[发明专利]磁共振成像系统的矩阵梯度线圈建模方法

说明书

本发明涉及一种磁共振成像系统的矩阵梯度线圈建模方法。矩阵梯度线圈由一系列分布在线圈载体表面的线圈元素组成，其产生的磁场为每个线圈元素产生磁场的线性叠加。根据目标磁场在成像区域内的分布，对矩阵梯度线圈进行建模即可获得线圈元素的电流分布，包括电流的幅值和方向。本发明涉及的矩阵梯度线圈建模方法不仅能够获得与传统建模方法相似的系统性能，还能够降低线圈元素所受的最大洛伦兹力；既保证了矩阵梯度线圈整体系统的可靠运行，又保证了单个线圈元素的工作状态；从而降低了因线圈元素受力过大给磁共振成像系统带来的负面影响。

技术领域

本发明属于磁共振成像系统中线圈设计领域，尤其涉及一种磁共振成像系统的矩阵梯度线圈建模方法。

背景技术

磁共振成像设备需要设计梯度线圈和匀场线圈，用于产生梯度磁场以及匀场所需的球谐函数磁场，从而实现线性编码、非线性编码以及匀场功能。

矩阵梯度线圈是一种新型的线圈结构，由一系列线圈元素组成，并分布在线圈载体表面。矩阵梯度线圈系统产生的磁场是所有线圈元素产生磁场的线性叠加。线圈元素中通入不同幅值和方向的电流，即可在成区域范围内产生不同的磁场。因此，矩阵梯度线圈仅需使用一组结构即可灵活地产生不同的磁场，满足不同的功能需求。

矩阵梯度线圈元素的电流分布是通过对矩阵梯度线圈建模得到的。根据目标磁场在成像区域内的分布和线圈元素产生的磁场，通过逆运算即可获得线圈元素电流的分布，包括电流的幅值和方向。通过对矩阵梯度线圈建模计算线圈元素的电流分布，最终使线圈系统性能达到设计要求，即产生磁场的准确性满足设计要求，线圈系统的功率损耗在可接受范围内。

求解矩阵梯度线圈元素电流分布的过程属于逆运算和病态问题。通常情况下可以选择吉洪诺夫正则化来解决这一问题，即通过在求解方程中加入正则项来增强系统的稳定性，但同时也增加了数值解与真实解两者之间的误差。

矩阵梯度线圈建模时设计的线圈元素电流优化方程主要包括两个部分，第一个部分是主函数，用来计算线圈系统产生的磁场与目标磁场之间的误差，保证其产生磁场的准确性；第二个函数即为引入的正则项，用来满足线圈系统除了准确性以外的其他约束条件，保证计算结果的稳定性。目前，常用的建模方法选择所有线圈元素电流的幅值之和作为正则项，用来约束线圈系统的功率损耗。主函数与正则项之间的权重关系则是通过权重因子进行调节的。权重因子越大，正则项在优化方程中起到的作用越大，即线圈系统的功率损耗越小，而主函数的作用也随之减弱，即矩阵梯度线圈产生的磁场与目标磁场之间的误差增加；反之亦然。基于吉洪诺夫正则化的矩阵梯度线圈建模方法，以牺牲线圈系统产生磁场的准确性为代价，获得了较小的线圈系统功率损耗。

线圈系统位于主磁体内部，始终受到主磁场的作用。当线圈元素通入不平行于主磁场方向的电流时，线圈元素将受到洛伦兹力。如果所受洛伦兹力过大，将导致线圈元素发生形变。线圈元素电流是以脉冲方式对其进行驱动的。当线圈元素有电流流过时，线圈元素由于受到较大的洛伦兹力而发生形变；但当电流消失时，线圈元素又恢复到原来状态，由此将引发线圈系统产生噪声。这些由线圈元素受到过大的洛伦兹力带来的不良后果，将对磁共振成像系统产生负面影响，不仅影响线圈系统的稳定和成像质量，还影响用户体验。

常用的矩阵梯度线圈建模方法可以在满足磁场准确性的前提下，使线圈系统获得较小的总功率损耗，降低系统由发热引起的一系列问题。但由于该建模方法针对的是整个线圈系统，并没有考虑到单个线圈元素的工作状态，这就会导致某些线圈元素由于电流过大而受到较大的洛伦兹力，进而引发一系列负面影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁共振成像系统的矩阵梯度线圈建模方法，不仅能够获得与传统建模方法相似的系统性能，还能够改善线圈元素的电流分布，降低线圈元素所受的最大洛伦兹力，提高磁共振成像系统的工作水平。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磁共振成像系统的矩阵梯度线圈建模方法，包括：