[發明專利]一種柱面軸向梯度線圈設計中磁場與電感值的計算方法

有效

• 申請號: 201610036880.7
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105718729B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 李黎;平學偉;王紅杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種柱面軸向梯度線圈優化設計過程中磁場與電感值的快速計算方法，包括如下步驟：在優化算法開始之前，將線圈的軸向坐標在正半軸的分布區間分成N₁等份，計算每個坐標點處的麥克斯韋線圈對在各個磁場采樣點產生的磁場；計算單個圓環的自感，并用一個變量存儲；將線圈的整個軸向分布區間分成N₂等份，計算兩個圓環在每個采樣間隔的互感；將所有計算結果用變量存儲，并在迭代時根據各個離散點處的結果，將每個采樣點處的磁場以及電感值分別用插值函數表示。該方法與傳統方法相比，能夠最大限度的節省計算量，提高計算速度節省計算時間，使得高效的非線性優化梯度線圈算法成為可能。

技術領域

本發明涉及核磁共振技術領域，特別涉及一種軸向梯度線圈設計中磁場與電感值的快速計算方法。

背景技術

梯度線圈是與超導磁體、射頻線圈并列的核磁共振系統的關鍵部件之一。一個核磁共振系統中，包含三個梯度線圈，分別在三個正交方向提供隨空間坐標線性變化的磁場。其中兩個提供橫向梯度磁場的梯度線圈稱作橫向線圈，提供縱向梯度場的梯度線圈稱為縱向線圈。對于圓柱式梯度線圈，縱向線圈也稱為軸向線圈。

目前設計梯度線圈存在多種方法。一種方法是采用模擬退火、遺傳算法等非線性算法設計。這種算法的優點是能優化非線性問題，因而在梯度線圈設計時，被優化的函數的選擇范圍更廣泛，并且優化的梯度線圈的性能更接近真實的梯度線圈性能。特別是在軸向梯度線圈設計時，這種方法更具有優勢。由于軸向線圈全部由圓環構成，可以將圓環的位置直接作為優化變量來進行優化。但是非線性優化算法存在一個普遍的問題，就是需要非常多的迭代步數。例如模擬退火算法，通常需要迭代數十萬甚至上百萬次才能優化出最優的結果。對于梯度線圈優化問題來說，主要優化的參量為成像空間的磁場以及電感值。這兩個參量的計算直接影響了優化時間以及計算精度。由于這兩個量的計算都涉及一些復雜的函數，計算時間較長，從而導致非線性優化需要很長的時間。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種優化過程中能夠快速計算成像區域內的磁場以及線圈電感值的計算方法。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用如下步驟：

步驟一：以梯度線圈的柱面中心為原點，軸線方向為z軸建立坐標系，確定M個磁場采樣點的坐標，假定梯度線圈的最大軸向長度為2Z；

步驟二：將軸向區間[0，Z]等間隔分為N₁等份，每段的長度為Δz＝Z/N₁，其中Δz≤1cm，分別計算坐標點為z_i＝±i·Δz，i＝1,2...N₁的麥克斯韋線圈在軸線以外和軸線上采樣點產生的磁場，并將結果存儲在維數為M×N₁的數組中，其中每個麥克斯韋線圈對應兩個圓環，兩個圓環的軸向坐標分別為±z₁，圓環半徑為a，電流方向相反；

步驟三：計算單個圓環的自感L_s，并用一個變量存儲；

步驟四：將軸向區間[0,2Z]等間隔分為N₂等份，每段的長度為Δd＝2Z/N₂，其中Δd≤1cm，計算軸向間隔為d_i＝i·Δd，i＝1,2...N₂的兩個線圈的互感，并將結果存儲在一個維數為N₂的數組中；

步驟五：在優化迭代過程中，將步驟二里的坐標點與步驟四里的圓環間隔距離作為插值點，位于其他位置的麥克斯韋線圈軸向坐標絕對值|z|為[0,Z]內任意值時各個采樣點的磁場以及兩個圓環間隔d為[0,2Z]內任意值的互感的兩個圓環產生的互感用插值函數表示。采用該步驟能夠明顯提高計算速度，可以將速度在原先的基礎上提高近十倍。

其中步驟二中，軸線以外的采樣點處的軸向磁場B_z采用以下公式求得：