專利名稱：一種開放式核磁共振超導(dǎo)磁體的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體的設(shè)計方法，特別開放式核磁共振超導(dǎo)磁體的設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的核磁共振磁體系統(tǒng)主要使用多個圓柱形的超導(dǎo)線圈同軸放置形成，磁體系統(tǒng)在50cm球形范圍內(nèi)磁場均勻度小于lppm。從介入治療以及醫(yī)學診斷技術(shù)的發(fā)展來看，需要一種處于完全開放的磁體系統(tǒng)，以適應(yīng)醫(yī)學介入治療的需要。圓柱形的超導(dǎo)線圈由于均勻度的需要，只能提供長度大于1. 25m以上的磁體，長度更短的磁體的造價和制作技術(shù)難度較大，使用NbTi材料的超導(dǎo)線圈達不到可接受的程度，因此需要發(fā)明新的技術(shù)和方法來克服這種問題。近年來核磁共振磁體技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了許多新型結(jié)構(gòu)磁體系統(tǒng)的出現(xiàn)，發(fā)展超短腔或”C “形結(jié)構(gòu)的磁體系統(tǒng)是其中最重要的內(nèi)容之一，其實現(xiàn)全開放式磁體結(jié)構(gòu)以適合于醫(yī)療診斷和介入治療使用，對于病人而言不會產(chǎn)生幽閉癥。多對線圈組成的無鐵磁屏蔽的開放式的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)可以克服現(xiàn)有技術(shù)問題，并通過使用優(yōu)化設(shè)計方法可以極大獲得系統(tǒng)的開放空間。中國專利200810114736. 6提出了一種磁共振成像超導(dǎo)磁體設(shè)計的離散化方法。 該方法通過加權(quán)法設(shè)置目標函數(shù)，綜合考慮磁場強度、磁場均勻度，雜散場范圍，用線量，制作誤差等指標，采用離散變量作為優(yōu)化變量。美國專利文獻中(US6140900A1)提出了基于電流密度分布和非線性優(yōu)化獲得最終的線圈分布的方法，以決定超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)。中國專利200910082180. 1根據(jù)圓柱電流層分布設(shè)計主線圈，然后以主線圈為背景，加入屏蔽線圈確定超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)。EP0304188A2根據(jù)線圈的球諧分量展開式，建立均勻磁場方程和雜散場方程，然后采用蒙特卡羅法優(yōu)化得到線圈結(jié)構(gòu)。這些方法主要針對某一類磁體效果較好，如圓柱形磁體的設(shè)計，對于開放性磁體設(shè)計適用性不強，得到的磁體結(jié)構(gòu)往往總電流過大，最高磁場偏大，難以實施。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種開放式核磁共振超導(dǎo)磁體的設(shè)計方法，本發(fā)明設(shè)計的磁體具有磁場自屏蔽和較大的開放空間等優(yōu)點，適合于醫(yī)療診斷和介入治療使用。本發(fā)明根據(jù)超導(dǎo)磁體設(shè)計參數(shù)，如磁體空間體積大小和中心區(qū)場強，確定求解區(qū)域。根據(jù)設(shè)定的約束條件，如均勻區(qū)球域(DSV)內(nèi)的均勻度高于lOOOppm，從求解區(qū)域搜索設(shè)計計算得到η對種子線圈和其位置。本發(fā)明方法首先把螺線管線圈簡化成電流圓環(huán)，稱為種子線圈。通過正則化方法求解得到種子線圈的安匝數(shù)，即總電流，選擇一定的工作電流密度，確定種子線圈的截面， 確定了截面積的種子線圈稱為初始線圈。初始線圈結(jié)構(gòu)確定了超導(dǎo)磁體的主磁場的基本線圈結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出ー種使用搜索種子線圈的設(shè)計方法，即根據(jù)超導(dǎo)磁體的設(shè)計參數(shù)，確 定求解區(qū)域，再根據(jù)設(shè)定的約束條件，從求解區(qū)域捜索計算得到種子線圈的數(shù)量和位置。然 后通過正則化方法求解得到種子線圈的安匝數(shù)，選擇一定的工作電流密度，確定種子線圈 截面，形成初始線圈的結(jié)構(gòu)。以初始線圈為主磁場線圏，再在初始線圈的外圍加入屏蔽線 圈，進一步優(yōu)化后使核磁共振超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場滿足磁體均勻區(qū)球域(DSV)內(nèi)的磁場均 勻度和雜散磁場場強的要求。本發(fā)明種子線圈可由3對或3對以上離散的電流圓環(huán)組成。本發(fā)明3對或3對以上結(jié)構(gòu)的初始線圏，通常產(chǎn)生的磁場均勻度在IOOOppm(ppm， 百萬分之一)以下，均可以滿足核磁共振的較高的磁場均勻度要求。本發(fā)明設(shè)計方法的具體步驟為步驟1、捜索確定種子線圈的數(shù)量和原始位置在約束條件下，首先采用優(yōu)化策略，將求解的種子線圈設(shè)計為3對及以上的離散 的電流圓環(huán)，從求解區(qū)域⑴內(nèi)捜索求解獲得種子線圈的位置(r，z)；把種子線圈視作電 流圓環(huán)，每個電流圓環(huán)電流為Ii,柱坐標下電流圓環(huán)的中心位置為(ri，Zi)，i = 1，...，N，N 為電流圓環(huán)的數(shù)目；電流圓環(huán)在均勻區(qū)球域邊緣采樣點產(chǎn)生的磁場用矩陣表示為MI =ル， 其中，矩陣M為與電流環(huán)位置相關(guān)的系數(shù)，總電流I = [I1, I2,..., IN]，I是N維向量，其中 I1, I2, ... , In表示每個電流圓環(huán)的電流值，も為均勻區(qū)邊緣磁場，も為常向量Bd= [B0, B0, . . . ]T，Btl為中心磁場，向量的維數(shù)為均勻區(qū)球域邊緣采樣點數(shù)；然后建立正則化處理， (M1M+a LtL) I =M\，其中，變量Mt代表M向量的轉(zhuǎn)置，L為單位矩陣，a為正則化因子，求 解上式得到電流圓環(huán)的總電流I，根據(jù)電流環(huán)空間坐標和電流值，便得到空間電流連續(xù)分布 曲線；根據(jù)電流連續(xù)分布曲線，得到種子線圈數(shù)量和原始位置；步驟2、求解種子線圈安匝數(shù)，即確定種子線圈的總電流I 把種子線圈安匝數(shù)的計算轉(zhuǎn)化為線性問題，采用正則化的方法或線性優(yōu)化的方法 求解；目標函數(shù)
權(quán)利要求
1.一種開放式核磁共振超導(dǎo)磁體設(shè)計方法，其特征在于，所述的設(shè)計方法使用搜索種子線圈的方法，即根據(jù)所述的核磁共振超導(dǎo)磁體的設(shè)計參數(shù)確定求解區(qū)域，再根據(jù)設(shè)定的約束條件，從求解區(qū)域搜索計算得到種子線圈的數(shù)量和位置；然后通過正則化方法求解得到種子線圈的安匝數(shù)，選擇工作電流密度，確定種子線圈截面，形成初始線圈的結(jié)構(gòu)；再以初始線圈為主磁場線圈，加入屏蔽線圈，進一步優(yōu)化后使所述的核磁共振超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場滿足磁體均勻區(qū)球域內(nèi)的磁場均勻度和雜散磁場的要求。
2.按照權(quán)利要求1所述的開放式核磁共振超導(dǎo)磁體設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計方法的具體步驟為步驟1、搜索確定種子線圈的數(shù)量和原始位置在約束條件下，首先采用優(yōu)化策略，將求解的種子線圈設(shè)計為3對以上的離散的電流圓環(huán)；從求解區(qū)域⑴內(nèi)搜索求解獲得種子線圈的位置(r，ζ)；把種子線圈視作電流圓環(huán)， 每個電流圓環(huán)電流為Ii,柱坐標下電流圓環(huán)的中心位置為(^，Zi)，i = 1，. . .，N，N為電流圓環(huán)的數(shù)目；電流圓環(huán)在均勻區(qū)球域邊緣采樣點產(chǎn)生的磁場用矩陣表示為MI = ，其中，矩陣M為與電流環(huán)位置相關(guān)的系數(shù)，總電流I= [I1,12，...，In]，I是N維向量，其中I1,12，...， In表示每個電流圓環(huán)的電流值，Bd為均勻區(qū)邊緣磁場，Bd為常向量=Bd = [B0, B0, . . . ]T，B0 為中心磁場，向量的維數(shù)為均勻區(qū)球域邊緣采樣點數(shù)；然后建立正則化處理，(ΜΤΜ+α LTL) I = Μ\，其中，變量Mt代表M向量的轉(zhuǎn)置，L為單位矩陣，α為正則化因子，求解上式得到電流圓環(huán)的總電流I，根據(jù)電流環(huán)空間坐標和電流值，便得到空間電流連續(xù)分布曲線；根據(jù)電流連續(xù)分布曲線，得到種子線圈數(shù)量和原始位置；步驟2、求解種子線圈安匝數(shù)，即確定種子線圈的總電流I 把種子線圈安匝數(shù)的計算轉(zhuǎn)化為線性問題，采用正則化的方法或線性優(yōu)化的方法求解；目標函數(shù)NminZh7J，i=l約束條件Ax <b< IHnIxlO6 <￡nB0lb <x <ub式中對于Ax ( b為線性約束，即約束電流環(huán)幾何參數(shù)；其中，A是位置矩陣，b是位置約束值；Bmax、Bmin分別為均勻區(qū)球域邊緣采樣點的最大和最小磁場，Btl為希望得到的中心磁場，ε。為預(yù)先設(shè)定的均勻度；Ib < χ < ub是邊界約束，其中Ib為約束下邊界，ub為上邊界；然后將電流參量并入到求解變量中得到I，其中χ待求解變量X= LrijZijIi;! = 1,2, 3....Ν' ],ri; Zi是線圈中心位置坐標，Ii是第i個種子線圈的總電流，N’是種子線圈的數(shù)目，i是對應(yīng)各個電流環(huán)的下標；步驟3、由種子線圈電流位置(ri，Zi)和總電流I，求解種子線圈的截面積s = I/J，J為選取的工作電流密度，獲得種子線圈的截面后，形成初始線圈的結(jié)構(gòu)和位置；步驟4、獲得初始線圈的截面積后，得到初始線圈截面參數(shù)rc;i，zci, Wi，其中r。i，zci為線圈中心位置，hi; Wi為線圈高度和寬度；以步驟3得到的初始線圈的結(jié)構(gòu)作為主磁場背景線圈，rci, zci, Wi作為優(yōu)化變量，對均勻區(qū)球域的均勻度進一步優(yōu)化以均勻區(qū)球域均勻度、雜散磁場為目標，采用非線性優(yōu)化方法得到初始線圈的優(yōu)化后的安匝數(shù)、位置以及截面尺寸參數(shù)，使初始線圈產(chǎn)生的磁場滿足MRI成像的要求；所述的初始線圈的非線性優(yōu)化模型為目標函數(shù)mmF(x) = i/(x)/(x) = IXy:2(x)約束條件UKrci,Zci^hi) < (rci,ZcirW^hi) < ubir^z^w^)χ = (rci, zci, hi; Wi)為優(yōu)化變量，f(x)為目標點的實際磁場和設(shè)計值的偏差函數(shù)， Jc(Bmax)為導(dǎo)線臨界電流密度，IMrc^zei, Wi，。和UMrcPZci^hi)分別為下邊界條件和上邊界約束條件；再在初始線圈的外圍加入一對通反向電流的線圈作為屏蔽線圈。然后優(yōu)化所述的屏蔽線圈的截面參數(shù)和位置，使所述的屏蔽線圈的5GauSS線在一定范圍之內(nèi)，所述的屏蔽線圈的優(yōu)化模型如下目標函數(shù)■ F = \H{BJStray — ^GaUSsf約束條件lb Cr1, Z1, r2, z2) ( Cr1, Z1, r2, z2) ( ub Cr1, Z1, r2, z2)其中，雜散場線的磁感應(yīng)強度，雜散磁場場強為5GauSS ； (ri; Z1, r2, z2)是屏蔽線圈的截面坐標；lb(r1; Z1, r2, Z2))和IibOv Z1, r2, z2))分別為下邊界條件和上邊界約束條件；得到初始的屏蔽線圈以后，均勻區(qū)球域內(nèi)的不均勻度會增加，需要再次優(yōu)化，優(yōu)化模型如下目標函數(shù)min^=去 Σ (Μ2 (Χ) + (BJStray _ ^GaUSsf )約束條件lb Cr1, Z1, r2, z2) ( Cr1, Z1, r2, z2) ( ub Cr1, Z1, r2, z2)其中，Co1和《2是權(quán)系數(shù)；經(jīng)計算得到所需的雜散磁場和均勻度，得到所述的開放式核磁共振超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計結(jié)果。
全文摘要
一種開放式核磁共振超導(dǎo)磁體設(shè)計方法。所述的設(shè)計方法使用搜索種子線圈的方法，即根據(jù)所述的核磁共振超導(dǎo)磁體的設(shè)計參數(shù)確定求解區(qū)域，再根據(jù)設(shè)定的約束條件，從求解區(qū)域搜索計算得到種子線圈的數(shù)量和位置；然后通過正則化方法求解得到種子線圈的安匝數(shù)，選擇工作電流密度，確定種子線圈截面，形成初始線圈的結(jié)構(gòu)；再以初始線圈為主磁場線圈，加入屏蔽線圈，進一步優(yōu)化后使所述的核磁共振超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場滿足磁體均勻區(qū)球域內(nèi)的磁場均勻度和雜散磁場的要求。
文檔編號G01R33/3815GK102376410SQ201110355848
公開日2012年3月14日 申請日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者嚴陸光, 戴銀明, 王春忠, 王暉, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所