开放式磁共振系统梯度线圈磁场强度的计算方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种开放式磁共振系统的梯度线圈磁场强度的计算方法。
【背景技术】
[0002] 磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI)是利用核磁共振（nuclear magnetic resonance，简称NMR)原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同 的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置 和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。磁共振成像具有无电磁辐射、图像对比度高 以及可以任意方向断层成像等优点，是目前医学和科研领域的主要成像方法之一。
[0003] 开放式磁共振成像系统主要为双平面型结构，主要分为永磁型和超导型。开放式 永磁型磁共振分别在两个平面上放置大量永磁体，周围辅以铁磁性材料用来构成磁回路和 调整磁场均匀度；开放式超导型磁共振在两个彼此分离的扁平圆柱形低温容器内安装了多 对螺线管线圈，同样使用铁磁性材料用来构成磁回路和调整磁场均匀度。永磁体之间或低 温容器之间的竖直间隙提供了一个较大的开放空间，适合于全身/局部四肢成像诊断，能 够有效提升用户体验，避免幽闭恐惧症的发生。与此同时，近些年来提出了使用MRI进行介 入式治疗，这对MRI的开放度有了更高的要求，也进一步促进了开放式磁共振的研发和生 产。
[0004] 梯度线圈是MRI的一个重要组成部分。梯度线圈的主要功能是在成像区域产生三 个方向的线性梯度磁场，使成像区域内的每一个点都具有一个独特的、已知的磁场强度，为 MRI信号进行分层、相位编码和频率编码，对图像重建提供空间定位。因此梯度磁场的准确 与否，对MRI图像的失真与否有着很大的影响。
[0005] 除了永磁体或超导线圈外，开放式磁共振会使用大量铁磁性材料作为导磁回路和 磁场调整结构。而铁磁性材料在空间磁场中会产生磁化现象，在改变主磁场的同时，也会改 变梯度磁场。
[0006] 目前，常用的梯度线圈设计方法有两种：（1)离散电流技术。直接分离的导线代表 电流的分布情况，选择合适的线圈几何形状，将其所产生的磁场进行级数展开，然后根据可 获得的最佳线性梯度原则来优化线圈结构；（2)分布电流技术，主要是由1986年Tuner提 出的目标场法，先用分离变量法导出磁感应强度和电流密度的关系式，然后对该式按照傅 立叶一贝塞尔变换形式，再由给定的目标场进行相应的逆变换，即可获得电流密度的表达 式，最后借助离散化方法用有限绕组线圈近似表达电流密度。之后的许多方法都是建立在 以上两种方法的基础上进行拓展和衍生。但是上文所述的方法在设计阶段都不考虑线圈周 边的铁磁性材料情况。通常在大量铁磁性材料存在的环境中，利用上文所述方法得到的设 计结果，会存在较大的误差，从而导致磁共振图像的失真和扭曲。
[0007] 在开放式磁共振系统中，现有技术方法设计的梯度线圈面临成像区域内实际梯度 磁场强度严重偏离梯度磁场强度设计值的问题，从而导致最后得到的图像扭曲失真，失去 作为诊断依据的价值。因此如何快速准确地计算梯度线圈在开放式磁共振成像区域内产生 的梯度线圈磁场强度实际值，对于判断梯度线圈是否达标以及改进梯度线圈，提高磁共振 系统的成像质量具有重要的意义。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是克服现有开放式超导磁共振系统中，大量铁磁性材料导致梯度 磁场强度实际值与设计值误差太大的问题，提出一种开放式磁共振系统的梯度线圈磁场强 度的计算方法。
[0009] 本发明采用基于扇环单元的积分方程法，将靠近梯度线圈、对梯度磁场强度有明 显影响的铁磁性材料划分为扇环形状的铁磁性材料单元，求解每个铁磁性材料单元内的磁 化强度，从而计算出铁磁性材料对实际梯度磁场的影响，最后求得开放式磁共振系统存在 大量铁磁性材料时梯度线圈产生的实际梯度磁场强度。
[0010] 相对于现有方法，本发明具有快速、准确和对硬件条件要求低的特点。采用本发明 方法，根据开放式超导磁共振中铁磁性材料和梯度线圈的几何结构及几何尺寸，可以快速 准确地计算出开放式超导磁共振中梯度线圈加载梯度电流后在成像区域产生的梯度磁场 强度。通过成像区域内的梯度磁场强度实际值与梯度磁场强度设计值的比较，分析两者之 间的误差，可以准确地判断梯度线圈的设计方案是否满足实际使用需求，对梯度线圈的设 计和优化给出指导意见。
[0011] 本发明方法的步骤如下：
[0012] 首先，将靠近梯度线圈、对梯度磁场有明显影响的铁磁性材料划分为扇环形状的 铁磁性材料单元。采用毕萨定律计算梯度线圈在铁磁性材料单元质心和目标场点产生的磁 场强度；采用等效磁流法和毕萨定律计算各铁磁性材料单元在目标场点和其他铁磁性材料 单元质心产生的磁场强度系数矩阵。
[0013] 根据铁磁性材料的尺寸和材料特性、梯度线圈的结构和梯度电流的大小等数据， 先将铁磁性材料分别在径向、周向和轴向进行连续的网格划分，得到铁磁性材料单元。该铁 磁性材料单元形状为扇环，每个铁磁性材料单元内部的磁化强度为三维向量，且在各个铁 磁性材料单元内不随空间位置变化。然后在开放式超导磁共振系统的成像区域表面根据梯 度线圈不同，沿不同方向均匀选取不少于20个目标点作为目标场点，X方向梯度线圈沿X方 向选取，Y方向梯度线圈沿Y方向选取，Z方向梯度线圈沿Z方向选取。采用毕萨定律计算 梯度线圈在目标场点和铁磁性材料单元质心中产生的磁场强度；用等效磁流法和毕萨定律 计算各铁磁性材料单元在目标场点和其他铁磁性材料单元质心产生的磁场强度系数矩阵， 每一个系数矩阵均为3X3矩阵。
[0014] 其次，利用积分方程法通过建立方程组，计算所有铁磁性材料单元内的磁化强度， 并计算铁磁性材料单元的磁化强度在目标场点产生的磁场强度：
[0015] 根据磁场的线性叠加性，空间任一点上的磁场可分为源电流产生的磁场和磁化产 生的磁场。所建立方程组的未知量是各铁磁性材料单元质点上的磁场强度，该方程组为N 元一次方程组，N为铁磁性材料单元数量的三倍。方程的个数等于未知数个数，因此可求解 出唯一解，此解即为各铁磁性材料单元内的磁场强度。将每个铁磁性材料单元的磁场强度 乘以每个铁磁性材料单元的磁化率，可得到每个铁磁性材料单元的磁化强度，进而可以求 得铁磁性材料在目标场点产生的磁场强度。所述的磁化率由铁磁性材料的材料属性决定， 可通过查找铁磁性材料BH曲线获得。
[0016] 最后将铁磁性材料在目标场点产生的磁场强度和梯度线圈在目标场点产生的磁 场强度相加，得到开放式磁共振中梯度磁场强度的实际值。利用梯度磁场强度的实际值判 断梯度线圈是否满足实际需要，并以梯度磁场强度的实际值为参考进行重新优化设计。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明计算开放式磁共振磁体梯度线圈磁场的方法流程图；
[0018] 图2为磁性材料单元和圆柱坐标系示意图；
[0019] 图3为开放式磁共振结构示意图；
[0020] 图4为X方向梯度线圈结构示意图；
[0021] 图5为本方法与其他方法的计算结果比较。
【具体实施方式】
[0022] 以下结合附图及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0023] 应用本发明的开放式磁共振系统的实施例结构如图3所示，其X方向梯度线圈结 构如图4所示。梯度电流为100安培，成像区域为直径400mm的球形区域。成像区域沿X 方向均匀选取20个目标点作为目标场点，起点为X方向最大点，终点为X方向最小点。
[0024] 本发明对开放式磁共振系统中靠近梯度线圈的铁磁性材料在径向、轴向和周向进 行三维网格划分，得到铁磁性材料单元。通过毕萨定律和等效磁流法，分别计算出铁磁性材 料单元和梯度线圈对铁磁性材料单元和目标场点的磁场影响矩阵。计算流程如图