[发明专利]一种高阶匀场线圈设计方法

说明书

本发明公开了一种高阶匀场线圈设计方法，适用于三阶或三阶以上匀场线圈。本发明采用多层线圈骨架绕线，每层骨架间隔一定的距离，每层上的导线串联，并且匀场线圈与其他线圈的互感足够小。该方法的主要优势是：从三阶线圈开始，匀场线圈之间的耦合问题变突出；除此之外，高阶线圈为了产生足够强度的场需要的线圈匝数比低阶线圈更多更稠密。这两个问题采用单层绕线结构都很难克服。为了解决这两个问题，本发明采用多层骨架绕线，通过合理选择绕线骨架位置，并在线圈优化时将线圈耦合做为约束条件进行优化，这种做法能使高阶线圈与低阶线圈之间的互感大幅度降低,并且避免了导线绕线密集造成的绕线困难。

技术领域

本发明涉及一种高阶匀场线圈设计方法，更具体地涉及一种匀场线圈分层布线方案与设计方法。

背景技术

在磁共振系统中，要求背景场具有很高的均匀度。这种均匀度一般通过两种方法保证：被动匀场与主动匀场。所谓主动匀场，即设计若干个匀场线圈，每个匀场线圈对应一个谐波系数。通过调节匀场线圈内的电流可以将背景场对应的谐波分量进行抵消，从而提高背景场的均匀度。因此，匀场线圈在核磁共振系统中是一个很重要的部件。但是当线圈阶数达到3阶或者3阶以上时，匀场线圈的设计变得非常困难。这种困难表现在两方面。其一是高阶匀场线圈与低阶匀场线圈或梯度线圈之间可能会存在比较大的耦合，其次线圈阶数越高，则导线越密集，工程制作难度加大。除此之外，还有一个问题，采用流函数法设计高阶匀场线圈时，优化后的电流方向通常变化很快，这时候将电流密度转换为导线时会存在较大误差。这几个问题都为高阶匀场线圈的设计与应用造成了困难。

发明内容

发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出一种新的设计方案，采用两层或两层以上骨架对高阶匀场线圈进行绕线，并给出了一种高阶匀场线圈设计方法。采用该方法能够保证所设计的线圈与已知线圈之间的耦合足够的小，并且能够保证每层线圈绕线的稀疏度。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种高阶匀场线圈设计方法，已知低阶匀场线圈结构以及该高阶匀场线圈设计参数，在允许的布线空间内选择两层或两层以上线圈骨架，每层骨架间隔一定的距离，所有骨架上的线圈串联，在线圈优化时将该高阶匀场线圈与低阶匀场线圈的互感作为约束条件，保证线圈的场满足要求的同时，线圈与可能存在耦合的低阶匀场线圈的互感满足工程要求。

进一步，采用流函数法设计线圈结构，设计过程为：已知线圈骨架的层数与每层线圈骨架的尺寸，在每层线圈骨架上定义电流密度基函数，然后构造目标函数与约束条件，通过对优化模型求解得到每层骨架上的电流密度分布，进一步通过电流密度函数得到高阶匀场线圈的结构。

进一步，设计方案采用两个线圈骨架，一个骨架位于梯度线圈主线圈附近，另一个位于梯度线圈屏蔽线圈附近。

进一步，线圈优化的目标如下：

上式中，A_n,m、B_n,m为所设计的线圈产生的磁场的谐波系数，A'_n,m、B'_n,m为理想的谐波系数，为待设计线圈骨架上任一点处的矢量坐标，为第t层待设计线圈骨架上坐标点处的电流密度，α_n,m、β_n,m、ω为权重系数，N为谐波阶数；S_t为第t层待设计线圈骨架所在的面，T为线圈骨架层数，ds为待设计线圈骨架内的面积微元。

进一步，线圈优化需要满足如下约束条件：

上式中，M为已知的低阶匀场线圈个数，L_j表示第j个已知低阶匀场线圈绕线路径，为第j个已知低阶匀场线圈内任一点处的矢量坐标，Ind_j表示高阶匀场线圈与第j个已知低阶匀场线圈的互感，ε_j表示允许的最大互感值，I₀为待设计线圈内的电流幅值，μ₀为真空磁导率,为已知低阶匀场线圈内的线微元。