一种圆筒型匀场线圈的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种圆筒型匀场线圈的设计方法，首先对圆筒匀场线圈进行网格划分获得各个网格节点；在目标圆球面上选取目标点；建立网格节点电流密度流函数和网格节点电流密度的有限差分关系；设置目标点磁场强度；建立并求解网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组；在对应的线圈圆柱面上的分布的等势线做等差值排布即得到匀场线圈的绕线模式。本发明专利技术简单有效，为设计圆筒型匀场线圈提供了新的思路，设计的圆筒型匀场线圈可有效消除圆筒型磁体系统由于生产制造误差而引入的主磁场各阶不均匀磁场分量，进而提高圆筒型磁体系统主磁场的均匀性。而提高圆筒型磁体系统主磁场的均匀性。而提高圆筒型磁体系统主磁场的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种圆筒型匀场线圈的设计方法


[0001]本专利技术属于磁共振成像线圈
，具体涉及一种圆筒型匀场线圈的设计方法。

技术介绍

[0002]根据工作原理和应用领域的不同，磁共振仪器系统可分为核磁共振（NMR）仪器和磁共振成像（MRI）仪器以及电子顺磁共振（EPR）仪器等种类，磁体是磁共振仪器系统最重要的部件之一，磁共振仪器性能很大程度上依赖磁体主磁场B0的均匀度，磁体主磁场均匀度越高，NMR仪器获得的NMR信号的信噪比和分辨率越高，MRI仪器获得的MRI图像质量越高。
[0003]理想状态下，MRI设备的主磁场强度为 B
0 ，然而在实际磁体制造的过程中，由于工程上的误差，不可避免会引入各阶不均匀磁场分量，影响主磁场均匀度。而在磁共振系统中，核磁共振（NMR）信号和MRI图像的质量很大程度上依赖主磁场的均匀度。提高主磁场均匀度的方法分为有源匀场和无缘匀场，有源匀场是通过特定电流分布的匀场线圈来实现的。
[0004]本专利技术专利为了解决圆筒型磁体系统（如：超导磁体，常规电磁体等）主磁场不均匀性的问题，提出了一种磁共振成像用圆筒型匀场线圈的设计方法，使用该方法设计的匀场线圈可以消除圆筒型 MRI 磁体系统主磁场各阶不均匀磁场分量，提高主磁场的均匀性（如图1所示）。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种圆筒型匀场线圈的设计方法，能消除圆筒型磁体系统主磁场各阶不均匀磁场分量，提高主磁场的均匀性。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种圆筒型匀场线圈的设计方法，包括以下步骤：步骤1、首先对圆筒匀场线圈所在的线圈圆柱面进行网格划分获得各个网格节点；步骤2、在目标圆球面上选取目标点；步骤3、建立网格节点电流密度流函数和网格节点电流密度的有限差分关系；步骤4、设置目标点磁场强度；步骤5、建立网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组；步骤6、构造功耗约束函数H，根据功耗约束函数H获得约束矩阵 L，利用Tikhonov正则化方法求解步骤5中的网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组，得到网格节点电流密度流函数的具体数值；
其中，R1为线圈圆柱面的底面半径，为线圈圆柱面的高度，为绕圆周的角度方向网格电流密度，为z轴方向网格电流密度，zs为网格节点的z轴高度变量，为轴向划分线的方位角变量，步骤7、各个网格节点电流密度流函数在对应的线圈圆柱面上的分布的等势线做等差值排布即得到匀场线圈的绕线模式。
[0007]如上所述的步骤1中：选择圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的其中一个轴向划分线为起始轴向划分线，按照顺时针或者逆时针对各个轴向划分线进行编号，轴向划分线的编号用i表示；选择圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的一端至另一端对圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的各个周向划分圆进行编号，周向划分圆的编号用j表示。
[0008]如上所述的步骤3中，网格节点电流密度包括绕圆周的角度方向网格电流密度和z轴方向网格电流密度，绕圆周的角度方向网格电流密度和z轴方向网格电流密度之间的关系为：上式中，
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为网格节点处绕圆周的角度方向网格电流密度， 为网格节点处z轴方向网格电流密度，为网格节点所在的线圈圆柱面的半径, 为线圈圆柱面的相邻轴向划分线的方位角之间的角度差，为线圈圆柱面的相邻周向划分圆之间的间距，表示网格节点（i，j）处电流密度流函数，表示网格节点（i+1，j）处电流密度流函数，表示网格节点（i，j+1）处电流密度流函数。
[0009]如上所述的步骤5包括以下步骤：步骤5.1、建立目标点磁场强度z轴方向分量的控制方程的离散方程；
上式中，zs为网格节点的z轴高度变量，f = 1，2
…
N，为第f个目标点在直角坐标系下的坐标值，步骤5.2、根据目标点磁场强度z轴方向分量的控制方程的离散方程，建立网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组：和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组：为第一个网格节点到第M个网格节点电流密度流函数，，
……
，为网格节点电流密度流函数的系数，M为线圈圆柱面进行网格划分得到的所有网格节点的总数目，N为目标点的总数目，为第一个目标点磁场强度z轴方向分量到第N个目标点磁场强度z轴方向分量。
[0010]本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：本专利技术简单有效，为设计圆筒型匀场线圈提供了新的思路，设计的圆筒型匀场线圈可有效消除圆筒型磁体系统由于生产制造误差而引入的主磁场各阶不均匀磁场分量，进而提高圆筒型磁体系统主磁场的均匀性。
附图说明
[0011]图1为圆筒匀场线圈的配置前后结构示意图。
[0012]1‑
圆筒型磁体；2
‑
加匀场线圈前磁力线分布示意；3
‑
圆筒匀场线圈；4
‑
加圆筒匀场线圈后磁力线分布示意；B
0 ‑
主磁场方向。
[0013]图2为线圈圆柱面的网格节点划分。
[0014]图3为目标圆球面选取的目标点。
[0015]图4为圆筒匀场线圈一在所在的线圈圆柱面上的绕线模式。
[0016]图5为圆筒匀场线圈二在所在的线圈圆柱面上的绕线模式。
[0017]图6为两个线圈圆柱面的网格节点和目标圆球面的目标点的整体示意图。
具体实施方式
[0018]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本专利技术，下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限
定本专利技术。
[0019]在本实施例中，本专利技术将用于抵消相关不均匀分量的线圈和用于抵消相关不均匀分量的线圈分别定义为圆筒匀场线圈一和圆筒匀场线圈二，并且以圆筒匀场线圈一和圆筒匀场线圈二这两组2阶圆筒型匀场线圈为设计实例对一种磁共振成像用圆筒型匀场线圈的设计方法进行介绍。圆筒匀场线圈一和圆筒匀场线圈二均可分别按照以下步骤1
‑
7单独实施。
[0020]圆筒型线圈分布在以z轴为中心轴的圆柱面上，匀场的目标区域为以原点为球心的目标圆球面。在本实施例中，线圈圆柱面高度为0.42m,底面半径为0.1m，目标圆球面的半径为0.025m。
[0021]一种圆筒型匀场线圈的设计方法，包括以下步骤：步骤1、首先对圆筒匀场线圈一和圆筒匀场线圈二各自所在的线圈圆柱面进行网格划分获得各个网格节点。
[0022]如图2所示，线圈圆柱面由多个轴向划分线和多个周向划分圆划分，各个轴向划分线位于线圈圆柱面上且与线圈圆柱面的中心轴平行，各个周向划分圆位于线圈圆柱面上且垂直于线圈圆柱面的中心轴，相邻轴向划分线的方位角之间的角度差为，轴向划分线的方位角是指轴向划分线在线圈圆柱面的周向方向上的方位角，相邻周向划分圆之间的间距为，在本实施例中， =360
°
/60， =/60，为线圈圆柱面的高度。
[0023]选择圆筒匀场线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种圆筒型匀场线圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、首先对圆筒匀场线圈所在的线圈圆柱面进行网格划分获得各个网格节点；步骤2、在目标圆球面上选取目标点；步骤3、建立网格节点电流密度流函数和网格节点电流密度的有限差分关系；步骤4、设置目标点磁场强度；步骤5、建立网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组；步骤6、构造功耗约束函数H，根据功耗约束函数H获得约束矩阵 L，利用Tikhonov正则化方法求解步骤5中的网格节点电流密度流函数和目标点磁场强度z轴方向分量之间的方程组，得到网格节点电流密度流函数的具体数值；其中，R1为线圈圆柱面的底面半径，为线圈圆柱面的高度，为绕圆周的角度方向网格电流密度，为z轴方向网格电流密度，zs为网格节点的z轴高度变量，为轴向划分线的方位角变量，步骤7、各个网格节点电流密度流函数在对应的线圈圆柱面上的分布的等势线做等差值排布即得到匀场线圈的绕线模式。2.根据权利要求1所述的一种圆筒型匀场线圈的设计方法，其特征在于，所述的步骤1中：选择圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的其中一个轴向划分线为起始轴向划分线，按照顺时针或者逆时针对各个轴向划分线进行编号，轴向划分线的编号用i表示；选择圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的一端至另一端对圆筒匀场线圈所在线圈圆柱面的各个周向划分圆进行编号，周向划分圆的编号用j表示。3.根据权利要求2所述的一种圆筒型匀场线圈的设计方法，其特征在于，所述的步骤3中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈方，樊萌，刘朝阳，张志，冯继文，陈俊飞，陈黎，程鑫，鲍庆嘉，汪慧娟，王佳鑫，杨李泽，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：