[发明专利]基于空间变换的椭圆柱面横向梯度线圈设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种横向梯度线圈设计方法，具体涉及一种核磁共振成像系统中基于空间变换的椭圆柱面横向梯度线圈设计方法。本发明属于核磁共振成像系统部件设计领域。

背景技术

梯度线圈是核磁共振系统的关键部件之一，其主要作用是为核磁共振成像系统在三个正交方向提供交变的梯度磁场，从而实现被成像物体的空间定位。梯度线圈的结构主要包括封闭式与开放式两种。

开放式梯度线圈形状为平面结构。在过去几十年中，基于永磁体的核磁共振系统占据主要的市场。而永磁型核磁共振系统一般为开放式系统。因此开放式梯度线圈的设计与制作工艺的研究占据主要的优势。但是近年来，核磁共振市场从永磁型逐渐向超导型转化。在超导核磁共振系统中，一般是采用封闭式梯度线圈。封闭式梯度线圈形状一般为圆柱式结构，其基本部件包括X/Y/Z三个正交方向的梯度线圈，分别在三个方向生成梯度磁场。其中Z方向指向梯度线圈的轴向，X/Y方向为垂直于轴向的两个正交方向。X/Y方向的梯度线圈称为横向梯度线圈，Z方向的梯度线圈称为纵向梯度线圈。在工作时，三个方向的梯度线圈分别与梯度放大器相连接，其内部的交变电流可达数百安培。

圆柱型梯度线圈的缺点是两个横向梯度线圈的性能会存在一定的差异。一种改进的圆柱式梯度线圈结构是将圆柱面用椭圆柱面来代替。目前关于椭圆柱面梯度线圈的设计理论研究较少，缺少精确、快速、高效的设计椭圆柱面梯度线圈的方案，为椭圆柱型梯度线圈的设计与应用带来了一定的困难。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于空间变换的椭圆柱面横向梯度线圈设计方法，以解决现有技术中缺少精确、快速、高效的设计椭圆柱面梯度线圈设计方法的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于空间变换的椭圆柱面横向梯度线圈设计方法，其特征在于，包括：

步骤一：定义梯度线圈所在的椭圆柱面的两个轴分别在x方向与y方向，预先给定梯度线圈所在的椭圆柱面在x方向的轴长为2a，在y方向的轴长为2b，轴线方向布线长度为2L，梯度场强度G，线性度E；

步骤二：利用空间变换将椭圆柱面变换为圆柱面，然后在圆柱面下构造电流密度基函数与表达式；

步骤三：建立与电流密度有关的泛函构造，通过求解所述泛函的极值得到电流密度表达式的系数；

步骤四：利用求出的电流密度表达式的系数，求出电流密度在空间的分布，得到梯度线圈的布线形状。

前述的基于空间变换的椭圆柱面横向梯度线圈设计方法，其特征在于，所述步骤二包括：

步骤2a：所述空间变换为：x'＝x/a,y'＝y/b，(x',y')为空间变换后的直角坐标；

步骤2b：利用空间变换后变换成的圆柱面为：x'²+y'²＝1；(x',y')与极坐标(ρ',φ')具有以下关系：x'＝ρ'cosφ',y'＝ρ'sinφ'；

步骤2c：在圆柱面下构造电流密度基函数，所述电流密度基函为sin(mφ')sin(nωz),sin(mφ')cos((n-0.5)ωz)，其中m和n均为正整数；

步骤2d：定义变量ρ：x,y,z三个方向的电流表达式为：