CN115032579A - 一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法，首先通过blender2.72对源区进行离散和网格划分，采用固定交替方式三角化圆面网格，然后储存成stl格式文件输出；采用MATLAB软件读取源区stl格式网格的各个顶点和面，优化顶点和面的排布顺序，计算出目标点上磁场值；根据边界元法，设置导线尺寸，计算源点区通电导线对场点的贡献值，约束梯度线圈功耗最小，求出梯度线圈上电流分布；通过流函数法得到超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的绕线形状。本发明采用上述超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法设计的自屏蔽梯度线圈，能在线性度满足MRI的使用要求的同时，采用多目标优化方法，优化线圈中的功耗和储能最小化，降低端部位置在磁体中产生的涡流和自身的功耗和储能，有效提高图像质量。

Description

一种超导磁体用非等高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，特别是涉及一种超导磁体用非等高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换方向，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。

目前超导MRI系统中克服梯度线圈在金属导体中产生涡流常用的方法有两种，第一种是自屏蔽梯度线圈；第二种增加梯度线圈和极头之间的距离。第一种方法是采用自屏蔽梯度线圈，通过使屏蔽区域磁场变化为零，从而使极头上不会产生感应涡流。第二种方法采用增加主线圈和金属导体之间间距，该方法使超导磁体体积变大，生产成本增高。

本发明专利为了解决上述自屏蔽梯度线圈的问题，提出了一种新的超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈设计方法。在线性度满足MRI的使用要求的同时，采用多目标优化方法，优化线圈中的功耗和储能最小化，降低端部位置在磁体中产生的涡流和自身的功耗和储能，有效提高图像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈设计方法。在线性度满足MRI的使用要求的同时，采用多目标优化方法，优化线圈中的功耗和储能最小化，降低端部位置在磁体中产生的涡流和自身的功耗和储能，有效提高图像质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法，其步骤如下：

步骤一：根据所设定线圈源区参数和目标点，采用blender2.7软件对超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的圆柱面进行固定交替式三角化处理，优化源区网格排布方式，即将源区离散化。

步骤二：将成像区域直径400mm球体分成19层，屏蔽区域分成42层，每层每隔3°设定一个测试点，一共8223个测试点，并求出这些测试点的x、y、z坐标。得到源坐标点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。球面上目标点磁场值为坐标点x坐标值与梯度强度乘积。即：

G_z＝G*x

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；x为目标点x方向坐标值，单位为m。

屏蔽区域目标点磁场值为1e-6。即：

Gzs＝1e-6

公式中Gzs为给定屏蔽区域目标磁场值，单位为T。

步骤四：根据边界元法与设置的超导磁体用非等高自屏蔽体度线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值。其计算方法如下：

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：计算非等高自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵和电感矩阵。

电阻矩阵表达式如下：

式中面S为离散单元面，包括n各节点，I_m和I_n分别是第m个和第n个节点上电流值，ρ是导体的电阻，d_r是导体的厚度。R_mn是自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵。

互感矩阵表达式如下：

式中面Vm和Vn为离散单元体，包括n各节点，J_m和J_n分别是离散单元体第m个和第n个节点上电流矢量值，μ是真空磁导率，rm和rn是基点分别到离散单元体上的距离，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

quadprog函数多目标优化如下：

W＝x^T*R_mn*x+(1/2)*x^T*L_mn*x

式中，W为目标函数，x为源区离散点电流值，x^T为x的转置矩阵，R_zmn为源区离散点电阻矩阵和电感矩阵，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

步骤六：通过流函数法计算自屏蔽梯度线圈的绕线形状。

式中，S_z为等势差，max(x)为节点电流最大值，min(x)为节点电流最小值，N_z非等高自屏蔽梯度线圈绕线匝数。

步骤七：通过非等高自屏蔽梯度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。与目标值进行比较，判定是否达到设计要求，如达到设计要求，则停止迭代，否则继续修改相关参数(线圈厚度、线圈宽度和线圈间距等)。

本发明的有益效果为：

采用多目标优化方法，优化线圈中的功耗和储能最小化，降低端部位置在磁体中产生的涡流和自身的功耗和储能，有效提高图像质量。

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是本发明的超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈结构示意图。

图2是本发明的设计流程图。

图3是本发明的源区离散化、网格划分示意图。

图4是本发明的成像和屏蔽区域目标点示意图1。

图5是本发明的成像和屏蔽区域目标点示意图2。

图6是本发明的非等高自屏蔽梯度线圈的z线圈结构示意图。

图7是本发明的非等高自屏蔽梯度线圈的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。

本发明基于自屏蔽梯度线圈的原理结构，提出一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法，以下是本发明一种超导磁体用非等自屏蔽梯度线圈的设计方法的一个实施例，其设计流程图如图2所示。

本发明所设计的超导磁体用非等自屏蔽梯度线圈包括低主线圈1，位于低主线圈1外侧的高屏蔽线圈2，屏蔽区域3和位于主线圈中心的感兴趣区域4，其结构如图1所示。

本实施例所设计的主线圈半径为0.42m，高度为1.5m；屏蔽线圈半径0.52m，高度为1.6m，所设计的自屏蔽梯度线圈目标梯度磁场强度为32mT/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：根据所设定线圈源区参数和目标点，采用blender2.7软件对超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的圆柱面进行固定交替式三角化处理，优化源区网格排布方式，即将源区离散化。

步骤二：将成像区域直径400mm球体分成19层，屏蔽区域分成42层，每层每隔3°设定一个测试点，一共8223个测试点，并求出这些测试点的x、y、z坐标。得到源坐标点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。球面上目标点磁场值为坐标点x坐标值与梯度强度乘积。即：

G_z＝G*x

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；x为目标点x方向坐标值，单位为m。

屏蔽区域目标点磁场值为1e-6。即：

Gzs＝1e-6

公式中Gzs为给定屏蔽区域目标磁场值，单位为T。

步骤四：根据边界元法与设置的超导磁体用非等高自屏蔽体度线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值。其计算方法如下：

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：计算非等高自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵和电感矩阵。

电阻矩阵表达式如下：

式中面S为离散单元面，包括n各节点，I_m和I_n分别是第m个和第n个节点上电流值，ρ是导体的电阻，d_r是导体的厚度。R_mn是自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵。

互感矩阵表达式如下：

式中面Vm和Vn为离散单元体，包括n各节点，J_m和J_n分别是离散单元体第m个和第n个节点上电流矢量值，μ是真空磁导率，rm和rn是基点分别到离散单元体上的距离，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

quadprog函数多目标优化如下：

W＝x^T*R_mn*x+(1/2)*x^T*L_mn*x

式中，W为目标函数，x为源区离散点电流值，x^T为x的转置矩阵，R_zmn为源区离散点电阻矩阵和电感矩阵，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

步骤六：通过流函数法计算自屏蔽梯度线圈的绕线形状。

式中，S_z为等势差，max(x)为节点电流最大值，min(x)为节点电流最小值，N_z非等高自屏蔽梯度线圈绕线匝数。

步骤七：通过非等高自屏蔽梯度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。与目标值进行比较，判定是否达到设计要求，如达到设计要求，则停止迭代，否则继续修改相关参数(线圈厚度、线圈宽度和线圈间距等)。

因此，本发明提供了一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法，与传统等高式自屏蔽梯度线圈设计相比，可以有效控制端部屏蔽问题，降低端部涡流对成像的影响。能在线性度满足MRI的使用要求的同时，采用多目标优化方法，优化线圈中的功耗和储能最小化，降低端部位置在磁体中产生的涡流和自身的功耗和储能，有效提高图像质量。

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)

1.一种超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的设计方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：根据所设定线圈源区参数和目标点，采用blender2.7软件对超导磁体用非等高自屏蔽梯度线圈的圆柱面进行固定交替式三角化处理，优化源区网格排布方式，即将源区离散化；

步骤二：将成像区域直径400mm球体分成19层，屏蔽区域分成42层，每层每隔3°设定一个测试点，一共8223个测试点，并求出这些测试点的x、y、z坐标。得到源坐标点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。球面上目标点磁场值为坐标点x坐标值与梯度强度乘积。即：

G_z＝G*x

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；x为目标点x方向坐标值，单位为m。

屏蔽区域目标点磁场值为1e-6。即：

Gzs＝1e-6

公式中Gzs为给定屏蔽区域目标磁场值，单位为T。

步骤四：根据边界元法与设置的超导磁体用非等高自屏蔽体度线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对场点的贡献值。其计算方法如下：

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：计算非等高自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵和电感矩阵。

电阻矩阵表达式如下：

式中面S为离散单元面，包括n各节点，I_m和I_n分别是第m个和第n个节点上电流值，ρ是导体的电阻，d_r是导体的厚度。R_mn是自屏蔽梯度线圈的电阻矩阵。

互感矩阵表达式如下：

式中面Vm和Vn为离散单元体，包括n各节点，J_m和J_n分别是离散单元体第m个和第n个节点上电流矢量值，μ是真空磁导率，rm和rn是基点分别到离散单元体上的距离，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

quadprog函数多目标优化如下：

W＝x^T*R_mn*x+(1/2)*x^T*L_mn*x

式中，W为目标函数，x为源区离散点电流值，x^T为x的转置矩阵，R_zmn为源区离散点电阻矩阵和电感矩阵，L_mn是自屏蔽梯度线圈的电感矩阵。

步骤六：通过流函数法计算自屏蔽梯度线圈的绕线形状。

式中，S_z为等势差，max(x)为节点电流最大值，min(x)为节点电流最小值，N_z非等高自屏蔽梯度线圈绕线匝数。

步骤七：通过非等高自屏蔽梯度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。与目标值进行比较，判定是否达到设计要求，如达到设计要求，则停止迭代，否则继续修改相关参数(线圈厚度、线圈宽度和线圈间距等)。

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