專利名稱：一種磁共振成像裝置超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于磁共振成像裝置超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：
磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是根據(jù)生物體磁性核(氫核)在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)特性成像的高新技術(shù)。近二十年來(lái)，隨著磁體技術(shù)、工程電磁場(chǎng)逆問(wèn)題、超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，MRI技術(shù)得到了飛速發(fā)展。MRI以其自身技術(shù)上的特點(diǎn)和功能上的優(yōu)勢(shì)，已成為臨床影像診斷中不可缺少的現(xiàn)代化診斷設(shè)備。
磁共振成像(MRI)系統(tǒng)主要由磁體系統(tǒng)、譜儀系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng)幾部分組成，其中磁體系統(tǒng)是磁共振成像系統(tǒng)最重要、成本最高的部件。而磁體系統(tǒng)中最重要、成本最高的部分是主磁體。主磁體的作用是產(chǎn)生一個(gè)均勻的磁場(chǎng)，使處于磁場(chǎng)中的人體內(nèi)氫原子核被磁化而形成磁化強(qiáng)度矢量。磁共振成像裝置的主磁體要求具有高場(chǎng)強(qiáng)(>0.5T)和高均勻度(1～10ppm)。
磁共振成像(MRI)主磁體按照屏蔽方式可以分為被動(dòng)屏蔽和主動(dòng)屏蔽兩類。被動(dòng)屏蔽也稱為無(wú)源屏蔽，依靠在磁體外部鋪設(shè)鐵磁材料將雜散磁場(chǎng)限制在一定范圍之內(nèi)，磁體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。主動(dòng)屏蔽又稱為有源屏蔽，它是通過(guò)在主線圈外邊增加通反向電流的屏蔽線圈來(lái)削弱主磁體在外部產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng)，從而將雜散磁場(chǎng)限定在要求的范圍之內(nèi)。被動(dòng)屏蔽的主磁體需要在檢查室的周?chē)佋O(shè)鐵磁材料或在磁體周?chē)佋O(shè)鐵磁材料來(lái)屏蔽雜散磁場(chǎng)，安裝成本比較高，而且對(duì)磁場(chǎng)的均勻性也會(huì)產(chǎn)生影響。目前一般都采用主動(dòng)屏蔽的主磁體，這樣的系統(tǒng)安裝方便，不需要對(duì)檢查室做太大的改動(dòng)，安裝成本較低。
高均勻度核磁共振磁體的設(shè)計(jì)是求解電磁結(jié)構(gòu)的逆問(wèn)題，根據(jù)成像所要求的電磁設(shè)計(jì)指標(biāo)，合理安排所需的線圈結(jié)構(gòu)和空間位置，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化求解。磁共振成像磁體的電磁設(shè)計(jì)指標(biāo)有 (1)成像區(qū)域(Diameter Sensitive Volume，DSV)空間大小，一般定義為半徑為R的球形區(qū)域； (2)成像區(qū)域(DSV)中心場(chǎng)強(qiáng)B0； (3)磁場(chǎng)均勻度H0(peak to peak)Bmax和Bmin分別為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值與最小值，ΔB0是最大值與最小值的差。
(4)雜散場(chǎng)范圍在MRI設(shè)備工作時(shí)，為了不影響其他電氣設(shè)備工作，設(shè)計(jì)低磁場(chǎng)安全區(qū)域，在區(qū)域之外，磁場(chǎng)不影響其他電氣的工作。一般小于5高斯的磁場(chǎng)等值線包圍的區(qū)域。
設(shè)計(jì)得到的結(jié)果包括線圈的數(shù)目、每個(gè)線圈的中心坐標(biāo)和截面參數(shù)、線圈電流。
超導(dǎo)磁共振成像(MRI)主磁體的設(shè)計(jì)優(yōu)化一直都是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。設(shè)計(jì)優(yōu)化方法有多種，歸結(jié)起來(lái)有兩大類。一類是函數(shù)方法，基本上都是基于螺管磁場(chǎng)的勒讓德函數(shù)展開(kāi)式，通過(guò)改變空間的電流分布來(lái)消除低次諧波分量，或?qū)⒌痛沃C波分量減小到一個(gè)要求范圍內(nèi)?？紤]主動(dòng)屏蔽時(shí)，需要加上對(duì)雜散磁場(chǎng)的約束。用優(yōu)化算法對(duì)電流分布進(jìn)行電流分布優(yōu)化，在電流分布的基礎(chǔ)上，進(jìn)行線圈參數(shù)的優(yōu)化，將電流分布變?yōu)榫匦谓孛娴木€圈，得到最終的線圈結(jié)構(gòu)。所用的優(yōu)化方法都是局部尋優(yōu)方法如函數(shù)方法中的用的“變形蟲(chóng)方法”(amoeba)，逆方法中用的是“下山法”，這些方法局部尋優(yōu)能力強(qiáng)，但全局尋優(yōu)能力差，對(duì)磁共振成像(MRI)主磁體這個(gè)非線性優(yōu)化問(wèn)題，顯然有些不足。第一類如中國(guó)專利200810114736.6，采用了一種離散的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合模擬退火法進(jìn)行優(yōu)化。另一類方法為隨機(jī)搜索方法，如蒙特卡羅、模擬退火算法、遺傳算法等，通過(guò)在解空間范圍內(nèi)大量隨機(jī)搜索，以尋求最優(yōu)解，直接求得線圈的結(jié)構(gòu)。其中，蒙特卡羅是一種簡(jiǎn)單的隨機(jī)方法，尋優(yōu)能力較差；模擬退火算法是基于蒙特卡羅迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法，尋優(yōu)能力要比蒙特卡羅方法強(qiáng)，如專利GB2345973A所描述的磁體優(yōu)化方法；遺傳算法則具有自適應(yīng)性和并行性的一種隨機(jī)算法，具有較強(qiáng)的尋優(yōu)能力。雖然這些方法都有全局尋優(yōu)能力，由于磁共振成像(MRI)主磁體的優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)多目標(biāo)、多參數(shù)的非線性優(yōu)化問(wèn)題，解空間復(fù)雜，直接采用隨機(jī)算法對(duì)線圈參數(shù)優(yōu)化帶有很大的盲目性，使算法效率降低而且甚至尋優(yōu)困難。再者，所提到幾種隨機(jī)算法得到的模型線圈數(shù)目過(guò)多，實(shí)際制造易產(chǎn)生誤差，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。
US6700468B2將函數(shù)方法和隨機(jī)搜索方法結(jié)合，先用函數(shù)方法獲得一個(gè)空間的電流分布圖，然后在此基礎(chǔ)上采用非線性最小二乘法進(jìn)行線圈參數(shù)的優(yōu)化，大大提高設(shè)計(jì)的效率，更容易獲得最優(yōu)解的線圈配置。但是該發(fā)明在短腔MRI磁體設(shè)計(jì)中，采用的電流密度直接設(shè)計(jì)線圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不合理，設(shè)計(jì)的線圈兩端電流密度過(guò)大，局部磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)，往往超出超導(dǎo)材料載流能力。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種磁共振裝置超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，本發(fā)明可以同時(shí)設(shè)計(jì)主線圈和屏蔽線圈，使得MRI磁體設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔和高效。
本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法為首先根據(jù)磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈和和屏蔽線圈的電流分布圖，然后在電流分布圖基礎(chǔ)上得到屏蔽線圈初始截面；以屏蔽線圈磁場(chǎng)為背景磁場(chǎng)，再次采用磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈電流分布圖，從而得到主線圈初始截面；在主線圈和屏蔽線圈初始截面的基礎(chǔ)上，采用遺傳模擬退火混和算法對(duì)線圈截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最優(yōu)的線圈配置。
本發(fā)明采用的方法步驟是 設(shè)計(jì)開(kāi)始前，先定義超導(dǎo)磁體的初始參數(shù) (1)根據(jù)成像空間大小和成像磁場(chǎng)要求，確定均勻磁場(chǎng)區(qū)DSV半徑Rdsv，均勻磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度BOz。
(2)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要確定室溫孔徑，確定主線圈內(nèi)半徑R1。
(3)根據(jù)上述(1)和(2)所確定的均勻磁場(chǎng)區(qū)DSV半徑Rdsv、均勻磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度BOz、室溫孔徑和主線圈內(nèi)半徑R1，確定超導(dǎo)線圈的電流層分布區(qū)域，即將超導(dǎo)線圈電流集中在以下兩個(gè)圓柱表面上。
一個(gè)是主線圈分布的圓柱電流層表面，取半徑為R1；主線圈的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，L1的選取方法參考經(jīng)驗(yàn)公式L1＝2×(1.19×Rdsv+0.77×R1)。
另一個(gè)是屏蔽線圈圓柱電流層表面，取半徑為R2，R2的選取依據(jù)磁體設(shè)計(jì)的尺寸而定。屏蔽線圈的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，L2一般等于L1。
(1)定義雜散場(chǎng)范圍，雜散場(chǎng)范圍一般在橢圓邊界上選取，雜散場(chǎng)大小Bs一般小于5高斯。在5高斯線邊界上，磁場(chǎng)的軸向分量和徑向分量都需要考慮， 步驟1，獲得電流源數(shù)目和位置坐標(biāo) 在所述的主線圈和屏蔽線圈分布的兩個(gè)電流層中，在主線圈和屏蔽線圈的長(zhǎng)度方向上分段，將主線圈長(zhǎng)度L1劃分為n1段，屏蔽線圈長(zhǎng)度L2劃分為n2段，n1、n2通常取相等的值，大于100。在半徑為Rdsv，圓心角θ從0到π的均勻磁場(chǎng)區(qū)半圓上均勻選取m個(gè)點(diǎn)作為均勻區(qū)磁場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)，m通常取大于100，均勻區(qū)磁場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)用于均勻區(qū)磁場(chǎng)計(jì)算。在短半軸為a，長(zhǎng)半軸為b，θ從0到π的半橢圓上也均勻選取m個(gè)點(diǎn)，用于雜散磁場(chǎng)區(qū)計(jì)算。
根據(jù)主線圈和屏蔽線圈共同作用在均勻區(qū)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，列出關(guān)于電流矩陣I為變量的方程。
(均勻區(qū)方程) (1) 其中aij＝Kz(ri，zi，rj，zj)，為電流環(huán)磁場(chǎng)求解系數(shù)(下同)。i＝1，2，3，...m，為目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目；j＝1，2，3，...，n1+n2，為電流環(huán)數(shù)目。電流環(huán)半徑ri＝Rdsvsinθi，軸向位置zi＝Rdsvcosθi，目標(biāo)點(diǎn)的空間角θi＝(i-1)π/(m-1)。
(雜散場(chǎng)方程)(2) 其中Kr、Kz分別為雜散磁場(chǎng)的徑向和軸向磁場(chǎng)系數(shù)，電流環(huán)半徑ri＝asinθi，軸向位置zi＝bcosθi，目標(biāo)點(diǎn)的空間角θi＝(i-1-m)π/(m-1)。
上面方程(1)、(2)用矩陣的形式可以表示為 AI＝B 其中A為電流環(huán)磁場(chǎng)系數(shù)組成的矩陣，為2m×(n1+n2)維矩陣；I為待求解的電流環(huán)電流，為n1+n2維未知向量；B為均勻區(qū)和雜散場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)組成的向量，為2m維常向量。為了使已知量多于未知量，方程有確定的解，通常選取2m>n1+n2，正則化之后的方程為 (ATA+αLTL)I＝ATBz (3) 正則化因子α＝10-15，L為磁體長(zhǎng)度為元素的(n1+n2)×(n1+n2)維對(duì)角矩陣。
用高斯賽德?tīng)柕椒ㄇ蠼夥匠?3)，得到電流I沿主線圈和屏蔽線圈分別在各自圓柱表面的電流分布。
步驟2，獲得每一個(gè)電流源的電流值根據(jù)步驟1求得的電流分布，在電流峰值位置布置電流源，從而可以獲得電流源的數(shù)目和位置坐標(biāo)；將得到的電流源作為場(chǎng)源，代入步驟1所述的方程1、2、3，求解得到電流源的電流值。
步驟3，獲得主線圈電流源數(shù)目和位置設(shè)定屏蔽線圈截面，以屏蔽線圈磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，再次重復(fù)步驟1和步驟2，獲得主線圈電流源數(shù)目和位置。
主線圈電流源的分布通過(guò)步驟2得到，不予采用，因?yàn)榇藭r(shí)得到的主線圈電流層的分布電流變化很劇烈，將電流源變?yōu)榫匦谓孛婢€圈后，使得工程設(shè)計(jì)中不可實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明根據(jù)步驟2得到屏蔽線圈電流源的位置(Ri，Zi)和幅值(I)。將屏蔽線圈形狀初步定義為線圈沿徑向的厚度是沿軸向的長(zhǎng)度的0.7倍，屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，重復(fù)步驟1，2，構(gòu)建屏蔽線圈背景磁場(chǎng)條件下均勻區(qū)的電流一磁場(chǎng)線性方程 B＇0z為考慮了屏蔽線圈磁場(chǎng)的均勻區(qū)場(chǎng)強(qiáng)，其他系數(shù)含義同步驟1中的描述。求解該方程得到主線圈的電流源的數(shù)目、近似位置和幅值。
由上面得到的主線圈電流層的分布為近似連續(xù)分布的電流，還需要將其轉(zhuǎn)化成矩形截面的空心圓柱線圈。根據(jù)合適的電流分布情況，在電流峰值的位置安排適宜的矩形截面線圈來(lái)代替這些電流源。初始位置包括線圈中心坐標(biāo)(Ri，Zi)和線圈初始截面(wi，hi)，其中，i＝1，2，…，N，N為電流峰值的數(shù)目，wi和hi是每一個(gè)電流源的寬度和高度。線圈中心坐標(biāo)(Ri，Zi)中的R1分別等于主線圈電流層半徑R1和屏蔽線圈電流層半徑R2，Zi由電流峰值的軸向位置來(lái)確定。第i個(gè)線圈截面取值根據(jù)wihiJ＝Ii，其中J為電流密度(假定每個(gè)電流源的電流密度相同)，Ii為線圈總載流。
步驟4，采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化線圈截面 初始線圈結(jié)構(gòu)確定后，線圈由簡(jiǎn)化模型變成實(shí)際模型，均勻度會(huì)發(fā)生很大變化，還需要對(duì)線圈截面參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。將線圈截面參數(shù)x作為優(yōu)化變量，每個(gè)線圈取Ri，Zi，hi，wi參數(shù)，(Ri，Zi)為線圈中心坐標(biāo)，(wi，hi)為線圈初始截面，電流源的數(shù)目是N。即x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)。
線圈優(yōu)化開(kāi)始之前，要設(shè)定線圈中心軸線Ri在半徑方向的變化量、線圈尺寸wi在軸向變動(dòng)量和hi在徑向的變動(dòng)量。
利用線圈電流源產(chǎn)生的磁場(chǎng)和電流之間的關(guān)系，再次構(gòu)建線性方程，作為約束條件。均勻區(qū)和雜散場(chǎng)的計(jì)算式如下 均勻區(qū)磁場(chǎng)Bzi(ri，zi)的計(jì)算 Mzj(ri，zi，Rj，Zj，wj，hj)為主線圈電流源的磁場(chǎng)系數(shù)。x＝(Ri，Zi，hi，wi；j＝1，2，...，N) 為線圈截面參數(shù)，(ri，zi)為場(chǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)。
雜散磁場(chǎng)Bsi(ri，zi)的計(jì)算 i＝m+1，m+2，...，2m Mzj(ri，zi，Rj，Zj，wj，hj)為屏蔽線圈軸向電流源的磁場(chǎng)系數(shù)，Mrj(ri，zi，xj)為屏蔽線圈徑向電流源的磁場(chǎng)系數(shù)。
取目標(biāo)向量f(x)＝(f1(x)，f2(x)，…，fm(x)，fm+1(x)，…，f2m(x))T，使用在均勻區(qū)、雜散場(chǎng)磁場(chǎng)和希望的磁場(chǎng)值之差的平方和權(quán)重之積作為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)F(x)即 其中，x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)為線圈截面參數(shù)向量。fi(x)為目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際磁場(chǎng)和設(shè)計(jì)值得偏差，如式6、7所示。
均勻區(qū)fi(x)＝ω1(Bzi-B0z)，i＝1，2，3，...m (6) 雜散場(chǎng) 其中式中ω1和ω2分別均勻區(qū)和雜散場(chǎng)的偏差權(quán)重因子，由于Bzi-B0z的值很小，數(shù)量級(jí)在10-6，所以取ω1＝106放大磁場(chǎng)的偏差，Bsi-5G的值的量級(jí)在10以下，所以取ω2＝10即可。
目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際磁場(chǎng)和設(shè)計(jì)值得偏差如式5、6所示，本發(fā)明中約定雜散場(chǎng)為5G，實(shí)際設(shè)計(jì)中不限于5G。其中，x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)為線圈截面參數(shù)向量。
在優(yōu)化處理中，本發(fā)明采用“遺傳模擬退火混和算法”(GASA)進(jìn)行優(yōu)化。遺傳模擬退火混和算法即在遺傳算法中，嵌套了自適應(yīng)模擬退火(ASA)算法，對(duì)遺傳適應(yīng)度進(jìn)行定標(biāo)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的混合算法。遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)選取式7，交叉率和選擇率引入了模擬退火溫度分布 E(r)為r狀態(tài)的能量，KB為波爾茲曼常數(shù)，E為分子能量的一個(gè)隨機(jī)變量，Z(T)為概率分布的標(biāo)準(zhǔn)化因子，T為退火的溫度。
當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)，求解得到線圈截面參數(shù)x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)，從而完成線圈截面參數(shù)的設(shè)計(jì)。
步驟5，輸出參數(shù)計(jì)算相關(guān)參量 畫(huà)出線圈的結(jié)構(gòu)圖，磁場(chǎng)在均勻區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)分布和等位線，線圈的最大磁場(chǎng)，規(guī)定的雜散場(chǎng)線的分布曲線和范圍。
步驟6，判斷設(shè)計(jì)的參數(shù)是否滿足實(shí)際使用要求以及超導(dǎo)線材JC(B)特性。
由于遺傳模擬退火混和算法的引入，本發(fā)明的方法具有很強(qiáng)的全局尋優(yōu)能力，在求解速度和質(zhì)量上都遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)方法，可以獲得磁體的全局最優(yōu)參數(shù)。本發(fā)明的方法既可用于對(duì)稱超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)，也可以用于非對(duì)稱磁體的設(shè)計(jì)。



圖1、線圈設(shè)計(jì)區(qū)域示意圖； 圖2、超導(dǎo)線圈的設(shè)計(jì)流程圖； 圖3電流分布圖； 圖4、磁體的線圈截面圖； 圖5、磁場(chǎng)分布圖； 圖6、均勻區(qū)磁場(chǎng)的均勻度； 圖7、5高斯線的屏蔽磁場(chǎng)位置。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的設(shè)計(jì)方法流程如下 圖1為設(shè)計(jì)區(qū)域示意圖。主線圈電流層的半徑R1＝0.55m，屏蔽線圈點(diǎn)流層的半徑取R2＝0.8m。長(zhǎng)度L1＝L2＝1.5m，每層電流分割為n＝100份。中心磁場(chǎng)設(shè)為1.0T，目標(biāo)點(diǎn)在半徑Rdsv＝0.225m，均勻度為5ppm，θ從-5π/6到5π/6的圓弧上均勻選取m＝301個(gè)點(diǎn)。在短半軸為5m，長(zhǎng)半軸為6m，θ從-π/6到π/6的半橢圓上也均勻選取m＝51個(gè)點(diǎn)，雜散磁場(chǎng)取Bs＝5G。
圖2所示為磁體設(shè)計(jì)的流程圖，如圖2所示，以下為具體實(shí)施步驟 步驟1獲得電流源數(shù)目和位置坐標(biāo)。
將主線圈和屏蔽線圈電流層長(zhǎng)度分割為n＝100份。目標(biāo)點(diǎn)在半徑Rdsv＝0.225m圓弧上，圓心角θ從-5π/6到5π/6的均勻選取m＝301個(gè)點(diǎn)，均勻度為5ppm。取橢圓形屏蔽區(qū)域，短半軸為5m，長(zhǎng)半軸為6m，圓心角θ從-π/6到π/6的半橢圓上也均勻選取m＝51個(gè)點(diǎn)，雜散磁場(chǎng)取Bs＝5G。
構(gòu)建磁場(chǎng)和電流的線性方程所構(gòu)建磁場(chǎng)和電流的線性方程即所述的方程(1)、(2)、(3)，使用高斯賽德?tīng)柕椒ㄇ蠼?。步驟1得到的電流分布圖如圖3所示。
步驟2獲得每一個(gè)電流源的電流值。
根據(jù)步驟(1)電流分布圖；在電流峰值位置布置電流源，從而可以獲得電流源的數(shù)目和位置坐標(biāo)；然后重復(fù)第1步解方程，可以獲得電流源的電流值。
步驟3獲得主線圈電流源數(shù)目和位置。
從圖3中可以看到主線圈電流層分布變化比較劇烈，這樣不利于線圈的工程化設(shè)計(jì)。因此僅將屏蔽線圈電流層作為設(shè)計(jì)依據(jù)。
根據(jù)步驟(2)得到的屏蔽線圈使用矩形截面，考慮wihiJ＝∑Ii，Ii為步驟(2)求解得到的屏蔽線圈電流環(huán)的電流，J為設(shè)定的電流密度，設(shè)計(jì)徑向厚度hi是軸向厚度wi的0.7倍，從而可以得到屏蔽線圈的初始截面hi和wi。將屏蔽線圈作為背景磁場(chǎng)線圈。重復(fù)(1)和(2)解方程，得到新的主線圈電流源的數(shù)目和位置。
步驟4采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化線圈截面。
將上面三步獲得電流源位置，幅值作為初始輸入，用方程wihiJ＝Ii，得到主線圈中心坐標(biāo)(Ri，Zi)和線圈初始截面(wi，hi)，其中，i＝1，2，…，N，N為電流峰值的數(shù)目，wi和hi是每一個(gè)電流源的寬度和高度。
將線圈截面參數(shù)x作為優(yōu)化變量，每個(gè)線圈取Ri，Zi，hi，wi參數(shù)，電流源的數(shù)目是N。即x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)。線圈優(yōu)化開(kāi)始之前，要設(shè)定線圈中心軸線Ri在半徑方向的變化量、線圈尺寸wi在軸向變動(dòng)量和hi在徑向的變動(dòng)量。
如發(fā)明內(nèi)容中描述，最小化權(quán)重磁場(chǎng)之差平方函數(shù)，采用遺傳模擬退火混和算法，將自適應(yīng)模擬退火算法嵌套在遺傳算法中，對(duì)線圈截面進(jìn)行優(yōu)化。
步驟5輸出參數(shù)計(jì)算相關(guān)參量。
畫(huà)出線圈的結(jié)構(gòu)圖，磁體線圈優(yōu)化以后截面圖如圖4所示。磁場(chǎng)分布如圖5所示，最高磁場(chǎng)為4.78T，出現(xiàn)在端部線圈的位置。磁場(chǎng)在均勻區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)分布，磁場(chǎng)的均勻度如圖6所示，可以看出，滿足半徑Rdsv＝0.225m，均勻度5ppm的設(shè)計(jì)指標(biāo)。5G屏蔽磁場(chǎng)等位線如圖7所示，距中心的距離，徑向小于5m，軸向小于6m。
步驟6判斷設(shè)計(jì)的參數(shù)是否符合實(shí)際使用要求，以及是否滿足超導(dǎo)線材Jc(B)特性。
設(shè)計(jì)完成后，整個(gè)磁體的長(zhǎng)度為1.37m，超導(dǎo)線用量為110.11km，運(yùn)行電流密度J＝1.2×108，滿足工程超導(dǎo)材料的電流密度特性。表1為本實(shí)施實(shí)例設(shè)計(jì)完成以后的線圈參數(shù)，J為“—”為屏蔽線圈，表示取反向電流，“+”表示取正向電流。
表權(quán)利要求
1、一種磁共振裝置超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述方法首先根據(jù)磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈和和屏蔽線圈的電流分布圖，然后在電流分布圖基礎(chǔ)上得到屏蔽線圈初始截面；以屏蔽線圈磁場(chǎng)為背景磁場(chǎng)，再次采用磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈電流分布圖，從而得到主線圈初始截面；在主線圈和屏蔽線圈初始截面的基礎(chǔ)上，采用遺傳模擬退火混和算法對(duì)線圈截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最優(yōu)的線圈配置。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁共振裝置超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述設(shè)計(jì)方法的具體步驟為
首先定義超導(dǎo)磁體的初始參數(shù)均勻磁場(chǎng)區(qū)DSV半徑Rdsv、均勻磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度BOz、室溫孔徑、主線圈內(nèi)半徑R1，再確定超導(dǎo)線圈的電流層分布區(qū)域主線圈分布的圓柱電流層表面和屏蔽線圈圓柱電流層表面；根據(jù)均勻磁場(chǎng)區(qū)DSV半徑Rdsv和主線圈內(nèi)半徑R1，計(jì)算得到主線圈的長(zhǎng)度L1與屏蔽線圈長(zhǎng)度L2；在橢圓邊界上選取雜散場(chǎng)范圍
步驟1，獲得電流源數(shù)目和位置坐標(biāo)在所述的主線圈和屏蔽線圈分布的兩個(gè)電流層中，在主線圈和屏蔽線圈的長(zhǎng)度方向上分段，將主線圈長(zhǎng)度L1劃分為n1段，屏蔽線圈長(zhǎng)度L2劃分為n2段，一般取n1、n2的值相等，大于100；在半徑為Rdsv，圓心角θ從0到π的均勻磁場(chǎng)區(qū)半圓上均勻選取m個(gè)點(diǎn)作為均勻區(qū)磁場(chǎng)目標(biāo)點(diǎn)，m取大于100，用于均勻區(qū)磁場(chǎng)計(jì)算；在短半軸為a，長(zhǎng)半軸為b，θ從0到π的半橢圓上均勻選取m個(gè)點(diǎn)，用于雜散磁場(chǎng)區(qū)計(jì)算；
根據(jù)主線圈和屏蔽線圈共同作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)，建立磁場(chǎng)和電流的線性方程
(均勻區(qū)方程)， (1)
式中電流環(huán)磁場(chǎng)求解系數(shù)aij＝Kz(ri，zi，rj，zj)，目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目i＝1，2，3，...m，電流環(huán)數(shù)目j＝1，2，3，...，n1+n2，電流環(huán)半徑ri＝Rdsvsinθi，軸向位置zi＝Rdsvcosθi，目標(biāo)點(diǎn)的空間角θi＝(i-1)π/(m-1)；
i＝m+1，m+2，...2m(雜散場(chǎng)方程)， (2)
式中Kr、Kz分別為雜散磁場(chǎng)的徑向和軸向磁場(chǎng)系數(shù)，電流環(huán)半徑ri＝asinθi，軸向位置zi＝bcosθi，目標(biāo)點(diǎn)的空間角θi＝(i-1-m)π/(m-1)；
所述方程(1)、(2)用矩陣的形式表示為AI＝B，
其中A為電流環(huán)磁場(chǎng)系數(shù)組成的矩陣，為2m×(n1+n2)維矩陣；I為待求解的電流環(huán)電流，為n1+n2維未知向量；B為均勻區(qū)和雜散場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)組成的向量，為2m維常向量；選取2m>n1+n2，正則化之后的方程為
(ATA+αLTL)I＝ATBz， (3)
正則化因子α＝10-15，L為磁體長(zhǎng)度為元素的(n1+n2)×(n1+n2)維對(duì)角矩陣；
用高斯賽德?tīng)柕椒ㄇ蠼馑龇匠?，得到電流I沿主線圈和屏蔽線圈分別在各自圓柱表面的連續(xù)電流分布；
步驟2，獲得每一個(gè)電流源的電流值根據(jù)所述步驟1求得的電流分布，在電流峰值位置布置電流源，獲得電流源的數(shù)目和位置坐標(biāo)；將得到的電流源作為場(chǎng)源，代入步驟1所述的方程(1)、(2)和(3)，求解得到電流源的電流值；
步驟3，獲得主線圈電流源數(shù)目和位置設(shè)定屏蔽線圈截面，以屏蔽線圈磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，重復(fù)所述步驟1和步驟2，求解主線圈電流源數(shù)目和位置；
步驟4，采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化線圈截面將所述步驟1-3獲得的電流位置和幅值作為初始參數(shù)，以最小化權(quán)重磁場(chǎng)之差平方函數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化線圈截面；
步驟5，輸出參數(shù)計(jì)算相關(guān)參量輸出線圈的結(jié)構(gòu)圖、磁場(chǎng)在均勻區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)分布和等位線、線圈的最大磁場(chǎng)、5Gauss線的分布曲線和范圍；
步驟6，判斷設(shè)計(jì)的參數(shù)是否滿足實(shí)際使用需要及超導(dǎo)線材JC(B)特性。
3、按照權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3獲得主線圈電流源數(shù)目和位置的具體實(shí)施方法為由所述2得到的屏蔽線圈電流源的位置(Ri，Zi)和幅值(I)，將屏蔽線圈形狀初步定義為線圈沿徑向的厚度是沿軸向長(zhǎng)度的0.7倍，以屏蔽線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作為背景磁場(chǎng)，重復(fù)步驟1，2，構(gòu)建屏蔽線圈背景磁場(chǎng)條件下均勻區(qū)的電流—磁場(chǎng)線性方程
B′0z為考慮了屏蔽線圈磁場(chǎng)的均勻區(qū)場(chǎng)強(qiáng)，電流環(huán)磁場(chǎng)求解系數(shù)aij＝Kz(ri，zi，rj，zj)，目標(biāo)點(diǎn)數(shù)目i＝1，2，3，...m，電流環(huán)數(shù)目j＝1，2，3，...，n1+n2，電流環(huán)半徑ri＝Rdsvsinθi，軸向位置zi＝Rdsvcosθi，目標(biāo)點(diǎn)的空間角θi＝(i-1)π/(m-1)；
求解該方程得到主線圈的電流源的數(shù)目、近似位置和幅值。
4、按照權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，在所述步驟4中，采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化線圈截面的具體步驟為
取目標(biāo)向量f(x)＝(f1(x)，f2(x)，…，fm(x)，fm+1(x)，…，f2m(x))T，使用在均勻區(qū)、雜散場(chǎng)磁場(chǎng)和希望的磁場(chǎng)值之差的平方和權(quán)重之積作為目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)F(x)即
其中，x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)為線圈截面參數(shù)向量，(Ri，Zi)為線圈中心坐標(biāo)，(wi，hi)為線圈初始截面。fi(x)為目標(biāo)點(diǎn)的實(shí)際磁場(chǎng)和設(shè)計(jì)值得偏差，如式6、7所示。
均勻區(qū)fi(x)＝ω1(Bzi-B0z)，i＝1，2，3，...m，(6)
雜散場(chǎng)
式中，Bzi為均勻區(qū)磁場(chǎng)值，Bsi為雜散磁場(chǎng)值，ω1和ω2分別均勻區(qū)和雜散場(chǎng)的偏差權(quán)重因子，取ω1＝106，取ω2＝10，m為目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)目；
采用遺傳模擬退火混和算法優(yōu)化，即在遺傳算法中，嵌套自適應(yīng)模擬退火算法，對(duì)遺傳適應(yīng)度進(jìn)行定標(biāo)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的混合算法；遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)選取式5，交叉率和選擇率引入模擬退火溫度分布
E(r)為r狀態(tài)的能量，KB為波爾茲曼常數(shù)，E為分子能量的一個(gè)隨機(jī)變量，Z(T)為概率分布的標(biāo)準(zhǔn)化因子，T為退火的溫度；
優(yōu)化結(jié)束時(shí)，求解得到線圈截面參數(shù)x＝(Ri，Zi，hi，wi；i＝1，2，...，N)，完成線圈截面參數(shù)的設(shè)計(jì)。
全文摘要
一種磁共振裝置超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，首先根據(jù)磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈和和屏蔽線圈的電流分布圖，然后在電流分布圖基礎(chǔ)上得到屏蔽線圈初始截面；以屏蔽線圈磁場(chǎng)為背景磁場(chǎng)，再次采用磁場(chǎng)約束條件獲得主線圈電流分布圖，從而得到主線圈初始截面；在主線圈和屏蔽線圈初始截面的基礎(chǔ)上，采用遺傳模擬退火混和算法對(duì)線圈截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得最優(yōu)的線圈配置。本發(fā)明可以同時(shí)設(shè)計(jì)主線圈和屏蔽線圈。
文檔編號(hào)G01R33/38GK101533077SQ200910082180
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者王春忠, 王秋良, 王厚生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所