(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111589137.1 (22)申请日 2021.12.23 (71)申请人 深圳航天科技创新研究院 地址 518000 广东省深圳市南 山区粤海街 道科技南十路 申请人 徐征　吴嘉敏　贺玉成　何为　 廖英翔 (72)发明人 徐征　宣亮　吴嘉敏　贺玉成　 何为　廖英翔　 (74)专利代理 机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 1 1275 代理人 李弱萱 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈 设计方法 (57)摘要 本发明涉及基于分段函数轨迹优化的梯度 及匀场线圈设计方法， 属于磁共振领域。 该方法 包括： a、 根据梯度线圈或匀场线圈的具体类型， 在布线区域中选取对应特征区域及线圈轨迹几 何类型； b、 在特征区域内确定对应每匝导线路径 中的特征点， 其将通过分段函数构建线圈的最终 整体结构； c、 根据线圈的优化需求， 确定优化目 标和限制条件； d、 基于毕奥—萨伐尔定律 建立线 圈结构与磁场的对应关系， 建立数值优化问题进 行数值优化， 获取满足步骤c需求下的最优解参 数集。 该方法计算简单直接， 高度程序化， 人工调 整需求低， 容易实现很好的梯度磁场线性度及匀 场线圈相应性能， 并便 于施加额外约束。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 114282365 A 2022.04.05 CN 114282365 A 1.基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 其特征在于： 该方法包括如下 步骤： S1： 根据梯度线圈或匀场线圈的具体类型， 在布线区域中选取对应的特征区域， 以及线 圈轨迹几何类型； S2： 在特征区域内确定对应每匝导线路径中的特征点， 包括圆弧与抛物线或圆弧与对 称直线的交点Pn、 抛物线与对称轴交点Qn、 对称直线与对称轴交点Qn， 以及圆弧外径Rn， 将 通过分段函数构建线圈的最终整体结构； S3： 根据线圈的优化需求， 确定优化目标和限制条件， 包括磁场线性度、 磁场相对目标 场偏差度、 梯度效率、 最小 线间距、 指定区域杂散磁场和电阻； S4： 基于毕奥 ‑萨伐尔定律建立线圈结构与磁场的对应关系， 并根据S3建立数值优化问 题， 采用内点法等 算法进行 数值优化， 获取满足S3需求下的最优解， 即最优特 征点参数集。 2.根据权利要求1所述的基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 其特征 在于： 所述S1中， 对于Z梯度线圈和Z2‑(X2+Y2)/2匀场线圈， 特征区域选取整个 圆形布线域， 线圈几何类型为渐开线； 对于X梯度线圈、 Y梯度线圈、 XZ匀场线圈和YZ匀场线圈， 特征区域选取二分之一圆形布 线域， 线圈几何类型为圆弧、 变半径弧、 抛物线的组合； 对于X2‑Y2匀场线圈和2 XY匀场线圈， 特征区域选取四分之一圆形布线域， 线圈几何类型 为圆弧、 变半径弧和对称直线的组合。 3.根据权利要求2所述的基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 其特征 在于： 所述S2中， 对于Z梯度线圈和Z2‑(X2+Y2)/2匀场线圈， 特征点由集R＝{R1、 R2、 …、 RN}组 成， 其代表每一匝渐开线与对称轴的交点； 对于其余线圈， 特征点由集P＝{P1， P2， …， PN}、 Q＝{Q1,Q2, …， QN}、 R＝{R1， R2， …， RN} 组成， P代表抛物线与对称轴交点， Q代表抛物线或对称直线与圆弧的交点， R代表某匝圆弧 外径。 4.根据权利要求2所述的基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 其特征 在于： 所述S2中， 若抛物线与圆弧交点处、 对称直线与对称轴交点处连接存在锐角， 则在相 邻点处取切线， 作出 连接圆弧， 实现平 滑化处理。 5.根据权利要求1所述的基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 其特征 在于： 所述设计方法用于双平面型永磁体、 电磁体或超导磁共振成像系统的梯度和匀场线 圈， 包括3种梯度线圈： X方向梯度线圈、 Y方向梯度线圈和Z方向梯度线圈， 以及5种高阶匀 场 线圈： XZ匀场线圈、 YZ匀场线圈、 X2‑Y2匀场线圈、 2XY匀场线圈和Z2‑(X2+Y2)/2匀场线圈。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114282365 A 2基于分段函数轨 迹优化的梯度及匀场线圈 设计方法 技术领域 [0001]本发明属于磁共振领域， 涉及基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计方 法。 背景技术 [0002]磁共振成像(MRI)是一种广泛用于医学临床诊 断和医学研究的影像技术。 磁共振 成像系统工作时， 将人体置于一个均匀静磁场中， 通过向人体发射射频脉冲使人体组织部 分区域的原子核受到激发。 射频场撤除后， 这些被激发的原子核辐射出射频信号， 由天线接 收。 由于在这一过程中加入了梯度磁场， 因此通过射频信号可以获得人体的空间分布信息， 从而重建出 人体的二维或三维图像。 [0003]梯度和匀场线圈均是磁共振成像系统的重要部件， 其相关研究一直以来广受关 注。 梯度线圈通过在x、 y、 z三个方向产生线性变化的梯度磁场， 用于层面选取、 相位编码和 频率编码， 从而为图像重建提供定位依据。 因此， 为提高图像的质量， 梯度线圈需要产生线 性度良好的梯度场。 MRI设备在成像区需要有一个非常均匀的磁场， 这个均匀磁场的区域为 球形， 将待成像部位置于该球形区域后， 通过扫描 可以捕获被成像部位的图像。 但是通常磁 体在安装后产生的机械误差等使得磁场并不能达到均匀度要求， 因此通过安装一组匀 场线 圈进行有源匀场， 根据计算出 的各谐波分量进行抵消， 从而进一步提高目标区域磁场均匀 度。 [0004]如今梯度和匀场线圈的优化设计方法通常采用基于电磁场逆问题的流函数法。 但 是这种方法计算出来的线圈结构通常较复杂， 如一系列分隔开的封闭曲线， 需要进一步手 动地改线连接才能使用， 使设计流 程复杂， 并为实际制造带来困难。 发明内容 [0005]有鉴于此， 本发明的目的在于提供基于分段函数轨迹优化的梯度及匀场线圈设计 方法， 根据梯度和匀场线圈长期设计经验， 将 绕线轨迹几何化， 提取特征参数进行优化， 从 而避免了额外的工程 误差， 同时缩短了设计流 程。 [0006]为达到上述目的， 本发明提供如下技 术方案： [0007]基于分段函数轨 迹优化的梯度及匀场线圈设计方法， 该 方法包括如下步骤： [0008]S1： 根据梯度线圈或匀场线圈的具体类型， 在布线区域中选取对应的特征区域， 以 及线圈轨 迹几何类型； [0009]S2： 在特征区域内确定对应每匝导线路径中的特征点， 包括圆弧与抛物线或圆弧 与对称直线的交点Pn、 抛物线与对称轴交点Qn、 对称直线与对称轴交点Qn， 以及圆弧外径 Rn， 将通过分段函数构建线圈的最终整体结构； [0010]S3： 根据线圈的优化需求， 确定优化目标和限制条件， 包括磁场线性度、 磁场相对 目标场偏差度、 梯度效率、 最小 线间距、 指定区域杂散磁场和电阻； [0011]S4： 基于毕奥 ‑萨伐尔定律建立线圈结构与磁场的对应关系， 并根据S3建立数值优说　明　书 1/6 页 3 CN 114282365 A 3