一种结合快速L_1范数最小化算法的柱面匀场线圈目标场设计方法

目标场方法由Turner于1986年提出,到目前为止该方法已成为核磁共振成像系统中匀场、梯度线圈设计的一种主流方法。各种改进的目标场方法纷纷涌现。为解决线圈设计中的有限尺寸问题,Forbes和Crozier提出了一种新方法,该方法预先通过三角函数来约束线圈面上的电流密度分布,为克服方程求解过程中的病态问题,对电流密度表达式中的待定系数采用最小均方差(least square,LS)和L2范数相结合的方法来进行估计,成功得到了有限长匀场线圈的设计结果。该文采用最小均方差和L1范数结合的方法来对面电流密度分解表达式中的未知系数进行估计,并将该方法应用于核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)系统的匀场线圈设计中。系统主磁体长度为3 m,室温孔直径为1.6 m,目标区域(region of interest,ROI)直径为0.4 m。算例采用Matlab仿真平台,结果表明该文提出的LS-L1目标场方法相比于传统的LS-L2目标场方法磁场偏差更小、效果更好。     

梯度场麦克斯韦线圈磁场及磁场梯度分析

在地质勘探、军事导航、医学诊断、目标磁异探测等领域迫切需要研制高精度的磁场梯度测量装置。设计了一种梯度场麦克斯韦线圈,用于对高精度磁场梯度仪进行标校。运用毕奥-萨伐儿定律,首先推导出梯度场麦克斯韦线圈在中心处磁场各分量的分布,然后通过数值仿真绘制出该线圈的磁场强度分布、磁场梯度分布及等值线图。结果表明,在相同的线圈匝数、激励电流和线圈半径条件下,梯度场麦克斯韦线圈产生的磁场梯度均匀区域达到0.602 m2,比反亥姆霍兹线圈产生的磁场梯度均匀区域大15倍,且产生磁场梯度的均匀性也优于反亥姆霍兹线圈。     

磁性粒子成像线型零磁场设计及性能分析

磁性粒子成像是一种具有高成像分辨率的示踪剂成像技术。针对现阶段成像系统的开放式扫描难题,利用高灵敏度的线型零磁场,实现高分辨率的二维扫描成像方法。设计一种具有开放式线圈结构的线型零磁场,利用梯度静磁场构造线型零磁场以确定示踪剂的位置,在均匀交变磁场实现线型零磁场的平移扫描。对该线圈结构进行详细的设计分析,首先确定实现高分辨率的磁性粒子成像线圈系统的电流驱动方式;接着对开放式线型零磁场的扫描方式进行有限元仿真计算分析;最后根据其驱动方式与平移扫描区域范围的关系,进行粒子质量分数模型的成像实验。实验结果表明,开放式线圈结构所构成的线型零磁场在1.316T/m的梯度磁场中,可以实现在成像区域为17mm×17mm内的磁性纳米粒子示踪剂的高分辨率成像,其分辨率可达亚毫米级,理论证明了开放式线型零磁场扫描方式用于磁性粒子成像的可行性。     

磁共振成像系统中低阶平板式匀场线圈的设计

针对永磁型MRI系统设计了一种平板式匀场线圈，用以改善成像区的磁场均匀性。通过研究磁场球谐函数及其泰勒展开级数，导出了x、y、xz、xz^2、x^2-y^2等低阶径向线圈设计方法，并提出了一种新的混合式轴向匀场线圈设计方法，该方法通过控制轴向线圈中两组电流的组合实现了对不同轴向磁场分量的获取，简化了设计过程，并通过对各匀场线圈进行磁场仿真检测，规划了线圈半径，使设计方案更为合理。实验结果表明，用该线圈可以将磁场均匀度由27μT／T降为14μT／T，MRI图像质量得到明显改善。     

开放式永磁机构无源匀场方法

针对永磁磁共振成像磁体系统无源匀场技术面临的困难,提出了无源匀场的整数规划优化方法.在无源匀场优化模型建立过程中,采用实测法来获得单位垫片对基础磁场的影响,并利用磁性垫片产生的磁场来弥补各测试点的磁场偏差.该方法避免了解析求解磁性垫片产生磁场过程中所遇到的困难.通过对优化模型的求解获得匀场信息,实现计算机匀场,从而提高匀场的工作效率.为了验证所提出的匀场方法的正确性,在0.3T永磁磁共振成像磁体系统上进行了实验研究,实验结果充分证明了所提出的匀场方法的有效性.     

先进机器人磁力操纵系统非线性驱动优化设计

研究一种介入式手术机器人磁力操纵系统，该系统是一种新型电磁驱动装置，采用带铁心的可移动线圈实现了大空间内的磁力驱动。运用目标区域磁场最大化方法，优化和求解了在有效载荷和散热约束条件下线圈模型的几何尺寸。在磁场的测控环节增加了一个雅可比逆矩阵，运用在线更新迭代映射方法按给定值产生驱动导管运动所需要的磁感应强度和梯度。通过特斯拉测量仪和霍耳效应传感器测量了半径为1 300 mm的球形工作空间内三个磁场轨迹，磁感应强度最小值为20 mT，最大值为80 mT，梯度为0.6 mT/mm。该装置具有较强的新颖性并达到预期效果。     

用于动物长期实验的大型工频磁场曝露系统

为给环境磁场对人体健康影响的研究提供基础,设计并测试了一种用于动物长期曝露实验的大型工频磁场曝露系统。首先通过分析计算2个方形载流线圈的磁场分布确定了产生特定均匀磁场的电磁参数。据此设计、制造出的4组磁场曝露系统均为一对间距2m、边长5m的正方形线圈。计算和测试表明:制造的线圈内,磁场强度在目标场值±10%范围内的工作区域约为4m×4m的正方形,比使用Helmholtz线圈时的工作区域面积增加56%;采用双线双绕方法制作的对照组和磁场组线圈具有相同的形状和电流,可消除线圈散热和电源噪声等因素对实验的影响;采用无功功率补偿的方法降低了电源的输出电压,可以节约成本。结果表明所设计的工频磁场曝露装置可以用于长期磁场曝露对动物健康影响的实验。     

开放式永磁磁共振成像系统中的平板式正交发射线圈的设计

为了提高平板式射频发射线圈的性能,设计了一种正交发射线圈.线圈的结构由优化过程确定,优化目标为产生单位磁场强度所需要的功率,约束条件为成像区域内磁场的均匀度和区域外磁场的快速衰减.为了减小线圈的发射电阻,采用实验方法对导体元件的尺寸和调谐点的分布进行了优化.为了解决单元线圈间的电磁耦合问题,采用了一种π型解耦电路.为一台0.3 T磁共振成像系统实际制作了一个发射线圈,并给出解耦电路的调试结果.     

开放式低场永磁MRI磁体的匀场方法研究

在开放式低场永磁MRI(magnetic resonance imaging,磁共振成像)生产中,磁体匀场是提高质量和效率的关键技术之一.为解决国内匀场方法缺乏完整理论指导的问题,本文使用磁场球谐函数展开式分析主磁场情况并制定匀场方案.对展开式的低阶项,主动匀场方法十分适用,而对无法使用线圈的特殊情况或消除高阶项时需进行被动匀场.实验中有一组匀场线圈需要较大电流,此时采用永磁材料代替线圈可以达到很好的补偿效果.     

磁共振成像永磁体的无源匀场方法

为设计仿真分析算法计算磁共振成像(MRI)永磁体无源校正磁片的匀场位置和数量,根据永磁体磁场样本数据建立磁场数学模型,分析主磁场分布特征,利用磁场理论详细研究校正磁片磁场特性,提出极值定位方法计算匀场半径,规范匀场贴片位置.为减少磁片用量,避免磁场重复校正,采用极值优先校正原则设计了逐次逼近算法进行匀场计算,能够准确算出匀场所需校正磁片数量.实验结果表明,该方法能够有效地指导无源匀场工作,得到满意的匀场效果.