过正则化方法求解得到种子线圈的安匝数，即总电流，选择一定的工作电流密度，确定种子线圈的截面， 确定了截面积的种子线圈称为初始线圈。初始线圈结构确定了超导磁体的主磁场的基本线圈结构。本发明提出ー种使用搜索种子线圈的设计方法，即根据超导磁体的设计參数，确 定求解区域，再根据设定的约束条件，从求解区域捜索计算得到种子线圈的数量和位置。然 后通过正则化方法求解得到种子线圈的安匝数，选择一定的工作电流密度，确定种子线圈 截面，形成初始线圈的结构。以初始线圈为主磁场线圏，再在初始线圈的外围加入屏蔽线 圈，进一步优化后使核磁共振超导磁体产生的磁场满足磁体均勻区球域(DSV)内的磁场均 勻度和杂散磁场场强的要求。本发明种子线圈可由3对或3对以上离散的电流圆环组成。本发明3对或3对以上结构的初始线圏，通常产生的磁场均勻度在IOOOppm(ppm， 百万分之一)以下，均可以满足核磁共振的较高的磁场均勻度要求。本发明设计方法的具体步骤为步骤1、捜索确定种子线圈的数量和原始位置在约束条件下，首先采用优化策略，将求解的种子线圈设计为3对及以上的离散 的电流圆环，从求解区域⑴内捜索求解获得种子线圈的位置(r，z)；把种子线圈视作电 流圆环，每个电流圆环电流为Ii,柱坐标下电流圆环的中心位置为(ri，Zi)，i = 1，...，N，N 为电流圆环的数目；电流圆环在均勻区球域边缘采样点产生的磁场用矩阵表示为MI =ル， 其中，矩阵M为与电流环位置相关的系数，总电流I = [I1, I2,..., IN]，I是N维向量，其中 I1, I2, ... , In表示每个电流圆环的电流值，も为均勻区边缘磁场，も为常向量Bd= [B0, B0, . . . ]T，Btl为中心磁场，向量的维数为均勻区球域边缘采样点数；然后建立正则化处理， (M1M+a LtL) I =M\，其中，变量Mt代表M向量的转置，L为单位矩阵，a为正则化因子，求 解上式得到电流圆环的总电流I，根据电流环空间坐标和电流值，便得到空间电流连续分布 曲线；根据电流连续分布曲线，得到种子线圈数量和原始位置；步骤2、求解种子线圈安匝数，即确定种子线圈的总电流I 把种子线圈安匝数的计算转化为线性问题，采用正则化的方法或线性优化的方法 求解；目标函数
权利要求
1.一种开放式核磁共振超导磁体设计方法，其特征在于，所述的设计方法使用搜索种子线圈的方法，即根据所述的核磁共振超导磁体的设计参数确定求解区域，再根据设定的约束条件，从求解区域搜索计算得到种子线圈的数量和位置；然后通过正则化方法求解得到种子线圈的安匝数，选择工作电流密度，确定种子线圈截面，形成初始线圈的结构；再以初始线圈为主磁场线圈，加入屏蔽线圈，进一步优化后使所述的核磁共振超导磁体产生的磁场满足磁体均勻区球域内的磁场均勻度和杂散磁场的要求。
2.按照权利要求1所述的开放式核磁共振超导磁体设计方法，其特征在于，所述设计方法的具体步骤为步骤1、搜索确定种子线圈的数量和原始位置在约束条件下，首先采用优化策略，将求解的种子线圈设计为3对以上的离散的电流圆环；从求解区域⑴内搜索求解获得种子线圈的位置(r，ζ)；把种子线圈视作电流圆环， 每个电流圆环电流为Ii,柱坐标下电流圆环的中心位置为(^，Zi)，i = 1，. . .，N，N为电流圆环的数目；电流圆环在均勻区球域边缘采样点产生的磁场用矩阵表示为MI = ，其中，矩阵M为与电流环位置相关的系数，总电流I= [I1,12，...，In]，I是N维向量，其中I1,12，...， In表示每个电流圆环的电流值，Bd为均勻区边缘磁场，Bd为常向量=Bd = [B0, B0, . . . ]T，B0 为中心磁场，向量的维数为均勻区球域边缘采样点数；然后建立正则化处理，(ΜΤΜ+α LTL) I = Μ\，其中，变量Mt代表M向量的转置，L为单位矩阵，α为正则化因子，求解上式得到电流圆环的总电流I，根据电流环空间坐标和电流值，便得到空间电流连续分布曲线；根据电流连续分布曲线，得到种子线圈数量和原始位置；步骤2、求解种子线圈安匝数，即确定种子线圈的总电流I 把种子线圈安匝数的计算转化为线性问题，采用正则化的方法或线性优化的方法求解；目标函数NminZh7J，i=l约束条件Ax <b< IHnIxlO6 <￡nB0lb <x <ub式中对于Ax ( b为线性约束，即约束电流环几何参数；其中，A是位置矩阵，b是位置约束值；Bmax、Bmin分别为均勻区球域边缘采样点的最大和最小磁场，Btl为希望得到的中心磁场，ε。为预先设定的均勻度；Ib < χ < ub是边界约束，其中Ib为约束下边界，ub为上边界；然后将电流参量并入到求解变量中得到I，其中χ待求解变量X= LrijZijIi;! = 1,2, 3....Ν' ],ri; Zi是线圈中心位置坐标，Ii是第i个种子线圈的总电流，N’是种子线圈的数目，i是对应各个电流环的下标；步骤3、由种子线圈电流位置(ri，Zi)和总电流I，求解种子线圈的截面积s = I/J，J为选取的工作电流密度，获得种子线圈的截面后，形成初始线圈的结构和位置；步骤4、获得初始线圈的截面积后，得到初始线圈截面参数rc;i，zci, Wi，其中r。i，zci为线圈中心位置，hi; Wi为线圈高度和宽度；以步骤3得到的初始线圈的结构作为主磁场背景线圈，rci, zci, Wi作为优化变量，对均勻区球域的均勻度进一步优化以均勻区球域均勻度、杂散磁场为目标，采用非线性优化方法得到初始线圈的优化后的安匝数、位置以及截面尺寸参数，使初始线圈产生的磁场满足MRI成像的要求；所述的初始线圈的非线性优化模型为目标函数mmF(x) = i/(x)/(x) = IXy:2(x)约束条件UKrci,Zci^hi) < (rci,ZcirW^hi) < ubir^z^w^)χ = (rci, zci, hi; Wi)为优化变量，f(x)为目标点的实际磁场和设计值的偏差函数， Jc(Bmax)为导线临界电流密度，IMrc^zei, Wi，。和UMrcPZci^hi)分别为下边界条件和上边界约束条件；再在初始线圈的外围加入一对通反向电流的线圈作为屏蔽线圈。然后优化所述的屏蔽线圈的截面参数和位置，使所述的屏蔽线圈的5GauSS线在一定范围之内，所述的屏蔽线圈的优化模型如下目标函数■ F = \H{BJStray — ^GaUSsf约束条件lb Cr1, Z1, r2, z2) ( Cr1, Z1, r2, z2) ( ub Cr1, Z1, r2, z2)其中，杂散场线的磁感应强度，杂散磁场场强为5GauSS ； (ri; Z1, r2, z2)是屏蔽线圈的截面坐标；lb(r1; Z1, r2, Z2))和IibOv Z1, r2, z2))分别为下边界条件和上边界约束条件；得到初始的屏蔽线圈以后，均勻区球域内的不均勻度会增加，需要再次优化，优化模型如下目标函数min^=去 Σ (Μ2 (Χ) + (BJStray _ ^GaUSsf )约束条件lb Cr1, Z1, r2, z2) ( Cr1, Z1, r2, z2) ( ub Cr1, Z1, r2, z2)其中，Co1和《2是权系数；经计算得到所需的杂散磁场和均勻度，得到所述的开放式核磁共振超导磁体结构的设计结果。
全文摘要
一种开放式核磁共振超导磁体设计方法。所述的设计方法使用搜索种子线圈的方法，即根据所述的核磁共振超导磁体的设计参数确定求解区域，再根据设定的约束条件，从求解区域搜索计算得到种子线圈的数量和位置；然后通过正则化方法求解得到种子线圈的安匝数，选择工作电流密度，确定种子线圈截面，形成初始线圈的结构；再以初始线圈为主磁场线圈，加入屏蔽线圈，进一步优化后使所述的核磁共振超导磁体产生的磁场满足磁体均匀区球域内的磁场均匀度和杂散磁场的要求。
文档编号G01R33/3815GK102376410SQ201110355848
公开日2012年3月14日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者严陆光, 戴银明, 王春忠, 王晖, 王秋良, 胡新宁 申请人:中国科学院电工研究所