[发明专利]磁共振成像超导磁体螺线管线圈数目和初始位置获取方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像中高均匀度超导磁体的电磁设计方法，特别涉及一种用于超导磁体长度较短、场强较高的磁共振成像超导磁体的螺线管线圈数目和初始位置的获取方法。

背景技术

磁共振成像超导磁体需要在一个成像区域内产生轴向磁感应强度高度均匀分布的空间磁场。对于全身成像系统而言，一般成像区域为直径为40～50cm的球形体或者椭球体，其磁场峰峰值不均匀度需优于20ppm。高均匀度的空间磁场分布通常需要通过多对螺线管线圈来实现，而螺线管线圈的数目和位置参数是磁共振成像超导磁体电磁设计的难点。

通常组成磁共振成像超导磁体的螺线管线圈均分布在一个具有矩形截面的预布置线圈内，而螺线管线圈的数目和位置与成像区域的大小、磁场均匀度、5高斯杂散场的范围、预布置线圈的空间尺寸以及螺线管线圈所加载的电流密度均有关系。因此，磁共振成像超导磁体中螺线管线圈初始位置的获取对整个电磁设计至关重要，螺线管线圈的数目和初始位置分别决定了超导磁体的工程建造难度和成像区域的最终磁场均匀度水平。

目前，国内、外磁共振成像超导磁体的电磁设计方法中关于螺线管线圈数目和初始位置的获取方法主要有两类。第一类为预先设定方法，该类方法通过一些优化算法（如：基因算法和模拟退火算法等）在预布置线圈区域内搜索实际需要的螺线管线圈数目和每个螺线管线圈的实际尺寸参数；第二类为全局搜索方法，该方法无需事先指定螺线管线圈的数目，通过优化算法获取所需螺线管线圈的数目或初始位置，再通过数值手段得到满足条件的螺线管线圈的具体尺寸参数。现有的这些方法均仅将成像区域的磁场均匀度和5高斯杂散场范围进行约束，尚未发现将线圈中的轴向和径向磁感应强度分别约束的报道，而这对目前越来越受关注的高温超导磁共振成像超导磁体设计技术的发展至关重要，由于高温超导线带材的磁场性能具有各向异性，其电磁设计方案中需考虑线圈中轴向和径向磁感应强度分布对高温超导线带材电磁性能的影响。

中国专利CN 102707250 A和CN 102176368 B，均提出了通过建立线性规划数学模型设计磁共振成像超导磁体。CN 102707250 A在整个预布置线圈区域进行网格划分求解线圈位置，可实现全局最优解；CN 102176368 B则在内、外两层局部区域进行网格划分求解线圈位置。两个专利具有共同的缺陷，即均未对线圈中的最大轴向和径向磁感应强度进行有效约束，而这对磁场性能具有各向异性的高温超导线圈尤为重要。

发明内容

本发明的目的是克服现有磁共振成像超导磁体电磁设计方法中难以事先确定所需螺线管线圈的数目和难以对螺线管线圈中所受的最大轴向和径向磁感应强度进行约束的缺点，提出一种用于磁共振成像超导磁体中螺线管线圈数目和初始位置的获取方法。

本发明将具有矩形截面的预布置线圈区域进行二维连续网格划分，每个网格点代表一个电流圆环，将每个网格点处电流圆环所受的轴向和径向磁感应强度和所加载的电流强度之间的关系表述为线性关系，进而对电流圆环所受的最大轴向和径向磁感应强度进行约束，避免了因磁共振成像超导磁体中由螺线管线圈所受磁场过高而导致电流安全裕度过低的缺点。

预布置线圈区域内每个网格点位置处的轴向和径向磁感应强度的计算方法是，首先计算预布置线圈区域内所有网格点处的电流圆环在加载单位电流情况下，对所有网格点处所产生的轴向和径向磁场贡献矩阵，再将该轴向和径向磁场贡献矩阵与每个网格点处的电流圆环加载的电流强度进行矩阵乘法运算，便得到所有网格点处的轴向和径向磁感应强度。

由于电流圆环对空间任意位置处的目标点所产生的磁感应强度的计算表达式存在瑕点，电流圆环和目标点位置相同时为瑕点位置，因此，在加载单位电流情况下，所有网格点处的电流圆环对每个网格点处所产生的轴向和径向磁场贡献矩阵中，需忽略每个电流圆环在自身网格位置处的目标点所产生的轴向和径向磁感应强度。

本发明将成像区域椭球体表面和5高斯杂散场约束圆柱体表面均匀地划分成多个目标点，通过计算预布置线圈区域内网格点处电流圆环在通电情况下对成像区域椭球体表面处目标点产生的轴向磁感应强度，对成像区域椭球体区域内的磁场峰峰值不均匀度进行约束；计算预布置线圈区域内网格点处电流圆环在通电情况下对5高斯杂散场约束圆柱体表面处目标点产生的轴向和径向磁感应强度，使得5高斯杂散场约束圆柱体区域内的轴向和径向磁感应强度值均低于5高斯。