[发明专利]基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法

说明书

本发明涉及基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法，属于磁共振领域。该方法包括：a、根据梯度线圈或匀场线圈的具体类型，在布线区域中选取对应特征区域及线圈轨迹几何类型；b、在特征区域内确定对应每匝导线路径中的特征点，其将通过分段函数构建线圈的最终整体结构；c、根据线圈的优化需求，确定优化目标和限制条件；d、基于毕奥—萨伐尔定律建立线圈结构与磁场的对应关系，建立数值优化问题进行数值优化，获取满足步骤c需求下的最优解参数集。该方法计算简单直接，高度程序化，人工调整需求低，容易实现很好的梯度磁场线性度及匀场线圈相应性能，并便于施加额外约束。

技术领域

本发明属于磁共振领域，涉及基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种广泛用于医学临床诊断和医学研究的影像技术。磁共振成像系统工作时，将人体置于一个均匀静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体组织部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。由于在这一过程中加入了梯度磁场，因此通过射频信号可以获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

梯度和匀场线圈均是磁共振成像系统的重要部件，其相关研究一直以来广受关注。梯度线圈通过在x、y、z三个方向产生线性变化的梯度磁场，用于层面选取、相位编码和频率编码，从而为图像重建提供定位依据。因此，为提高图像的质量，梯度线圈需要产生线性度良好的梯度场。MRI设备在成像区需要有一个非常均匀的磁场，这个均匀磁场的区域为球形，将待成像部位置于该球形区域后，通过扫描可以捕获被成像部位的图像。但是通常磁体在安装后产生的机械误差等使得磁场并不能达到均匀度要求，因此通过安装一组匀场线圈进行有源匀场，根据计算出的各谐波分量进行抵消，从而进一步提高目标区域磁场均匀度。

如今梯度和匀场线圈的优化设计方法通常采用基于电磁场逆问题的流函数法。但是这种方法计算出来的线圈结构通常较复杂，如一系列分隔开的封闭曲线，需要进一步手动地改线连接才能使用，使设计流程复杂，并为实际制造带来困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法，根据梯度和匀场线圈长期设计经验，将绕线轨迹几何化，提取特征参数进行优化，从而避免了额外的工程误差，同时缩短了设计流程。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据梯度线圈或匀场线圈的具体类型，在布线区域中选取对应的特征区域，以及线圈轨迹几何类型；

S2：在特征区域内确定对应每匝导线路径中的特征点，包括圆弧与抛物线或圆弧与对称直线的交点Pn、抛物线与对称轴交点Qn、对称直线与对称轴交点Qn，以及圆弧外径Rn，将通过分段函数构建线圈的最终整体结构；

S3：根据线圈的优化需求，确定优化目标和限制条件，包括磁场线性度、磁场相对目标场偏差度、梯度效率、最小线间距、指定区域杂散磁场和电阻；

S4：基于毕奥-萨伐尔定律建立线圈结构与磁场的对应关系，并根据S3建立数值优化问题，采用内点法等算法进行数值优化，获取满足S3需求下的最优解，即最优特征点参数集。

可选的，所述S1中，对于Z梯度线圈和Z²-(X²+Y²)/2匀场线圈，特征区域选取整个圆形布线域，线圈几何类型为渐开线；

对于X梯度线圈、Y梯度线圈、XZ匀场线圈和YZ匀场线圈，特征区域选取二分之一圆形布线域，线圈几何类型为圆弧、变半径弧、抛物线的组合；

对于X²-Y²匀场线圈和2XY匀场线圈，特征区域选取四分之一圆形布线域，线圈几何类型为圆弧、变半径弧和对称直线的组合。