永磁型开放式核磁共振中高性能梯度场系统的设计和研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 1.9MB 57 页 15积分

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摘要

永磁型核磁共振由于造价低，应用广泛，在中国得到迅速的发展，已经被广泛应用

到各种领域。本文研究的永磁型开放式核磁共振设备中高性能梯度线圈，是为了提高永

磁型核磁共振梯度场的性能，使其能应用于高端功能成像，能和超导核磁共振竞争市场。

本文从核磁共振的硬件结构方面描述了整个 MRI 系统是由哪几个子系统组成的。

并说明了各个子系统在梯度场中的重要性，同时具体说明了子系统参数对 MRI 系统的

影响。其中，详细描述了梯度线圈的几个参数，为下文提及的提高这几个参数的方法做

了铺垫。总结了梯度线圈的设计方法，并在这些方法的基础上，提出了一种新型的双平

面目标场法，并加入了梯度电感这个约束条件。使用这种方法，可以在一定程度上减小

梯度线圈的电感值，让梯度线圈拥有良好的梯度切换率，减小线圈的能量值。但是这种

方法在采用大矩阵进行运算时，所消耗的时间是巨大的。本文又提出了使用 CUDA 加

速算法来减小这种目标场法所消耗的时间，使用 CUDA 加速后，发现运算相同规模的

算法，所使用的时间已经大大的减小了。

再者，根据我们梯度线圈设计的要求，设计了一个具体的梯度线圈，在这个过程中，

我们通过 MATLAB 获得了梯度线圈闭环绕线模式，再通过 Ansoft 软件来获得最终的梯

度线圈的绕线模式。利用 MATLAB 中获得的数据，计算了梯度线圈的理论参数性能，

验证了采用这种方法设计的梯度线圈的性能。

最后，对工作做了总结，本文对研究梯度线圈性能改良和算法加速都有很重要的参

考价值。

关键词：核磁共振梯度线圈目标场法 CUDA 流函数

ABSTRACT

Permanent magnet-type NMR develops rapidly in china and has been widely applied to

various fields as its low cost and wide applications. The high performance gradient coil of

Permanent magnet -type open NMR equipment written in this paper is to improve the

performance of gradient field of the Permanent magnet-type NMR, and make the NMR apply

to the high-end function imaging and compete market with superconducting NMR.

This paper describes which subsystems are composed of the entire NMR system from

the hardware structure of the NMR .And it describes the importance of the various

subsystems for the gradient field, the influence of the subsystem parameters on NMR was

specified. And it specifies several parameters of the gradient field, thus paving the way for the

methods of improving the several parameters in the following contents. It summaries the

design methods of gradient field in history, and it proposes a new type of dual-plane target

field method on the base of the design methods, and adds the gradient inductance constraint.

Using these methods, can reduce the inductance of the gradient coil to a certain extent, and it

can make the gradient coil have a good gradient switching rate, thus can reduce the energy

value of coil. However, it takes our enormous time when we use these methods to operate a

large matrix, so we propose CUDA accelerative algorithm to reduce the target field

consumptive time in this paper, after using CUDA accelerative algorithm, we found the time

has been greatly reduced when we operate the same matrix, and it provides a quick

verification for target field method, so that we should not spend a lot of time on waiting the

results.

In addition, according to the design requirements of gradient coil, we design a specific

gradient coil, we get closed loop winding mode of gradient coil through MATLAB during the

process, and then we get the final winding mode of gradient coil through Ansoft software. We

calculate the theoretical parameters property of gradient coil by using the data from MATLAB,

and verified the performance of the gradient coil by using the design methods.

Finally, I summarized for my work，this paper plays an important reference value for

studying the improvement of gradient coil and algorithm acceleration.

Key Word: Nuclear Magnetic Resonance, Gradient coil, Target field

method, CUDA， Stream function method

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................................................................................... 1

§1.1 此课题的背景和意义 .................................................................................................... 1

§1.2 国内外技术现状与发展趋势 ........................................................................................ 1

§1.3 此课题主要研究内容 .................................................................................................... 2

第二章 MRI 系统概述 .......................................................................................................... 4

§2.1 MRI 系统的基本结构 .................................................................................................... 4

§2.2 主磁体系统 .................................................................................................................... 5

§2.2.1 主磁场强度 .............................................................................................................. 6

§2.2.2 磁场均匀性 .............................................................................................................. 6

§2.2.3 磁场稳定性 .............................................................................................................. 6

§2.2.4 孔腔大小 .................................................................................................................. 7

§2.3 梯度场系统 .................................................................................................................... 7

§2.3.1 梯度强度和梯度切换率 .......................................................................................... 8

§2.3.2 梯度线性度 .............................................................................................................. 9

§2.3.3 涡流的影响 .............................................................................................................. 9

§2.3.4 梯度线圈 ................................................................................................................ 11

§2.3.5 梯度场的电源 ........................................................................................................ 11

§2.4 射频场系统 .................................................................................................................. 12

§2.4.1 射频系统的架构图 ................................................................................................ 12

§2.4.2 发射单元 ................................................................................................................ 13

§2.4.3 射频功率放大器(射频 PA) ................................................................................... 13

§2.4.4 接收单元 ................................................................................................................ 14

§2.4.5 线圈或谐振器 ........................................................................................................ 15

§2.5 谱仪系统和计算机系统 .............................................................................................. 15

本章小结 ........................................................................................................................... 18

第三章梯度线圈的设计方法研究与改进 ........................................................................ 19

§3.1 分离导线法 .................................................................................................................. 19

§3.2 分布电流密度法 .......................................................................................................... 20

§3.2.1 矩阵求逆法 ............................................................................................................ 20

§3.2.2 流函数法 ................................................................................................................ 21

§3.2.3 目标场法 ................................................................................................................ 22

§3.3 梯度线圈新型的目标场法 .......................................................................................... 24

§3.3.1 双平面梯度线圈的新型目标场法 ........................................................................ 24

§3.3.2 双平面自屏蔽梯度线圈的新型目标场法 ............................................................ 28

本章小结 .............................................................................................................................. 30

第四章基于 GPU 加速运算的目标场法 .......................................................................... 31

§4.1 GPU 介绍 ..................................................................................................................... 31

§4.2 CUDA 介绍 .................................................................................................................. 33

§4.3 目标场法的并行结构 .................................................................................................. 35

§4.4 采用此方法的结果 ...................................................................................................... 36

§4.4.1 测试平台的选择 .................................................................................................... 36

§4.4.2 测试结果 ................................................................................................................ 37

§4.4.3 分析结果 ................................................................................................................ 37

本章小结 .............................................................................................................................. 38

第五章双平面梯度线圈的设计实例 ................................................................................ 39

§5.1 双平面梯度线圈设计流程 .......................................................................................... 39

§5.2 设计实例 ...................................................................................................................... 40

§5.3 梯度线圈的最终绕线模式 .......................................................................................... 43

第六章成果与展望 ............................................................................................................ 46

§6.1 成果 .............................................................................................................................. 46

§6.2 展望 .............................................................................................................................. 46

第七章附录 ........................................................................................................................ 47

参考文献 .................................................................................................................................. 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................................................... 54

致谢 ........................................................................................................................................ 55

第一章绪论

§1.1 此课题的背景和意义

核磁共振成像系统[3]（MRI）随着时代的发展，其技术水平和临床应用能力越来越

高。由于 MRI 能敏感的检测出软组织中水含量的多少，能显示功能和新陈代谢过程等

生理生化信息的变化，它使机体组织从单纯的解剖显像发展为解剖学与组织生化和物理

学特性变化相结合的“化学性图像”，为一些早期病变提供了诊断依据。同时，MRI 能直

接显示人体各个器官的任意切面图，可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面

的体层图像。此外，MRI 的软组织分辨能力强大，不用造影剂都可以得到很好的软组织

对比度，而且还避免了造影剂所引起的过敏反应。在西方国家，磁共振的检查因其与

CT 检查相比无辐射伤害、成像效果好等优势所以成为常规检查和早期肿瘤普查的首选

手段。在国内，所有的三甲医院都配备了 MRI，越来越多的三乙医院和二级医院都拥有

了MRI，核磁共振越来越显示出其在临床应用上的优越性。

核磁共振技术主要朝两个方向发展，一种是高场强的超导核磁共振，主要集中在

1.5T 以上。这些核磁共振主要用在大型医疗和一些医学科研场所。另外一种是低场强的

核磁共振[2]，这是当前核磁共振发展的主流，广大医疗机构、中小型医院购机的首选。

我国由于起步较晚，国内的医疗企业生产的核磁共振大部分是以低场永磁型核磁共振为

主，国外进口的核磁共振是以高场超导型核磁共振为主。永磁型核磁共振成像设备是国

家发改委重点支持发展的高新产业设备，国家正大力发展用永磁型核磁共振[3]，经过多

年以来的发展，我国的低场永磁型核磁共振设备基本上代表了永磁型核磁共振的世界水

平。我国低场永磁核磁共振由于性价比高，运行费用低，中低端市场定位准确,迅速占领

了市场的半壁江山。但国外高场超导磁共振由于在医学应用领域不断拓展，价格则持续

走低，对国产永磁设备的发展造成了严峻挑战。我国的永磁设备要保持较强的竞争力，

必须拓展临床应用领域，尤其是一些高端应用(如心脏快速成像，弥散成像，灌注成像，

血流成像等)，才能提高永磁设备的竞争力，和国外超导核磁共振一争市场，而拓展这

些高端应用领域对于硬件方面提出了更高要求，研制具有高性能的梯度线圈是永磁设备

实现高端应用所必须满足的关键硬件瓶颈之一，因此研究此课题是具有非常大的意义的。

§1.2 国内外技术现状与发展趋势

在过去三十年中，梯度线圈的设计方法在不停的发展中。Bangert 和Mansfield[1]最

先设计出了一种高性能、低电感的梯度线圈。最重要的是，他们提出了梯度线圈制作的

永磁型开放式核磁共振中高性能梯度场系统的设计和研究

基本思路。例如，四个被正确定位的电线可以组成一个最基本的梯度线圈，当然，在现

实中，四根电线只能做一个低质量的线圈。

Turner[33]总结了设计梯度线圈的一般方法，比如，矩阵求逆法[3]，流函数法[6]，目标

场法[16]，同时提出了一些计算机辅助分析方法。在梯度线圈发展过程中，目标场法得到

了广泛的发展。这是由于设计者能通过计算机方便得到了梯度线圈的绕线模型。例如，

Turner 能预设圆柱形表面的磁场大小，通过计算圆柱形电流密度分布函数来得到梯度线

圈绕线。

另外，Turner 的研究表明线圈电感在梯度线圈中有着巨大的影响，他提出了最小化

梯度电感，从而来减小梯度线圈的磁场能量来减小涡流对梯度线圈的影响。

Liu[27]提出了双平面梯度线圈的设计和发展，并指出梯度电感的能量分布以及在电

感总值中所占据的比例。通过傅里叶变化后，Liu 能决定傅里叶各个系数的最佳值，从

而来获得最小的磁场能量，在灵敏区内获得想要的磁场分布。

Green[31]提出了和 Liu 类似的理论来设计单平面梯度线圈。他最小化了线圈的功耗，

电感，在灵敏区内获得了期望的磁场分布。Green 把电流密度函数做傅里叶变化后，成

功得到了线圈功耗的系数最小值。

Cho 和Yi[32]是最早提出表面梯度线圈的概念，一个完整的梯度线圈是由三个表面

梯度线圈(

x y z

G G G

)布线而成，每个表面梯度线圈都是相互对称的。这样提供了一个直

观的理念来说明线圈是如何出现的和磁场是如何产生的。这也是现今的主流设计方法。

Shi 使用了大量的优化技术来制作改良的三组布线线圈，这三组线圈的数据也论证

了磁场的变化是均匀的。

在作者所读的参考文献中，国外对梯度线圈的设计和改良方法提出了很多理念，国

内的起步较晚，对梯度线圈的研究整体上滞后于国外，所以，梯度线圈的发展主流基本

上是跟着国外的发展走的。国内的梯度线圈的设计，主要还是用主流的目标场法进行设

计，特别是在永磁型核磁共振的梯度线圈设计中，还没有考虑最小化电感来设计梯度线

圈。

§1.3 此课题主要研究内容

梯度线圈需要在灵敏区内产生期望的磁场大小，设计实质是一个电磁场逆问题。根

据已知的磁场分布，设计出合适的梯度线圈绕线模式来产生这个期望的磁场值。通过分

析现在已有的梯度线圈的设计方法，分析各种设计方法的原理以及其适用范围。本课题

的研究工作主要在于提出一种新型的目标场法来设计双平面梯度线圈。

本文的主要工作包括为：

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摘要：

摘要永磁型核磁共振由于造价低，应用广泛，在中国得到迅速的发展，已经被广泛应用到各种领域。本文研究的永磁型开放式核磁共振设备中高性能梯度线圈，是为了提高永磁型核磁共振梯度场的性能，使其能应用于高端功能成像，能和超导核磁共振竞争市场。本文从核磁共振的硬件结构方面描述了整个MRI系统是由哪几个子系统组成的。并说明了各个子系统在梯度场中的重要性，同时具体说明了子系统参数对MRI系统的影响。其中，详细描述了梯度线圈的几个参数，为下文提及的提高这几个参数的方法做了铺垫。总结了梯度线圈的设计方法，并在这些方法的基础上，提出了一种新型的双平面目标场法，并加入了梯度电感这个约束条件。使用这种方法，可以在一定程度...

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