开放式磁性纳米粒子断层成像线型旋转零磁场设计
发布时间：2021-10-26 11:12
磁性纳米粒子成像（MPI）是近年来兴起的一种医学成像方法,具有无电离辐射、毫秒级检测速度、亚毫米级成像精度的优势,其中线型零磁场扫描可实现被测物内部磁性纳米粒子分布的图像,在高精度成像、快速检测及动态监测方面具有重要的研究意义。针对磁性纳米粒子成像存在的系统检测孔径和检测精度问题,该文设计了一种开放式磁性纳米粒子断层线成像方法。开放式的系统结构扩大系统检测孔径,提出磁场线圈的电气驱动完成断层成像中零场线全周旋转,实现系统精准扫描。仿真计算和实验分析结果表明,该文设计的系统结构形成高度为200mm侧面开放的检测孔径,提出的电气驱动旋转零场线的方法形成的旋转角度误差小于0.025 9°,用于扫描的线型零磁场宽度不超过0.95mm,单次扫描时间为3.6ms。因此,该文设计的开放式磁性纳米粒子断层成像系统可以有效扩大检测孔径,同时实现亚毫米级精度成像及毫秒级检测速度。
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
圆形选择场线圈的磁场分布
向的分量。因此，图2b所示的各线圈在y轴上的磁场分布有关系。1,a3,a2,a4,a1,r3,r2,r4,r1,r3,r2,r4,rxxxxyyyyBBBBBBBBBBBB=========（3）由上述关系可知，在y轴上的磁场B的所有分量之和为零。因此，该线圈结构在y轴上产生零场线，该线圈结构为选择场线圈。选择场线圈在x-y平面磁场分布表达式为FFL,FFL,00()00000xzyyzxGxyGz==HxGx（4）式中，x为位置向量；xzzxxzHHGGzx===。图3所示为圆形选择场线圈结构在空间内的磁场分布情况，图3a为x-z平面内的磁场分布，图3b为x-y平面内的磁场分布。由磁场分布结果可知，圆形线圈结构会在y轴方向产生零场线，但x-y平面上磁感应强度沿y方向随着距原点的距离增大而减小，导致零场线方向上磁场梯度非均匀变化，使得线型零磁场内粒子分布的检测精度降低。图3圆形选择场线圈的磁场分布Fig.3Magneticfielddistributionofcircularselectionfieldcoil矩形线圈的边相当于四条直导线，与导线垂直距离相等位置的磁场大小相同，在一定范围内矩形线圈在与之平行的轴上产生的磁场强度不变。因此，本文提出用矩形线圈代替圆形线圈，改进零场线的精度和均匀性，结果如图4所示，图4a为改进后的生成零场线的线圈，图4b为x-y平面（z=0）产生的磁场分布。矩形线圈产生的线型零磁场均匀度优于圆形线圈，设计矩形线圈作为开放式磁性纳米粒子成像系统中的选择场线圈，即Coil-y。
4164电工技术学报2020年10月图4Coil-y生成零场线结果图Fig.4Coil-ygeneratestheresultgraphoffield-freeline2.2断层扫描系统中零场线旋转设计选择场线圈在x-y平面上磁场分布为FFL,yH=FFL,yGx。为获得全周各角度零场线上的磁性纳米粒子检测信号，设计磁场旋转方法如式（5）所示。FFL,FFL,()yGθθθHx=RRx（5）其中cossin0sincos0000θθθθθ=R式中，Rθ为x-y平面上的旋转矩阵；θ为零场线与y轴形成的旋转角度。整理式（5），可得FFL,00cos()00sincossin0xzyzzxzyθGxθGyθGθGzθ=--Hx（6）线型旋转零磁场HFFL,θ可表示为FFL,FFL,FFL,cos()sin()θyxH=θHxθHx（7）式中，HFFL,y(x)和HFFL,x(x)分别为生成沿y轴和x轴方向零场线时x-y面的磁场分布。因此，在x方向加入一组双平面梯度线圈Coil-x，产生沿x轴方向的零场线，对原有沿y轴的零磁场进行拉动。Coil-x与Coil-y相互垂直放置，通过激励电流的控制改变x-y平面的磁场分布，实现零磁场在x-y平面内旋转，开放式磁性粒子断层成像系统的整体结构如图5所示。该结构对磁场的拉动效果如图6所示，图6a和图6b分别为Coil-x和Coil-y单独作用时x-y平面的磁通密度分布，图6c为Coil-x和Coil-y共同作用时x-y平面的磁通密度分布。从结果得出，该结构可实现线型零磁场在x-y平面内电气驱动旋转。图5开放式磁性粒子断层成像系统旋转结构Fig.5Openboremagneticpar
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维电场多极子曲面边界元方法研究[J]. 王泽忠,石雨鑫. 电工技术学报. 2018(24)
[2]有限元法的一种数据结构[J]. 陈德智,姜贺,张哲,潘瑞敏. 电工技术学报. 2015(01)
[3]用坐标变换方法求解倾斜圆环线圈时谐电磁场的解析解[J]. 雷银照. 电工技术学报. 2010(04)
本文编号：3459401
【文章来源】：电工技术学报. 2020,35(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
圆形选择场线圈的磁场分布
向的分量。因此，图2b所示的各线圈在y轴上的磁场分布有关系。1,a3,a2,a4,a1,r3,r2,r4,r1,r3,r2,r4,rxxxxyyyyBBBBBBBBBBBB=========（3）由上述关系可知，在y轴上的磁场B的所有分量之和为零。因此，该线圈结构在y轴上产生零场线，该线圈结构为选择场线圈。选择场线圈在x-y平面磁场分布表达式为FFL,FFL,00()00000xzyyzxGxyGz==HxGx（4）式中，x为位置向量；xzzxxzHHGGzx===。图3所示为圆形选择场线圈结构在空间内的磁场分布情况，图3a为x-z平面内的磁场分布，图3b为x-y平面内的磁场分布。由磁场分布结果可知，圆形线圈结构会在y轴方向产生零场线，但x-y平面上磁感应强度沿y方向随着距原点的距离增大而减小，导致零场线方向上磁场梯度非均匀变化，使得线型零磁场内粒子分布的检测精度降低。图3圆形选择场线圈的磁场分布Fig.3Magneticfielddistributionofcircularselectionfieldcoil矩形线圈的边相当于四条直导线，与导线垂直距离相等位置的磁场大小相同，在一定范围内矩形线圈在与之平行的轴上产生的磁场强度不变。因此，本文提出用矩形线圈代替圆形线圈，改进零场线的精度和均匀性，结果如图4所示，图4a为改进后的生成零场线的线圈，图4b为x-y平面（z=0）产生的磁场分布。矩形线圈产生的线型零磁场均匀度优于圆形线圈，设计矩形线圈作为开放式磁性纳米粒子成像系统中的选择场线圈，即Coil-y。
4164电工技术学报2020年10月图4Coil-y生成零场线结果图Fig.4Coil-ygeneratestheresultgraphoffield-freeline2.2断层扫描系统中零场线旋转设计选择场线圈在x-y平面上磁场分布为FFL,yH=FFL,yGx。为获得全周各角度零场线上的磁性纳米粒子检测信号，设计磁场旋转方法如式（5）所示。FFL,FFL,()yGθθθHx=RRx（5）其中cossin0sincos0000θθθθθ=R式中，Rθ为x-y平面上的旋转矩阵；θ为零场线与y轴形成的旋转角度。整理式（5），可得FFL,00cos()00sincossin0xzyzzxzyθGxθGyθGθGzθ=--Hx（6）线型旋转零磁场HFFL,θ可表示为FFL,FFL,FFL,cos()sin()θyxH=θHxθHx（7）式中，HFFL,y(x)和HFFL,x(x)分别为生成沿y轴和x轴方向零场线时x-y面的磁场分布。因此，在x方向加入一组双平面梯度线圈Coil-x，产生沿x轴方向的零场线，对原有沿y轴的零磁场进行拉动。Coil-x与Coil-y相互垂直放置，通过激励电流的控制改变x-y平面的磁场分布，实现零磁场在x-y平面内旋转，开放式磁性粒子断层成像系统的整体结构如图5所示。该结构对磁场的拉动效果如图6所示，图6a和图6b分别为Coil-x和Coil-y单独作用时x-y平面的磁通密度分布，图6c为Coil-x和Coil-y共同作用时x-y平面的磁通密度分布。从结果得出，该结构可实现线型零磁场在x-y平面内电气驱动旋转。图5开放式磁性粒子断层成像系统旋转结构Fig.5Openboremagneticpar
【参考文献】：
期刊论文
[1]三维电场多极子曲面边界元方法研究[J]. 王泽忠,石雨鑫. 电工技术学报. 2018(24)
[2]有限元法的一种数据结构[J]. 陈德智,姜贺,张哲,潘瑞敏. 电工技术学报. 2015(01)
[3]用坐标变换方法求解倾斜圆环线圈时谐电磁场的解析解[J]. 雷银照. 电工技术学报. 2010(04)
本文编号：3459401
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