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苏州医工所磁共振课题组在平面型永磁磁共振系统梯度线圈设计上取得进展
发表日期: 2016-11-30 作者: 徐雅洁
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  核磁共振技术在生物化学分析,医学成像等领域都有广泛的应用。根据产生磁共振设备主磁场的磁体类型,磁共振主流设备又分为超导磁共振和永磁体磁共振。近些年来,高场的超导磁共振仪器发展迅速,占据了目前磁共振成像领域的大部分市场,而永磁磁共振系统由于其成本低,占地空间小等特点在专科磁共振应用中,如关节磁共振,婴儿磁共振,具有不可替代的优势,依旧存在较大的市场。常规的永磁磁共振设备一般由铁轭、永磁磁块及极板等构成,用于产生高均匀性磁场。然而由于极板一般由高导磁率纯铁组成,在梯度波形施加过程中,极板中会感应出形成拮抗作用的电流,产生与梯度场相反的磁场分布,从而影响梯度线圈的性能,包括梯度场强度,梯度场线性度等。极板中感应电流甚至会导致线圈的电感提高两个数量级,降低梯度波切换速率,对磁共振成像速度造成严重制约。 

  苏州医工所医学影像室核磁共振组针对永磁磁共振设备的上述问题,结合极板对梯度线圈性能影响提出了一种改进的镜像电流模型建立方法,对梯度线圈结构进行优化设计,抵消极板的影响。首先基于课题组已有的关节磁共振系统结构尺寸,根据极板的分布,在有限元仿真软件中计算极板对纵向梯度线圈的影响;然后建立极板的镜像电流模型,包括圆线圈和纵向梯度线圈两种结构,在数值分析软件中结合有限元仿真的结果对两种结构进行优化,逼近极板对梯度场性能的干扰结果,通过对比得出圆线圈能够更好的模拟极板的影响;利用优化出的圆线圈结构对梯度线圈设计进行改进,综合考虑梯度线圈的梯度场线性度,在目标场点误差及电感等因素,并利用有约束的Levenberg – Marquardt优化算法,改进梯度线圈设计,取得了较好的优化结果,算法运算速度快,效率高。通过与边界元梯度线圈优化算法进行比较表明本文的算法大大缩短运算时间,证明了算法的优异性。   

    以上研究得到中科院科研装备项目(批准号:YZ201445, YZ201313)、江苏省科技项目(批准号:BK20131171)的支持,相关工作已经发表在《Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering》(published: 19 November 2016DOI: 10.1002/cmr.b.21344),题为“pole plate effected gradient coils design in permanent magnet MRI system”。  

  文章链接: 

  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cmr.b.21344/pdf 

 

  图一:永磁磁共振系统结构示意图 

 

  图二:不同的约束条件下纵向梯度线圈的优化结果, 其中实线代表不考虑极板效应时的线圈分布,虚线代表考虑极板效应时线圈优化分布,a-d)分别对应无约束,电流密度函数约束半径rad60010.1下的梯度线圈分布。 

 

  图三:电流密度函数约束条件rad与误差优化结果关系,可见当rad4.466时,误差结果能够达到最优值。 

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