基于谐波磁化响应半峰宽模型的非零场点磁性纳米粒子距离层析测量

磁粒子成像技术是一种以生物功能化超顺磁性纳米粒子为示踪剂的全新人体功能层析成像技术,其通常必须构建基于梯度场的零磁场点/线并对其进行空间扫描以实现示踪剂定位,其空间分辨率正比于梯度场强度。而高强度梯度场需大体积电/永磁体构建,使其无法用于微创淋巴结术中定位。本研究在不使用梯度定位场条件下,提出基于朗之万函数和激励-磁化场空间分布计算的窄带磁纳米粒子深度定位理论,推导不同深度磁性纳米粒子产生的磁化响应与空间方位角的函数关系,建立半峰宽-距离检测与真实浓度解析模型,并进一步开发了磁粒子深度层析装置(即非梯度式一维磁粒子成像仪),体外实验测量结果表明其空间定位分辨率为15 mm,误差5.21%,浓度模型还原误差为2.61%。对比已获批上市的欧洲Sentimag等静磁场磁粒子定位装置具有显著性能优势,可完全满足术中淋巴结定位等创新临床应用需求。     

基于无场线电子扫描开放式磁粒子成像系统设计

磁粒子成像是一种全新的人体内动态靶向影像学方法,但当前磁粒子成像系统以封闭式磁场扫描结构为主,严重限制了其临床应用范围。设计了一种开放式电子扫描窄带磁粒子成像系统,在分析了超顺磁粒子谐波磁化响应的基础上,通过对线圈表面耦合磁场的计算及电流控制利用8个梯度线圈形成了基于无场线的开放式空间定位磁场,成像区域30 mm×30 mm;以单边激励线圈产生20.7 kHz激励磁场,处于高频激励磁场及定位磁场中的超顺磁纳米粒子示踪剂产生具有丰富谐波成分的可定位超顺磁磁化信号,使用高信噪比Gradiometer线圈检测其3次谐波信号形成电压云图图像;通过预测量的系统函数矩阵利用非负最小二乘法对电压云图进行重建,形成示踪剂浓度分布云图。成像实验结果表明,系统在开放式成像区域内探测灵敏度20μg Fe,图像重建空间分辨率2 mm,成像速度1 fps,达到了较好的开放式成像效果,系统也是国内首台全自主研发的开放式磁粒子成像系统。     

一种四稳态数字电磁执行器阵列设计及磁场模拟分析

为了消除模拟执行器中安装反馈传感器造成的空间局限性对系统紧凑性设计需求带来负面影响和多磁体环境下空间静磁力耦合计算复杂等问题,应用电磁驱动原理设计并静态模拟分析了一种新型四稳态数字电磁执行器阵列,绘制阵列结构的磁通密度空间分布图,并基于Furlani空间磁感应方程进行阵列系统空间磁场建模,提出了新型多磁体间快速静磁耦合计算方法(单重叠加法)。模拟对比结果表明,单重叠加法的模型(即Matlab模型)与系统校验模型(即Radia模型)相比,单磁体所受静磁合力最大误差仅为2.94%;与传统计算方法(多重叠加法)相比,单重叠加法计算效率提高约65.82%,有较好的准确性和高效性;执行器阵列空间磁通密度分布具有均匀性、一致性和独立性。     

基于MRI导航的血管内磁性药物颗粒驱动研究

为了解决化疗方法治疗肿瘤存在的毒副作用、药剂效率低等问题,研究一种基于核磁共振成像技术（Mag-netic Resonance Imaging,MRI）导航的血管内磁性药物颗粒投送系统.介绍了外磁场驱动磁性药物颗粒向血管内病变区集中的作用机理,采用数值计算的方法对空间磁场强度和磁场梯度分布进行了分析,从而界定了有效工作空间,在此基础上探讨了多颗磁性颗粒的驱动方案与线圈设计,为磁性药物靶向治疗的临床应用提供参考.     

基于迭代补偿的纳米粒子磁化信号检测方法研究

磁粒子成像是一种无创成像技术,通过检测磁粒子示踪剂磁化信号,表征其浓度分布图像。在实际检测中,检测线圈的感应信号包含激励磁场信号与磁性纳米粒子磁化信号。将激励信号从感应电压中去除,获取粒子信号是磁性粒子成像信号检测需要解决的关键问题。针对磁性纳米粒子成像信号检测中激励磁场耦合消除方法进行研究,设计平面梯度检测线圈,并提出迭代补偿控制方法,消除激励磁场耦合,实现磁性纳米粒子磁化信号检测。仿真计算与实验测量的结果表明,对于不同检测模型,所提出的检测方法均可以完成粒子信号检测。该方法获得的粒子信号的信噪比是原有信号消去检测方法的2.2倍,与滤波方法相比信噪比提高到1.3倍,激励磁场耦合衰减可达到34 dB。     

斜拉索表层断丝缺陷漏磁检测圆环阵列传感器

针对直径95 mm的斜拉索,建立了三维磁偶极子模型,计算分析了断丝缺陷圆截面的均布磁荷在三维空间形成的漏磁场,重点讨论了单根断丝形成的轴向漏磁场分量在空间的分布规律。构建了轴向漏磁场分量扫查系统,实验验证了模型对单根断丝漏磁场计算结果的准确性。采用-6 d B阈值法确定了轴向漏磁场分量在圆周方向的有效扩散角度约为±6°,以此确定了圆环阵列漏磁传感器的最低阵元数量为30。研制了适用于斜拉索表层断丝缺陷检测的圆环阵列传感器,在提离距离为8 mm的条件下实现了斜拉索表层多处断丝缺陷的扫查成像与定位,并对比分析了阵元数量对成像质量的影响。为研制大直径斜拉索表层缺陷漏磁检测圆环阵列传感器提供了方法借鉴。     

大间隙磁力传动系统设计及性能比较

为提高大间隙、高转速条件下磁力传动系统的可靠性,研究了行波磁场驱动的大间隙磁力传动技术.在分析系统主动磁极(电磁体)和从动磁极(永磁体)之间运动状态的基础上,确定了系统电磁体磁极状态切换方法和永磁体运动状态的关系,提出了3种系统驱动方案;基于磁路基本原理,通过磁场分析、系统传递力矩计算模型的建立和系统空间磁场的实验研究,确定了具有较强驱动能力的系统设计方案.     

轴向磁化双环嵌套磁场的解析模型及其应用

以在线式全流量可视铁谱仪为背景,对静磁场的磁路进行设计,采用轴向充磁,双环异极嵌套的安装方式,两环间隙用不导磁材料做成的圆环作为衬套,并从磁荷模型出发,利用标量磁位法,并引入广义二项式定理分别对同心双环嵌套磁体、偏心双环嵌套磁体产生的磁感应强度进行解析计算,通过对比磁感应强度的理论值和实际测量值发现解析表达式很好地反映出静磁场的磁感应强度分布规律,并对误差进行分析。同时,通过对比这两种磁体的磁感应强度的分布,选择合适的静磁场以满足在线式全流量可视铁谱仪在润滑油高流速条件下有效吸附铁磁颗粒的要求。在此基础上,将所设计的静磁场应用到某新型涡喷航空发动机性能监测中,对监测到的磨粒进行分析,分析结果间接验证所设计的静磁场在润滑油高流速条件下吸附铁磁颗粒的有效性。     

微血管中磁性药物纳米粒子输运磁场分布的研究

磁场是磁性药物纳米粒子在微血管中输运的主要驱动力。在磁性药物靶向治疗系统中,磁粒子在磁场中被磁化,外磁场将对其产生吸引力,使其向磁场范围运动;同时被磁化的磁粒子之间将产生有效偶极子场,即附加磁场。考虑外磁场以及附加磁场的作用,推导出外磁场、附加磁场、外磁场力和附加磁场力的方程,通过数值模拟分析,讨论了磁场和磁力在微血管中的分布规律以及外磁介质参数对磁场强度和磁力的影响作用。研究结果显示,圆柱型永磁体能够产生较合适磁场强度和磁场梯度,以获得理想的靶向效果。     

基于交变磁场红外热像的磁性水凝胶缺陷检测

磁性水凝胶是具有磁性纳米粒子的水凝胶,具有独特的磁响应特性,被广泛应用于组织工程支架、生物工程细胞分离、药物载体和环境工程等方面。磁性水凝胶的磁性纳米粒子的分布对其磁响应有着决定性的作用,因此,对于磁性水凝胶的磁性均匀性分析是十分必要的。目前,对于磁性水凝胶的无损检测手段基本空白,鲜见文献报道。磁性水凝胶中磁性纳米粒子在交变磁场作用下由于弛豫作用会产生热量。基于以上研究背景,研究针对磁性水凝胶材料开发一种新型无损检测手段:基于交变磁场的红外热成像检测方法。通过对磁性水凝胶和铜粉硅胶板的检测,验证磁性水凝胶在交变磁场作用下的发热原理;通过对不同浓度磁性水凝胶的检测,验证利用交变磁场的红外热成像对磁性水凝胶中磁性纳米粒子均匀性分析的可行性,并对磁性水凝胶中磁性粒子分布不均、气泡缺陷分别进行检测,结果显示均能较好地检出;基于理论分析得出磁性水凝胶在交变磁场作用下的表面温升速率与其磁性纳米粒子浓度存在线性关系的猜想,通过对不同浓度水凝胶的检测得到的数据进行拟合,证实磁性水凝胶中磁性纳米粒子的浓度与其表面温升速率存在线性关系。     

基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340 N时产生的有效电磁面积为180 mm~2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15 mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。     

基于磁传感器阵列的消化道微型诊疗装置定位跟踪方法

实时定位与跟踪是消化道微型诊疗装置实际应用中必须解决的关键问题。提出了一种基于三轴磁感传感器阵列的实时定位跟踪方法,使用磁偶极子模型作为永磁体的磁场分布模型,用4×4的三轴磁感传感器阵列检测永磁体的空间磁场,通过控制电路和USB接口适配器将检测出的信号传入计算机,最后由定位程序使用非线性最优化方法由磁场信号解出永磁体的位置和姿态信息。设计了磁定位系统,建立了三维实验平台,并开展了定位,模拟肠道轨迹跟踪和介质材料影响等实验。实验结果表明该系统能够对内置小型永磁体的电子胶囊的位置和姿态进行非接触测量,对于距离传感器阵列平面150mm的电子胶囊,平均定位精度小于7mm,平均定向精度小于6度,该系统能够对在距离传感器阵列平面80mm至250mm的模拟肠道内运动的电子胶囊实现轨迹跟踪,并且定位精度对人体、织物、塑料等非磁性介质不敏感。该系统基本能够满足消化道微型诊疗装置在体内的实时定位与连续跟踪的要求。     

Experimental investigation on workers’ exposure to electromagnetic fields in proximity of magnetic resonance imaging systems

The paper presents the results of an experimental activity focused on the measurement of electromagnetic fields generated by magnetic resonance imaging systems, carried out with the purpose of assessing exposure of workers to static, low frequency and radio-frequency electromagnetic fields , as required by the EU Directive 2004/40/EC. The main contribution of the paper is that it presents a comparative study of exposure carried out during operation of the MRI system and close to the sources, with different scanning sequences and RF coils. Results show that the static magnetic field follows the theoretical values only close to the magnet due to the effect of the walls, with a few percent variation due to the operating conditions; exposure to the magnetic field in the low frequency band is mainly determined by emissions generated by the power grid at 50 Hz and by the pulses driving the gradient coils; and finally the radio-frequency band only shows contributions by the diagnostic pulses at the resonance frequency, with exposure levels usually below the limits contained in the Directive.     

大间隙磁力传动系统驱动规律的仿真研究

针对已提出的大间隙行波磁场驱动的磁力传动系统,采用现代计算技术和数值计算中的有限元理论,运用ANSYS软件的磁场分析功能,建立了磁力传动系统的实体模型和有限元模型,通过模拟永磁体的角位移和电磁体线圈的通电状态,对系统工作过程进行了仿真;研究了系统永磁体在转动过程中的受力情况和各参数对系统驱动能力的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明:通过增加线圈匝数、线圈通电电流、永磁体外径和永磁体磁化强度,减小电磁体和永磁体间耦合距离,将电磁体和永磁体的相对位置沿x方向两侧(左侧或右侧)置于5 mm～10 mm范围内等方法,可提高系统的驱动力矩。     

调磁环材料性能对永磁齿轮损耗的影响研究

磁场调制型永磁齿轮作为一种新型永磁变速装置,易产生较大磁场损耗,降低永磁齿轮工作效率,限制其传递能力的进一步提升。提出整体成型动力传动式调磁环提高了扭矩传动能力,建立调磁环三维模型开展了强度、刚度和损耗计算,并结合永磁齿轮性能测试分析了调磁环骨架材料和调磁极片材料的损耗,研究三种不同调磁环承载骨架材料参数对永磁齿轮损耗和效率的影响,对永磁齿轮参数进行优化并确定最优扭矩骨架承载材料。结果表明,特种工程塑料调磁环骨架材料能大幅降低永磁齿轮损耗,有效提升传动效率,永磁齿轮实测传动效率可达93.8%。     

基于磁能传递的血泵驱动系统研究

能线带来的耦合力矩量是血泵正常工作的动力,能量传递方式直接影响血泵在临床的应用效果,利用磁场传递能量可以避免穿皮导术后感染等不利因素。在建立磁力驱动。在血泵体积和重量受限制的条件下,模型的基础上,利用磁场和有限元等理论,分析、计算不同条件下磁场通过改变永磁体的极对数,可以改善磁力驱动扭矩。计算结果和实测结果表明,磁能作为血泵穿皮能量传递的方式是可行的,所建立的分析模型和推荐的提高驱动扭矩的方法,对后续研究工作具有一定的指导作用。     

轴向磁化双永磁环悬浮轴承静态磁力的研究

永磁悬浮轴承由于结构简单且不需要复杂的位置控制系统而具有相当的应用价值。基于永磁材料的线性退磁曲线,通过对双永磁环的磁路分析,利用间隙磁导的拟合计算公式,采用虚功原理法得到双永磁环轴向静态磁力的解析模型,该解析模型可以计算不同内外径的双永磁环悬浮轴承的轴向静态承载力,并设计了测量双永磁环间隙与磁力关系的实验装置,实验结果表明,永磁环磁力解析模型的计算值和实测值吻合较好,该方法能较好的计算出双永磁环悬浮轴承的静态承载力。     

基于梯度强化的微机器人磁场驱动建模研究

磁场驱动技术在微机器人操作领域已成为当前的研究热点.设计了一种梯度增强型磁场驱动系统,首先建立铁芯末端模型并设计末端形状,利用有限元法优化铁芯线圈参数以达到磁感应强度、磁场梯度、磁场均匀性和工作空间等系统指标要求;其次对所设计的磁驱系统进行ANSYS仿真和实验测试,得出该磁驱系统工作空间中心的最大磁感应强度为73.93...