Halbach核磁共振成像系统的梯度线圈设计方法

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Halbach磁体结构应用广泛,其用于核磁共振也具备特定的优点:结构无需铁轭,可以实现强磁场、低重量、小体积设计,且磁体中心磁场均匀度高,制作成本低,是成像设备以及在线核磁共振波谱分析的热门研究方向,是成像装置和便携式现场核磁共振分析的理想结构。由于Halbach磁体主磁场B0方向沿径向,与超导和C型永磁体MRI设备的磁场方向不同,且其梯度线圈分布在柱面上,这就对Halbach型线圈提出了特殊的设计要求。本论文研究了等效磁偶极子方法,用于2MHz Halbach磁体梯度线圈和匀场线圈的设计,具体内容包括以下几个方面:(1)Halbach磁体梯度线圈的等效磁偶极子方法研究。通过流函数与等效磁化强度的关系,将流函数与Halbch磁体目标区域内的磁场联系在一起。并根据期望的目标磁场分布逆向求解柱面流函数分布,进而确定线圈结构。求解过程中,以能耗作为最优化目标,以期望磁场与计算磁场方差作为罚函数,从而得到平滑的梯度线圈结构。同时,本文还通过Maxwell仿真软件验证了线圈磁场分布。最终采用双层柔性电路板制作了X、Y以及Z梯度线圈,并通过高斯计实测各线圈目标区域内的磁场分布。实验结果表明:三个方向梯度线圈产生的单位磁场梯度分别为:3.022、3.013和1.7mTm-1A-1,梯度均匀度均在5%以内,达到设计要求。(2)Halbach磁体的有源匀场线圈研究。2MHz的Halbach磁体经无源匀场后磁场均匀度为108ppm,为了进一步提高均匀度,采用等效磁偶极子方法设计了五个二阶匀场线圈,即XY、XZ、YZ、X2-Y2和2Z2-X2-Y2线圈。对于设计好的二阶匀场线圈,采用Maxwell仿真软件验证了其磁场分布的正确性,并制作了线圈实物,与一阶梯度线圈组成8组匀场线圈。之后进行了有源匀场实验,最终将磁场均匀度提升至28ppm,达到了成像实验研究的均匀度要求。(3)Halbach磁体成像实验研究。采用前文设计的梯度线圈,进行了成像实验的初步研究。本文使用二维自旋回波序列进行成像实验,对采集到的自旋回波信号进行了K空间的填充和傅里叶反变换,得到了圆柱形水模样品的横断面和矢状面图像。成像实验和匀场实验的成功完成,证明了等效磁偶极子方法设计梯度和匀场线圈的有效性。该2MHz的低场Halbach磁体能用于成像实验研究,但所成图像清晰度不足,且稍微有变形,需要在未来的研究中,进一步改善梯度线圈的结构和成像序列,加强成像实验方面的研究。
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