CN108872896A - 一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双平面磁共振成像系统梯度线圈设计方法，首先对梯度线圈区域进行三维连续三角网格划分，根据边界元方法，计算梯度线圈区域网格节点对目标场点产生的线圈电感矩阵，然后通过线圈目标梯度值、电感约束条件和吉洪诺夫正则化优化方法，计算出梯度线圈平面的电流大小和方向。最后利用流函数方法得到梯度线圈的实际绕线分布。本发明采用上述结构的双平面磁共振成像系统梯度线圈设计方法，解决了梯度线圈中导线电感大的问题。

Description

一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法

技术领域

本发明涉及一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法。

背景技术

梯度线圈是磁共振成像设备的原件之一，其主要作用是在主磁场上附加另外的依部位递增（或递减）的梯度磁场，从而对MRI信号进行空间定位和编码。实际工作中，梯度线圈系统至少要提供三种梯度磁场，即层面选择，频率编码梯度和相位编码梯度。衡量梯度线圈性能的主要指标是成像速度、清晰度、噪声大小等。而提高梯度线圈的性能对于改善整个核磁共振成像系统的性能具有非常重要的意义。

目前国内梯度线圈边界元法设计主要是圆柱超导梯度线圈设计，而开放式磁共振设备一般存在梯度线圈中导线电感大的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法，来解决开放式磁共振设备中梯度线圈导线电感大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法，提前设定梯度线圈的尺寸，设定梯度线圈之间的最小间距。最小间距为梯度线圈的一个约束条件，从而解决梯度线圈布线困难的问题。

本发明首先将梯度线圈区域划分为三维连续三角网格节点，将成像区域中的球形表面均匀划分成156个目标场点，采用MATLAB软件读取三角网格各顶点和面，优化排序后，计算目标点坐标确定目标点磁场值；根据边界元方法，设置导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值，计算梯度线圈区域网格节点对目标场点产生的线圈电感矩阵；通过吉洪诺夫正则化优化方法，约束条件梯度线圈电感最小，根据线圈目标梯度值、电感约束条件计算出梯度线圈平面的电流大小和方向，最后通过流函数方法得到梯度线圈的实际绕线分布。

本发明的具体步骤如下。

1、在梯度线圈区域进行三维连续三角网格节点划分，将成像区域中的球形表面均匀划分成156个目标场点。

2、根据目标场点坐标计算目标点磁场值。

3、根据边界元方法与设置的导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值，计算梯度线圈区域网格节点对目标场点产生的线圈电感矩阵。

4、通过吉洪诺夫正则化优化方法，约束条件梯度线圈电感最小，根据线圈目标梯度值、电感约束条件计算出梯度线圈平面的电流大小和方向。

5、通过流函数方法得到梯度线圈的实际绕线分布。

因此，本发明采用上述一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法，解决了开放式磁共振设备中梯度线圈导线电感大的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明设计方法流程图。

图2是本发明所设计X/Y梯度线圈的2D示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

以下是一个应用本发明的双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计实施例，其设计流程如图1所示。该梯度线圈间距为0.54m,直径0.42m，所设计梯度线圈的目标梯度磁场为15mT/m,成像区域为直径0.4m的球形区域。

第一步，首先对开放式磁共振成像系统的梯度线圈区域进行三维连续三角网格划分，本实施例采用Maya2014划分网格，然后将成像区域中的球形表面均匀划分成多个目标场点，用MATLAB把直径0.4m球体分成13层，每隔30°一个测试点，一共156个测试点，并求出156点的x、y、z坐标，这些点定义为场点坐标O（x,y,z）。

第二步，根据目标场点确定目标点磁场值。目标梯度磁场G为15mT/m，球面上目标点的磁场值为坐标值与梯度场的乘积。即：

式中为给定线性区域内目标点的梯度值，单位mT；G为给定线性区域内梯度场，单位mT/m；X为目标点x坐标值，单位为m。

第三步，根据边界元方法与设置的导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值。其计算方法如下：

导线进行离散化，每段导线和前后两根导线首尾连接，每个连接点P都有相应的坐标（x1,y1,z1），这些点定义为源点坐标。

式中为源点导线对场点磁感应强度的贡献值；为真空磁导率；为源点到场点的距离；为源点导线上电流值；为源点区域某段通电导线的长度；为通电导线与源点与场点连线之间夹角。

第四步，利用毕奥萨伐尔定律，计算梯度线圈区域内网格节点的基函数对成像区域中球形表面部分的目标场点产生的线圈电感矩阵。其计算方法如下：

根据导入进来的线圈节点、三角形、引入拉普拉斯算子计算。

式中为高斯勒让德积分权重系数；、分别所计算三角形面积；、分别为所计算三角形三个结点坐标和质心坐标矩阵；为所求解两个三角形矩阵之差的范数；为电感矩阵。

第五步，通过吉洪诺夫正则化优化方法，根据线圈目标梯度值和电感约束条件，计算出梯度线圈平面的电流大小和方向。其计算方法如下：

式中ObjectiveFunction为目标函数；为含有电感矩阵的变量；为的转置矩阵；R为线圈的电阻矩阵。

通过优化算法，即可得到满足设计要求的梯度线圈区域内网格节点的流函数分布图。

第六步，根据优化计算得来的电流大小和方向，采用流函数画出导线的绕向，即可得到实际的线圈分布图。具体设计结果如图2所示。

图2为本发明所设计的2D-X/Y梯度线圈的设计结果。通过计算分析可以得到，本发明所提出的开放式核磁共振成像系统梯度线圈最小导线间距为4mm,总的用线量为35米，与此同时，相比于传统方法得到的线圈，使用本发明所提出的边界元法得到的线圈的电感也明显减小，这提高了梯度线圈快速变化的性能，也减小了线圈的发热量。

因此，本发明提供了一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法，解决了开放式磁共振设备中梯度线圈导线电感大的问题。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种双平面磁共振成像系统梯度线圈的设计方法，其特征在于：所述设计方法首先将梯度线圈区域划分为三维连续三角网格节点，将成像区域中的球形表面均匀划分成156个目标场点，采用matlab软件读取三角网格各顶点和面，优化排序后，计算目标点坐标确定目标磁场值；根据边界元方法，设置导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值，计算梯度线圈区域网格节点对目标场点产生的线圈电感矩阵；通过吉洪诺夫正则化优化方法，约束条件梯度线圈电感最小，根据线圈目标梯度值、电感约束条件计算出梯度线圈平面的电流大小和方向，最后通过流函数方法得到梯度线圈的实际绕线分布。

2.根据权利要求1所述的一种双平面磁共振成像系统的设计方法，其特征在于：所述的计算目标点梯度值的方法如下：

目标梯度磁场G为15mT/m，球面上目标点的磁场值为坐标值与梯度场的乘积：

式中为给定线性区域内目标点的梯度值，单位mT；G为给定线性区域内梯度场，单位mT/m；X为目标点x坐标值，单位为m。

3.根据权利要求1所述的一种双平面磁共振成像系统的设计方法，其特征在于：所述的导线参数设置包括导线横截面长度和宽度、导线电阻率、最小导线间距和起始导线匝数设置。

4.根据权利要求1所述的一种双平面磁共振成像系统的设计方法，其特征在于：所述的计算源点区域通电导线对场点的贡献值的方法如下：

导线进行离散化，每段导线和前后两根导线首尾连接，每个连接点P都有相应的坐标（x1,y1,z1），这些点定义为源点坐标，

式中为源点导线对场点磁感应强度的贡献值；为真空磁导率；为源点到场点的距离；为源点导线上电流值；为源点区域某段通电导线的长度；为通电导线与源点与场点连线之间夹角。

5.根据权利要求1所述的一种双平面磁共振成像系统的设计方法，其特征在于：所述的计算线圈电感矩阵的方法如下：

根据导入进来的线圈节点、三角形、引入拉普拉斯算子计算：

式中为高斯勒让德积分权重系数；、分别为所计算三角形面积；、分别为所计算三角形三个结点坐标和质心坐标矩阵；为所求解两个三角形矩阵之差的范数；为电感矩阵。

6.根据权利要求1所述的一种双平面磁共振成像系统的设计方法，其特征在于：所述的优化计算方法如下：

根据线圈目标梯度值、电感约束条件和standard Tikhonov优化算法，计算出梯度线圈平面的电流大小和方向：

式中ObjectiveFunction为目标函数；为含有电感矩阵的变量；为的转置矩阵；为线圈的电阻矩阵。