磁共振系统梯度线圈不可展面设计方法研究

发布时间：2023-04-05 03:37

　　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...

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 核磁共振成像(MRI)
        1.1.1 发展历史
        1.1.2 基本原理
        1.1.3 MRI系统的组成结构
    1.2 梯度线圈
        1.2.1 主要设计要求
        1.2.2 主要设计方法
        1.2.3 流函数方法
        1.2.4 变密度拓扑优化方法
    1.3 本文研究内容与意义
    1.4 本文组织框架
第2章 理论基础
    2.1 电磁场理论
        2.1.1 麦克斯韦方程组
        2.1.2 静电场方程
        2.1.3 毕奥——萨法尔定律
    2.2 梯度线圈设计的物理模型
    2.3 有限元方法
    2.4 流函数方法
    2.5 变密度拓扑优化方法
    2.6 本章小结
第3章 曲面网格划分
    3.1 曲面法向量
    3.2 曲面网格逼近理论
        3.2.1 曲面的不变量
        3.2.2 离散曲面逼近理论
    3.3 曲面三角剖分方法
        3.3.1 Delaunay三角剖分
        3.3.2 Fast Marching方法
        3.3.3 Farthest Point Sampling方法
    3.4 本章小结
第4章 不可展曲面的流函数方法
    4.1 基本物理量的计算
    4.2 流函数的求解
        4.2.1 流函数的分片离散
        4.2.2 目标函数
        4.2.3 敏度分析
        4.2.4 流函数的求解
    4.3 流函数算例
    4.4 本章小结
第5章 变密度拓扑优化方法
    5.1 静电场的优化
        5.1.1 曲面静电场
        5.1.2 有限元模型
        5.1.3 优化目标函数
        5.1.4 优化模型
        5.1.5 敏度分析
        5.1.6 优化求解
    5.2 优化算例
        5.2.1 准确性验证
        5.2.2 球面算例
    5.3 本章小结
第6章 梯度线圈支撑结构的优化设计
    6.1 理论与方法
        6.1.1 圆柱面梯度线圈电流密度
        6.1.2 梯度线圈的洛伦兹力
    6.2 基于密度法的多负载拓扑优化
    6.3 优化结果
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 主要工作总结
    7.2 创新成果
    7.3 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的论文与研究成果



本文编号：3782650