[發明專利]基于分段函數軌跡優化的梯度及勻場線圈設計方法

在審

• 申請號: 202111589137.1
• 申請日: 2021-12-23
• 公開（公告）號: CN114282365A
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 徐征;宣亮;吳嘉敏;賀玉成;何為;廖英翔
• 申請（專利權）人: 深圳航天科技創新研究院;徐征;吳嘉敏;賀玉成;何為;廖英翔
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F111/10;G06F119/02
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 李弱萱

本發明涉及基于分段函數軌跡優化的梯度及勻場線圈設計方法，屬于磁共振領域。該方法包括：a、根據梯度線圈或勻場線圈的具體類型，在布線區域中選取對應特征區域及線圈軌跡幾何類型；b、在特征區域內確定對應每匝導線路徑中的特征點，其將通過分段函數構建線圈的最終整體結構；c、根據線圈的優化需求，確定優化目標和限制條件；d、基于畢奧—薩伐爾定律建立線圈結構與磁場的對應關系，建立數值優化問題進行數值優化，獲取滿足步驟c需求下的最優解參數集。該方法計算簡單直接，高度程序化，人工調整需求低，容易實現很好的梯度磁場線性度及勻場線圈相應性能，并便于施加額外約束。

技術領域

本發明屬于磁共振領域，涉及基于分段函數軌跡優化的梯度及勻場線圈設計方法。

背景技術

磁共振成像(MRI)是一種廣泛用于醫學臨床診斷和醫學研究的影像技術。磁共振成像系統工作時，將人體置于一個均勻靜磁場中，通過向人體發射射頻脈沖使人體組織部分區域的原子核受到激發。射頻場撤除后，這些被激發的原子核輻射出射頻信號，由天線接收。由于在這一過程中加入了梯度磁場，因此通過射頻信號可以獲得人體的空間分布信息，從而重建出人體的二維或三維圖像。

梯度和勻場線圈均是磁共振成像系統的重要部件，其相關研究一直以來廣受關注。梯度線圈通過在x、y、z三個方向產生線性變化的梯度磁場，用于層面選取、相位編碼和頻率編碼，從而為圖像重建提供定位依據。因此，為提高圖像的質量，梯度線圈需要產生線性度良好的梯度場。MRI設備在成像區需要有一個非常均勻的磁場，這個均勻磁場的區域為球形，將待成像部位置于該球形區域后，通過掃描可以捕獲被成像部位的圖像。但是通常磁體在安裝后產生的機械誤差等使得磁場并不能達到均勻度要求，因此通過安裝一組勻場線圈進行有源勻場，根據計算出的各諧波分量進行抵消，從而進一步提高目標區域磁場均勻度。

如今梯度和勻場線圈的優化設計方法通常采用基于電磁場逆問題的流函數法。但是這種方法計算出來的線圈結構通常較復雜，如一系列分隔開的封閉曲線，需要進一步手動地改線連接才能使用，使設計流程復雜，并為實際制造帶來困難。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供基于分段函數軌跡優化的梯度及勻場線圈設計方法，根據梯度和勻場線圈長期設計經驗，將繞線軌跡幾何化，提取特征參數進行優化，從而避免了額外的工程誤差，同時縮短了設計流程。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

基于分段函數軌跡優化的梯度及勻場線圈設計方法，該方法包括如下步驟：

S1：根據梯度線圈或勻場線圈的具體類型，在布線區域中選取對應的特征區域，以及線圈軌跡幾何類型；

S2：在特征區域內確定對應每匝導線路徑中的特征點，包括圓弧與拋物線或圓弧與對稱直線的交點Pn、拋物線與對稱軸交點Qn、對稱直線與對稱軸交點Qn，以及圓弧外徑Rn，將通過分段函數構建線圈的最終整體結構；

S3：根據線圈的優化需求，確定優化目標和限制條件，包括磁場線性度、磁場相對目標場偏差度、梯度效率、最小線間距、指定區域雜散磁場和電阻；

S4：基于畢奧-薩伐爾定律建立線圈結構與磁場的對應關系，并根據S3建立數值優化問題，采用內點法等算法進行數值優化，獲取滿足S3需求下的最優解，即最優特征點參數集。

可選的，所述S1中，對于Z梯度線圈和Z²-(X²+Y²)/2勻場線圈，特征區域選取整個圓形布線域，線圈幾何類型為漸開線；

對于X梯度線圈、Y梯度線圈、XZ勻場線圈和YZ勻場線圈，特征區域選取二分之一圓形布線域，線圈幾何類型為圓弧、變半徑弧、拋物線的組合；

對于X²-Y²勻場線圈和2XY勻場線圈，特征區域選取四分之一圓形布線域，線圈幾何類型為圓弧、變半徑弧和對稱直線的組合。