CN104157391B - 一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法 - Google Patents

Abstract

一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，该方法在给定磁共振成像超导磁体所需的预布置线圈区域最小内直径和最大外直径、线圈中加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸和磁场峰峰值均匀度以及5高斯杂散场范围等系统参数条件下，通过固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤进行循环迭代计算，获取磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度，该方法可有效提高磁共振成像系统的开放性和患者检测时的舒适度。

Description

一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像超导磁体的设计方法。

背景技术

磁共振成像系统所用的超导磁体是能够在一个成像区域内产生轴向磁感应强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的球形区域，其磁场峰峰值不均匀度需优于20ppm。磁共振成像系统超导磁体一般需在一个具有矩形截面的预布置线圈区域内合理地布置多对螺线管线圈，所有螺线管线圈共同作用并在成像区域产生高均匀度的空间磁场分布，矩形截面的预布置线圈区域由最小内直径、最大外直径和长度三个参数来表征。对于全身成像磁共振系统而言，预布置线圈区域的最小内直径一般设定为1.0m，最大外直径一般设定为最小内直径的两倍，预布置线圈区域的长度可由电磁设计人员根据系统参数综合考虑后决定。

磁共振成像系统的类型可分为两类，即：开放式和封闭式。开放式磁共振成像系统包括两个平面型低温容器，螺线管线圈对称地安装在两个低温容器内，低温容器之间提供了较大的开放空间。封闭式磁共振成像系统中的超导螺线管线圈安装在空心圆柱型低温容器内，空心圆柱型低温容器提供一个圆柱形隧道检测空间。开放式磁共振成像系统相比于传统封闭式磁共振成像系统而言，其螺线管线圈相对于成像区域较远，螺线管线圈的磁场利用率较低且线圈结构复杂，因此，开放式磁共振成像系统的磁场强度比较低，一般低于0.7T。封闭式磁共振成像系统在成像区域具有较好的磁场强度和磁场质量，因此，封闭式磁共振成像系统得到了大规模普及，然而封闭式磁共振成像系统的最大缺点是患者进入狭长的隧道形检测空间后普遍会表现出紧张和不安等情绪。

目前，国内、外各大磁共振成像系统生产厂商都朝着如何有效提高系统开放性的方向发展，而对于封闭式磁共振成像系统而言，超导磁体的长度决定了系统的开放性，在预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的形状和磁场均匀度以及5高斯杂散场范围等系统参数不变的情况下，随着超导磁体长度的不断缩短，超导磁体中螺线管线圈中最高场强和电磁力也将不断增大，超导磁体的稳定性也会相应下降，因此，需要综合考虑各系统参数和超导磁体长度之间的关系，方可设计出性能优越的磁共振成像系统。

中国发明专利CN102707250B提出了一种磁共振成像超导磁体的设计方法，该方法在整个预布置线圈区域进行网格划分求解线圈位置，通过线性规划和非线性规划相结合的方法实现全局最优解；美国专利US5721523A为美国通用公司提出的短腔磁共振成像超导磁体中螺线管线圈拓扑结构设计，专利中分别给出了短腔开放式和封闭式磁共振成像超导磁体中螺线管线圈的分布情况。中国发明专利CN102707250B和美国专利US5721523A均未说明短腔磁共振成像超导磁体系统中最短长度的计算方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有短腔磁共振成像超导磁体设计方法中难以对超导磁体的长度进行约束的缺点，提出一种通过循环迭代计算来获取磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度的方法。本发明可有效提高磁共振成像系统的开放性和患者检测时的舒适度。

本发明采用的技术方案如下：

首先设置磁共振成像超导磁体所需的系统参数，所述的系统参数包括：预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、线圈中加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸、磁场峰峰值均匀度，以及5高斯杂散场范围。然后进行循环迭代计算，获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。所述的循环迭代计算包括固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤。本发明方法设计的超导磁体的尺寸精度可优于1cm。

所述的固定长度步长的粗调步骤中，每步循环中的预布置线圈区域的长度变化量是固定值，采用电磁场逆问题求解器进行优化计算，获取满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体的粗调长度。

所述的可变长度步长的自适应步骤中，每步循环中的预布置线圈区域的长度变化量是可变的，采用电磁场逆问题求解器进行优化计算，判断是否满足系统参数条件，并且判断预布置线圈区域长度变化量是否小于1cm，最终获取满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度，该最短长度的精度优于1cm。

本发明通过固定长度步长的粗调和可变长度步长的自适应两个步骤，不断地调整预布置线圈区域的长度，并调用电磁场逆问题求解器进行求解，最终获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。在整个循环计算过程中，随着预布置线圈区域长度的不断缩短，在满足系统参数条件下磁共振成像超导磁体中螺线管线圈的拓扑结构越来越复杂。当预布置线圈区域的长度短于某临界值时，磁共振成像超导磁体在预布置线圈区域内层位置开始出现反向螺线管线圈，同时建造磁共振成像超导磁体所需的超导线用量也快速增加，而正是由于反向螺线管线圈的出现，保障了在预布置线圈区域长度较短时成像区域内空间磁场的均匀性。

附图说明

图1本发明实施例的磁共振成像超导磁体最短长度获取的流程图；

图2本发明实施例的磁共振成像超导磁体螺线管线圈拓扑结构示意图，图2a为预布置线圈区域长度长于某临界值时，预布置线圈区域的内层位置全为通以正向电流的螺线管线圈，图2b为预布置线圈区域长度短于某临界值时，预布置线圈区域的内层位置中正向电流的螺线管线圈中出现反向电流螺线管线圈；

图3本发明实施例建造磁共振成像超导磁体所需超导线用量与预布置线圈区域长度的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

以下是一个1.5T磁共振成像超导磁体最短长度获取方法的实施例，磁共振成像超导磁体的系统参数设置为：预布置线圈区域的最小内直径d_min和最大外直径d_max分别设置为1.0m和2.0m；成像区域为球体，其径向半径rdsv和轴向半径zdsv相同，均设置为25cm，成像区域的中心磁感应强度B₀设置为1.5T，成像区域内的磁场峰峰值均匀度Hp2p设置为10ppm；5高斯杂散场范围为一椭球体，椭球体的径向半长r_stray和轴向半长z_stray分别为3.0m和4.0m；预布置线圈区域的平均电流密度J_op为150MA/m²。

系统参数设置后，进行循环迭代计算，获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。循环迭代计算包括固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤，两个步骤均需调用电磁场逆问题求解器将系统参数和每步循环中预布置线圈区域的长度输入至每步循环中，电磁场逆问题求解器通过线性规划算法求解出满足系统参数条件下预布置线圈区域电流分布情况，再结合非线性规划算法将预布置线圈区域电流分布情况离散成实际应用的螺线管线圈。

所述的固定长度步长的粗调步骤中，预布置线圈区域的初始长度L₀为3.0m，本实施例中固定长度步长△l₁设置为10cm。定义记录下该粗调步骤中的循环次数参数n，n的初值设置为0；将系统参数输入到粗调步骤的电磁场逆问题求解器中，并进行循环迭代计算，每步循环对应的预布置线圈区域长度L为L₀-n×△l₁，判断电磁场逆问题求解器能否计算出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，若电磁场逆问题求解器能够计算出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，则说明在该预布置线圈区域的长度下，电磁场逆问题求解器能够设计出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，进入下一步循环，循环次数n＝n+1，将循环次数n赋值给预布置线圈区域长度L＝L₀-n×△l₁，继续调用电磁场逆问题求解器进行判断，直至电磁场逆问题求解器不能设计出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，循环结束，输出倒数第二步循环中预布置线圈区域的长度定义为粗调长度L_rough，本实施例中粗调步骤共循环18步，因此，n取值为17，因此，粗调步骤输出的粗调长度L_rough＝L₀-(n-1)×△l₁，即：L_rough＝1.40m。

所述的可变长度步长自适应步骤中，定义预布置线圈区域长度变化方向参数sign，sign为+1表示预布置线圈区域长度相比于上一步预布置线圈区域长度缩短，而sign为-1则表示预布置线圈区域长度相比于上一步预布置线圈区域长度增长，sing的初值设置为+1；定义记录自适应步骤循环次数参数count，count的初值设置为1，每进入下一步循环，循环次数count＝count+1；可变长度步长自适应步骤中，第一步循环的预布置线圈区域长度L’为固定长度步长粗调长度L_rough与粗调步骤中固定长度步长一半△l1/2之差，从第二步循环开始每步循环中预布置线圈区域的长度L’为上一步循环中预布置线圈区域长度L’与长度变化量sign×△l’之差，其中△l’为△l₁/2^count；可变长度步长自适应步骤中，每步循环均需调用电磁场逆问题求解器进行优化计算，判断在该步循环对应的预布置线圈区域长度L’条件下，能否设计出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，判断存在两种情况：第一，若能满足系统参数条件且该步循环中预布置线圈区域长度的变化量△l’长于1cm，则进入下一步循环，下一步循环中预布置线圈区域长度L’为上一步循环中预布置线圈区域长度L’与该步循环的变化量△l’之差；若下一步循环中预布置线圈区域长度的变化量△l’不长于1cm，则输出该循环中预布置线圈区域长度L’，循环结束。第二，若不能满足系统参数条件且下一步循环中预布置线圈区域长度的变化量△l’长于1cm，则进入下一步循环，下一步循环中预布置线圈区域长度L’为上一步循环中预布置线圈区域长度L’与该步循环的变化量△l’之和；若下一步循环中预布置线圈区域长度的变化量△l’不长于1cm，则输出该循环中预布置线圈区域的长度L’，循环结束。可变长度步长自适应步骤中输出的预布置线圈区域的长度定义为最短长度L_shortest，本实例中自适应循环共进行了4步循环，预布置线圈区域的最短长度为1.34375m。

固定长度步长粗调步骤和可变长度步长自适应步骤的具体流程情况如图1所示。

图2为本发明实施例的磁共振成像超导磁体中螺线管线圈拓扑结构示意图。如图2所示，中心位置处的圆环代表球形成像区域，圆环上点位置处的磁感应强度分布情况表征了成像区域的磁场均匀性，随着预布置线圈区域长度的不断缩短，预布置线圈区域内的螺线管线圈越来越紧凑，在整个预布置线圈长度变化范围内，存在一个临界长度值，当预布置线圈区域的长度长于该临界长度时，预布置线圈区域的内层位置处全为通以正向电流的螺线管线圈，该螺线管的拓扑结构如图2a所示，当预布置线圈区域的长度短于某临界长度L_critical时，预布置线圈区域的内层位置中正向电流的螺线管线圈处出现反向电流螺线管线圈，该螺线管的拓扑结构如图2b所示。本实施例中该预布置线圈区域长度的临界长度值为1.60m。

图3为本发明实施例建造磁共振成像超导磁体所需超导线用量与预布置线圈区域长度的关系曲线，如图3所示，当预布置线圈区域的长度长于L_critical时，磁共振成像超导磁体中螺线管线圈的体积基本保持不变，当预布置线圈区域的长度短于L_critical时，由于预布置线圈区域的内层位置处正向电流的螺线管线圈中出现反向电流螺线管线圈，建造磁共振成像超导磁体所需超导线用量也快速增加，曲线的最左端对应的是预布置线圈区域的最短长度L_shortest。

Claims (4)

1.一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述方法预先给定磁共振成像超导磁体所需的系统参数，进行循环迭代计算，获取在满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度；所述的循环迭代计算采用固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤；所述的系统参数包括：预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、线圈加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸、磁场峰峰值均匀度，以及5高斯杂散场范围；

所述的固定长度步长的粗调步骤为：

(1)设定一个固定长度步长，通过循环迭代计算，不断缩短预布置线圈区域的长度；每步循环中预布置线圈区域的长度为预布置线圈区域的初始长度与该步循环中长度缩短量之差，每步循环中长度的缩短量为固定长度步长的整数倍；

(2)调用电磁场逆问题求解器进行循环迭代计算，判断在该步循环对应的预布置线圈区域长度条件下，能否计算得到满足系统参数的磁共振成像超导磁体，若能计算得到满足系统参数的磁共振成像超导磁体，则说明在该步循环中预布置线圈区域的长度条件下，电磁场逆问题求解器能够设计出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，循环进入下一步并进一步缩短预布置线圈区域的长度，继续调用电磁场逆问题求解器进行判断，直至电磁场逆问题求解器模块不能计算出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，循环结束，输出粗调方法中倒数第二步循环中预布置线圈区域的长度定义为粗调长度；

所述的可变长度步长的自适应步骤为：通过自适应循环不断调整每步循环中预布置线圈区域的长度，每步循环中预布置线圈区域的长度与上一步循环中的长度的变化量是可变的；调用电磁场逆问题求解器进行优化计算，判断在每步循环对应的预布置线圈区域长度条件下，能否设计出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，若能满足系统参数条件且该循环中预布置线圈区域长度的变化量大于1cm，则进入下一步循环，下一步循环中预布置线圈区域长度为上一步循环中预布置线圈区域的长度与该步循环的变化量之差；若该循环中预布置线圈区域长度的变化量小于1cm，则输出该循环中预布置线圈区域的长度，循环结束；若不能满足系统参数条件且该步循环中预布置线圈区域长度的变化量大于1cm，则进入下一步循环，下一步循环中预布置线圈区域长度为上一步循环中预布置线圈区域的长度与该步循环的变化量之和；若该步循环中预布置线圈区域长度的变化量小于1cm，则输出该循环中预布置线圈区域的长度，循环结束；自适应步骤中输出的预布置线圈区域的长度定义为磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度。

2.根据权利要求1所述的磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述的循环迭代计算方法的步骤为：首先，设定磁共振成像超导磁体的预布置线圈区域初始长度为预布置线圈区域最小内直径的三倍；然后采用固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤进行循环迭代计算。

3.根据权利要求1所述的磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述的固定长度步长的粗调步骤中，每步循环预布置线圈区域长度的缩短量为固定长度步长与粗调步骤中循环次数的乘积。

4.根据权利要求1所述的磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述的可变长度步长自适应步骤中，第一步循环中预布置线圈区域的长度设置为粗调长度与固定长度步长粗调步骤中固定步长一半的差，从第二步循环开始，每步循环中预布置线圈区域长度的变化量均为上一步长度变化量的一半。