一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法技术方案

一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法，该方法结合线性规划和非线性优化算法在欲布置线圈的空间范围内进行全局优化搜索线圈的最佳位置，可对成像区域的形状和磁场均匀度、杂散场的限制范围和强度、电流安全裕度以及线圈中最高磁场强度进行约束，设计出的线圈具有造价低和结构简单等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于磁共振成像的超导磁体系统的设计方法。
技术介绍
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是根据生物体磁性核(氢核)在磁场中的表现特性成像的高新技术，其具有无电磁辐射、图像对比度高以及可以任意方向断层成像等优点，使得其跻身于医学影像设备之首。 1946年斯坦福大学的弗莱利克斯 布洛赫(Flelix Bloch)和哈佛大学的爱德华 拍塞尔(Edward Purcell)各自独立发现了核磁共振现象。在恒定磁场中的具有自旋的原子核受射频幅射照射，当射频频率等于原子核在恒定磁场中的进动频率时产生的共振吸收现象。美国人雷蒙 达曼迪安(Raymond Damadian)于1972年3月17日提出了专利申请，并在1974年2月5日获得了美国第3789832号专利，将核磁共振用于医学临床检测，专利技术了磁共振成像技术。它利用核磁共振激发所选择的人体组织原子核处于高能状态，当 高频电磁场去除后，其返回平衡状态时就会产生射频脉冲信号，用探测器检测这些信号，并将其输入计算机，经过处理转换，在屏幕上显示重建图像。他的巨大贡献为今天磁共振成像的迅速发展奠定了基础。MRI系统核心部件主要由磁体系统、谱仪系统、计算机系统以及图像显示系统组成，其中磁体系统是磁共振成像系统最重要、造价最高的部件。磁体系统的作用是在一个成像区域(通常是球形)产生一个高场强、高均匀度以及高稳定性的空间磁场分布，使得处于磁场中人体内部的氢原子核被磁化，再通过射频线圈产生射频信号，使得氢原子发生共振吸引，再停止射频激发，使得氢原子所被吸收的能量释放出来以被信号接收器件捕捉，最后通过图像处理后显示的成像过程，所成图像分辨率和磁场强度成正比关系。MRI技术经过30多年发展，超导磁体系统的设计技术有了较大的发展，由早期的“被动屏蔽、磁场低、均匀度差和磁体系统长度过长”发展到现今的“主动屏蔽、磁场高、均匀度高且磁体系统长度较短”，这得益于超导技术和低温技术的迅猛发展。MRI超导磁体系统设计的发展趋势朝着短腔、高磁场、自屏蔽的方向发展。MRI磁体设计人员一直追求通过长度较短的磁体系统在一个较大的球形成像区域(Diameter of Spherical Volume, DSV)产生高场强和高均勻度的磁场分布。峰峰值磁场均勻度(peak-to-peak homogeneity, Hpp) 一般表征为高均勻度磁体系统的性能,定义为DSV内最高和最低磁场值的差值与平均值的比值，即Hpp=(Bmax-Bmin)/mean (B) XlO6，单位为ppm (parts per million, ppm)。对于磁共振成像系统来说,一般DSV要求在直径为4(T50cm的成像球形区域产生磁场峰峰值不均匀度优于IOppm的高均匀度磁场分布。早期的MRI系统，其磁体系统达两米多长，病人在做磁共振检测普遍表现出紧张和担心，临床上把这种现象称之为幽闭症。为了降低幽闭症这种现象，MRI磁体系统设计一直朝着如何使得磁体系统长度降低且不降低成像区域大小和磁场均匀度的方向发展，如1989年一台I. 5T MRI系统，长度高达2. 4m,重量为13t ;而2009年，同样是I. 5T系统，长度锐减至I. 37m,重量为3.2t。然而磁体系统过短，会带来其他一些问题，如均匀度难实现、电磁应力较大以及由线圈结构紧凑所带来的建造困难等问题，因此MRI磁体系统设计是对多个参数均衡考虑的过程。MRI超导磁体系统的设计参数主要包括①欲布置线圈的空间尺寸；②成像区域大小、形状、中心磁场强度和磁场峰峰值不均匀度；③屏蔽技术和5高斯杂散场范围；④线圈中最高磁场强度和电流安全裕度。这些参数成为决定MRI超导磁体性能优劣的主要指标。①欲布置线圈的空间尺寸一般为具有矩形截面的空间螺线管形空间，空间尺寸主要由内径rmin、外径以及长度L限制。空间内径决定了磁体系统的最小内径，决定了最终磁体系统的室温孔径大小和和病人诊断过程中的舒适程度；外径相应地决定了磁体系 统的外径，磁体系统外径的大小决定了整个系统造价和占地空间；而空间长度则决定了磁体系统的最终长度，是降低幽闭症现象的决定因素。②成像区域大小、形状、中心磁场强度和磁场峰峰值不均匀度成像区域一般为直径40cnT50cm球形体，可满足全身成像的需求；中心磁场强度决定了成像的分辨率，I. 5T和3T为目前市场的主流产品，磁场的峰峰值不均匀度一般要求优于IOppm即可满足成像需求。③屏蔽技术和5高斯杂散场范围屏蔽技术一般分为被动屏蔽和主动屏蔽技术，磁场屏蔽是为了屏蔽MRI产生的磁场对周围环境的影响，如磁化周围铁磁物质产生磁场耦合影响MRI磁场均匀度、对周围电子产品的影响以及人体的心脏起搏器的干扰。被动屏蔽即在MRI周围通过铁磁物质构成磁场回路，将铁磁物质外的磁场控制在一定的范围内，这种技术使得MRI占地面积大、安装不便且易受到温度等环境因素影响的缺点，但磁体结构较为简单且磁体造价大幅降低，早期产品很多采取这种方式屏蔽磁场；随着磁体设计技术的不断发展，可通过在磁体系统的外层添加一对或者多对反向电流线圈以达到屏蔽杂散场的作用，这种设计使得磁体系统占地面积大幅降低，但线圈结构较被动屏蔽磁体系统复杂。目前，市场上的商业产品大部分均米取主动屏蔽方式。杂散场一般制要求在一个椭球体外磁场强度小于5高斯。④线圈中最高磁场强度和电流安全裕度线圈在通电状态下，在空间会产生磁场分布，而通电线圈在磁场中则会产生电磁力的作用，磁场越大线圈受到的电磁力越大，电磁力过大则会削弱超导线圈的性能，甚至破坏超导磁体，因此，为避免线圈所受电磁力过大，通常限制线圈中最高磁场小于8T ;线圈的工作点，包括线圈的运行电流(Iop)和线圈中最高磁场(Bmax)，结合所选用超导线的临界特性，计算出该工作点对应的临界点(Ic，Bc)，通过工作电流与临界电流的比值计算出磁体系统的电流安全裕度，通常，电流安全裕度设置小于80%。磁共振成像系统中超导磁体设计的难点是在一个狭小空间设计出能够产生高磁场和高均匀度的磁场分布。而磁体设计的参数是彼此矛盾的，磁体长度越短，成像区域均匀度越难实现且磁体结构越复杂。因此，对于磁体系统设计人员需要均衡利弊，选择适合的设计参数，设计出满足要求的磁共振成像超导磁体系统，磁体系统的设计本质上是电磁场问题的求解过程。电磁场问题的求解可以分为两类，一类为电磁场的正问题即根据空间中的电流源分布计算出空间的电磁场分布情况；另一类为电磁场的逆问题是根据空间的所需的电磁场分布情况，求解出空间的电流源位置。早期，磁体设计人员利用电磁场正问题的求解方法，通过螺线管线圈所产生的磁场分布特征，在空间中拼凑多个线圈来提高磁体系统所产生的磁场均匀度，其工作量大且很难满足要求。随着计算机技术的计算能力迅速提高，设计人员不断通过多种数值优化算法用以求解电磁场逆问题，如蒙特卡罗、模拟退火算法、遗传算法等，数值优化算法可分为全局优化算法和局部优化算法。全局优化算法在整个空间求解全局最优解，但由于计算速度较慢，磁体设计人员难以及时有效地修改程序，使得磁体设计效率较低。局部优化算法根据参数的初始值优化计算出线圈各参数，然而初始值的选取对能否求解出全局最优解起到决定作用。多年来，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁共振成像超导磁体系统的设计方法，其特征在于，所述方法结合线性规划算法和非线性优化算法在欲布置线圈的空间范围内求解出超导线用线量最少的全局最优的线圈结构；首先，在欲布置线圈的空间进行二维连续网格划分，每个网格点视为一个理想电流圆环，将成像球形区域和5高斯杂散场椭球表面均匀划分为若干个目标点，计算所有网格处的理想电流圆环在载有单位电流的情况下，在所有目标点处产生的磁场值；将成像区域的磁场均匀度以及5高斯杂散场的限制设置为约束条件，通过线性规划算法计算出满足约束条件且线圈总体积最小的网格点处的电流分布图；其次，根据电流分布图得到非零电流簇的数目和空间位置，将每个非零电流簇离散成螺线管线圈，并将其初始位置作为非线性优化算法的初始值，优化变量为每个螺线管线圈的内、外半径以及两个端部的轴向位置，将球形成像区域的磁场均匀度、5高斯杂散场的限制范围、线圈中最高磁场强度以及线圈运行的电流安全裕度设为约束条件，通过非线性优化算法计算出所有线圈总体积最小...

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