蘇州醫(yī)工所在平面型永磁磁共振系統(tǒng)梯度線圈設(shè)計(jì)研究中取得進(jìn)展

　　核磁共振技術(shù)在生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)生磁共振設(shè)備主磁場(chǎng)的磁體類型，磁共振主流設(shè)備又分為超導(dǎo)磁共振和永磁體磁共振。近些年來(lái)，高場(chǎng)的超導(dǎo)磁共振儀器發(fā)展迅速，占據(jù)了目前磁共振成像領(lǐng)域的大部分市場(chǎng)，而永磁磁共振系統(tǒng)由于其成本低、占地空間小等特點(diǎn)在?？拼殴舱駪?yīng)用（如關(guān)節(jié)磁共振、嬰兒磁共振）中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，依舊存在較大的市場(chǎng)。常規(guī)的永磁磁共振設(shè)備一般由鐵軛、永磁磁塊及極板等構(gòu)成，用于產(chǎn)生高均勻性磁場(chǎng)。然而由于極板一般由高導(dǎo)磁率純鐵組成，在梯度波形施加過程中，極板中會(huì)感應(yīng)出形成拮抗作用的電流，產(chǎn)生與梯度場(chǎng)相反的磁場(chǎng)分布，從而影響梯度線圈的性能，包括梯度場(chǎng)強(qiáng)度、梯度場(chǎng)線性度等。極板中感應(yīng)電流甚至?xí)?dǎo)致線圈的電感提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，降低梯度波切換速率，對(duì)磁共振成像速度造成嚴(yán)重制約。

　　中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所醫(yī)學(xué)影像室核磁共振組針對(duì)永磁磁共振設(shè)備的上述問題，結(jié)合極板對(duì)梯度線圈性能影響提出了一種改進(jìn)的鏡像電流模型建立方法，對(duì)梯度線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，抵消極板的影響。首先基于課題組已有的關(guān)節(jié)磁共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)極板的分布，在有限元仿真軟件中計(jì)算極板對(duì)縱向梯度線圈的影響；然后建立極板的鏡像電流模型，包括圓線圈和縱向梯度線圈兩種結(jié)構(gòu)，在數(shù)值分析軟件中結(jié)合有限元仿真的結(jié)果對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，逼近極板對(duì)梯度場(chǎng)性能的干擾結(jié)果，通過對(duì)比得出圓線圈能夠更好地模擬極板的影響；利用優(yōu)化出的圓線圈結(jié)構(gòu)對(duì)梯度線圈設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，綜合考慮梯度線圈的梯度場(chǎng)線性度，利用目標(biāo)場(chǎng)點(diǎn)誤差及電感等因素，并利用有約束的Levenberg – Marquardt優(yōu)化算法，改進(jìn)梯度線圈設(shè)計(jì)，取得了較好的優(yōu)化結(jié)果，算法運(yùn)算速度快，效率高。通過與邊界元梯度線圈優(yōu)化算法進(jìn)行比較表明本文的算法大大縮短運(yùn)算時(shí)間，證明了算法的優(yōu)異性。

　　以上研究得到中科院科研裝備項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：YZ201445, YZ201313）、江蘇省科技項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：BK20131171）的支持，相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering（published: 19 November 2016，DOI: 10.1002/cmr.b.21344），題為pole plate effected gradient coils design in permanent magnet MRI system。

　　圖1：永磁磁共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2：不同的約束條件下縱向梯度線圈的優(yōu)化結(jié)果，其中實(shí)線代表不考慮極板效應(yīng)時(shí)的線圈分布，虛線代表考慮極板效應(yīng)時(shí)線圈優(yōu)化分布，a）-d）分別對(duì)應(yīng)無(wú)約束，電流密度函數(shù)約束半徑rad為600，1，0.1下的梯度線圈分布。

　　圖3：電流密度函數(shù)約束條件rad與誤差優(yōu)化結(jié)果關(guān)系，可見當(dāng)rad為4.466時(shí)，誤差結(jié)果能夠達(dá)到最優(yōu)值。