论文部分内容阅读
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)设备是根据核磁共振(nuclear magnetic resonance，NMR)原理设计的医学成像设备，具有适合软组织成像，无电离辐射，成像分辨率高的优点，MRI设备极大地推进了医疗诊断技术的发展和进步。
随着我国医疗水平的不断发展，专科化MRI设备已成为医疗装备领域重点发展方向，因此本文研究了1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体。由于高均匀度的强磁场可提升MRI设备图像信噪比，缩短电磁信号采集时间，所以磁体是MRI设备的关键部件。超导型MRI设备是利用超导磁体来产生所需磁场，超导磁体在产生均匀强磁场方面具有天然优势，具有磁场强度高，体积小，可通过自屏蔽技术降低杂散场范围等优点。MRI磁体研究涉及到磁体的设计和磁体配套匀场算法的开发两部分，在1.5T新生儿自屏蔽MRI设备中，为保证成像质量，目标成像空间内的磁场峰一峰值均匀度要小于8ppm，本文采用无源匀场方法模拟对加工安装后的磁体进行磁场校正。本文主要研究内容包括新生儿MRI超导磁体的多目标优化设计、磁体成像区磁场无源匀场算法设计和磁体多物理场耦合仿真验证结构稳定性。
对于新生儿自屏蔽超导磁体设计，本文在传统MRI优化设计算法上提出了一种基于预成形有限元模型结合第二代多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)的优化设计方法。首先利用线性规划算法获得磁体线圈电流簇的初始分布，得到预布置的磁体结构，然后根据初始结构参数在商业多物理场有限元分析软件COMSOL中建立磁体主线圈，屏蔽线圈与铁磁屏蔽罩的初始模型，构建COMSOL与MATLAB协同平台，形成双向数据沟通，利用COMSOL的多物理场仿真功能，进行双向耦合有限元分析，在NSGA-Ⅱ算法中迭代计算出的Pareto最优解中选择出最符合设计要求的优化结果，从而实现对1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体的多目标优化设计。
设计安装好的MRI超导磁体在实际运行前需对目标成像区磁场进行无源匀场。对于无源匀场算法，本文在传统无源匀场算法基础上提出了一种非线性加权多成像空间无源匀场算法，以均匀度和匀场片用量的加权和作为优化目标，这种匀场方法在达到系统匀场要求的同时，可将消耗匀场片总量控制在最小，并保证直径较小的颅脑成像空间磁场均匀度更高。降低匀场片数目可以减弱涡流效应对磁共振成像的影响，提高较小直径成像空间内磁场均匀度有利于新生儿颅脑疾病的诊断。本文将上述无源匀场算法与传统无源匀场算法打包并编写了无源匀场软件，应用该软件对项目合作公司的1.5T通用型MRI设备进行了匀场实验，验证了所设计的无源匀场软件的正确性和高效性。
为了对理论设计结构的安全性进行验证，本文搭建了包含铁磁屏蔽罩，超导线圈、骨架结构与无源匀场条带的新生儿MRI超导磁体多物理场耦合仿真模型。仿真分析了应用黄铜、铝合金、不锈钢等材料的机械支撑结构对超导磁体电磁应力与应变的影响，并在此基础上对机械支撑结构进行了改进，优化了超导磁体的电磁应力与应变分布，提升了磁体结构安全裕度。搭建的磁体模型在理论上验证了设计的1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体运行的稳定性与安全性。
随着我国医疗水平的不断发展，专科化MRI设备已成为医疗装备领域重点发展方向，因此本文研究了1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体。由于高均匀度的强磁场可提升MRI设备图像信噪比，缩短电磁信号采集时间，所以磁体是MRI设备的关键部件。超导型MRI设备是利用超导磁体来产生所需磁场，超导磁体在产生均匀强磁场方面具有天然优势，具有磁场强度高，体积小，可通过自屏蔽技术降低杂散场范围等优点。MRI磁体研究涉及到磁体的设计和磁体配套匀场算法的开发两部分，在1.5T新生儿自屏蔽MRI设备中，为保证成像质量，目标成像空间内的磁场峰一峰值均匀度要小于8ppm，本文采用无源匀场方法模拟对加工安装后的磁体进行磁场校正。本文主要研究内容包括新生儿MRI超导磁体的多目标优化设计、磁体成像区磁场无源匀场算法设计和磁体多物理场耦合仿真验证结构稳定性。
对于新生儿自屏蔽超导磁体设计，本文在传统MRI优化设计算法上提出了一种基于预成形有限元模型结合第二代多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ)的优化设计方法。首先利用线性规划算法获得磁体线圈电流簇的初始分布，得到预布置的磁体结构，然后根据初始结构参数在商业多物理场有限元分析软件COMSOL中建立磁体主线圈，屏蔽线圈与铁磁屏蔽罩的初始模型，构建COMSOL与MATLAB协同平台，形成双向数据沟通，利用COMSOL的多物理场仿真功能，进行双向耦合有限元分析，在NSGA-Ⅱ算法中迭代计算出的Pareto最优解中选择出最符合设计要求的优化结果，从而实现对1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体的多目标优化设计。
设计安装好的MRI超导磁体在实际运行前需对目标成像区磁场进行无源匀场。对于无源匀场算法，本文在传统无源匀场算法基础上提出了一种非线性加权多成像空间无源匀场算法，以均匀度和匀场片用量的加权和作为优化目标，这种匀场方法在达到系统匀场要求的同时，可将消耗匀场片总量控制在最小，并保证直径较小的颅脑成像空间磁场均匀度更高。降低匀场片数目可以减弱涡流效应对磁共振成像的影响，提高较小直径成像空间内磁场均匀度有利于新生儿颅脑疾病的诊断。本文将上述无源匀场算法与传统无源匀场算法打包并编写了无源匀场软件，应用该软件对项目合作公司的1.5T通用型MRI设备进行了匀场实验，验证了所设计的无源匀场软件的正确性和高效性。
为了对理论设计结构的安全性进行验证，本文搭建了包含铁磁屏蔽罩，超导线圈、骨架结构与无源匀场条带的新生儿MRI超导磁体多物理场耦合仿真模型。仿真分析了应用黄铜、铝合金、不锈钢等材料的机械支撑结构对超导磁体电磁应力与应变的影响，并在此基础上对机械支撑结构进行了改进，优化了超导磁体的电磁应力与应变分布，提升了磁体结构安全裕度。搭建的磁体模型在理论上验证了设计的1.5T新生儿自屏蔽MRI超导磁体运行的稳定性与安全性。