CN111103561B - 一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计及制作方法；其设计方法如下：步骤1：匀场区域建立磁化率模型；步骤2：计算匀场区域内磁化率引起的不均匀磁场；步骤3：选定所述匀场线圈载面位置，设置初始条件；步骤4：建立多目标优化函数，设置每一目标项权重系数；步骤5：设定权重系数初始值和目标项收敛条件，利用吉洪诺夫正则化和最小二乘方法进行优化求解；步骤6：若各目标项达到收敛条件，则输出设计结果，否则调整权重参数，返回步骤5。其制作方法为：1.根据所述多簇环形导线组的大小、圈数及位置特征，对导线组进行归类；2.对各环形线圈的连接进行路径优化，减少干扰。应用本技术方案可以有效补偿磁化率扰动场。

Description

一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计及制作方法

技术领域

本发明涉及小型化核磁共振波谱仪领域，具体是指一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计及制作方法。

背景技术

影响核磁共振波谱仪磁场均匀度的因素主要有主磁体不均匀性和样品周边区域的磁化率。常规核磁共振谱仪主磁体系统配有室温匀场线圈，提升主磁场的均匀性。每组匀场线圈产生的特定磁场对应主磁场球谐展开的一个谐波项，因此，核磁谱仪通常配置几组甚至几十组的匀场线圈来消除主磁场的各谐波项，从而保证谱图质量。对于磁化率产生的畸变磁场，高阶谐波分量所占比重较大，因而最直观的解决方法是为主磁体配上多组高阶的匀场线圈来尽量消除该部分不均匀场的影响。目前商业大型超导核磁共振波谱仪轴向9阶和径向4阶的匀场线圈组合仍然无法将磁化率不均匀性补偿到指标内，因此高场大型核磁共振谱仪中射频线圈采用高成本的零磁材料消除样品区域磁化率的影响。

随着核磁谱仪在食品安全、生化、医学检测等领域的广泛应用，小型核磁共振谱仪体积重量小、成本低廉、便于携带等优点日益凸显。然而，小型核磁共振谱仪的主磁体一般采用永磁材料加工，其磁体腔隙狭小，使得整个匀场线圈和射频探头装配紧密，样品区与其周边装置的介质差异所引发的主磁场畸变问题凸显。由于空间限制，小型核磁共振谱仪通常无法为多组高阶匀场线圈提供足够的安装位置。并且随着匀场线圈数量的增多，负责为匀场线圈供电的恒流源需要的输出路数就更多，导致谱仪整体的体积、重量及成本都增加，这不符合小型化核磁共振谱仪便携和低成本的要求。对于小型核磁共振谱仪由于空间紧凑，除了射频线圈磁化率外，支架结构部分的磁化率也不容忽视，零磁材料的成本和选材难度大大增加，同时零磁材料对使用环境要求较高，这不适应小型核磁共振谱仪现场检测的需求。在小型核磁共振谱仪中，射频线圈选用的制作材料往往是逆磁性的铜，在主磁场中被磁化后，线圈周围会产生微小的扰动磁场。该扰动磁场的杂乱程度与线圈的几何形状相关，例如，螺线管状的射频线圈两端位置较其中间位置，磁场干扰更明显，并且扰动磁场会随着与铜线距离的增大而减小。为了提高信噪比，射频线圈要尽量靠近样品，通常直接紧密绕在样品管外壁，因而该部分扰动磁场会影响到样品区主磁场的均匀性，导致谱图线形展宽。这种磁化率干扰现象在样品管选用毛细管情况下，会更为明显。

因此介质磁化率干扰在样品区中引发的不均匀磁场是小型核磁共振谱仪亟需解决的问题之一。

针对核磁谱仪中介质磁化率引发扰动磁场的问题，一些文献给出了解决方案，主要有如下几种：第一种是采用金属镀层工艺，在铜线外镀上顺磁性的铑层，通过控制铑层厚度，使得镀铑后的铜线呈现零磁性，用该材料绕制射频线圈即可消除部分磁化率干扰。例如：文献“Zelaya F O,Crozier S,Dodd S,et al.Measurement and Compensation ofField Inhomogeneities Caused by Differences in Magnetic Susceptibility[J].Journal of Magnetic Resonance,Series A,1995,115(1):131-136.”报道了该种镀层金属的设计方法和其实验结果。第二种是用空心薄壁毛细铜管来绕制射频线圈，并在毛细铜管内填充顺磁性液体来消除铜的逆磁性作用。例如：文献：“Takeda K,Takasaki T,Takegoshi K.Susceptibility cancellation of a microcoil wound with aparamagnetic-liquid-filled copper capillary[J].Journal of Magnetic Resonance,2015,258:1-5.”报道了该种方案设计的射频线圈实物和实验结果。第三种是文献：“Conradi M S,Altobelli S A,Mcdowell A F.Coil extensions improve line shapesby removing field distortions[J].Journal of Magnetic Resonance,2018,291:23-26.”提出的在螺线管线圈两端分别邻接一段不带射频激励的螺线管，该方法巧妙地将磁化率扰动明显的区域移出射频敏感区，使射频线圈磁化率对样品区的磁场干扰减小。

但是这些方案采用的方法均属无源匀场范畴，且只针对于射频线圈产生的磁化率影响问题，并未考虑到样品周围其他非零磁化率材料对主磁场的干扰情况。其中，前两种方案的加工难度较大。

另外，一些文献中给出了室温匀场线圈的改进设计及其适用环境，中国专利CN109765510A公开了一种带有圆角的径向超导匀场线圈及设计方法，能降低线圈绕线带来的误差，适配于超导磁体，线圈为鞍型结构，采用非线性优化方法；中国专利CN106556813A公开了一种磁共振系统中主动匀场线圈的线性混合优化方法，通过线性规划解决匀场线圈设计中的收敛困难；中国专利CN103901374A提出了一种矩形匀场线圈设备，用于有源高阶匀场的设备，主要针对人体磁共振成像系统；中国专利CN110068319A涉及的是一种匀场线圈优化设计、制作方法及其结构，用在核磁共振陀螺上。以上改进的匀场线圈及方法需多组线圈配合多组恒流源的调节实现匀场，整体占用空间较大，所需功耗高，并且多为柱状线圈的设计改进，难以完全适用于平面线圈的情况，而用于补偿小型核磁共振谱仪磁化率影响的匀场线圈、多目标优化设计方法及归类法最小干扰连接线的制作方法未有文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计及制作方法，可以有效补偿磁化率扰动场。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法；所述匀场线圈为绕线形状不同的双平面结构，由多簇不规则的环形导线组构成；

其设计方法如下：

步骤1：在两倍匀场区域的球形范围内根据射频样品、线圈、支架材料的结构和磁化率建立磁化率模型；

步骤2：根据磁化率模型和永磁体主磁场的强度和方向特征计算匀场区域内磁化率引起的不均匀磁场；

步骤3：根据永磁体极板间隙和其他部件结构特性选定所述匀场线圈载面位置，设置线圈范围、模型初始条件及参数；

步骤4：以不均匀磁场、线圈电流值和匀场线圈功率为目标项建立多目标优化函数，设置每一目标项权重系数；

步骤5：设定权重系数初始值、目标项收敛条件和评价参数，利用吉洪诺夫正则化和最小二乘方法进行优化求解；

步骤6：若各目标项达到收敛条件，则输出设计结果，否则调整权重参数，返回步骤5。

在一较佳的实施例中，所述步骤4的具体方法为：

步骤4-1：将线圈载面剖分并离散为N个网格单元，所述网格单元相较线圈载面尺寸极小，假设每个单元上分别通有大小为Ii，i＝1、2、3……N,的环电流，则计算出所有通电的网格单元在样品区激发的磁场强度Bz；

步骤4-2：建立优化的目标函数U：

min:U＝‖Bz-B_zoff‖+αP+β‖j‖_∞

上述式子中，min:U为目标函数U的最小值，B_zoff表示匀场区域内磁化率引起的不均匀磁场强度，P表示所述线圈载面总体功率损耗，‖j‖_∞表示所述线圈载面上电流密度的最大值，α和β分别是P和‖j‖_∞的调节权重参数。

在一较佳的实施例中，所述步骤5的具体方法为：

步骤5-1：为α、β以及Ii，i＝1、2、3……N,赋上初始值：用吉洪诺夫正则化方法求得方程Bz-B_zoff＝0的解，i＝10、20、30……N0，并将其作为Ii，i＝1、2、3……N,的初始值；用i＝10、20、30……N0反求P和‖j‖_∞，以此时P和‖j‖_∞的比例为依据，设置α、β的初值；

步骤5-2：用最小二乘方法寻找使所述目标函数U取最小值的电流值Ii，i＝1、2、3……N,；

步骤5-3：用线圈载面总体功率损耗P、所述线圈载面上电流密度的最大值‖j‖_∞以及磁场补偿程度δ作为评价参数，并设置收敛范围，

其中，

用步骤5-2中求得的电流值Ii，i＝1、2、3……N,反求P、‖j‖_∞和δ。

在一较佳的实施例中，所述步骤6的具体方法中结果输出为：将求出的Ii，i＝1、2、3……N,视为流线簇上的流值，直接以等高线离散i＝1、2、3……N，即得线圈在所述线圈载面上的布线形状与位置。

本发明还提供了一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的制作方法；根据上述权利要求1至4中任意一项所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法；其制作方法如下：

步骤(一)：根据多簇环形导线组的大小、圈数及位置特征，对多簇环形导线组进行归类；

步骤(二)：采用最短路径的方法，对各环形线圈的连接进行优化。

在一较佳的实施例中，所述步骤(一)的具体方法为：所述线圈平面上的多簇环形导线组，根据其相对大小、圈数及相对位置特征进行归类，具体归为四类：大圈单环导线、小圈单环导线、单嵌套环形导线组、多嵌套环形导线组。

在一较佳的实施例中，所述步骤(二)的具体方法为：步骤(1)：小圈单环导线串接至相邻的大圈单环导线，若其周围无大圈单环导线，则优先将其串接至与之电流同向的单嵌套环形导线组及多嵌套环形导线组的外圈；

步骤(2)：相邻的大圈单环导线与小圈单环导线串接成一个单一通路；

步骤(3)：按照由外层到内层的顺序，串接多嵌套环形导线组的同层导线环；

步骤(4)：串接每簇单嵌套环形导线组的各层导线环；

步骤(5)：串接同一平面上各单一通路。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明提供了一种专门克服样品周边介质磁化率效应的匀场线圈设计，该线圈在两路恒流激励下，产生的磁场可以有效补偿磁化率扰动场。

2.本发明建立了一个带参数的优化函数，将补偿磁化率的永磁体匀场线圈设计问题转化为调整权重参数并求解优化函数最小值的问题。

3.本发明采用吉洪诺夫正则化和最小二乘方法求解补偿磁化率的永磁体匀场线圈的绕线形状和位置，能够更好地结合实际情况进行设计。

4.本发明提出了一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的绕制方法，既解决了该不规则匀场线圈的连接问题，又能尽量减小多余连接线对补偿场的影响。

5.本发明设计的补偿磁化率的永磁体匀场线圈尺寸小，且考虑了线圈功率的优化，具有高空间利用率和低功耗的优势。

附图说明

图1是本发明优选实施例的左平面线圈示意图；

图2是本发明优选实施例的右平面线圈示意图；

图3是本发明优选实施例的补偿磁化率的永磁体匀场线圈设计方法的流程图；

图4是本发明优选实施例的补偿磁化率的永磁体匀场线圈制作方法的流程图；

图5是本发明优选实施例的环形导线组归类之一的大圈单环导线示意图；

图6是本发明优选实施例的环形导线组归类之一的小圈单环导线示意图；

图7是本发明优选实施例的环形导线组归类之一的单嵌套环形导线组示意图；

图8是本发明优选实施例的环形导线组归类之一的多嵌套环形导线组示意图；

图9是本发明优选实施例的左平面线圈接线示意图；

图10是本发明优选实施例的右平面线圈接线示意图；

图11是本发明优选实施例的整体结构示意图之一；

图12是本发明优选实施例的整体结构示意图之二。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本实施例中所涉及的补偿磁化率的永磁体匀场线圈如图1、图2所示，该线圈为双平面形式，分为左、右两平面，两平面上的线圈绕线形状不同，都由多簇不规则的环形导线组构成，且每个平面线圈整体都不具对称性。

另外，本发明还提出了一种用于设计该匀场线圈的方法，其流程如图3所示，上述方法基于以下的设计：

小型核磁共振谱仪的探头部分通常比较紧凑，其周围的非零磁化率介质对于样品区主磁场的扰动效应足以影响谱线宽度，通过建模仿真计算的方法可以得到这部分扰动场的数据。本实施例中考虑的非零磁化率介质有水(χ＝-9.06×10^-6)、空气(χ＝-4×10^-7)、铜(χ＝-9.66×10^-6)、SiO₂(χ＝-11.8×10^-6)等，并在此基础上，于两倍匀场区域大小的球形(半径为5.5mm)范围内构建样品、射频线圈等模型，在外加0.5T均匀场条件下进行静场仿真计算。将该仿真结果与理想磁场0.5T作差，即得由磁化率干扰所产生的偏差磁场强度B_zoff。

根据实际条件，该实施例中选取了两间距为11cm的平行面作为该匀场线圈的承载面，两平面的中心在同一垂线上。在两平行面中心各取大小为4cm×4cm的方形区域用于线圈绕线，将绕线区域剖分离散为5000个网格单元，假设每个单元上有大小为Ii(1≤i≤5000)的环电流，则可以计算出该绕线区在样品区各点激发的磁场强度为

其中，

上式中，μ₀为真空磁导率，a为网格单元的边长，本例中取a＝0.8mm，而(x,y,z)表示所求场点的坐标，(x′_i,y′_i,z′_i)表示第i个网格单元的坐标。

同时，可以给出所述绕线区的总体功耗P的表达式为

P＝∑[(I_i+1-I_i)²+(I_i+50-I_i)²],

所述绕线区域中电流密度的最大值‖j‖_∞的表达式为

建立优化的目标函数U：

min:U＝‖B_z-B_zoff‖+αP+β‖j‖_∞，

上述式子中，α和β分别是P和‖j‖_∞的调节权重参数，这样就将该匀场线圈的设计问题转化为调整权重参数并求解优化函数U最小值的问题。以下为本实施例求解该优化问题的步骤。

Step1：为α、β以及i＝1、2、3……N赋上初始值：用吉洪诺夫正则化(Tikhonovregularization)方法求得方程Bz-B_zoff＝0的解，i＝10、20、30……N0，并将其作为i＝1、2、3……N的初始值；用i＝10、20、30……N0反求P和‖j‖_∞，以此时P和‖j‖_∞的比例为依据，设置α、β的初值，取α＝10，β＝100；

Step2：用最小二乘方法(本实施例采用LM法)寻找使所述目标函数U取最小值的电流值i＝1、2、3……N；

Step3：评价并优化结果：用所述线圈载面总体功率损耗P、所述线圈载面上电流密度的最大值‖j‖_∞以及磁场补偿程度δ作为评价参数，

其中，

用Step2中求得的电流值i＝1、2、3……N反求P、‖j‖_∞和δ，若所求P、‖j‖_∞和δ均在预设的阈值范围内，即P≤10，‖j‖_∞≤0.5，δ≥0.9则继续执行Step4，否则，调整所述权重参数α、β的值，并返回Step2；

Step4：将求出的i＝1、2、3……N视为流线簇上的流值，直接以等高线离散i＝1、2、3……N，即得线圈在两平面上的布线形状与位置，如图1、图2所示。

本实施例中按照以上参数和步骤设计的补偿磁化率影响的匀场线圈的左、右线圈所通电流大小分别为87.1mA和80.8mA。此时，P＝5.616，‖j‖_∞＝0.318，δ＝0.923。

另外，由于该匀场线圈的圈数多且绕线形式较为复杂，本发明还提供一种用于该线圈接线的制作方法，其流程如图4所示。本实施例中，首先对两平面线圈上各簇环形导线组进行标号(如图1、图2所示)，再根据相对大小、圈数及相对位置等特征，将这些环形导线组归为四类(如图5至8所示)，则该匀场线圈上的所有环形导线组归类结果如下：{大圈单环导线}＝{1a，1e，2e，2l}、{小圈单环导线}＝{1b，1c,1d,1i,1j,2d,2f,2j,2m}、{单嵌套环形导线组}＝{1f,1g,2a,2g,2h,2k}、{多嵌套环形导线组}＝{1h,2b,2c,2i,2n}。然后将上述各类环形导线组按照以下步骤连接：

小圈单环导线优先串接至相邻的大圈单环导线，若其周围无大圈单环导线，则优先将其串接至与之电流同向的单嵌套环形导线组及双嵌套环形导线组的外圈；

当多簇小圈单环导线及大圈单环导线相邻时，优先将这些小圈单环导线及大圈单环导线串接成一个单一通路；

按照由外层到内层的顺序，将多嵌套环形导线组的同层导线环串接，使多嵌套环形导线组转变为单嵌套环形导线组；

将每簇单嵌套环形导线组的各层导线环串接，使其形成一个单一通路；

把同一平面上各单一通路串接，从而完成该匀场线圈的连接。

图9、图10分别为该匀场线圈的左、右平面线圈接线示意图。其中，虚线为辅助信号接线，每段虚线有且仅有位于两端的两个接口；A、B表示左平面线圈的信号输入口和信号输出口；C、D表示右平面线圈的信号输入口和信号输出口。

最后，本实施例中所涉及的补偿磁化率的永磁体匀场线圈的整体装置如图11、图12所示，该线圈包括支撑架1、左线圈板2、右线圈板3、转接板4、信号接口5和进出信号线6等。该支撑架1为无氧铜材质，接地用于削弱内部射频信号对补偿线圈的干扰，其两侧面分别开有一道长约123.5mm，宽约90.0mm，深约0.8mm的矩形浅槽，两道浅槽与左、右线圈板2、3的尺寸相同。左线圈板2和右线圈板3恰好可以分别置于该两道浅槽内，并以若干沉头螺丝固定，此时两板间距为11mm。由此，支撑架1的两侧面在装完线圈板2、3后，仍然保持平整，提升了空间利用率。

左、右线圈板2、3都是PCB板，分别用于该匀场线圈的左、右平面线圈布线，该匀场线圈的走线被刻蚀在电路板上。以此方式实现线圈的绕制，不仅方便线圈在安装过程中的定位与固定，而且制作工艺简单，容易实现。其次，线圈板2、3表面铺的绿油也有效阻隔了线圈与支撑架间的电性连接，避免短路。

转接板4装在支撑架1一边上镂空处的插槽内。两组进出信号线6平行放置于该镂空处，且其一端焊接至线圈板2、3的接口，另一端焊接至转接板4的接口，而信号接口5又焊在转接板接口的另一侧。由此，外部恒流信号可由信号接口5传至左、右线圈板2、3，线圈在线圈板2、3之间的中心区域产生用于补偿磁化率扰动场的磁场。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法；其特征在于所述匀场线圈为绕线形状不同的双平面结构，由多簇不规则的环形导线组构成；

其设计方法如下：

步骤1：在两倍匀场区域的球形范围内根据射频样品、线圈、支架材料的结构和磁化率建立磁化率模型；

步骤2：根据磁化率模型和永磁体主磁场的强度和方向特征计算匀场区域内磁化率引起的不均匀磁场；

步骤3：根据永磁体极板间隙、探头及支架结构特性选定所述匀场线圈载面位置，设置线圈范围、模型初始条件及参数；

步骤4：以不均匀磁场、线圈电流值和匀场功率为目标项建立多目标优化函数，设置每一目标项权重系数；

步骤5：设定权重系数初始值、目标项收敛条件和评价参数，利用吉洪诺夫正则化和最小二乘方法进行优化求解；

步骤6：若各目标项达到收敛条件，则输出设计结果，否则调整权重参数，返回步骤5。

2.根据权利要求1所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤4的具体方法为：

步骤4-1：将线圈载面剖分并离散为N个网格单元，所述网格单元相较线圈载面尺寸极小，假设每个单元上分别通有大小为Ii，i＝1、2、3……N,的环电流，则计算出所有通电的网格单元在样品区激发的磁场强度Bz；

步骤4-2：建立优化的目标函数U：

min:U＝‖Bz-B_zoff‖+αP+β‖j‖_∞

其中，min:U为目标函数U的最小值，B_zoff表示匀场区域内磁化率引起的不均匀磁场强度，P表示所述线圈载面总体功率损耗，‖j‖_∞表示所述线圈载面上电流密度的最大值，α和β分别是P和‖j‖_∞的调节权重参数。

3.根据权利要求2所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤5的具体方法为：

步骤5-1：为α、β以及Ii，i＝1、2、3……N,赋上初始值：用吉洪诺夫正则化方法求得方程Bz-B_zoff＝0的解，i＝10、20、30……N0，并将其作为Ii，i＝1、2、3……N,的初始值；用i＝10、20、30……N0反求P和‖j‖_∞，以此时P和‖j‖_∞的比例为依据，设置α、β的初值；

步骤5-2：用最小二乘方法寻找使所述目标函数U取最小值的电流值Ii，i＝1、2、3……N,；

步骤5-3：用线圈载面总体功率损耗P、所述线圈载面上电流密度的最大值‖j‖_∞以及磁场补偿程度δ作为评价参数，并设置收敛范围，

其中，

用步骤5-2中求得的电流值Ii，i＝1、2、3……N,反求P、‖j‖_∞和δ。

4.根据权利要求3所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法，其特征在于，所述步骤6的具体方法中结果输出为：将求出的Ii，i＝1、2、3……N,视为流线簇上的流值，直接以等高线离散i＝1、2、3……N，即得线圈在所述线圈载面上的布线形状与位置。

5.一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的制作方法；其特征在于根据上述权利要求1至4中任意一项所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的设计方法；其制作方法如下：

步骤(一)：根据多簇环形导线组的大小、圈数及位置特征，对多簇环形导线组进行归类；

步骤(二)：采用最短路径的方法，对各环形线圈的连接进行优化。

6.根据权利要求5所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的制作方法，其特征在于，所述步骤(一)的具体方法为：所述线圈平面上的多簇环形导线组，根据其相对大小、圈数及相对位置特征进行归类，具体归为四类：大圈单环导线、小圈单环导线、单嵌套环形导线组、多嵌套环形导线组。

7.根据权利要求6所述的一种补偿磁化率的永磁体匀场线圈的制作方法，其特征在于，所述步骤(二)的具体方法为：

步骤(1)：小圈单环导线串接至相邻的大圈单环导线，若其周围无大圈单环导线，则优先将其串接至与之电流同向的单嵌套环形导线组及多嵌套环形导线组的外圈；

步骤(2)：相邻的大圈单环导线与小圈单环导线串接成一个单一通路；

步骤(3)：按照由外层到内层的顺序，串接多嵌套环形导线组的同层导线环；

步骤(4)：串接每簇单嵌套环形导线组的各层导线环；

步骤(5)：串接同一平面上各单一通路。

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