磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究

doi:39C5D65CCD9351AB77896DBDCD3711ED

	磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究
	任浩
学位类型	硕士
导师	唐杰 ; 刘震宇
	2019-06-01
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)
关键词	磁共振成像梯度线圈不可展曲面法向量流函数拓扑优化支撑结构多负载情况
摘要	核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)作为一种医疗影像诊断方法已经在近年来得到了越来越广泛的应用。梯度线圈是核磁共振系统的一个重要组成部分,它可以产生一个梯度磁场来对被检测物体进行空间编码。梯度线圈产生的梯度磁场的线性度对MRI系统的成像分辨率有很大影响。此外,当梯度线圈的电流承载面与被检测物体间距离减少时,成像的有效范围与梯度线圈的线圈效率可以得到提高。大多数现存的梯度线圈采用圆柱面作为电流承载面。梯度线圈的电流承载面与被检测物体之间的距离越小,线圈的效率提升越明显。一种更加贴近于人体躯干形状的以椭圆柱面为电流承载面的梯度线圈也已经被提出。这些梯度线圈的电流承载面都是可展曲面。为了适应更多的实际需求,如专用于人体头部的MRI系统,将电流承载面由可展面扩展到不可展面是很有必要的。梯度线圈的设计大多是基于有限元离散的方法,在计算中会多次涉及到电流承载面上的法向量,所以法向量的正确表达对计算结果的准确性有十分重要的影响。在以往的梯度线圈设计优化中,为了避免离散后曲面法向量若不能准确表达而影响计算结果的问题,通常采用可展曲面(柱面或平面)作为电流承载曲面,并且在设计时将可展曲面展开为平面进行计算。对于在不规则的不可展曲面,其法向量如何准确表达是梯度线圈在不可展面上设计的难点。近年来,经过数学证明,曲面的Delaunay三角剖分可以使离散后的单元法向量收敛于原始光滑曲面的法向量。根据此结论,本文将可展曲面的梯度线圈设计优化方法扩展到不可展曲面,并且在一定程度上保证了数值结果和近似误差的收敛。本文主要介绍不可展曲面梯度线圈设计的流函数方法以及变密度拓扑优化方法,对于在曲面上使用流函数方法以及有限元方法计算求解静电场除边界条件外的拉普拉斯偏微分方程,将引入切向梯度算子来计算离散曲面上标量函数的梯度以及偏导数,最终问题归结为曲面法向量的计算。使用测地Delaunay三角剖分来对电流承载曲面进行离散可以保证离散曲面的法向量收敛到原始光滑曲面。通过计算流函数或用有限元方法求解曲面静电拉普拉斯方程来得到曲面电流或电势的分布,然后使用基于电流承载曲面的毕奥—萨法尔(Biot-Savart)公式,计算空间的磁场分布。由此,变密度拓扑优化的方法也可以被用于设计不可展开表面上的梯度线圈的分布。此外,在MRI系统工作时,通电的梯度线圈在MRI系统的匀强磁场中会受到洛伦兹力的作用,通过梯度线圈的脉冲电流,产生的洛伦兹力会导致线圈的变形和振动。所以对梯度线圈的支撑结构进行优化以提升梯度线圈在实际工作状态下的位置精度和稳定性对于成像精度有较为重要的作用。本文还针对流函数方法设计的圆柱型梯度线圈的支撑结构,通过提高其刚度来降低洛伦兹力对梯度线圈精度的影响。本文基于密度法的多负载条件下变密度拓扑优化方法,对x,y,z三个方向的梯度线圈支撑结构进行多负载条件下力学结构优化设计。
页数	92
DOI	39C5D65CCD9351AB77896DBDCD3711ED
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63939
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	任浩. 磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究[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),2019.

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磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究.（4262KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文