台式磁共振平面梯度线圈设计方法的研究

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3.0 高德中 2024-11-19 7 4 3.62MB 66 页 15积分

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摘要

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是目前医学影像领域中应用

非常广泛的一种检查技术和成像方法，能为各种疾病的诊断和治疗提供高质量的

医学图像和检查手段。伴随着磁体技术、梯度技术和相关成像技术的进一步发展

和创新，核磁共振成像仪器正在向多元化、宽领域、深层次的方向发展。其中以

低磁场磁体为主的台式磁共振，在医疗、科研、农业、石油勘探、食品、教学、

水泥特性分析等诸多领域的研究和应用有了长足的发展，这也使得低场磁共振成

为发展最快的成像设备之一。

台式磁共振成像(Desktop-Magnetic Resonance Imaging, D-MRI)技术的更新和

发展，推动了低场磁共振设备在应用领域方面的扩展。目前，越来越多的企业和

科研单位在关注低场强磁共振的应用，这就为课题的开展和进行提供了大的实验

背景。在磁共振设备中，磁体强度和梯度线圈是磁共振设备的两个关键部分，对

于小型台式磁共振设备来讲，受其检测对象和应用领域的制约，磁体一般用低场

的永磁体，成像空间相对较小，所以仪器的梯度线圈成为决定台式磁共振设备质

量的关键因素之一。因此，依据成像要求和磁体设备的约束，设计制作出优质高

效的梯度线圈，对于台式磁共振整体设备性能来讲是至关重要的。

广阔的应用空间和发展前景，对 D-MRI 的各项技术提出了更高的要求。在磁

共振设备中，梯度线圈是产生梯度磁场的主要部件，梯度磁场的产生和存在是产

生核磁共振影像的关键因素。因此，依据仪器的应用需求和成像空间的限制等因

素，确定梯度线圈的研究方法，设计和生产出高性能的梯度线圈，就成为很多科

研单位和厂家所追寻的目标。本文针对 D-MRI，在介绍了磁共振设备的一些基础

理论知识后，通过研究和比较各种线圈设计方法，最终确定一种优化的设计方法，

依据此方法，设计一组梯度线圈，经 Ansoft 软件对设计的梯度线圈进行三维有限

元的模拟仿真和各种实验验证，各种性能都达到理想的设计和研发要求，针对仪

器的整体性能参数的测定及其相互间的影响方面，也有大量的研究。为了能够对

梯度线圈的设计进行快速的模拟和仿真，本文也特意制作了一个 Matlab GUI 模拟

计算软件，通过修改设计参数，对所要设计的梯度线圈进行相应的调整，可以得

到各种样式的理想双平面梯度线圈。

关键词：磁共振双平面梯度线圈台式磁共振电流密度目标场法

Ansoft

ABSTRACT

Magnetic Resonance Imaging (MRI) is a kind of test technology and imaging method

which is being wildly used in the current medical imaging fields, MRI can provide high

quality medical images and testing method for the analyzing and curing of various

diseases. Along with the continuous development and innovation of the magnetic

technology, gradient technology and the imaging technology, the application fields of

MRI are becoming wider and wider. In the fields of medical, scientific research,

agriculture, oil prospecting, food testing, education, cement property analyze and so on,

the low field magnetic is being wildly used.

Desktop-Magnetic Resonance Imaging (D-MRI), is becoming one of the fastest

developing instruments in application demand and application fields. The technology

development in D-MRI also improved and expanded its application fields. Currently,

more and more companies and scientific institutions are focusing on the low magnetic

instrument, all of these backgrounds supported right experiment platform for this paper.

In MRI, the magnetic intensity and gradient coils are two core parts, as to the D-MRI,

its small testing objects and application fields are the main restrict factors, the magnetic

are the low field permanent-magnets, the imaging volume are small, so the quality of

gradient coils are becoming one of the key parameters for D-MRI. So design and make

high performance gradient coils are quite important for the D-MRI according to the

magnet restrict factors.

The wildly application fields and developing prospect for D-MRI are requiring higher

demands for new technology. Gradient coils are the main parts which can provide

gradient field, the producing and existing of gradient field are the core factors that we

could get MRI images. Hence we could generate a coil designing method according to

the application demands and the confine factors in the imaging volume, and we could

get a set of high performance gradient coils, which is also the aim for many institutions

and manufactures. In this paper, based on the D-MRI instruments, research and

compared with many kinds of coil designing methods, and generate a designing method

finally, according to this method, we got a set of a gradient coils, after many simulations

and various experiments through Ansoft software, we got an ideal coils which

performances are matched well with the requirement, and we could got high quality

MRI images by using these coils which meets the production requirements and testing

standards. Finally, designed one software by Matlab GUI to generate different kinds of

gradient coils for different parameters, the result shows that it’s a good software.

Key Words：Magnetic Resonance Imaging, Bi-Planar Gradient Coils,

Desktop-Magnetic Resonance Imaging, Current Density, Target Field

Method, Ansoft

摘要

ABSTRACT

第一章引言.....................................................................................................................1

§1.1 课题背景 ............................................................................................................ 1

§1.2 课题目的和意义 ................................................................................................ 1

§1.3 国内外的发展现状 ............................................................................................ 2

§1.4 论文研究主要内容 ............................................................................................ 2

第二章台式磁共振成像系统简介.................................................................................4

§2.1 磁共振成像原理 ................................................................................................ 4

§2.2 D-MRI 系统及梯度系统基础知识 .................................................................... 6

§2.3 平面梯度线圈 .................................................................................................. 10

§2.4 MRI 中场的存在形式 .......................................................................................11

§2.5 磁共振系统中安全性问题 .............................................................................. 12

§2.6 本章小结 .......................................................................................................... 12

第三章平面梯度线圈设计方法研究...........................................................................13

§3.1 梯度线圈的研究现状 ...................................................................................... 13

§3.2 梯度线圈设计基础理论 .................................................................................. 14

§3.2.1 梯度线圈基础理论.....................................................................................14

§3.2.2 梯度线圈品质因素和设计指标.................................................................18

§3.3 各种梯度线圈设计方法 .................................................................................. 19

§3.3.1 各种梯度线圈设计方法简介.....................................................................19

§3.3.2 各种设计方法讨论.....................................................................................21

§3.4 纵向双平面梯度线圈设计方法 ...................................................................... 22

§3.4.1 理论推导....................................................................................................22

§3.4.2 纵向双平面梯度线圈.................................................................................24

§3.4.3 目标函数的建立.........................................................................................25

§3.5 纵向梯度线圈结果与讨论 ............................................................................. 26

§3.6 横向双平面梯度线圈设计方法 ..................................................................... 27

§3.6.1 理论推导....................................................................................................27

§3.6.2 横向双平面梯度线圈.................................................................................28

§3.6.3 目标函数的建立.........................................................................................28

§3.7 横向梯度线圈设计结果与讨论 ...................................................................... 30

§3.8 梯度线圈 GUI 设计........................................................................................... 31

§3.9 本章小结 ............................................................................................................ 33

第四章平面梯度线圈性能的影响因素和仿真实验...................................................34

§4.1 平面梯度线圈性能的影响因素 ........................................................................ 34

§4.2 MRI 系统中的参数因素 .....................................................................................35

§4.3 性能改进方法 .................................................................................................... 37

§4.4 平面梯度线圈的 ANSOFT 三维有限元分析......................................................40

§4.4.1 双平面梯度线圈 Maxwell 3D 有限元模型的建立 .................................... 40

§4.4.2 纵向双平面梯度线圈模型的建立和剖析..................................................40

§4.4.3 横向双平面梯度线圈模型的建立和剖析..................................................42

§4.5 结果分析 ............................................................................................................ 43

§4.6 仿真结论 ............................................................................................................ 45

§4.7 本章小结 ............................................................................................................ 45

第五章台式磁共振成像系统安全性及质量控制.......................................................46

§5.1 磁共振安全与质量控制 .................................................................................... 46

§5.1.1 磁共振系统质量保证与质量控制的意义..................................................46

§5.1.2 磁共振成像设备质量保证与质量控制目标和要求..................................46

§5.2 磁共振系统性能的检测和评价标准 ................................................................ 47

§5.2.1 磁共振系统检测的主要参数.......................................................................47

§5.2.2 磁场均匀性测试实验..................................................................................51

§5.3 磁共振成像设备质量保证与质量控制存在的问题 ........................................ 52

§5.4 台式磁共振伪影及消除方法的探讨 ................................................................ 52

§5.4.1 卷褶伪影......................................................................................................52

§5.4.2 截断伪影......................................................................................................53

§5.4.3 D-MRI 影像鉴别实验 ..................................................................................53

§5.4.4 实验结果和分析..........................................................................................55

§5.5 本章小结 ............................................................................................................ 56

第六章总结和展望.......................................................................................................57

§6.1 设计总结和成果 ................................................................................................. 57

§6.2 不足与展望 ......................................................................................................... 57

参考文献.........................................................................................................................58

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................62

致谢...........................................................................................................................63

第一章引言

§1.1 课题背景

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是目前医学影像领域中应用

非常广泛的一种检查技术和成像方法，能为各种疾病的诊断和治疗提供高质量的

医学图像和检查手段。在磁共振仪器中，依据磁场强度的大小，可以将核磁共振

仪器依次分为低场 MRI、中场 MRI、高场 MRI，对应的磁场强度的范围分别为：

0-0.5T，0.5-1T，1T 以上。低场核磁共振仪器一般用于分析分子和分子之间的相互

作用，比如，依据水分子相态的不同可将水分为结合水、自由水，低场核磁共振

成像仪可以分析这些状态不同的水分子以及高分子材料的交联密度等，而高场强

度的核磁共振成像仪器则主要用于分子结构的分析。科技的发展和进步推动着

MRI 在各个强度领域内迅速发展，尤其是在低场和高场两个方向。

人们对于水分子和高分子材料交联密度等研究的深入使得 MRI 在科研教学、

农业生产、石油勘探、食品品质检测、食品储藏研究、石化产品质量检测、橡胶

材料和人造革材料的研发、水泥特性分析、小动物成像研究等领域不断扩展，需

求空间越来越大。这也使得 MRI 仪器在低场台式化领域有了空前巨大的发展空间

和应用需求，社会上出现了诸多的低场小型台式磁共振成像设备(D-MRI)。这类仪

器的主要特点是：磁体强度底，成像空间相对狭小，应用领域广泛。广阔的社会

需求空间以及 MRI 技术的飞速发展为此类仪器的发展和创新指明了一个研究方

向，同时也提出了一定的技术要求，必须合理的设计磁体强度、梯度线圈以及影

响D-MRI 整体性能的各种软硬件要素，使之能够产生符合社会发展要求和科技进

步需求的产品。

本文正是基于以上社会和科技背景，展开了对 D-MRI 中双平面梯度线圈设计

方法的研究，并综合分析比较各种梯度线圈的设计方法，提出一种新型的线圈优

化设计方法，依据提出的研究设计方法，设计出能够符合公司和社会需求的梯度

线圈，并对设计的线圈进行了一定的模拟仿真和仪器的系统性能检测。

§1.2 课题目的和意义

本课题的主要目标是：在 D-MRI 研究和需求日益旺盛的今天，依托上海纽迈

台式磁共振平面梯度线圈设计方法的研究

电子科技有限公司，在大量分析和研究各种设计方法的基础上，提出一种新型的

线圈优化设计方法，并依据所提出的设计方法，通过理论推导、程序编写和调试、

数据检验和校正、软件的模拟与仿真、试验测试与评估，设计出适用于 D-MRI 设

备的梯度线圈设计研究方法，为台式磁共振平面梯度线圈的设计和生产提供一定

的技术支持。

本课题具有很好的现实意义和生产实践意义，能够从一定程度上解决目前梯

度线圈设计方法在 D-MRI 领域的研究和发展，使 D-MRI 的整体性能能够达到更为

理想的目标和要求，为公司的发展和社会的需求做出积极的相应。

§1.3 国内外的发展现状

目前，磁共振成像仪器主要向高场强和低场强两个方向发展。高场强的大型

医用核磁共振市场主要由国外的跨国公司占据，如GE、西门子、飞利浦、东芝等。

而国内的公司主要集中在低场领域，主要的生产厂商有东软，万东，安科，鑫高

益，纽迈等。随着近几年的发展，国内企业已在国内甚至国际市场占据了一定地

位，在技术方面很多公司采用了诸如无涡流磁体、有源屏蔽梯度、磁体自恒温等

自主知识产权的技术。总体看来，目前在低场磁共振技术领域，我国已经达到国

际先进水平，尤其是纽迈公司，其低场台式磁共振在国内外都有很强的竞争力，

其研发和生产能力也处于行业前端。

另外，在装机水平方面，由于低场台式磁共振在科研、农业、石油勘探、食

品、教学、水泥特性分析等领域的优势，使得低场台式磁共振的应用越来越广泛，

市场需求空间巨大。目前在国内外的一些主要的科研单位、教育单位、重点实验

室、检验单位等对台式磁共振的需求量日益增多，但总体装机量还处于一个较低

的水平。随着台式磁共振整体性能的提高和应用领域的扩展，其市场需求也将进

一步扩大，由此可见，未来我国的D-MRI市场具有十分广阔的市场前景[1]，市场需

求空间巨大。

§1.4 论文研究主要内容

在磁共振成像系统中，磁体强度和梯度大小是整个磁共振成像系统的关键。

在大型医用核磁共振设备中，磁体强度高，梯度场强大，使得医用核磁共振成像

系统在信噪比和梯度切换率等关系成像质量方面占尽优势。但对于一些除人体检

查之外的应用领域，大型医用核磁共振成像系统的应用就受到许多的限制，比如

在教学演示、油水分析、食品检测、地址勘探、材料分析、小动物研究等方面，

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摘要：

摘要核磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)是目前医学影像领域中应用非常广泛的一种检查技术和成像方法，能为各种疾病的诊断和治疗提供高质量的医学图像和检查手段。伴随着磁体技术、梯度技术和相关成像技术的进一步发展和创新，核磁共振成像仪器正在向多元化、宽领域、深层次的方向发展。其中以低磁场磁体为主的台式磁共振，在医疗、科研、农业、石油勘探、食品、教学、水泥特性分析等诸多领域的研究和应用有了长足的发展，这也使得低场磁共振成为发展最快的成像设备之一。台式磁共振成像(Desktop-MagneticResonanceImaging,D-MRI)技术的更新和发展，推动了低场磁...

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