一种柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法技术

本发明专利技术公开了一种柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法。自屏蔽线圈的骨架包括主线圈骨架、屏蔽线圈骨架以及二者之间的连接面。设计方法如下，首先，确定梯度线圈设计所需的预设参数，并将自屏蔽梯度线圈骨架映射成二维平面结构；具体为：将主线圈骨架和屏蔽线圈骨架映射成两个相邻的矩形面，二者之间的连接面映射为两个矩形面的公共边；然后，在所述二维平面结构上构造流函数基函数并建立电流密度相关的目标函数，并通过求目标函数极值的解从而得到梯度线圈的二维平面结构；最后，将二维平面结构映射为实际的三维面结构。采用本发明专利技术方法设计的自屏蔽梯度线圈与传统的马鞍式梯度线圈相比具有更好的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术设及一种梯度线圈设计方法，具体设及一种核磁共振成像系统中柱面自屏 蔽梯度线圈的设计方法。本专利技术属于核磁共振成像系统部件设计领域。
技术介绍
梯度线圈是核磁共振系统的关键部件之一，其主要作用是为核磁共振成像系统 (MRI)在Ξ个正交方向提供梯度磁场用W成像目标的空间定位。衡量梯度线圈性能的基本 指标有梯度场强度G、线性度E、切换率等。其基本结构有平板式与圆柱式两种。 在超导核磁共振系统(MRI)中，一般采用圆柱式梯度线圈结构。成像时，如果成像 孔径过小，或者设备的轴向过长，则会增加病人的不适感。特别是对于一些具有幽闭症的患 者来说运是一个很严重的缺陷。因此为了增加病人的舒适度，需要增大梯度线圈的内口径， 并且轴向越短越好。但是梯度线圈的内径、轴向长度与其他指标是相互矛盾的。增加线圈内 径或者减小轴向长度，会导致线圈的性能大幅度下降，运对梯度线圈的设计提出了很高的 要求。 在超导核磁共振系统中，目前普遍采用的梯度线圈为马鞍式结构。即：主线圈与屏 蔽线圈分别由四片对称的马鞍形状的线圈构成，每片线圈由数圈闭合的线圈回路构成。然 后用导线将所有的线圈串联起来，构成完整的回路。在设计时，主线圈与屏蔽线圈分别构成 一个完整的回路。运种设计方法在一定程度上限制了设计的自由度，因此会影响梯度线圈 的效率。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种柱面自屏蔽梯度线圈设计方 法，W解决马鞍式结构的梯度线圈的性能不能达到最优的问题。 为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种柱面横向自屏蔽梯度线圈 设计方法，包括如下步骤： (1)确定梯度线圈设计所需的预设参数，并将自屏蔽梯度线圈骨架映射成二维平 面结构;具体为:将主线圈骨架和屏蔽线圈骨架映射成两个相邻的矩形面，二者之间的连接 面映射为两个矩形面的公共边； (2)在所述二维平面结构上构造流函数基函数W及建立电流密度相关的目标函 数，并通过求目标函数极值的解从而得到梯度线圈的二维平面结构； (3)将二维平面结构映射为实际的Ξ维面结构。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，步骤（1)中所述的两个相邻的矩 形面的横向长度均为化，纵向长度分别为主线圈轴向长度Lp与屏蔽线圈轴向长度Ls。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述步骤(2)包括：[001^ (2.1)在矩形面上构造流函数基函数fn，n=l，2...N，N为基函数个数，并将fn映射 到实际的线圈骨架上； (2.2)根据./,, = 7、份',)求得电流密度基函数1。的表达式;运里：?为骨架的外法向 矢量； (2.3)建立与电流密度有关的目标函数Φ; (2.4)求目标函数Φ的最小值，得到流函数的具体表达式，并进一步得到梯度线圈 的二维平面结构。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述步骤(2.1)中，流函数基函数 表达式为：n=l, .2,,,，與，0 会.卖《2兄'[001引运里ω=ji/L，L=Lp+Ls，Φ为矩形内任意一点的横向坐标，Z为纵向坐标。坐标原点 为左下角的顶点。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述步骤(2.1)中，主线圈骨架上 的电流基函数表达式为： J<t),n=sin(Φ)，n=l,2,...N11=1,2,,,,.# 其中，ω=VL，L=Lp+Ls，如、Jz为柱坐标中的电流方向Jp为主线圈骨架半径。 屏蔽线圈骨架上的基函数为： J(t),n=sin(<l) ),η=1,2,.··Ν[002引，η= 1，2. ...iy'其中。为屏蔽线圈骨架半径。连接面上的基函数为：[002引n=l，2，...H 其中P为坐标点到Z轴的距离，V为电流J的方向，为主骨架上的端点指向屏蔽线圈 骨架上对应的端点。 在主线圈与屏蔽线圈骨架上，总的电流密度表达式为： 在连接面上，总的电流密度表达式为： 其中an为待求的基函数系数。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述步骤(2.3)中的目标函数为： 其中，ΚΙ为在成像区域选取的目标点个数，rk为成像区域内第k个目标点的矢量坐 标;Bz,des(rk)为在η处的目标磁场的Z分量;K2为在屏蔽层外部区域选取的目标点个数，r^k 为屏蔽层外的第k个目标点的矢量坐标，Bz(rk)为梯度线圈在成像区域内各个目标点产生的 磁场Z分量，B(r/k)为在屏蔽层外的目标点产生的磁场，L为梯度线圈的储能；wi(n)，W2 (r/k)，W3为可调节的权重因子。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述梯度线圈在目标点产生的磁 场采用如下的公式计算： 其中，μ〇为真空中的磁导率，31为圆周率，D为线圈骨架所在的面，r为骨架上任一点 的坐标矢量，J(r)为电流密度。 如前所述的柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，所述梯度线圈的储能L的计算公 式为： 其中，μ〇为真空中的磁导率，31为圆周率，D为线圈骨架所在的面，r与为骨架上任 一点的坐标矢量，J为电流密度。 本专利技术中的自屏蔽梯度线圈，将主线圈与屏蔽线圈骨架作为一个整体建立基函 数，因此每圈线圈构成的回路可能同时在两个线圈上。本专利技术的有益之处在于:本专利技术中的 自屏蔽梯度线圈，与传统的马鞍式结构相比，进一步放宽了设计的自由度，因此能够提高梯 度线圈的效率，有利于设计短腔、大孔径的梯度线圈。【附图说明】 图1是圆柱式梯度线圈在MRI系统中的分布示意图； 图2是传统的马鞍式梯度线圈结构示意图； 图3(a)是本专利技术实施例中横向自屏蔽梯度线圈骨架示意图； 图3(b)是本专利技术实施例中图3(a)对应的二维映射面示意图； 图4是本专利技术实施例的方法流程图； 图5是本专利技术实施例中横向自屏蔽梯度线圈在二维矩形映射面上的分布示意图； 图6是本专利技术实施例中实际的Ξ维横向自屏蔽梯度线圈结构示意图；【具体实施方式】本专利技术提出了一种设计圆柱式自屏蔽梯度线圈的设计方法。下面结合附图和具体 实施例，进一步阐明本专利技术，应理解运些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的 范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申 请所附权利要求所限定的范围。 本申请受江苏省自然科学基金青年基金项目（项目批准号:服20130854)支持。 在超导核磁共振系统中，超导磁体W及梯度线圈均为圆柱式结构，梯度线圈安装 在超导磁体W内。因为梯度线圈内的交流电流会在超导磁体的冷屏上产生满流，因此需要 在梯度线圈外侧附加屏蔽线圈W屏蔽线圈外侧的磁场。图1所示为圆柱式横向梯度线圈在 MRI系统中的结构分布示意图，从内向外依次为X主线圈、Y主线圈、X屏蔽线圈、Y屏蔽线圈、 冷屏。传统的横向梯度线圈结构图如图2所示。其中主线圈与屏蔽线圈均由4片马鞍式结构 构成。设计时，每片线圈上的电流构成一个完整的回路，将所有线圈串联，构成一个完整的 横向梯度线圈。本专利技术中的自屏蔽梯度线圈是基于传统马鞍式结构的扩展，其骨架结构如 图3(a)所示，包括主线圈骨架、屏蔽线圈骨架、锥形连接面。电流在主骨架、屏蔽线圈骨架、 连接面上构成一个完整的回路。如图4所示，本专利技术实施例公开的一种柱面横向自屏蔽梯度 线圈设计方法其主要设计步骤包括： (S1)确定梯度线圈设计所需的预设参数，并将自屏蔽梯度线圈骨架映射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柱面横向自屏蔽梯度线圈设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)确定梯度线圈设计所需的预设参数，并将自屏蔽梯度线圈骨架映射成二维平面结构；具体为：将主线圈骨架和屏蔽线圈骨架映射成两个相邻的矩形面，二者之间的连接面映射为两个矩形面的公共边；(2)在所述二维平面结构上构造流函数基函数以及建立电流密度相关的目标函数，并通过求目标函数极值的解从而得到梯度线圈的二维平面结构；(3)将二维平面结构映射为实际的三维面结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：平学伟，朱紫辉，殷兴辉，李黎，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32