CN104865544B - 一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈，该室温匀场线圈从上至下依次由绕线区、支撑架和底座组成，其中绕线区内层为轴向线圈，外层为径向线圈，并且在线圈结构的制作方法上，将多阶轴向线圈压缩到同一柱面以提高空间利用率，同时使用自粘性漆包线和PET膜(又名耐高温聚酯薄膜)的绕线方法，解决室温匀场线圈绕制过程中的导线定位固定的工艺问题。本发明还针对匀场线圈的算法设计建立了一个优化函数，将室温匀场线圈的设计问题转化为求解优化函数最小值的问题，然后通过微粒群算法来求解该函数方程，最终可算出线圈的位置分布和匝数。按照本发明，能够显著地提高匀场线圈的可靠性和适应性。

Description

一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈

技术领域

本发明属于核磁共振波谱仪领域，更具体地，涉及一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈。

背景技术

在超导核磁共振波谱仪中，空间磁场的均匀性直接影响采集得到的谱图质量，为了提高磁场的均匀性，技术人员不仅要在磁体升场时做低温超导匀场，还要在升场后做室温匀场，目前采用的室温匀场手段是在核磁共振波谱仪的磁体中安装室温匀场线圈，其各阶匀场线圈在磁控电流的驱动下产生不同形状不同大小的补偿磁场，这些补偿磁场共同抵消掉主磁场的非常数项，最终得到均匀分布的磁场。

目前现有技术中的匀场线圈的结构较单一，并且空间利用率不高，并且针对上述已有的匀场线圈提出了一些算法来进行设计，例如采用流函数和目标场法来作为匀场线圈设计算法的理论依据，还有采用Maxwell方程得到理论值来求解高阶项，但是上述现有技术还存在如下问题：(1)流函数和目标场法没有将实用的匀场线圈作为设计的基础，缺乏实用性；(2)Maxwell方程对于需要28组甚至40组线圈的超导核磁共振波谱仪来说，方法的级数高导致方程越复杂，对于高阶项的求解几乎无法完成；(3)上述设计算法针对匀场线圈的适应性不强，只适用于具有圆柱形磁体腔和横向磁场的Halbach磁体，无法满足超导核磁共振波谱仪对更复杂空间的三维磁场的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈，其特征在于，该线圈由上至下依次包括绕线区、支撑架以及底座，其中所述绕线区内层为多阶轴向线圈，外层为多阶径向线圈，所述多阶轴向线圈由自粘性漆包线绕制。

进一步地，所述多阶轴向线圈中相互之间在垂直于轴向方向上没有交叠的轴向线圈压缩到一层。

进一步地，所述绕制的每层自粘性漆包线，都粘贴填补所述自粘性漆包线上凹凸面的热塑性聚酯膜。

另外一方面，本发明还提出了一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈的绕线方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)紧贴绕线架绕制一层自粘性漆包线；

(2)在高低温烤箱中烘烤，使经过所述步骤(1)处理过后的自粘性漆包线粘合固定；

(3)绕线完毕后，在经过所述步骤(2)处理后的漆包线上粘贴热塑性聚酯膜填补凹凸面；

(4)重复上述步骤(1)-(4)直至所有所述匀场线圈绕线完成。

另外一方面，本发明还提出了一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)从超导磁体的主磁场中分解出所述主磁场的各阶非常数项，将其负数构建成目标函数B(Z_n)；

(2)初始化一“群”数量规模为D的Maxwell线圈对X₁～X_D，其中D为线圈对数量，建立上述Maxwell线圈对中的每对线圈产生的磁场作为初始函数B_LB(Z_n)；

(4)寻找r_i,1,r_i,2,...,r_i,j和I_i,1,I_i,2,...,I_i,j使得所述总场解的优化函数的值最小；

(4-1)赋予线圈位置和电流初始值：将所述Maxwell子线圈的位置和电流信息记为X_i,j＝(r_i,1,r_i,2,...,r_i,j；I_i,1,I_i,2,...,I_i,j)；将所述Maxwell子线圈的位置和电流的变化量记为V_i,j＝(vr_i,1,vr_i,2,...,vr_i,j；vI_i,1,vI_i,2,...,vI_i,j)，其中vr_i,1,vr_i,2,...,vr_i,j和vI_i,1,vI_i,2,...,vI_i,j分别表示r_i,1r_i,1,r_i,2,...,r_i,j和I_i,1,I_i,2,...,I_i,j的变化量；

(4-3)寻找每个所述Maxwell子线圈的优化函数自身的最小值，记为fpbest，它所对应的位置和电流变化信息记为P_i,j，P_i,j即对应所述i对线圈中的第j个所述子线圈所经历的最优化位置及电流信息；

(4-4)寻找所述总解F中的最小值，记为fgbest，它所对应的所述Maxwell子线圈的位置和电流信息记为g；

(4-5)将当前所述位置和电流信息X_i,j对应的所述Maxwell子线圈的优化函数值F与fgbest比较，若F＜fgbest，则P_i,j＝X_i,j，g＝X_i,j，fgbest＝F；

(4-6)以预设的fgbest值为结束条件，判断当前fgbest是否达到预设值，达到则结束，否则进入所述下一步骤；

(4-7)对所述每个子线圈的位置变化速度vr_i,j、电流变化速度vI_i,j、位置r_i,j、电流I_i,j依次做如下迭代：

vr_i,j＝ω×vr_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-r_i,j)+c₂×Rand()×(g-r_i,j)

vI_i,j＝ω×vI_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-I_i,j)+c₂×Rand()×(g-I_i,j)

r_i,j＝r_i,j+vr_i,j

I_i,j＝I_i,j+vI_i,j

其中，ω为惯性权重，它使自变量保持运动的惯性，有能力搜索新的区域，这里令ω＝0.5～1内的任意一个常数；加速常数c₁、c₂它们代表将每个自变量推向fpbest和fgbest的统计加权项的权重，其为随机赋予的[1,2]范围内的一个数值；rand()和Rand()是两个在[0,1]范围内变化的随机数；

(4-8)利用所述步骤(4-7)求出的位置值电流值返回所述步骤(4-2)。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)建立了一个优化函数，将室温匀场线圈的设计问题转化为求解优化函数最小值的问题；

(2)采用微粒群算法求解室温匀场线圈各阶线圈的具体位置和匝数，能够更好地结合匀场线圈应用的实际情况进行设计；

(3)采用多阶线圈共柱面的方式压缩轴向线圈体积，提高了空间的利用率；

(4)提出了一种室温匀场线圈中的多层线圈的绕制工艺，使用自粘性漆包线固定导线位置，在底层线圈上粘贴PET膜填补凹凸面，该种方法能够可靠地保证导线的定位和固定。

总之，按照本发明的设计方法，能够显著地提高匀场线圈的可靠性和针对复杂三维磁场的设计适应性，并且能够显著地提高匀场线圈的空间利用率。

附图说明

图1是按照本发明实现的核磁共振波谱仪匀场线圈的整体结构示意图；

图2是按照本发明实现的核磁共振波谱仪匀场线圈的绕线处理的流程示意图。

图3是按照本发明实现的核磁共振波谱仪匀场线圈设计中使用的Maxwell线圈的示意图；

图4是按照本发明实现的核磁共振波谱仪匀场线圈的轴向线圈的位置示意图；

图5是按照本发明实现的核磁共振波谱仪匀场线圈的轴向线圈压缩的位置示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-绕线区 2-支撑架 3-底座

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实施例中所涉及的室温匀场线圈如图1所示，该室温匀场线圈由上至下包括绕线区1、支撑架2和底座3组成。绕线区1位于最上端，中间是支撑架2，下端是底座3。其中本实施例采用的绕线区1内层是7阶轴向线圈，外层是21阶径向线圈。

另外，如果超导核磁共振波谱仪的室温匀场线圈阶数较高，若每组线圈各占用一层空间，最终叠加的直径可能大得无法伸进磁体。不仅如此，制作过程中线圈直径增大，还会使线圈实际参数偏离设计值。

而室温匀场线圈中径向线圈几乎是平均分布在整个圆柱面，无法压缩；但轴向线圈的空间还可以压缩。本实施例更优选地，在上述匀场线圈设计的基础之上，将多阶轴向线圈压缩到一层，以Z1～Z7阶轴向线圈为例，如果轴向线圈的分布如图4中所示，若采用分开绕制，需要绕7层，但若将Z1、Z3、Z6合并到一层，将Z2、Z7合并到一层，将Z4、Z5合并到一层，即可把Z1～Z7阶轴向线圈压缩为3层，如图5所示，极大地提高了空间利用率。

通常，室温匀场线圈的设置方式都是以匀场线圈中心为原点，所有导线都分布在轴向+/-40mm的范围内，通过理论的计算方式计算出线圈所在的位置，最后将没有重叠的若干阶线圈压缩到一层。

另外，室温匀场线圈的绕线非常复杂，线圈呈多层导线叠加的状态，若直接在底层线圈上绕线，底层线圈表面的凹凸不平将使上层线圈无法准确定位。因此导线的定位和固定是制作的难点。

本发明还提出一种使用自粘性漆包线和塑料薄膜的绕线方法，用于解决室温匀场线圈绕制过程中的相关工艺问题。

自粘性漆包线绕制的线圈经加热或溶剂处理后即可粘合成型，一直被广泛地应用于各种形态复杂或无骨架电磁线圈的制造。此处的塑料薄膜应具有优良的物理性能，即使是微米级的厚度依然具有很强的韧性，且能够承受大于自粘性漆包线再软化温度的高温，优选地，可使用PET膜，即耐高温聚酯薄膜。

制作室温匀场线圈时，可紧贴着绕线架绕制一层导线，在高低温箱中烘烤(烘烤温度为所选用的自粘性漆包线的再软化温度)，使自粘性漆包线粘合固定，然后在其表面贴上一层PET膜，使线圈表面平整光滑，接着在PET膜表面继续绕线。具体工艺流程如图2所示。

因此，本实施例的优选方案中，由于轴向线圈进行空间利用率的压缩处理，轴向线圈由自粘性漆包线绕制，径向线圈由印制在杜邦AP9121R上的PCB板制成。

另外一方面，本发明还提出了一种匀场线圈的设计算法，上述算法基于以下的设计：

超导磁体产生的主磁场(即轴向静磁场)在空间并非完全均匀分布，它的磁场表达式中含有非常数项，匀场就是通过匀场线圈在空间产生反向磁场，抵消掉主磁场的非常数项分布。

超导磁体的轴向静磁场表达式为：

在(1)式中，是表征均匀磁场B₀的常量，而其它非常数项则表征磁场在空间的不均匀分布。

从超导磁体轴向静磁场中分解出磁场各阶非常数项表达式，将该表达式的负数作为目标函数。再建立若干组Maxwell线圈作为初始函数。求解室温匀场线圈的过程，即为优化上述初始函数，使之不断接近目标函数的过程。

本实施例中以Z3阶线圈为例来说明用微粒群算法设计匀场线圈的方法：

设计Z3阶线圈即设计一个线圈，产生满足(2)式的磁场分布：

B_Z3＝K·Z³ (2)

其中K为表征磁场强度的常数，这里取K＝1000。

用两对通以反向电流的Maxwell线圈组产生的磁场作为初始函数，如图2所示，函数表达式为：

上式(3)中，r₁、r₂分别表示两对Maxwell线圈到匀场线圈中心的轴向距离，每对Maxwell子线圈为单层，而I₁、I₂则表示它们对应的电流，如图3所示；R为两对线圈的绕线半径，z为场点纵坐标，真空磁导率μ₀＝4π·10^-7T·m/A。

在室温匀场线圈的工作区间z∈[-20mm,20mm]内，均匀选取场点N，N为大于等于1的奇数，因为匀场的中心点是为必选被计算的匀场坐标，其它的各点在匀场中心周围对称地进行选择，将B_LB(Z_n)逼近B_Z3。自然选取的场点越多，计算精度越高，但计算过程的工作量也会相应增大。

建立优化函数(场点数量N＝41)：

这样就将求解Z3阶线圈的问题，转化为寻找r₁,r₂,I₁,I₂使得优化函数f(r₁,r₂；I₁,I₂)的值最小。下面用微粒群算法来解这个优化问题。

Step1：初始化一“群”规模为2对的Maxwell线圈X₁，X₂：将所述Maxwell子线圈的位置和电流信息记为X_i,j＝(r_i,1,r_i,2；I_i,1,I_i,2)，该信息以矩阵的形式来表达，其中r_i,1,r_i,2分别表示第i对Maxwell线圈的两对子线圈到匀场线圈中心的轴向距离，I_i,1,I_i,2分别表示第i个Maxwell线圈的每个子线圈上的电流大小；将所述Maxwell子线圈的位置和电流的变化速度即变量记为V_i,j＝(vr_i,1,vr_i,2；vI_i,1,vI_i,2)，其中vr_i,1,vr_i,2和vI_i,1,vI_i,2分别表示r_i,1,r_i,2和I_i,1,I_i,2的变化量；

Step2：评价线圈的适应度：将每个Maxwell子线圈的位置r_i,j和电流I_i,j分别代入到优化函数中求解，并得到线圈所产生的总场的解F；

Step3：寻找每一对Maxwell线圈的优化函数各自对应的最小值，记为fpbest，它所对应的位置和电流的信息记为P_i,j，P_i,j即为该子线圈所经历的最优化位置；该变量主要用于对每个子线圈的位置和电流的值进行记录；

Step4：寻找总场解F的最小值，记为fgbest，它所对应的各对线圈位置与电流的信息即为该线圈集合所经历的最优化位置，记为g；

Step5：将当前X_i.j对应的各对线圈的优化函数值F与fgbest比较。若F＜fgbest，则P_i,j＝X_i,j，g＝X_i,j，fgbest＝F；

Step6：对每个线圈的位置变化速度vr_i,j、电流变化速度vI_i,j、位置r_i,j、电流I_i,j依次做式(5)(6)(7)(8)迭代，

vr_i,j＝ω×vr_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-r_i,j)+c₂×Rand()×(g-r_i,j) (5)

vI_i,j＝ω×vI_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-I_i,j)+c₂×Rand()×(g-I_i,j) (6)

r_i,j＝r_i,j+vr_i,j (7)

I_i,j＝I_i,j+vI_i,j (8)

其中，ω为惯性权重，它使自变量保持运动的惯性，有能力搜索新的区域，这里令ω＝0.7298；加速常数c₁＝c₂＝1.49618，它们代表将每个自变量推向fpbest和fgbest的统计加权项的权重，使自变量可以越过目标区域并在外短暂徘徊；rand()和Rand()是两个在[0,1]范围内变化的随机数；

Step7：以预设的fgbest值为结束条件，判断当前fgbest是否达到预设值，达到则结束，否则返回Step2，fgbest设置得越小，计算结果越精确，但计算量也越大，甚至可能陷入死循环。

本实施例中将以上算法的结束条件设为fgbest＜6×10^-7，通过Matlab编程求解以上算法得到：r₁＝14.52mm，r₂＝48.21mm，I₁＝-1.04257A，I₂＝10.97477A。

根据以上求解的结果可知，假设每根导线中通以0.2A的电流，则Z3阶线圈的绕线位置和匝数的设计参数分别为下表所示：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈，其特征在于，该线圈由上至下依次包括绕线区(1)、支撑架(2)以及底座(3)，其中所述绕线区(1)内层为多阶轴向线圈，外层为多阶径向线圈，所述多阶轴向线圈由自粘性漆包线绕制，所述多阶轴向线圈中相互之间在垂直于轴向方向上没有交叠的轴向线圈压缩到一层。

2.如权利要求1所述的超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈，其特征在于，所述绕制的每层自粘性漆包线，都粘贴填补所述自粘性漆包线上凹凸面的热塑性聚酯膜。

3.一种针对如权利要求1-2中任意一项所述的超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈的绕线方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)紧贴所述支撑架(2)绕制一层所述自粘性漆包线；

(2)在高低温烤箱中烘烤，使经过所述步骤(1)处理过后的自粘性漆包线粘合固定；

(3)绕线完毕后，在经过所述步骤(2)处理后的漆包线上粘贴热塑性聚酯膜填补凹凸面；

(4)重复上述步骤(1)-(3)直至所有所述匀场线圈绕线完成。

4.一种针对如权利要求1-3中任意一项所述的超导核磁共振波谱仪室温匀场线圈的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)从超导磁体的主磁场中分解出所述主磁场的各阶非常数项，将其负数构建成目标函数B(Z_n)；

(2)初始化一“群”数量规模为D的Maxwell线圈对X₁～X_D，其中D为线圈对数量，建立上述Maxwell线圈对中的每对线圈产生的磁场作为初始函数B_LB(Z_n)；

(3)建立优化函数其中r_i,1,r_i,2,...,r_i,j分别表示第i对Maxwell线圈中的子线圈j到匀场线圈中心的轴向距离，I_i,1,I_i,2,...,I_i,j分别表示第i对Maxwell线圈的每对子线圈上的电流大小，其中1≤i≤D，j为第i对线圈中包含的子线圈的数量，N为从待匀场的磁场中选取的场点数量，为大于等于1的奇数；

(4)寻找r_i,1,r_i,2,...,r_i,j和I_i,1,I_i,2,...,I_i,j使得优化函数的值最小；

(4-1)赋予线圈位置和电流初始值：将所述Maxwell子线圈的位置和电流信息记为X_i,j＝(r_i,1,r_i,2,...,r_i,j；I_i,1,I_i,2,...,I_i,j)；将所述Maxwell子线圈的位置和电流的变化量记为V_i,j＝(vr_i,1,vr_i,2,...,vr_i,j；vI_i,1,vI_i,2,...,vI_i,j)，其中vr_i,1,vr_i,2,...,vr_i,j和vI_i,1,vI_i,2,...,vI_i,j分别表示r_i,1r_i,1,r_i,2,...,r_i,j和I_i,1,I_i,2,...,I_i,j的变化量；

(4-2)评价线圈的适应度：将所述每个Maxwell子线圈的位置r_i,j和电流I_i,j分别代入到优化函数中求解，求得每对Maxwell线圈的优化函数，并得到所述D对Maxwell线圈产生的磁场的总场的解F；

(4-3)寻找每个所述Maxwell子线圈的优化函数自身的最小值，记为fpbest，它所对应的位置和电流变化信息记为P_i,j，P_i,j即对应所述i对线圈中的第j个所述子线圈所经历的最优化位置及电流信息；

(4-4)寻找所述总场的解F中的最小值，记为fgbest，它所对应的所述Maxwell子线圈的位置和电流信息记为g；

(4-5)将当前所述位置和电流信息X_i,j对应的所述Maxwell子线圈的优化函数值与fgbest比较，若其小于fgbest，则P_i,j＝X_i,j，g＝X_i,j，fgbest等于该优化函数值；

(4-6)以预设的fgbest值为结束条件，判断当前fgbest是否达到预设值，达到则结束，否则进入所述下一步骤；

(4-7)对所述每个子线圈的位置变化速度vr_i,j、电流变化速度vI_i,j、位置r_i,j、电流I_i,j依次做如下迭代：

vr_i,j＝ω×vr_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-r_i,j)+c₂×Rand()×(g-r_i,j) (5)

vI_i,j＝ω×vI_i,j+c₁×rand()×(P_i,j-I_i,j)+c₂×Rand()×(g-I_i,j) (6)

r_i,j＝r_i,j+vr_i,j (7)

I_i,j＝I_i,j+vI_i,j (8)

其中，ω为惯性权重，它使自变量保持运动的惯性，有能力搜索新的区域，这里令ω＝0.5～1内的任意一个常数；加速常数c₁、c₂它们代表将每个自变量推向fpbest和fgbest的统计加权项的权重，其为随机赋予的[1,2]范围内的一个数值；rand()和Rand()是两个在[0,1]范围内变化的随机数；

(4-8)利用所述步骤(4-7)求出的位置值/电流值返回所述步骤(4-2)。