專利名稱：一種磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于磁共振成像的超導磁體系統(tǒng)的設計方法。
背景技術：
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)是根據生物體磁性核(氫核)在磁場中的表現特性成像的高新技術，其具有無電磁輻射、圖像對比度高以及可以任意方向斷層成像等優(yōu)點，使得其躋身于醫(yī)學影像設備之首。
1946年斯坦福大學的弗萊利克斯 布洛赫(Flelix Bloch)和哈佛大學的愛德華 拍塞爾(Edward Purcell)各自獨立發(fā)現了核磁共振現象。在恒定磁場中的具有自旋的原子核受射頻幅射照射，當射頻頻率等于原子核在恒定磁場中的進動頻率時產生的共振吸收現象。美國人雷蒙 達曼迪安(Raymond Damadian)于1972年3月17日提出了專利申請，并在1974年2月5日獲得了美國第3789832號專利，將核磁共振用于醫(yī)學臨床檢測，發(fā)明了磁共振成像技術。它利用核磁共振激發(fā)所選擇的人體組織原子核處于高能狀態(tài)，當 高頻電磁場去除后，其返回平衡狀態(tài)時就會產生射頻脈沖信號，用探測器檢測這些信號，并將其輸入計算機，經過處理轉換，在屏幕上顯示重建圖像。他的巨大貢獻為今天磁共振成像的迅速發(fā)展奠定了基礎。MRI系統(tǒng)核心部件主要由磁體系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)以及圖像顯示系統(tǒng)組成，其中磁體系統(tǒng)是磁共振成像系統(tǒng)最重要、造價最高的部件。磁體系統(tǒng)的作用是在一個成像區(qū)域(通常是球形)產生一個高場強、高均勻度以及高穩(wěn)定性的空間磁場分布，使得處于磁場中人體內部的氫原子核被磁化，再通過射頻線圈產生射頻信號，使得氫原子發(fā)生共振吸引，再停止射頻激發(fā)，使得氫原子所被吸收的能量釋放出來以被信號接收器件捕捉，最后通過圖像處理后顯示的成像過程，所成圖像分辨率和磁場強度成正比關系。MRI技術經過30多年發(fā)展，超導磁體系統(tǒng)的設計技術有了較大的發(fā)展，由早期的“被動屏蔽、磁場低、均勻度差和磁體系統(tǒng)長度過長”發(fā)展到現今的“主動屏蔽、磁場高、均勻度高且磁體系統(tǒng)長度較短”，這得益于超導技術和低溫技術的迅猛發(fā)展。MRI超導磁體系統(tǒng)設計的發(fā)展趨勢朝著短腔、高磁場、自屏蔽的方向發(fā)展。MRI磁體設計人員一直追求通過長度較短的磁體系統(tǒng)在一個較大的球形成像區(qū)域(Diameter of Spherical Volume, DSV)產生高場強和高均勻度的磁場分布。峰峰值磁場均勻度(peak-to-peak homogeneity, Hpp) 一般表征為高均勻度磁體系統(tǒng)的性能,定義為DSV內最高和最低磁場值的差值與平均值的比值，即Hpp=(Bmax-Bmin)/mean (B) XlO6，單位為ppm (parts per million, ppm)。對于磁共振成像系統(tǒng)來說,一般DSV要求在直徑為4(T50cm的成像球形區(qū)域產生磁場峰峰值不均勻度優(yōu)于IOppm的高均勻度磁場分布。早期的MRI系統(tǒng)，其磁體系統(tǒng)達兩米多長，病人在做磁共振檢測普遍表現出緊張和擔心，臨床上把這種現象稱之為幽閉癥。為了降低幽閉癥這種現象，MRI磁體系統(tǒng)設計一直朝著如何使得磁體系統(tǒng)長度降低且不降低成像區(qū)域大小和磁場均勻度的方向發(fā)展，如1989年一臺I. 5T MRI系統(tǒng)，長度高達2. 4m,重量為13t ;而2009年，同樣是I. 5T系統(tǒng)，長度銳減至I. 37m,重量為3.2t。然而磁體系統(tǒng)過短，會帶來其他一些問題，如均勻度難實現、電磁應力較大以及由線圈結構緊湊所帶來的建造困難等問題，因此MRI磁體系統(tǒng)設計是對多個參數均衡考慮的過程。MRI超導磁體系統(tǒng)的設計參數主要包括①欲布置線圈的空間尺寸；②成像區(qū)域大小、形狀、中心磁場強度和磁場峰峰值不均勻度；③屏蔽技術和5高斯雜散場范圍；④線圈中最高磁場強度和電流安全裕度。這些參數成為決定MRI超導磁體性能優(yōu)劣的主要指標。①欲布置線圈的空間尺寸一般為具有矩形截面的空間螺線管形空間，空間尺寸主要由內徑rmin、外徑以及長度L限制?？臻g內徑決定了磁體系統(tǒng)的最小內徑，決定了最終磁體系統(tǒng)的室溫孔徑大小和和病人診斷過程中的舒適程度；外徑相應地決定了磁體系 統(tǒng)的外徑，磁體系統(tǒng)外徑的大小決定了整個系統(tǒng)造價和占地空間；而空間長度則決定了磁體系統(tǒng)的最終長度，是降低幽閉癥現象的決定因素。②成像區(qū)域大小、形狀、中心磁場強度和磁場峰峰值不均勻度成像區(qū)域一般為直徑40cnT50cm球形體，可滿足全身成像的需求；中心磁場強度決定了成像的分辨率，I. 5T和3T為目前市場的主流產品，磁場的峰峰值不均勻度一般要求優(yōu)于IOppm即可滿足成像需求。③屏蔽技術和5高斯雜散場范圍屏蔽技術一般分為被動屏蔽和主動屏蔽技術，磁場屏蔽是為了屏蔽MRI產生的磁場對周圍環(huán)境的影響，如磁化周圍鐵磁物質產生磁場耦合影響MRI磁場均勻度、對周圍電子產品的影響以及人體的心臟起搏器的干擾。被動屏蔽即在MRI周圍通過鐵磁物質構成磁場回路，將鐵磁物質外的磁場控制在一定的范圍內，這種技術使得MRI占地面積大、安裝不便且易受到溫度等環(huán)境因素影響的缺點，但磁體結構較為簡單且磁體造價大幅降低，早期產品很多采取這種方式屏蔽磁場；隨著磁體設計技術的不斷發(fā)展，可通過在磁體系統(tǒng)的外層添加一對或者多對反向電流線圈以達到屏蔽雜散場的作用，這種設計使得磁體系統(tǒng)占地面積大幅降低，但線圈結構較被動屏蔽磁體系統(tǒng)復雜。目前，市場上的商業(yè)產品大部分均米取主動屏蔽方式。雜散場一般制要求在一個橢球體外磁場強度小于5高斯。④線圈中最高磁場強度和電流安全裕度線圈在通電狀態(tài)下，在空間會產生磁場分布，而通電線圈在磁場中則會產生電磁力的作用，磁場越大線圈受到的電磁力越大，電磁力過大則會削弱超導線圈的性能，甚至破壞超導磁體，因此，為避免線圈所受電磁力過大，通常限制線圈中最高磁場小于8T ;線圈的工作點，包括線圈的運行電流(Iop)和線圈中最高磁場(Bmax)，結合所選用超導線的臨界特性，計算出該工作點對應的臨界點(Ic，Bc)，通過工作電流與臨界電流的比值計算出磁體系統(tǒng)的電流安全裕度，通常，電流安全裕度設置小于80%。磁共振成像系統(tǒng)中超導磁體設計的難點是在一個狹小空間設計出能夠產生高磁場和高均勻度的磁場分布。而磁體設計的參數是彼此矛盾的，磁體長度越短，成像區(qū)域均勻度越難實現且磁體結構越復雜。因此，對于磁體系統(tǒng)設計人員需要均衡利弊，選擇適合的設計參數，設計出滿足要求的磁共振成像超導磁體系統(tǒng)，磁體系統(tǒng)的設計本質上是電磁場問題的求解過程。電磁場問題的求解可以分為兩類，一類為電磁場的正問題即根據空間中的電流源分布計算出空間的電磁場分布情況；另一類為電磁場的逆問題是根據空間的所需的電磁場分布情況，求解出空間的電流源位置。早期，磁體設計人員利用電磁場正問題的求解方法，通過螺線管線圈所產生的磁場分布特征，在空間中拼湊多個線圈來提高磁體系統(tǒng)所產生的磁場均勻度，其工作量大且很難滿足要求。隨著計算機技術的計算能力迅速提高，設計人員不斷通過多種數值優(yōu)化算法用以求解電磁場逆問題，如蒙特卡羅、模擬退火算法、遺傳算法等，數值優(yōu)化算法可分為全局優(yōu)化算法和局部優(yōu)化算法。全局優(yōu)化算法在整個空間求解全局最優(yōu)解，但由于計算速度較慢，磁體設計人員難以及時有效地修改程序，使得磁體設計效率較低。局部優(yōu)化算法根據參數的初始值優(yōu)化計算出線圈各參數，然而初始值的選取對能否求解出全局最優(yōu)解起到決定作用。多年來，設計人員一直嘗試如何求解出合理的初始值并結合局部優(yōu)化算法來設計更加合理的磁體系統(tǒng)，使整個設計過程具有較高的計算效率且可實現全局最優(yōu)解。2001年，Huawei Zhao博士提出一種多層電流密度的設計方法,用以設計緊湊型磁共振成像磁體系統(tǒng)。他提出在欲布置線圈的空間劃分成多層結構，在每層上劃分出若干個源點，每個源點代表一個理想電流圓環(huán)，通過正則化數值方法求解出滿足磁體系統(tǒng)要求的所有源點位置處的電流分布曲線，并將電流分布曲線的峰值位置作為螺管線圈的初始位置，再結合非線性優(yōu)化算法，最終求解出滿足系統(tǒng)設計要求的磁體系統(tǒng)。該設計方法的優(yōu)點為通過分層的方法得到線圈位置的初始值，再通過局部優(yōu)化算法設計出滿足要求的磁體系統(tǒng)；然而，其弊端在于分層位置選擇的盲目性，線圈結構難以確保為全局最優(yōu)解；一個磁體設計方案需運行4 10小時。2009年，Quang M. Tieng博士提出一種基于磁體系統(tǒng)儲能最小的全局最優(yōu)設計方法。首先，在欲布置空間進行網格劃分，每個代表一螺管線圈，計算在滿足系統(tǒng)要求且磁體系統(tǒng)儲能最小情況下，所有網格中的電流分布圖；同樣在電流分布的峰值位置處，合理布置線圈初始位置，結合序列二次規(guī)劃算法求解出滿足系統(tǒng)要求的磁體系統(tǒng)。該設計方法的優(yōu)點為在整個欲布置線圈空間得到了全局最優(yōu)的初始值，線圈結構更加合理；然而，該方法的弊端在于通過儲能最小方法計算的電流分布圖中網格電流為連續(xù)變化曲面，難以界定每個螺管線圈的初始位置。

發(fā)明內容
為了克服現有磁共振超導磁體系統(tǒng)在電磁設計上效率較低且難以實現最優(yōu)化設計的缺點，本發(fā)明提出一種結合線性規(guī)劃算法和非線性優(yōu)化算法的混合設計方法，通過效率較高的線性規(guī)劃算法得到線圈的初始位置，再結合非線性優(yōu)化算法設計出線圈的最終參數。采用本發(fā)明設計的磁共振超導磁體系統(tǒng)具有效率高、線圈結構簡單緊湊以及造價低等優(yōu)點。根據用戶需求確定欲布置線圈的空間范圍，一般為具有矩形截面的螺線管型區(qū)域，矩形截面的尺寸由內徑、外徑以及長度決定，通過本發(fā)明方法，可在該區(qū)域內得到全局最優(yōu)的線圈結構和空間位置，包括內層線圈和外層屏蔽線圈。本發(fā)明方法的步驟如下首先，通過線性規(guī)劃算法設計出滿足線圈體積最小的網格點處的電流分布，形成電流分布圖。根據用戶需求，事先定義欲布置線圈的空間范圍，此空間范圍的截面形狀一般均為矩形。然后對該截面分別在徑向和軸向進行連續(xù)網格劃分，每個網格點處視為一個理想、電流圓環(huán)，電流圓環(huán)的電流值可為正值、負值或者零；同時將球形成像區(qū)域和5高斯橢球表面均勻劃分為若干個目標點，將每個空間截面劃分得到的網格點處的電流圓環(huán)的電流值設為優(yōu)化變量，約束球形成像區(qū)域表面上目標點處的磁場均勻度滿足設計要求，同時約束5高斯橢球面目標點處的磁場值小于或等于5高斯，通過線性規(guī)劃算法計算出滿足線圈體積最小的網格點處的電流分布，形成電流分布圖。該電流分布圖中大部分網格點處的電流值為零，只有少數電流值不為零，且聚集在一起形成非零電流簇，根據非零電流簇在空間的分布情況，將正向電流螺線管線圈布置于非零電流簇的正值位置，將反向電流螺線管線圈布置于非零電流簇的負值位置，符合實際磁體系統(tǒng)通過多個電流大小相同的分離螺線管線圈組成的要求，通過非零電流簇的位置和總電流大小可以構造出每個螺線管線圈的初始位置和尺寸。再對整個欲布置線圈的空間范圍進行二維網格劃分，每個二維網格點的電流均為優(yōu)化變量，保證了求解結果為全局最優(yōu)解，將求解結果作為第二步非線性優(yōu)化算法的初始值，從而彌補了局部優(yōu)化算法在初始值選取上的盲目性。其次，通過非線性優(yōu)化算法，在第一步得到的電流分布圖的基礎上合理布置螺線管線圈，給定電流密度，優(yōu)化其線圈尺寸，得到最終最優(yōu)線圈結構。 通過第一步線性規(guī)劃算法得到的非零電流簇分布情況，可知需構造成螺線管線圈的數目和初始位置，通過非線性優(yōu)化算法計算出滿足系統(tǒng)設計要求的最終線圈結構參數。優(yōu)化變量為螺線管線圈的參數(rinnOT(i), (i), Zleft (i), zHght (i), i=l, 2，. . .，N),其中 N為螺線管線圈數目，rinnOT為線圈的內半徑，Iwto為線圈的外半徑，Zlrft為線圈的一個端部軸向位置；％ight為線圈另一個端部軸向位置；目標函數為所有螺線管線圈的總體積；球形成像區(qū)域表面和5高斯雜散場處的目標點磁場約束條件和第一步線性規(guī)劃相同；同時對所有螺線管線圈中的最高磁場進行約束；根據計算出的螺線管線圈中最高磁場和所選用的超導線性能，對整個磁體系統(tǒng)的運行電流安全裕度進行約束，保證系統(tǒng)運行的安全性；對線圈間的軸向尺寸進行約束，使得線圈間距大于一定間隔，避免了線圈間的相互重疊，便于線圈的建造。本發(fā)明大大提高了傳統(tǒng)磁共振超導磁體的設計效率，整個設計僅需20分鐘左右，第一步需5分鐘左右，第二步需15分鐘左右。設計出的超導磁體系統(tǒng)所需的超導線用量最少，降低了整個系統(tǒng)的造價；同時線圈系統(tǒng)的結構簡單，易于建造和安裝，電流安全裕度約束為整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了保障。


圖I為本發(fā)明混合優(yōu)化設計方法流程圖；圖2為欲布置線圈的空間范圍以及球形成像區(qū)域和5高斯雜散場區(qū)域的示意圖，上半部分為線性規(guī)劃算法中的二維連續(xù)網格示意圖，下半部分為非線性優(yōu)化算法中離散螺線圈線圈示意圖；圖3為通過線性規(guī)劃算法得到的網格點處的電流分布圖，分布圖中含有多個正、負值交替的非零電流簇，正值表示為通以正向電流線圈，負值表示通以反向電流線圈，零則該處不需布置線圈；圖4為線性規(guī)劃算法得到的DSV表面上目標點處的磁場均勻度分布圖；圖5為線性規(guī)劃算法得到的橢球面雜散場分布圖，磁場值均小于5高斯；
圖6為線性規(guī)劃算法得到的電流分布圖中非零電流簇離散成螺線管線圈的初始位置和尺寸；圖7為非線性優(yōu)化算法優(yōu)化得到的最終線圈結構圖，其中黑色區(qū)域表示線圈通電方向為正向，而白色區(qū)域則表示通電方向為負向；
圖8為非線性優(yōu)化算法優(yōu)化得到的DSV表面磁場均勻度分布圖；圖9為非線性優(yōu)化算法得到的橢球面雜散場分布圖；圖10為磁體的電流運行安全裕度，其中線圈運行點對應的勵磁線與超導線的臨界曲線的交點為運行點對應的臨界點；圖11為磁體系統(tǒng)在空間中所產生的磁場分布；圖12為內層端部線圈中的磁場分布。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。以下是一個短腔、自屏蔽超導磁體系統(tǒng)的設計實施例磁體系統(tǒng)需在直徑為50cm球形成像區(qū)域產生中心磁場為I. 5T的磁場分布,其磁場峰峰值均勻度需優(yōu)于IOppm ；5高斯線雜散場約束在一個橢球形區(qū)域內，其長半軸長度為5m,短半軸為4m ;線圈內半徑不小于0. 40m、外半徑不大于0. 80m、長度短于I. 15m ;線圈中最高磁場小于8T,電流安全裕度需低于 80%。首先，由最小線圈內徑、最大線圈外徑以及線圈最大長度確定了欲布置線圈的空間范圍，即0. 40m<=r<=0. 80m, -0. 575m<=z<=0. 575m，其中r為欲布置線圈空間范圍的徑向位置范圍，z為欲布置線圈空間范圍的軸向位置范圍。在該矩形截面的欲布置線圈區(qū)域進行二維連續(xù)網格劃分，軸向和徑向分布均勻劃分80和40等份，共3200個網格，每個網格點代表一個理想電流圓環(huán)；由于磁體系統(tǒng)為軸對稱結構，因此僅需對球形成像區(qū)域表面和雜散場的橢球表面的1/4邊界線均勻劃分51等份作為目標點即可。如圖2所示，計算出每個理想電流圓環(huán)在球形成像區(qū)域目標點處加載單位電流時所產生的磁場貢獻矩陣Azd，同時計算出5高斯雜散場橢球表面目標點處的軸向磁場貢獻矩陣Azs和徑向磁場貢獻矩陣Are，矩陣大小均為51X3200 ;優(yōu)化變量為所有網格處的電流值I，I=LI1, I2,, I3200] ’ ；假設所有網格點處的電流密度相同，則理想電流圓環(huán)可通過具有一定橫截面的螺線管線圈來表示，建立線性規(guī)劃數學模型，目標函數設置為所有網格點處螺線管線圈的總體積；將球形成像區(qū)域表面的目標點處的軸向磁場的峰峰值均勻度設置為20ppm、5高斯線橢球面上的目標點的軸向磁場和徑向磁場值均設置低于5高斯；所用超導線截面積為4. 5312mm2，該超導線在9T背場下臨界電流為950A，設定線圈的運行電流密度為148MA/m2。欲布置線圈在空間中第i個網格處，其徑向位置為1^，該處代表的螺線管橫截面為Ai，則體積Vi為2 & XAi,假定電流密度相同，則線圈總體積為
40x8(jV = 2kJ V /； |/；|
t I因此，建立線性規(guī)劃數學模型如下所示
40x^0目標函數:P= 2,./ I /; |/, I
r~l
約束條件
權利要求
1.一種磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述方法結合線性規(guī)劃算法和非線性優(yōu)化算法在欲布置線圈的空間范圍內求解出超導線用線量最少的全局最優(yōu)的線圈結構；首先，在欲布置線圈的空間進行二維連續(xù)網格劃分，每個網格點視為一個理想電流圓環(huán)，將成像球形區(qū)域和5高斯雜散場橢球表面均勻劃分為若干個目標點，計算所有網格處的理想電流圓環(huán)在載有單位電流的情況下，在所有目標點處產生的磁場值；將成像區(qū)域的磁場均勻度以及5高斯雜散場的限制設置為約束條件，通過線性規(guī)劃算法計算出滿足約束條件且線圈總體積最小的網格點處的電流分布圖；其次，根據電流分布圖得到非零電流簇的數目和空間位置，將每個非零電流簇離散成螺線管線圈，并將其初始位置作為非線性優(yōu)化算法的初始值，優(yōu)化變量為每個螺線管線圈的內、外半徑以及兩個端部的軸向位置，將球形成像區(qū)域的磁場均勻度、5高斯雜散場的限制范圍、線圈中最高磁場強度以及線圈運行的電流安全裕度設為約束條件，通過非線性優(yōu)化算法計算出所有線圈總體積最小的線圈位置。
2.根據權利要求I所述的磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述的欲布置線圈的空間范圍是具有矩形截面的螺線管形狀的區(qū)域，該區(qū)域主要由矩形截面的內徑、外徑以及長度決定，最終所有線圈都包含于該區(qū)域內。
3.根據權利要求I或2所述的磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述的在欲布置線圈的空間進行二維連續(xù)網格劃分，是在欲布置線圈的空間范圍內，將矩形截面沿著徑向和軸向方向分別劃分若干等份，形成二維連續(xù)空間網格點。
4.根據權利要求I所述的磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，所述的網格電流分布圖給出了每個網格點處的電流大小和方向，并且大部分網格點處的電流值為零，少部分網格的電流不為零且聚集在一起形成邊界清晰的非零電流簇。
5.根據權利要求I或4所述的磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，其特征在于，根據非零電流簇在空間的分布情況，將正向電流螺線管線圈布置于非零電流簇的正值位置，將反向電流螺線管線圈布置于非零電流簇的負值位置。
全文摘要
一種磁共振成像超導磁體系統(tǒng)的設計方法，該方法結合線性規(guī)劃和非線性優(yōu)化算法在欲布置線圈的空間范圍內進行全局優(yōu)化搜索線圈的最佳位置，可對成像區(qū)域的形狀和磁場均勻度、雜散場的限制范圍和強度、電流安全裕度以及線圈中最高磁場強度進行約束，設計出的線圈具有造價低和結構簡單等優(yōu)點。
文檔編號G01R33/38GK102707250SQ201210147319
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月11日 優(yōu)先權日2012年5月11日
發(fā)明者嚴陸光, 倪志鵬, 王秋良 申請人:中國科學院電工研究所