专利名称：一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁共振成像的超导磁体系统的设计方法。
背景技术：
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术，其具有无电磁辐射、图像对比度高以及可以任意方向断层成像等优点，使得其跻身于医学影像设备之首。
1946年斯坦福大学的弗莱利克斯 布洛赫(Flelix Bloch)和哈佛大学的爱德华 拍塞尔(Edward Purcell)各自独立发现了核磁共振现象。在恒定磁场中的具有自旋的原子核受射频幅射照射，当射频频率等于原子核在恒定磁场中的进动频率时产生的共振吸收现象。美国人雷蒙 达曼迪安(Raymond Damadian)于1972年3月17日提出了专利申请，并在1974年2月5日获得了美国第3789832号专利，将核磁共振用于医学临床检测，发明了磁共振成像技术。它利用核磁共振激发所选择的人体组织原子核处于高能状态，当 高频电磁场去除后，其返回平衡状态时就会产生射频脉冲信号，用探测器检测这些信号，并将其输入计算机，经过处理转换，在屏幕上显示重建图像。他的巨大贡献为今天磁共振成像的迅速发展奠定了基础。MRI系统核心部件主要由磁体系统、谱仪系统、计算机系统以及图像显示系统组成，其中磁体系统是磁共振成像系统最重要、造价最高的部件。磁体系统的作用是在一个成像区域(通常是球形)产生一个高场强、高均匀度以及高稳定性的空间磁场分布，使得处于磁场中人体内部的氢原子核被磁化，再通过射频线圈产生射频信号，使得氢原子发生共振吸引，再停止射频激发，使得氢原子所被吸收的能量释放出来以被信号接收器件捕捉，最后通过图像处理后显示的成像过程，所成图像分辨率和磁场强度成正比关系。MRI技术经过30多年发展，超导磁体系统的设计技术有了较大的发展，由早期的“被动屏蔽、磁场低、均匀度差和磁体系统长度过长”发展到现今的“主动屏蔽、磁场高、均匀度高且磁体系统长度较短”，这得益于超导技术和低温技术的迅猛发展。MRI超导磁体系统设计的发展趋势朝着短腔、高磁场、自屏蔽的方向发展。MRI磁体设计人员一直追求通过长度较短的磁体系统在一个较大的球形成像区域(Diameter of Spherical Volume, DSV)产生高场强和高均勻度的磁场分布。峰峰值磁场均勻度(peak-to-peak homogeneity, Hpp) 一般表征为高均勻度磁体系统的性能,定义为DSV内最高和最低磁场值的差值与平均值的比值，即Hpp=(Bmax-Bmin)/mean (B) XlO6，单位为ppm (parts per million, ppm)。对于磁共振成像系统来说,一般DSV要求在直径为4(T50cm的成像球形区域产生磁场峰峰值不均匀度优于IOppm的高均匀度磁场分布。早期的MRI系统，其磁体系统达两米多长，病人在做磁共振检测普遍表现出紧张和担心，临床上把这种现象称之为幽闭症。为了降低幽闭症这种现象，MRI磁体系统设计一直朝着如何使得磁体系统长度降低且不降低成像区域大小和磁场均匀度的方向发展，如1989年一台I. 5T MRI系统，长度高达2. 4m,重量为13t ;而2009年，同样是I. 5T系统，长度锐减至I. 37m,重量为3.2t。然而磁体系统过短，会带来其他一些问题，如均匀度难实现、电磁应力较大以及由线圈结构紧凑所带来的建造困难等问题，因此MRI磁体系统设计是对多个参数均衡考虑的过程。MRI超导磁体系统的设计参数主要包括①欲布置线圈的空间尺寸；②成像区域大小、形状、中心磁场强度和磁场峰峰值不均匀度；③屏蔽技术和5高斯杂散场范围；④线圈中最高磁场强度和电流安全裕度。这些参数成为决定MRI超导磁体性能优劣的主要指标。①欲布置线圈的空间尺寸一般为具有矩形截面的空间螺线管形空间，空间尺寸主要由内径rmin、外径以及长度L限制。空间内径决定了磁体系统的最小内径，决定了最终磁体系统的室温孔径大小和和病人诊断过程中的舒适程度；外径相应地决定了磁体系 统的外径，磁体系统外径的大小决定了整个系统造价和占地空间；而空间长度则决定了磁体系统的最终长度，是降低幽闭症现象的决定因素。②成像区域大小、形状、中心磁场强度和磁场峰峰值不均匀度成像区域一般为直径40cnT50cm球形体，可满足全身成像的需求；中心磁场强度决定了成像的分辨率，I. 5T和3T为目前市场的主流产品，磁场的峰峰值不均匀度一般要求优于IOppm即可满足成像需求。③屏蔽技术和5高斯杂散场范围屏蔽技术一般分为被动屏蔽和主动屏蔽技术，磁场屏蔽是为了屏蔽MRI产生的磁场对周围环境的影响，如磁化周围铁磁物质产生磁场耦合影响MRI磁场均匀度、对周围电子产品的影响以及人体的心脏起搏器的干扰。被动屏蔽即在MRI周围通过铁磁物质构成磁场回路，将铁磁物质外的磁场控制在一定的范围内，这种技术使得MRI占地面积大、安装不便且易受到温度等环境因素影响的缺点，但磁体结构较为简单且磁体造价大幅降低，早期产品很多采取这种方式屏蔽磁场；随着磁体设计技术的不断发展，可通过在磁体系统的外层添加一对或者多对反向电流线圈以达到屏蔽杂散场的作用，这种设计使得磁体系统占地面积大幅降低，但线圈结构较被动屏蔽磁体系统复杂。目前，市场上的商业产品大部分均米取主动屏蔽方式。杂散场一般制要求在一个椭球体外磁场强度小于5高斯。④线圈中最高磁场强度和电流安全裕度线圈在通电状态下，在空间会产生磁场分布，而通电线圈在磁场中则会产生电磁力的作用，磁场越大线圈受到的电磁力越大，电磁力过大则会削弱超导线圈的性能，甚至破坏超导磁体，因此，为避免线圈所受电磁力过大，通常限制线圈中最高磁场小于8T ;线圈的工作点，包括线圈的运行电流(Iop)和线圈中最高磁场(Bmax)，结合所选用超导线的临界特性，计算出该工作点对应的临界点(Ic，Bc)，通过工作电流与临界电流的比值计算出磁体系统的电流安全裕度，通常，电流安全裕度设置小于80%。磁共振成像系统中超导磁体设计的难点是在一个狭小空间设计出能够产生高磁场和高均匀度的磁场分布。而磁体设计的参数是彼此矛盾的，磁体长度越短，成像区域均匀度越难实现且磁体结构越复杂。因此，对于磁体系统设计人员需要均衡利弊，选择适合的设计参数，设计出满足要求的磁共振成像超导磁体系统，磁体系统的设计本质上是电磁场问题的求解过程。电磁场问题的求解可以分为两类，一类为电磁场的正问题即根据空间中的电流源分布计算出空间的电磁场分布情况；另一类为电磁场的逆问题是根据空间的所需的电磁场分布情况，求解出空间的电流源位置。早期，磁体设计人员利用电磁场正问题的求解方法，通过螺线管线圈所产生的磁场分布特征，在空间中拼凑多个线圈来提高磁体系统所产生的磁场均匀度，其工作量大且很难满足要求。随着计算机技术的计算能力迅速提高，设计人员不断通过多种数值优化算法用以求解电磁场逆问题，如蒙特卡罗、模拟退火算法、遗传算法等，数值优化算法可分为全局优化算法和局部优化算法。全局优化算法在整个空间求解全局最优解，但由于计算速度较慢，磁体设计人员难以及时有效地修改程序，使得磁体设计效率较低。局部优化算法根据参数的初始值优化计算出线圈各参数，然而初始值的选取对能否求解出全局最优解起到决定作用。多年来，设计人员一直尝试如何求解出合理的初始值并结合局部优化算法来设计更加合理的磁体系统，使整个设计过程具有较高的计算效率且可实现全局最优解。2001年，Huawei Zhao博士提出一种多层电流密度的设计方法,用以设计紧凑型磁共振成像磁体系统。他提出在欲布置线圈的空间划分成多层结构，在每层上划分出若干个源点，每个源点代表一个理想电流圆环，通过正则化数值方法求解出满足磁体系统要求的所有源点位置处的电流分布曲线，并将电流分布曲线的峰值位置作为螺管线圈的初始位置，再结合非线性优化算法，最终求解出满足系统设计要求的磁体系统。该设计方法的优点为通过分层的方法得到线圈位置的初始值，再通过局部优化算法设计出满足要求的磁体系统；然而，其弊端在于分层位置选择的盲目性，线圈结构难以确保为全局最优解；一个磁体设计方案需运行4 10小时。2009年，Quang M. Tieng博士提出一种基于磁体系统储能最小的全局最优设计方法。首先，在欲布置空间进行网格划分，每个代表一螺管线圈，计算在满足系统要求且磁体系统储能最小情况下，所有网格中的电流分布图；同样在电流分布的峰值位置处，合理布置线圈初始位置，结合序列二次规划算法求解出满足系统要求的磁体系统。该设计方法的优点为在整个欲布置线圈空间得到了全局最优的初始值，线圈结构更加合理；然而，该方法的弊端在于通过储能最小方法计算的电流分布图中网格电流为连续变化曲面，难以界定每个螺管线圈的初始位置。
发明内容
为了克服现有磁共振超导磁体系统在电磁设计上效率较低且难以实现最优化设计的缺点，本发明提出一种结合线性规划算法和非线性优化算法的混合设计方法，通过效率较高的线性规划算法得到线圈的初始位置，再结合非线性优化算法设计出线圈的最终参数。采用本发明设计的磁共振超导磁体系统具有效率高、线圈结构简单紧凑以及造价低等优点。根据用户需求确定欲布置线圈的空间范围，一般为具有矩形截面的螺线管型区域，矩形截面的尺寸由内径、外径以及长度决定，通过本发明方法，可在该区域内得到全局最优的线圈结构和空间位置，包括内层线圈和外层屏蔽线圈。本发明方法的步骤如下首先，通过线性规划算法设计出满足线圈体积最小的网格点处的电流分布，形成电流分布图。根据用户需求，事先定义欲布置线圈的空间范围，此空间范围的截面形状一般均为矩形。然后对该截面分别在径向和轴向进行连续网格划分，每个网格点处视为一个理想、电流圆环，电流圆环的电流值可为正值、负值或者零；同时将球形成像区域和5高斯椭球表面均匀划分为若干个目标点，将每个空间截面划分得到的网格点处的电流圆环的电流值设为优化变量，约束球形成像区域表面上目标点处的磁场均匀度满足设计要求，同时约束5高斯椭球面目标点处的磁场值小于或等于5高斯，通过线性规划算法计算出满足线圈体积最小的网格点处的电流分布，形成电流分布图。该电流分布图中大部分网格点处的电流值为零，只有少数电流值不为零，且聚集在一起形成非零电流簇，根据非零电流簇在空间的分布情况，将正向电流螺线管线圈布置于非零电流簇的正值位置，将反向电流螺线管线圈布置于非零电流簇的负值位置，符合实际磁体系统通过多个电流大小相同的分离螺线管线圈组成的要求，通过非零电流簇的位置和总电流大小可以构造出每个螺线管线圈的初始位置和尺寸。再对整个欲布置线圈的空间范围进行二维网格划分，每个二维网格点的电流均为优化变量，保证了求解结果为全局最优解，将求解结果作为第二步非线性优化算法的初始值，从而弥补了局部优化算法在初始值选取上的盲目性。其次，通过非线性优化算法，在第一步得到的电流分布图的基础上合理布置螺线管线圈，给定电流密度，优化其线圈尺寸，得到最终最优线圈结构。 通过第一步线性规划算法得到的非零电流簇分布情况，可知需构造成螺线管线圈的数目和初始位置，通过非线性优化算法计算出满足系统设计要求的最终线圈结构参数。优化变量为螺线管线圈的参数(rinnOT(i), (i), Zleft (i), zHght (i), i=l, 2，. . .，N),其中 N为螺线管线圈数目，rinnOT为线圈的内半径，Iwto为线圈的外半径，Zlrft为线圈的一个端部轴向位置；％ight为线圈另一个端部轴向位置；目标函数为所有螺线管线圈的总体积；球形成像区域表面和5高斯杂散场处的目标点磁场约束条件和第一步线性规划相同；同时对所有螺线管线圈中的最高磁场进行约束；根据计算出的螺线管线圈中最高磁场和所选用的超导线性能，对整个磁体系统的运行电流安全裕度进行约束，保证系统运行的安全性；对线圈间的轴向尺寸进行约束，使得线圈间距大于一定间隔，避免了线圈间的相互重叠，便于线圈的建造。本发明大大提高了传统磁共振超导磁体的设计效率，整个设计仅需20分钟左右，第一步需5分钟左右，第二步需15分钟左右。设计出的超导磁体系统所需的超导线用量最少，降低了整个系统的造价；同时线圈系统的结构简单，易于建造和安装，电流安全裕度约束为整个系统的稳定运行提供了保障。
图I为本发明混合优化设计方法流程图；图2为欲布置线圈的空间范围以及球形成像区域和5高斯杂散场区域的示意图，上半部分为线性规划算法中的二维连续网格示意图，下半部分为非线性优化算法中离散螺线圈线圈示意图；图3为通过线性规划算法得到的网格点处的电流分布图，分布图中含有多个正、负值交替的非零电流簇，正值表示为通以正向电流线圈，负值表示通以反向电流线圈，零则该处不需布置线圈；图4为线性规划算法得到的DSV表面上目标点处的磁场均匀度分布图；图5为线性规划算法得到的椭球面杂散场分布图，磁场值均小于5高斯；
图6为线性规划算法得到的电流分布图中非零电流簇离散成螺线管线圈的初始位置和尺寸；图7为非线性优化算法优化得到的最终线圈结构图，其中黑色区域表示线圈通电方向为正向，而白色区域则表示通电方向为负向；
图8为非线性优化算法优化得到的DSV表面磁场均匀度分布图；图9为非线性优化算法得到的椭球面杂散场分布图；图10为磁体的电流运行安全裕度，其中线圈运行点对应的励磁线与超导线的临界曲线的交点为运行点对应的临界点；图11为磁体系统在空间中所产生的磁场分布；图12为内层端部线圈中的磁场分布。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。以下是一个短腔、自屏蔽超导磁体系统的设计实施例磁体系统需在直径为50cm球形成像区域产生中心磁场为I. 5T的磁场分布,其磁场峰峰值均勻度需优于IOppm ；5高斯线杂散场约束在一个椭球形区域内，其长半轴长度为5m,短半轴为4m ;线圈内半径不小于0. 40m、外半径不大于0. 80m、长度短于I. 15m ;线圈中最高磁场小于8T,电流安全裕度需低于 80%。首先，由最小线圈内径、最大线圈外径以及线圈最大长度确定了欲布置线圈的空间范围，即0. 40m<=r<=0. 80m, -0. 575m<=z<=0. 575m，其中r为欲布置线圈空间范围的径向位置范围，z为欲布置线圈空间范围的轴向位置范围。在该矩形截面的欲布置线圈区域进行二维连续网格划分，轴向和径向分布均匀划分80和40等份，共3200个网格，每个网格点代表一个理想电流圆环；由于磁体系统为轴对称结构，因此仅需对球形成像区域表面和杂散场的椭球表面的1/4边界线均匀划分51等份作为目标点即可。如图2所示，计算出每个理想电流圆环在球形成像区域目标点处加载单位电流时所产生的磁场贡献矩阵Azd，同时计算出5高斯杂散场椭球表面目标点处的轴向磁场贡献矩阵Azs和径向磁场贡献矩阵Are，矩阵大小均为51X3200 ;优化变量为所有网格处的电流值I，I=LI1, I2,, I3200] ’ ；假设所有网格点处的电流密度相同，则理想电流圆环可通过具有一定横截面的螺线管线圈来表示，建立线性规划数学模型，目标函数设置为所有网格点处螺线管线圈的总体积；将球形成像区域表面的目标点处的轴向磁场的峰峰值均匀度设置为20ppm、5高斯线椭球面上的目标点的轴向磁场和径向磁场值均设置低于5高斯；所用超导线截面积为4. 5312mm2，该超导线在9T背场下临界电流为950A，设定线圈的运行电流密度为148MA/m2。欲布置线圈在空间中第i个网格处，其径向位置为1^，该处代表的螺线管横截面为Ai，则体积Vi为2 & XAi,假定电流密度相同，则线圈总体积为
40x8(jV = 2kJ V /； |/；|
t I因此，建立线性规划数学模型如下所示
40x^0目标函数:P= 2,./ I /; |/, I
r~l
约束条件
权利要求
1.一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，所述方法结合线性规划算法和非线性优化算法在欲布置线圈的空间范围内求解出超导线用线量最少的全局最优的线圈结构；首先，在欲布置线圈的空间进行二维连续网格划分，每个网格点视为一个理想电流圆环，将成像球形区域和5高斯杂散场椭球表面均匀划分为若干个目标点，计算所有网格处的理想电流圆环在载有单位电流的情况下，在所有目标点处产生的磁场值；将成像区域的磁场均匀度以及5高斯杂散场的限制设置为约束条件，通过线性规划算法计算出满足约束条件且线圈总体积最小的网格点处的电流分布图；其次，根据电流分布图得到非零电流簇的数目和空间位置，将每个非零电流簇离散成螺线管线圈，并将其初始位置作为非线性优化算法的初始值，优化变量为每个螺线管线圈的内、外半径以及两个端部的轴向位置，将球形成像区域的磁场均匀度、5高斯杂散场的限制范围、线圈中最高磁场强度以及线圈运行的电流安全裕度设为约束条件，通过非线性优化算法计算出所有线圈总体积最小的线圈位置。
2.根据权利要求I所述的磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，所述的欲布置线圈的空间范围是具有矩形截面的螺线管形状的区域，该区域主要由矩形截面的内径、外径以及长度决定，最终所有线圈都包含于该区域内。
3.根据权利要求I或2所述的磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，所述的在欲布置线圈的空间进行二维连续网格划分，是在欲布置线圈的空间范围内，将矩形截面沿着径向和轴向方向分别划分若干等份，形成二维连续空间网格点。
4.根据权利要求I所述的磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，所述的网格电流分布图给出了每个网格点处的电流大小和方向，并且大部分网格点处的电流值为零，少部分网格的电流不为零且聚集在一起形成边界清晰的非零电流簇。
5.根据权利要求I或4所述的磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，根据非零电流簇在空间的分布情况，将正向电流螺线管线圈布置于非零电流簇的正值位置，将反向电流螺线管线圈布置于非零电流簇的负值位置。
全文摘要
一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法，该方法结合线性规划和非线性优化算法在欲布置线圈的空间范围内进行全局优化搜索线圈的最佳位置，可对成像区域的形状和磁场均匀度、杂散场的限制范围和强度、电流安全裕度以及线圈中最高磁场强度进行约束，设计出的线圈具有造价低和结构简单等优点。
文档编号G01R33/38GK102707250SQ201210147319
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月11日 优先权日2012年5月11日
发明者严陆光, 倪志鹏, 王秋良 申请人:中国科学院电工研究所