[发明专利]用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈及其设计方法

说明书

本发明实施例公开一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，包括在设计表面上对称分布偶数根导线、采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线、采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。该设计方法的具体步骤包括，电场、磁场问题的求解，敏度计算并迭代求解，最终得到线圈构型。本发明还公开由该设计方法设计出的横向梯度线圈。本发明实施例基于拓扑优化算法设计的横向梯度线圈有效地去除传统线圈的回绕部分、缩短了线圈长度、降低了电阻值，有效地提高磁共振系统的空间利用率。

技术领域

本发明涉及微尺度磁共振成像系统横向梯度线圈设计制造领域，具体涉及一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈及其设计方法。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)，尤其是微尺度磁共振成像系统作为一种非介入式影像技术，能够反应物体内部的层次结构。近年来，磁共振成像已经成为医疗诊断、生物研究、材料研究等领域的重要途径。横向梯度线圈作为微尺度磁共振成像系统的一种核心功能部件，其线性度、电感等性能参数将直接影响到微尺度磁共振成像系统的成像质量和响应时间。

目前，横向梯度线圈的设计方法大致可分为离散电流技术和连续电流技术。离散电流技术采用固定的线型(如马鞍型线圈、环形线圈)，通过合理分布其位置来得到目标梯度磁场分布。由离散电流技术得到的横向梯度线圈，由于线型固定，从而优化自由度低、限制了横向梯度线圈性能的提升空间。连续电流技术通过优化电流密度分布，再通过离散线圈来逼近，其实现方式主要包括目标场法与流函数法。由连续电流技术得到的横向梯度线圈通常需要采用回绕形式的线圈去近似电流密度分布，若线圈的圈数太少则会导致求解精度低、影响梯度磁场的线性度，而若圈数较多则线型复杂、从而横向梯度线圈的制造难度增大且效率低。

因此，需要一种结构简单的横向梯度线圈，且该横向梯度线圈的设计方法灵活性高、易于制造和效率高。

发明内容

针对现有横向梯度线圈及其设计方法所存在的问题，本发明提出一种基于拓扑优化算法来设计的横向梯度线圈的线型分布，从而有效地去除传统线圈的回绕部分、缩短了线圈长度、降低了电阻值，有效地提高微尺度磁共振成像系统的空间利用率。

该横向梯度线圈的设计方法方案如下：一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，包括以下步骤：在设计表面上对称分布偶数根导线；采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线；采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。

优选的，所述各根导线采用同一电压驱动或者所述各根导线采用同一电流驱动。

优选的，所述拓扑优化算法以所述导线的导电材料的分布为设计变量。

优选的，所述设计出的横向梯度线圈采用柔性PCB板、3D打印技术、或刻蚀技术、或其结合方式加工制造。

优选的，所述拓扑优化算法的具体步骤包括：

步骤一：确定所述设计表面的参数及目标磁场分布区域的大小；

步骤二：针对预设方向的横向梯度线圈，建立物理模型和推导计算公式；

步骤三：推导目标磁场对设计变量的灵敏度；

步骤四：采用优化程序进行迭代求解，得出横向梯度线圈的构型。

优选的，所述偶数根导线中一根横向梯度线圈构型采用所述拓扑优化算法进行计算，剩余其他导线根据所述横向梯度线圈构型进行对称法得到。

优选的，所述步骤二的建模和推导步骤包括：

以导电材料密度作为设计变量，所述设计变量满足电流连续性方程；

计算电势分布，获取电流密度在在x、y方向的分量表达式；