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Title:
METHOD FOR CONSTRUCTING SUPERCONDUCTING MAGNET FOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/079047
Kind Code:
A1
Abstract:
A method for constructing a superconducting magnet for magnetic resonance imaging, including: determining a superconducting wire material, a running current and a feasible current-carrying zone; dividing the feasible current-carrying zone into a plurality of rectangular grids, rounding off rectangular grids at the boundary, adjusting the boundary of the feasible current-carrying zone, and acquiring the number of the rectangular grids in the feasible current-carrying zone; with the centre of a magnet as an origin, establishing a coordinate system to obtain the space coordinate of the centre of each rectangular grid; with the minimal wire consumption as an optimization goal, and the field intensity of the centre, the magnetic field uniformity and the stray field as constraint conditions, programming the feasible current-carrying zone with a linear integer programming algorithm to obtain each concentrated distribution area of an initial wire of the magnet; according to the degree of influence of each concentrated distribution area on the magnetic field uniformity, and according to the degree of influence on the magnetic field uniformity in descending order, with the minimal wire consumption as the optimization goal, and the field intensity of the centre, the magnetic field uniformity and the stray field as the constraint conditions, rectangularizing each concentrated distribution area with the linear integer programming algorithm; and acquiring the parameters of a superconducting magnet coil.

Inventors:
ZHANG GUOQING (CN)
ZHU ZIAN (CN)
ZHAO LING (CN)
HOU ZHILONG (CN)
YANG HUAN (CN)
ZHOU JIN (CN)
MA WENBIN (CN)
WANG KEXIANG (CN)
Application Number:
CN2012/085176
Publication Date:
May 30, 2014
Filing Date:
November 23, 2012
Export Citation:
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Assignee:
INST HIGH ENERGY PHYSICS CAS (CN)
International Classes:
H01F6/00; G01R33/3815; H01F41/02
Domestic Patent References:
WO2004036230A22004-04-29
Foreign References:
CN102176368A2011-09-07
Other References:
ZHANG: "Guoqing; 0-1 integer linear programming for actively shielded magnetic resonance image (MRI) superconducting magnet design", ACTA PHYSICA SINICA, vol. 61, no. 22, 28 September 2012 (2012-09-28), pages 228701-1 - 228701-6
Attorney, Agent or Firm:
LUNGTIN INTERNATIONAL INTELLECTUAL PROPERTY AGENT LTD. (CN)
隆天国际知识产权代理有限公司 (CN)
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Claims:
权利要求

1. 一种用于构造磁共振成像超导磁体的方法, 其特征在于, 包括: 确定超导线材、 运行电流以及可行载流区;

以磁体的中心为原点, 建立一圆柱坐标系 (r, z, 《) , 其中 r为径向 距离, z轴为高, 《为方位角度, 磁体轴向为 z轴方向, 将该可行载流区划分 为多个网格, 对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整, 得 到多个矩形网格, 调整可行载流区的边界并获取可行载流区的矩形网格数 n, 获得每个该矩形网格中心的空间坐标为 ( , Z i, a d ;

以用线量最少为优化目标, 中心场强度、 磁场均匀度及杂散场为约束条 件, 利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划, 得到磁体初始的导线的 各集中分布区域;

根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度, 按照对磁场均匀度的 影响程度从大到小, 以用线量最少为优化目标, 中心场强度、 磁场均匀度及 杂散场为约束条件,利用整数线性规划算法对该各集中分布区域进行矩形化; 以及取得超导磁体线圈的参数。

2.如权利要求 1所述的方法,其特征在于,该可行载流区关于 Z轴对称, 并关于 Z=0平面对称。

3.如权利要求 1所述的方法,其特征在于,该整数线性规划算法为 -1-0-1 整数线性规划算法。

4. 如权利要求 3所述的方法, 其特征在于, 以用线量最少为优化目标, 中心场强度、 磁场均匀度及杂散场为约束条件, 利用整数线性规划算法对可 行载流区进行规划, 实现算法为:

将该多个矩形网格等效为位于矩形网格中心位置的电流环, 该电流环的 电流等于该运行电流, 电流环在考察点坐标 ( , Zj, « 处产生的磁场轴向 z 分量为: 其中,

μ0 = 4π X 10 7Τ · m/A, ( 2)

i \ - k sin

( 5 )

因子 ei为 -1、 0或 1, 当 ei=0时该矩形网格对磁场无贡献; 当 ei=l时该 矩形网格对磁场贡献为正, 对应超导磁体的正向线圈,当 ei=_l时该矩形网格 对磁场贡献为负,对应超导磁体的反向线圈;

则各 分量为: 每个矩形网格所含超导线材的长度由下式计算:

4 = .|^. ( 7 )

为:

其中, i为可行载流区的矩形网格数, I等于该运行电流, (4) 式为第 一椭圆积分, (5 ) 式为第二椭圆积分。

5. 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 利用整数线性规划算法对该 各集中分布区域进行规划具体包括:

对该各集中分布区域进行矩形化的步骤, 包括: 计算经过该整数线性规 划得到的该磁体初始的导线的各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度, 找 到影响程度最强的一个, 然后固定其他集中分布区域不变, 对该集中分布区 域进行矩形化;

判断是否存在尚未进行矩形化的该磁体初始的导线的各集中分布区域, 如果完成, 则执行步骤取得超导磁体线圈的截面参数, 否则返回对该各集中 分布区域进行矩形化的步骤。

6. 如权利要求 5所述的方法, 其特征在于, 对该各集中分布区域进行矩 形化的步骤的实现算法为:

将在该运行电流下的该各集中分布区域再次进行矩形网格划分, 根据该 各集中分布区域确定该可行载流区内的新可行载流区, 并对新可行载流区内 网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整, 调整新可行载流区的边界并获得 每个矩形网格中心的空间坐标及新可行载流区内的总矩形网格数 nl, 将该多 个矩形网格等效为位于矩形网格中心位置的电流环, 该电流环的电流等于该 运行电流, 电流环在考察点坐标 ( , Zj, « 处产生的磁场轴向 z分量为:

B = e^.I

其中

μο 4π 10 7T · m/A, ( 2 )

( 5 )

因子 ei为 -1、 0或 1, 当 ei=0时该集中分布区域对磁场无贡献; 当 ei=l 该集中分布区域对磁场贡献为正, 对应超导磁体的正向线圈,当 ei=_l时该 中分布区域对磁场贡献为负,对应超导磁体的反向线圈;

则各考察点的磁场 z向分量为:

n\

=∑e' ( 6 ) 每个该集中分布区域所含超导线材的长度由下式计算:

4 = .|^. (7)

磁体用线总量则表示为:

其中, 11为该新可行载流区的总网格数, I等于该运行电流。

7. 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 取得超导磁体线圈的最终截 面参数后还包括, 判断最终设计的参数是否能够工程实现及满足超导线材的 特性, 若满足则设计完成, 若不满足则返回确定超导线材、 运行电流以及可 行载流区的步骤, 并调整超导线材、 运行电流以及可行载流区。

8. 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 该截面参数包括: 输出线圈 的结构图、 磁场在均匀区内的磁场分布和等位线、 磁体载流区的最大磁场以 及 5高斯线的范围。

9. 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 如果得不到满足设计要求的 导线集中分布或导线集中分布区域不易进行下一步的矩形化, 则返回确定超 导线材、 运行电流以及可行载流区的步骤, 并调整超导线材、 运行电流以及 可行载流区。

10. 如权利要求 1所述的方法, 其特征在于, 构造磁共振成像超导磁体 的方法适用于内层分布有反向电流线圈的短腔 MRI超导磁体设计以及非对称 螺线管线圈系统以及开放式双平面线圈系统的 MRI超导磁体设计。

Description:
用于构造磁共振成像超导磁体的方法 技术领域

本发明属于应用超导技术领域, 尤其涉及构造磁共振成像 (Magnetic

Resonance Imaging, 简称 MRI ) 超导磁体的方法。 背景技术

磁共振成像 (MRI ) 是利用生物体的磁性核 (主要是氢核) 在磁场中 所表现出的核磁共振特性来进行成像的高新技 术。 磁共振成像 (MRI ) 设 备主要由主磁体、 扫描床、 梯度线圈、 射频线圈、 谱仪系统、 控制柜、 人 机对话的操作台、 计算机和图像处理器等构成。

主磁体是 MRI 设备的主要构成部分, 用于产生均匀静磁场, 决定着 MRI设备的图像质量和工作效率。 同时, 主磁体也是 MRI设备中制造成本 最大, 运行费用最高的部分。 MRI对磁场的强度、 均匀度和稳定度有严格 要求, 这三项是主磁体最重要的指标。 相对永磁体来说, 超导磁体可以产 生强度、均匀度和稳定度都更高的磁场,所以 被用来获取更加清晰的图像。

由于分布于超导磁体系统之外的漏磁场会对周 围环境带来不利的影 响, 如 10高斯数量级的磁场就有可能导致一些电子设 不能正常工作, 并使带心脏起搏器的病人有生命危险, 100高斯数量级的磁场就可能会使 计算机系统工作异常, 因此考虑到某些场所对漏磁场的限制, 需要限制超 导磁体的杂散场范围。

MRI主磁体的磁场屏蔽方式包括被动屏蔽和主动 屏蔽两类。采取被动 屏蔽方式时, 需要在磁体周围安置铁磁材料来屏蔽漏磁场, 结构简单, 但 体积和重量都很大,且对磁场的均匀性也会产 生影响。 目前一般采用主动 屏蔽方式,即通过在主线圈的外部增加通反向 电流的屏蔽线圈来降低磁体 外部的杂散场,从而缩小磁体的杂散场范围。 同时由于传统 MRI系统的长 度较长,大量临床实验表明患者在狭长的空间 中普遍表现出紧张、不安等 幽闭症现象,因此近年来,短腔、自屏蔽 MRI系统设计成为一种新的趋势。

高均匀度磁共振成像磁体的电磁设计指标主要 有:

( 1 ) 成像区域 (Diameter Sensitive Volume, 简称 DSV), 一般定 义为直径为 D的球形区域。

( 2 ) 中心场 B。, 指成像区域中心点处的磁感应强度值。

( 3 ) 磁场均匀度 n (峰峰值), 计算公式为:

η = 腿 _ min x l O 6 (ppm)

Bo

其中, Bmax和 Bmi n分别为 DSV中磁感应强度的最大值和最小值。

( 4 ) 杂散场范围, 一般指磁体通以工作电流时所产生磁场的 5Gs等 位线包围的区域。

磁共振成像 (MRI ) 超导磁体的优化设计是磁体制作的基础, 并且对 整个 MRI设备的成像质量及生产成本控制起到非常重 要的作用。

以往的构造 MRI超导磁体的方法一般可以归结为两大类,一 类是直接 寻优法,这类方法既可以在不给定磁体线圈结 构初始值的情况下,对整个 可行空间进行全局择优,也可以预先选定超导 磁体的工作电流和基本线圈 结构, 以磁体的结构参数为自变量,成像区域内磁场 均匀度、杂散场范围、 超导磁体空间体积、磁体能量等为约束条件或 目标函数,使用非线性优化 算法如模拟退火算法或遗传算法对超导磁体的 结构参数进行局部选优,得 到最终的磁体结构。但由于 MRI超导磁体设计是一个多参数、多目标的结 构优化问题, 使得该类方法计算量大, 效率较低, 尤其变量较多时更为明 显, 如果约束条件的选择及给定的初值不合理时, 将很难得到最优解。

另一类为函数方法是线性规划算法的引入。先 将磁体结构简化,在超 导磁体的可行载流区内划分规则的矩形网格, 把 MRI超导磁体设计问题等 效成一线性规划模型进行求解,得到该超导磁 体的初始电流密度分布, 再 根据初始电流密度分布确定磁体线圈的基本结 构和位置参数,然后利用第 一类非线性寻优算法,得到最终的矩形化磁体 线圈结构.但由初始电流密 度分布来确定磁体基本结构的方法,在磁体线 圈个数和截面形状的选择上 仍然具有一定的主观盲目性, 也不易寻到全局最优结果。

而且在上述两种方法的最后阶段, 实际绕制磁体时, 需要考虑超导线材 截面尺寸, 将线圈尺寸进行离散化处理, 并对位置和半径进行取整, 在取整 和离散后,磁体的均匀性等指标通常会有明显 下降,使设计结果偏离最优解。 发明内容 本本发发明明的的目目的的在在于于提提供供 一一种种用用于于构构造造磁磁共共振振成成 像像超超导导磁磁体体的的方方法法,, 用用于于 解解决决现现有有的的磁磁共共振振成成像像 超超导导磁磁体体的的方方法法,, 实实际际绕绕制制磁磁体体时时,, 需需要要考考虑虑超超导导线线 材材截截面面尺尺寸寸,, 将将线线圈圈尺尺寸寸进进行行离离散散化化 处处理理,, 并并对对位位置置和和半半径径进进行行取取 整整,, 在在取取 整整和和离离散散后后,, 磁磁体体的的均均匀匀性性等等指指标标通通 常常会会有有明明显显下下降降,, 使使设设计计结结果果偏偏离离最最优优

55 解解的的问问题题。。

本本发发明明的的用用于于构构造造磁磁共共 振振成成像像超超导导磁磁体体的的方方法法 ,, 包包括括:: 确确定定超超导导线线材材、、 运运行行电电流流以以及及可可行行载载流流 区区;; 以以磁磁体体的的中中心心为为原原点点,, 建建立立一一圆圆柱柱坐坐标标系系 ((rr,, zz,, aa )) ,, 其其中中 rr为为径径向向距距离离,, zz轴轴为为高高,, 《《为为方方位位角角度度,, 磁磁体体轴轴向向为为 zz轴轴方方向向;; 将将该该可可行行载载流流区区划划分分为为 多多个个网网格格,, 对对可可行行载载流流区区内内网网格格的的 径径向向层层数数及及轴轴向向匝匝 1100 数数分分别别进进行行取取整整,, 得得到到多多个个矩矩形形网网格格,, 调调整整可可行行载载流流区区的的边边界界 并并获获取取可可行行载载 流流区区的的矩矩形形网网格格数数 nn,, 获获得得每每个个该该矩矩形形网网格格中中 心心的的空空间间坐坐标标为为 (( ,, ZZii ,, aa dd ;; 以以用用线线量量最最少少为为优优化化目目 标标,, 中中心心场场强强度度、、 磁磁场场均均匀匀度度及及杂杂散散场场为为 约约束束条条件件,, 利利用用整整数数线线性性规规划划算算法法 对对可可行行载载流流区区进进行行规规划划 ,, 得得到到磁磁体体初初始始的的导导线线的的 各各集集 中中分分布布区区域域;;

1155 根根据据该该各各集集中中分分布布区区域域 对对磁磁场场均均匀匀度度的的影影响响程程 度度,, 按按照照对对磁磁场场均均匀匀度度的的 影影响响程程度度从从大大到到小小,, 以以用用线线量量最最少少为为优优化化目目 标标,, 中中心心场场强强度度、、 磁磁场场均均匀匀度度及及 杂杂散散场场为为约约束束条条件件,,利利 用用整整数数线线性性规规划划算算法法对对 该该各各集集中中分分布布区区域域进进行行 矩矩形形化化;; 以以及及取取得得超超导导磁磁体体线线圈圈 的的参参数数。。

本本发发明明对对磁磁体体进进行行优优化化 设设计计时时,,以以用用线线量量最最少少 为为优优化化目目标标可可以以使使内内层层

2200 磁磁体体线线圈圈自自动动向向内内部部压压 缩缩,,以以杂杂散散场场为为约约束束条条 件件可可以以使使外外层层线线圈圈自自动动 向向外外 部部压压缩缩,,经经过过整整数数线线性性 规规划划得得到到的的载载流流矩矩形形网网 格格能能够够形形成成较较为为紧紧密密的的 导导线线 集集中中分分布布区区域域,, 能能够够得得到到满满足足设设计计要要求求 的的全全局局最最优优解解,, 设设计计结结果果为为整整数数层层 和和匝匝,, 有有效效地地避避免免了了通通常常方方法法 中中的的取取整整误误差差。。

2255 附附图图说说明明

图图 11 所所示示为为本本发发明明磁磁共共振振成成 像像构构造造超超导导磁磁体体的的方方法法 一一实实施施例例的的示示意意 图图;;

图图 22为为可可行行载载流流区区示示意意图图;

图图 33所所示示为为初初始始导导线线集集中中区 域域分分布布图图;;

图 5是成像区磁场的均匀度分布;

图 6所示为磁体杂散场的 5Gs等位线图。 具体实施方式

图 1所示为本发明磁共振成像构造超导磁体的方 一实施例的示意 图, 如图 1所示:

步骤 1, 估计磁体线圈的可行载流区的最大范围, 包括可行载流区的 最小内半径以及最大外半径,根据磁场设计要 求、空间约束以及可行载流 区的最大磁感应强度, 确定超导线材并确定运行电流 lop;

步骤 2, 以磁体的中心为原点, 建立一圆柱坐标系 (r, z, 《) , 其中 r 为径向距离, z轴为高, 《为方位角度, 磁体轴向为 z轴方向; 根据所选超导 线材的尺寸, 把可行载流区划分为多个网格, 使每个网格的几何尺寸等于所 选超导线材的截面的尺寸, 对可行载流区内网格的径向层数及轴向匝数分 别 进行取整, 形成多个矩形网格, 并相应调整每个可行载流区的边界, 并得到 该磁体线圈的可行载流区的的矩形网格数 n及每个该矩形网格中心的空间坐 标为 (ri, Z i, d。

步骤 3, 以用线量最少为优化目标, 中心场强度、 磁场均匀度及杂散场 为约束条件, 利用整数线性规划算法对可行载流区进行规划 , 得到磁体初始 的导线的各集中分布区域, 如果得不到满足设计要求的导线集中分布或导 线 集中分布区域不易进行下一步的矩形化, 则返回步骤 1 ;

其中步骤 3具体可以为:

计算每个矩形网格通以运行电流 lop时对各考察点的磁场轴向分量的贡 献, 及每个矩形网格所含超导线材的长度:

在运行电流 lop 下的矩形网格可以等效为位于矩形网格中心位 置的电 流环, 其电流为 I=Iop, 即将矩形网格中有截面大小的电流等效成处于 矩形 网格中心处的单一导线, 且该导线的截面积为零, 通的电流为运行电流 Iop。 则电流环在考察点坐标 ( rj , Zj )处产生的磁场 z向分量为: 其中,

斯拉 *米/安培)

引入因子 e i=- l , 0, 1, 得到 B zi = e^l, 该式表示当 e i =0时该矩形网 格为虚, 即对磁场无贡献; 当 e i = l或 - 1时该矩形网格为实, 对磁场贡献 为正或负, 分别对应超导磁体的正向线圈和反向

则各 的磁场为:

每个矩形网格所含超导; ;材的长度可由下式计;

L = 2k¼ n为可行载流区的矩形网格数, I等于运行电流 Iop。

其中, 本发明中,磁体线圈可行载流区的最小内半径 受到预留室温孔 杜瓦结构和磁体骨架的限制, 设计时需要预留一定的量; 磁体线圈的 最大外半径和磁体的轴向长度受到磁体体积、 杜瓦重量、用户体验等问题 的限制, 它们也会影响到磁体的磁场质量, 从而影响到最终优化结果的合 理性、 实用性及经济性, 所以对这两个变量要进行合理限制;

使用本方法对磁体进行优化设计时, 以用线量最少为优化目标可以 使内层磁体线圈自动向内部压缩,以杂散场为 约束条件可以使外层线圈自 动向外部压缩,经过整数线性规划得到的载流 矩形网格能够形成较为紧密 的导线集中分布区域, 以便对磁体进行下一步的优化。

步骤 5, 根据该各集中分布区域对磁场均匀度的影响程 度, 按照对磁 场均匀度的影响程度从大到小, 以用线量最少为优化目标, 中心场强度、 磁场均匀度及杂散场为约束条件,利用整数线 性规划算法对该各集中分布 区域进行矩形化, 以得到用线量最小磁体结构;

其中,矩形化即为利用整数线性规划算法对该 各集中分布区域进行规 划。各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度 的判定方式可以为: 考察经 过 -1-0-1 整数线性规划得到的磁体初始导线集中分布区 域中, 各个分离 的各集中分布区域对磁场均匀度的影响程度, 找到影响程度最强的一个, 然后固定其他集中分布区域不变,对该集中分 布区域进行矩形化; 得到满 足条件的结果后, 再对下一个集中分布区域利用同样的方法进行 矩形化; 矩形化结束时,得到超导磁体线圈的最终截面 参数,完成磁体的优化设计; 更优的一种选择是, 综合考虑所得初始导线各集中分布区域, 各集中 分布区域的形状接近矩形的程度和其对磁场均 匀度的影响程度,按顺序对 每个集中分布区域进行矩形化, 以得到用线量最小磁体结构:

判断是否存在尚未进行矩形化的该磁体初始的 导线的各集中分布区 域, 如果完成, 则执行步骤取得超导磁体线圈的截面参数, 否则返回对该 各集中分布区域进行矩形化的步骤;

对该各集中分布区域进行矩形化的步骤的实现 算法为:

将在该运行电流下的该各集中分布区域再次进 行矩形网格划分,根据 该各集中分布区域确定该可行载流区内的新可 行载流区,并对新可行载流 区内网格的径向层数及轴向匝数分别进行取整 ,调整新可行载流区的边界 并获得每个矩形网格中心的空间坐标及新可行 载流区内的总矩形网格数 nl, 将该多个矩形网格等效为位于矩形网格中心位 置的电流环, 该电流 环的电流等于该运行电流, 电流环在考察点坐标(rj, Z j , « 处产生的磁 场轴向 z分量为:

B-. =

其中,

X 10" 7 T 2

因子 ei为 -1、 0或 1, 当 e i =0时该集中分布区域对磁场无贡献; ei=l 时该集中分布区域对磁场贡献为正, 对应超导磁体的正向线圈, ei =-i时该集中分布区域对磁场贡献为负,对 应超导磁体的反向线圈; 则各考察点的磁场 z向分量为: 每个该集中分布区域所含超导线材的长度由下 式计;

L; = 2k¼

( 7 )

磁体用 :则表示为 其中, nl为新可行载流区的总网格数, I等于该运行电流。

步骤 6, 判断最终设计的参数是否能够工程实现及满足 超导线材的

JC (B)特性, 若满足则优化终止, 若不满足则返回步骤 1。

步骤 7, 输出参数并计算相关参量, 包括: 输出线圈的结构图、 磁场 在均匀区内的磁场分布和等位线、磁体载流区 的最大磁场以及 5高斯线的 范围。

下面结合附图 1以及前述的构造磁共振成像超导磁体的方法 来进一 步说明本发明的原理和具体的实施方式。

如图 1所示, 其基本步骤可以如下:

步骤 1.根据磁场设计要求和空间约束, 设定短腔自屏蔽超导磁体线 圈的可行载流区, 选择合适的超导线材并确定运行电流 Iop。

图 2为可行载流区示意图。 磁体关于 Z轴对称, 并关于 Z=0平面对 称, 所以图 2所示部分为可行载流区的 1/4截面。磁体线圈的可行载流区 内半径 RfO m, 外半径 R 2 =0. 92m, 长度 L=0. 645m。 所用超导线材的截面 尺寸为 1. 80 X 1. 20mm 2 , 运行电流为 400A。

步骤 2.把可行载流区划分为多个矩形网格。

根据所选超导线材的尺寸, 把可行载流区划分为多个矩形网格, 使 矩形网格的几何尺寸等于所选超导线材尺寸, 对矩形网格取整并相应调整 可行载流区的边界, 得到磁体线圈可行载流区的矩形网格数 n, 然后确定 每个矩形网格中心的空间坐标。

步骤 3.计算每个矩形网格对磁场的贡献及所含超导 材长度。

把每个矩形网格等效为位于其中心位置的电流 环, 其运行电流为 I=Iop, 每个该矩形网格中心的空间坐标为( ri , Z i , 计算每个电流 环在各个磁场考察点( rj , Zj , « 产生的磁场 z向分量。

每个矩形网格所含超导线材长度则由下式算出 :

4. = 2

其中, 如果考虑象限关于 z=o平面对称, 则可以将每个矩形网格所含 超导线材长度则由下式算出:

4. = 4^.

步骤 4.使用 -1-0-1整数线性规划方法对磁体的导线集中分布 进行优 化计算。

以最少用线量为优化目标, 中心场、成像区磁场均匀度以及杂散场范 围等为约束条件, 利用 -1-0-1 整数线性规划方法对磁体的导线集中分布 进行优化计算, 图 3所示为初始导线集中区域分布图, 其中, 黑色框 1、 2、 3和 4体代表电流为正向线圈, 即因子 ei , e 2 , e 3 和 e 4 为 1, 白色框体 5、 6和 7代表电流为反向线圈,因子 e 5 、 e 6 和 e 7 为- 1。

步骤 5.对导线集中区域进行矩形化, 得到磁体的最终优化结果。 图 4是矩形化后的磁体结构示意图, 其中, 黑色框 1、 2、 3和 4体代 表电流为正向线圈, 即因子 e 2 , e 3 和 e 4 为 1, 白色框体 5、 6和 7代表 电流为反向线圈,因子 e 5 、 e 6 和 e 7 为 -1。

磁体长度为 1. 29m,所用超导线材总长为 63. 6km,表 1为本实施案例 设计完成的线圈参数。

表 1 内 径 内恻边缘中 轴

半径 /m 向层数 心距 /m 向匝数

0. 5

18 0 16

030

0. 5

20 30 ffl 2 线 000

0. 5

32 0. 2972 41 ffl 3 线 000

0. 5

76 0. 5614 46 f fl 4 线 000

0. 5

6 O 0. 2171 12 ffl 5 线 010

0. 5 寸

o

24 0. 4375 37 f fl 6 线 000

0. 9

m 7 m 18 0. 4414 101

000 步骤 6, 判断最终设计的参数是否能够工程实现及满足 超导线材的 JC (B)特性, 若满足则优化终止, 若不满足则返回步骤 1 。

图 5 是成像区磁场的均匀度分布, 本实施例中所得的磁体中心场 B0=1. 5T, 磁体载流区的最大磁场 Bmax=6. 07T,成像区的磁场均匀度分布 如图 5所示, 单位为米 (m), 可以看出, 在直径为 50cm的球形区域内, 满足均匀度小于 lOppm的设计指标。如图 6所示为磁体杂散场的 5Gs等位 线图, 单位为米 (m), 5Gs 等位线距磁体中心的距离, 径向小于 3. 5m, 轴向小于 4m。

歩骤 7. 输出参数并计算相关参量, 包括: 输出线圈的结构图、 磁场 在均匀区内的磁场分布和等位线、磁体载流区 的最大磁场以及 5高斯线的 范围。

本发明用于构造磁共振成像超导磁体的方法通 过把磁体线圈的可行 载流区划分网格, 网格的几何尺寸为所选带材尺寸, 综合考虑用线量、 磁 感应强度、 磁场均匀度、 杂散场范围等指标, 利用 -1-0-1 整数线性规划 算法得到磁体线圈的初始导线集中区域分布, 再按一定顺序把磁体的初始 导线集中分布区域进行矩形化得到最终优化结 果。上述用于构造磁共振成 像超导磁体的方法不仅可以进行传统的 MRI超导磁体设计,也适用于内层 分布有反向电流线圈的短腔 MRI超导磁体设计、非对称螺线管线圈系统以 及开放式双平面线圈系统的 MRI超导磁体设计等, 另外, 根据具体的设计 坐标系的建立和对称关系可以灵活进行设置, 例如,对于上述的 MRI超导 磁体设计如果是非对称结构, 则坐标系不需关于 Z=0平面对称。本发明上 述实施例是以 -1-0-1 整数线性规划算法为例, 实际上还可以采用如 0-1 整数线性规划算法等, 由于实现原理与上述实施例类似, 本领域技术人员 可参考上述实施例实现, 故在此不做赘述。

综上所述, 本发明中对磁体进行优化设计时, 以用线量最少为优化目 标可以使内层磁体线圈自动向内部压缩,以杂 散场为约束条件可以使外层 线圈自动向外部压缩,经过整数线性规划得到 的载流矩形网格能够形成较 为紧密的导线集中分布区域, 能够得到满足设计要求的全局最优解, 设计 结果为整数层和匝, 有效地避免了通常方法中的取整误差。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明, 但应当理解, 所用的术语是 说明和示例性、 而非限制性的术语。 由于本发明能够以多种形式具体实施而 不脱离本发明的精神或实质, 所以应当理解, 上述实施例不限于任何前述的 细节, 而应在所附权利要求所限定的精神和范围内广 泛地解释, 因此落入权 利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应 为所附权利要求所涵盖。