核磁共振成像主磁体极靴形状优化

摘要

核磁共振成像装置是一种先进的医疗诊断设备,可用来获得人体内部组织的断层扫描图像.主磁体是该装置的核心部分,采用永磁型主磁体是当前的重要发展方向.主磁体端部磁场的边缘效应严重影响其成像质量.该文的主要目标是对主磁体上下两极面的极靴进行形状优化,以提高样品区的磁场均匀度,并扩大均匀区范围.首先,该文介绍了核磁共振成像的基本原理,指出样品区静磁场的均匀度是核磁共振成像的关键所在,并给出了满足成像要求的条件.对于各种类型的核磁共振成像永磁型主磁体,都普遍存在着端部问题,当主磁体极靴表面平直时,气隙磁通端部效应显著,气隙磁场不均匀,它的均匀度与均匀区域远不能达到核磁共振成像装置的要求.因此,该文应用磁场数值分析和形状优化的理论和方法,探索了大空间内均匀磁场的技术,目标是在核磁共振成像主磁体已设计好的基础上,对极靴的形状进行优化设计,尽量扩大样品区磁场均匀的范围.极靴一般采用高质量的纯铁做成,磁导率可以看成是无穷大,这样可以把极靴作相应的简化,采用二维场标量位进行计算.该文针对一类典型结构的主磁体,通过磁场分析与大量的计算,找到了极靴形状的改变影响样品区磁场均匀度以及均匀区域范围的规律,掌握了极靴形状的变化趋势及其形状影响样品区磁场均匀度的各种因素,进行了极靴的形状优化设计并编制了相应的计算机软件,给出了极靴形状的具体尺寸,使得主磁体能在更大空间内产生相对均匀的磁场.该文在电磁场形状优化问题中,采用随机性优化算法中的遗传算法作为搜索的工具,并对遗传算法作了相应的改进;采用有限元方法作为优化检索过程中的分析工具,以提高均匀度、扩大其均匀区域作为优化目标,取得了显著成果.最后,该文以一种小型核磁共振成像装置作为实例,并与有关单位合作,用实验对优化方案进行了验证,证明了该文提出方法的有效性.

目录

文摘

英文文摘

独创性说明及关于论文使用授权的说明

1概述

1.1课题的来源与意义

1.2目前国内外发展状况

1.2.1形状优化问题的国内外研究状况

1.2.2医学核磁共振成像系统磁体结构的发展状况

1.2.3极靴形状优化技术的发展状况

1.2.4遗传算法发展状况

1.3课题的主要内容

1.3.1改进的遗传算法

1.3.2磁共振CT的主磁体极靴的形状优化

1.3.3实验验证

2核磁共振成像系统简述

2.1核磁共振原理

2.1.1 NMR简介

2.1.2核磁共振原理

2.2核磁共振成像系统的组成

2.2.1主磁体

2.2.2射频线圈

2.2.3梯度线圈

2.3永磁型主磁体

2.3.1中国首台磁共振CT

2.3.2永磁型主磁体结构方案

3改进的遗传算法

3.1概述

3.2遗传算法简介

3.3改进的遗传算法

4磁共振CT机永磁型主磁体极靴形状优化

4.1磁共振CT机对永磁磁体的技术要求

4.2极靴的简述

4.3数学模型的建立

4.3.1场方程的推出

4.3.2极靴模型的建立

4.4极靴的设计方案

4.5改进遗传算法的具体实例

4.5.1优化条件

4.5.2优化结果

4.5.3极靴优化后的三次样条插值

5小型核磁共振成像主磁体极靴形状优化

5.1小型核磁共振成像主磁体的模型

5.2优化的三个方案

5.3实验验证

5.3.1磁场测量仪器

5.3.2空间磁场测量方法

5.3.3实验结果与分析

结 论

参考文献

在学研究成果

致 谢