[發(fā)明專利]MRI系統(tǒng)梯度線圈的有限差分設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010569704.2
• 申請日: 2010-11-29
• 公開（公告）號: CN101996273A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 夏靈;朱敏華;劉鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 陳昱彤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磁共振成像(簡稱MRI)系統(tǒng)中梯度線圈的有限差分設(shè)計方法。

背景技術(shù)

在磁共振成像領(lǐng)域中，關(guān)于梯度線圈，為得到均勻的梯度磁場，已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作。主要有兩種設(shè)計方法。一種是基于離散導(dǎo)線空間的方法，比如模擬退火法(S.Crozier?and?D.M.Doddrell，″Gradient-coil?design?by?simulatedannealing，″J.Magn.Reson.A，vol.103，pp.354-357，1993.)；另一種是基于連續(xù)電流密度空間的設(shè)計方法，比如目標(biāo)場法(R.Turner，″A?target?field?approach?tooptimal?coil?design，″Journal?of?Physics??D：Applied?Physics，vol.19，pp.L147-L151，1986.)；以上兩種方法各有優(yōu)缺點。

基于離散導(dǎo)線空間的方法，先在線圈空間假定載流元素(環(huán)形或弧形)，然后利用隨機(jī)優(yōu)化方法來調(diào)整載流元素的位置以達(dá)到設(shè)計要求。如模擬退火法，Crozier等將圓映射到變形空間，形成雞蛋形曲線，用來代表載流導(dǎo)線，然后用模擬退火法來調(diào)整導(dǎo)線的位置，電流，回路形狀等。這種方法比較直接和容易實施，但是優(yōu)化過程比較耗時。

基于連續(xù)電流密度空間的設(shè)計方法，是一種比較有效的設(shè)計方法，需要利用一個離散化過程來近似電流密度分布。對于規(guī)則形狀的線圈結(jié)構(gòu)，用解析式或者級數(shù)展開來表達(dá)線圈平面上的電流密度，如目標(biāo)場法，用傅立葉解析式表示線圈平面上的電流密度，然后根據(jù)希望的目標(biāo)場分布用傅立葉變換求解電流密度，利用FFT可以很迅速方便地實現(xiàn)這一過程；對于非規(guī)則線圈結(jié)構(gòu)，對線圈空間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后利用有限元或者邊界元法(M.Poole?and?R.Bowtell，″Novel?Gradient?Coils?Designed?Using?a?Boundary?Element?Method，″Concepts?inMagnetic?Resonance?Part?B(Magnetic?Resonance?Engineering)，vol.31，pp.162-175，2007.)來近似電流密度分布。最后利用流函數(shù)方法將電流密度映射到導(dǎo)線分布。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種MRI系統(tǒng)梯度線圈的有限差分設(shè)計方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：其MRI系統(tǒng)梯度線圈的有限差分設(shè)計方法包括以下各步驟：

(1)對MRI系統(tǒng)梯度線圈的線圈空間進(jìn)行有限差分網(wǎng)格劃分；

(2)對步驟(1)劃分得到的各網(wǎng)格建立節(jié)點流函數(shù)和網(wǎng)格電流密度之間的有限差分關(guān)系；

(3)在MRI系統(tǒng)梯度線圈的磁場相關(guān)區(qū)域上選定約束場點并設(shè)定約束場點上的目標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度值，根據(jù)所述各約束場點的坐標(biāo)、目標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度值和步驟(2)所建立的節(jié)點流函數(shù)和網(wǎng)格電流密度之間的有限差分關(guān)系，利用畢奧-薩伐定理建立關(guān)于各約束場點的目標(biāo)磁感應(yīng)強(qiáng)度與所有節(jié)點流函數(shù)之間的線性方程組；

(4)根據(jù)實際工程對MRI系統(tǒng)梯度線圈的相應(yīng)要求建立關(guān)于所有節(jié)點流函數(shù)的工程約束罰函數(shù)，使用正則化方法求解步驟(3)所述的線性方程組，得到各節(jié)點流函數(shù)值；

(5)根據(jù)實際工程對MRI系統(tǒng)梯度線圈的電流大小要求，對步驟(4)得到的所有節(jié)點流函數(shù)值劃分等流函數(shù)線，得到MRI系統(tǒng)梯度線圈的的電流分布樣式。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述MRI系統(tǒng)梯度線圈包括主線圈和屏蔽線圈，步驟(1)所述線圈空間包括主線圈和屏蔽線圈空間，步驟(3)所述相關(guān)區(qū)域包括MRI系統(tǒng)的感興趣成像區(qū)域和屏蔽區(qū)域。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：可對任意表面進(jìn)行有限差分網(wǎng)格的劃分，適用于任意結(jié)構(gòu)的梯度線圈系統(tǒng)，對于發(fā)展非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的線圈系統(tǒng)有很大的優(yōu)勢；對于工程實際的線圈要求，比如電感最小化、功率最小化、線圈間距的最大化等，都可通過建立相應(yīng)的罰函數(shù)來實現(xiàn)；本發(fā)明使用Tikhonov正則化方法求解逆問題，適于病態(tài)線性方程組求解。本發(fā)明方法不需要進(jìn)行電流密度的解析式或級數(shù)展開，可以應(yīng)用于任意結(jié)構(gòu)的梯度線圈系統(tǒng)設(shè)計，同時也比應(yīng)用有限元或邊界元方法更為簡單易行；同時考慮到現(xiàn)在已發(fā)展了采用差分法進(jìn)行梯度線圈電磁生物效應(yīng)的研究，本發(fā)明方法中差分法的應(yīng)用使得線圈的設(shè)計可以融合到梯度線圈的電磁生物效應(yīng)研究中去，可以更進(jìn)一步地考察梯度線圈的安全性等問題。

附圖說明

圖1是雙平面型X梯度線圈的配置結(jié)構(gòu)及感興趣區(qū)。

圖2是雙平面型X梯度主線圈空間的網(wǎng)格劃分。