一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法技术

一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，该方法在给定磁共振成像超导磁体所需的预布置线圈区域最小内直径和最大外直径、线圈中加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸和磁场峰峰值均匀度以及5高斯杂散场范围等系统参数条件下，通过固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤进行循环迭代计算，获取磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度，该方法可有效提高磁共振成像系统的开放性和患者检测时的舒适度。

【技术实现步骤摘要】
一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法
本专利技术涉及一种磁共振成像超导磁体的设计方法。
技术介绍
磁共振成像系统所用的超导磁体是能够在一个成像区域内产生轴向磁感应强度均匀分布的空间磁场。对于全身成像系统而言，一般成像区域为直径为40～50cm的球形区域，其磁场峰峰值不均匀度需优于20ppm。磁共振成像系统超导磁体一般需在一个具有矩形截面的预布置线圈区域内合理地布置多对螺线管线圈，所有螺线管线圈共同作用并在成像区域产生高均匀度的空间磁场分布，矩形截面的预布置线圈区域由最小内直径、最大外直径和长度三个参数来表征。对于全身成像磁共振系统而言，预布置线圈区域的最小内直径一般设定为1.0m，最大外直径一般设定为最小内直径的两倍，预布置线圈区域的长度可由电磁设计人员根据系统参数综合考虑后决定。磁共振成像系统的类型可分为两类，即：开放式和封闭式。开放式磁共振成像系统包括两个平面型低温容器，螺线管线圈对称地安装在两个低温容器内，低温容器之间提供了较大的开放空间。封闭式磁共振成像系统中的超导螺线管线圈安装在空心圆柱型低温容器内，空心圆柱型低温容器提供一个圆柱形隧道检测空间。开放式磁共振成像系统相比于传统封闭式磁共振成像系统而言，其螺线管线圈相对于成像区域较远，螺线管线圈的磁场利用率较低且线圈结构复杂，因此，开放式磁共振成像系统的磁场强度比较低，一般低于0.7T。封闭式磁共振成像系统在成像区域具有较好的磁场强度和磁场质量，因此，封闭式磁共振成像系统得到了大规模普及，然而封闭式磁共振成像系统的最大缺点是患者进入狭长的隧道形检测空间后普遍会表现出紧张和不安等情绪。目前，国内、外各大磁共振成像系统生产厂商都朝着如何有效提高系统开放性的方向发展，而对于封闭式磁共振成像系统而言，超导磁体的长度决定了系统的开放性，在预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的形状和磁场均匀度以及5高斯杂散场范围等系统参数不变的情况下，随着超导磁体长度的不断缩短，超导磁体中螺线管线圈中最高场强和电磁力也将不断增大，超导磁体的稳定性也会相应下降，因此，需要综合考虑各系统参数和超导磁体长度之间的关系，方可设计出性能优越的磁共振成像系统。中国专利技术专利CN102707250B提出了一种磁共振成像超导磁体的设计方法，该方法在整个预布置线圈区域进行网格划分求解线圈位置，通过线性规划和非线性规划相结合的方法实现全局最优解；美国专利US5721523A为美国通用公司提出的短腔磁共振成像超导磁体中螺线管线圈拓扑结构设计，专利中分别给出了短腔开放式和封闭式磁共振成像超导磁体中螺线管线圈的分布情况。中国专利技术专利CN102707250B和美国专利US5721523A均未说明短腔磁共振成像超导磁体系统中最短长度的计算方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有短腔磁共振成像超导磁体设计方法中难以对超导磁体的长度进行约束的缺点，提出一种通过循环迭代计算来获取磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度的方法。本专利技术可有效提高磁共振成像系统的开放性和患者检测时的舒适度。本专利技术采用的技术方案如下：首先设置磁共振成像超导磁体所需的系统参数，所述的系统参数包括：预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、线圈中加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸、磁场峰峰值均匀度，以及5高斯杂散场范围。然后进行循环迭代计算，获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。所述的循环迭代计算包括固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤。本专利技术方法设计的超导磁体的尺寸精度可优于1cm。所述的固定长度步长的粗调步骤中，每步循环中的预布置线圈区域的长度变化量是固定值，采用电磁场逆问题求解器进行优化计算，获取满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体的粗调长度。所述的可变长度步长的自适应步骤中，每步循环中的预布置线圈区域的长度变化量是可变的，采用电磁场逆问题求解器进行优化计算，判断是否满足系统参数条件，并且判断预布置线圈区域长度变化量是否小于1cm，最终获取满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度，该最短长度的精度优于1cm。本专利技术通过固定长度步长的粗调和可变长度步长的自适应两个步骤，不断地调整预布置线圈区域的长度，并调用电磁场逆问题求解器进行求解，最终获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。在整个循环计算过程中，随着预布置线圈区域长度的不断缩短，在满足系统参数条件下磁共振成像超导磁体中螺线管线圈的拓扑结构越来越复杂。当预布置线圈区域的长度短于某临界值时，磁共振成像超导磁体在预布置线圈区域内层位置开始出现反向螺线管线圈，同时建造磁共振成像超导磁体所需的超导线用量也快速增加，而正是由于反向螺线管线圈的出现，保障了在预布置线圈区域长度较短时成像区域内空间磁场的均匀性。附图说明图1本专利技术实施例的磁共振成像超导磁体最短长度获取的流程图；图2本专利技术实施例的磁共振成像超导磁体螺线管线圈拓扑结构示意图，图2a为预布置线圈区域长度长于某临界值时，预布置线圈区域的内层位置全为通以正向电流的螺线管线圈，图2b为预布置线圈区域长度短于某临界值时，预布置线圈区域的内层位置中正向电流的螺线管线圈中出现反向电流螺线管线圈；图3本专利技术实施例建造磁共振成像超导磁体所需超导线用量与预布置线圈区域长度的关系曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。以下是一个1.5T磁共振成像超导磁体最短长度获取方法的实施例，磁共振成像超导磁体的系统参数设置为：预布置线圈区域的最小内直径dmin和最大外直径dmax分别设置为1.0m和2.0m；成像区域为球体，其径向半径rdsv和轴向半径zdsv相同，均设置为25cm，成像区域的中心磁感应强度B0设置为1.5T，成像区域内的磁场峰峰值均匀度Hp2p设置为10ppm；5高斯杂散场范围为一椭球体，椭球体的径向半长rstray和轴向半长zstray分别为3.0m和4.0m；预布置线圈区域的平均电流密度Jop为150MA/m2。系统参数设置后，进行循环迭代计算，获取满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体的最短长度。循环迭代计算包括固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤，两个步骤均需调用电磁场逆问题求解器将系统参数和每步循环中预布置线圈区域的长度输入至每步循环中，电磁场逆问题求解器通过线性规划算法求解出满足系统参数条件下预布置线圈区域电流分布情况，再结合非线性规划算法将预布置线圈区域电流分布情况离散成实际应用的螺线管线圈。所述的固定长度步长的粗调步骤中，预布置线圈区域的初始长度L0为3.0m，本实施例中固定长度步长△l1设置为10cm。定义记录下该粗调步骤中的循环次数参数n，n的初值设置为0；将系统参数输入到粗调步骤的电磁场逆问题求解器中，并进行循环迭代计算，每步循环对应的预布置线圈区域长度L为L0-n×△l1，判断电磁场逆问题求解器能否计算出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，若电磁场逆问题求解器能够计算出满足系统参数的磁共振成像超导磁体，则说明在该预布置线圈区域的长度下，电磁场逆问题求解器能够设计出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，进入下一步循环，循环次数n＝n+1，将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述方法预先给定磁共振成像超导磁体所需的系统参数，进行循环迭代计算，获取在满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度；所述的循环迭代计算采用固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤；所述的系统参数包括：预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、线圈加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸、磁场峰峰值均匀度，以及5高斯杂散场范围。

【技术特征摘要】
1.一种磁共振成像超导磁体最短长度的获取方法，其特征在于，所述方法预先给定磁共振成像超导磁体所需的系统参数，进行循环迭代计算，获取在满足系统参数条件下的磁共振成像超导磁体预布置线圈区域的最短长度；所述的循环迭代计算采用固定长度步长的粗调步骤和可变长度步长的自适应步骤；所述的系统参数包括：预布置线圈区域的最小内直径和最大外直径、线圈加载的平均电流密度、成像区域的中心磁感应强度、成像区域的尺寸、磁场峰峰值均匀度，以及5高斯杂散场范围；所述的固定长度步长的粗调步骤为：(1)设定一个固定长度步长，通过循环迭代计算，不断缩短预布置线圈区域的长度；每步循环中预布置线圈区域的长度为预布置线圈区域的初始长度与该步循环中长度缩短量之差，每步循环中长度的缩短量为固定长度步长的整数倍；(2)调用电磁场逆问题求解器进行循环迭代计算，判断在该步循环对应的预布置线圈区域长度条件下，能否计算得到满足系统参数的磁共振成像超导磁体，若能计算得到满足系统参数的磁共振成像超导磁体，则说明在该步循环中预布置线圈区域的长度条件下，电磁场逆问题求解器能够设计出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，循环进入下一步并进一步缩短预布置线圈区域的长度，继续调用电磁场逆问题求解器进行判断，直至电磁场逆问题求解器模块不能计算出满足系统参数条件的磁共振成像超导磁体，循环结束，输出粗调方法中倒数第二步循环中预布置线圈区域的长度定义为粗调长度；所述的可变长度步长的自适应步骤为：通过自适应循环不断调整每步循环中预布置线圈区域的长度，每步循环中预布置线圈区域的长度与上一步循环中的长度的变化量是可变的；调用电磁场逆问题求解器进行优化计算，判断在每步循环对应的预布置线...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪志鹏，胡格丽，王秋良，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11