傅立

摘 要：在核磁共振系統(tǒng)當(dāng)中，磁場(chǎng)均勻性為其重要硬件參數(shù)，而有源勻場(chǎng)則能夠精細(xì)修正磁場(chǎng)。本文基于永磁微型核磁共振成像系統(tǒng)，在確定均勻間隙情況下，開展了勻場(chǎng)理論分析，經(jīng)模擬仿真與數(shù)值計(jì)算，設(shè)計(jì)了一套能夠放置在探頭屏蔽盒外側(cè)的有源勻場(chǎng)系統(tǒng)。將此系統(tǒng)放置于NMI20微型核磁共振成像儀上，勻場(chǎng)效果從之前的10 ppm提升至1.4 ppm。

關(guān)鍵詞：永磁微型核磁共振成像系統(tǒng)；勻場(chǎng)線圈；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：O482 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

磁體作為基于均勻穩(wěn)定磁場(chǎng)環(huán)境下，所形成的帶有強(qiáng)烈核磁共振現(xiàn)象的核心部件，對(duì)于其所具有的性能參數(shù)而言，不僅對(duì)核磁共振信號(hào)具有決定作用，而且對(duì)于圖像質(zhì)量同樣具有直接決定作用，就其投入成本層面來(lái)考量，其在整個(gè)核磁共振成像設(shè)備當(dāng)中，通常情況下，會(huì)占到1/3，所以，針對(duì)磁體來(lái)講，其在整個(gè)核磁共振設(shè)備當(dāng)中，扮演著核心作用。

1.有源勻場(chǎng)基本理論概述

在沒(méi)有電流密度的情況下，在自由電荷狀況下，依據(jù)Maxwell方程，利用由永磁體所形成的強(qiáng)烈的無(wú)源靜磁場(chǎng)，從本質(zhì)上來(lái)講，就是一個(gè)無(wú)旋場(chǎng)，針對(duì)其標(biāo)量磁位來(lái)講，在某種程度上，往往能夠較好的滿足于拉普拉斯方程，此方程于球坐標(biāo)系下，便能夠得出笛卡爾坐標(biāo)系下Bz的展開式。經(jīng)過(guò)展開之后，便能夠依據(jù)實(shí)際需要，對(duì)無(wú)旋靜磁場(chǎng)滿足實(shí)際要求的分解，使之形成均勻磁場(chǎng)。若利用外部通電線圈所形成的磁場(chǎng)，抵消各非均勻磁場(chǎng)項(xiàng)，那么在實(shí)際目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，便能夠獲取理想磁場(chǎng)。因級(jí)數(shù)展開而得到的非均勻項(xiàng)，實(shí)為無(wú)窮多項(xiàng)，所以，在實(shí)際當(dāng)中，在磁場(chǎng)抵消方面，抵消數(shù)量相對(duì)有限，因此，對(duì)于所形成的磁場(chǎng)而言，往往比較均勻?；诖?，在對(duì)勻場(chǎng)線圈進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過(guò)程中，核心任務(wù)與關(guān)鍵使命就是，通電線圈的合理、高效使用，通過(guò)此線圈的運(yùn)用，最終形成具有階次差異且滿足實(shí)際所需的非均勻磁場(chǎng)。

2.基本電磁場(chǎng)理論分析

磁場(chǎng)疊加定理與Biot-Savart定理乃是用于有源勻場(chǎng)的核心電磁場(chǎng)理論?？蛇\(yùn)用Biot-Savart定理，將在空間的圓弧載流導(dǎo)線相應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度求解出來(lái)?？蓸?gòu)建融合笛卡爾坐標(biāo)系，另外，還能構(gòu)建球坐標(biāo)系，并形成二者之間的坐標(biāo)空間，對(duì)于O點(diǎn)而言，即為兩坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)處的坐標(biāo)原點(diǎn)，笛卡爾坐標(biāo)系的Z軸與球坐標(biāo)系的極軸相融合。

若多組線圈空間位置不同，或者有著不同的電流方向。于場(chǎng)點(diǎn)P所形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以依據(jù)磁場(chǎng)疊加定理來(lái)完成求解。無(wú)論是哪個(gè)通電線圈弧段，對(duì)此所需注重的是，把積分限進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整與改變，可依據(jù)實(shí)際需要，將弧段角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整便可。從永磁型磁共振角度來(lái)考量，從本質(zhì)上來(lái)講，即為平板型磁極，所以，在實(shí)際開展勻場(chǎng)線圈設(shè)計(jì)過(guò)程中，也需要將其設(shè)計(jì)成與上述一樣的平面型，使之更好匹配。依據(jù)上述定理，若經(jīng)兩磁極板方向，在兩個(gè)點(diǎn)線圈實(shí)際放置過(guò)程中，如選擇在與中心點(diǎn)呈對(duì)稱狀態(tài)的位置上，不僅合理且可行，另外，在電流上，其方向便會(huì)呈相反狀，如此一來(lái)，基于中心區(qū)域框架內(nèi)，所形成的磁場(chǎng)，在方向上，便會(huì)相反，針對(duì)此狀況，進(jìn)行相互疊加操作，便能形成以Z方向?yàn)檩S心所構(gòu)建的梯度。當(dāng)確定好線圈距離之后，可依據(jù)實(shí)際需要，對(duì)通電線圈的半徑，進(jìn)行適當(dāng)性調(diào)整，通過(guò)此調(diào)整，對(duì)于一階的Z向線性，除了能將其有所改變之外，還能使Z3、Z5等，根據(jù)實(shí)況及現(xiàn)實(shí)需要，呈奇次方非線性變化，由此形成所需要的帶有規(guī)律性的磁場(chǎng)。

于Z=±h的所呈現(xiàn)出的對(duì)稱平面當(dāng)中，以Y方向?yàn)檩S心，依據(jù)對(duì)稱方式，完成兩半圓通電弧段相應(yīng)放置工作，另外，在電流方向上，可設(shè)置呈反向，而兩極板的電流則由相同的方向，在確定h的狀況下，通過(guò)對(duì)通電圓弧的半徑進(jìn)行調(diào)整，可形成沿著X方向而產(chǎn)生的軸旋轉(zhuǎn)90°，最終便可獲得Y方向的線性磁場(chǎng)。為使高階效果以及線性度處于最佳狀態(tài)，通常情況下，會(huì)運(yùn)用多匝線圈，以此來(lái)替換單組線圈。

3.目標(biāo)分析

針對(duì)核磁共振成像的整個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，通常情況下，其不能實(shí)施各種層面的無(wú)源勻場(chǎng)，因此，在對(duì)磁極板平行度進(jìn)行調(diào)節(jié)之后，主磁體的均勻性最高可達(dá)10ppm。針對(duì)本次設(shè)計(jì)來(lái)講，其總體層面的既定目標(biāo)，就是通過(guò)設(shè)定的高階勻場(chǎng)，在20mmDSV范圍內(nèi)，使其均勻性得到提升，即超過(guò)1ppm。要想以一種較好的方式達(dá)成此目標(biāo)，需要確定出各階勻場(chǎng)線圈相對(duì)應(yīng)的幾何形狀之后，再將3個(gè)指標(biāo)給確定下來(lái)，即線圈電流限制、各階次線圈的半徑與線圈匝數(shù)及線圈極板間間距（線圈間隙）。對(duì)于磁場(chǎng)而言，其乃為一空間概念，針對(duì)不同方向的勻場(chǎng)磁場(chǎng)，不僅要考慮Z向的線性，而且還需將XY平面內(nèi)的均勻性考慮在內(nèi)，不然，會(huì)出現(xiàn)不佳的勻場(chǎng)效果。因此，需依據(jù)實(shí)際情況及現(xiàn)實(shí)需要，完成線圈極板間距離的總體設(shè)置工作，實(shí)際上就是將線圈間隙設(shè)置好，除此之外，還需將各階次線圈的匝數(shù)考慮在內(nèi)，還有其半徑等。通過(guò)仿真，得知半徑相比于各線圈之間的間隙，明顯小于后者，此時(shí)會(huì)造成徑向勻場(chǎng)在范圍上呈現(xiàn)出持續(xù)減小狀態(tài)。若半徑較之線圈的間隙，存在超出后者的情況，此時(shí)，進(jìn)行數(shù)值仿真，最終結(jié)果得知，20mmDSV區(qū)域范圍相同，伴隨間隙的持續(xù)增加，線性度便會(huì)隨之提高；若間隙相同，伴隨半徑增加，線性度同樣會(huì)提升。至此，從理論層面來(lái)考量，要想達(dá)到較高的線性度乃是能夠?qū)崿F(xiàn)的，僅需增加線圈半徑與間隙便可。此外，隨著磁極間隙的增加，磁場(chǎng)均勻性便會(huì)隨之變差。所以在磁極間隙及其他條件均確定的情況下，需適當(dāng)性增加線圈間隙，針對(duì)線圈半徑來(lái)講，不可隨意性增大，需依據(jù)梯度板及磁極板的實(shí)際半徑來(lái)決定。

4.線圈設(shè)計(jì)效果仿真

針對(duì)本次設(shè)計(jì)來(lái)講，擬定非均勻磁場(chǎng)11項(xiàng)，以永磁型磁極板為基礎(chǔ)，結(jié)合其實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)于全部的勻場(chǎng)線圈來(lái)講，在設(shè)計(jì)類型上，均選擇平面型。利用反向電流弧，或者同向的亥姆赫茲線圈，均可成功構(gòu)建非線性磁場(chǎng)，通過(guò)此操作，便能較好地實(shí)現(xiàn)關(guān)于磁場(chǎng)的修正。針對(duì)一階勻場(chǎng)線圈來(lái)講，其在具體的修成幅度方面，往往是最高的，除此之外，在勻場(chǎng)效果方面，也是具有最大影響的。針對(duì)所得數(shù)據(jù)值，通過(guò)對(duì)此進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，便能得出關(guān)于單一某方向的線性度；對(duì)于Z線圈而言，伴隨其半徑的增加，盡管在Z方向上，其線性度呈現(xiàn)出持續(xù)優(yōu)化狀態(tài)，但對(duì)于X（Y）方向而言，其均勻性來(lái)則易發(fā)生改變，即起初呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即先優(yōu)化后轉(zhuǎn)為惡化；若依據(jù)實(shí)際需要，將間隙適當(dāng)性的增加，那么最終也會(huì)有此規(guī)律出現(xiàn)。所以，針對(duì)一階勻場(chǎng)磁場(chǎng)，其所對(duì)應(yīng)的線性度，通常要求比較高，但在實(shí)際操作中，還需將線性方向的磁場(chǎng)均勻性囊括在內(nèi)。

5.結(jié)果分析

依據(jù)仿真效果，本此研究工進(jìn)行了8層印刷板勻場(chǎng)線圈系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)工作，對(duì)于一層設(shè)計(jì)來(lái)講，即為Z1、Z2、Z3與Z4，而另外一層則為X2-Y2，Y-YZ、XY為一層分別為另外兩層，除此之外，用于屏蔽的則為覆銅層，通過(guò)將兩層連接起來(lái)，便成為導(dǎo)線層。本次設(shè)計(jì)所選用的是NMI20微型的核磁共振成像系統(tǒng)，通過(guò)合理化調(diào)節(jié)各項(xiàng)勻場(chǎng)線圈的電流，另實(shí)施樣品譜寬方面的實(shí)驗(yàn)，得知在磁場(chǎng)均勻性方面，自之前的10ppm，已提升至1.4ppm。

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