用于构造磁共振成像超导磁体的方法技术

一种用于构造磁共振成像超导磁体的方法，包括：确定超导线材、运行电流以及可行载流区；将可行载流区划分为多个矩形网格，对边界处矩形网格进行取整，调整可行载流区的边界并获取可行载流区的矩形网格数；以磁体的中心为原点，建立一坐标系，得到每个矩形网格中心的空间坐标；以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域；根据各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，按照对磁场均匀度的影响程度从大到小，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对各集中分布区域进行矩形化；以及取得超导磁体线圈的参数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于构造磁共振成像超导磁体的方法
本专利技术属于应用超导
，尤其涉及构造磁共振成像(MagneticResonanceImaging，简称MRI)超导磁体的方法。
技术介绍
磁共振成像(MRI)是利用生物体的磁性核(主要是氢核)在磁场中所表现出的核磁共振特性来进行成像的高新技术。磁共振成像(MRI)设备主要由主磁体、扫描床、梯度线圈、射频线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。主磁体是MRI设备的主要构成部分，用于产生均匀静磁场，决定着MRI设备的图像质量和工作效率。同时，主磁体也是MRI设备中制造成本最大，运行费用最高的部分。MRI对磁场的强度、均匀度和稳定度有严格要求，这三项是主磁体最重要的指标。相对永磁体来说，超导磁体可以产生强度、均匀度和稳定度都更高的磁场，所以被用来获取更加清晰的图像。由于分布于超导磁体系统之外的漏磁场会对周围环境带来不利的影响，如10高斯数量级的磁场就有可能导致一些电子设备不能正常工作，并使带心脏起搏器的病人有生命危险，100高斯数量级的磁场就可能会使计算机系统工作异常，因此考虑到某些场所对漏磁场的限制，需要限制超导磁体的杂散场范围。MRI主磁体的磁场屏蔽方式包括被动屏蔽和主动屏蔽两类。采取被动屏蔽方式时，需要在磁体周围安置铁磁材料来屏蔽漏磁场，结构简单，但体积和重量都很大，且对磁场的均匀性也会产生影响。目前一般采用主动屏蔽方式，即通过在主线圈的外部增加通反向电流的屏蔽线圈来降低磁体外部的杂散场，从而缩小磁体的杂散场范围。同时由于传统MRI系统的长度较长，大量临床实验表明患者在狭长的空间中普遍表现出紧张、不安等幽闭症现象，因此近年来，短腔、自屏蔽MRI系统设计成为一种新的趋势。高均匀度磁共振成像磁体的电磁设计指标主要有：(1)成像区域(DiameterSensitiveVolume，简称DSV)，一般定义为直径为D的球形区域。(2)中心场B0，指成像区域中心点处的磁感应强度值。(3)磁场均匀度η(峰峰值)，计算公式为：其中，Bmax和Bmin分别为DSV中磁感应强度的最大值和最小值。(4)杂散场范围，一般指磁体通以工作电流时所产生磁场的5Gs等位线包围的区域。磁共振成像(MRI)超导磁体的优化设计是磁体制作的基础，并且对整个MRI设备的成像质量及生产成本控制起到非常重要的作用。以往的构造MRI超导磁体的方法一般可以归结为两大类，一类是直接寻优法，这类方法既可以在不给定磁体线圈结构初始值的情况下，对整个可行空间进行全局择优，也可以预先选定超导磁体的工作电流和基本线圈结构，以磁体的结构参数为自变量，成像区域内磁场均匀度、杂散场范围、超导磁体空间体积、磁体能量等为约束条件或目标函数，使用非线性优化算法如模拟退火算法或遗传算法对超导磁体的结构参数进行局部选优，得到最终的磁体结构。但由于MRI超导磁体设计是一个多参数、多目标的结构优化问题，使得该类方法计算量大，效率较低，尤其变量较多时更为明显，如果约束条件的选择及给定的初值不合理时，将很难得到最优解。另一类为函数方法是线性规划算法的引入。先将磁体结构简化，在超导磁体的可行载流区内划分规则的矩形网格，把MRI超导磁体设计问题等效成一线性规划模型进行求解，得到该超导磁体的初始电流密度分布，再根据初始电流密度分布确定磁体线圈的基本结构和位置参数，然后利用第一类非线性寻优算法，得到最终的矩形化磁体线圈结构.但由初始电流密度分布来确定磁体基本结构的方法，在磁体线圈个数和截面形状的选择上仍然具有一定的主观盲目性，也不易寻到全局最优结果。而且在上述两种方法的最后阶段，实际绕制磁体时，需要考虑超导线材截面尺寸，将线圈尺寸进行离散化处理，并对位置和半径进行取整，在取整和离散后，磁体的均匀性等指标通常会有明显下降，使设计结果偏离最优解。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于构造磁共振成像超导磁体的方法，用于解决现有的磁共振成像超导磁体的方法，实际绕制磁体时，需要考虑超导线材截面尺寸，将线圈尺寸进行离散化处理，并对位置和半径进行取整，在取整和离散后，磁体的均匀性等指标通常会有明显下降，使设计结果偏离最优解的问题。本专利技术的用于构造磁共振成像超导磁体的方法，包括：确定超导线材、运行电流以及可行载流区；以磁体的中心为原点，建立一圆柱坐标系(r，z，α)，其中r为径向距离，z轴为高，α为方位角度，磁体轴向为z轴方向；将该可行载流区划分为多个网格，对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，得到多个矩形网格，调整可行载流区的边界并获取可行载流区的矩形网格数n，获得每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri，zi，αi)；以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域；根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，按照对磁场均匀度的影响程度从大到小，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行矩形化；以及取得超导磁体线圈的参数。本专利技术对磁体进行优化设计时，以用线量最少为优化目标可以使内层磁体线圈自动向内部压缩，以杂散场为约束条件可以使外层线圈自动向外部压缩，经过整数线性规划得到的载流矩形网格能够形成较为紧密的导线集中分布区域，能够得到满足设计要求的全局最优解，设计结果为整数层和匝，有效地避免了通常方法中的取整误差。附图说明图1所示为本专利技术磁共振成像构造超导磁体的方法一实施例的示意图；图2为可行载流区示意图；图3所示为初始导线集中区域分布图；图4是矩形化后的磁体结构示意图；图5是成像区磁场的均匀度分布；图6所示为磁体杂散场的5Gs等位线图。具体实施方式图1所示为本专利技术磁共振成像构造超导磁体的方法一实施例的示意图，如图1所示：步骤1，估计磁体线圈的可行载流区的最大范围，包括可行载流区的最小内半径以及最大外半径，根据磁场设计要求、空间约束以及可行载流区的最大磁感应强度，确定超导线材并确定运行电流Iop；步骤2，以磁体的中心为原点，建立一圆柱坐标系(r，z，α)，其中r为径向距离，z轴为高，α为方位角度，磁体轴向为z轴方向；根据所选超导线材的尺寸，把可行载流区划分为多个网格，使每个网格的几何尺寸等于所选超导线材的截面的尺寸，对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，形成多个矩形网格，并相应调整每个可行载流区的边界，并得到该磁体线圈的可行载流区的的矩形网格数n及每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri，zi，αi)。步骤3，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域，如果得不到满足设计要求的导线集中分布或导线集中分布区域不易进行下一步的矩形化，则返回步骤1；其中步骤3具体可以为：计算每个矩形网格通以运行电流Iop时对各考察点的磁场轴向分量的贡献，及每个矩形网格所含超导线材的长度：在运行电流Iop下的矩形网格可以等效为位于矩形网格中心位置的电流环，其电流为I＝Iop，即将矩形网格中有截面大小的电流等效成处于矩形网格中心处的单一导线，且该导线的截面积为零，通的电流为运行电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
PCT国内申请，权利要求书已公开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于构造磁共振成像超导磁体的方法，其特征在于，包括：确定超导线材、运行电流以及可行载流区；以磁体的中心为原点，建立一圆柱坐标系(r，z，α)，其中r为径向距离，z轴为高，α为方位角度,磁体轴向为z轴方向，将该可行载流区划分为多个网格，对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整，得到多个矩形网格，调整可行载流区的边界并获取可行载流区的矩形网格数n，获得每个该矩形网格中心的空间坐标为(ri,zi，αi)；以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用-1-0-1整数线性规划算法对可行载流区进行规划，得到磁体初始的导线的各集中分布区域；根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，按照对磁场均匀度的影响程度从大到小，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用-1-0-1整数线性规划算法对该各集中分布区域进行矩形化；以及取得超导磁体线圈的参数。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该可行载流区关于Z轴对称，并关于Z＝0平面对称。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以用线量最少为优化目标，中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划，实现算法为：将该多个矩形网格等效为位于矩形网格中心位置的电流环，该电流环的电流等于该运行电流，电流环在考察点坐标(rj,zj,αj)处产生的磁场轴向z分量为：Bzi,j＝eiaijI其中，μ0＝4π×10-7T·m/A，(2)因子ei为-1、0或1，当ei＝0时该矩形网格对磁场无贡献；当ei＝1时该矩形网格对磁场贡献为正，对应超导磁体的正向线圈,当ei＝-1时该矩形网格对磁场贡献为负,对应超导磁体的反向线圈；则各考察点的磁场z向分量为：每个矩形网格所含超导线材的长度由下式计算：Li＝2|ei|πri(7)磁体用线总量则表示为：其中，n为可行载流区的矩形网格数，I等于该运行电流，(4)式为第一椭圆积分，(5)式为第二椭圆积分。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行规划具体包括：对该各集中分布区域进行矩形化的步骤，包括：计算经过该整数线性规划得到的该磁体初始的导线的各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度，找到影响程度最强的一个，然后固定其他...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，朱自安，赵玲，侯治龙，杨欢，周谨，马文彬，王克祥，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11