[发明专利]MRI系统梯度线圈的有限差分设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像(简称MRI)系统中梯度线圈的有限差分设计方法。

背景技术

在磁共振成像领域中，关于梯度线圈，为得到均匀的梯度磁场，已经进行了大量的工作。主要有两种设计方法。一种是基于离散导线空间的方法，比如模拟退火法(S.Crozier and D.M.Doddrell，″Gradient-coil design by simulatedannealing，″J.Magn.Reson.A，vol.103，pp.354-357，1993.)；另一种是基于连续电流密度空间的设计方法，比如目标场法(R.Turner，″A target field approach tooptimal coil design，″Journal of Physics  D：Applied Physics，vol.19，pp.L147-L151，1986.)；以上两种方法各有优缺点。

基于离散导线空间的方法，先在线圈空间假定载流元素(环形或弧形)，然后利用随机优化方法来调整载流元素的位置以达到设计要求。如模拟退火法，Crozier等将圆映射到变形空间，形成鸡蛋形曲线，用来代表载流导线，然后用模拟退火法来调整导线的位置，电流，回路形状等。这种方法比较直接和容易实施，但是优化过程比较耗时。

基于连续电流密度空间的设计方法，是一种比较有效的设计方法，需要利用一个离散化过程来近似电流密度分布。对于规则形状的线圈结构，用解析式或者级数展开来表达线圈平面上的电流密度，如目标场法，用傅立叶解析式表示线圈平面上的电流密度，然后根据希望的目标场分布用傅立叶变换求解电流密度，利用FFT可以很迅速方便地实现这一过程；对于非规则线圈结构，对线圈空间进行网格划分，然后利用有限元或者边界元法(M.Poole and R.Bowtell，″Novel Gradient Coils Designed Using a Boundary Element Method，″Concepts inMagnetic Resonance Part B(Magnetic Resonance Engineering)，vol.31，pp.162-175，2007.)来近似电流密度分布。最后利用流函数方法将电流密度映射到导线分布。

发明内容

本发明的目的是提供一种MRI系统梯度线圈的有限差分设计方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：其MRI系统梯度线圈的有限差分设计方法包括以下各步骤：

(1)对MRI系统梯度线圈的线圈空间进行有限差分网格划分；

(2)对步骤(1)划分得到的各网格建立节点流函数和网格电流密度之间的有限差分关系；

(3)在MRI系统梯度线圈的磁场相关区域上选定约束场点并设定约束场点上的目标磁感应强度值，根据所述各约束场点的坐标、目标磁感应强度值和步骤(2)所建立的节点流函数和网格电流密度之间的有限差分关系，利用毕奥-萨伐定理建立关于各约束场点的目标磁感应强度与所有节点流函数之间的线性方程组；

(4)根据实际工程对MRI系统梯度线圈的相应要求建立关于所有节点流函数的工程约束罚函数，使用正则化方法求解步骤(3)所述的线性方程组，得到各节点流函数值；

(5)根据实际工程对MRI系统梯度线圈的电流大小要求，对步骤(4)得到的所有节点流函数值划分等流函数线，得到MRI系统梯度线圈的的电流分布样式。

进一步地，本发明所述MRI系统梯度线圈包括主线圈和屏蔽线圈，步骤(1)所述线圈空间包括主线圈和屏蔽线圈空间，步骤(3)所述相关区域包括MRI系统的感兴趣成像区域和屏蔽区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：可对任意表面进行有限差分网格的划分，适用于任意结构的梯度线圈系统，对于发展非传统结构的线圈系统有很大的优势；对于工程实际的线圈要求，比如电感最小化、功率最小化、线圈间距的最大化等，都可通过建立相应的罚函数来实现；本发明使用Tikhonov正则化方法求解逆问题，适于病态线性方程组求解。本发明方法不需要进行电流密度的解析式或级数展开，可以应用于任意结构的梯度线圈系统设计，同时也比应用有限元或边界元方法更为简单易行；同时考虑到现在已发展了采用差分法进行梯度线圈电磁生物效应的研究，本发明方法中差分法的应用使得线圈的设计可以融合到梯度线圈的电磁生物效应研究中去，可以更进一步地考察梯度线圈的安全性等问题。

附图说明

图1是双平面型X梯度线圈的配置结构及感兴趣区。

图2是双平面型X梯度主线圈空间的网格划分。