程藝苑, 蘇明陽, 萬書佳, 張新剛
(1.南陽師范學(xué)院 a.機電工程學(xué)院;b.計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,河南 南陽 473061;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪環(huán)保工程學(xué)院,河南 南陽 473000)
目前,磁共振成像已成為醫(yī)學(xué)影像和診斷的重要工具,被廣泛應(yīng)用于臨床診斷和科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域。隨著我國人口老齡化的加劇和新冠疫情防控的常態(tài)化,在一些非醫(yī)院的特殊場所,如養(yǎng)老院、重癥監(jiān)護室、手術(shù)室、救護車、急診室、體育場或者隔離醫(yī)療點等,對于一些特殊病人在無法移動的情況下,需要利用MRI技術(shù)進行局部成像和初步診斷,在這樣的背景之下,便攜移動型MRI系統(tǒng)迅速發(fā)展起來,具有廣闊的應(yīng)用前景。
磁體是MRI系統(tǒng)中體積最大、重量最重、造價最高的核心部件,其主要作用是在中心成像區(qū)產(chǎn)生一個均勻的靜磁場,磁場的磁感應(yīng)強度和均勻度將直接影響成像質(zhì)量[1-2]。常導(dǎo)型和超導(dǎo)型磁體的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要額外的電力和液氦[3-4],體積龐大不適合在移動場景的應(yīng)用。永磁型磁體的結(jié)構(gòu)簡單開放,造價低廉,我國永磁材料豐富,是便攜MRI系統(tǒng)的最佳選擇。
目前,有關(guān)便攜MRI系統(tǒng)的相關(guān)研究與應(yīng)用中,永磁體常采用雙極型、Halbach型和環(huán)對(Ring-Pair)型這三類,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中的黑色箭頭為磁化方向。雙極型永磁系統(tǒng)由上、下兩個磁極和不同形狀(H或C形)的鐵軛構(gòu)成磁路,如圖1(a)所示為H形的雙極型永磁體。鐵軛可以引導(dǎo)磁場構(gòu)成閉合的磁路,但也增加了整個磁體系統(tǒng)的重量和體積,雙極型永磁系統(tǒng)的成像區(qū)較小,主要用于室外植物成像[5]和人體局部檢測成像[6]。Halbach型磁體是由若干塊永磁體構(gòu)成陣列,最常見的是閉合的環(huán)形[7],如圖1(b)所示,其不需要額外的鐵軛,磁體的重量較輕,在桌上磁共振波譜儀、頭部成像等應(yīng)用領(lǐng)域取得了很多研究成果[7-10]。但是,Halbach型磁體產(chǎn)生的主磁場的方向為橫向,而目前市場上常規(guī)的射頻系統(tǒng)都不能直接使用,需要重新設(shè)計。近幾年,由Aubert[11-12]提出的環(huán)對型磁體被初步探索應(yīng)用于便攜MRI系統(tǒng)中[13-17],其主要由兩個分別向內(nèi)和向外徑向磁化永磁環(huán)所組成,如圖1(c)所示,黑色箭頭為徑向磁化的方向,紅色箭頭為成像區(qū)的磁場方向。環(huán)對型永磁體產(chǎn)生的磁場方向與市場主流超導(dǎo)型磁體的磁場方向一致,因此,目前與常用的射頻線圈都相兼容可直接使用。
圖1 幾種永磁體示意圖
本文基于這種環(huán)對型永磁體,運用ANSYS有限元分析軟件進行了一系列的仿真,對其結(jié)構(gòu)的離散化和相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了分析和討論,計算結(jié)果將對環(huán)對型永磁體的優(yōu)化設(shè)計和實際工程制作具有一定的指導(dǎo)和參考意義。
基于便攜移動型MRI系統(tǒng),建立一個環(huán)對型磁體模型,具體如圖2所示。該磁體系統(tǒng)模型由2個分別向內(nèi)和向外徑向磁化的永磁環(huán)所組成,這2個環(huán)形永磁體的內(nèi)半徑Rin=0.2 m,外半徑Rout=0.4 m,單個環(huán)的高度H=0.1 m,2個環(huán)之間的距離D=0.4 m。中心成像區(qū)在兩個環(huán)形永磁體的中間部位,考慮直徑為0.2 m,高度為0.05 m的圓柱體。永磁體的材料選擇為釹鐵硼(Nd-Fe-B),型號為N50,其剩磁Br=1.38 T,矯頑力Hcb=1 050 kA/m?;诖谁h(huán)對型磁體,本文利用ANSYS建立模型并進行一系列的仿真與探索。
圖2 環(huán)對型磁體模型
理想的環(huán)對型永磁體是由均勻徑向磁化的兩個環(huán)形永磁體所組成。由于實現(xiàn)徑向均勻磁化比較困難,實際應(yīng)用時常將環(huán)形磁體進行均勻分割,用徑向磁化的弧形小磁塊拼接組成圓環(huán)形。本文考慮將環(huán)形永磁體分割成不同的塊數(shù),為保持磁化方向的對稱性,分別將其分割為4,8和16塊,具體模型如圖3所示。圖3中將圖2的磁體模型進行了旋轉(zhuǎn),分為上、下2個環(huán)形永磁體,環(huán)形永磁體的徑向平面為XY平面,軸向為Z軸,離散后的每一個弧形小磁塊上的黑色箭頭為其實際的磁化的方向。2個環(huán)形永磁體中間的小圓柱體即為中心成像區(qū)。
圖3 分割成不同的塊數(shù)的磁體模型示意圖
運用ANSYS進行三維模型的建立和磁場計算,得到中心成像區(qū)的磁場的具體情況見表1,磁感應(yīng)強度分布情況如圖4所示。其中,中心成像區(qū)的磁場均勻度定義為:
圖4 中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度分布
式中,Bmax、Bmin和Bavg分別為中心直徑為0.2 m、高度為0.05 m的圓柱體成像區(qū)中的磁感應(yīng)強度的最大值、最小值和平均值。磁場均勻度U的數(shù)值越小則表示磁場越均勻。
由表1可見,分割的塊數(shù)越多,中心成像區(qū)的平均磁感應(yīng)強度越大,即磁場增強,而磁場的均勻度數(shù)值減少,即磁場更加均勻了。分割的越多,越接近于理想的均勻磁化情況。但是,分割的塊數(shù)增多,會導(dǎo)致實際加工裝配的難度增大,因此需要根據(jù)具體應(yīng)用進行權(quán)衡。
表1 分割成不同塊數(shù)的中心成像區(qū)磁場情況
基于上述分割成8塊的環(huán)對型磁體,探索磁體相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對中心成像區(qū)磁場分布的影響。磁體模型中主要考慮3個結(jié)構(gòu)參數(shù),分別是2個環(huán)形永磁體的外徑Rout、單個永磁環(huán)的高度H和兩個永磁環(huán)之間的距離D。在離散成8塊的初始化模型中,Rout=0.4 m,H=0.1 m,D=0.4 m,中心成像區(qū)磁場的平均磁感應(yīng)強度為0.194 4 T,磁場均勻度為19 708×10-6,在此基礎(chǔ)上,改變上述的3個結(jié)構(gòu)參數(shù),觀察其對中心成像區(qū)的磁場的影響情況。
(1)改變環(huán)形永磁體的外徑Rout。由于環(huán)形永磁體的內(nèi)徑?jīng)Q定了可成像物體的尺寸大小,所以暫時保持固定不變,只考慮改變環(huán)形永磁體的外徑Rout。分別計算了Rout從0.25~0.5 m線性改變的幾組結(jié)果,得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖5所示。
圖5 環(huán)形永磁體外徑Rout對磁場的影響
圖5(a)為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況,圖5(b)為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。由圖5(a)、(b)可見,隨著環(huán)形永磁體的外徑Rout的增大,中心成像區(qū)的平均磁場強度逐漸增強,磁場強度從56.1變化到253.2 mT;同時,磁場均勻度的數(shù)值也在逐漸減少,中心成像區(qū)的磁場變得更加均勻。從結(jié)果中可以得到,中心成像區(qū)的磁感應(yīng)強度和均勻度都隨著環(huán)形永磁體外徑Rout的改變呈現(xiàn)線性變化。但是,環(huán)形永磁體的外徑Rout變大,會增加永磁體的重量和體積,將會直接影響其便攜移動的性能,所以也需要綜合考慮和優(yōu)化。
(2)改變環(huán)形永磁體的高度H。第2個考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)是環(huán)形永磁體的高度H,分別計算H從4 cm到14 cm線性改變的幾組數(shù)據(jù),得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖6所示。
圖6 磁體高度H對磁場的影響
圖6(a)為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況,圖6(b)為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。由圖6(a)、(b)可見,隨著環(huán)形永磁體高度H的增大,中心成像區(qū)的平均磁感應(yīng)強度逐漸增強,磁感應(yīng)強度從90.7變化到245.4 mT。但是,磁場均勻度的數(shù)值并非隨著高度H的增大呈現(xiàn)線性變化,在這幾組數(shù)據(jù)中,當(dāng)高度H=6 cm的時候,中心成像區(qū)的磁場均勻度數(shù)值最小為7 320×10-6,即磁場最均勻。可見,中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度隨著環(huán)形永磁體高度H的改變呈現(xiàn)線性變化,但磁場均勻度卻呈現(xiàn)非線性變化。環(huán)形永磁體高度H和外徑Rout一樣,會直接影響永磁體的重量和體積,所以需要綜合考慮和優(yōu)化。
(3)改變兩個永磁環(huán)之間的距離D。最后一個考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)是2個永磁環(huán)之間的距離D,這個參數(shù)也是3個結(jié)構(gòu)參數(shù)中不會影響磁體重量和體積的參數(shù)。分別計算2個永磁環(huán)之間的距離D從0.2 m到0.7 m線性改變的幾組數(shù)據(jù),得到的中心成像區(qū)的磁場情況如圖7所示。
圖7 兩個磁體之間距離D對磁場的影響
圖7(a)為中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度的變化情況,圖7(b)為中心成像區(qū)磁場均勻度的變化情況。從圖7中可以看到,隨著2個永磁環(huán)之間距離D的增大,中心成像區(qū)平均磁感應(yīng)強度逐漸減弱,從290.6變化到85.8 mT。但是,磁場均勻度數(shù)值并非隨著距離D的增大呈現(xiàn)線性變化,當(dāng)距離D=0.4 m的時候,中心成像區(qū)的磁場均勻度數(shù)值最小為19 708×10-6,即磁場最均勻??梢姡行某上駞^(qū)磁感應(yīng)強度隨著2個永磁環(huán)之間距離D的改變呈現(xiàn)線性變化,但磁場均勻度卻不呈線性變化。
基于便攜移動型MRI系統(tǒng)環(huán)對型永磁體進行了建模仿真。運用ANSYS軟件建立模型并對其幾個相關(guān)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行了探索和分析。從仿真結(jié)果中可見,隨著環(huán)形永磁體分割塊數(shù)的增多,越接近于理想的均勻徑向磁化的情況,中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度越高,磁場越均勻。在分析環(huán)對型永磁體的3個結(jié)構(gòu)參數(shù)對中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度和磁場均勻度的影響,有的影響均是線性的,例如隨著環(huán)形永磁體的外徑Rout的增大,中心成像區(qū)平均磁場強度逐漸增強,同時,磁場也變得更加均勻;也有一些參數(shù)對中心成像區(qū)磁感應(yīng)強度的影響是線性的,但是對磁場均勻度的影響卻是非線性的,例如永磁環(huán)的高度H和2個永磁環(huán)之間的距離D這兩個參數(shù)。同時,這3個參數(shù)中,環(huán)形永磁體的外徑Rout和永磁環(huán)的高度H增大會增加整個永磁體的重量和體積,會影響到整個便攜MRI系統(tǒng)的移動性,因此需要權(quán)衡考慮。這些計算分析結(jié)果可為環(huán)對型永磁體的優(yōu)化設(shè)計和實際工程制作提供一定的參考和指導(dǎo)。
本文針對環(huán)對型永磁體只進行了初步的仿真和探索,未來在這些仿真和分析的結(jié)果中,可考慮對磁體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計,例如綜合考慮分割的塊數(shù)和這3個結(jié)構(gòu)參數(shù),同時對磁體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。從計算的這些結(jié)果中也可以看到,中心成像區(qū)的磁場均勻度并不是非常理想,未來還應(yīng)考慮采用其他更多的方法和手段來提高磁場的均勻度。