單邊MRI系統(tǒng)的Halbach型磁體仿真

張衛(wèi)澤 王玉壯 程藝苑

摘 要：磁體是磁共振成像系統(tǒng)的關鍵部件之一，主要用來生成均勻的靜磁場，其均勻性直接影響最終成像質量。永磁型單邊磁體與常規(guī)磁體相比，具有體積小、開放性好等優(yōu)點。本文基于單邊磁共振成像系統(tǒng)中的Halbach型磁體，運用ANSYS軟件建立了模型，計算了幾組不同排列結構的單邊Halbach型磁體的磁場分布情況。

關鍵詞：磁共振成像；Halbach型磁體；有限元分析

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，簡稱MRI）技術具有無侵入性、安全性和靈活性，被廣泛應用于臨床診斷、食品分析、石油測井等諸多領域。[13]在MRI系統(tǒng)之中，體積重量最龐大、造價最高、最關鍵的部件就是磁體，其主要作用是在中心成像區(qū)產生一個均勻的靜磁場，磁場的強度和均勻度將直接影響最終的成像質量。單邊磁體結構與傳統(tǒng)的磁共振成像磁體相比，單邊磁體的成像區(qū)在磁體的外部，具有良好的開放性，[46]可以不受樣品尺寸限制，同時體積小，方便攜帶，成本低，因此被廣泛應用于小型、便攜型磁共振系統(tǒng)中。而單邊磁體多采用Halbach型磁體的直線型，即由一系列的截面為正方行的永磁塊排列組成的陣列磁體，[7]本文基于這種Halbach型直線型磁體進行了一系列的仿真設計與計算。

1 單邊MRI磁體模型

本文建立了一個應用于小型單邊MRI系統(tǒng)的Halbach型直線型磁體模型，主要由六塊截面為30 cm*30 cm的永磁體排列而成，成像區(qū)為大小為距離磁體15cm的邊長為10cm的正方形區(qū)域，建立的坐標系具體如圖1所示。其中，永磁體采用釹鐵硼（NdFeB），型號為N45，其剩磁Br=1.3571 T， 相對磁導率μr=1.0445，磁感矯頑力Hcb=1034.5 KA/m。在上述磁體模型的基礎之上，我們嘗試進行了幾種不同的磁化方向排列組合，運用大型有限元分析軟件ANSYS進行了二維的建模與仿真計算。

2 計算和結果

2.1 排列1

初始狀態(tài)時考慮設置這六塊永磁體的NS磁化方向一樣，即統(tǒng)一朝著X軸的正方向，命名為排列1，具體示意圖如圖2（a）所示，圖中黑色箭頭代表永磁體的NS磁化方向。ANSYS軟件建立模型，進行有限元分析，計算出側邊正方形成像區(qū)的平均磁感應強度為0.1284 T，磁場的均勻度為73102.4 ppm。磁力線和磁場分布情況如圖2所示。從圖3（a）中可以看到磁體的磁力線走向，磁體外部的大部分的磁力線都被分散了，因此成像區(qū)磁場比較弱，磁場的均勻度也比較差。

2.2 排列2

在上述排列1的基礎上，我們對這六塊永磁體的NS磁化方向做了一些改變，其中邊緣的兩塊分別做90°和90°的旋轉，命名為排列2，具體如圖3（a）所示，同樣圖中黑色箭頭代表磁化方向。ANSYS軟件建立模型，進行有限元分析，計算出側邊正方形成像區(qū)的平均磁感應強度為0.2047 T，磁場均勻度為95211.5 ppm。磁力線和磁場分布情況如圖3所示?？梢钥吹叫D某幾塊磁體之后，改變了磁力線的走向，得到的成像區(qū)的磁場強度與排列1相比較強，但是磁場均勻度卻差了一點。

2.3 排列3

我們將這六塊永磁體的NS磁化方向繼續(xù)做了一些改變，其中兩塊做90°的旋轉，兩塊做90°的旋轉，命名為排列3，具體如圖4（a）所示。ANSYS計算出中間正方形成像區(qū)的平均磁感應強度為0.3456 T，磁場均勻度為217384 ppm。磁力線和磁場分布情況如圖4所示?？梢钥吹叫D某幾塊磁體之后，改變了磁力線的走向，構成了一個磁場回路，因此得到的成像區(qū)的磁場強度與排列1和排列2相比較強，但是磁場均勻度卻差了很多。

4 總結與展望

本文基于一個應用于小型單邊MRI系統(tǒng)的Halbach型直線型磁體建立了模型，并運用ANSYS軟件進行了仿真分析，計算了幾組不同磁化排列的磁體模型產生的磁場情況，從結果中可以看出，不同排列的永磁體結構產生的成像區(qū)的磁場強度和磁場均勻度不一樣，通過改變其中幾塊永磁體的磁化方向，會改變整個磁體的磁力線走向，若構成若干磁回路，則會加強磁場在周邊產生的磁場強度。雖然成像區(qū)的磁場強度越高越好，但是磁場的均勻度也是一個非常重要的考慮因素，這三種排列結構的磁體產生的磁場均勻度都不令人滿意，因此在今后的工作中將把磁場均勻度作為一個重要設計目標，繼續(xù)對磁體進行更多的相關優(yōu)化。另外，文中只進行了二維磁體模型的計算，未來將進行三維磁體模型的計算，結果將會更加精確。

參考文獻：

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[7]孫新凱，楊建中，楊義勇，等.應用于單邊核磁共振儀器磁體結構的Halbach磁體仿真分析[J].科學技術與工程，2016.

基金項目： 河南省科技攻關基金項目（182102310610）；河南省高等學校重點科研項目計劃（17A416005）；南陽師范學院博士專項項目（ZX2016011）

*通訊作者： 程藝苑，博士，主要研究方向：醫(yī)療儀器的設計與研發(fā)，圖像處理，人工智能等。