一种超导匀场调控方法

1.本发明属于磁共振领域，具体涉及一种超导匀场调控方法。


背景技术：

2.磁共振用超导磁体不仅要求磁体具有足够的磁场强度，同时要求磁体具有足够高的磁场均匀度，磁场均匀度不达标将导致整个磁共振仪器无法正常使用。然而，超导磁体在绕制、装配、运输、冷却等过程中不可避免地会引入工程误差，造成中心区域磁场均匀度损失，这样的磁场环境不能直接用于磁共振检测。为了提高磁体中心区域内磁场均匀度，常用的方法是引入额外的匀场装置，即通过对一种或多种匀场装置的综合应用，最终将中心区域的磁场均匀度提升至磁共振分析所需的水平。常规中低场磁共振超导磁体一般采用铁片和室温匀场方法即可将磁场均匀度提升至可用水平，而高场磁共振超导磁体的均匀场形成方法比着中低场超导磁体有着显著的挑战。高场磁共振超导磁体由于磁场强度高，磁场不均匀谐波分量大，仅使用铁片和室温匀场方法难以将强度很大的磁场不均匀谐波分量有效消除，因而有必要引入超导匀场装置。超导匀场能够加载很高的运行电流，相比铁片和室温匀场具有非常高的灵敏度，能够有效消除高场超导磁体磁场中的高强度的不均匀谐波分量，而且超导匀场线圈和磁体线圈一样被包围在低温容器中，工作温度稳定，导线中的电流能够持续运行。通过超导匀场线圈调整后的高场磁共振主磁场均匀度得到显著提高，并且这种改善后的磁场能够稳定保持，可以认为超导匀场系统不受外界环境干扰。因此，高性能的超导匀场方法对于高场超导磁体技术在磁共振上的应用转化有着重要意义。
3.中国发明专利cn114236440a公布了一种匀场方法，其采用的思路以初始磁场分布为基础，设定目标磁场，通过调整匀场线圈电流以及结构参数来实现最终的匀场效果，其所用的匀场线圈非超导线圈，所用的线圈结构非固定结构，所用的优化策略不考虑多个线圈组合条件下单个线圈的逐步优化；国际发明专利wo2021/109847a1公布了一种磁共振成像的匀场控制方法，针对磁共振高阶谐波难以抵消的问题，提出了线圈阵列匀场方法，根据实际磁场分布的球谐波函数表达以及线圈阵列的核函数，确定线圈阵列中与成像区域对应的各基本线圈的目标电流值，其所用的匀场线圈非超导线圈，所用的线圈为阵列结构不同于本发明中的谐波线圈结构，所用的线圈电流根据实际磁场的球谐波函数展开来确定，不同于本发明中根据匀场线圈的设计磁场与实测磁场的拟合求解方法来确定匀场线圈电流。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决磁共振超导磁体在使用超导匀场线圈进行匀场时候的电流调控精准度问题，具体表现在超导匀场线圈绕制、粘贴等带来的磁场偏差问题，超导线圈串联连接时的磁场方向性问题，超导匀场装置装配时候的轴向位置和周向相位偏差问题，多个超导匀场线圈电流加载时的电磁耦合及综合性误差问题。本发明给出了解决上述问题的一种思路，公布了相应的优化方法和操作步骤。
5.本发明的超导匀场调控方法的技术方案如下：
6.第一步，逐个打开超导匀场线圈，通过加热超导开关来消除超导匀场线圈中的感应电流；
7.第二步，测量磁体中心区域中心轴上的磁场分布，以作为基础磁场，然后打开一个轴向超导匀场线圈，加载一定强度的电流后，闭合该轴向超导匀场线圈，再次测量磁体中心区域中心轴上的磁场分布，然后打开该轴向超导匀场线圈，退去该轴向超导线圈内的电流，如此操作进行其他轴向超导匀场线圈的测量，接着测量磁体中心区域球面上的磁场分布，以作为基础磁场，然后打开一个径向超导匀场线圈，加载一定强度的电流后，闭合该径向超导匀场线圈，再次测量磁体中心区域球面上的磁场分布，然后打开该径向超导匀场线圈，退去该径向超导匀场线圈内的电流，如此操作进行其他径向超导匀场线圈的测量；
8.第三步，将测量得到的超导匀场线圈磁场和相应的基础磁场做差，得到超导匀场线圈的净磁场，超导匀场线圈至少包括一阶匀场线圈，即轴向z1超导匀场线圈，径向x超导匀场线圈和径向y超导匀场线圈，根据z1超导匀场线圈的磁场方向确定z坐标轴方向以及z1超导匀场线圈的电流方向，根据x超导匀场线圈的磁场方向确定x坐标轴的方向以及x超导匀场线圈的电流方向，根据y超导匀场线圈的磁场方向确定y坐标轴的方向以及y超导匀场线圈的电流方向，然后以z坐标轴、x坐标轴、y坐标轴组成的笛卡尔坐标系为基准，根据其余超导匀场线圈的净磁场方向确定相应的电流方向；
9.第四步，再次逐个打开超导匀场线圈，通过加热超导开关来消除超导匀场线圈中的感应电流，测量磁体中心区域球面上的磁场分布，以作为初始磁场，然后根据第三步判定得到的超导匀场线圈的电流方向和空间方位，利用超导匀场线圈单位电流产生的磁场分布乘以相应待求解的电流强度来对初始磁场进行拟合运算，将上述计算得到的电流强度通入所有超导匀场线圈并闭合超导匀场线圈，然后测量磁体中心区域球面上的磁场分布并评估磁场均匀度；
10.第五步，将第四步匀场后的磁体中心区域球面上的磁场分布作为初始磁场，进一步采用单个超导匀场线圈进行匀场，计算每个超导匀场线圈单独使用时的预期磁场均匀度，并对所有超导匀场线圈单独使用时的预期磁场均匀度进行比较，取最优预期磁场均匀度的超导匀场线圈进行磁场调控，将上述计算得到的电流强度通入该超导匀场线圈并闭合该超导匀场线圈，然后测量磁体中心区域球面上的磁场分布，如此操作逐个进行其余的超导匀场线圈的磁场调控计算与测试，直至将磁场均匀度提升至最高水平。
11.进一步地，所述第一步，超导匀场线圈内是否存有残余感应电流的判定标准为：在对超导匀场线圈超导开关上的加热丝进行加热的时候，测量超导匀场线圈进出线两端是否有电压，如有电压则说明感应电流未完全消除，继续加热超导开关加热丝，直至超导匀场线圈进出线两端电压完全消失。
12.进一步地，所述第二步，每次对超导匀场线圈进行电流加载之前，对基础磁场进行测量，根据实际需要设定用于测量磁场分布的采样点数；对于轴向超导匀场线圈，由于磁场为圆周分布，所需的采样点数满足判定线圈电流方向即可；对于径向超导匀场线圈，由于磁场非圆周分布，所需采样点数满足既能够判定线圈电流方向，又能判断线圈在圆周方向的空间方位。
13.进一步地，所述第三步，将测量得到的超导匀场线圈的净磁场分布和理论计算得到的超导匀场线圈的磁场分布进行比对，找出两者的相位差，据此来判定得到超导匀场线
圈的电流方向和空间方位。
14.进一步地，所述第四步，线圈在成像区域内的磁场根据公式(1)进行计算：
[0015][0016]
其中，μ0为真空磁导率，m为线圈总匝数，n为每匝线圈的单元数，l
ij
为第i匝线圈第j单元的位置坐标，dl
ij
为线段l
ij
的方向向量，r为磁场点的位置坐标，ik为超导匀场线圈电流强度，b(r)为超导匀场线圈在磁场点r所产生的磁场强度；
[0017]
超导匀场线圈电流求解采用最小二乘法，即求解最优电流组合，使得中心区域内的磁场不均匀度最小，相应的优化方程如公式(2)和(3)所示：
[0018]
最小化：
[0019]
约束条件：-i
max
≤i≤i
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
其中，bn为磁体中心区域球面上第n个采样点的磁场强度，总共有s个采样点，a为磁场传递系数矩阵，即公式(1)中去除电流ik后的计算数值，i为超导匀场线圈电流向量，x为待求解的中心磁场强度，i
max
为超导匀场线圈允许通入的最大电流；
[0021]
磁场均匀度的计算如公式(4)所示：
[0022]
(max(b)-min(b))/mean(b)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]
其中，b为磁体中心区域球面上的磁场强度向量，max(b)为最大磁场强度值，min(b)为最小磁场强度值，mean(b)为磁场强度平均值。
[0024]
进一步地，所述第五步，超导匀场线圈单独使用时的优化方程如公式(5)和(6)所示：
[0025]
最小化：
[0026]
约束条件：-i
max
≤ik≤i
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0027]
这里ak为第k个超导匀场线圈的磁场传递系数矩阵，其他参数含义与公式(2)和(3)相同。
[0028]
有益效果：
[0029]
本发明的超导匀场调控方法用于超导匀场操作具有很高的稳定性，能够很好地降低匀场线圈制作误差，消除超导匀场装置的装配偏差，减轻多线圈互作用耦合干扰，从而显著提高超导磁体磁场均匀度。
附图说明
[0030]
图1为本发明的超导匀场调控方法操作步骤；
[0031]
图2为超导匀场装置与超导磁体的位置示意图；
[0032]
图3为超导匀场线圈连接示意图；
[0033]
图4为超导匀场线圈的磁场分布规律；
[0034]
附图标记说明：1为超导匀场装置、2为超导磁体、3为超导匀场线圈、4为超导开关、5为超导开关加热丝引线、6为超导匀场线圈引线。
具体实施方式
[0035]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036]
如图1所示，本发明所述超导匀场调控方法具体步骤如下：
[0037]
第一步，逐个打开超导匀场线圈，通过加热超导开关来消除超导匀场线圈中的感应电流，超导匀场线圈内是否存有残余感应电流的判定标准为：在对超导匀场线圈的超导开关加热丝进行加热的时候，超导匀场线圈进出线两端是否有电压，如有电压则说明感应电流未完全消除，需要继续加热超导开关加热丝，直至超导匀场线圈进出线两端电压完全消失；
[0038]
第二步，测量磁体中心区域中心轴上的磁场分布，此为基础磁场，然后打开一个轴向超导匀场线圈，加载一定强度的电流后，闭合该轴向超导匀场线圈，再次测量磁体中心区域中心轴上的磁场分布，然后打开该轴向超导匀场线圈，退去该轴向超导匀场线圈内的电流，如此操作进行其他轴向超导匀场线圈的测量，接着测量磁体中心区域球面上的磁场分布，此为基础磁场，然后打开一个径向超导匀场线圈，加载一定强度的电流后，闭合该径向超导匀场线圈，再次测量磁体中心区域球面上的磁场分布，然后打开该径向超导匀场线圈，退去该径向超导匀场线圈内的电流，如此操作进行其他径向超导匀场线圈的测量，该步骤中每次对超导匀场线圈进行电流加载之前，都需要对基础磁场进行测量，另外，用于测量磁场分布的采样点数可根据实际需要进行设定，对于轴向超导匀场线圈由于其磁场为圆周分布，所需的采样点数能够判定线圈电流方向即可；对于径向超导匀场线圈，由于其磁场非圆周分布，所需采样点数需要既能够判定线圈电流方向，又能判断线圈在圆周方向的空间方位；
[0039]
第三步，将测量得到的超导匀场线圈磁场和相应的基础磁场做差，得到超导匀场线圈3的净磁场，超导匀场线圈至少包括一阶匀场线圈，即轴向z1超导匀场线圈，径向x超导匀场线圈和径向y超导匀场线圈，根据z1超导匀场线圈的磁场方向确定z坐标轴方向以及z1超导匀场线圈的电流方向，根据x超导匀场线圈的磁场方向确定x坐标轴的方向以及x超导匀场线圈的电流方向，根据y超导匀场线圈的磁场方向确定y坐标轴的方向以及y超导匀场线圈的电流方向，然后以z坐标轴、x坐标轴、y坐标轴组成的笛卡尔坐标系为基准，根据其余超导匀场线圈的净磁场方向确定相应的电流方向，该步骤中需要将测量得到的超导匀场线圈的净磁场分布和理论计算得到的超导匀场线圈的磁场分布进行比对，找出两者的相位差，据此来判定得到超导匀场线圈的电流方向和空间方位；
[0040]
第四步，再次逐个打开超导匀场线圈，通过加热超导开关来消除超导匀场线圈中的感应电流，测量磁体中心区域球面上的磁场分布，此为初始磁场，然后根据第三步判定得到的超导匀场线圈的电流方向和空间方位，利用超导匀场线圈单位电流产生的磁场分布乘以相应待求解的电流强度来对初始磁场进行拟合运算，将上述计算得到的电流强度通入所有超导匀场线圈并闭合超导匀场线圈，然后测量磁体中心区域球面上的磁场分布并评估磁场均匀度，线圈在成像区域内的磁场可以根据公式(1)进行计算：
[0041][0042]
其中μ0为真空磁导率，m为线圈总匝数，n为每匝线圈的单元数，l
ij
为第i匝线圈第j单元的位置坐标，dl
ij
为线段l
ij
的方向向量，r为磁场点的位置坐标，ik为超导匀场线圈电流强度，b(r)为超导匀场线圈在磁场点r所产生的磁场强度。
[0043]
超导匀场线圈电流求解采用最小二乘法，即求解最优电流组合，使得中心区域内的磁场不均匀度最小。相应的优化方程如公式(2)和(3)所示：
[0044]
最小化：
[0045]
约束条件：-i
max
≤i≤i
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0046]
其中，bn为磁体中心区域球面上第n个采样点的磁场强度，总共有s个采样点，a为磁场传递系数矩阵，即公式(1)中去除电流ik后的计算数值，i为超导匀场线圈电流向量，x为待求解的中心磁场强度，i
max
为超导匀场线圈允许通入的最大电流。
[0047]
磁场均匀度的计算如公式(4)所示。
[0048]
(max(b)-min(b))/mean(b)
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(4)
[0049]
其中b为磁体中心区域球面上的磁场强度向量，max(b)为最大磁场强度值，min(b)为最小磁场强度值，mean(b)为磁场强度平均值；
[0050]
第五步，将第四步匀场后的磁体中心区域球面上的磁场分布作为初始磁场，进一步采用单个超导匀场线圈进行匀场，计算每个超导匀场线圈单独使用时的预期磁场均匀度，并对所有超导匀场线圈单独使用时的预期磁场均匀度进行比较，取最优预期磁场均匀度的超导匀场线圈进行磁场调控，超导匀场线圈单独使用时的优化方程如公式(5)和(6)所示：
[0051]
最小化：
[0052]
约束条件：-i
max
≤ik≤i
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0053]
这里ak为第k个超导匀场线圈的磁场传递系数矩阵，其他参数含义与公式(2)和(3)相同。
[0054]
将上述计算得到的电流强度通入该超导匀场线圈并闭合该超导匀场线圈，然后测量磁体中心区域球面上的磁场分布，如此操作逐个进行其余的超导匀场线圈的磁场调控计算与测试，直至将磁场均匀度提升至最高水平。
[0055]
本发明所涉及的超导匀场装置1安装在超导磁体2中，如图2所示，假定超导磁体2水平方向为x轴，竖直方向为y轴，沿超导磁体2轴向为z轴，而超导匀场装置1在装配到超导磁体2中后所处的空间方位并不确定。根据本发明中第二步和第三步操作判定得到的超导匀场线圈3实际空间方位表示为图中的x＇轴、y＇轴和z＇轴。
[0056]
图3显示了超导匀场线圈的连接示意图。超导匀场线圈3和相应的超导开关4形成闭合回路，每个超导开关4上面缠绕有加热丝，连接相应的超导开关加热丝引线5，所有超导匀场线圈3串联在一起，由一对超导匀场线圈引线6进行电流加载。
[0057]
图4为超导匀场线圈理论磁场分布，其中z1匀场线圈和z2匀场线圈所示曲线为超
导匀场装置1轴线上从-l到l的磁场分布，x匀场线圈、y匀场线圈、x2-y2匀场线圈、xy匀场线圈所示曲线为超导匀场装置中心对称平面位置周向上从0到2π的磁场分布，zx匀场线圈、zy匀场线圈所示曲线为超导匀场装置中心对称平面位置往z轴正方向l/2的平面位置周向上0到2π的磁场分布。上述理论磁场分布用于和实际测量得到的超导匀场线圈的净磁场分布进行比对，找出两者的相位差，据此来判定得到超导匀场线圈的电流方向和空间方位。
[0058]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。