公开/公告号CN105223527A
专利类型发明专利
公开/公告日2016-01-06
原文格式PDF
申请/专利权人 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所;
申请/专利号CN201510763762.1
申请日2015-11-11
分类号G01R33/3875(20060101);
代理机构32234 苏州广正知识产权代理有限公司;
代理人张利强
地址 215000 江苏省苏州市高新区科技城科灵路88号
入库时间 2023-12-18 13:18:56
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2018-07-17
授权
授权
2016-02-03
实质审查的生效 IPC(主分类):G01R33/3875 申请日:20151111
实质审查的生效
2016-01-06
公开
公开
技术领域
本发明涉及磁体匀场领域，特别是涉及一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法。
背景技术
霍尔巴赫磁体由于其小型化和便捷性，自上世纪八十年代被提出以来，受到各界广泛的关注，在NMR、磁悬浮和永磁电机等方面都有所发展，尤其在NMR的应用中，霍尔巴赫型磁体能够产生单一横向的均匀场，且由于其闭合磁路，漏磁场小，能够利用较少的磁材产生较大的磁场强度。
相关研究已有在环形圆柱空腔中产生4T的横向强磁场，我国研究人员也制造出了2.6T的霍尔巴赫磁体，故其在小型化NMR应用潜力巨大，但均匀度低是制约霍尔巴赫磁体应用于NMR中的主要问题。研究人员试图通过优化磁体设计以及利用铁片进行无源匀场等方式提高其磁体均匀度，但仍很难达到NMR仪器对磁场均匀度的要求，因此利用附加有源匀场线圈，提高磁场均匀性十分必要。
传统的匀场线圈设计主要针对永磁体或者超导磁体等传统磁体，而霍尔巴赫磁体与传统磁体都存在不同。首先，它是一种圆柱型结构，与超导磁体类似，其次它的主磁场方向沿横向方向，与传统磁体都不同，这里我们将之定义为y方向电磁场By，故霍尔巴赫磁体匀场线圈的设计与传统的线圈设计方法都存在差异，传统的设计算法不再适用，我们需要针对磁体的结构和主磁场方向进行特别考虑。
目前已有的霍尔巴赫匀场线圈设计方法包括：利用分离导线法(赵微等，电工技术学报，2010-6-13)，基于鞍形线圈结构，根据磁场在笛卡尔坐标系中的对称性设计了各阶匀场线圈；LiuWentao等(WentaoL,etal,ApplMagnReson(2012)，101~112)根据流函数法给出了霍尔巴赫匀场线圈的设计方案，将电流源理想化成流函数元，利用流函数与目标场的关系对源点进行优化。专利（申请号：201410629525.1）给出了一种利用谐波磁场分布与电流密度函数之间的关系，针对各阶次谐波磁场分布设计匀场线圈的方法。上述方法都是针对带匀场磁场分布中各阶次谐波场分布分别进行匀场线圈设计然后叠加使用，而对于霍尔巴赫磁体来说，内部空间有限，多组匀场线圈会使得射频线圈和样品空间被挤占。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，高效调节磁场均匀度，缩小匀场线圈所占的空间。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，包括以下步骤：
利用一组元线圈进行阵列分布，针对霍尔巴赫磁体的磁场分布进行匀场，分别根据霍尔巴赫磁体的结构，进行元线圈在圆柱形曲面轴向等间隔、角向等间隔和等角度的均匀分布，或者在霍尔巴赫磁体局部匀场时进行贴合匀场曲面的非均匀分布;
为每一个元线圈匹配独立的驱动电路，供电电流彼此独立，或者把元线圈分为多组，每组元线圈施加相同的驱动电流；
根据所需产生的非均匀磁场强度分布，利用模拟退火优化算法或者Levenberg-Marquardt优化算法计算各元线圈中电流分布方向及大小；
对于模拟退火优化算法或者Levenberg-Marquardt优化算法计算出的电流函数值，通过外部电路控制驱动元线圈工作，利用叠加磁场抵消主磁场的不均匀度，得到目标磁场。
在本发明一个较佳实施例中，所述元线圈为圆形、马鞍形或者多边形结构的线圈。
在本发明一个较佳实施例中，所述目标磁场为球形分布或者椭球形分布。
在本发明一个较佳实施例中，所述目标磁场的分布为一种或多种谐波磁场分布的组合。
在本发明一个较佳实施例中，所述一种或多种谐波磁场分布的组合为X、Y、Z、Z2、XY、ZX、ZY和X2-Y2中两种以上的叠加值。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，能够根据目标区域的磁场非均匀度，灵活利用各元线圈内部驱动电流的调整，快速方便调节磁场均匀度，能够直接产生能够抵消非均匀磁场分布的匀场效果，相比传统的多组匀场线圈结构，大大缩小了匀场线圈所占空间，增加了测量口径尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中采用的霍尔巴赫磁体的示意图；
图2为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中元线圈阵列分布示意图；
图3为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中目标场点设定示意图；
图4为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处X线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图5为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处Y线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图6为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处Z线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图7为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处Z2线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图8为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处ZX线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图9为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处X2-Y2线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图10为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在目标场点处X+Z2线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图；
图11为本发明一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法一较佳实施例中在有约束的情况下目标场点处X+Z2线圈电磁场仿真结果与目标磁场对比图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图11，本发明实施例包括：
如图1所示，霍尔巴赫磁体是一种圆柱型结构，与超导磁体类似，主磁场方向沿横向方向，与传统磁体都不同，本发明实施例中将主磁场方向定义为y方向电磁场By，以下同。
设定元线圈横向和纵向组数分别为4和8，如图2所示，则元线圈的阵列由32个线圈组成，实施例中以马鞍形元线圈为例，某些特殊的情况可采用线圈重叠的方式，实施例中选择离散的方式，马鞍形元线圈均匀分布于圆柱面。
设定目标场点的磁场强度，如图3所示，常规的磁共振设备中感兴趣区域一般为球形或者椭圆形，本发明选择球形作为实施例，为了降低计算量仅选择其中1/8球体，共计72个样本点。
利用优化算法对各元线圈中的驱动电流值进行优化求解，求解多组元线圈中的电流是一个解欠定方程问题，理论上来说有无数组解。本实施例选择了32个元线圈，故针对每个元线圈可以求解在目标场点的磁场分布，然后叠加并与设定的目标场点磁场强度值进行对比。当对电流大小没有限制时，属于一个无约束最优化问题，而实际应用中为避免电流过大导致的发热，以及操作便利性考虑，会对电流的上限予以限制，属于不等式约束优化问题。根据模拟退火和Levenberg-Marquardt优化算法，对线圈中的电流进行优化计算。实施例给出了谐波函数正交基X，Y，Z，Z2，ZX，X2-Y2以及多组正交基叠加X+Z2的优化结果，对应各磁场不均匀度计算出来的电流分布如表1所示，然后根据电流优化结果，计算匀场线圈组在目标场点产生的磁场强度，计算误差值，用error表示。
传统的定义误差方法一般表示为，这种表示在磁场强度在零点附近跳跃很大，方便起见，我们在计算得到的磁场强度低于磁场强度最大值数个数量级的情况下默认为零，因此定义error表达式为
各组线圈的误差量error如表2所示。
对于有约束的优化问题，限制各个元线圈中电流强度不超过100安培，在这种情况下，原有的32线圈结构运算结果的误差较大，因此增加匀场线圈数，取为6×8个来进行计算，提高计算精确度和运行速度。实施例给出了X+Z2的优化结果，误差值为6.8083e-10，优化电流结果如表3所示，表明在有约束的情况下依然能够通过增加线圈个数等方式获得较好的磁场结果。
本发明适用于霍尔巴赫匀场线圈优化设计的问题，根据目标磁场的复杂度，目标场可根据用户需求设定为一阶场（如：X，Y，Z）、二阶场（如ZX，XY，X2-Y2），以及更高阶场，或者多种磁场的叠加（如：X+XZ），目标磁场更接近于实际的非均匀磁场的情况，实施例也给出了各种磁场分布下电流优化结果，验证本发明技术方案的可行性。另外，元线圈中电流的限制可通过合适的元线圈组数变化来补偿，可以方便应用于各种磁体整体及局部匀场的情况。
表1
表2
表3
综上所述，本发明指出的一种利用元线圈阵列对霍尔巴赫磁体进行匀场的方法，摒弃传统针对各谐波函数分量分布进行设计的思路，灵活利用各元线圈内部驱动电流的调整，快速方便调节磁场均匀度，所占空间小，工作效率高。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
机译： 使用超导匀场线圈对MRI磁体进行匀场的方法
机译： 利用射频感应线圈和射频接收线圈进行B1磁场匀场的方法，装置和磁共振成像系统
机译： 用于利用射频收发器线圈和射频接收器线圈对B1磁场进行匀场的装置，方法和磁共振成像系统
