申请/专利权人：中国科学院电工研究所

申请日：2021-10-18

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN113889313B

主分类号：H01F6/06

分类号：H01F6/06;H01F6/00;H05K9/00;H01F41/04;A61B5/055

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2022.01.21#实质审查的生效;2022.01.04#公开

摘要：本发明涉及一种高场全身磁共振成像主动屏蔽超导磁体及设计方法，所述磁体包含主线圈、调整线圈和屏蔽线圈，主线圈为长螺线管线圈，线圈结构预先设定好，即导线匝数、导线规格、线圈尺寸、线圈位置已知，调整线圈和屏蔽线圈的相应导线匝数、导线规格、线圈尺寸、线圈位置以及整个磁体运行电流为待求解信息，主线圈、调整线圈和屏蔽线圈的磁场叠加，在磁体中心区域产生的磁场均匀度达到指定约束条件，同时5高斯线范围不超过指定约束范围。磁体线圈内直径不低于800mm，磁体中心区域磁场强度不低于14T，在直径400mm球形区域内磁场均匀度峰峰值不超过10ppm，5高斯线范围轴向不超过±10m，径向不超过±8m。

主权项：1.一种高场全身磁共振成像主动屏蔽超导磁体的设计方法，所述主动屏蔽超导磁体由内到外依次包括主线圈、调整线圈和屏蔽线圈，其中主线圈由5个长螺线管线圈嵌套在一起组成，5个长螺线管同轴、同中心，长度由内到外逐渐增大，内部3个线圈用Nb3Sn超导线绕制，分别绕制在不同的线圈骨架上，外部2个线圈用NbTi超导线绕制，绕制在同一个线圈骨架上；调整线圈由4个不同短螺线管线圈并行排列组成，和主线圈同轴，内侧2个线圈和外侧2个线圈分别关于磁体中心面对称分布，绕制在同一个线圈骨架上；屏蔽线圈由2个螺线管线圈并行排列组成，和主线圈同轴，2个线圈关于磁体中心面对称分布，绕制在同一个线圈骨架上，所述超导磁体主线圈、调整线圈和屏蔽线圈串联在一起，构成一个电流回路，其特征在于，步骤如下：第一步，预设定主线圈参数，包含导线匝数、导线规格、线圈尺寸、线圈位置以及运行电流，然后对主线圈磁场进行评估，使得主线圈的初始磁场强度相对于目标磁场强度符合预设值；第二步，指定调整线圈和屏蔽线圈的位置范围以及线圈导线规格，根据第一步预设定的运行电流以及主线圈磁场贡献逆向求解得到调整线圈和屏蔽线圈的位置坐标；第三步，根据调整线圈和屏蔽线圈的导线规格，将线圈区域离散成导线匝数，并且通过四舍五入对匝数进行取整操作，然后再次通过逆向求解对调整线圈和屏蔽线圈位置以及磁体运行电流进行微调，求解得到磁体最终参数信息；第四步，根据第三步得到的磁体位置、结构以及运行参数信息，计算磁体线圈内磁场及应力分布，评估线圈的电磁临界性能以及机械稳定性，如性能不满足要求，则返回第一步，调整主线圈的参数信息，继续进行上述操作，直至磁体设计方案安全可靠；所述第一步，在进行磁体设计时，预先设定主线圈的参数信息，包括导线匝数、导线规格、线圈尺寸、线圈位置，其中最内层线圈的内直径不低于800mm，并初步确定线圈的运行电流，根据公式1得到线圈内电流密度，然后根据公式2计算主线圈在磁体中心的磁场强度，要求该磁场强度高于要求的中心磁场强度的34并且低于中心磁场强度为宜，满足公式3： 0.75Btar＜Bz0,0＜Btar3其中，N1和N2分别为线圈导线在轴向的圈数和径向的层数，两者乘积为导线总体匝数，A0为线圈的截面积，包含了导线绕线间隙和层间绝缘，I0为每匝导线上的运行电流，r1，r2，z1，z2分别为磁体线圈的内半径、外半径、轴向左坐标和轴向右坐标，L为螺线管线圈磁场积分计算算子，μ0为真空磁导率，ωi和βi分别为高斯积分权重和积分点，n为高斯积分点个数，Bz0,0为主线圈在磁体中心产生的磁场强度，Btar为磁体中心的目标磁场强度；所述第二步，划定调整线圈和屏蔽线圈的位置范围，分别选定调整线圈和屏蔽线圈的导线规格，按照第一步确定的主线圈运行电流确定调整线圈和屏蔽线圈的电流密度，如公式4，其中J1为调整线圈电流密度，J2为屏蔽线圈电流密度，g为绕线间隙，即相邻两匝导线在绕制时由于非紧密接触存在的缝隙，l为导线层间绝缘的厚度，wadj和hadj分别为调整线圈所用导线的宽度和厚度，wshi和hshi分别为屏蔽线圈所用导线的宽度和厚度；通过降低屏蔽线圈平均电流密度控制屏蔽线圈应力水平，约定屏蔽线圈导线截面尺寸大于调整线圈导线截面尺寸，如公式5；约定磁体目标区域的磁场强度和磁场均匀度以及5高斯线范围，通过目标场法逆向求解得到调整线圈和屏蔽线圈的尺寸、位置信息，所包含的磁场约束条件如公式7和公式8所示，其中磁场算子C的表达式如公式6所示，R为磁体中心球形区域的半径，ε为磁场偏差，z和r分别为5高斯线在轴向和径向的控制范围；R0为磁体中心球形区域的半径的一常数值，z0和r0分别为5高斯线在轴向和径向的控制范围的常数值； wadj·hadj＜wshi·hshi5 所述第三步，根据线圈的电流密度以及截面尺寸计算得到线圈的整体电流，用整体电流值除以第一步确定的主线圈运行电流得到线圈整体匝数，再通过四舍五入取整得到线圈径向导线层数后，用线圈整体匝数除以线圈径向层数再四舍五入取整得到轴向圈数，如公式9和公式10，其中Δradj、Δrshi分别为调整线圈和屏蔽线圈的径向厚度，Aadj、Ashi分别为调整线圈和屏蔽线圈的截面积，如此操作分别得到调整线圈和屏蔽线圈的匝数信息，然后再次以磁体目标区域的磁场强度和磁场均匀度以及5高斯线范围为约束条件，如公式12和公式13，以磁体主线圈导线匝数、导线规格、线圈尺寸、线圈位置以及调整线圈和屏蔽线圈的导线匝数、导线规格、线圈尺寸为已知信息，调整线圈和屏蔽线圈的线圈位置、磁体整体运行电流为未知信息，逆向求解得到调整线圈和屏蔽线圈的位置参数和磁体整体运行电流值，求解过程中主线圈、调整线圈和屏蔽线圈的电流密度依据公式11计算得到，同时还约束了线圈位置的变化空间，即轴向在原有线圈中心附近的移动范围不超过δz，径向在原有线圈中心附近的移动范围不超过δr，如公式14所示，其中zcenter、rcenter分别为线圈轴向中心和径向中心，磁体运行电流在初始电流附近的变换范围不超过δI，如公式15所示： |z-zcenter|≤δz,|r-rcenter|≤δr14|I-I0|≤δI15。

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