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磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是当今最重要的成像工具之一，在医学、科研、工业等诸多领域起着不可替代的作用。磁体系统是磁共振成像的核心部件，其在成像区域产生的主磁场是实现成像的基础条件。成像区域主磁场的均匀度对于图像的清晰度、形变、伪影等有着直接影响，因此高均匀度的磁体系统已成为当今磁共振成像系统的必要条件。匀场系统作为磁体系统的一部分，其主要功能就是提高成像区主磁场的均匀度。匀场系统可以分为无源匀场系统和有源匀场系统。无源匀场系统通过在成像区域附近布置永磁介质或铁磁介质，从而改变成像区域主磁场分布情况;;有源匀场系统利用多组特定结构的线圈在成像区域产生相应的特定磁场，从而消除主磁场的部分不均匀分量。 在常见的无源匀场设计方法中，匀场单元通常都设置为饱和磁化，也有部分方法会通过仿真计算在优化前求解各单元中的磁化强度。当部分匀场单元存在不饱和磁化的情况时，无源匀场优化方案会存在较大的误差。在已知的有源匀场系统设计方法中，各组匀场线圈都采用独立设计，一般不考虑匀场线圈与主磁体间以及匀场线圈之间的电磁耦合，然而这会给磁体系统的运行带来安全隐患和不稳定因素。 本论文对磁共振成像磁体系统中匀场系统的电磁优化方法进行了深入研究，主要研究内容包括: 1.针对无源匀场系统中部分匀场单元存在磁化不饱和的问题，提出了一种基于铁磁耦合模型的无源匀场电磁优化设计方法。该设计方法将存在的所有匀场单元作为一个系统，建立铁磁耦合模型，并采用积分方程法计算全部匀场单元内部的磁化强度。基于该模型，分别提出了与之配合的小生境遗传算法和线性规划算法，并给出了0.7T开放式超导磁体系统无源匀场设计案例以及1.5T螺管式超导磁体系统无源匀场设计案例。通过与传统无源匀场算法的结果进行对比，证明了该模型有助于提高无源匀场优化方案的计算精度。 2.针对偶数阶轴向匀场线圈与主磁体间存在较大电磁耦合的现象，提出了一种与主磁体解耦的单组偶数阶轴向匀场线圈全局优化算法。该算法将匀场线圈区域进行网格划分，将每个网格单元作为优化对象;将匀场线圈与主磁体之间的互感以及匀场线圈的匝数作为目标函数;将匀场线圈在成像区域内的磁场误差作为约束条件，建立线性规划模型。在求得每个网格单元内的电流幅值和正负极性后，通过对所有网格单元电流结果进行整理，得到解耦匀场线圈的全局最优拓扑结构和空间位置。建立非线性优化模型，将线性规划结果作为初始解，可以高效地消除由于对线性规划结果进行整理造成的磁场误差增大，最终得到满足磁场误差要求的解耦匀场线圈设计方案。通过9.4T代谢成像超导磁体系统中的解耦Z2、Z4匀场线圈设计案例以及开放式超导磁体系统中的解耦Z2匀场线圈设计案例，验证了该算法的可行性，并分别从解耦原理、匀场线圈设计参数选取、权重系数对设计结果的影响、设计参数以及主磁体结构对设计结果的影响、解耦匀场线圈的鲁棒性等方面对设计方法和设计结果进行了深入的讨论。 3.针对轴向匀场线圈间存在电磁耦合的现象，提出了一种独立轴向匀场线圈系统的设计方法。该方法将系统内所有需要设计的匀场线圈区域进行网格划分后，将所有轴向匀场线圈与主磁体间的互感、轴向匀场线圈之间的互感以及所有匀场线圈的总匝数作为优化目标，各匀场线圈在成像区域的磁场误差作为约束条件建立优化模型，对所有相关匀场线圈同时进行优化。通过McCormick envelopes将非线性模型转化为线性模型，从而快速求解得到独立匀场线圈系统内所有匀场线圈的全局最优拓扑结构和空间位置，最后利用非线性优化，保证各匀场线圈在成像区域的磁场误差满足设计要求。通过9.4T代谢成像超导磁体系统中独立Z2、Z4匀场线圈的设计案例，验证了该算法的可行性。 4.进行了多个匀场系统相关实验。通过0.7T开放式超导磁体系统和60MHz核磁共振波谱仪永磁磁体系统的无源匀场实验，详细介绍了无源匀场系统的实施流程和实施方法;通过9.4T代谢成像超导磁体系统中超导匀场线圈的绕制及安装和400MHz核磁共振波谱仪超导磁体系统的有源匀场实验，，详细介绍了有源匀场系统的实施流程和实施方法。