产生薄片型均匀磁场永磁机构的优化设计

摘要

永磁型磁共振成像(MRI)装置是一种先进的医疗诊断设备，可以用来获得人体内部组织的影像。全开放式永磁MRI装置由于其开放性好，维护成本低等特点，越来越引起人们的注意。主磁体是该装置的核心部件。本文涉及的能产生薄片型均匀磁场的永磁机构正是用作MRI的主磁体。针对如何获得较好的主磁体的问题，本文做了以下方面的研究工作： 首先，在介绍表面响应算法的原理的基础上，总结了当前用于构造表面响应模型的几种插值函数的优缺点，探讨了用径向基函数作插值基函数时形状参数的取法，且将表面响应算法与改进的遗传算法相结合，提出了一种适用于大型电磁场逆问题单目标优化的方法，并且通过编程实现。 其次，详细地介绍了基于遗传算法的多目标优化方法，分析了经典多目标优化方法的优缺点，并且重点分析了典型的非Pareto方法-向量评估遗传算法，及基于Pareto的方法-非劣分类遗传算法(NSGA)和快速最优保留非劣分类遗传算法(NSGA-Ⅱ)。且将表面响应算法引入NSGA-Ⅱ中，使大型电磁场逆问题的多目标优化变得高效省时。同时针对NSGA-Ⅱ中种群不够分散的特点，将原有的交叉算子进行了改进。计算实例表明，本文方法是非常有效的。 最后，提出了一种能产生薄片型均匀磁场的永磁机构，并利用本文提出的优化方法对其进行了单目标优化，之后利用磁场分析工具对优化结果进行了验证，结果表明优化后的模型产生的磁感应强度，薄片型磁场沿其厚度方向每层的均匀度，以及每层之间的梯度均能达到设计要求，使该模型能用作MRI主磁体。并利用本文提出的基于遗传算法的多目标优化方法实现了该永磁机构的多目标优化，给不同的设计要求提供了不同的选择结果。通过对实体模型进行三维有限元分析，并对其精确测量，证明了ANSOFT分析的有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的背景及意义

1.2目前国内外发展现状

1.2.1磁共振磁体结构的研究现状

1.2.2优化技术的发展现状

1.3本论文的主要工作

2表面响应算法

2.1表面响应算法简介

2.1.1利用低阶多项式构造表面响应模型

2.1.2利用有理函数构造表面响应模型

2.1.3利用径向基函数构造表面响应模型

2.2改进的遗传算法

2.3基于RBF和改进的遗传算法的RSM

3基于RSM的多目标优化

3.1多目标优化简介

3.2经典的多目标优化方法

3.2.1目标权重法

3.2.2 距离函数法

3.2.3最小—最大公式法

3.2.4经典多目标算法的缺陷

3.3多目标遗传算法

3.3.1向量评估遗传算法

3.3.2非劣分类遗传算法

3.3.2快速最优保留非劣分类遗传算法

3.4改进的非劣分类遗传算法

4 MRI主磁体的设计与优化

4.1 MRI主磁体的设计要求及难点

4.2现有永磁主磁体结构

4.3能产生薄片型磁场的开放式永磁机构

4.3开放式永磁机构的单目标多变量优化

4.4开放式永磁机构的多目标多变量优化

4.5优化结果的比较与测量实验

5结论

参考文献

在学研究成果

致谢