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南 京 理 工 大 学
毕业设计(论文)开题报告
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学 生 姓 名： |
林保从 |
学 号： |
9161100Y0317 |
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专 业： |
智能电网信息工程 |
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设计(论文)题目： |
3.0T超导型MRI用线圈磁体设计 |
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指 导 教 师: |
王韬 教授（南京理工大学） |
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2019年11月20 日
课题背景
随着社会的发展，人们的物质生活水平不断提高，患者的医疗需求也越来越倾向于付出较小的代价得到更好的治疗效果，并且对各类医疗设备对自身的影响也越发重视。在一些重大疾病的治疗过程中，病灶诊断则是必不可少的一个环节，在这一环节中，医生就需要通过一些医疗影像设备对患者进行扫描检测获得患者的身体信息进而确定病因和病灶位置，目前常见医疗影像设备有CT、X射线和磁共振成像等。在这些医疗影像设备中，能够真正做到对人们身体无损伤的也就当属磁共振成像技术了，而且在多种疾病检测都证实MRI与其他医疗影像相比具有出色的诊断效果，故可以说磁共振成像技术是患者的福音。
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging ,MRI）是一种利用射频电磁波（脉冲序列）对置于磁场中的含自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，然后用感应线圈检测技术获得组织弛豫信息和质子密度信息（采集共振信号），再通过图像重建技术形成磁共振图像的医疗影像技术。MRI的无创、无痛苦、精确定位和近似解剖图谱般的图像显示，实现了人们对医学临床检查中多年梦想，对医学诊断、治疗与随访等均具有划时代的意义。
MRI成像系统主要由磁体、梯度系统、射频系统及计算机处理系统。其中磁体的主要作用是产生高稳定性、高均匀性的静磁场使组织产生磁化。梯度系统作用是产生线性变换的梯度磁场，作用则是产生线性变化的梯度磁场，用于组织空间定位。射频系统则用于发射射频脉冲（Radio Frequency,RF）和接收MRI信号。计算机处理系统则是进行系统控制，产生脉冲序列，完成MRI系统的扫描，图像采集、重建和显示。在这整套系统中，最难实现的关键问题就在于设计具备高稳定性和高均匀性的磁体。其中高均匀性指的是在磁体中心球状成像区域内各点的磁场强度与中心点磁场强度之间的误差需小于10ppm（Part Per Million,百万分之）。高稳定性则包括时间稳定性和热稳定性两种。时间稳定性指的是磁体所建立的静磁场随时间的变化而变化的程度。磁场强度还会随温度的变化而漂移，其漂移程度则通过热稳定性来表述。
目前关于MRI磁体主要可以分为永磁型磁体、常导电磁体、和超导磁体三种类型。
永磁型磁体
永磁型磁体是最早应用于MRI成像系统的磁体，它由一些具有铁磁性的永磁材料构成。该磁体磁场强度衰减很慢，几乎不变，并且运行维护简单，磁力线闭合，磁体漏磁少。但是，磁场强度较低，目前永磁型磁体最大场强可达到0.5T，但磁体庞大、笨重，磁场均匀度受环境温度影响很大，磁场稳定性较差。当周围环境发生变化（如过往机动车辆、供电电缆，变电设施等）时就会导致磁场均匀度被破坏，使图像质量下降，甚至造成图像伪影。
常导电磁体
常导电磁体是根据丹麦物理学家奥斯特于1820年发现的电流效应原理，由电流通过导线产生磁场，即用线圈导线中的恒定电流来产生MRI设备中的静磁场，其磁力线与受检人体长轴平行。常导型磁体优点是结构简单、重量较轻、造价低廉。但是其磁场均匀性和稳定性差，受室温影响大，开机后耗电量大，并且使磁体产生较多热量，必须使用大量的循环水冷维持其运行，故运行费用较高，且其磁场强度也较低。由于其缺点明显，目前市面上仅有极少数厂家还在生产常导型MRI设备。
超导磁体
超导磁体是利用了超导材料在某一温度下电阻降至零的现象制作而成的磁体，由于该磁体线圈电阻为零，故当电流通过磁体线圈产生规定的磁场之后，断开电源即可形成稳定均匀的磁场。磁体通过致冷剂维持磁体线圈处于超导态，无需附加电源供电。超导磁体与永磁型磁体和常导型磁体相比，超导磁体能够产生高稳定性、高均匀性和高场强的磁场。
目前针对3T及以上的高场强MRI的研究基本都是围绕着超导磁体的设计展开的。
高场强超导型MRI磁体的研究意义
目前，1.5T及以下的较低场MRI的技术已经趋于成熟，故未来关于MRI的研究基本围绕在3.0T及以上的高场强超导型MRI用磁体技术。越高场强MRI系统意味着越高的组织分辨力，诊断也就越准确。图1为低场(0.2T)和高场(3.0T)磁共振在诊断半月板损伤方面的对比图。从图中可以看出，就整体图像质量及对膝关节解剖结构显示来说，两者无明显差异，但对较细微的损伤，高场MRI能够清晰显示。并且，随着MRI的中心磁场增加，如目前10T级别的超高磁场，不
A
B
(A)3.0T磁共振矢状位前交叉韧带信号增高(箭头所示) （B）0.2T磁共振矢状位前交叉韧带信号欠连续（箭头所示）
图1 不同场强下前交叉韧带退变磁共振影像图
仅能检测氢原子的共振，而且能检测碳原子（）、氮原子（）、磷原子（）和氧原子（）的共振，这将实现对很多医学上的疑难杂症进行早期检测和诊断，如从分子水平上实现对癌症早期的葡萄糖代谢异常的发现（避免通过PET或CT诊断对人体造成辐射伤害）和脑萎缩性老年痴呆症与帕金森综合症早期含或等同位素标识的蛋白质异常的发现，并能实现由主导的脑部氧气代谢分析和脑部血流特性等重要附加功能。
随着MRI的高磁场化推进，MRI的小型化、大孔径化和磁场屏蔽俨然成为关键课题研究。目前传统的MRI设备，都存在磁体体积庞大、笨重，使得设备的搬运和装配都成为很大的难题，所以对磁体进行小型化处理是非常必要的。对于孔径问题，目前市面上大部分商用MRI磁体孔径仅600mm，大部分患者的心理相比于正常人更脆弱，故在接收MRI影像诊断时由于腔体空间狭小容易造成患者心慌、恐惧等心理不适。由于MRI的磁场强度高，在不进行磁场屏蔽的情况下，MRI磁体将对外界的金属产生强大的吸力，并且对电子设备会造成影响（如磁场的5高斯线内即可对心脏起搏器造成影响），加入磁场屏蔽线圈即可大大减少磁场5高斯线内区域，降低事故发生率，并且屏蔽线圈也能很好的屏蔽掉外界对MRI磁体的影响，提高MRI磁体的稳定性。出于这三方面考虑，本次毕业设计将以小型化、大孔径化和磁场屏蔽为基础要求，设计出满足商用级别高均匀性的3.0T超导型MRI用线圈磁体。
国内外研究现状
1946年，美国哈佛大学的柏塞尔(Purcell)和斯坦福大学的布洛赫(Bloch)宣布，他们发现了核磁共振NMR。后来，人们发现了该发现可以应用在医疗影像领域，至此，磁共振成像技术开始飞速发展，从早期的永磁0.2T、0.3T、0.5T等，发展到现在的超导0.5T、1.5T、3T、7T、11T等。目前1.5T级MRI设备已经作为临床设备广泛应用了。根据磁共振物理学原理，图像信噪比与频谱分辨力随着磁场强度的增强而增强，为了满足一些重大疾病的影像需要，各国科研人员正在为更高场强的MRI设备研发而努力。截止目前，7T级MRI已经被允许投入医用，西门子也已经推出7T级临床产品且在全球装机量正在迅速发展，更为先进的研究型9.4T人体磁共振成像系统，全球范围内已建和在建的据知已超过4台。另外，国内自行建造的9.4T级人体磁共振成像装置也开始进行调试，它的建立不仅是国内磁场强度最高的超高场磁共振成像装置，在亚洲也是首屈一指。
目前，传统超导型MRI设备普遍采用的是低温超导(LTS)技术，但由于LTS磁体的诸多技术限制，导致高场MRI设备难以实现小型化、大孔径化和保证热稳定性，具体原因主要是1、传统LTS磁体的工程电流密度较低，要实现高场强则必须消耗更多超导材料，故难以实现小型化，大孔径化也成为很大的问题；2、LTS磁体需在4.2K的温度环境下才能维持超导态，对热的敏感性强，高磁场由于需要使用大量超导材料，故容易发生局部常导转变进而导致温度上升使得整个磁体失超，故其热稳定性差。故在本次毕业设计，我们将目光投向了高温超导技术。
近几年来，高温超导技术发展迅速，各式各样基于不同性能要求的复合型超导材料被开发出来。在高温超导磁体领域，美日韩等发达国家做出了许多突出贡献，正在引领全球高温超导磁体的技术趋势。这些贡献就包括了对2代稀土系列（REBCO：RE意为稀土）高温超导（HTS）带材（如图2所示）的一些工程技术开发，如“无绝缘（No-Insulation:NI）带材绕制技术”和“多宽度(Multi-Width:MW)带材绕制技术”。关于NI带材绕制技术，许多国际顶尖学者已经通过各种研究证实该技术在实现高温超导磁体的高工程电流密度与高热稳定性方面的应用可行性。故本次毕业设计将采取该技术为基础，通过利用其高工程电流密度这一特性进行设计3.0T级高温超导磁体，实现磁体的小型化与大孔径化。
图2 2代REBCO高温超导带材
研究方法
本项目将从以下几个课题进行研究开展：
1、3.0T级MRI用高温超导主磁体系统的概念设计及精度优化
在该课题中，我们将通过多物理场分析软件设计出一个能在中心球形区域产生3.0T以上的磁场强度的多层线圈结构，并拟从线圈的用材尺寸、内外径大小、空间位置和电流密度这五方面考虑，设计出满足MRI系统精度要求的主磁体系统。并且我们拟定设计出基于C语言编程的精度优化程序，通过粒子群优化算法，让程序自行选择出满足MRI系统精度要求的线圈结构。
- 中心球形区域磁场精度分析方法
在该问题中，我们拟采用多重级展开的方式，通过MAXWELL软件获得球形区域内的几个场点的磁感应强度，将其导入MATLAB软件进行矩阵运算从而获得整个球形区域内高阶磁场的系数值，以此系数值作为精度分析的依据，通过减少高阶磁场的系数值即可提高磁场的均一性。
- 屏蔽场线圈的设计
在MRI安全使用中有规定其磁场5guass线范围不能超过15米，故我们需要在主磁体外侧加入屏蔽线圈，屏蔽线圈的电流与主磁体的电流方向相反，从而减小5guass线的范围，并且在保证5guass线范围符合安全标准的前提下，尽量减小对中心球形区域磁场精度的影响。
引用文献
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资料编号：[547440]
南 京 理 工 大 学
毕业设计(论文)开题报告
