磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究

CIOMP OpenIR

	磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究
	潘辉
学位类型	博士
导师	刘震宇
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	磁共振成像梯度线圈拓扑优化可展面有限单元法密度法流函数
摘要	磁共振成像作为一种非介入式影像技术,能够反应物体内部的层次结构。在过去的几十年,磁共振成像技术已被广泛用于医学诊断、生物研究和材料研究等领域。近年来,磁共振成像技术已被应用于空间分辨率小于100微米的成像领域,通常称之为磁共振显微成像,是磁共振成像发展的趋势之一。对于微尺度磁共振成像存在的主要挑战在于:一方面,在微尺度磁共振成像时,需要在微小的目标区域内具有较高的分辨率;另一方面,在使用质量或体积较小的样本进行成像时,成像信噪比会大幅度降低。根据磁共振成像原理,成像信噪比主要受限于磁共振系统射频线圈的性能以及主磁场强度;成像分辨率受限于梯度线圈产生的梯度磁场的大小。采用尺寸与成像样本相接近的线圈成像有利于同时提高磁共振成像系统的分辨率与信噪比。因此,磁共振系统各线圈小型化成为当前的热点研究内容之一。本文将致力于磁共振成像可展梯度线圈的设计研究。磁共振系统梯度线圈设计是一个多目标优化问题,在设计时需要综合考虑能耗、磁场能、线性度等设计、成像要求。这些设计要求通常难以同时获得最优解,因此在设计梯度线圈时需要权衡线圈各方面的设计需求。本文基于柱面可展性和流函数设计方法,结合Pareto优化方法实现了梯度线圈的多目标优化设计。分别分析了磁场能、能耗目标对梯度线圈线性度、线圈构型的影响在Pareto解空间中分析各目标的相互变化关系,通过数值算例验证了该方法在梯度线圈设计时的有效性与灵活性。优化结果显示,在满足线性度误差小于5%,能耗与磁场能分别小于用户设定值的设计约束下,梯度线圈的多目标设计存在多个局部优化解。Pareto解空间可以直观地比较相同目标函数值的情况下,各单目标的具体表现,有利于实现不同设计要求下梯度线圈的定型设计。虽然流函数等传统梯度线圈设计方法在工程中已被广泛使用,但仍存在一定的局限性。首先,这些方法得到的电流密度分布需要通过多匝线圈来近似,当匝数较少时近似误差较大,而当匝数较多时对于微尺度梯度线圈而言加工较困难。其次,必须引入回绕线圈来保证所有导线中具有相同的电流。而回绕线圈中的回绕电流会产生与目标磁场方向相反的磁场,在降低了梯度线圈的效率和空间利用率的同时,并增加了线圈的电感。因此,本文中提出了一种通过以材料分布为设计变量的梯度线圈拓扑优化设计方法。该方法与传统方法相比避免了离散近似过程中带来的误差,提高了优化的准确性;同时,通过采用电压驱动方式设计避免了引入回绕线圈,在很大程度上简化了线圈构型。通过Z向与Y向梯度线圈的设计验证了该方法的可行性与准确性,大量算例分析了优化模型及设计参数的选取对最终线圈构型的影响,以及以电阻、电压等线圈性能为辅助目标时对优化过程及结果的影响。虽然该方法仍处于初始发展阶段,但优化结果表明该方法已突破了传统设计方法对线圈线型的限制,为梯度线圈性能的提升提供了更多的可能性。在理想的拓扑设计中,优化结果可以直接通过特定的加工工艺进行制造。为了满足制造要求,可直接在优化过程中的考虑结构的制造特性,如实现结构的尺寸控制,从而确保最终结果满足可制造性。本文基于膨胀、侵蚀等形态算子提出了一种新的结构尺寸控制方法,并通过力学拉伸结构与悬臂梁结构的优化设计验证了该方法的有效性。在梯度线圈设计中,没有额外尺寸约束的情况下,梯度线圈优化结果是单根宽导带的形式;在体积分数较大时,会导致线圈间会产生较大的涡流影响磁场线性度。为避免出现这种情况,文中将尺寸控制方法应用在梯度线圈的设计中,得到了由多根细导线构成的拓扑构型。设计结果表明该方法可以很好的控制线圈的特征尺寸。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61563
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	潘辉. 磁共振系统可展梯度线圈拓扑构型设计方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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