CN114519241A - 一种核磁共振系统磁体设计方法及装置 - Google Patents

一种核磁共振系统磁体设计方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振系统磁体设计方法及装置，属于核磁共振技术领域，本发明首先根据样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型，再根据历史数据建立训练数据集训练磁体设计模型，最后将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数，依据磁体设计参数对磁体结构进行构建，从而可以有效地减小磁体体积，并提高磁体空间内磁场的磁场均匀度。

Description

一种核磁共振系统磁体设计方法及装置
技术领域
本发明属于核磁共振技术领域，具体涉及一种核磁共振系统磁体设计方法及装置。
背景技术
传统的低场核磁共振波谱仪体积庞大并且设备较重，导致其搬运性较差，以及无法适应多种检测样本需求。此外，核磁共振波谱仪需要有较为恒定的磁场环境，因此需要核磁共振波谱仪的磁体的空间内磁场有较高的磁场均匀度，但现有的磁体设计方案无法满足磁体空间内磁场所需的磁场均匀度。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种核磁共振系统磁体设计方法及装置，通过建立磁体设计模型对磁体结构进行设计，在有效减小磁体体积的同时，提高磁体空间内磁场的磁场均匀度。
第一方面，本发明提供了一种核磁共振系统磁体设计方法，包括如下步骤：
基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
利用训练数据集对磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
进一步地，样品参数包括样品体积参数和标准样品半峰宽度参数，磁体结构参数包括磁体体积参数和磁体质量参数。
进一步地，磁体结构权重参数包括磁体体积权重参数和磁体质量权重参数。
进一步地，磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
相应的，将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数包括：
将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
进一步地，在将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数之后还包括：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
基于标准磁体性能参数、磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
基于最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于最优磁体设计高度、磁体设计内径和磁体设计外径构建最优磁体结构。
进一步地，在构建最优磁体结构之后，还包括：
计算最优磁体结构的磁场均匀度；
基于最优磁体结构的磁场均匀度，优化最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
第二方面，本发明提供了一种核磁共振系统磁体设计装置，包括：
模型构建单元，用于基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
数据获取单元，用于获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
模型训练单元，用于利用训练数据集对磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
磁体设计单元，用于将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
进一步地，磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
磁体设计单元具体用于：
将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
进一步地，磁体设计单元还用于：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
基于标准磁体性能参数、磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
基于最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于最优磁体设计高度、磁体设计内径和磁体设计外径构建最优磁体结构。
进一步地，磁体设计单元还用于：
计算最优磁体结构的磁场均匀度；
基于最优磁体结构的磁场均匀度，优化最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
本发明实施例提供的一种核磁共振系统磁体设计方法及装置，具备的优点和效果有：
本发明首先根据样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型，再根据历史数据建立训练数据集训练磁体设计模型，最后将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数，依据磁体设计参数对磁体结构进行构建，从而可以有效地减小磁体体积，并提高磁体空间内磁场的磁场均匀度。
为了更清楚地说明本发明实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本发明实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1为本发明实施例提供的核磁共振系统磁体设计方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的核磁共振系统磁体设计装置结构框图。
具体实施方式
在本发明实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，本发明实施例可以实现为方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。因此，本发明实施例可以具体实现为以下形式：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)、硬件和软件结合的形式。此外，在一些实施例中，本发明实施例还可以实现为在一个或多个计算机可读存储介质中的计算机程序产品的形式，该计算机可读存储介质中包含计算机程序代码。
上述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读存储介质的任意组合。计算机可读存储介质包括：电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或器件，或者以上任意的组合。计算机可读存储介质更具体的例子包括：便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存(Flash Memory)、光纤、光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件或以上任意组合。在本发明实施例中，计算机可读存储介质可以是任意包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置、器件使用或与其结合使用。
上述计算机可读存储介质包含的计算机程序代码可以用任意适当的介质传输，包括：无线、电线、光缆、射频(Radio Frequency，RF)或者以上任意合适的组合。
可以以汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、集成电路配置数据或以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明实施例操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，例如：Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言，例如：C语言或类似的程序设计语言。计算机程序代码可以完全的在用户计算机上执行、部分的在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行以及完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络，包括：局域网(LAN)或广域网(WAN)，可以连接到用户计算机，也可以连接到外部计算机。
本发明实施例通过流程图和/或方框图描述所提供的方法、装置、电子设备。
应当理解，流程图和/或方框图的每个方框以及流程图和/或方框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，这些计算机可读程序指令通过计算机或其他可编程数据处理装置执行，产生了实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的装置。
也可以将这些计算机可读程序指令存储在能使得计算机或其他可编程数据处理装置以特定方式工作的计算机可读存储介质中。这样，存储在计算机可读存储介质中的指令就产生出一个包括实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的指令装置产品。
也可以将计算机可读程序指令加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，使得在计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够提供实现流程图和/或方框图中的方框规定的功能/操作的过程。
下面结合本发明实施例中的附图对本发明实施例进行描述。
第一方面，如图1所示，本发明实施例提供本发明提供了一种核磁共振系统磁体设计方法，包括如下步骤：
S100、基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
S200、获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
S300、利用训练数据集对磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
S400、将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
本发明实施例首先根据样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型，再根据历史数据建立训练数据集训练磁体设计模型，最后将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数，依据磁体设计参数对磁体结构进行构建，从而可以有效地减小磁体体积，并提高磁体空间内磁场的磁场均匀度。
进一步地，样品参数包括样品体积参数和标准样品半峰宽度参数，磁体结构参数包括磁体体积参数和磁体质量参数。
具体的，在相同的测试条件下，将某种标准样品放到相应设备上测量标准样品的各个衍射峰半宽，即可得到标准样品半峰宽度参数。
进一步地，磁体结构权重参数包括磁体体积权重参数和磁体质量权重参数。
具体的，通过以下公式搭建磁体设计模型：
Figure BDA0003516382930000071
其中，Q为磁体性能参数，B为静磁场强度参数，δ为标准样品半峰宽度参数，Vs为样品体积参数，k为磁体质量权重参数，m为磁体质量参数，b为磁体体积权重参数，Vm为磁体体积参数。由稳恒电流激发的磁场叫静磁场，在该情况下测得的磁场强度即为静磁场强度。公式(1)中Q值越大，表示磁体性能越好。
在对某种样品进行检测时，根据以往的磁体设计经验，会对磁体性能有一定的要求，因此可从历史磁体设计数据中获取标准磁体性能参数用于磁体设计模型的训练。
进一步地，磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
相应的，将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数包括：
将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
进一步地，在将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数之后还包括：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
具体的，待检测样品的体积形状不同，需要采用的磁体形状也不同。本发明实施例以截面为圆环的磁体为例，则根据圆环型磁体可构建其内径、外径和高度的函数关系，即公式：
Vm＝3.14×h×(R-r) (2)，
其中，Vm为磁体体积参数，h为磁体高度，R为磁体外径，r为磁体内径。
基于标准磁体性能参数、磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
具体的，在磁体性能参数相同的条件下，磁体高度影响磁体质量和磁体中心磁场均匀度，为了找到最优磁体设计高度，可以使用Maxwell仿真软件对相同结构的磁体在不同高度情况下的磁体性能进行三维磁场有限元仿真。
需要说明的是，还可以采用其它方法计算最优磁体设计高度，本发明实施例不做具体限制。
基于最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于最优磁体设计高度、磁体设计内径和磁体设计外径构建最优磁体结构。
进一步地，在构建最优磁体结构之后，还包括：
计算最优磁体结构的磁场均匀度；
基于最优磁体结构的磁场均匀度，优化最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
具体的，利用匀场片在空间中产生的磁场可以提高磁体空间内磁场的磁场均匀度，进而对样品检测区域的磁场分布进行修正。
第二方面，如图2所示，本发明提供了一种核磁共振系统磁体设计装置，包括：
模型构建单元500，用于基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
数据获取单元600，用于获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
模型训练单元700，用于利用训练数据集对磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
磁体设计单元800，用于将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
进一步地，磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
磁体设计单元800具体用于：
将待检测样品参数输入训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
进一步地，磁体设计单元800还用于：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
基于标准磁体性能参数、磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
基于最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于最优磁体设计高度、磁体设计内径和磁体设计外径构建最优磁体结构。
进一步地，磁体设计单元800还用于：
计算最优磁体结构的磁场均匀度；
基于最优磁体结构的磁场均匀度，优化最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
以上所述，仅为本发明实施例的具体实施方式，但本发明实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明实施例的保护范围之内。因此，本发明实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
利用所述训练数据集对所述磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
2.根据权利要求1所述的核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，所述样品参数包括样品体积参数和标准样品半峰宽度参数，所述磁体结构参数包括磁体体积参数和磁体质量参数。
3.根据权利要求2所述的核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，所述磁体结构权重参数包括磁体体积权重参数和磁体质量权重参数。
4.根据权利要求1所述的核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，所述磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
相应的，所述将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数包括：
将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
5.根据权利要求4所述的核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，在所述将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数之后还包括：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于所述磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
基于所述标准磁体性能参数、所述磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
基于所述最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于所述最优磁体设计高度、所述磁体设计内径和所述磁体设计外径构建最优磁体结构。
6.根据权利要求5所述的核磁共振系统磁体设计方法，其特征在于，在构建最优磁体结构之后，还包括：
计算所述最优磁体结构的磁场均匀度；
基于所述最优磁体结构的磁场均匀度，优化所述最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
7.一种核磁共振系统磁体设计装置，其特征在于，包括：
模型构建单元，用于基于样品参数、样品检测区域静磁场强度参数、磁体结构参数和磁体性能参数建立磁体设计模型；
数据获取单元，用于获取历史样品参数、历史样品检测区域静磁场强度参数、历史磁体结构参数和标准磁体性能参数建立训练数据集；
模型训练单元，用于利用所述训练数据集对所述磁体设计模型的磁体结构权重参数进行迭代，得到训练好的磁体设计模型；
磁体设计单元，用于将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体设计参数。
8.根据权利要求7所述的核磁共振系统磁体设计装置，其特征在于，所述磁体设计参数包括磁体体积设计参数和磁体质量设计参数；
所述磁体设计单元具体用于：
将待检测样品参数输入所述训练好的磁体设计模型，得到磁体体积设计参数和磁体质量设计参数。
9.根据权利要求8所述的核磁共振系统磁体设计方装置，其特征在于，所述磁体设计单元还用于：
基于待检测样品的体积参数，确定磁体形状；
基于所述磁体形状，构建磁体内径、磁体外径和磁体高度的函数关系；
基于所述标准磁体性能参数、所述磁体质量设计参数和磁体中心磁场均匀度，得到最优磁体设计高度；
基于所述最优磁体设计高度，得到磁体设计内径和磁体设计外径；
基于所述最优磁体设计高度、所述磁体设计内径和所述磁体设计外径构建最优磁体结构。
10.根据权利要求9所述的核磁共振系统磁体设计装置，其特征在于，所述磁体设计单元还用于：
计算所述最优磁体结构的磁场均匀度；
基于所述最优磁体结构的磁场均匀度，优化所述最优磁体结构内部的匀场片的位置和数量；
基于优化后的匀场片的位置和数量对匀场片进行设置；
判断设置匀场片后的最优磁体结构的磁场均匀度是否满足预设值；
若否，则继续优化匀场片的位置和数量，直至最优磁体结构的磁场均匀度满足预设值。
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