[发明专利]自屏蔽超导核磁共振成像系统梯度线圈设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种自屏蔽超导核磁共振成像系统梯度线圈设计方法。

背景技术

梯度线圈是磁共振成像设备的元件之一，其主要作用是在主磁场上附加另外的依部位递 增(或递减)的梯度磁场，从而对MRI信号进行空间定位和编码。实际工作中，梯度线圈系统 至少要提供三种梯度磁场，即层面选择梯度，频率编码梯度和相位编码梯度。衡量梯度线圈 性能的主要指标是成像速度、清晰度、噪声大小等。而提高梯度线圈的性能对于改善整个核 磁共振成像系统的性能具有非常重要的意义。

梯度线圈设计的主要目标为：在给定的梯度线圈骨架上设计梯度线圈，使其在成像区域 内采样点产生的轴向磁感应强度误差小于给定的最大磁场偏差，一般不超过±5％，同时在杂 散场的屏蔽区域内采样点满足小于杂散磁场的要求。

目前，常用的梯度线圈的设计方法有两种：离散电流技术和电流密度技术。离散电流技 术需要预先选择合适的线圈形状，将其所产生的磁场按级数方法展开，然后根据可获得最佳 线性梯度原则来优化线圈结构，其优点是基于工程实际，便于加工制造。而电流密度技术是 根据maxwell方程，按所需的梯度分布求取理想的表面电流密度，然后通过流函数技术得到 线圈的实际绕线分布。之后的诸多方法都是在这两种方法的基础上衍生出来的。传统的梯度 线圈设计过程中，无论使用哪种方法，目标场区域一般都会选择完整的球形区域，但实际在 病人躺在病床上进行核磁共振成像检查的过程中，病人床下部分区域并没有用于成像，这部 分区域几乎达到整个成像区域的四分之一，而这部分区域在梯度线圈设计时也会被考虑，这 就造成设计过程中额外增加了很多约束点，从而导致梯度线圈线型比较密集、复杂，用线量 增加，与此同时，密集的导线分布使得线圈的电感较大，从而影响梯度线圈磁场快速变化的 性能要求。因此，只考虑有效的成像区域对于梯度线圈的设计具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服现有自屏蔽核磁共振成像系统设计方法存在不必要的目标磁场约 束的缺点，提出一种自屏蔽超导核磁共振成像系统梯度线圈设计方法。

本发明的设计目标区域区别于传统的完整球形表面的设计目标区域，仅为成像区域中病 人床以上球形表面部分和外部5高斯杂散场约束圆柱体表面。相对于传统的完整球形表面设 计目标区域，本发明具有快速、高效和准确的特点。采用本发明方法，根据典型的自屏蔽超 导核磁共振系统中自屏蔽梯度线圈的几何结构以及几何尺寸，可以计算得到线间距更大，用 线量更小，电感更小的自屏蔽梯度线圈。

本发明首先将自屏蔽超导核磁共振成像系统主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域划分 为三维连续三角网格节点，将成像区域中病人床以上球形表面部分和外部5高斯杂散场约束 圆柱体表面均匀划分成多个目标场点。根据边界元方法，计算主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨 架区域内网格节点的基函数对成像区域中病人床以上球形表面部分和外部5高斯杂散场约束 圆柱体表面的目标场点产生的轴向磁感应强度系数矩阵。通过正则化方法，建立优化计算模 型。优化计算模型包括两部分，一部分为主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域内网格节点在 目标区域内的目标场点处产生的轴向磁感应强度与期望得到的目标磁感应强度之间的偏差， 另一部分为网格节点的流函数曲率的平方和。网格节点的流函数作为优化变量。利用L-曲线 法选择“L”曲线拐点处的正则化参数值作为优化模型的正则化参数λ，使得实际线圈产生的磁 场与目标磁场分布的偏差满足设计要求，同时保证网格节点流函数的变化率最小，从而获得 网格节点流函数值的最优解。通过主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域内每个网格节点流函 数与线圈绕线分布之间的关系，得到实际的线圈分布图。

本发明方法的具体步骤如下：

1、在自屏蔽超导核磁共振成像系统的主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域进行三维连 续三角网格节点划分，将成像区域中病人床以上的球形表面部分和外部5高斯杂散场约束圆 柱体表面均匀划分成多个目标场点。

2、对于无源区域，电流密度满足电流连续性定理，可以表示为流函数的旋度。根据边 界元方法，将主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域内的每个网格节点的流函数表述成与之相 关联的网格节点基函数的线性叠加。

3、计算主线圈骨架区域和屏蔽线圈骨架区域内网格节点的基函数对成像区域中病人床 以上球形表面部分和外部5高斯杂散场约束圆柱体表面的目标场点产生的轴向磁感应强度系 数矩阵。