数值混合方法设计与优化磁共振射频线圈

摘要

磁共振成像(NuclearMagneticResonanceimaging，NMRI)是一种断层成像技术，它通过外部射频场发射不同的射频脉冲序列对生物体内各个组织进行激发，通过接收探测生物体内产生的核磁共振信号来对体内组织器官的内部生理与化学特征成像。相比其他的一些成像技术，例如X-ray和CT(ComputedTomography)，磁共振成像技术具有很多优势:首先，磁共振成像不需要将人体曝露在电离辐射的环境下，因此磁共振成像技术更具安全性。其次，磁共振为多参数成像，能够提供许多诊断信息。第三，磁共振成像对比度高，可得到详细的解剖图谱。第四，磁共振具有对任意层面断层成像的功能，可以从三维空间上直接观察人体。第五，磁共振成像不会出现气体及骨伪影等现象。
　　 工程上实际的电磁场问题是很复杂的，如边界形状不规则，复杂的物质结构，材料性能的非线性以及电磁场的分布性等等。因此，在计算机出现以前人们在实际的设计计算工作过程中，只能采取一些简化措施，得出近似的解析解，或者用模拟实验的方法来满足工程要求的近似结果。电子计算机的出现，给解算复杂的电磁工程技术问题提供了强有力的工具。由于数字电子计算机具有运算速度快，储存容量大，计算功能强和准确度高等优点，使得计算领域产生了惊人的发展。20世纪60年代以来，随着电子计算机技术的发展，一些电磁场的数值计算方法发展起来，并得到广泛地应用，相对于经典电磁理论而言，数值方法受边界形状的约束大为减少，可以解决各种类型的复杂问题。电磁学问题的数值求解方法主要分为时域和频域两大类。频域技术主要有矩量法、有限差分方法等，频域技术发展得比较早，也比较成熟。时域法主要有时域差分技术。时域法的引入是基于计算效率的考虑，某些问题在时域中讨论起来计算量要小。但是，各种数值计算方法都有优缺点:时域有限差分方法(FDTD)适合对非均匀复杂电磁参数电介质(例如人体)进行有效地分析，但是需要对整个三维空间进行网格化，还要在空间边缘设定边界吸收条件，计算时间相对比较久，需要的物理内存也相对比较大。相反，矩量法(MOM)在计算过程中不需要对整个空间网格化，也不许要设定吸收边界，只需要对有电流分布的区域进行离散化，计算相对快速，非常适用于对类似射频线圈这样的复杂结构进行电磁仿真分析。但同时，MOM不能处理类似人体这样的复杂介质的负载。而逆方法则是反向考虑问题，由预设理想目标场出发反演计算得出线圈结构。一个复杂的问题往往难以依靠一种单一方法解决，常需要将多种方法结合起来，互相取长补短，因此混和方法日益受到人们的重视。
　　 为了提高磁共振射频线圈射频场的性能，解决射频线圈与人体组织复杂电磁作用问题，我们提出了以真实人体为基础建立三维电磁模型的方法。以人体CT断层扫描图像为基础，采用精确的人工分割方式和体绘制三维重建方法，并赋上不同组织相应的电磁参数，建立真实人体三维电磁模型，作为射频场FDTD域负载。将建立起来的真实人体三维电磁模型作为线圈负载，优化磁共振射频线圈的射频场分布。
　　 本本研究的目的在于增强磁共振射频线圈仿真的真实性，提高射频线圈设计水平，从而提高线圈的成像质量。充分利用三种方法的长处:矩量法(MOM)在计算复杂结构线圈上电流分布的优势;时域有限差分(FDTD)方法在仿真人体模型等复杂的不均匀电磁介质的优势;逆方法可以模拟理想目标场。通过惠更斯等效面将MOM和FDTD以及逆方法和FDTD有机结合到一起，形成混合射频线圈设计方法，并提出了一种新的真实人体电磁模型建立方法，融入到混合方法中，充分考虑线圈与真实人体组织之间复杂的电磁相互作用。其中，由MOM和FDTD混合方法设计的原型线圈扫描图像的信噪比达到193.4dB，相比先前未考虑人体与线圈之间作用的方法得到的图像信噪比提高了38.7dB，从而验证了仿真设计的正确性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 本文组织结构

第二章 磁共振原理及数值分析方法

2．1 磁共振成像理论

2．1．1 磁共振基本原理

2．1．2 磁共振信号

2．1．3 磁共振成像基础

2．1．4 磁共振成像参数

2．2 常用电磁场数值分析方法

2．2．1 矩量法(MOM)

2．2．2 时域有限差分方法(FDTD)

2．2．3 有限元方法(FEM)

第三章 优化MOM／FDTD混合方法设计射频线圈

3．1 三维人体电磁模型

3．2 混合方法的优化

第四章 逆方法／FDTD混合方法设计射频线圈

4．1 逆方法原理

4．2 逆方法与FDTD混合方法在射频线圈设计中的应用

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间成果

致谢

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