基于流函数的磁共振射频线圈设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流函数的磁共振射频线圈设计方法，包括以下各步骤：(1)确定感兴趣区域；(2)初始参数设定：设定主线圈的几何参数，屏蔽线圈的几何参数；设定内部感应兴趣区域的目标磁场强度和外部感应兴趣区域的目标磁场强度；设定线圈工作的谐振频率；(3)将主线圈沿角度分量方向和高度分量方向分别等分为K份和Q份；用流函数对线圈表面的电流密度分量(包括角度分量、高度分量)进行离散；(4)通过矩阵计算得到流函数的傅里叶级数表达式；(5)对流函数绘制等势线，等势线形状即为主线圈和屏蔽线圈的具体绕线形。本发明专利技术能够根据设计目标精确设计磁共振线圈形状，线圈在其内部感兴趣区的磁场分布均匀，提高了成像系统的信噪比。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁共振领域，具体地讲是一种基于流函数的磁共振射频线圈设计方 法。
技术介绍
磁共振成像技术由于其在提供组织化学信息方面的潜在能力以及对人体没有因 放射线引起的电离辐射作用等特点，已经成为当今众所瞩目的医学成像方法。磁共振成像 系统由主磁体、梯度线圈、射频线圈、计算机系统以及其他辅助设备构成。射频线圈是磁共 振成像系统的关键部件，有发射线圈和接受线圈之分，有的线圈也同时具有发射和接收功 能。发射线圈发射射频脉冲激发人体内的质子发生共振，发射线圈需要在感兴趣区产生一 个均匀磁场；接收线圈以高信噪比接收感兴趣区的信号，接收线圈离检查部位越近，所接收 到的信号越强，线圈内体积越小则所接收到的噪声越低，因而各厂家开发了多种适用于各 检查部位的专用表面线圈，如心脏线圈、肩关节线圈、直肠内线圈、脊柱线圈等。表面线圈对信号检测的灵敏度最高，但是由于线圈灵敏度与线圈的尺寸呈逆相 关，过大的表面线圈用于信号检测效率不高，因此单个表面线圈可以采集信号的区域较小。 相控阵线圈可以解决这一问题，它由一些空间紧密排布的表面线圈组成，可以覆盖较大的 区域，如人体的脊柱、头部、脖子和躯干等。相控阵线圈可以比单个表面线圈覆盖更大的体 积，由于其保持有表面线圈高灵敏度的特性，可以明显提高磁共振图像的信噪比，有助于改 善薄层扫描、高分辨率扫描以及图像质量。射频线圈的电磁设计可以归结为一个电磁场的逆问题，即给定成像系统的信噪比 和敏感度的均匀度的要求，反算求出所需的射频线圈的结构和几何形状。传统的设计方法 是采用已有的特定的线圈结构的基础上，根据设计目标对线圈的形状和位置进行适当的优 化，以求提高其信噪比和均匀度。这类方法的缺点是线圈的形状难有很大的变化，设计方法 也不系统完备，设计的预期目标效果难以预计，也就无法盘算所得的结果是否最优，这样的 设计是靠经验去设计和优化现有的形状，通用性较差。传统射频线圈会在梯度线圈和匀场线圈中产生涡流损耗，从而影响系统信噪比， 随着主磁场场强的提高，这种效应显得尤为明显。因此，需要对射频线圈需要施加专门的射 频屏蔽，防止射频磁场进入梯度磁场和匀场线圈，以降低射频磁场对梯度磁场和匀场磁场 的影响。屏蔽线圈可分为被动屏蔽和主动屏蔽线圈两种，被动屏蔽线圈一般由有一定厚度 的金属薄板构成，主动屏蔽线圈载有电流，产生的磁场可以抵消由射频线圈产生的外部磁 场。采用现有技术的磁共振射频线圈设计方法时，尤其是在屏蔽线圈的设计上，防止射频磁 场进入梯度磁场和匀场线圈的效果不明显。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种能够根据设计目标精确设计磁共振线圈形 状的。本专利技术的技术解决方案是，提供以下步骤的，包括以下各步骤(I)确定感兴趣区域内部感应兴趣区域和外部感应兴趣区域，内部感应兴趣区域为锥形空间，外部感应兴趣区域为圆柱形空间；所述的内部感应兴趣区域在待设计主线圈内部，外部感应兴趣区域在待设计屏蔽线圈的外部，待设计屏蔽线圈位于待设计主线圈外部；(2)初始参数设定设定主线圈的几何参数，屏蔽线圈的几何参数；设定内部感应兴趣区域的目标磁场强度和外部感应兴趣区域的目标磁场强度；设定线圈工作的谐振频率；(3)将主线圈沿角度分量方向和高度分量方向分别等分为K份和Q份，得到KXQ 的相控阵射频线圈；用流函数对线圈表面的电流密度分量(包括角度分量、高度分量)进行离散，得到电流密度分量的傅里叶级数表达式，傅里叶级数表达式与K和Q相关；(4)将实际感应磁场强度与目标磁场强度之间的差值对步骤3中给出的傅里叶系数求导，并令导数为零，可以得到关于傅里叶系数的线性方程组，线性方程组的矩阵形式为AX = T，其中矩阵A与磁场强度的傅里叶级数表达式相关，矩阵X包含傅里叶系数，矩阵 T与期望磁场强度相关；得到流函数的傅里叶级数表达式；(5)对流函数绘制等势线，等势线形状即为主线圈和屏蔽线圈的具体绕线形状；采用本专利技术的方法，与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术基于流函数技术的设计磁共振射频线圈(包括主线圈和主动屏蔽线圈)，并将主线圈分割为相控阵线圈， 得到与流函数表达式、分割份数(K和Q)相关的傅里叶表达式，通过矩阵计算，最终得到流函数的傅里叶级数表达式，进而就可以对流函数绘制等势线了，由于存在主线圈和屏蔽线圈，故需要分别对两个流函数绘制等势线，根据流函数的等势线绕制线圈即可达到设计目标；本专利技术能够有效的解决线圈设计逆问题中的积分方程的病态特性，得到较精确的傅里叶系数的解，能够根据设计目标精确设计磁共振线圈形状，线圈在其内部感兴趣区的磁场分布均匀，外部屏蔽区域磁场微弱，提高了成像系统的信噪比，从而有利于磁共振成像，确保了磁共振成像的清晰度，提高了诊断效率 和准确度。作为改进,步骤4中，采用Tikhonov正则化技术求解傅里叶级数引入最小曲率惩罚函数，用矩阵(Α+Γ)代替矩阵A求解傅里叶系数，最小曲率惩罚函数存在于矩阵Γ中， 用于降低矩阵A的条件数，使得傅里叶系数的解更为精确。作为改进，引入惩罚因子λ，用矩阵(Α+λ Γ)代替矩阵A求解傅里叶系数，根据矩阵A和矩阵Γ的条件数确定的λ的取值范围，以矩阵(Α+λ Γ)的条件数最小为目标，确定λ的取值；通过引入和自动优选惩罚因子λ，提高了傅里叶级数表达式系数的准确度， 从而得到线圈的绕制形状与预期设计目标更吻合。作为改进，在线圈内部感兴趣区和线圈外部屏蔽区域选取有限个采样点，根据采样点处的磁场强度与期望磁场强度的误差值对惩罚因子进行校正；参数的校正是对设计方法的二次优化，进一步提高磁场均匀度，提高屏蔽线圈的屏蔽效果。附图说明图1为专利技术的流程图。图2为专利技术的模型示意图。图3为专利技术的主线圈绕线仿真示意图。 (实施例1)。图4为专利技术的屏蔽线圈绕线仿真示意图。 (实施例1)。图5为专利技术的主线圈绕仿真示意图(实施例2)。图6为专利技术的屏蔽线圈绕线仿真示意图 (实施例2)。如图2所不1、王线圈，2、屏蔽线圈，3、内部感兴趣区域，4、外部感兴趣区域。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术的，包括以下具体实施步骤(I)确定感兴趣区域内部感应兴趣区域和外部感应兴趣区域，内部感应兴趣区域为锥形空间，外部感应兴趣区域为圆柱形空间；所述的内部感应兴趣区域在待设计主线圈内部，外部感应兴趣区域在待设计屏蔽线圈的外部，待设计屏蔽线圈位于待设计主线圈外部；(2)初始参数设定设定主线圈的几何参数(如图2所示，主线圈为圆柱形，其几何参数主要是两端面半径和高度)，屏蔽线圈(在图2中，屏蔽线圈也为圆柱形，其几何参数也为两端面半径和高度)的几何参数；设定内部感应兴趣区域的目标磁场强度和外部感应兴趣区域的目标磁场强度(内部感应兴趣区域的磁场强度主要根据设计目标而定；外部感应兴趣区域的磁场强度一般为零)；设定线圈工作的谐振频率(即拉莫尔频率f);(3)将主线圈沿角度分量方向和高度分量方向分别等分为K份和Q份，得到KXQ 的相控阵射频线圈；用流函数对线圈表面的电流密度分量(包括角度分量、高度分量)进行离散，得到电流密度分量的傅里叶级数表达式，傅里叶级数表达式与K和Q相关；此时，电流密度是 未知的，只是用流函数表达之后所得到的表达式；(4)将实际感应磁场强度与目标磁场强度之间的差值对步骤3中给出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于流函数的磁共振射频线圈设计方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)确定感兴趣区域：内部感应兴趣区域和外部感应兴趣区域，内部感应兴趣区域为锥形空间，外部感应兴趣区域为圆柱形空间；所述的内部感应兴趣区域在待设计主线圈内部，外部感应兴趣区域在待设计屏蔽线圈的外部，待设计屏蔽线圈位于待设计主线圈外部；(2)初始参数设定：设定主线圈的几何参数，屏蔽线圈的几何参数；设定内部感应兴趣区域的目标磁场强度和外部感应兴趣区域的目标磁场强度；设定线圈工作的谐振频率；(3)将主线圈沿角度分量方向和高度分量方向分别等分为K份和Q份，得到K×Q的相控阵射频线圈；用流函数对线圈表面的电流密度分量(包括角度分量、高度分量)进行离散，得到电流密度分量的傅里叶级数表达式，傅里叶级数表达式与K和Q相关；(4)将实际感应磁场强度与目标磁场强度之间的差值对步骤3中给出的傅里叶系数求导，并令导数为零，可以得到关于傅里叶系数的线性方程组，线性方程组的矩阵形式为：AX＝T，其中矩阵A与磁场强度的傅里叶级数表达式相关，矩阵X包含傅里叶系数，矩阵T与期望磁场强度相关；得到流函数的傅里叶级数表达式；(5)对流函数绘制等势线，等势线形状即为主线圈和屏蔽线圈的具体绕线形状。...

【技术特征摘要】
1.一种基于流函数的磁共振射频线圈设计方法，其特征在于包括以下步骤(1)确定感兴趣区域内部感应兴趣区域和外部感应兴趣区域，内部感应兴趣区域为锥形空间，外部感应兴趣区域为圆柱形空间；所述的内部感应兴趣区域在待设计主线圈内部，外部感应兴趣区域在待设计屏蔽线圈的外部，待设计屏蔽线圈位于待设计主线圈外部;(2)初始参数设定设定主线圈的几何参数，屏蔽线圈的几何参数；设定内部感应兴趣区域的目标磁场强度和外部感应兴趣区域的目标磁场强度；设定线圈工作的谐振频率；(3)将主线圈沿角度分量方向和高度分量方向分别等分为K份和Q份，得到KXQ的相控阵射频线圈；用流函数对线圈表面的电流密度分量(包括角度分量、高度分量)进行离散，得到电流密度分量的傅里叶级数表达式，傅里叶级数表达式与K和Q相关；(4)将实际感应磁场强度与目标磁场强度之间的差值对步骤3中给出的傅里叶系数求导，并令导数为零，可以得到关于傅里叶系数的线性方程组，线性方程组的矩阵形式为AX =T，其中矩阵A与磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鞠成，郑重，徐文龙，
申请(专利权)人：嘉恒医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：