CN112307657A - 一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体及设计方法，同轴布置的主线圈和屏蔽线圈，屏蔽线圈位于主线圈外侧，铁磁屏蔽机构位于屏蔽线圈外侧；所述屏蔽线圈至少具有四组，分别位于超导磁体的两端和中部，位于两端的两组磁体结构、尺寸及磁场强度相同；位于中部的两组磁体结构、尺寸及磁场强度相同。磁体的体积和重量远小于目前的通用性超导磁共振磁体，该结构的设计方法能够对满足成像要求下的超导磁体用量，超导磁体结构，骨架应力分布，铁磁屏蔽部分，杂散场范围等多个目标进行约束，保证多目标寻优，克服了传统磁共振磁体系统设计方法的求解局限性。

Description

一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体及设计方法

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，具体为一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体及设计方法。

背景技术

磁共振成像技术是继计算机断层扫描技术之后医学影像学的又一重大进步，其可对人体任何部位成像，尤其适用于神经系统及软组织关节成像。具有较好的三维成像能力，可用于对肿瘤的术前定位和疗效追踪。无电离辐射伤害，不会像CT及X光对人体有射线损伤。为了产生成像所需稳定均匀强大的背景磁场，从而保证成像质量。磁体是核磁共振的关键部件，其作用是在成像区域内产生高均匀度的空间磁场分布，磁体的性能优劣直接关系到图像的成像质量，决定最终MRI产品的优劣甚至成功与否。

目前的磁共振成像设备多数是以成年人的体型进行设计制造的通用型磁共振设备，磁体的体积、占地面积和重量较大，也会产生更多的杂散场(磁场强度5Gs，即0.5mT为职业暴露限值，称为5高斯杂散场)，会产生对周围医疗设备的电磁干扰，以及对人体造成影响，因此需要一个额外的屏蔽室。

而目前的磁共振成像设备虽然能够对新生儿使用，但效果并不理想。一方面，新生儿的体型远小于成人，所需的成像区域更小，现有的磁共振成像设备会造成资源浪费，增加患者的诊断成本；另一方面，新生儿身体内部的一些器官还未发育完全，需要更高的成像质量，现有的磁共振成像设备已经无法提高成像质量。再次，现有磁共振设备重量大，体积大，安装与移动十分困难，还需要额外的屏蔽室，不能够直接为重症监护室的新生儿提供更安全的成像，需要转移病人。

现有的磁共振设计方法主要针对通用磁共振设备，无法在主动屏蔽线圈和被动铁磁屏蔽效果的前提下，与线圈骨架的设计同时达到最优，而新生儿磁共振系统由于要保证杂散场范围较小，同时也要保证整个装置的体积与重量足够小，这需要同时优化多个目标。

发明内容

一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，包括同轴布置的主线圈和屏蔽线圈，屏蔽线圈位于主线圈外侧，铁磁屏蔽机构位于屏蔽线圈外侧。

屏蔽线圈至少具有四组，分别位于超导磁体的两端和中部，位于两端的两组屏蔽线圈中，其结构、尺寸及产生的磁场强度相同；位于中部的两组屏蔽线圈中，其结构、尺寸及产生的磁场强度相同；主线圈至少具有七组，与屏蔽线圈同轴，布置在超导磁体的内部。

或，在四个屏蔽线圈之间再增加两个屏蔽线圈，使主线圈的个数与屏蔽线圈个数相同或相近,提高屏蔽磁场强度,使之在达到规定目标磁场的前提下提高屏蔽效果。

主线圈产生的磁场方向是所需要的成像磁场方向，屏蔽线圈产生的磁场方向与所需要的成像磁场方向相反，根据磁场叠加原理降低外部杂散场范围。

线圈骨架位于主线圈和屏蔽线圈之间，对超导线圈起固定支撑的作用。

屏蔽线圈的骨架与主线圈的骨架之间具有支撑肋板，将屏蔽线圈固定支撑在主线圈的外侧，且与主线圈同轴，支撑肋板中部具有通孔。

杜瓦瓶位于超导磁体一端，使线圈保持在低温超导状态。

温孔位于主线圈的两端，提供容纳新生儿身体某部位的空间。

温孔中部具有目标成像区域，该区域为一个圆形区域。

一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体的设计方法，上述超导磁体的参数由如下的步骤获得：

步骤(1)确定产品设计指标；

步骤(2)将线圈设置区域划分为多个理想电流圆环，在成像区间均匀选择成像目标点，根据毕奥-萨伐定理建立单位电流圆环对成像目标点的磁场控制矩阵A；设定初始杂散场范围，在杂散场边界均匀选取杂散场目标点，建立单位电流圆环对杂散场目标点的磁场控制矩阵B和C,以超导线用量V最小为优化目标建立线性优化数学模型，利用线性规划算法求出电流簇的分布；

步骤(3)根据电流簇分布确定初步磁体系统主线圈与屏蔽线圈数目，位置及所通电流大小，建立包含初步线圈位置与初始骨架结构，初始铁磁屏蔽机构的有限元模型；

步骤(4)将有限元模型与多目标进化算法NSGA-II结合，建立多目标优化模型；

步骤(5)输出磁体系统参数，对结果进行有限元模型仿真验证。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、超导磁体的体积和重量远小于目前的通用性超导磁共振磁体，制造成本和使用成本更低，且能够满足对新生儿成像质量的需求，也不需要单独的屏蔽室，能够放置在科室内使用而不再需要移动病人。

2、能够对满足成像要求下的超导磁体用量，超导磁体结构，骨架应力分布，铁磁屏蔽部分，杂散场范围等多个目标进行约束，保证多目标寻优，克服了传统磁共振磁体系统设计方法的求解局限性。

3、在设计新生儿超导磁共振设备时，解决了传统设计方法无法兼顾体积重量小，杂散场范围小，骨架结构应力优化分布的设计要求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的超导磁体侧视结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的超导磁体线圈剖视示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的超导磁体线圈上的磁感应强度分布示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的磁共振磁体的杂散场范围图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的超导磁体参数验证过程示意图；

图中：1-屏蔽线圈，2-主线圈，3-线圈骨架，4-支撑肋板，5-杜瓦瓶，6-温孔，7-目标成像区，8-铁磁屏蔽机构。

具体实施方式

以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术中所描述的，目前的磁共振成像设备，多数为主要针对成人通用型磁共振设备，磁体占地较大，虽然新生儿也可以使用，但会造成成像资源的浪费，同时也无法针对新生儿成像特点，对成像质量进行提高。

而关于屏蔽的问题，屏蔽技术包括主动屏蔽技术与被动屏蔽技术，被动屏蔽技术是在外围增加导磁率较高的材料，减少磁场外泄，采用这种方法的磁共振成像设备体积笨重，装置无法移动。主动屏蔽技术为有源屏蔽，是在磁体设计中加入屏蔽线圈的设计，屏蔽线圈中通以与主线圈反向的电流以产生反向的磁场来降低杂散磁场强度，从而达到屏蔽的目的。

目前的磁共振成像设备，其屏蔽线圈采用的多是两线圈结构，对主线圈产生的向空间各个方向散布的杂散磁场屏蔽效果并不好，会干扰周围环境中磁敏感性强的设备，而磁体周围环境的变化也会影响磁场的均匀度，降低磁共振成像设备的性能，导致磁共振设备在应用时要建立相应的大型屏蔽室，应用场景受限和使用成本高昂。除此之外，目前的磁体主线圈在设计时，以磁场性能为目标，导致目前的磁体线圈所用超导线材较多，增加了制造成本。

传统的超导磁共振主磁体优化设计有的采用解析法，预先选定工作电流和线圈基本结构，将成像区域内的磁场用谐波方法展开，用线圈的尺寸和位置作为自变量，通过主磁场强度和低阶谐波分量抵消关系建立非线性方程组，求解方程组达到设计结果。

有的采用线性规划与非线性规划混合优化设计方法，对特定的线圈区域，建立优化问题模型以线圈尺寸与位置作为优化变量，以超导线用量最少为优化目标，采用一定的优化算法求解。

这两种方法均无法做到同时优化多个目标，无法保证超导线用量，主动线圈屏蔽效果，被动铁磁屏蔽效果，以及线圈骨架结构同时达到最优设计，所以不适合新生儿磁共振超导磁体的设计。

超导MRI主磁体设计优化属于多目标函数的优化问题，需要根据给定的性能指标和参数，反求电磁装置结构，是典型的电磁场逆问题。对于电磁场逆问题的求解，首先将其分解为一系列正问题，然后采用优化算法通过迭代计算最终实现优化设计。传统的确定类搜索算法如线性规划算法与非线性规划算法混合的求解速度较快，但针对多物理场耦合的多目标适应度函数很难编写，无法找到全局最优点，有限元方法与智能随机算法相结合的联合优化方法对多目标多物理场耦合优化效果较好，可求得全局最优解，但对初值要求较高，初值的选取对收敛速度影响较大，本实施例采用线性规划算法快速计算出满足磁场约束条件的电流分布图,然后建立包含磁体骨架的有限元分析模型，结合多目标遗传算法对满足磁场均匀度要求下的超导线材用量与整体应变进行优化。最终搜索到超导线用量最少、应变最小，线圈中最高磁场和磁场均匀度以及电流安全裕度合理的新生儿超导磁体系统。

实施例1：

本实施例的目的设计新生儿专用的磁共振超导磁体，提高成像质量，降低成像成本，同时减小杂散场范围，使其可以进入科室使用而不再需要移动病人。

如图1-2所示，一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，包括同轴布置的主线圈2和屏蔽线圈1，屏蔽线圈1位于主线圈2外侧，铁磁屏蔽机构8位于屏蔽线圈1外侧。

主线圈2产生的磁场方向是所需要的成像磁场方向，屏蔽线圈1产生的磁场方向与所需要的成像磁场方向相反，根据磁场叠加原理，在磁共振设备外侧两个线圈所产生的磁场方向也相反，可以互相抵消，从而降低外部杂散场范围。

线圈骨架3位于主线圈2和屏蔽线圈1之间，对超导线圈起固定支撑的作用，可以采用不锈钢材料制成。

屏蔽线圈1的骨架3与主线圈2的骨架3之间具有支撑肋板4，负责将屏蔽线圈1固定支撑在主线圈2的外侧，且与主线圈2同轴，为了降低磁体重量同时不影响支撑效果，采用中间挖孔的支撑肋板结构，提高材料利用率。

杜瓦瓶5位于超导磁体一端，对超导磁体提供与外部绝热环境，使线圈保持在低温超导状态。

铁磁屏蔽机构8套于低温杜瓦瓶5外侧，用于进一步约束超导线圈在磁共振装置外的磁力线，降低杂散场范围，使整套超导共振磁体的屏蔽效果提高。

温孔6位于主线圈2的两端，提供容纳新生儿身体某部位的空间，专门针对新生儿体型设计，不会造成成像资源的浪费。

温孔6中部具有目标成像区域7，该区域为一个圆形区域，该区域磁场强度为1.5T。

屏蔽线圈1至少具有四组，分别位于超导磁体的两端和中部，位于两端的两组磁体中，其结构、尺寸及磁场强度相同；位于中部的两组磁体中，其结构、尺寸及磁场强度相同；主线圈2至少具有七组，同轴布置在超导磁体的内部。

在1.5T磁场强度且线圈所通电流为工作电流的情况下，对骨架结构的电磁应力应变分析。设置多组主线圈之间的间距与多组屏蔽线圈的间距大于1cm，主线圈最外侧的两组组线圈磁场强度小于6.5T。

或，在四个屏蔽线圈1之间再增加两个屏蔽线圈1，使主线圈2的个数与屏蔽线圈1个数相同或相近,提高屏蔽磁场强度,使之在达到规定目标磁场的前提下提高屏蔽效果。

上述结构的超导磁体其体积和重量远小于目前的通用性超导磁共振磁体，且能够满足对新生儿成像质量的需求，也不需要单独的屏蔽室，能够放置在科室内使用。

例如：表1为一套超导磁体中七组主线圈2和四组屏蔽线圈1，以及配套的线圈骨架3和铁磁屏蔽机构8的参数。

表1主线圈、屏蔽线圈、线圈骨架及铁磁屏蔽机构的参数

例如：整个新生儿磁共振超导磁体长度为0.8m,外径为0.8m,磁体体积与质量远远小于通用型超导磁共振磁体。

由于采用了磁场方向与所需要的成像磁场方向相反的屏蔽线圈1似的屏蔽效果良好，杂散场范围小于通用磁共振设备磁体杂散场范围，不需要单独的屏蔽室。

如图3-4所示，该磁体的磁场均匀度良好，满足新生儿磁共振的成像需求。屏蔽效果良好，杂散场范围小于通用磁共振设备磁体杂散场范围，可以放置于科室内使用。

采用线性规划算法快速计算出满足磁场约束条件的电流分布图,然后建立包含磁体骨架的有限元分析模型，结合多目标遗传算法对满足磁场均匀度要求下的超导线材用量与整体应变进行优化。最终搜索到超导线用量最少、应变最小，线圈中最高磁场和磁场均匀度以及电流安全裕度合理的新生儿超导磁体结构。

实施例2：

获得实施例1中的磁体参数，首先采用线性规划算法进行确定线圈电流簇初始位置，然后采用多物理场耦合有限元模型结合多目标遗传算法的方式，对超导磁共振磁体的超导线用量，主动线圈屏蔽效果，被动铁磁屏蔽效果，线圈骨架应力分布同时进行多目标优化求解，同时在设计时考虑了取整与离散误差，保证了加工精度与方便性，确定具有一定鲁棒性的最佳的专科化磁共振超导磁体的设计参数，满足专科化磁共振超导磁体的特殊需求。

一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体的设计方法，包括：

步骤(1)确定产品设计指标，包括磁共振设备磁体主磁场B0大小，磁场均匀度，杂散场范围，磁体系统(包含骨架结构与铁磁屏蔽机构)的最大长度，最大外径，最小内径，最大重量，骨架材料，所选用超导线材材料，装置成像区间大小。

步骤(2)将线圈设置区域划分为多个理想电流圆环，在成像区间均匀选择成像目标点，根据毕奥-萨伐定理建立单位电流圆环对成像目标点的磁场控制矩阵A。设定初始杂散场范围，在杂散场边界均匀选取杂散场目标点，建立单位电流圆环对杂散场目标点的磁场控制矩阵B和C,以超导线用量V最小为优化目标建立线性优化数学模型，利用线性规划算法求出电流簇的分布；公式如下：

Jmax为超导线材所允许通过的最大电流密度，ms与ns为区域划分的电流圆环纵向与横向数目，ri与Ii分别是电流圆环的半径与电流值。ε₁为所允许磁场偏差，A_mesh为单位电流圆环实际截面面积。

步骤(3)根据电流簇分布确定初步磁体系统主线圈与屏蔽线圈数目，位置及所通电流大小，建立包含初步线圈位置与初始骨架结构，初始铁磁屏蔽机构的有限元模型，建立过程中对线圈位置，骨架部分结构，铁磁屏蔽部分机构进行参数化建模，属于后期算法将要优化的参数。

步骤(4)将有限元模型与多目标进化算法NSGA-II结合，建立多目标优化模型，如下：

min f＝f(f₁,f₂,f₃,f₄)

s.t.g_i(x₁,x₂,...x_n)＝0 i＝1,2,3,...,m (2)

优化目标f1为所用超导线材体积，f2为铁磁屏蔽机构体积，f3为骨架线圈目标点应变均方根值，f4为杂散场范围。g_i为优化模型约束条件，包括目标磁场误差在设定范围，超导线材所通最大电流小于Jmax。

步骤(5)输出磁体系统参数进行相关计算(包括主线圈，屏蔽线圈，线圈骨架，贴磁屏蔽机构的参数)，对结果进行有限元模型仿真验证，如图5所示，看是否达到规定的设计优化结果。

相比其他设计算法，本实施例能够对多目标进行优化，包括在满足成像要求下的超导磁体用量，超导磁体结构，骨架应力分布，铁磁屏蔽部分，杂散场范围进行约束，同时对被动匀场线圈进行调整，保证多目标寻优，克服了传统磁共振磁体系统设计方法的求解局限性。在进行设计像新生儿超导磁共振设备这种专科化磁共振设备时，解决了传统设计方法无法兼顾体积重量小，杂散场范围小，骨架结构其应力分布更优的设计要求。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：包括同轴布置的主线圈和屏蔽线圈，屏蔽线圈位于主线圈外侧，铁磁屏蔽机构位于屏蔽线圈外侧；所述屏蔽线圈至少具有四组，分别位于超导磁体的两端和中部，位于两端的两组屏蔽线圈中，其结构、尺寸及产生的磁场强度相同；位于中部的两组屏蔽线圈中，其结构、尺寸及产生的磁场强度相同。

2.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：所述主线圈至少具有七组，与屏蔽线圈同轴，布置在超导磁体的内部。

3.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：所述主线圈产生的磁场方向是所需要的成像磁场方向，屏蔽线圈产生的磁场方向与所需要的成像磁场方向相反。

4.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：还具有线圈骨架，线圈骨架位于主线圈和屏蔽线圈之间，固定支撑线圈。

5.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：所述屏蔽线圈的骨架与主线圈的骨架之间具有支撑肋板，将屏蔽线圈固定支撑在主线圈的外侧，且与主线圈同轴。

6.如权利要求5所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：所述支撑肋板中部具有通孔。

7.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：还具有杜瓦瓶，杜瓦瓶位于超导磁体一端，使主线圈和屏蔽保持在低温超导状态。

8.如权利要求1所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：还具有温孔，温孔位于主线圈的两端，提供容纳新生儿身体的空间。

9.如权利要求8所述的一种用于新生儿成像的超导磁共振磁体，其特征在于：所述温孔中部具有目标成像区域，该区域为圆形。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的用于新生儿成像的超导磁共振磁体的设计方法，磁体的参数由以下步骤获得：

步骤(1)确定产品设计指标；

步骤(2)将线圈设置区域划分为多个理想电流圆环，在成像区间均匀选择成像目标点，根据毕奥-萨伐定理建立单位电流圆环对成像目标点的磁场控制矩阵A；设定初始杂散场范围，在杂散场边界均匀选取杂散场目标点，建立单位电流圆环对杂散场目标点的磁场控制矩阵B和C,以超导线用量V最小为优化目标建立线性优化数学模型，利用线性规划算法求出电流簇的分布；

步骤(3)根据电流簇分布确定初步磁体系统主线圈与屏蔽线圈数目，位置及所通电流大小，建立包含初步线圈位置与初始骨架结构，初始铁磁屏蔽机构的有限元模型；

步骤(4)将有限元模型与多目标进化算法NSGA-I I结合，建立多目标优化模型；

步骤(5)输出磁体系统参数，对结果进行有限元模型仿真验证。

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