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开放式MRI屏蔽梯度线圈设计与磁驱动方法研究

【摘要】:磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统由主磁体、射频线圈和梯度线圈系统组成,其中,梯度线圈系统是整个MRI系统的核心部件,按照一定组合方式进行安装用来产生三维线性梯度磁场,负责对空间信息进行编码,完成图像的重建,其性能直接决定了磁共振图像信息的准确性,因而在磁共振成像过程中起着重要的作用。我国MRI系统研究起步较晚,主要核心部件(梯度线圈系统)的自主研发能力不足,主要以技术转让形式出现。因此,如何设计结构合理、性能优越的梯度线圈系统,不仅对提高整个MRI系统的性能、改善成像质量具有重要的研究意义,而且标志着我国自主研发MRI系统能力的不断提升。现代磁共振系统中,为缩短成像时间,需要不断加快梯度磁场变化率,即要求梯度线圈快速进行开闭状态,故对梯度线圈性能提出了更高要求。梯度线圈实际成像中,将在MRI和导体结构中产生二次磁场和涡电流,对梯度线圈的空间编码产生干扰,严重影响MRI系统的成像质量,造成图像失真、伪影,甚至会对人体器官造成危害。本文研究内容为“图像向导的MRI-Linac实时消融系统研究”(澳大利亚ARC资助课题)的子课题。该课题以图像为向导的机器人技术在生物医疗领域中得到迅速发展,但随之产生的驱动问题、安全性问题也成为限制其应用的一个重要影响因素,在磁共振环境下有必要对其系统的兼容性、安全性进一步分析讨论。针对目前磁共振成像系统的发展现状,为提高我国磁共振成像设备的自主研发能力,本文开展了开放式磁共振扫描仪梯度线圈设计方法的研究,旨在解决目前梯度线圈设计过程中存在的问题,在尽可能获得性能优越的梯度线圈的同时,减少涡流场对线圈性能的影响;并以梯度线圈背景知识和永磁型磁共振系统为突破口,提出一种外磁场驱动系统设计方法,分析图像向导的磁共振兼容设备在磁场中的影响因素;提出MRI图像向导磁共振执行机构的设计方案。本文主要工作和创新点如下:(1)开放式梯度线圈设计传统的基于流函数的数值计算方法广泛应用于线圈设计,但实际加工过程中,线圈的连接引起的磁场系统误差成为影响其性能的主要原因,为消除线圈连接引入的系统误差,提出以帕斯卡涡线、圆为基底的螺旋线结构的线圈设计方法(横向梯度线圈,纵向梯度线圈),该设计方法不仅可以改善线圈的磁场性能,而且可控的线间距为线圈冷却系统的安装提供了足够的空间。针对永磁体MRI磁间距有限问题,提出一种基于磁镜像原理的流函数有限差分永磁体MRI被动屏蔽梯度线圈设计方法,考虑磁极效应有无对目标磁场的影响,使用多层磁介质材料作为抗涡流板,用来消除梯度线圈设计过程中引入的二次磁场。(2)探究梯度线圈设计过程中的电感耦合引起的涡电流实际设计中考虑到梯度线圈几何形状的复杂性,对于永磁体MRI系统,涡电流难以进行预测和定量分析,本文提出一种多层积分法,有效地对梯度线圈及其周围物体之间的交互引起的涡电流效应进行了理论分析和实验论证。(3)磁驱动系统设计及MRI图像向导兼容设备安全性分析针对目前驱动系统操作空间狭小和功耗大的问题,提出构建一种最小功耗的外磁场驱动系统,分析磁驱动理论及影响驱动力的影响因素,建立多参数磁力矩、磁力预测模型,为驱动器设计提供数据反馈。(4)磁共振兼容性评估方法及MRI图像向导兼容测试装置的建立针对传统驱动方式在MRI中易产生伪影和失真,本文在分析MRI图像向导驱动系统的兼容性基础上,提出一种以超声电机为驱动核心的图像向导测试方案,建立MRI有限元分析模型和超声电机等效模型,以及磁场环境下的涡流场分布和执行机构运动状态之间的关系。实验测试结果表明,在不同扫描序列下均具有较好的成像特性,可很好地抑制图像失真及伪影。在MR图像的引导下完成了测试平台的穿刺实验,验证了本文图像向导的磁共振兼容性、安全性和精确定位。

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