專利名稱：用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁場(chǎng)處理領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前，O.Ippm量級(jí)的高均勻度磁場(chǎng)的磁體主要用于磁共振成像設(shè)備、離子阱等裝置。設(shè)計(jì)的主磁體一般能達(dá)到IOOOppm的場(chǎng)均勻度，要進(jìn)一步提高均勻性，需要采用專門的勻場(chǎng)手段。常用的勻場(chǎng)手段有被動(dòng)勻場(chǎng)、主動(dòng)勻場(chǎng)。被動(dòng)勻場(chǎng)采用軟磁性鐵片，由于鐵片最小厚度及溫度變化的影響，均勻度很難進(jìn)一步提高。主動(dòng)勻場(chǎng)一般采用各階正交球諧分量對(duì)應(yīng)的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，抵消不均勻量，由于電流可以精細(xì)調(diào)節(jié)，可以達(dá)到較高的場(chǎng)均勻度。迄今為止還沒(méi)有一套能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)磁體勻場(chǎng)線圈的完整方法。并且現(xiàn)有主動(dòng) 勻場(chǎng)的設(shè)計(jì)均是通過(guò)傳統(tǒng)解析方法計(jì)算或?qū)I(yè)人員編制專門計(jì)算程序完成。解析法計(jì)算過(guò)程中由于采用原點(diǎn)近似條件，得出的線圈設(shè)計(jì)不是最優(yōu)化的，難以獲得更滿意的場(chǎng)均勻度，并且由于實(shí)際線圈骨架的長(zhǎng)度等限制，設(shè)計(jì)方案根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)；傳統(tǒng)上編制計(jì)算程序，如C語(yǔ)言、Matlab軟件等，則由于算法單一，比如遺傳算法、混合算法、反向邊界元法等，消耗內(nèi)存大，耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，得出的線圈形狀很不規(guī)則，不易繞制實(shí)現(xiàn)，且程序需要專業(yè)的人員才能操作與維護(hù)，一般人員很難介入。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，以實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟
(1)用核磁共振探頭測(cè)量場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，用最小二乘法擬合該磁場(chǎng)按球諧函數(shù)展開(kāi)的前10階分量，得到各階勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值；
(2)輸入上述勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值及勻場(chǎng)所需的運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑并選擇勻場(chǎng)分量和優(yōu)化算法，所有的輸入?yún)?shù)和選擇項(xiàng)保存為臨時(shí)存儲(chǔ)文件；
(3)將上述臨時(shí)存儲(chǔ)文件中的電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑和勻場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸賦值給勻場(chǎng)代碼模塊；
(4)將步驟(3)中的勻場(chǎng)代碼模塊，載入Radia三維電磁場(chǎng)計(jì)算包，利用該計(jì)算包中載流弧及載流直線段在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)的計(jì)算公式，對(duì)勻場(chǎng)代碼模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；
(5)將上述優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，通過(guò)線性規(guī)劃法或基于解析法的粒子群算法計(jì)算出勻場(chǎng)線圈形狀參數(shù)、線圈三維結(jié)構(gòu)圖、誤差迭代路徑；
(6)按照上述計(jì)算的線圈形狀具體參數(shù)、線圈三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繞制出勻場(chǎng)線圈。本發(fā)明的技術(shù)方案，通過(guò)采用線性規(guī)劃算法及基于傳統(tǒng)解析法的粒子群優(yōu)化算法，即由解析分析得出勻場(chǎng)線圈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再利用粒子群算法優(yōu)化計(jì)算具體的電流及線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算耗費(fèi)時(shí)間少，內(nèi)存占用率低，勻場(chǎng)精度提高；以達(dá)到操作簡(jiǎn)單、精度高的目的。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例所述的用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法流程 圖2為線性規(guī)劃算法網(wǎng)格剖分示意 圖3為基于解析法的粒子群算法優(yōu)化流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟
(1)用核磁共振探頭測(cè)量場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，用最小二乘法擬合該磁場(chǎng)按球諧函數(shù)展開(kāi)的前10階分量，得到各階勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值；
(2)在數(shù)據(jù)接口中輸入上述勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值及勻場(chǎng)所需的運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑并選擇勻場(chǎng)分量和優(yōu)化算法，所有的輸入?yún)?shù)和選擇項(xiàng)保存為臨時(shí)存儲(chǔ)文件；
(3)將上述臨時(shí)存儲(chǔ)文件中的電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑和勻場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸賦值給勻場(chǎng)代碼模塊；
(4)將步驟(3)中的勻場(chǎng)代碼模塊，載入Radia三維電磁場(chǎng)計(jì)算包，利用該計(jì)算包中的載流弧及載流直線段在空間任一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)的計(jì)算公式，對(duì)勻場(chǎng)代碼模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；
(5)將上述優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，通過(guò)線性規(guī)劃法或基于解析法的粒子群算法計(jì)算出勻場(chǎng)線圈形狀參數(shù)、線圈三維結(jié)構(gòu)圖、誤差迭代路徑；
(6)按照上述計(jì)算的線圈形狀具體參數(shù)、線圈三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繞制出勻場(chǎng)線圈。如圖I所示,其具體計(jì)算流程為，該計(jì)算方法以Windows Form窗口為處理前端,通過(guò)腳本程序調(diào)用運(yùn)行Mathematica勻場(chǎng)程序文件的勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)方法。包括1.基于.net平臺(tái)的Windows Form窗口界面模塊；2.控制批處理代碼運(yùn)行的VB腳本程序模塊；3.調(diào)用Mathematica程序包文件的bat批處理模塊；4· Mathematica程序包文件模塊；5· nb格式的計(jì)算模塊?；?net平臺(tái)的Windows Form窗口前處理界面采用標(biāo)簽框“Label”標(biāo)注參數(shù)項(xiàng)，采用文本控件“Textbox”輸入運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)形狀參數(shù)、骨架形狀參數(shù)、勻場(chǎng)分量、勻場(chǎng)強(qiáng)度以及選擇優(yōu)化算法等設(shè)計(jì)參數(shù)值?；凇?net平臺(tái)的Windows Form窗口后處理界面,采用標(biāo)簽框(Label)標(biāo)注參數(shù)項(xiàng)，采用文本控件(Textbox)設(shè)置為只讀屬性，顯示在前處理模塊所輸入的運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)形狀參數(shù)、骨架形狀參數(shù)、勻場(chǎng)分量、勻場(chǎng)強(qiáng)度以及選擇優(yōu)化算法等設(shè)計(jì)參數(shù)值。
基于· net平臺(tái)的Windows Form窗口后處理界面,采用標(biāo)簽框(Label)標(biāo)注參數(shù)項(xiàng)，采用文本控件(Textbox)顯示線圈優(yōu)化數(shù)值結(jié)果,采用圖片控件(Imagebox)顯示勻場(chǎng)線圈結(jié)構(gòu)圖、迭代誤差路徑。在線性規(guī)劃算法中，在骨架表面劃分虛擬網(wǎng)格(網(wǎng)格剖分如圖2)，將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)之間的連接設(shè)置為可能的電流路徑，將各個(gè)連接處的電流權(quán)值作為變量，單位電流對(duì)勻場(chǎng)區(qū)的磁場(chǎng)貢獻(xiàn)值并組成系數(shù)矩陣，將目標(biāo)場(chǎng)強(qiáng)度作為約束條件，建立線性規(guī)劃模型，求解各個(gè)連接處的電流值，得到勻場(chǎng)線圈的設(shè)計(jì)形狀。在基于解析法的粒子群算法中，其優(yōu)化流程如圖3。每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解都是搜索空間中的一個(gè)粒子。所有的粒子對(duì)應(yīng)一個(gè)由被優(yōu)化的函數(shù)決定的適應(yīng)度值以及一個(gè)速度值決定他們飛翔的方向和距離。粒子群體追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解空間中搜索全局最優(yōu)解。首先利用傳統(tǒng)解析法得到的線圈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與理想磁場(chǎng)的偏差作為適應(yīng)度值，具體的線包寬度、高度、角度、位置等參數(shù)作為優(yōu)化變量由粒子群算法尋優(yōu)得出。
具體工作原理及流程如下
I.打開(kāi)前處理界面模塊；按照提示輸入所需勻場(chǎng)的運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑、勻場(chǎng)強(qiáng)度，選擇勻場(chǎng)分量和優(yōu)化算法；點(diǎn)擊按鈕保存數(shù)據(jù)并關(guān)閉。2.打開(kāi)后處理界面模塊；確認(rèn)勻場(chǎng)參數(shù)，點(diǎn)擊按鈕開(kāi)始優(yōu)化。3.程序內(nèi)部將設(shè)定的勻場(chǎng)參數(shù)傳遞給勻場(chǎng)代碼模板。4.主程序中調(diào)用vb腳本文件。5. vb文件調(diào)用bat文件并使之隱藏運(yùn)行。6. bat文件調(diào)用程序包文件。7.程序包打開(kāi)Mathematica優(yōu)化代碼,載入Radia磁場(chǎng)計(jì)算包進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。8.彈出顯示結(jié)果窗口，載入優(yōu)化計(jì)算出的勻場(chǎng)線圈形狀參數(shù)、線圈三維結(jié)構(gòu)圖、誤差迭代路徑。最后應(yīng)說(shuō)明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)用核磁共振探頭測(cè)量場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，用最小二乘法擬合該磁場(chǎng)按球諧函數(shù)展開(kāi)的前10階分量，得到各階勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值； (2)輸入上述勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值及勻場(chǎng)所需的運(yùn)行電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑并選擇勻場(chǎng)分量和優(yōu)化算法，所有的輸入?yún)?shù)和選擇項(xiàng)保存為臨時(shí)存儲(chǔ)文件； (3)將上述臨時(shí)存儲(chǔ)文件中的電流密度值、勻場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度、勻場(chǎng)區(qū)直徑、骨架長(zhǎng)度、骨架直徑和勻場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)傳輸賦值給勻場(chǎng)代碼模塊； (4)將步驟(3)中的勻場(chǎng)代碼模塊，載入Radia三維電磁場(chǎng)計(jì)算包，對(duì)上述勻場(chǎng)代碼模塊進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算； (5)將上述優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，通過(guò)線性規(guī)劃法或基于解析法的粒子群算法計(jì)算出勻場(chǎng)線圈形狀參數(shù)、線圈三維結(jié)構(gòu)圖、誤差迭代路徑； (6)按照上述計(jì)算的線圈形狀具體參數(shù)、線圈三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繞制出勻場(chǎng)線圈。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于高均勻度磁體勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)方法，用核磁共振探頭測(cè)量場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，用最小二乘法擬合該磁場(chǎng)按球諧函數(shù)展開(kāi)的前10階分量，得到各階勻場(chǎng)量的強(qiáng)度值；輸入勻場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)值并選擇算法，然后保存；將保存數(shù)值和算法賦值給勻場(chǎng)代碼模塊；對(duì)勻場(chǎng)代碼模塊，載入Radia三維電磁場(chǎng)計(jì)算包對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算；優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，通過(guò)線性規(guī)劃法或基于解析法的粒子群算法計(jì)算出勻場(chǎng)線圈形狀參數(shù)、線圈三維結(jié)構(gòu)圖、誤差迭代路徑；按照上述計(jì)算的線圈形狀具體參數(shù)、線圈三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繞制出勻場(chǎng)線圈。達(dá)到操作簡(jiǎn)單、精度高的目的。
文檔編號(hào)G01R33/3875GK102879753SQ201210396948
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者杜俊杰, 吳巍, 袁平, 馬力禎 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所