CN110456293A - 一种自屏蔽梯度线圈的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，首先将根据成像区域目标点磁场值，通过边界元法和流函数法求出梯度线圈主线圈最大尺寸及主线圈在成像区域和屏蔽区域目标点的磁场值，根据主线圈在成像区域和屏蔽区域的磁场值来设定屏蔽线圈的目标点，从而控制屏蔽线圈在成像区域的磁场值，以实现对自屏蔽梯度线圈的功耗的控制。本发明采用上述结构的自屏蔽梯度线圈的设计方法，能有效提高自屏蔽梯度线圈的效率，降低自屏蔽梯度线圈的功耗。

Description

一种自屏蔽梯度线圈的设计方法
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，特别是涉及一种自屏蔽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部件之一，其主要作用是在成像区域产生梯度磁场，实现对信号空间定位。在磁共振成像(MRI)中，要实现对信号的X、Y、Z三个方向空间定位，需要三路梯度线圈。梯度线圈在实现空间定位过程中，由于梯度电流的快速切断，会在梯度线圈附近的金属中产生涡流，涡流产生的磁场叠加到原梯度磁场中，会导致梯度线圈定位不准，产生涡流伪影和图像畸变。
目前克服梯度线圈涡流效应常用的方法有两种，一种是抗涡流极盘，另一种是自屏蔽梯度线圈。抗涡流极盘常采用双层硅钢片叠加，通过提高极盘电阻来降低梯度线圈产生的涡流，但硅钢片剩磁比较大，会使MRI成像系统中剩磁变大，会影响图像质量。第二种方法采用自屏蔽梯度线圈，通过使目标区域磁场变化为零，从而使极头上不会产生感应涡流。采用的设计方法主线圈和屏蔽线圈一体化设计方法，这种设计方法可以一次设计出主线圈和屏蔽线圈，但是不能控制屏蔽线圈在成像区域产生磁场的大小，在达到要求梯度场强条件下，一体化设计的线圈功耗会更大。
本发明专利为了解决上述自屏蔽梯度线圈的问题，提出了一种新的自屏蔽梯度线圈设计方法。既保证屏蔽区域磁场最小，又控制屏蔽线圈在成像区域产生梯度场最小，进一步降低自屏蔽梯度线圈的功耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，能有效提高自屏蔽梯度线圈的效率且能降低自屏蔽梯度线圈的功耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，其步骤如下：
步骤一：导入主梯度线圈网格，将主梯度线圈区域分为三维三角形网格节点。
步骤二：将成像区域直径360mm球体表面均匀划分156个目标点，采用MATLAB 软件读取三角网格的各个顶点和面的坐标值，优化顶点和面的排布顺序，确定成像区域目标点坐标值。
步骤三：根据成像区域目标点坐标值计算主线圈在成像区域理想梯度磁场值。
步骤四：根据边界元法，设置导线尺寸，计算源点区域通电导线对成像区域目标点的磁场贡献值。
步骤五：通过Quadprog二次规划方法，约束主线圈的功耗做小，计算出主线圈上电流的大小和方向。
步骤六：通过流函数法得到主线圈的实际绕线形状。
步骤七：根据主线圈的实际绕线形状，通过奥萨伐尔公式计算出成像区域目标点和屏蔽区域目标点磁场值。
步骤八：以屏蔽区域目标点磁场值作为屏蔽线圈在屏蔽区域的理想磁场值，以主线圈在理想区域设计值的1/5作为屏蔽线圈在成像区域的理想磁场值。
步骤九：导入屏蔽线圈的网格，排序网格顶点和三角面。
步骤十：根据边界元法和给定的导线尺寸，计算源点区域通电导线对成像区域目标点的磁场贡献值。
步骤十一：通过Quadprog二次规划方法，约束主线圈的功耗最小，计算出主线圈上电流的大小和方向。
步骤十二：通过流函数法得到主线圈的实际绕线形状。
本发明的有益效果为：
通过分步式设计自屏蔽梯度线圈的方法，在达到控制屏蔽区域磁场的同时，可有效控制屏蔽线圈在成像区域的梯度磁场，并降低整个自屏蔽梯度线圈的功耗。
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是本发明的自屏蔽梯度线圈的设计原理示意图。
图2是本发明的源区网格划分示意图。
图3是本发明的成像区域目标点示意图。
图4是本发明的三维显示源区和成像区域目标点示意图。
图5是本发明的纵向自屏蔽梯度线圈的z线圈结构示意图。
图6是本发明的纵向自屏蔽梯度线圈的x线圈结构示意图。
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。
参考图1所示，基于自屏蔽梯度线圈的原理结构，提出一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，以下是本发明一种自屏蔽梯度线圈的设计方法的一个实施例：
所设计的主线圈间距为0.46m，直径0.405m；屏蔽线圈间距0.52m，直径0.435m，所设计的自屏蔽梯度线圈目标梯度磁场强度为15mT/m，线圈区域为非线性度不大于5％，具体设计步骤如下：
步骤一：根据所设定主线圈参数和目标点，采用blender2.7软件对主线圈进行三角网格划分，如图2所示，即将主线圈离散化。
步骤二：用matlab将球体分成13层，每隔30°设定一个测试点，一共 156个测试点，如图3所示，并求出这些测试点的x、y、z坐标。得到原坐标点S(x,y,z)和场坐标点F(x1,y1,z1)。
步骤三：根据目标场点坐标值确定目标点梯度磁场值。目标梯度磁场值为 15mT/m，设定主线圈目标磁场值为18.75mT/m，球面上目标点磁场值为坐标点z坐标值与梯度强度乘积，即
Gz＝G*z
公式中Gz为给定目标区域内目标点的梯度磁场值，单位为mT；G为给定线性区域梯度强度，单位为mT/m；z为目标点z方向坐标值，单位为m。
步骤四：根据边界元法与设置的主线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值，其计算方法为：源点区域离散化，离散成顶点和三角面，采用排序程序，对源点顶点和三角面进行排序，得出离散顶点的坐标值Ss(x,y,z)。
根据毕奥萨伐尔公式：
式中为源点导线对场点磁感应强度的贡献值；μ0为真空磁导率；dl为源点区域通电导线的长度；r为源点到场点的距离；I为源点导线上电流值；θ为通电导线与源点和场点连线之间夹角。
步骤五：计算主线圈的功耗和采用matlab中quadprog函数来计算功耗最小主线圈节点上电流值。电流功耗表达式如下：
式中面S为离散单元面，包括n各节点，Izm和Izn分别是主线圈第m个和第n个节点上电流值，ρ是主线圈导体的电阻，dzr是主线圈导体的厚度。Rzmn是主线圈的电阻矩阵。
quadprog函数如下：
Fz＝(1/2)*Iz*Rzmn*Iz’
式中，F为主线圈目标函数，I为主线圈源区离散点电流值，I’为I的转置矩阵，Rzmn为主线圈源区离散点电阻矩阵。
步骤六：通过流函数法计算主线圈的绕线形状。
式中，Sz为主线圈等势差，max(Iz)为主线圈节点电流最大值，min(Iz)为主线圈节点电流最小值，Nz主线圈绕线匝数。
步骤七：通过主线圈的绕线形状及绕线的坐标点，采用比奥萨伐尔公式分别计算成像区域和屏蔽区域的磁场值。
步骤八：以目标场值的1/5倍作为屏蔽线圈在成像区域的目标磁场值，以主线圈在屏蔽区域产生的磁场的负数作为屏蔽线圈在屏蔽区域的目标磁场值。即屏蔽线圈的目标磁场值为
Bpt＝[Bpimt,Bpt]
式中，Bpt为屏蔽线圈的目标磁场值，Bpimt为屏蔽线圈在成像区域的目标磁场值，Bpt为屏蔽线圈在屏蔽区域的目标磁场值。
步骤九：屏蔽线圈源区离散化，得出相应网格节点坐标并排序。
步骤十：计算屏蔽线圈源点对成像区域的贡献值，屏蔽线圈计算方法和主线圈计算公式相同。
屏蔽线圈的电阻矩阵计算公式如下：
式中面S为离散单元面，包括n各节点，Ipm和Ipn分别是屏蔽下圈第m个和第n个节点上电流值，ρ是屏蔽线圈导体的电阻，dpr是屏蔽线圈导体的厚度。Rpmn是屏蔽线圈的电阻矩阵。
步骤十一：采用matlab中quadprog函数来计算功耗最小屏蔽线圈节点上电流值。
Fp＝(1/2)*Ip*Rpmn*Ip’
式中，F为屏蔽线圈目标函数，I为屏蔽线圈源区离散点电流值，I’为I的转置矩阵，Rpmn为源区离散点电阻矩阵。
步骤十二：通过流函数法计算屏蔽线圈的绕线形状，结果如图5、图6所示。
式中，Sp为屏蔽线圈等势差，max(Ip)为屏蔽线圈节点电流最大值，min(Ip)为屏蔽线圈节点电流最小值，Np屏蔽线圈绕线匝数。
因此，本发明提供了一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，把自屏蔽梯度线圈分解成两种单独的梯度线圈设计，先设计出主梯度线圈，屏蔽线圈以主线圈在屏蔽区域产生的磁场值为目标点来设计屏蔽线圈，且控制屏蔽线圈在成像区域磁场值的大小，在达到设定梯度强度的条件下有效提高自屏蔽梯度线圈的效率且能降低自屏蔽梯度线圈的功耗。
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 (1)

1.一种自屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：导入主梯度线圈网格，将主梯度线圈区域分为三维三角形网格节点；
步骤二：将成像区域直径360mm球体表面均匀划分156个目标点，采用MATLAB软件读取三角网格的各个顶点和面的坐标值，优化顶点和面的排布顺序，确定成像区域目标点坐标值；
步骤三：根据成像区域目标点坐标值计算主线圈在成像区域理想梯度磁场值；
步骤四：根据边界元法，设置导线尺寸，计算源点区域通电导线对成像区域目标点的磁场贡献值；
步骤五：通过Quadprog二次规划方法，约束主线圈的功耗做小，计算出主线圈上电流的大小和方向；
步骤六：通过流函数法得到主线圈的实际绕线形状；
步骤七：根据主线圈的实际绕线形状，通过奥萨伐尔公式计算出成像区域目标点和屏蔽区域目标点磁场值；
步骤八：以屏蔽区域目标点磁场值作为屏蔽线圈在屏蔽区域的理想磁场值，以主线圈在理想区域设计值的1/5作为屏蔽线圈在成像区域的理想磁场值；
步骤九：导入屏蔽线圈的网格，排序网格顶点和三角面；
步骤十：根据边界元法和给定的导线尺寸，计算源点区域通电导线对成像区域目标点的磁场贡献值；
步骤十一：通过Quadprog二次规划方法，约束主线圈的功耗最小，计算出主线圈上电流的大小和方向；
步骤十二：通过流函数法得到主线圈的实际绕线形状。
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Assignee: Hebei Wanshichun Railway Locomotive and Rolling Stock Parts Manufacturing Co.,Ltd.

Assignor: HUIREN WANGDU MEDICAL EQUIPMENT SCIENCE & TECHNOLOGY CO.,LTD.

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Denomination of invention: A Design Method for Self Shielding Gradient Coil

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