阅读说明：本技术 一种双平面匀场线圈的设计方法 (design method of biplane shimming coil ) 是由 李良安 侯荣芹 陈琳鑫 安学亮 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双平面匀场线圈的设计方法,首先导入双平面匀场线圈的源点网格,排序网格顶点和三角面,然后采用球谐函数分别计算出2阶匀场线圈在目标点上的磁场值,采用MATLAB软件读取三角网格的各个顶点和面,优化顶点和面的排布顺序,根据边界元法设置导线尺寸,计算源点区域通电导线对场点的贡献值,约束双平面匀场线圈的储能和功耗最小,求出上平面匀场线圈上电流密度分布,通过流函数法得到双平面匀场线圈的绕线形状。本发明采用上述结构的双平面匀场线圈的设计方法,能消除2阶及以上谐波磁场,从而提高主磁场的均匀性,提高开放式MRI系统的图像质量。(The invention discloses a design method of a biplane shim coil, which comprises the steps of firstly introducing a source point grid of the biplane shim coil, ordering grid vertexes and triangular surfaces, then respectively calculating magnetic field values of 2-order shim coils on target points by adopting a spherical harmonic function, reading each vertex and each surface of the triangular grid by adopting MATLAB software, optimizing the arrangement sequence of the vertexes and the surfaces, setting the size of a lead according to a boundary element method, calculating the contribution value of a power-on lead of a source point region to a field point, restricting the energy storage and the power consumption of the biplane shim coil to be minimum, solving the current density distribution on the upper plane shim coil, and obtaining the winding shape of the biplane shim coil by a current function method. The invention adopts the design method of the biplane shimming coil with the structure, and can eliminate 2-order and above harmonic magnetic field, thereby improving the uniformity of the main magnetic field and improving the image quality of the open MRI system.)

一种双平面匀场线圈的设计方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，特别是涉及一种双平面匀场线圈的设计方法。

背景技术

磁共振成像(Manetic Resonance ImagingMRI)技术是多技术交叉的技术，包括电磁学、数字信号处理、生物医学和原子物理学等学科，相对于其他医学成像技术而言，MRI具有无辐射、分辨率高和图像质量清晰等优点，因而MRI技术在医学检查中具有重要的临床应用价值，理想状态下，MRI设备的主磁场只有B0场，无其他谐波磁场，然而由于加工和装配误差的存在，不可避免会引入非B0场的谐波磁场，谐波磁场的引入会使成像质量变差甚至无法成像，梯度线圈可以纠正1阶谐波磁场，而高于1阶谐波的磁场需要2阶及以上的匀场线圈来消除，从而使得B0场达到成像要求的范围之内。

本发明专利为了解决上述开放式MRI磁体主磁场不均匀性的问题，提出了一种双平面匀场线圈的设计方法。可以消除2阶及以上谐波磁场，提高主磁场的均匀性，提高开放式MRI 系统的图像质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种双平面匀场线圈的设计方法，能消除2阶及以上谐波磁场，提高主磁场的均匀性，提高开放式MRI系统的图像质量。

为实现上述目的，本发明提供了一种双平面匀场线圈的设计方法，其步骤如下。

步骤一：导入双平面匀场线圈网格，将主梯度线圈区域划分为三维三角形网格节点。

步骤二：将设定好直径的球体进行划分，每个球体分成16层，每隔11.6°设定一个测试点，共1488个目标点，用MATLAB求出目标点的x,y,z坐标，得到场坐标点。

步骤三：根据目标点坐标值和2阶球谐系数确定目标点磁场值，球面上目标点磁场值为坐标点z坐标值与球谐系数乘积。

步骤四：根据边界元法与设置的双平面匀场线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对目标场点的贡献值：将源点区域离散化，离散成顶点和三角面，采用MATLAB排序程序，对源点顶点和三角面进行排序，得出离散顶点的坐标值，根据毕奥萨伐尔公式求出源点区域通电导线对目标场点的贡献值。

步骤五：计算双平面匀场线圈的功耗，通过Quadprog二次规划方法，约束双平面匀场线圈功耗和储能最小，计算出最小匀场线圈节点上的电流值。

步骤六：通过流函数法得到双平面匀场线圈的实际绕线形状。

步骤七：根据匀场线圈的绕线形状，利用毕奥萨伐尔定理求解出线圈在目标点上的磁场值，判断磁场值是否满足目标磁场值的误差要求，如果不满足，则需要修改功耗矩阵和储能矩阵的权重系数直到磁场值满足目标磁场值误差要求。

本发明的有益效果为：

本发明设计的双平面匀场线圈可有效消除由于机加工和装配误差而引入的2阶及以上谐波磁场，同时提高主磁场的均匀性和图像质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明的双平面匀场线圈的设计方法流程图。

图2是本发明的匀场线圈源区网格划分示意图。

图3是本发明的成像区域目标点示意图。

图4是本发明的三维显示源区和成像区域目标点示意图。

图5是本发明的双平面Z20匀场线圈的结构示意图。

图6是本发明的双平面Z21匀场线圈的结构示意图。

图7是本发明的双平面Z22匀场线圈的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

本发明以3组2阶轴向匀场线圈：Z20、Z21、Z22为设计实例对本发明一种双平面匀场线圈的设计方法进行介绍，其设计流程图如图1所示，设定双平面匀场线圈的设计参数，双平面匀场线圈直径为0.42m的三角形网格，间距为500mm，分别在直径为100mm、240mm和360mm球体上每个球体分成16层，每隔11.6°设定一个测试点，共1488个目标点，误差不大于5％，具体设计步骤如下。

步骤一：根据所设定双平面匀场线圈的设计参数，采用Blender2.8软件对匀场线圈进行三角化网格划分，即将匀场线圈离散成节点和三角面，如图2所示。将网格节点导出成.obj 格式，通过MATLAB对.obj格式文件读取并排序，得到源点坐标点S(x,y,z)。

步骤二：将直径分别为100mm、240mm和360mm球体进行划分，每个球体分成16 层，每隔11.6°设定一个测试点，一共1488个目标点，如图3和图4所示。用MATLAB求出这些目标点的x、y、z坐标，得到场坐标点F(x1,y1,z1)。

步骤三：根据目标场点坐标值和2阶球谐系数确定目标点磁场值，目标球谐系数为5mT/m，球面上目标点磁场值为坐标点z坐标值与球谐系数乘积，即：

Q_z＝Q*z

公式中Qz为给定目标区域内目标点的磁场值，单位为mT；Q为给定阶数的球谐系数，单位为mT/m；z为目标点z方向坐标值，单位为m。

步骤四：根据边界元法与设置的双平面匀场线圈导线尺寸，计算源点区域通电导线对目标场点的贡献值。将源点区域离散化，离散成顶点和三角面，采用MATLAB排序程序，对源点顶点和三角面进行排序，得出离散顶点的坐标值S(x,y,z)。

根据毕奥萨伐尔公式：

式中为源点导线对场点磁感应强度的贡献值；μ₀为真空磁导率；dl为源点区域通电导线的长度；r为源点到场点的距离；I为源点导线上电流值；θ为通电导线与源点和场点连线之间夹角。

步骤五：计算双平面匀场线圈的功耗和采用matlab中quadprog函数来计算功耗和储能最小匀场线圈节点上电流值，

线圈功耗表达式如下：

式中面S为离散单元面，包括n各节点，I_m和I_n分别是第m个和第n个节点上电流值，ρ是导体的电阻，d_r是导体的厚度。R_mn是梯度线圈的电阻矩阵；

线圈储能表达式如下：

式中面S_m和S_n为离散三角面，分别属于n和m节点，节点n和m分别包含W_n和W_m个三角形。I_m和I_n分别是第m个和第n个节点上电流值，μ₀是真空磁导率，r^m和rⁿ分别是三角面内点坐标。v_ma和v_nb分别是节点m和n的基函数。M_mn是匀场线圈的储能矩阵；

quadprog函数如下：

F＝α*I*R_mn*I’+β*I*M_mn*I’

式中，F为目标函数，I为源区离散点电流值，I’为I的转置矩阵，R_mn为源区离散点电阻矩阵， M_mn为源区离散点电感矩阵，α和β分别是电阻矩阵和电感矩阵权重系数；

约束条件为：

A*I<ε*B^t

式中A为源点在目标点通过比奥萨伐尔计算不包含节点电流值的磁场系数矩阵；ε为磁场误差，ε＝0.05；B^t为目标点磁场值；I为节点电流值。

步骤六：通过流函数法计算双平面匀场线圈的绕线形状，

式中，S为等势差，max(I)为节点电流最大值，min(I)为节点电流最小值，N双平面匀场线圈绕线匝数。

步骤七：根据匀场线圈的绕线形状，利用比奥萨伐尔定理求解出线圈在目标点上的磁场值，判断磁场值是否满足目标磁场值的误差要求。如果满足匀场线圈目标磁场值要求，则停止修改α和β权重系数，否则，继续α和β权重系数直到满足梯度线圈的线性度要求，设计结果如图5、图6、图7所示。

因此，本发明提供了一种双平面匀场线圈设计方法，控制匀场线圈功耗和储能最小化，约束匀场线圈在目标点上磁场值大小，可有效消除由机加工和装配误差引入的高阶谐波磁场，进一步提高开放式MRI系统的图像质量。

最后应说明的是：以上实施例以2阶轴向匀场线圈为例而不限于2阶匀场线圈，通过修改球谐系数中的阶数，可以设计更高阶的匀场线圈，且以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。