用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈及其设计方法技术方案

本发明专利技术实施例公开一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，包括在设计表面上对称分布偶数根导线、采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线、采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。该设计方法的具体步骤包括，电场、磁场问题的求解，敏度计算并迭代求解，最终得到线圈构型。本发明专利技术还公开由该设计方法设计出的横向梯度线圈。本发明专利技术实施例基于拓扑优化算法设计的横向梯度线圈有效地去除传统线圈的回绕部分、缩短了线圈长度、降低了电阻值，有效地提高磁共振系统的空间利用率。

【技术实现步骤摘要】
用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈及其设计方法
本专利技术涉及微尺度磁共振成像系统横向梯度线圈设计制造领域，具体涉及一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈及其设计方法。
技术介绍
磁共振成像(MagneticResonanceImaging,MRI)，尤其是微尺度磁共振成像系统作为一种非介入式影像技术，能够反应物体内部的层次结构。近年来，磁共振成像已经成为医疗诊断、生物研究、材料研究等领域的重要途径。横向梯度线圈作为微尺度磁共振成像系统的一种核心功能部件，其线性度、电感等性能参数将直接影响到微尺度磁共振成像系统的成像质量和响应时间。目前，横向梯度线圈的设计方法大致可分为离散电流技术和连续电流技术。离散电流技术采用固定的线型(如马鞍型线圈、环形线圈)，通过合理分布其位置来得到目标梯度磁场分布。由离散电流技术得到的横向梯度线圈，由于线型固定，从而优化自由度低、限制了横向梯度线圈性能的提升空间。连续电流技术通过优化电流密度分布，再通过离散线圈来逼近，其实现方式主要包括目标场法与流函数法。由连续电流技术得到的横向梯度线圈通常需要采用回绕形式的线圈去近似电流密度分布，若线圈的圈数太少则会导致求解精度低、影响梯度磁场的线性度，而若圈数较多则线型复杂、从而横向梯度线圈的制造难度增大且效率低。因此，需要一种结构简单的横向梯度线圈，且该横向梯度线圈的设计方法灵活性高、易于制造和效率高。
技术实现思路
针对现有横向梯度线圈及其设计方法所存在的问题，本专利技术提出一种基于拓扑优化算法来设计的横向梯度线圈的线型分布，从而有效地去除传统线圈的回绕部分、缩短了线圈长度、降低了电阻值，有效地提高微尺度磁共振成像系统的空间利用率。该横向梯度线圈的设计方法方案如下：一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，包括以下步骤：在设计表面上对称分布偶数根导线；采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线；采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。优选的，所述各根导线采用同一电压驱动或者所述各根导线采用同一电流驱动。优选的，所述拓扑优化算法以所述导线的导电材料的分布为设计变量。优选的，所述设计出的横向梯度线圈采用柔性PCB板、3D打印技术、或刻蚀技术、或其结合方式加工制造。优选的，所述拓扑优化算法的具体步骤包括：步骤一：确定所述设计表面的参数及目标磁场分布区域的大小；步骤二：针对预设方向的横向梯度线圈，建立物理模型和推导计算公式；步骤三：推导目标磁场对设计变量的灵敏度；步骤四：采用优化程序进行迭代求解，得出横向梯度线圈的构型。优选的，所述偶数根导线中一根横向梯度线圈构型采用所述拓扑优化算法进行计算，剩余其他导线根据所述横向梯度线圈构型进行对称法得到。优选的，所述步骤二的建模和推导步骤包括：以导电材料密度作为设计变量，所述设计变量满足电流连续性方程；计算电势分布，获取电流密度在在x、y方向的分量表达式；根据Biot-Savart定律计算目标区域内点(xi,yi,zi)的磁场强度z方向分量；以目标区域内实际磁场强度与目标磁场强度的残差的平方和最小为目的，建立磁场强度、电流密度与设计变量之间对应关系的模型；采用有限元离散的方式，对所述模型进行离散简化而获取简化模型；以电阻作为正则项引入设计目标，获取优化模型。优选的，所述步骤三中引入伴随变量，求得离散伴随敏度。本专利技术还提出一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈，该横向梯度线圈采用上述设计方法而获得，所述横向梯度线圈对称分布于设计表面。优选的，所述横向梯度线圈采用柔性PCB板、3D打印技术、或刻蚀技术、或其结合方式加工制造。从以上技术方案可以看出，本专利技术实施例具有以下优点：本专利技术实施例基于拓扑优化的方法设计横向梯度线圈的线型分布，去除了传统线圈的回绕部分，有效地缩短横向梯度线圈的纵向尺寸，有效地降低电阻值和电感，提高了微尺度磁共振系统的空间利用率。本专利技术实施例所提供的横向梯度线圈构型简单，可采用3D打印、柔性PCB印刷或刻蚀等技术进行制造，有效地降低制造成本。附图说明图1为本专利技术实施例中提供一种横向梯度线圈设计方法流程图；图2为本专利技术实施例中提供的圆柱形横向梯度线圈的设计模型示意图；图3为图2所示设计模型的展开平面示意图；图4为图3中深色区域的放大图及其边界条件示意图；图5为拓扑优化算法中迭代求解步骤的流程图；图6a为体积分数为0.1时的八分之一区域内的横向梯度线圈的结构示意图；图6b为体积分数为0.2时的八分之一区域内的横向梯度线圈的结构示意图；图6c为体积分数为0.3时的八分之一区域内的横向梯度线圈的结构示意图；图6d为体积分数为0.4时的八分之一区域内的横向梯度线圈的结构示意图；图7为体积分数为0.2时，完整的横向梯度线圈结构及其电压驱动方式。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。如图1所示，为本专利技术实施例中提供一种横向梯度线圈设计方法流程图。该横向梯度线圈设计方法的具体步骤如下所示。步骤S1：在设计表面上对称分布偶数根导线。导线具体的数量可根据微尺度磁共振成像系统的具体要求和应用环境而确定，如2根、4根、6根、8根等。步骤S2：采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线，从而在导线周边产生磁场。在一具体实施例中，各根导线采用同一电压驱动或者所述各根导线采用同一电流驱动。步骤S3：采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置，从而在设计区域内寻找导线最佳构型。拓扑优化方法定义为：在设计区域中寻找使目标函数最小(或最大)的材料分布方式。拓扑优化方法通常包括密度法、水平集、均匀化方法。本专利技术为了更详细地阐述横向梯度线圈的具体设计步骤，以4根导线和采用密度法的拓扑优化方法为具体实施例进行详细说明。本领域人员基于所提供的实施例可扩展至其他数量导线或其他方式的拓扑优化方法进行横向梯度线圈的设计。在该实施例中，拓扑优化算法的具体步骤包括：步骤一：确定所述设计表面的参数及目标磁场分布区域的大小；步骤二：针对预设方向的横向梯度线圈，建立物理模型和推导计算公式；步骤三：推导目标磁场对设计变量的灵敏度；步骤四：采用优化程序进行迭代求解，得出横向梯度线圈的构型。在步骤一中，设计表面的参数主要包括设计表面的半径、高度、厚度。具体的参数数值可根据具体的微尺度磁共振成像系统的要求及环境而定。在本实施例中，采用的参数具体数值为圆柱形梯度线圈的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在设计表面上对称分布偶数根导线；采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线；采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。

【技术特征摘要】
1.一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在设计表面上对称分布偶数根导线；采用电流或电压分别驱动所述偶数根导线；采用拓扑优化算法确定所述导线的空间位置。2.根据权利要求1所述的一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述各根导线采用同一电压驱动或者所述各根导线采用同一电流驱动。3.根据权利要求1所述的一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述拓扑优化算法以所述导线的导电材料的分布为设计变量。4.根据权利要求1所述的一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述设计出的横向梯度线圈采用柔性PCB板、3D打印技术、或刻蚀技术、或其结合方式加工制造。5.根据权利要求1所述的一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述拓扑优化算法的具体步骤包括：步骤一：确定所述设计表面的参数及目标磁场分布区域的大小；步骤二：针对预设方向的横向梯度线圈，建立物理模型和推导计算公式；步骤三：推导目标磁场对设计变量的灵敏度；步骤四：采用优化程序进行迭代求解，得出横向梯度线圈的构型。6.根据权利要求5所述的一种用于微尺度磁共振成像系统的横向梯度线圈的设计方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘震宇，潘辉，史航，郭煜晨，程路超，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22