阅读说明：本技术 一种超低场双平面核磁共振常导主磁体及其构建方法 (A kind of ultralow field biplane nuclear magnetic resonance often leads main magnet and its construction method ) 是由 徐进章 胡亮亮 屈正 王毅 王瀚正 张勋 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种超低场双平面核磁共振常导主磁体及其构建方法,通过轴线方向对称设置一组正八边形线圈,一组正八边形线圈包括外环的大正八边形线圈和内环的小正八边形线圈,且小正八边形线圈设置在大正八边形线圈的宽度范围内,从而使得一组正八边形线圈内的小正八边形线圈和大正八边形线圈处于同一平面上。本发明能在更低成本下获得更大的磁极间距,并使得磁场波动小于100ppm的磁场均匀区域更大。(The invention discloses a kind of ultralow field biplane nuclear magnetic resonance often to lead main magnet and its construction method, one group of octagon coil is symmetrical arranged by axis direction, one group of octagon coil includes the big octagon coil of outer ring and the small octagon coil of inner ring, and small octagon coil is arranged in the width range of big octagon coil, so that the small octagon coil and big octagon coil in one group of octagon coil are in the same plane.The present invention can obtain bigger magnetic pole pitch under more inexpensive, and make magnetic fluctuation bigger less than the field homogeneity region of 100ppm.)

一种超低场双平面核磁共振常导主磁体及其构建方法

技术领域

本发明涉及磁共振磁体设计领域，具体涉及一种产生六阶均匀磁场的线圈和设计方法。

背景技术

磁共振主磁体通常有三种技术方案，第一种是永磁磁体，第二种是超导磁体，第三种是常导磁体。永磁磁体和超导磁体技术复杂，体积和重量都非常庞大，常导磁体在磁场强度不高的场合可以做的比较轻便，许多科学实验中有采用。现有大量商用的磁共振设备主要以中高场为主，磁场强度越高，图像的信噪比越高，这是为什么目前厂家都追求高场的原因。但是磁场强度越高也随之存在伴随磁化场对主磁场的叠加干扰越强，导致图像模糊，为了消除这一影响，需要引入多组大功率的匀场线圈，使得磁共振磁体技术复杂。另一方面现有磁共振设备的空间狭小，人通常只能躺在一个移动的床上进入磁体，狭小的空间会造成病人压抑，引发不适。再者，金属部件会对磁共振的射频和梯度组件产生非常大的影响，导致无法成像，在磁共振成像过程中是必须要避免的。

随着电子技术的发展,使得早期在低场下无法获得的信号现在成为可能，近年来由哈佛大学主导的超低场磁共振技术成为仪器发展的新热点。为了设计出人体磁共振成像0.4m区域内满足磁场波动不超过100ppm要求的主磁体，哈佛大学团队使用最大尺寸2.2m高的双平面四圆环线圈结构。双平面结构可以最大化扩大磁极间距，但是在相同高度限制下，圆环形线圈结构并不能最大化利用极板间的均匀区域。

申请号为201410071472.6的一种正八边形三环磁场线圈，也采用了八边形构型实现六阶均匀度，但是其不是四线圈结构，且中心均匀区域的位置有一组线圈，不能作为人体坐立式的磁共振磁体。实施例提及的方法也是在固定结构条件下建立方程求解。

申请号为201410573456.7的一种大均匀区三维磁线圈及其制造方法采用的圆线圈构型，且超过四组线圈另外还配有一组匀场线圈作为补偿，结构非常复杂，且不适合用于人体坐立式的磁共振磁体。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种超低场双平面核磁共振常导主磁体及其构建方法，以期能在更低成本下获得更大的磁体空间，并使得磁场满足均匀性要求的区域比圆环线圈结构的更大。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种超低场双平面核磁共振常导主磁体的特点是：沿轴线方向对称设置一组正八边形线圈，所述一组正八边形线圈包括外环的大正八边形线圈和内环的小正八边形线圈，且所述小正八边形线圈设置在所述大正八边形线圈的宽度范围内，从而使得所述一组正八边形线圈内的小正八边形线圈和大正八边形线圈处于同一平面上；

令所述大正八边形线圈的中心距与边心距的比值为所述小正八边形线圈的中心距与边心距的比值为且大正八边形线圈与小正八边形线圈之间的边心距的比值为

令所述大正八边形线圈和小正八边形线圈的电流方向相同，且大正八边形线圈和小正八边形线圈之间的安匝积比值为

本发明所述的超低场双平面核磁共振常导主磁体的构建方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、利用式(1)建立正八边形四线圈结构的模型方程组：

式(1)中，β₁为大正八边形线圈的中心距与边心距的比值，β₂为小正八边形线圈中心距与边心距的比值，q为大正八边形线圈与小正八边形线圈之间的边心距的比值，i为大正八边形线圈与小正八边形线圈安匝积比值，A为结构控制参量；

步骤2、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤3、设置第n次循环的结构控制参量A_n，并对式(1)进行求解，得到相应结构控制参量A_n控制下的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n；

步骤4、根据结构设计需求确定一个大正八边形线圈的边心距或者轴心距，并根据相应的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n计算得到其余三个正八边形线圈的轴心距和边心距，从而判定结构参数(β₁,β₂,q,i)_n是否符合结构设计需求；若符合，则以所述相应结构控制参量A_n控制下的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n得到符合结构设计需求的核磁共振常导主磁体结构，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤3。

本发明所述的构建方法的特点是，当A＜0时，利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，大正八边形线圈的轴心距大于小八边形线圈的轴心距；当A＝0时，利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，四个正八边形线圈的边心距均相同；当A>0时,利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，大正八边形线圈的轴心距小于小八边形线圈的轴心距。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明采用正八边形作为基础构型，提出了八边形四线圈结构的通解模型方程组和设计方法，可以在调整结构参量A的取值设计出贴近结构要求的线圈分布结构，从而提高了设计效率和灵活性。

2、本发明提出的一种双平面核磁共振常导主磁体与传统圆环形四线圈结构相比，在相同空间高度限制下，可以获得更宽阔的磁极板间距和更大的磁场均匀区域，与此同时成本更低。

附图说明

图1为本发明正八边形主磁体的总体结构图；

图2为本发明构成单磁极的正八边形线圈结构安装图；

图3a为实施例验算模型结构示意图侧视图；

图3b为实施例验算模型结构示意图正视图和统计磁场均匀性的采样轨迹图；

图4a为本发明0.5m球形区域边界磁场强度图；

图4b为本发明0.5m球形区域边界磁场均匀度分布图；

图5a为本发明0.4m球形区域边界磁场强度图；

图5b为本发明0.4m球形区域边界磁场均匀度分布图。

具体实施方式

本实施例中，一种超低场双平面核磁共振常导主磁体是在超低场³He极化磁共振肺成像技术研究中，为了能够在竖直状态下研究人体的肺部而提出的设计方案。鉴于需要人体坐在磁共振的有效区域中间，比传统躺卧姿势需要更宽的磁极间距和保证成像均匀度的区域尺寸，因此，如图1所示，该主磁体包含四个轴线重合的正八边形线圈，并沿轴线方向对称设置一组正八边形线圈，一组正八边形线圈包括外环的大正八边形线圈和内环的小正八边形线圈，如图2所示，且小正八边形线圈设置在大正八边形线圈宽度所覆盖的范围内。

本实施例中，将一大一小的两个八边形线圈安装在主磁体外侧的固定平板上，两个线圈都在固定平板同一侧，即小八边形线圈在大八边形线圈宽度所覆盖的空间内同轴安装且通过四根限位柱固定安装在靠近安装板同一侧，从而使得一组正八边形线圈内的小正八边形线圈和大正八边形线圈处于同一平面上，并组成平面磁极；两组相同的线圈镜像对称安装，两个大正八边形线圈的边心距相等，令大正八边形线圈的中心距与边心距的比值为两个小正八边形边心距也相等，令小正八边形线圈的中心距与边心距的比值为且大正八边形线圈与小正八边形线圈之间的边心距的比值为

令大正八边形线圈和小正八边形线圈的电流方向相同，且大正八边形线圈和小正八边形线圈之间的安匝积比值为

本实施例中，一种超低场双平面核磁共振常导主磁体的构建方法是按如下步骤进行：

步骤1、利用式(1)建立正八边形四线圈结构的模型方程组：

式(1)中，β₁为大正八边形线圈的中心距与边心距的比值，β₂为小正八边形线圈中心距与边心距的比值，q为大正八边形线圈与小正八边形线圈之间的边心距的比值，i为大正八边形线圈与小正八边形线圈安匝积比值；A为结构控制参量；

步骤2、定义循环变量为n，并初始化n＝1；

步骤3、设置第n次循环的结构控制参量A_n，并对式(1)进行求解，得到相应结构控制参量A_n控制下的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n；

步骤4、根据结构设计需求确定一个大正八边形线圈的边心距或者轴心距，并根据相应的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n计算得到剩余三个正八边形线圈的轴心距和边心距，从而判定结构参数(β₁,β₂,q,i)_n是否符合结构设计需求；若符合，则以相应结构控制参量A_n控制下的结构参数(β₁,β₂,q,i)_n得到符合结构设计需求的核磁共振常导主磁体结构，否则，将n+1赋值给n后，返回步骤3。

具体实施中，当A＜0时，利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，大正八边形线圈的轴心距大于小八边形线圈的轴心距；当A＝0时，利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，四个正八边形线圈的边心距均相同；当A>0时，利用式(1)所得到的核磁共振常导主磁体结构中，大正八边形线圈的轴心距小于小八边形线圈的轴心距。

综上所述，本发明能在更低成本下获得更大的磁极间距，并使得磁场波动小于100ppm的磁场均匀区域更大。

本实施例：

在最大高度不超过1.9m的条件下设计平板型线圈结构，在自然散热条件下实现60Gs主磁场，要求磁场均匀度不高于100ppm的球形区域直径不小于0.4m。因此计算球形区域直径选择为0.5m，验算区域直径选择为0.4m。

第一步，分析方程特性：

本发明提出的由结构参量A控制的方程组(1)，为了得到合适的解，需要设定自由参数A。由第三个方程可知，A＝0时，q＝1，这时四个正八边形线圈大小相同，只能作为桶形设计，无法满足本设计需要；当A<0时，演算结果显示大正八边形线圈的轴心距大于小八边形线圈的轴心距；当A>0时，演算结果显示大正八边形线圈的轴心距小于小八边形线圈的轴心距，且随着A的增大，内侧线圈之间的距离不断增加，外侧线圈之间的距离不断缩小。当A＝+∞时，大小线圈的线模型处于严格的一个平面内，也即小线圈处于大线圈的轴对称中心，且大线圈电流远远大于小线圈。因此在实际中，大线圈匝数较多，宽度较大，A可以取一个较大的数，即可保证小线圈在大线圈的内部。为了给磁共振梯度线圈留出安装位置，选择A>0，使得大正八边形线圈的轴心距小于小八边形线圈的轴心距。

第二步，通过多次调整参数A，重复求解步骤3和步骤4，当A取40.287时，刚好满足小线圈在大线圈内，且电流安匝积(总电流)之比满足整数关系，本实施例得到的比例，大线圈与小线圈边心距的比值为大线圈的中心距与边心距的比值为小线圈的中心距与边心距的比值为

第三步，根据最大高度不超过1.9m限定条件，求解得两个大的理想线状正八边形之间的距离为0.79m，两理想线状小正八边形线圈之间的间距为0.86m。根据毕奥萨法尔定律，要满足主磁场不低于60Gs，则大线圈电流为6000A，小线圈为180A。

第四步，综合考虑铜导线的电流密度以及散热面积，选择电流密度小于0.7A/mm²，采取线砸之间保留5mm间隙来增大散热面积，选择3x10mm扁铜丝包线作为原材料，主线圈选择为300匝，分为10排，每排之间间隙5mm，则最终磁极之间的理想距离为0.65m(忽略结构件材料厚度)，最终产品实际磁极距离为0.62m。

第五步，仿真验算：

根据毕奥萨法尔定律，验算磁场强度分布，计算误差分布，如图3a给出了验算模型结构的侧视图和图3b给出了验算模型的正视图，其中虚线表示统计磁场均匀性的采样点轨迹。采样点从磁体中心点出发沿轴向其中一个磁极采样，0.25m或0.2m的距离上采样41个点，然后沿着0.25m或0.2的半径弧面，从八边形角点方向直到磁体中心对称面采样40个点，在沿垂直于正八边形边长的弧面到水平面采样40个点，最后直线到磁体中心点采样40个点，这样共计采样161个采样点。

第六步，均匀度Uniformity计算：

设中心的采样强度为B_s0，其他采样点计为B_sample，则均匀度统计公式为：

在20A的电流驱动下，线圈产生的磁场强度如图4a和图5a。根据国标电阻率计算得总电阻为2.9欧姆，总功率约为1.2kW，远小于哈佛设计的磁体功率。

由图4b可知小于100ppm的最大球直径为0.43m，更进一步，验算0.4m的球形区域内是否满足设计需求，结果展示于图5b。结果显示在0.4m的球形区域的均匀度要优于80ppm。因此该设计能够满足预定设计需求。