专利名称：一种用于磁共振成像超导磁体的优化设计方法
技术领域：
本发明属于应用超导技术领域，尤其涉及一种对包含主线圈和屏蔽线圈结构的螺管型超导磁体进行优化设计的方法。
背景技术：
磁共振成像(MRI)是利用生物体的磁性核(主要是氢核)在磁场中所表现出的核磁共振特性来进行成像的高新技术。磁共振成像(MRI)设备主要由主磁体、扫描床、梯度线圈、射频线圈、谱仪系统、控制柜、人机对话的操作台、计算机和图像处理器等构成。主磁体是MRI设备的主要构成部分，用于产生均勻静磁场，它决定着MRI设备的图像质量和工作效率。同时，主磁体也是MRI设备中制造成本最大，运行费用最高的部分。MRI 对磁场的强度、均勻度和稳定度有严格要求，这三项是主磁体最重要的指标。相对永磁体来说，超导磁体是强度、均勻度和稳定度都更高的磁场，所以可以用来获取更加清晰的图像。由于分布于超导磁体系统之外的漏磁场会对周围环境带来不利的影响，如10高斯数量级的磁场就有可能导致一些电子设备不能正常工作，并使带心脏起搏器的病人有生命危险，100高斯数量级的磁场就可能会使计算机系统工作异常，因此考虑到某些场所对漏磁场的限制，需要限制超导磁体的杂散场范围。MRI主磁体的磁场屏蔽方式包括被动屏蔽和主动屏蔽两类。采取被动屏蔽方式时， 需要在磁体周围安置铁磁材料来屏蔽漏磁场，结构简单，但体积和重量都很大，且对磁场的均勻性也会产生影响。目前一般采用主动屏蔽方式，即通过在主线圈的外部增加通反向电流的屏蔽线圈来降低磁体外部的杂散场，从而缩小磁体的杂散场范围。高均勻度磁共振成像磁体的电磁设计指标主要有(1)成像区域(Diameter Sensitive Volume，DSV)，一般定义为直径为D的球形区域。(2)中心场B。，指成像区域中心点处的磁感应强度值。(3)磁场均勻度η (峰峰值)，计算公式为η = ^max ~ Bmm XIO6(ppm)
B0其中，Bmax和Bmin分别为DSV中磁感应强度的最大值和最小值。(4)杂散场范围，一般指磁体通以工作电流时所产生磁场的5 等位线所包围的区域。磁共振成像(MRI)超导磁体的优化设计是磁体制作的基础，并且对整个MRI设备的成像质量及生产成本控制起到非常重要的作用。以往的MRI超导磁体的设计方法一般可以归结为两大类，一类是直接寻优法，即预先选定好工作电流和磁体的基本结构，以磁体的结构参数为自变量，计算出DSV内的磁场分布及杂散场范围，用优化算法对磁体的结构参数进行优化，直接求得磁体的结构。这里寻优算法可以为模拟退火算法或遗传算法，它们具有较强的全局寻优能力，但是由于MRI主磁体的优化问题是一个多参数、多目标的非线性规划问题，并且需要预先确定磁体的基本结构，所以直接对磁体的结构参数进行优化具有很大的盲目性，不易得到全局最优结果。另一类为函数方法，即把磁体的结构进行简化，一般简化为圆柱形电流层，再基于螺管磁场的勒让德函数展开式，通过改变空间的电流分布来消除高阶分量，达到勻场的目的，当采用主动屏蔽方式时，再加上杂散场范围的约束。用优化算法对电流分布进行优化， 得到优化的电流分布以后，再将电流分布变为矩形截面的线圈，得到最终的线圈结构。这种方法可以在解空间的局部找到磁体的优化结果，但是仍然较难获得主磁体的全局最优结果。在上述两种方法的最后阶段，在实际绕制磁体时，需要考虑超导线截面尺寸，对线圈尺寸进行离散化处理，对位置和半径进行取整，在取整和离散后，磁体的均勻性等指标通常会有明显下降，使设计结果偏离最优解。而本发明提出的方法则能够得到满足设计要求的全局最优解，并且所得设计结果为整数匝，有效地避免了通常方法中的取整误差。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁共振成像超导磁体的优化设计方法， 通过这种方法可以简洁高效地找到满足设计要求的全局最优解，并且所得设计结果为整数匝，可以有效地避免取整误差。为解决上述技术问题，本发明采用了如下打破常规的技术方案，该方法用于设计包含主线圈和屏蔽线圈结构的螺管型超导磁体，包括以下具体步骤步骤(1)，根据所述超导磁体的成像区要求，建立圆柱坐标系，所述圆柱坐标系的 ζ轴与所述超导磁体的中轴重合；步骤(2)，根据所述超导磁体的磁场设计要求和空间约束条件，预先确定所述主线圈和屏蔽线圈的可行载流区以及所述可行载流区的最大磁感应强度，选择超导带材并确定运行电流ι。ρ ；步骤(3)，根据所述超导带材的横截面尺寸，将所述可行载流区进行矩形网格化处理，使所述每个网格的轴向尺寸等于所述超导带材宽度的整数倍，径向尺寸等于所述超导带材厚度的偶数倍，根据所述网格尺寸相应调整所述可行载流区的边界，得到nl个主线圈可行载流区网格、n2个屏蔽线圈可行载流区网格及各网格中心位置的空间坐标，所述nl和 n2均为整数；步骤，计算每个网格通以运行电流I。p时对各考察点磁场的ζ向分量的贡献及每个网格所含超导带材的长度；步骤(5)，利用0-1规划算法对所述可行载流区进行规划，得到初步的电流分布， 如果得不到可行解或得到的结果不易进行下一步的矩形化，则返回步骤O)；步骤(6)，在所得初步电流分布中，根据各区块的形状接近矩形的程度和其对磁场均勻度的影响程度，按顺序对每个区块进行矩形化，得到所述主线圈和屏蔽线圈的最终截面参数；步骤(7)，判断所述最终截面参数是否能够工程实现及是否满足所选超导带材的 Jc(B)特性，若满足则优化终止，若不满足则返回步骤O)。优选的，所述步骤⑷中，将通以运行电流I。p时的网格等效为位于所述网格中心位置的电流环；计算第i个网格的电流环在第j个考察点处产生的磁场的ζ向分量BzM = BijI 计算第i个网格所含超导带材的长度=Li = 2ηπΓ ；其中
权利要求
1.一种用于磁共振成像超导磁体的优化设计方法，所述方法用于设计包含主线圈和屏蔽线圈结构的螺管型超导磁体，其特征在于，所述优化设计方法包括以下具体步骤步骤(1)，根据所述超导磁体的成像区要求，建立圆柱坐标系，所述圆柱坐标系的Z轴与所述超导磁体的中轴重合；步骤O)，根据所述超导磁体的磁场设计要求和空间约束条件，预先确定所述主线圈和屏蔽线圈的可行载流区和估计所述可行载流区的最大磁感应强度，选择超导带材并确定运行电流ι。ρ ；步骤(3)，根据所述超导带材的横截面尺寸，将所述可行载流区进行矩形网格化处理， 使所述每个网格的轴向尺寸等于所述超导带材宽度的整数倍，径向尺寸等于所述超导带材厚度的偶数倍，根据所述网格尺寸相应调整所述可行载流区的边界，得到nl个主线圈可行载流区网格、n2个屏蔽线圈可行载流区网格及各网格中心位置的空间坐标，所述nl和n2均为整数；步骤，计算每个网格通以运行电流Ι。ρ时对各考察点磁场的ζ向分量的贡献及每个网格所含超导带材的长度；步骤(5)，利用0-1规划算法对所述可行载流区进行规划，得到初步的电流分布，如果得不到可行解或得到的结果不易进行下一步的矩形化，则返回步骤O)；步骤(6)，在所得初步电流分布中，根据各区块的形状接近矩形的程度和其对磁场均勻度的影响程度，按顺序对每个区块进行矩形化，得到所述主线圈和屏蔽线圈的最终截面参数；步骤(7)，判断所述最终截面参数是否能够工程实现及是否满足所选超导带材的Je(B) 特性，若满足则优化终止，若不满足则返回步骤(2)。
2.按照权利要求1所述的磁共振成像超导磁体的优化方法，其特征在于，所述步骤(4) 中，将通以运行电流Ι。ρ时的网格等效为位于所述网格中心位置的电流环；计算第i个网格的电流环在第j个考察点处产生的磁场的ζ向分量Bzu = BijI ；计算第i个网格所含超导带材的长度=Li = 2ηπΓ ；其中
3.按照权利要求1所述的磁共振成像超导磁体的优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在利用0-1规划算法对可行载流区进行规划时，引入ei因子，计算各个考察点磁场的ζ 向分量
4.按照权利要求3所述的磁共振成像超导磁体的优化方法，其特征在于，所述步骤(5) 中，在利用0-1规划算法对可行载流区进行规划时，以用线量最少为优化目标，以所述超导磁体的中心场强度、磁场均勻度及杂散场为约束条件。
5.按照权利要求1所述的磁共振成像超导磁体的优化方法，其特征在于，在所述步骤 (6)中，对所得初步电流分布的每个区块进行矩形化的具体步骤为考察经过0-1规划算法得到的磁体初步电流分布中各个分离的区块对磁场均勻度的影响程度，找到影响最强的一个，然后固定其他区块不变，对该区块进行矩形化，得到满足条件的结果后，再对下一个区块利用同样的方法进行矩形化。
全文摘要
本发明公开了一种用于磁共振成像超导磁体的优化设计方法，该方法用于设计包含主线圈和屏蔽线圈结构的螺管型超导磁体；根据所述超导带材的横截面尺寸，将所述可行载流区进行矩形网格化处理，使所述每个网格的轴向尺寸等于所述超导带材宽度的整数倍，径向尺寸等于所述超导带材厚度的偶数倍；以用线量最少为优化目标，以所述超导磁体的中心场强度、磁场均匀度及杂散场为约束条件，利用0-1规划算法得到主线圈和屏蔽线圈的初步电流分布；再按顺序把超导磁体的不同区块进行矩形化得到最终优化结果。利用这种方法可以得到满足设计要求的全局最优解，并且所得设计结果为整数匝，有效地避免了通常方法中的取整误差。
文档编号G01R33/3815GK102176368SQ201110029019
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月24日 优先权日2011年1月24日
发明者侯治龙, 姚卫超, 宁飞鹏, 张国庆, 朱自安, 李培勇, 杜晓纪, 王兆连, 王美芬, 胡金刚, 赵玲, 马文彬 申请人:中国科学院高能物理研究所, 潍坊新力超导磁电科技有限公司