全开放永磁MRI系统梯度线圈设计研究

论文摘要

本课题为国家自然科学基金资助项目“反传统医用核磁共振成像磁体系统关键问题研究”（项目编号:50377027）的一部分。目前的医用磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging,MRI）装置大多为传统的“磁体包围样品”结构。这种结构的主磁体体积庞大,整套设备价格昂贵,不利于MRI系统在中小医院的普及。而且,其成像区域位于磁体内部,限制了MRI装置在介入式治疗和手术中的使用。全开放薄片型磁场永磁MRI系统是一种新型设备,其成像区位于主磁体外的一侧,具有完全的开放性。这种结构的磁体体积小、重量轻而且价格低,有利于MRI系统在基层医疗机构的普及。梯度线圈是MRI系统重要的组成部分,其设计属于电磁场逆问题的范畴,近年来受到研究者的关注。对于上述新型永磁MRI系统,梯度线圈的设计更是一个特殊的电磁场逆问题。能够在灵敏区内产生沿x（或z）方向线性变化,方向与主磁场方向一致的梯度磁场的线圈称为x（或z）方向的梯度线圈。本论文研究了新型全开放薄片型磁场永磁MRI设备中梯度线圈的设计方法,提出一种新型的目标场方法来实现x方向和z方向单平面梯度线圈的设计。根据R.Turner目标场方法的思想,提出了单平面梯度线圈的目标场方法的数学模型,并得出了线圈磁场能量和功率损耗的解析表达方式。在方法的实现中,将线圈平面的等值面电流密度展开成二维傅立叶级数,得到灵敏区中磁场z分量表达式。以磁场能量和功率损耗为惩罚函数,建立目标函数,把直接求解电流密度的问题转化为求解其傅立叶系数的问题。得到电流密度的分布以后,采用流函数方法离散化得到实际的绕线形式,并用Biot-Savart定律再验证计算结果。最终得到的线圈设计方案的非线性度、电感和电阻均满足设计要求。梯度线圈中的脉冲电流具有很高的切换速度,这必然会在周围导电部件中引起涡流。这种涡流将抑制梯度磁场的快速变换,从而防碍正常的成像过程。为了尽可能地减小涡流的影响,本文研究了自屏蔽线圈的设计方法,并完成了一种涡流自屏蔽单平面梯度线圈的设计。由于主磁体静磁场的存在,载流梯度线圈会受到洛伦兹力的作用,在MRI系统工作扫描时,梯度线圈会产生震动和噪声。这种噪声会对病人产生刺激,严重的会对病人造成损伤。为了解决这一问题,本文研究了减少噪声的力平衡梯度线圈的设计方法,并完成了洛伦兹力近似为零的线圈设计。为了验证理论与方法的正确性,制作了一个x方向平面指纹式梯度线圈的模型,并对该模型在成像区产生的磁场进行了测量。计算结果与实验结果的对比验证了本文提出的设计方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 国内外技术现状与发展趋势
• 1.2.1 梯度线圈结构形状的发展
• 1.2.2 梯度线圈设计方法的发展
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第二章 MRI系统梯度线圈概述
• 2.1 磁共振成像基本原理
• 2.1.1 层面选择
• 2.1.2 相位编码
• 2.1.3 频率编码
• 2.2 MRI系统的基本结构
• 2.2.1 主磁体
• 2.2.2 射频线圈
• 2.2.3 梯度线圈
• 2.3 衡量梯度线圈性能的指标
• 2.3.1 梯度场强度
• 2.3.2 非线性度
• 2.3.3 电感和电阻
• 2.3.4 涡流问题
• 2.4 小结
• 第三章 梯度线圈的设计方法研究与改进
• 3.1 梯度线圈设计的基本方法
• 3.1.1 矩阵求逆法
• 3.1.2 流函数方法
• 3.1.3 目标场方法
• 3.1.4 优化的目标场方法
• 3.2 单平面梯度线圈设计的新型目标场方法
• 3.2.1 直角坐标系统下单平面梯度线圈目标场方法的数学表达
• 3.2.2 单平面梯度线圈设计的新型目标场方法
• 3.3 小结
• 第四章 单平面自屏蔽梯度线圈的设计
• 4.1 单平面自屏蔽梯度线圈设计的常规目标场方法
• 4.2 单平面自屏蔽梯度线圈设计的新型目标场方法
• 4.3 设计实例
• 4.4 小结
• 第五章 力平衡单平面梯度线圈的设计
• 5.1 引言
• 5.2 单平面力平衡梯度线圈设计步骤
• 5.3 设计实例
• 5.4 小结
• 第六章 模型制作与测量结果
• 6.1 梯度线圈的模型制作
• 6.2 梯度线圈的电源装置
• 6.3 测量结果及误差分析
• 6.3.1 测量装置
• 6.3.2 测量结果
• 6.3.3 误差分析
• 6.4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢