基于ANSYS的便攜MRI系統(tǒng)中環(huán)對型永磁體仿真

程藝苑， 蘇明陽， 萬書佳， 張新剛

（1.南陽師范學(xué)院 a.機電工程學(xué)院；b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473061；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪環(huán)保工程學(xué)院，河南 南陽 473000）

0 引 言

目前，磁共振成像已成為醫(yī)學(xué)影像和診斷的重要工具，被廣泛應(yīng)用于臨床診斷和科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域。隨著我國人口老齡化的加劇和新冠疫情防控的常態(tài)化，在一些非醫(yī)院的特殊場所，如養(yǎng)老院、重癥監(jiān)護室、手術(shù)室、救護車、急診室、體育場或者隔離醫(yī)療點等，對于一些特殊病人在無法移動的情況下，需要利用MRI技術(shù)進行局部成像和初步診斷，在這樣的背景之下，便攜移動型MRI系統(tǒng)迅速發(fā)展起來，具有廣闊的應(yīng)用前景。

磁體是MRI系統(tǒng)中體積最大、重量最重、造價最高的核心部件，其主要作用是在中心成像區(qū)產(chǎn)生一個均勻的靜磁場，磁場的磁感應(yīng)強度和均勻度將直接影響成像質(zhì)量［1-2］。常導(dǎo)型和超導(dǎo)型磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要額外的電力和液氦［3-4］，體積龐大不適合在移動場景的應(yīng)用。永磁型磁體的結(jié)構(gòu)簡單開放，造價低廉，我國永磁材料豐富，是便攜MRI系統(tǒng)的最佳選擇。

目前，有關(guān)便攜MRI系統(tǒng)的相關(guān)研究與應(yīng)用中，永磁體常采用雙極型、Halbach型和環(huán)對（Ring-Pair）型這三類，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中的黑色箭頭為磁化方向。雙極型永磁系統(tǒng)由上、下兩個磁極和不同形狀（H或C形）的鐵軛構(gòu)成磁路，如圖1（a）所示為H形的雙極型永磁體。鐵軛可以引導(dǎo)磁場構(gòu)成閉合的磁路，但也增加了整個磁體系統(tǒng)的重量和體積，雙極型永磁系統(tǒng)的成像區(qū)較小，主要用于室外植物成像［5］和人體局部檢測成像［6］。Halbach型磁體是由若干塊永磁體構(gòu)成陣列，最常見的是閉合的環(huán)形［7］，如圖1（b）所示，其不需要額外的鐵軛，磁體的重量較輕，在桌上磁共振波譜儀、頭部成像等應(yīng)用領(lǐng)域取得了很多研究成果［7-10］。但是，Halbach型磁體產(chǎn)生的主磁場的方向為橫向，而目前市場上常規(guī)的射頻系統(tǒng)都不能直接使用，需要重新設(shè)計。近幾年，由Aubert［11-12］提出的環(huán)對型磁體被初步探索應(yīng)用于便攜MRI系統(tǒng)中［13-17］，其主要由兩個分別向內(nèi)和向外徑向磁化永磁環(huán)所組成，如圖1（c）所示，黑色箭頭為徑向磁化的方向，紅色箭頭為成像區(qū)的磁場方向。環(huán)對型永磁體產(chǎn)生的磁場方向與市場主流超導(dǎo)型磁體的磁場方向一致，因此，目前與常用的射頻線圈都相兼容可直接使用。

圖1 幾種永磁體示意圖

本文基于這種環(huán)對型永磁體，運用ANSYS有限元分析軟件進行了一系列的仿真，對其結(jié)構(gòu)的離散化和相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析和討論，計算結(jié)果將對環(huán)對型永磁體的優(yōu)化設(shè)計和實際工程制作具有一定的指導(dǎo)和參考意義。

1 模型建立

基于便攜移動型MRI系統(tǒng)，建立一個環(huán)對型磁體模型，具體如圖2所示。該磁體系統(tǒng)模型由2個分別向內(nèi)和向外徑向磁化的永磁環(huán)所組成，這2個環(huán)形永磁體的內(nèi)半徑Rin＝0.2 m，外半徑Rout＝0.4 m，單個環(huán)的高度H＝0.1 m，2個環(huán)之間的距離D＝0.4 m。中心成像區(qū)在兩個環(huán)形永磁體的中間部位，考慮直徑為0.2 m，高度為0.05 m的圓柱體。永磁體的材料選擇為釹鐵硼（Nd-Fe-B），型號為N50，其剩磁Br＝1.38 T，矯頑力Hcb＝1 050 kA／m?；诖谁h(huán)對型磁體，本文利用ANSYS建立模型并進行一系列的仿真與探索。

圖2 環(huán)對型磁體模型

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 分割成不同的塊數(shù)

理想的環(huán)對型永磁體是由均勻徑向磁化的兩個環(huán)形永磁體所組成。由于實現(xiàn)徑向均勻磁化比較困難，實際應(yīng)用時常將環(huán)形磁體進行均勻分割，用徑向磁化的弧形小磁塊拼接組成圓環(huán)形。本文考慮將環(huán)形永磁體分割成不同的塊數(shù)，為保持磁化方向的對稱性，分別將其分割為4，8和16塊，具體模型如圖3所示。圖3中將圖2的磁體模型進行了旋轉(zhuǎn)，分為上、下2個環(huán)形永磁體，環(huán)形永磁體的徑向平面為XY平面，軸向為Z軸，離散后的每一個弧形小磁塊上的黑色箭頭為其實際的磁化的方向。2個環(huán)形永磁體中間的小圓柱體即為中心成像區(qū)。

圖3 分割成不同的塊數(shù)的磁體模型示意圖

運用ANSYS進行三維模型的建立和磁場計算，得到中心成像區(qū)的磁場的具體情況見表1，磁感應(yīng)強度分布情況如圖4所示。其中，中心成像區(qū)的磁場均勻度定義為：

圖4 中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度分布

式中，Bmax、Bmin和Bavg分別為中心直徑為0.2 m、高度為0.05 m的圓柱體成像區(qū)中的磁感應(yīng)強度的最大值、最小值和平均值。磁場均勻度U的數(shù)值越小則表示磁場越均勻。

由表1可見，分割的塊數(shù)越多，中心成像區(qū)的平均磁感應(yīng)強度越大，即磁場增強，而磁場的均勻度數(shù)值減少，即磁場更加均勻了。分割的越多，越接近于理想的均勻磁化情況。但是，分割的塊數(shù)增多，會導(dǎo)致實際加工裝配的難度增大，因此需要根據(jù)具體應(yīng)用進行權(quán)衡。

表1 分割成不同塊數(shù)的中心成像區(qū)磁場情況

2.2 相關(guān)磁體結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響及分析

基于上述分割成8塊的環(huán)對型磁體，探索磁體相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對中心成像區(qū)磁場分布的影響。磁體模型中主要考慮3個結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是2個環(huán)形永磁體的外徑Rout、單個永磁環(huán)的高度H和兩個永磁環(huán)之間的距離D。在離散成8塊的初始化模型中，Rout＝0.4 m，H＝0.1 m，D＝0.4 m，中心成像區(qū)磁場的平均磁感應(yīng)強度為0.194 4 T，磁場均勻度為19 708×10－6，在此基礎(chǔ)上，改變上述的3個結(jié)構(gòu)參數(shù)，觀察其對中心成像區(qū)的磁場的影響情況。

（1）改變環(huán)形永磁體的外徑Rout。由于環(huán)形永磁體的內(nèi)徑?jīng)Q定了可成像物體的尺寸大小，所以暫時保持固定不變，只考慮改變環(huán)形永磁體的外徑Rout。分別計算了Rout從0.25～0.5 m線性改變的幾組結(jié)果，得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖5所示。

圖5 環(huán)形永磁體外徑Rout對磁場的影響

圖5（a）為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況，圖5（b）為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。由圖5（a）、（b）可見，隨著環(huán)形永磁體的外徑Rout的增大，中心成像區(qū)的平均磁場強度逐漸增強，磁場強度從56.1變化到253.2 mT；同時，磁場均勻度的數(shù)值也在逐漸減少，中心成像區(qū)的磁場變得更加均勻。從結(jié)果中可以得到，中心成像區(qū)的磁感應(yīng)強度和均勻度都隨著環(huán)形永磁體外徑Rout的改變呈現(xiàn)線性變化。但是，環(huán)形永磁體的外徑Rout變大，會增加永磁體的重量和體積，將會直接影響其便攜移動的性能，所以也需要綜合考慮和優(yōu)化。

（2）改變環(huán)形永磁體的高度H。第2個考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)是環(huán)形永磁體的高度H，分別計算H從4 cm到14 cm線性改變的幾組數(shù)據(jù)，得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖6所示。

圖6 磁體高度H對磁場的影響

圖6（a）為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況，圖6（b）為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。由圖6（a）、（b）可見，隨著環(huán)形永磁體高度H的增大，中心成像區(qū)的平均磁感應(yīng)強度逐漸增強，磁感應(yīng)強度從90.7變化到245.4 mT。但是，磁場均勻度的數(shù)值并非隨著高度H的增大呈現(xiàn)線性變化，在這幾組數(shù)據(jù)中，當高度H＝6 cm的時候，中心成像區(qū)的磁場均勻度數(shù)值最小為7 320×10－6，即磁場最均勻?？梢?，中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度隨著環(huán)形永磁體高度H的改變呈現(xiàn)線性變化，但磁場均勻度卻呈現(xiàn)非線性變化。環(huán)形永磁體高度H和外徑Rout一樣，會直接影響永磁體的重量和體積，所以需要綜合考慮和優(yōu)化。

（3）改變兩個永磁環(huán)之間的距離D。最后一個考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)是2個永磁環(huán)之間的距離D，這個參數(shù)也是3個結(jié)構(gòu)參數(shù)中不會影響磁體重量和體積的參數(shù)。分別計算2個永磁環(huán)之間的距離D從0.2 m到0.7 m線性改變的幾組數(shù)據(jù)，得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖7所示。

圖7 兩個磁體之間距離D對磁場的影響

圖7（a）為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況，圖7（b）為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。從圖7中可以看到，隨著2個永磁環(huán)之間距離D的增大，中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度逐漸減弱，從290.6變化到85.8 mT。但是，磁場均勻度數(shù)值并非隨著距離D的增大呈現(xiàn)線性變化，當距離D＝0.4 m的時候，中心成像區(qū)的磁場均勻度數(shù)值最小為19 708×10－6，即磁場最均勻?？梢姡行某上駞^(qū)磁感應(yīng)強度隨著2個永磁環(huán)之間距離D的改變呈現(xiàn)線性變化，但磁場均勻度卻不呈線性變化。

3 結(jié) 語

基于便攜移動型MRI系統(tǒng)環(huán)對型永磁體進行了建模仿真。運用ANSYS軟件建立模型并對其幾個相關(guān)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行了探索和分析。從仿真結(jié)果中可見，隨著環(huán)形永磁體分割塊數(shù)的增多，越接近于理想的均勻徑向磁化的情況，中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度越高，磁場越均勻。在分析環(huán)對型永磁體的3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度和磁場均勻度的影響，有的影響均是線性的，例如隨著環(huán)形永磁體的外徑Rout的增大，中心成像區(qū)平均磁場強度逐漸增強，同時，磁場也變得更加均勻；也有一些參數(shù)對中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度的影響是線性的，但是對磁場均勻度的影響卻是非線性的，例如永磁環(huán)的高度H和2個永磁環(huán)之間的距離D這兩個參數(shù)。同時，這3個參數(shù)中，環(huán)形永磁體的外徑Rout和永磁環(huán)的高度H增大會增加整個永磁體的重量和體積，會影響到整個便攜MRI系統(tǒng)的移動性，因此需要權(quán)衡考慮。這些計算分析結(jié)果可為環(huán)對型永磁體的優(yōu)化設(shè)計和實際工程制作提供一定的參考和指導(dǎo)。

本文針對環(huán)對型永磁體只進行了初步的仿真和探索，未來在這些仿真和分析的結(jié)果中，可考慮對磁體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，例如綜合考慮分割的塊數(shù)和這3個結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時對磁體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。從計算的這些結(jié)果中也可以看到，中心成像區(qū)的磁場均勻度并不是非常理想，未來還應(yīng)考慮采用其他更多的方法和手段來提高磁場的均勻度。