（模式识别与智能系统专业论文）永磁型MRI梯度线圈设计方法研究.pdf

摘要 摘要 自从1 0 0 多年自酉伦琴发现x 射线至今：多种医学影像技术先后问世并取得 了前所未有的发展，医疗水平也获得了极大的提高。磁共振成像就是一种新兴 的医学影像方法，它根据核磁共振原理对处于静磁场中的人体器官施加射频激 励信号，利用组织器官内氢原子核所表现出的共振特性进行信号采集并对信号 进行重建成像。磁共振成像具有成像参数多、对人体无伤害、软组织分辨率高 等诸多优点，在现代医学领域中得到广泛应用。在m r i 系统中，梯度线圈是一 个重要的组成部分，主要作用是产生线性梯度磁场对m r i 信号进行空间定位、 相位编码以及频率编码，其性能的好坏将直接影响到m r i 的成像速度和质量。 因j t l 女n 何设计出结构合理、性能良好的梯度线圈，对提高m r i 系统整体性能， 改善m r i 图像质量具有重要的意义。 我国的磁共振成像研究工作起步较晚，在这一领域的相关技术相对落后， 目前成像系统仍然以设备引进为主，尽管国内一些企业已经在永磁型领域开发 出一些产品，但是核心技术上仍然缺乏足够的竞争力。针对目前我国磁共振成 像领域的现状，为了提高我国磁共振成像设备的自主研发水平，本文对梯度线 圈系统设计方法进行了比较深入的研究，并以永磁型磁共振系统为突破口做了 大量工作，设计出一种适用于丌放式永磁型磁共振系统的结构特点的梯度线圈 系统。论文工作主要包括纵向和横向梯度线圈设计方法研究以及纵向和横向屏 蔽线圈设计方法研究。 ( 1 ) 梯度线圈设计方法研究 本文基于经典电磁学理论，对梯度线圈设计方法进行了分析和研究。在分 析和比较前人方法的基础上，针对永磁型磁共振系统的结构特点，将分离导线 法应用到该系统的梯度线圈设计当中，并对设计方法进行了改进。根据目标磁 场的不同，设计过程分为纵向梯度线圈设计和横向梯度线圈设计两个部分。应 用本文设计方法，在纵向和横向均设计得到了结构简单、性能优良的梯度线圈 结构。 ( 2 ) 屏蔽线圈设计方法研究 梯度线圈的高速开关导致在线圈外部的金属内产生涡流。涡流会对梯度磁 场的性能带来负面影响，降低成像速度和成像质量。本文通过设计自屏蔽线圈， 在保证成像区域内梯度磁场性能不变的前提下，来减小梯度线圈外部的磁场， 从而达到减小涡流、改善系统性能的目的。 摘要 关键词：磁共振成像永磁型梯度系统梯度线圈分离导线法涡流自 屏蔽线圈 a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t m o r et h a no n eh u n d r e dy e a r sa g o r o e n t g e nd i s c o v e r e dx r a y e v e rs i n c et h e na v a r i e t yo fm e d i c a li m a g i n gt e c h n o l o g i e s h a v ec o m eo u ta n dh a v ea c h i e v e d u n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t 。m e d i c a lt r e a t m e n tl e v e lh a sa l s ob e e ni m p r o v e dg r e a t l y m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m r i ) i sa ne m e r g i n gm e d i c a li m a g i n gm e t h o d ， w h i c hi m p o s i n gar fs i g n a lt ot h eh u m a no r g a n si nas t a t i cm a g n e t i cf i e l d ，a c q u i r i n g t h er e s o n a n c es i g n a l so fh y d r o g e na t o m i cn u c l e ii nt h et i s s u e sa n do r g a n sa n d a c h i e v i n gi m a g er e c o n s t r u c t i o nt h r o u g ht h es i g n a l s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e m r ii sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm o d e mm e d i c a l t r e a t m e n tw i t ht h e a d v a n t a g e so fm u l t i p a r a m e t e ri m a g i n g ，w i t h o u ti n ju r yt o t h e h u m a nb o d ya n dh i g h e rr e s o l u t i o ni n s o f tt i s s u e s g r a d i e n tc o i ls y s t e mi sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em r is y s t e m ，w i t ht h ef u n c t i o n so fs u p p l y i n ga l i n e a r g r a d i e n tm a g n e t i cf i e l dt ot h em r is i g n a l s ，w h i c hc a n r e a l i z et h es p a t i a lp o s i t i o n i n g ， p h a s ee n c o d i n ga n df r e q u e n c ye n c o d i n g a n di t sp e r f o r m a n c e w i l ld i r e c t l ya f f e c tt h e m r ii m a g i n gs p e e da n di m a g eq u a l i t y s ot h ed e s i g n i n gt h eg r a d i e n tc o i l sw i t ha r a t i o n a ls t r u c t u r ea n dg o o dp e r f o r m a n c ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e o v e r a l lp e r f o r m a n c eo fm r is y s t e m sa n dt h eq u a l i t yo fm r ii m a g e s b e c a u s et h er e s e a r c hw o r k0 1 2m r it h e o r ya r es t a r t e dl a t e i no u rc o u n t r y ，w e h a v el a g g e db e h i n di nt h i st e c h n o l o g yf i e l d a tp r e s e n t ，m o s tm r ie q u i p m e n t sn e e d t ob ei m p o r t e df r o mf o r e i g nc o m p a n i e s a l t h o u g hs o m ee n t e r p r i s e sh a v ea l r e a d y d e v e l o p e dan u m b e ro fp r o d u c t si nt h ef i e l do fp e r m a n e n tm a g n e t - t y p em a g n e t i c r e s o n a n c es v s t e m ，b u tt h ep r o d u c t sa r es t i l lw i t hal a c ko fs u f f i c i e n tc o m p e t i t i v e n e s s i nc o r et e c h n o l o g i e s t oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fm r is y s t e mm a d ei nc h i n a ，t h i s t h e s i sh a sad e e p l yr e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o d sf o rg r a d i e n tc o i ls y s t e m ，a n d c o m p l e t eal o to fw o r ki np e r m a n e n tm a g n e t t y p em a g n e t i cr e s o n a n c es y s t e ma n d f i n i s ht h ed e s i g no fag r a d i e n tc o i ls y s t e mf o ro p e np e r m a n e n tm a g n e t 。t y p em a g n e t i c r e s o n a n c es v s t e m t h ei n v e s t i g a t i o nc o n t e n t si n c l u d et w op a r t s ：l o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e r s eg r a d i e n tc o i ld e s i g n ，l o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s e s h i e l d e dc o i ld e s i g n p r i m a r yw o r k sa r ed e s c r i b e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) g r a d i e n tc o i ld e s i g nm e t h o d t h i st h e s i sd o e sl o t so fr e s e a r c ho ng r a d i e n tc o i ld e s i g nm e t h o d ，a c c o r d i n g t ot h e c l a s s i c a le l e c t r o m a g n e t i ct h e o r y b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fp r e v m u s m e t h o d s t h i st h e s i sa p p l i e st h ew i r es e p a r a t i o nm e t h o dt ot h eg r a d i e n tc o i ls y s t e m l i l a b s t r a c t d e s i g na n da c h i e v e ss o m ei m p r o v e m e n tt ot h ed e s i g n d e p e n d i n g o nt h ed i f f e r e n t d e s i g no b j e c t i v eo fg r a d i e n tm a g n e t i cf i e l d ，t h ed e s i g np r o c e s si sd i v i d e di n t ot w o p a r t s ：l o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s eg r a d i e n tc o i ld e s i g n s 。t h ea p p l i c a t i o nr e s u l to f t h e d e s i g nm e t h o di n t h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e st h a tw ec a ng e ts i m p l el o n g i t u d i n a la n d t r a n s v e r s eg r a d i e n tc o i ls t r u c t u r e sw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ( 2 ) s e l f - s h i e l d e dc o i ld e s i g nm e t h o d e d d yc u r r e n t sw i l lb ec a u s e di na m b i e n tc o n d u c t i n gp a r t sb e c a u s eo ft h er a p i d s w i t c hs p e e do fc u r r e n tp u l s ei ng r a d i e n tc o i l s t h ed e s i r e df a s tr i s eo ft h eg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l di ss u p p r e s s e db yt h ee d d yc u r r e n t s ，s ot h a tt h ei m a g i n gp r o c e s s i s a “e c t e d ，t od e c r e a s et h ei n f l u e n c eo ft h ee d d yc u r r e n t s ，ad e s i g nm e t h o do f s e i f - s h i e l d e dg r a d i e n tc o i l si ss t u d i e da n dt h es e l f - s h i e l d e dg r a d i e n tc o i l s a r e d e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ea p p l i c a t i o nr e s u l to f t h ed e s i g nm e t h o dd e m o n s t r a t e st h a t w ec a ng e ts i m p l el o n g i t u d i n a la n dt r a n s v e r s es e l f - s h i e l d e dc o i l s t r u c t u r e sw i t h d e c r e a s i n ge d d yc u r r e n te f f e c t i v e l ya n dm a i n t a i n i n gt h ep e r f o r m a n c e o fg r a d i e n t m a g n e t i cf i e l d k e yw o r d s ：m r i ，p e r m a n e n tm a g n e t t y p e ，g r a d i e n ts y s t e m ，g r a d i e n tc o i l s ，w i r e s e p a r a t i o nm e t h o d ，e d d yc u r r e n t ，s e l f - s h i e l d e dc o i l s i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究t ：作所取得的成果。除已特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同。r ：作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 埠 签字日期： 3 5t | 。 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为中请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论 文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部| 、j 或机构送交论文的复e p , f q l e l 电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 可公开 作者签名： 签字日期： 口保密( 年) 至豁 川，6 1 导师签名： 臣鲎鉴 签字日期：兰竺拿业 第l 章绪论 第1 章绪论 在当代科学技术迅猛发展的潮流之下，现代医学影像技术取得了长足的进 步，并广泛应用于医学诊断、科学研究等领域，医疗水平得到了极大的促进和 提高。x 射线成像、超声成像和核磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ， m r i ) 是当今3 种最主要的能够获取人体组织器官影像信息的技术，随着这些 技术的不断发展和壮大，使医生在诊疗过程中能够获得更加清晰可靠的人体组 织器官的图像，从而掌握更加准确的病症信息，在加快确诊过程的同时，更是 大大提高了医生的诊断水平。 自2 0 世纪7 0 年代核磁共振成像技术产生以来，凭借分辨率高、成像参数 多、可任意层面断层成像、无电离辐射损伤等诸多优点，m r 展现了其强大的 生命力，经过短短3 0 多年的发展，m r i 技术逐步走向了成熟( 田建广，2 0 0 1 ) 。 随着磁体设计、低温超导、电子技术、图像处理等多学科的共同发展进步，m r i 系统性能不断提高、技术不断完善、应用领域不断拓展，已经成为影像学检查 中最先进、最重要的医学影像设备之一，广泛应用于临床对人体各组织器官的 检查，在医疗卫生领域发挥着不可替代的作用( k a k u g a w a e ta 1 2 0 0 4 ；p o d o l s k i i 2 0 0 0 ) 。 1 1 磁共振成像系统 磁共振成像方法的理论基础是物理学中的核磁共振( n u c l e a rm a g n e t i c r e s o n a n c e ，n m r ) 理论( 冯蕴深，1 9 9 2 ) ，即处于静磁场中的原子核系统受到一 定频率的电磁波作用时，将在其能级间产生共振跃迁，这是在1 9 4 6 年由美国斯 坦福大学的珀塞尔( e d w a r dm p u r c e l l ) 和哈佛大学的布洛赫( f e l i xb l o c h ) 分 别独立发现的，布洛赫提出了n m r 经典理论，珀塞尔提出了n m r 量子理论。 核磁共振发现之初的几年中，主要用于精确测定各种原子核的磁矩。中国学者 虞福春和普罗克特( p r o c t o r ) 博士在布洛赫小组工作时首次发现了化学位移现 象，即不同化学环境中的同- t o o 原子核具有不同的共振频率，且该频率的差异 取决于分子的化学结构，于是n m r 很快发展成为研究物质分子化学结构的手 段( s a l v a t ie ta 1 2 0 0 7 ) 。1 9 7 3 年纽约州立大学石溪分校劳特布尔( p a u ll a u t e r b u r ) 受到x c t 的启发，发明用线性梯度磁场进行空间编码，首次从实验上得到n m r 图像( l a u t e r b u r1 9 7 3 ) ，于是核磁共振成像学科正式诞生。 1 9 7 7 年美国的达马迪安( r a y m o n dd a m a d i a n ) 等人共同研制出了世界上第 一台全身磁共振成像装置。1 9 8 0 年，第一台可以用于临床的全身m 在f o n a r 1 第1 章绪论 公司诞生。在美国，第一台医用磁共振于1 9 8 4 年获得f d a 认证。至此。磁共振 成像实现了从人体成像实验系统的研究转入工艺装置研究，从局部成像的研究 发展为全身成像研究从实验研究过渡为临床应用研究，从侧重于成像理论的 研究转变为加陕成像速度、提高信噪比、改善图像质量的方法学研究，从大学、 研究所的科研活动扩展到多r 商参与研究和开发的商业行为等多方位的重大转 变。磁共振成像走过了从理论到实践、从形态到功能、从二维到四维、从宏观 到微观的发展历史进入全面发展阶段。经过3 0 多年的发展，磁其振成像系统 在世界范围内被广泛应用，目前全世界已有大约3 万台左右的m r i 设备应用于 医学影像诊断、医学基础研究甚至应用于医学治疗( m r i 介八治疗) 等，每年 进行m r i 检查已超过6 5 0 0 万人次。作为现代最先进、最精确的医疗影像仪器， m r i 系统已经广泛应用丁临床诊断，并发挥着积极作用( g l o w i n s k ie ta l1 9 9 8 ) 。 它在中枢神经系统中的应用己成为疾病诊断的余标准，在骨关节、软组织赢变 的诊断中是举足轻重的手段，特别是近几年来，超高场磁共振在脑功能成像、 频谱成像、自质纤维柬成像、心脏榆盘、冠心病硷断、腹部、盆腔等脏器的检 查技术得到了飞速发展。删l1 为常见m r i 图像。 a ) 头部 b ) 颤部 第1 章绪论 ( c ) 膘都( d ) 腹部 图1 1 常见m r 幽像 磁共振成像能够提供其他影像设备无法比拟的高质量软组织断层图像，与 其它医学影像设备相比，m 系统具有如下优点( 赵喜平，2 0 0 4 轩”) ： ( 1 ) 成像参数多，诊断信息丰富 一般的医疗设备成像技术都使用单一的成像参数，例如c t 的成像参数为x 射线吸收系数，超声成像只依据生物体组织界面反射的回波信号等，m r i 则可 以实现多个参数成像。根据n m r 理论，包含奇数个瓜子或中了的原子核均可 以获得n m r 信号，因此h 、f 、n a 、c 、o 等元素的原予核都可用来进行n m r 成像。目前使用的m r i 系统主要基于氢原子核进行成像原因就是其大量存在 于人体细胞内外、血液、体液、脂肪之中。采用的成像参数主要有自旋密度、 纵向弛豫时问t 1 、横向弛豫删问t 2 、分子自扩散系数、液体流速、流守效应、 动态磁化率、质子在不同分子环境中的化学位移等，这些参数既可以单独成像， 也可以相互结合获取对比图像。另外，还有n a 心脏成像、p 脑成像等其它元素 成像，作为对氢原子核成像的补充。 ( 2 ) 图像对比度高 人体含水量平均占体重的5 5 以上，这些水中的氢原子核是n m r 信号的主 要来源，其余信号则来自脂肪、蛋白质以及其它化合物中的氯质子，由于人体 内氢质子分布广泛，故可以对人体的任何部位进行成像( 肺中不含水，水质子 成像对肺无效) 。此外。由于水中的氢质子与脂肪、蛋白质中氢质子的n m r 信 号强度不同，使得磁共振图像其有较高的对比度。磁共振图像的软组织对比度 很高它能非常清晰地显示脑和脊髓的扶质和白质，故在神经系统疾病的诊断 方面优于c t ，对颅脑、脊柱和脊髓疾病的显示优于c t 。另外，核磁菇振不用 造影剂就可得到很好的软组织对比度，能显示血管的结构，故对血管、肿块、 淋巴结和血管结构之间的相互鉴别有其独到之处，而且还避免了造影剂可能引 第1 章绪论 起的过敏反应。 ( 3 ) 可以任意方向断层 m r i 的线性梯度控制系统包括g x 、g y 、g z 三个方向的梯度，它们的组合 可以确定任意成像层面，实现选择性激励，可根据需要方便快捷的获得所需部 位和角度的图像。 ( 4 ) 无骨骼伪影干扰 各种基于投射方法的成像技术往往都会因为气体和骨骼的重叠而产生伪 影，使得某些部位信息不准确。而m r i 主要是基于氢原子核成像的，因此不会 产生骨性伪影，能使脊柱中的脊髓及神经根显像清晰，还有可能检查出由于缺 血引起的组织损伤等等。 ( 5 ) 无电离辐射 m r j 系统的激励源为短波或超短波段的电磁波，波长在1 m 以上所含能量 仅为1 0 e v ，这一能量远远小于人体内c h 键l e v 的结合能，因而无放射性损 害，也无生物学损害，甚至孕妇接受核磁共振检查时对胎儿也无任何不良影响。 ( 6 ) 具有流空效应 心血管内的血流速度快，导致采集n m r 信号时，经过激发的氢原子核已 经位于接收范围之外，n m r 信号强度为零，即“流空效应”。这使得在图像中 血管区域能跟其它组织明显区分，不用造影剂就可显影，并能准确反映血流的 速度、方向及血流模式。 虽然m r i 具有很多的优点，但和其它医学成像手段一样，也存在一些局限 性( 赵喜平，2 0 0 4 6 0 嘲) ，其主要局限性有： ( 1 ) 成像速度较慢。 成像速度是m r i 的主要技术瓶颈，与机器的硬件以及扫描序列有关。常规 的自旋回波序列一幅t 1 加权像和t 2 加权像的平均成像时间分别为1 5 3 0 s 和 2 5 3 5 s ，而螺旋c t 的成像时间仅1 s 左右。由于成像速度慢，使得m 对在某 些应用上受到限制，例如不适合运动器官和危重病人的检查。因此，自m r i 问 世以来，人们就一直致力于成像速度的提高。现在通过设计各种快速成像序列 可以显著缩短扫描时间，提高成像速度，如回波平面成像序列，在2 0 c m x 2 0 c m 扫描野的情况下，可以在2 s 内完成2 0 个层面的快速成像。 ( 2 ) 图像容易受各种伪影干扰。 虽然m r i 没有骨伪影干扰，但是其它伪影也可能严重干扰图像质量。常见 的m r i 伪影有金属伪影、运动伪影、卷褶伪影、截断伪影、化学位移伪影、部 分容积效应伪影等。如何克服或减弱这些伪影对图像质量的影响也是现在m r i 研究的热门问题。 4 第1 章绪论 ( 3 ) 禁忌症较多。 m r i 系统的强磁场和射频场有可能使心脏起搏器失灵，或使各种体内金属 性植入物产生移位。在激励电磁波作用下，体内的金属还可能会因为发热而对 人体造成伤害，因此植有心脏起搏器、安装假肢或者体内有会属异物的病人都 是不能做m r i 检查的。此外，危重病人、监护中的病人、有恐惧幽闭症的病人 也不适宜进行m r i 检查。 ( 4 ) 设备复杂庞大 m r i 系统包括多个功能独立的子系统，不同子系统之间需要进行协调、通 信，因此整个系统十分复杂，对操作人员的技术要求也更高。磁体系统通常由 钢材料构成，重量很大，永磁型m r i 的质量甚至达到2 0 吨，因此对场地的要 求很高，而且运输、安装都很不方便。 ( 5 ) 定量诊断困难。 对通常采用的质子密度加权像、t 1 加权像和t 2 加权像，其权重很难精确 测定。因此m r i 还不能像x 射线c t 那样在图像上进行定量诊断。 这些局限性有的随着各种技术的进步正在被逐渐解决，如成像速度的提高。 而有些是其固有的，难以避免，如禁忌症多、伪影种类多等。但是这些局限性 并不妨碍m 对在现代医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。 磁共振成像系统的种类很多，按成像范围可分为局部m r i 系统和全身m r i 系统，按成像主磁场的产生方式可分为永磁型、常导型、超导型和混合型，按 磁场强度可分为低场系统、中场系统、高场系统，此外还有介入式医疗m r i 系 统、功能成像m r i 系统等等( l ue ta 1 2 0 0 7 ；m o r r o w2 0 0 0 ；t r e q u a t t r i n ie ta 1 2 0 0 0 ) 。无论哪种m r i 系统，都可以简单地将外部设备分为控制台、主控计算 机、梯度放大器、射频控制器和磁体等几大组成部分。图1 2 为典型的m r i 系 统框图，本文所做的工作，都是针对屏蔽室中的梯度线圈展开的。 5 第1 章绪论 图1 2典型m r i 系统功能模块组成示意图 1 2 研究内容及意义 经过几十年的发展和进化，m r i 的全球市场发展趋势是向着两级化发展， 一方面向更高场强的超导m r i 迈进，另一方面，永磁低场m r i 的技术愈发完善， 图像质量和功能不断提高。超导系统能产生高场强、高均匀性的静磁场，因此 检测速度快、成像速度快、设备性能好，但是价格昂贵、运行和维护的费用高。 永磁型系统检测速度和成像速度较慢，图像质量一般，尽管性能上与超导系统 有较大差距，但是随着近几年磁场技术不断发展、图像处理技术水平的提高， 成像质量有了很大改进，已经能满足大部分医学诊断要求，而且结构简单、造 价低、维护费用低。另外，由于永磁低场的开放性，它可以用于临床手术时的 导航介入，导航介入作为整个医疗设备产业的发展趋势，其本身就有着巨大的 市场前景。 医疗技术的不断进步以及我国医疗体系的不断完善，我国对磁共振成像设 6 第l 章绪论 备的需求逐年增加。根据卫生部的统计，2 0 0 3 年底我国已拥有各类核磁共振成 像仪1 2 0 0 台，但是按照人口计算，我国m r i 设备还非常缺乏。由于我国在相 关领域的研究起步较晚，因此国内市场主要被g e 、s i e m e n s 、p h i l l i p s 、 h i t a c h i 等公司垄断，m r i 设备价格昂贵。超导高场m r j 在中国单台的售价 在8 0 0 万元以上，永磁低场m r i 的单台售价为3 5 0 万 - 7 0 0 万元。随着国内市 场的不断扩展，近些年国内涌现出一批极具竞争力的企业，以深圳安科、北京 万东、北京泰杰、沈阳东软、宁波鑫高益为代表。尽管在高场m 砌技术上领先 的外资企业仍占据着主要市场，国内企业的产品已经在永磁低场领域争得一席 之地。国产永磁m r i 不但价格低，而且在技术、性能等方面也取得了多项成果。 世界上首台0 5 tm 对永磁体在2 0 0 6 年3 月由北京泰杰磁电研究所研制成功， 这标志着我国在m r i 永磁体设计方法上已经走在了世界前列，它使永磁m r i 从低场应用转向高场，开辟了永磁产业一个全新时代。国内企业凭借在永磁 m r i 领域内价格低的优势，正在悄悄改变着m r i 的市场格局。 尽管我国自主研发的永磁型m r i 系统价格比国外同类型仪器价格低，但是 由于缺乏核心技术的支持，在性能上与国际顶尖水平还有一定差距，需要进一 步摸索和改进，梯度线圈设计就是其中重要的一环。 梯度线圈是m r i 系统一个重要组成部分，主要用来产生三个方向的线性梯 度磁场对m r i 信号进行空间定位、相位编码以及频率编码，为图像重建提供定 位依据。在磁共振成像早期，成像速度很慢，对梯度线圈的要求不是很高，随 着技术的不断发展，成像速度越来越快，对梯度线圈的性能也提出了更高的要 求。梯度线圈的性能在很大程度上决定着成像速度、分辨率，因此如何设计出 结构合理、性能良好的梯度线圈，对提高m 砌系统整体性能，改善m r i 图像 质量具有重要的意义。同时，梯度线圈设计也是进一步提高我国自主研发生产 m r i 系统的能力必须要解决的问题，也是m 刚系统的重点和难点之一。 综上所述，对梯度线圈进行研究和设计是具有重要理论和应用价值的。本 文在认真研究了现有梯度线圈设计方法的基础上，主要针对永磁型m r i 系统的 结构特点，结合电磁学理论知识，设计出一套可以应用于永磁型m r j 系统的梯 度线圈。主要工作包括梯度线圈设计以及屏蔽线圈设计。 1 3国内外研究现状 梯度线圈的结构主要受到m r i 设备形状的制约，所以主磁场结构的不同， 决定了梯度线圈的结构也不尽相同。主要分为两种：超导系统中的圆柱形和永 磁系统中的平面形。梯度线圈的结构经历了传统结构和现代结构两个阶段，所 7 第1 章绪论 谓传统结构是指用分立绕组构成的线圈，现代结构是由分布式电流线构成的线 圈，需要用逆方法设计。 传统结构主要是通过简单线圈进行组合，采用解析的方法来分析组合后的 性能，通过调整参数来达到所需的性能指标。传统结构的纵向梯度线圈最简单、 常用的是m a x w e l l 线圈( t u r n e r1 9 9 3 刚6 ) ，实际应用中往往采用更多对线圈来获 得更均匀的线性度。超导m r i 主磁场b 。都是用柱形螺线管产生的，并沿柱轴方 向，即z 轴，梯度线圈也绕在一个同轴柱面上。传统的横向梯度线圈是双马鞍 形的g o l a y ( t u r n e r1 9 9 3 小8 ) 线圈。永磁m r i 主磁场由开放式永磁体产生，传 统横向线圈则是用组合起来的a n d e r s o n ( t u r n e r1 9 9 3 9 0 7 ) 线圈。 1 9 8 6 年t u r n e r 提出设计梯度线圈的逆方法即目标场法，思想是根据期望的 梯度场用傅里叶变换倒推出电流密度分布，该方法被迅速应用于涡流屏蔽梯度 线圈的设计( m a n s f i e l de ta 1 1 9 8 6 ) 。在成像过程中，产生梯度磁场的电磁线圈 必须频繁开断，当梯度线圈中电流变化的时候，将在其周围的导体中激起涡流。 这种涡流抑制梯度磁场的快速变化，从而妨碍正常的成像过程。屏蔽梯度线圈 的最大优点就是能够基本消除涡流和磁滞两大效应，尤其是在高梯度和高切换 率的条件下保证图像质量，因而在磁共振系统得以广泛的应用。目标场方法和 屏蔽线圈是一次突破性的技术进展。 为了追求尽可能快的扫描速度，一般采取提高梯度磁场强度和梯度切换率 的方法。由于磁场的快速开关会对人体造成刺激，因此它的发展有个极限，必 须在受检者的生理忍受的安全极限之内，于是出现了双梯度系统。所谓双梯度， 就是在主梯度线圈内增设一个较短的梯度线圈，可以根据需要分别工作，对于 头部和心脏等对扫描速度要求较高的检查，用短磁体实现高性能，对于体部扫 描等扫描范围较大的部位，特别是肥胖病人，则用大的梯度线圈，这样可以实 现各自的功能。双梯度技术的采用，不仅可以进一步提高梯度系统的性能，而 且有效地减少了梯度磁场对人体的刺激，特别适合于头部及心脏的功能性检查。 双梯度系统的出现使磁共振系统的性能出现突破性进展，进入了双梯度时代。 我国的医学磁共振成像临床应用起步较晚，1 9 8 4 年以后才开始相关领域的 研究工作，1 9 8 9 年国内首台永磁型m r i 设备a s p 0 1 5 研制成功。上世纪9 0 年 代以后我国的磁共振成像进入全面发展阶段，陆续引进了一批高场超导m r i 设 备，应用范围逐步扩大。在这期间国内也涌现出了批m r j 设备生产厂家，这 些公司的研究重点主要是永磁型m r i 系统。由于国外研究机构在永磁体的设计 方法上投入较少，在永磁体磁路设计、磁体结构优化方法等方面国内的研究水 平己经达到并超过国外水平。随着国内对m 融研发投入的不断扩大，国内从事 相关研究的人员和机构也在增加，如北京大学的医学物理工程实验室、华东师 8 第1 章绪论 范大学光谱学与波普学实验室和东北大学信息科学与工程学院电子科学与技术 研究所、北京泰杰磁电研究所等。但是主要还是集中在永磁型m r i 的相关领域， 超导m r i 系统仍在探索和试验阶段。 1 4 本文的内容安排 本文主要针对永磁型m r i 梯度线圈系统的设计方法进行了比较深入的研 究，内容包括梯度线圈设计和屏蔽线圈设计，全文共分5 章，各章的主要内容 安排如下： 第1 章绪论。主要介绍了磁共振成像系统的组成结构及其功能特点，阐述 了梯度线圈系统设计方法涉及的研究内容、研究意义及国内外研究现状。 第2 章梯度系统简介。介绍了磁共振系统的成像原理和主要模块，梯度系 统的结构组成和在成像系统中所起的作用，以及梯度系统的主要性能指标。 第3 章梯度线圈设计方法研究。针对永磁型m r i 系统结构特点，设计出 了能够应用于丌放式永磁型m r i 磁体的梯度线圈。首先研究了传统的梯度线圈 设计方法，并将分离导线法应用到永磁型m 梯度线圈设计中，分别得到纵向 和横向梯度线圈的结构，然后根据开放式永磁型m r i 系统的特点，对设计参数 进行了优化，使得梯度磁场的有效区域和梯度线性度性能均有很大改善。最后 通过仿真实验，验证了设计方法的有效性。 第4 章屏蔽线圈设计方法研究。针对梯度线圈会产生涡流的缺点，本文设 计出了能够应用于开放式永磁型m r i 磁体的自屏蔽梯度线圈。在研究了屏蔽线 圈一般设计方法的基础上，针对第3 章设计得到的梯度线圈结构，设计出有源 自屏蔽线圈。仿真结果表明，设计得到的屏蔽线圈既保证了梯度线圈主要性能 不受影响，又有效减小了屏蔽区域内的涡流。 第5 章总结与展望。对全文研究工作的主要内容、创新点等进行总结，并 对未来研究工作的方向进行展望。 9 第2 章梯度系统简介 第2 章梯度系统简介 梯度系统是m r i 系统的重要组成部分，它是如何工作并发挥作用的? 它的 性能与m r j 系统的性能及成像质量有什么关系? 本章首先深入浅出地介绍了 m 系统的成像原理和基本结构，接着重点介绍梯度系统的组成以及梯度线圈 的性能指标参数，逐步揭开了梯度系统的神秘面纱。 2 1m rl 系统简介 磁共振成像的理论基础是原子核的核磁共振现象，利用人体组织发出的核 磁共振信号可以重建出这些组织的图像。但是从病人所接收到的磁共振信号包 含被成像病人整个身体的信息，并没有任何特殊的空间信息。为了用检测到的 磁共振信号重建出图像，还需要对成像物体进行空间定位，并对磁共振信号进 行一系列的处理。下面将就m r i 成像原理和梯度磁场的作用做简单介绍。 2 1 1成像原理 氢原子核内的质子带正电，绕自己的轴进行自旋就会产生一个小磁场，如 图2 1 所示。每一个这样的小磁场被称为磁偶极矩( m a g n e t i cd i p o l em o m e n t ， m d m ) 。在没有任何外磁场的情况下，磁偶极矩的轴以随机的方式排列，彼此 之间相互抵消，净磁场为零。当开启一个外磁场之后，质子的自旋会像磁棒一 样与外磁场方向平行排列，大约一半与磁场方向相同，另外一半则相反。经过 一段时间，更多的质子沿磁场方向排列，产生净磁化矢量( h a s h e m i2 0 0 4 3 5 。们) ， 这个过程按指数形式增长。同时，在外磁场中，质子在转矩的作用下又会绕着 磁场方向运动，类似于旋转的陀螺在地球引力的作用下绕垂直方向运动，这种 运动被称为进动( p r e c e s s i o n ) 。可以用拉莫方程表示为： ( ) f l _ yb l ( 2 1 ) ( ) 。，为质子进动角频率，y 为旋磁比，b 。为外磁场强度。 l o 第2 章梯度系统简介 图2 1 拉莫进动示意图 由于我们只能发射和接收震荡的信号，而纵向磁化矢量不是一个震荡的信 号，不能被接收线圈所读取，因此这个磁化矢量需要被“翻转 到横向的x y 平面，这个工作由射频脉冲完成，如图2 2 所示。沿x 轴垂直于磁化矢量m o ， 也就是b 0 轴，发射一个频率为。的射频脉冲，这样系统产生共振，质子将进动 翻转到x y 平面。同时，该脉冲会在x 轴方向产生一个磁场，根据之前的进动 理论，先前沿z 轴方向排列的质子也将会绕x 轴发生进动，频率。由拉莫方程 决定： b 。为射频脉冲所致的微弱磁场。 x 图2 2 磁化欠量翻转示意图 y 质子同时绕x 轴、z 轴进行进动，导致净磁化矢量由z 轴到x - y 平面的螺 旋形运动，称之为章动。根据射频脉冲b 1 的强度和它的作用时间下，我们可以 确定翻转角： 第2 章梯度系统简介 产生9 0 。翻转的脉冲叫做9 0 。射频脉冲。自旋核在吸收外磁场的能量发生核磁 共振现象的同时，还会与周围的环境相互作用，向周围环境转移能量，这一过 程就是驰豫( r e l a x a t i o n ) ，9 0 。脉冲作用后的驰豫过程如图2 3 所示。 图2 39 0 。脉冲作用后的驰豫过程 根据自旋核与外界交换能量的形式，主要分为自旋一晶格驰豫( s p i n l a t t i c e r e l a x a t i o n ) 和自旋一自旋驰豫( s p i n s p i nr e l a x a t i o n ) 两种。自旋一晶格驰豫时 间t 1 描述了z 轴磁化矢量m ：恢复到初始磁化矢量m 。所需要的时间，自旋一自旋 驰豫时间t 2 描述了x - y 平面内磁化矢量m x ，衰减到0 所需要的时问。 在m r i 系统中，一般检测两种磁共振信号：自由感应衰减信号( f r e e i n d u c t i o nd e c a ys i g n a l ，f i d ) 和自旋回波信号( s p i ne c h os i g n a l ，s e ) 。施加 9 0 。射频脉冲之后，磁化矢量在x - y 平面内以频率。旋转，它的大小连续不断 地衰减，接收线圈获得一个震荡、衰减的信号，即f i d 信号，衰减过程如图2 4 所示。 入、繇纛。 u m v i u ， 图2 4自由感应衰减信号 第2 章梯度系统简介 通常采用自旋回波脉冲序列进行信号采集，时序如图2 5 所示( 俎栋林， 2 0 0 4 ) 。在施加射频脉冲的同时施加层面选择梯度g z 进行层面选择，这时会产 生f i d 信号。由于f i d 信号持续时间很短，这个信号对于成像没有意义，不进 行采集。再施加相位编码梯度g y ，该梯度会改变层面内质子的进动频率，使y 方向上的质子出现相位差，同时也加快了f i d 信号衰减。之后再次施加1 8 0 。 射频脉冲，各质子之间的相位差大小不变，但是方向相反，这样造成了转动快 的质子在后、转动慢的质子在前。经过相同的时延后，各质子之间的相位差消 失，获得相位重聚，从而磁共振信号又变为最大，这个信号也就是回波信号。 在回波信号形成的同时施加读出梯度g x ，也就是频率编码梯度，完成对成像物 体