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基于Pareto优化理论的多目标超椭梯度线圈设计

潘辉 王亮 王强龙 陈利民 贾峰 刘震宇

基于Pareto优化理论的多目标超椭梯度线圈设计

潘辉, 王亮, 王强龙, 陈利民, 贾峰, 刘震宇
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  • 磁共振系统梯度线圈设计是一个多目标优化问题,在设计时需要综合考虑能耗、磁场能、线性度等设计要求.这些设计要求通常难以同时获得极小解,因此在设计梯度线圈时需要权衡线圈的各方面的设计需求.本文基于柱面可展性和流函数设计方法,结合Pareto优化方法实现了在超椭圆柱设计表面上梯度线圈的多目标设计.分别分析了磁场能、能耗目标对梯度线圈线性度、线圈构型的影响;并在Pareto解空间中分析各目标的相互变化关系,通过数值算例验证了该方法在超椭梯度线圈设计时的有效性与灵活性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%,能耗与磁场能分别小于用户设定值的设计约束下,梯度线圈的多目标设计存在多个局部优化解.该方法可以直观地比较相同目标函数值的情况下各单目标的具体表现,有利于实现不同的设计要求下梯度线圈的最终定型设计.
      通信作者: 刘震宇, liuzy@ciomp.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:51675506,51275504)、吉林省科技发展计划(批准号:20140519007JH)和欧洲研究理事会ERC启动基金RANGEmri282345项目资助的课题.
    [1]

    Zu D L 2004 Magnetic Resonance Imaging (Beijing: Higher Education Press) pp53-82 (in Chinese) [俎栋林 2004 核磁共振成像学(北京: 高等教育出版社)第5382页]

    [2]

    Wang L, Cao Y H, Jia F, Liu Z Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 238301 (in Chinese) [王亮, 曹英晖, 贾峰, 刘震宇 2014 物理学报 63 238301]

    [3]

    Turner R 1986 J. Phys. D: Appl. Phys. 19 147

    [4]

    Turner R 1988 J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 948

    [5]

    Forbes L K, Crozier S 2002 J. Phys. D: Appl. Phys. 35 839

    [6]

    Liu W T, Zu D L, Tang X 2010 Chin. Phys. B 19 018701

    [7]

    Forbes L K, Brideson M A, Crozier S 2005 IEEE Trans. Magn. 41 2134

    [8]

    Liu W T, Zu D L, Tang X, Guo H 2007 J. Phys. D: Appl. Phys. 40 4418

    [9]

    Li X, Xie D X, Wang J M 2009 IEEE Trans. Magn. 45 1804

    [10]

    Tomasi D 2001 Magn. Reson. Med. 45 505

    [11]

    Peeren G N 2003 J. Comput. Phys. 191 305

    [12]

    Lemdiasov R A, Ludwig R 2005 Concepts Magn. Reson. B: Magn. Reson. Eng. 26B 67

    [13]

    Liu Z Y, Jia F, Hennig J, Korvink J G 2012 IEEE Trans. Magn. 48 1179

    [14]

    Wang Q L 2013 Practical Design of Magnetostatic Structure Using Numerical Simulation (Singapore: John Wiley Sons) pp39-142

    [15]

    Hu G L, Ni Z P, Wang Q L 2012 IEEE Trans. Appl. Supercond. 22 4900604

    [16]

    Zhu X C, Wang Q L, Wang H S 2016 Adv. Technol. Electral. Eng. Energ. 35 43 (in Chinese) [朱旭晨, 王秋良, 王厚生 2016 电工电能技术 35 43]

    [17]

    Li X, Xia L, Chen W F, Liu F, Crozier S, Xie D X 2011 J. Magn. Reson. 208 148

    [18]

    Hu Y, Wang Q L, Li Y, Zhu X C, Niu C Q 2016 Acta Phys. Sin. 65 218301 (in Chinese) [胡洋, 王秋良, 李毅, 朱旭晨, 牛超群 2016 物理学报 65 218301]

    [19]

    Turner R 1993 Magn. Reson. Imag. 11 903

    [20]

    Abduljalil A M, Aletras A H, Robilaille P M L 1994 Magn. Reson. Med. 31 450

    [21]

    Alsop D C, Connick T J 1996 Magn. Reson. Med. 35 875

    [22]

    Pissanetzky S 1992 Meas. Sci. Technol. 3 667

    [23]

    Bowtell R, Robyr P 1998 J. Magn. Reson. 131 286

    [24]

    Wang L Q, Wang W M 2014 Chin. Phys. B 23 028703

    [25]

    Sanchez C C, Pantoja M F, Poole M, Bretones A R 2012 IEEE Trans. Magn. 48 1967

    [26]

    Marler R T, Arora J S 2004 Struct. Multid. Optim. 26 369

    [27]

    Marler R T, Arora J S 2005 Eng. Optim. 37 551

    [28]

    Xie D X, Sun X W, Bai B D, Yang S Y 2008 IEEE Trans. Magn. 44 1006

  • [1]

    Zu D L 2004 Magnetic Resonance Imaging (Beijing: Higher Education Press) pp53-82 (in Chinese) [俎栋林 2004 核磁共振成像学(北京: 高等教育出版社)第5382页]

    [2]

    Wang L, Cao Y H, Jia F, Liu Z Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 238301 (in Chinese) [王亮, 曹英晖, 贾峰, 刘震宇 2014 物理学报 63 238301]

    [3]

    Turner R 1986 J. Phys. D: Appl. Phys. 19 147

    [4]

    Turner R 1988 J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 948

    [5]

    Forbes L K, Crozier S 2002 J. Phys. D: Appl. Phys. 35 839

    [6]

    Liu W T, Zu D L, Tang X 2010 Chin. Phys. B 19 018701

    [7]

    Forbes L K, Brideson M A, Crozier S 2005 IEEE Trans. Magn. 41 2134

    [8]

    Liu W T, Zu D L, Tang X, Guo H 2007 J. Phys. D: Appl. Phys. 40 4418

    [9]

    Li X, Xie D X, Wang J M 2009 IEEE Trans. Magn. 45 1804

    [10]

    Tomasi D 2001 Magn. Reson. Med. 45 505

    [11]

    Peeren G N 2003 J. Comput. Phys. 191 305

    [12]

    Lemdiasov R A, Ludwig R 2005 Concepts Magn. Reson. B: Magn. Reson. Eng. 26B 67

    [13]

    Liu Z Y, Jia F, Hennig J, Korvink J G 2012 IEEE Trans. Magn. 48 1179

    [14]

    Wang Q L 2013 Practical Design of Magnetostatic Structure Using Numerical Simulation (Singapore: John Wiley Sons) pp39-142

    [15]

    Hu G L, Ni Z P, Wang Q L 2012 IEEE Trans. Appl. Supercond. 22 4900604

    [16]

    Zhu X C, Wang Q L, Wang H S 2016 Adv. Technol. Electral. Eng. Energ. 35 43 (in Chinese) [朱旭晨, 王秋良, 王厚生 2016 电工电能技术 35 43]

    [17]

    Li X, Xia L, Chen W F, Liu F, Crozier S, Xie D X 2011 J. Magn. Reson. 208 148

    [18]

    Hu Y, Wang Q L, Li Y, Zhu X C, Niu C Q 2016 Acta Phys. Sin. 65 218301 (in Chinese) [胡洋, 王秋良, 李毅, 朱旭晨, 牛超群 2016 物理学报 65 218301]

    [19]

    Turner R 1993 Magn. Reson. Imag. 11 903

    [20]

    Abduljalil A M, Aletras A H, Robilaille P M L 1994 Magn. Reson. Med. 31 450

    [21]

    Alsop D C, Connick T J 1996 Magn. Reson. Med. 35 875

    [22]

    Pissanetzky S 1992 Meas. Sci. Technol. 3 667

    [23]

    Bowtell R, Robyr P 1998 J. Magn. Reson. 131 286

    [24]

    Wang L Q, Wang W M 2014 Chin. Phys. B 23 028703

    [25]

    Sanchez C C, Pantoja M F, Poole M, Bretones A R 2012 IEEE Trans. Magn. 48 1967

    [26]

    Marler R T, Arora J S 2004 Struct. Multid. Optim. 26 369

    [27]

    Marler R T, Arora J S 2005 Eng. Optim. 37 551

    [28]

    Xie D X, Sun X W, Bai B D, Yang S Y 2008 IEEE Trans. Magn. 44 1006

  • [1] 王亮, 曹英晖, 贾峰, 刘震宇. 超椭圆柱面梯度线圈设计. 物理学报, 2014, 63(23): 238301. doi: 10.7498/aps.63.238301
    [2] 沈 杰, 宁瑞鹏, 刘 颖, 李鲠颖. 一种减小梯度线圈产生的涡流的方法. 物理学报, 2006, 55(6): 3060-3066. doi: 10.7498/aps.55.3060
    [3] 黄清明, 陈珊珊, 张建青, 杨洋, 郑刚. 基于目标场点法和流函数的磁共振有源匀场线圈设计方法. 物理学报, 2019, 68(19): 198301. doi: 10.7498/aps.68.20190612
    [4] 胡格丽, 倪志鹏, 王秋良. 结合振动控制的柱面纵向梯度线圈目标场设计方法. 物理学报, 2014, 63(1): 018301. doi: 10.7498/aps.63.018301
    [5] 查学军, 朱思铮, 虞清泉. 托卡马克极向场线圈的优化方法. 物理学报, 2003, 52(2): 428-433. doi: 10.7498/aps.52.428
    [6] 谭志中, 张庆华. 基于递推-变换方法计算圆柱面网络的等效电阻及复阻抗. 物理学报, 2017, 66(7): 070501. doi: 10.7498/aps.66.070501
    [7] 侯春风, 郭汝海. 椭圆柱形量子点的能级结构. 物理学报, 2005, 54(5): 1972-1976. doi: 10.7498/aps.54.1972
    [8] 林为干, 林炎武. 载直流椭圆柱内场的直接积分求解法. 物理学报, 1964, 20(6): 571-575. doi: 10.7498/aps.20.571
    [9] 罗佳奇, 刘锋. 基于梯度响应面模型的优化设计. 物理学报, 2013, 62(19): 190201. doi: 10.7498/aps.62.190201
    [10] 朱光, 刘建华, 程军胜, 冯忠奎, 戴银明, 王秋良. 25T超导磁体优化中线圈数量影响分析. 物理学报, 2016, 65(5): 058401. doi: 10.7498/aps.65.058401
    [11] 张超英, 谭惠丽, 刘慕仁, 孔令江, 李华兵. 椭圆柱体在牛顿流体中运动的格子Boltzmann方法模拟. 物理学报, 2005, 54(5): 1982-1987. doi: 10.7498/aps.54.1982
    [12] 张兴坊, 刘凤收, 闫昕, 梁兰菊, 韦德全. 同心椭圆柱-纳米管结构的双重Fano共振研究. 物理学报, 2019, 68(6): 067301. doi: 10.7498/aps.68.20182249
    [13] 高东宝, 曾新吾. 基于各向同性材料的层状椭圆柱形声隐身衣设计. 物理学报, 2012, 61(18): 184301. doi: 10.7498/aps.61.184301
    [14] 王战, 董建峰, 刘锦景, 罗孝阳. 基于线变换的椭圆柱外隐身斗篷的设计研究. 物理学报, 2012, 61(20): 204101. doi: 10.7498/aps.61.204101
    [15] 胡洋, 王秋良, 李毅, 朱旭晨, 牛超群. 基于边界元方法的超导核磁共振成像设备高阶轴向匀场线圈优化算法. 物理学报, 2016, 65(21): 218301. doi: 10.7498/aps.65.218301
    [16] 赵超樱, 范钰婷, 孟义朝, 郭奇志, 谭维翰. 圆柱型光纤螺线圈轨道角动量模式. 物理学报, 2020, 69(5): 054207. doi: 10.7498/aps.69.20190997
    [17] 范孟豹, 尹亚丹, 曹丙花. 基于截断区域特征函数展开法的金属管材电涡流检测线圈阻抗解析模型. 物理学报, 2012, 61(8): 088105. doi: 10.7498/aps.61.088105
    [18] 钱江海, 韩定定. 基于预期流优化的空间网络引力模型. 物理学报, 2009, 58(5): 3028-3033. doi: 10.7498/aps.58.3028
    [19] 陆赫林, 王顺金. 离子温度梯度模湍流的带状流最小自由度模型. 物理学报, 2009, 58(1): 354-362. doi: 10.7498/aps.58.354
    [20] 陈植, 易仕和, 朱杨柱, 何霖, 全鹏程. 强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究. 物理学报, 2014, 63(18): 188301. doi: 10.7498/aps.63.188301
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-21
  • 修回日期:  2017-02-06
  • 刊出日期:  2017-05-05

基于Pareto优化理论的多目标超椭梯度线圈设计

  • 1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033;
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100039;
  • 3. 德国弗莱堡大学医学院医学中心放射学系医学物理科, 弗莱堡 79110
  • 通信作者: 刘震宇, liuzy@ciomp.ac.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:51675506,51275504)、吉林省科技发展计划(批准号:20140519007JH)和欧洲研究理事会ERC启动基金RANGEmri282345项目资助的课题.

摘要: 磁共振系统梯度线圈设计是一个多目标优化问题,在设计时需要综合考虑能耗、磁场能、线性度等设计要求.这些设计要求通常难以同时获得极小解,因此在设计梯度线圈时需要权衡线圈的各方面的设计需求.本文基于柱面可展性和流函数设计方法,结合Pareto优化方法实现了在超椭圆柱设计表面上梯度线圈的多目标设计.分别分析了磁场能、能耗目标对梯度线圈线性度、线圈构型的影响;并在Pareto解空间中分析各目标的相互变化关系,通过数值算例验证了该方法在超椭梯度线圈设计时的有效性与灵活性.优化结果显示,在满足线性度误差小于5%,能耗与磁场能分别小于用户设定值的设计约束下,梯度线圈的多目标设计存在多个局部优化解.该方法可以直观地比较相同目标函数值的情况下各单目标的具体表现,有利于实现不同的设计要求下梯度线圈的最终定型设计.

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