1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是当今世界上最先进的医学影像技术之一,现阶段MRI技术正朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展.与全身MRI设备相比,专科型MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.但是关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)内产生高均匀度的磁场.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.     

单边磁共振成像仪磁体系统研究

单边磁共振成像（MRI）系统由于其良好的开放性引起了越来越多的关注,这种系统的成像样品区位于磁体外侧,其形状为薄片形,其磁体结构设计是一个全新的问题. 本文基于鞍点理论,探索这种单边磁体在其外侧产生均匀样品区的可行性,通过对几种单边磁体结构磁场特性的研究,指出适当设计的永磁磁体能够在磁体外侧产生鞍点. 最后给出一种符合成像要求的单边永磁MRI磁体结构. 单边MRI磁体结构的可行性分析及磁体结构的成功设计,为开展完全开放式磁共振成像装置的研究打下了坚实的基础.     

开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计

本文发展了开放式自屏蔽全身成像高场超导磁共振成像（MRI）磁体的优化设计方法,使设计出来的磁体仅有4 对超导线圈. 这种开放结构的超导MRI磁体优化设计方法集成了线性规划算法和遗传算法. 通过迭代线性规划算法可以在考虑成像区域（DSV）磁感应强度约束、磁场不均匀度约束、5 Gs线范围约束、线圈区域最大磁场值约束和最大环向应力约束的条件下,获得用线量最少的线圈初始形状和位置,同时可以得到每个线圈的层数和每层匝数;通过遗传算法可以提高DSV区域的磁场不均匀度,以达到高质量成像的要求. 这种集成的优化设计方法既可以灵活有效的设计开放式MRI磁体,也可以设计传统的圆柱形MRI磁体,本文通过一个1.2 T的开放式MRI磁体的设计清楚的展示了这种优化方法. 关键词： 线性规划算法 遗传算法 自屏蔽 开放式超导MRI磁体     

1.5T关节超导核磁共振成像主磁体电磁机械特性分析

本文设计了用于关节成像的1.5T超导核磁共振成像(MRI)主磁体的电磁结构与机械支撑结构.首先计算了主磁体成像区域及磁体周围的电磁场分布.在此基础上,采用电磁-结构耦合方法计算了主磁体与支撑结构中的应力、应变分布情况.同时分析了不同的支撑材料对磁体应力/应变的影响.给出了1.5T超导MRI主磁体支撑结构的设计标准.     

开放式线圈屏蔽高场超导MRI磁体的优化设计

提出了开放式高场线圈屏蔽超导MRI磁体的混合优化设计方法,所设计的开放式MRI磁体仅有2对超导线圈。首先采用ISIGHT集成有限元分析软件ANSYS,构成协同式集成优化设计平台,设计磁体的主线圈和屏蔽线圈;然后提出改进的电磁场形状优化方法,设计磁体的匀场铁环,最后通过MATLAB运行遗传算法调用ANSYS进一步优化成像区域(Diameter of Spherical Volume,DSV)的磁场不均匀度,以达到高质量成像的要求。通过一个1.2T的开放式MRI磁体的设计实例清楚地展示了这种优化方法。     

短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法

本文提出一种用于短腔、自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的混合优化设计方法,通过结合线性规划和非线性优化算法,设计出的磁体系统具有建造成本低、结构简单、以及线圈中最高磁场、电流安全裕度和电磁应力可控等优点.首先,通过线性规划算法在欲布置线圈空间范围内建立二维连续网格划分,搜索满足磁场约束条件的网格电流分布图;其次,将电流分布图中的非零电流簇离散成螺线管线圈,通过非线性优化算法计算出满足成像区域磁场均匀度要求、5 Gs杂散场限制、线圈中最高磁场限制、电流安全裕度以及线圈间尺寸间隔等约束条件的线圈结构参数.文中给出一个中心磁场为1.5T自屏蔽磁共振成像超导磁体系统的设计案例,在50 cm球形成像区域所产生的磁场峰峰值不均匀度为10 ppm,线圈最大长度为1.32 m.该设计方法可用于对称、非对称螺线管线圈系统以及开放式双平面线圈系统的磁共振成像磁体系统设计.     

一种永磁磁共振中磁体涡流场的测量方法

磁共振成像（Magntic Resonance Imaging,MRI）技术是一种先进的医疗影像技术.在MRI系统中,通过梯度线圈电流快速切换方向,对待测区域施加梯度磁场,产生的梯度磁场会在其周围的金属体内激发出变化的涡旋电场,进而导致金属体内闭合的回路中产生对原来的梯度电流起抑制作用的感生电流,也就是我们所说的涡流.本文介绍了一种测量磁体涡流场的方法,结合电磁感应定律,设计了一种磁体涡流场测量装置,通过硬件采集以及软件处理的方法,将理想梯度场与实际磁场进行相减并将波形实时呈现,实验结果表明该方法可实现对磁体涡流场的测量.     

基于Python的托卡马克磁场快速计算程序

本文编写了一个快速计算托卡马克磁体磁场的程序。该程序基于Python语言编写,使用可视化界面来输入磁体参数,建立模型;采用解析方法计算磁场;并采用图形界面展示磁场计算结果。通过与有限元软件磁场计算结果对比表明,该程序的计算速度可达到有限元软件的十倍左右,可快速进行托卡马克磁体系统的建模与磁场计算,有利于更快地开展托卡马克磁体系统的设计与分析。     

一种实用的使用铁磁材料匀场的开放式超导MRI磁体的优化方法(英文)

磁共振成像(MRI)系统是一种重要的医学诊断设备。作者提出了一种针对使用铁磁材料匀场的开放式超导MRI主磁场匀场的优化方法。在这种方法中,为了使这种包含非线性铁磁轭结构的MRI磁体产生高均匀度的磁场,集成了改进的多输入多输出负反馈控制理论和有限元方法,来计算匀场区非线性铁磁材料的形状。特别要指出的是,这种方法对初始值的要求不高,一定可以收敛,如果配置得当,可以快速收敛。另外,由于收敛速度快,这种方法也可以应用于大型的非轴对称三维模型优化分析。在文中,作者在一个二维轴对称磁体模型上测试了该方法,表现良好。     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

Asymmetric MRI Magnet Design Using a Hybrid Numerical Method

This paper describes a hybrid numerical method for the design of asymmetric magnetic resonance imaging magnet systems. The problem is formulated as a field synthesis and the desired current density on the surface of a cylinder is first calculated by solving a Fredholm equation of the first kind. Nonlinear optimization methods are then invoked to fit practical magnet coils to the desired current density. The field calculations are performed using a semi-analytical method. A new type of asymmetric magnet is proposed in this work. The asymmetric MRI magnet allows the diameter spherical imaging volume to be positioned close to one end of the magnet. The main advantages of making the magnet asymmetric include the potential to reduce the perception of claustrophobia for the patient, better access to the patient by attending physicians, and the potential for reduced peripheral nerve stimulation due to the gradient coil configuration. The results highlight that the method can be used to obtain an asymmetric MRI magnet structure and a very homogeneous magnetic field over the central imaging volume in clinical systems of approximately 1.2 m in length. Unshielded designs are the focus of this work. This method is flexible and may be applied to magnets of other geometries.     

Equivalent magnetic dipole method used to design gradient coil for unilateral magnetic resonance imaging

The conventional magnetic resonance imaging(MRI) equipment cannot measure large volume samples nondestructively in the engineering site for its heavy weight and closed structure. In order to realize the mobile MRI, this study focuses on the design of gradient coil of unilateral magnet. The unilateral MRI system is used to image the local area above the magnet. The current density distribution of the gradient coil cannot be used as a series of superconducting nuclear magnetic resonance gradient coils, because the region of interest(ROI) and the wiring area of the unilateral magnet are both cylindrical side arc surfaces. Therefore, the equivalent magnetic dipole method is used to design the gradient coil, and the algorithm is improved for the special case of the wiring area and the ROI, so the X and Y gradient coils are designed.Finally, a flexible printed circuit board(PCB) is used to fabricate the gradient coil, and the magnetic field distribution of the ROI is measured by a Gauss meter, and the measured results match with the simulation results. The gradient linearities of x and y coils are 2.82% and 3.56%, respectively, less than 5% of the commercial gradient coil requirement.     

医用重离子回旋加速器引出系统设计

紧凑型回旋加速器作为重离子医学专用装置同步加速器的注入器,其引出系统设计所用的磁场为TOSCA模型计算磁场。通过单粒子轨道计算确定引出系统的元件类型及基本参数;通过多粒子跟踪确定最终的元件参数和束流参数。为了提高引出效率,改善引出束流品质,在引出位置磁场梯度较大的位置,安放了一块C型磁铁,以改善此处的磁场梯度。同时,为了消除此C型磁铁对主磁场的影响,在此区域安放了一对线圈。计算结果表明引出系统的设计能够保证引出束流的强度和品质符合同步加速器的要求。     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb₃Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

Enhancement of the efficiency of magnetic targeting for drug delivery: Development and evaluation of magnet system

Deep magnetic capture and clinical application are the current trends for magnetic targeted drug delivery system. More promising and possible strategies are needed to overcome the current limitations and further improve the magnetic targeting technique. Recent advances in the development of targeting magnet system show promise in progressing this technology from the laboratory to the clinic. Starting from well-known basic concepts, current limitations of magnetic targeted drug delivery system are analyzed. Meanwhile, the design concepts and evaluations of some effective improvements in magnet system are discussed and reviewed with reference to (i) reasonable design of magnet system; (ii) control modes of magnet system used to generate dynamical magnetic fields; and (iii) magnetic field driving types.