磁共振成像装置永磁磁体的温度场分析及其温度控制研究

论文摘要

在诸多医学成像手段中,磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）具有组织分辨率高、解剖结构显示清晰的特点。它对人体组织中的H质子进行检测并成像,所以它更有利于医生在疾病发展的早期做出正确诊断。由钕铁硼（Nd-Fe-B）材料制成的主磁体是整个磁共振系统中体积最大、质量最重的部分,成本也相当高。它的温度场稳定性直接影响主磁场的稳定性,从而对生成的图象质量有重要影响,因此需要对主磁体温度场进行控制。本文讨论的是一种开放式、永磁型磁共振成像装置,在对该装置的主磁体温度场控制过程中,容易产生磁体温度场分布不均匀,温度波动较大和磁体加热时间过长等问题。目前国内产品的温度控制技术还停留在经验判断的基础上,虽然这种方式也可以将主磁体的温度控制在相对稳定的区间,但缺乏科学的分析过程,很难有改进空间。国际上,由于涉及商业利益,各知名磁共振制造商均将主磁体的温度控制技术列为保密对象。针对以上问题,使温度场尽快达到工作温度和均匀性要求,利用ANSYS有限元软件根据能量守恒定律和热平衡方程求解MRI装置的三维瞬态温度场。着重分析主磁体的上、下铁轭及支柱等位置温度场的变化过程,了解加热元件产生的热量的传导路径和主磁体达到工作温度状态所需时间。最后提出几种改进的加热方案,然后对每种方案进行有限元分析来比较每种方案中热量沿钢结构传入主磁体所需时间。选择合适的温度采样点代表磁体平均温度,作为主磁体温度控制的反馈量。对不同加热方案进行比较筛选,以减少磁体达到稳态温度所需要的时间,解决上、下磁体温差大的问题。利用ANSYS提供的APDL语言将这个过程编制程序,简化每次分析时建模过程,提高了仿真工作的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁共振成像的发展状况
• 1.2 国内外研究工作综述
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 核磁共振原理介绍
• 2.1 MRI基本原理
• 2.2 MRI设备
• 2.3 MRI成像过程简介
• 2.4 MRI的临床应用
• 第三章 三维温度场理论概述
• 3.1 热分析研究的对象和任务
• 3.1.1 热分析研究的对象和任务
• 3.1.2 热分析的目的
• 3.2 热传递的三种方式
• 3.2.1 热传导
• 3.2.2 热对流
• 3.2.3 热辐射
• 3.3 热传递的三类边界条件
• 3.3.1 第一类边界条件
• 3.3.2 第二类边界条件
• 3.3.3 第三类边界条件
• 3.4 导热理论和导热微分方程
• 3.4.1 温度场
• 3.4.2 等温面与温度梯度
• 3.4.3 导热系数
• 3.4.4 固体导热问题的数学描述
• 3.4.5 导热过程的单值性条件
• 第四章 三维瞬态温度场计算
• 4.1 开放式永磁体主磁体三维瞬态温度场分析
• 4.1.1 三维瞬态热分析模型建立
• 4.1.2 对模型施加载荷
• 4.1.3 求解
• 4.1.4 查看后处理结果
• 4.2 三维瞬态温度场变化规律
• 4.2.1 增大加热功率
• 4.2.2 改善保温条件
• 第五章 其它加热方案
• 5.1 两种加热方案
• 5.1.1 增加热源
• 5.1.2 增加热源并保温
• 5.2 可视化操作界面
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢