蘇州醫(yī)工所在平面型永磁磁共振系統(tǒng)梯度線圈設(shè)計研究中取得進展

　　核磁共振技術(shù)在生物化學(xué)分析、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)生磁共振設(shè)備主磁場的磁體類型，磁共振主流設(shè)備又分為超導(dǎo)磁共振和永磁體磁共振。近些年來，高場的超導(dǎo)磁共振儀器發(fā)展迅速，占據(jù)了目前磁共振成像領(lǐng)域的大部分市場，而永磁磁共振系統(tǒng)由于其成本低、占地空間小等特點在?？拼殴舱駪?yīng)用（如關(guān)節(jié)磁共振、嬰兒磁共振）中具有不可替代的優(yōu)勢，依舊存在較大的市場。常規(guī)的永磁磁共振設(shè)備一般由鐵軛、永磁磁塊及極板等構(gòu)成，用于產(chǎn)生高均勻性磁場。然而由于極板一般由高導(dǎo)磁率純鐵組成，在梯度波形施加過程中，極板中會感應(yīng)出形成拮抗作用的電流，產(chǎn)生與梯度場相反的磁場分布，從而影響梯度線圈的性能，包括梯度場強度、梯度場線性度等。極板中感應(yīng)電流甚至?xí)?dǎo)致線圈的電感提高兩個數(shù)量級，降低梯度波切換速率，對磁共振成像速度造成嚴重制約。

　　中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所醫(yī)學(xué)影像室核磁共振組針對永磁磁共振設(shè)備的上述問題，結(jié)合極板對梯度線圈性能影響提出了一種改進的鏡像電流模型建立方法，對梯度線圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，抵消極板的影響。首先基于課題組已有的關(guān)節(jié)磁共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)極板的分布，在有限元仿真軟件中計算極板對縱向梯度線圈的影響；然后建立極板的鏡像電流模型，包括圓線圈和縱向梯度線圈兩種結(jié)構(gòu)，在數(shù)值分析軟件中結(jié)合有限元仿真的結(jié)果對兩種結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，逼近極板對梯度場性能的干擾結(jié)果，通過對比得出圓線圈能夠更好地模擬極板的影響；利用優(yōu)化出的圓線圈結(jié)構(gòu)對梯度線圈設(shè)計進行改進，綜合考慮梯度線圈的梯度場線性度，利用目標(biāo)場點誤差及電感等因素，并利用有約束的Levenberg – Marquardt優(yōu)化算法，改進梯度線圈設(shè)計，取得了較好的優(yōu)化結(jié)果，算法運算速度快，效率高。通過與邊界元梯度線圈優(yōu)化算法進行比較表明本文的算法大大縮短運算時間，證明了算法的優(yōu)異性。

　　以上研究得到中科院科研裝備項目（批準號：YZ201445, YZ201313）、江蘇省科技項目（批準號：BK20131171）的支持，相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在Concepts in Magnetic Resonance Part B: Magnetic Resonance Engineering（published: 19 November 2016，DOI: 10.1002/cmr.b.21344），題為pole plate effected gradient coils design in permanent magnet MRI system。

　　圖1：永磁磁共振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2：不同的約束條件下縱向梯度線圈的優(yōu)化結(jié)果，其中實線代表不考慮極板效應(yīng)時的線圈分布，虛線代表考慮極板效應(yīng)時線圈優(yōu)化分布，a）-d）分別對應(yīng)無約束，電流密度函數(shù)約束半徑rad為600，1，0.1下的梯度線圈分布。

　　圖3：電流密度函數(shù)約束條件rad與誤差優(yōu)化結(jié)果關(guān)系，可見當(dāng)rad為4.466時，誤差結(jié)果能夠達到最優(yōu)值。