永磁微型核磁共振成像系統(tǒng)勻場線圈設計研究

傅立

摘 要：在核磁共振系統(tǒng)當中，磁場均勻性為其重要硬件參數(shù)，而有源勻場則能夠精細修正磁場。本文基于永磁微型核磁共振成像系統(tǒng)，在確定均勻間隙情況下，開展了勻場理論分析，經(jīng)模擬仿真與數(shù)值計算，設計了一套能夠放置在探頭屏蔽盒外側(cè)的有源勻場系統(tǒng)。將此系統(tǒng)放置于NMI20微型核磁共振成像儀上，勻場效果從之前的10 ppm提升至1.4 ppm。

關鍵詞：永磁微型核磁共振成像系統(tǒng)；勻場線圈；設計

中圖分類號：O482 文獻標識碼：A

磁體作為基于均勻穩(wěn)定磁場環(huán)境下，所形成的帶有強烈核磁共振現(xiàn)象的核心部件，對于其所具有的性能參數(shù)而言，不僅對核磁共振信號具有決定作用，而且對于圖像質(zhì)量同樣具有直接決定作用，就其投入成本層面來考量，其在整個核磁共振成像設備當中，通常情況下，會占到1/3，所以，針對磁體來講，其在整個核磁共振設備當中，扮演著核心作用。

1.有源勻場基本理論概述

在沒有電流密度的情況下，在自由電荷狀況下，依據(jù)Maxwell方程，利用由永磁體所形成的強烈的無源靜磁場，從本質(zhì)上來講，就是一個無旋場，針對其標量磁位來講，在某種程度上，往往能夠較好的滿足于拉普拉斯方程，此方程于球坐標系下，便能夠得出笛卡爾坐標系下Bz的展開式。經(jīng)過展開之后，便能夠依據(jù)實際需要，對無旋靜磁場滿足實際要求的分解，使之形成均勻磁場。若利用外部通電線圈所形成的磁場，抵消各非均勻磁場項，那么在實際目標區(qū)域內(nèi)，便能夠獲取理想磁場。因級數(shù)展開而得到的非均勻項，實為無窮多項，所以，在實際當中，在磁場抵消方面，抵消數(shù)量相對有限，因此，對于所形成的磁場而言，往往比較均勻。基于此，在對勻場線圈進行實際設計的過程中，核心任務與關鍵使命就是，通電線圈的合理、高效使用，通過此線圈的運用，最終形成具有階次差異且滿足實際所需的非均勻磁場。

2.基本電磁場理論分析

磁場疊加定理與Biot-Savart定理乃是用于有源勻場的核心電磁場理論?？蛇\用Biot-Savart定理，將在空間的圓弧載流導線相應磁場強度求解出來?？蓸嫿ㄈ诤系芽栕鴺讼?，另外，還能構建球坐標系，并形成二者之間的坐標空間，對于O點而言，即為兩坐標系對應處的坐標原點，笛卡爾坐標系的Z軸與球坐標系的極軸相融合。

若多組線圈空間位置不同，或者有著不同的電流方向。于場點P所形成的磁場強度，可以依據(jù)磁場疊加定理來完成求解。無論是哪個通電線圈弧段，對此所需注重的是，把積分限進行相應調(diào)整與改變，可依據(jù)實際需要，將弧段角度進行適當調(diào)整便可。從永磁型磁共振角度來考量，從本質(zhì)上來講，即為平板型磁極，所以，在實際開展勻場線圈設計過程中，也需要將其設計成與上述一樣的平面型，使之更好匹配。依據(jù)上述定理，若經(jīng)兩磁極板方向，在兩個點線圈實際放置過程中，如選擇在與中心點呈對稱狀態(tài)的位置上，不僅合理且可行，另外，在電流上，其方向便會呈相反狀，如此一來，基于中心區(qū)域框架內(nèi)，所形成的磁場，在方向上，便會相反，針對此狀況，進行相互疊加操作，便能形成以Z方向為軸心所構建的梯度。當確定好線圈距離之后，可依據(jù)實際需要，對通電線圈的半徑，進行適當性調(diào)整，通過此調(diào)整，對于一階的Z向線性，除了能將其有所改變之外，還能使Z3、Z5等，根據(jù)實況及現(xiàn)實需要，呈奇次方非線性變化，由此形成所需要的帶有規(guī)律性的磁場。

于Z=±h的所呈現(xiàn)出的對稱平面當中，以Y方向為軸心，依據(jù)對稱方式，完成兩半圓通電弧段相應放置工作，另外，在電流方向上，可設置呈反向，而兩極板的電流則由相同的方向，在確定h的狀況下，通過對通電圓弧的半徑進行調(diào)整，可形成沿著X方向而產(chǎn)生的軸旋轉(zhuǎn)90°，最終便可獲得Y方向的線性磁場。為使高階效果以及線性度處于最佳狀態(tài)，通常情況下，會運用多匝線圈，以此來替換單組線圈。

3.目標分析

針對核磁共振成像的整個系統(tǒng)來講，通常情況下，其不能實施各種層面的無源勻場，因此，在對磁極板平行度進行調(diào)節(jié)之后，主磁體的均勻性最高可達10ppm。針對本次設計來講，其總體層面的既定目標，就是通過設定的高階勻場，在20mmDSV范圍內(nèi)，使其均勻性得到提升，即超過1ppm。要想以一種較好的方式達成此目標，需要確定出各階勻場線圈相對應的幾何形狀之后，再將3個指標給確定下來，即線圈電流限制、各階次線圈的半徑與線圈匝數(shù)及線圈極板間間距（線圈間隙）。對于磁場而言，其乃為一空間概念，針對不同方向的勻場磁場，不僅要考慮Z向的線性，而且還需將XY平面內(nèi)的均勻性考慮在內(nèi)，不然，會出現(xiàn)不佳的勻場效果。因此，需依據(jù)實際情況及現(xiàn)實需要，完成線圈極板間距離的總體設置工作，實際上就是將線圈間隙設置好，除此之外，還需將各階次線圈的匝數(shù)考慮在內(nèi)，還有其半徑等。通過仿真，得知半徑相比于各線圈之間的間隙，明顯小于后者，此時會造成徑向勻場在范圍上呈現(xiàn)出持續(xù)減小狀態(tài)。若半徑較之線圈的間隙，存在超出后者的情況，此時，進行數(shù)值仿真，最終結果得知，20mmDSV區(qū)域范圍相同，伴隨間隙的持續(xù)增加，線性度便會隨之提高；若間隙相同，伴隨半徑增加，線性度同樣會提升。至此，從理論層面來考量，要想達到較高的線性度乃是能夠?qū)崿F(xiàn)的，僅需增加線圈半徑與間隙便可。此外，隨著磁極間隙的增加，磁場均勻性便會隨之變差。所以在磁極間隙及其他條件均確定的情況下，需適當性增加線圈間隙，針對線圈半徑來講，不可隨意性增大，需依據(jù)梯度板及磁極板的實際半徑來決定。

4.線圈設計效果仿真

針對本次設計來講，擬定非均勻磁場11項，以永磁型磁極板為基礎，結合其實際結構，對于全部的勻場線圈來講，在設計類型上，均選擇平面型。利用反向電流弧，或者同向的亥姆赫茲線圈，均可成功構建非線性磁場，通過此操作，便能較好地實現(xiàn)關于磁場的修正。針對一階勻場線圈來講，其在具體的修成幅度方面，往往是最高的，除此之外，在勻場效果方面，也是具有最大影響的。針對所得數(shù)據(jù)值，通過對此進行計算機仿真，便能得出關于單一某方向的線性度；對于Z線圈而言，伴隨其半徑的增加，盡管在Z方向上，其線性度呈現(xiàn)出持續(xù)優(yōu)化狀態(tài)，但對于X（Y）方向而言，其均勻性來則易發(fā)生改變，即起初呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即先優(yōu)化后轉(zhuǎn)為惡化；若依據(jù)實際需要，將間隙適當性的增加，那么最終也會有此規(guī)律出現(xiàn)。所以，針對一階勻場磁場，其所對應的線性度，通常要求比較高，但在實際操作中，還需將線性方向的磁場均勻性囊括在內(nèi)。

5.結果分析

依據(jù)仿真效果，本此研究工進行了8層印刷板勻場線圈系統(tǒng)的相應設計工作，對于一層設計來講，即為Z1、Z2、Z3與Z4，而另外一層則為X2-Y2，Y-YZ、XY為一層分別為另外兩層，除此之外，用于屏蔽的則為覆銅層，通過將兩層連接起來，便成為導線層。本次設計所選用的是NMI20微型的核磁共振成像系統(tǒng)，通過合理化調(diào)節(jié)各項勻場線圈的電流，另實施樣品譜寬方面的實驗，得知在磁場均勻性方面，自之前的10ppm，已提升至1.4ppm。

參考文獻

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