1.5 T關節磁共振成像超導磁體的設計、制作與測試?

杜曉紀 王為民 蘭賢輝 李超

1)(中國科學院應用超導重點實驗室,北京 100190)2)(中國科學院電工研究所,北京 100190)3)(北京大學信息科學技術學院,北京 100871)4)(西安聚能超導磁體科技有限公司,西安 710018)

(2017年7月19日收到;2017年8月31日收到修改稿)

1 引 言

醫用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)在醫學臨床上的應用為醫學影像學帶來了一場革命,現已經成為最先進的醫學影像設備之一,在臨床領域具有廣闊的應用前景[1].相對其他常規影像設備(如CT,X射線等),MRI設備具有更多獨到的優勢,如無創傷檢測、多種圖像類型、高組織分辨力、任意方位斷層成像、介入治療的重要輔助工具等[2].

現階段國內各大醫院所使用的MRI系統主要為全身通用型系統.對于耗時較長、技術復雜的專科領域成像,占用通用機器的時間太長,達不到更精準的診斷效果,因此需要采用專科MRI系統.醫用核磁共振(NMR)成像將朝著成像質量更清晰、功能更強大、效率更高、個體化更強的趨勢發展,給予患者更精準的治療指導[2,3].越來越多的研究機構和磁共振系統廠家開始研究專科型MRI系統[4?6].

與全身MRI設備相比,關節成像專用MRI設備具有體積小、重量輕、成本低、病人舒適度高、成像質量高、功能更強等優點.在實際應用中關節專用超導MRI系統需要長度方向上被嚴格限制的超導磁體在直徑為160 mm的球域內產生高均勻度的磁場,很多研究把MRI超導磁體的優化設計歸為非線性優化問題[7?10],這些方法的優點為簡單直接,但需要預先確定超導線圈的個數和電流方向,這樣便不能確保得到全局最優解.本文綜合考慮了超導線用量、中心磁感應強度和成像區磁場不均勻度等因素,使用0-1規劃和遺傳算法相結合的方法設計了一種非屏蔽型1.5 T關節MRI超導磁體[11],該磁體的室溫孔徑為280 mm,總長度為520 mm,液氦量為30 L,載流區最大磁場為5.48 T,5高斯線范圍為徑向3.2 m、軸向2.6 m,160 mm直徑球域(diameter sphere volume,DSV)的磁場不均勻度設計值為22 ppm,考慮加工誤差及冷縮因素,磁體加工完成并經過被動勻場后的預估值為60 ppm.經過繞制、固化、組裝、焊接等工序,該磁體已制作完成,并對其進行勵磁鍛煉和被動勻場工作,經測試各項指標均達到設計目標.

2 磁體設計

2.1 超導帶材和磁體參數

采用西部超導公司生產的NbTi超導帶材,其銅超比為1.3,裸帶橫截面尺寸為0.75 mm×1.20 mm,加絕緣層后的尺寸為0.83 mm×1.28 mm,溫度在4.2 K、外場在5 T條件下的臨界電流為935 A.

考慮成像空間和病人舒適度,定超導磁體的總長度為520 mm,杜瓦內直徑為280 mm,杜瓦外直徑為630 mm.考慮磁體骨架、液氦杜瓦、冷屏、多層絕熱、拉桿、室溫杜瓦等部分所占空間,線圈在軸向上每端預留出50 mm,在徑向內壁方向預留出40 mm,得到線圈的布線區總長度需小于420 mm,線圈的內直徑需大于360 mm.線圈每層加玻璃絲布的厚度為0.08 mm,匝間預留0.02 mm,運行電流設定在400 A左右.

由于線圈的布線長度被限制,為提高成像區的磁場均勻度,采用單層非屏蔽結構,經分析該磁體的5高斯線范圍在徑向上可控制在3.5 m以內,在軸向上可控制在2.6 m以內,均小于現有全身型磁共振系統的5高斯線范圍.

2.2 優化設計方法

采用0-1規劃算法和遺傳算法相結合的方法對1.5 T關節MRI超導磁體進行優化設計.0-1規劃是一種特殊形式的整數規劃.這種規劃的決策變量僅取值0或1,故稱為0-1變量或二進制變量.

根據上述的磁體尺寸約束,得到超導線圈的可行載流區,根據所選超導帶材的尺寸,把可行載流區進行如圖1所示的網格化.考慮到該磁體的用線量較少,可以使用同一根線繞多個線圈,除兩端的兩個線圈選擇偶數匝外,中間的線圈都選擇奇數匝,所以在網格劃分時使網格的幾何尺寸等于所選帶材尺寸.對網格取整并相應調整可行載流區的邊界后,得到主線圈可行載流區的網格數N.各網格中心位置的空間坐標(ri,zi),運行電流為Ii.

圖1 超導磁體載流區的網格剖分Fig.1.Grid subdivision in current carrying region of superconducting magnet.

每個矩形網格可以等效為位于矩形網格中心位置的電流環,坐標(rj,zj)處的磁場z向分量可根據下式得到

函數K(k)和E(k)分別為k的第一類和第二類完全橢圓積分.因子ei=0,1,當ei=0時該矩形網格為虛,即對磁場無貢獻;當ei=1時該矩形網格為實,對磁場有貢獻.

整個磁體的用線量L可由下式計算:

以用線量最少為優化目標,中心場強度、磁場不均勻度為約束條件,利用0-1規劃算法對可行載流區進行規劃,即可得到初步的電流分布.一般初次優化得到的電流分布為分離且不規則的形狀.因為繞制線圈時,每個線圈的橫截面為矩形,這時可以把可行載流區按照初次結果進行分離再次優化,最后再根據得到的每個分離線圈的位置和總匝數結合遺傳優化算法對超導磁體進行最后的優化.

2.3 優化結果

綜合考慮超導帶材用量、載流區最大磁場、中心場、成像區磁場不均勻度等因素,利用上述方法,對本工作中的1.5 T關節MRI超導磁體進行了優化設計.

為限制線圈電流區的磁場和電磁力,設置線圈的最大厚度為40 mm,圖2為使用0-1規劃算法對超導磁體優化設計的結果,其中藍色點表示該處有超導線,白色表示該處沒有超導線.圖2(a)為整個可行載流區都只能通以正向電流得到的初步優化結果,160 mm DSV內的磁場不均勻度為23.1 ppm.從圖2(a)可以看到右邊兩個線圈之間留有較大的空白區域,可以在這個區域內增加一個反向電流線圈.圖2(b)為分離載流區并增加反向線圈后的優化結果,160 mm DSV內的磁場不均勻度達到8.2 ppm.結果表明,增加一個反向線圈后提高了成像區的磁場均勻度.

從圖2還可以看出,利用0-1規劃算法對超導線圈優化的結果并不是標準的矩形截面,且在藍色區域內部仍然存在一些空白點,在實際制作中將難以實現.為了得到標準的矩形截面,把上述結果中每個線圈的層數、匝數、位置等信息代入到遺傳算法中,再次對超導磁體進行優化,得到最終的優化結果.超導磁體中各線圈的排列方式如圖3所示,共包含有4對(8個)超導線圈,其中第3對超導線圈和其他線圈的電流方向相反.

各線圈的具體參數列于表1.

圖2 利用0-1規劃算法對超導磁體的優化設計 (a)整體為同向電流的優化結果;(b)分離載流區并增加反向電流線圈后的優化結果Fig.2.Optimization of superconducting magnet using 0-1 integer programming:(a)Optimal results considering whole current carrying region with same current;(b)optimal results with separating and opposite current carrying region.

圖3 超導磁體結構示意圖Fig.3.Layout of the optimized superconducting magnet.

表1 優化后的各線圈具體參數Table 1.Detailed speci fi cations of optimized coils.

該磁體超導帶材總長度為5673.6 m,運行電流Iop=402.09 A,載流區最大場Bmax=5.48 T,安全系數為0.7944,儲能總量為146.27 kJ,電感量L=1.81 H.在160 mm的成像區內的磁場不均勻度的峰峰值為22 ppm,120 mm球內的峰峰值為3.67 ppm.超導磁體的5高斯線范圍為軸向3.2 m,徑向2.6 m.

3 磁體制作

本文中的磁體由西安聚能超導磁體科技有限公司制作完成.

3.1 線圈繞制

超導磁體線圈的精密繞制技術是磁場本身的均勻性可靠保證之一,也一直是磁體制造的難點,需要保證整個繞制過程中線材的張力保持恒定,同時必須保證排線的均勻.

采用316L作為骨架材料,根據磁體設計參數,采用高精度數控機床加工制造磁體骨架.線圈的繞制速度、排線均勻性及層匝數等繞制工藝會直接影響超導線圈的性能.繞線機以恒力自動進行繞線,同時采用設備自動加人為干涉手段來控制繞制質量,最終使得線圈繞制達到預期設計,繞制完成后的超導線圈如圖4所示.

3.2 磁體組裝

磁體的組裝技術和配套工裝直接影響磁場中心和機械中心重合精度和磁場均勻區位置等.本文通過特制的組裝工裝,有效地將磁體按照要求的機械精度、磁場精度進行組裝.制作完成后的超導磁體如圖5所示.

圖5 制作完成后的超導磁體Fig.5.Manufactured superconducting magnet.

4 磁體測試

4.1 勵磁鍛煉

對制作完成的超導磁體進行了4次勵磁鍛煉,四次鍛煉的失超電流分別為270.1,300.3,380.2和390.4 A(圖6),第五次勵磁達到設計電流402.2 A并閉環成功,此時的中心場B0=1.5065 T.在1.5 W二級Gifford-McMahon(GM)制冷機的冷卻下可以保持液氦零揮發.

圖6 超導磁體勵磁鍛煉過程Fig.6.Training history of superconducting magnet.

4.2 被動勻場

由于加工誤差、繞制誤差、熱脹冷縮等因素,制作完成的裸磁體的成像區磁場不均勻度比較大,使用NMR測磁儀測量了裸磁體在中心區域160 mm球面上的磁場分布(圖7,圖內每條曲線對應于160 mm球面上的一條弧線(有24個點)),其不均勻度的峰峰值為1335.69 ppm.

圖7 (網刊彩色)裸磁體在中心區域160 mm球面上的磁場分布Fig.7.(color online)Magnetic fi eld distribution of bare magnet on the surface of 160 mm DSV.

采用被動勻場方法對該磁體進行了勻場工作,采用的勻場片的長寬分別為20 mm和15 mm,厚度存在0.35,0.1和0.05 mm三種規格.勻場槽嵌于梯度線圈的主動層和屏蔽層之間,梯度線圈被安裝在超導磁體室溫孔內.36個勻場條的中心線均勻地排布在半徑為213 mm的圓柱面上,每個勻場條上有21個勻場槽.

圖8 (網刊彩色)被動勻場后磁體中心區域160 mm球面上的磁場分布Fig.8.(color online)Magnetic fi eld distribution on the surface of 160 mm DSV after passive shimming.

經過3輪被動勻場后,測得磁體在中心區域160 mm球面上的磁場分布如圖8(圖內每條曲線對應于160 mm球面上的一條弧線(有24個點))所示,其不均勻度的峰峰值為50.22 ppm,均方根值為3.4 ppm,據此可推斷出120 mm球面上的不均勻度峰峰值為8.17 ppm,均方根值為0.4 ppm,滿足MRI需求.

5 結 論

綜合考慮超導線用量、中心磁感應強度和成像區磁場不均勻度等因素,使用0-1規劃和遺傳算法相結合的方法設計了一種非屏蔽型1.5 T關節MRI超導磁體,該磁體的室溫孔徑為280 mm,總長度為520 mm,液氦量為30 L,載流區最大磁場為5.48 T,5高斯線范圍為徑向3.2 m、軸向2.6 m,160 mm DSV的磁場不均勻度設計值為22 ppm,考慮加工誤差及冷縮因素,磁體加工完成并經過被動勻場后的預估值為60 ppm.經過繞制、固化、組裝、焊接等工序,該磁體已制作完成.經過3次鍛煉后成功勵磁到1.5 T,經過被動勻場后160 mm DSV的磁場不均勻度達到50 ppm,各項指標均達到設計目標.

[1]Lvovsky Y,Jarvis P 2005IEEE Trans.Appl.Supercond.15 1317

[2]Cosmus T,Parich M 2011IEEE Trans.Appl.Supercond.21 2104

[3]Lvovsky Y,Stautner E,Zhang T 2013Supercond.Sci.Technol.26 093001

[4]Kitaguchi H,Ozaki O,Miyazaki T,Ayai N,Sato K,Urayama S,Fukuyama H 2010IEEE Trans.Appl.Supercond.20 710

[5]Ling J,Voccio J,Hahn S,Kim Y,Song J,Bascunan J,Iwasa Y 2015IEEE Trans.Appl.Supercond.25 4601705

[6]Slade R,Parkinson B,Walsh R 2014IEEE Trans.Appl.Supercond.24 4400705

[7]Cheng Y,Brown R,Thompson M,Eagan T,Shvartsman S 2004IEEE Trans.Appl.Supercond.14 2008

[8]Cavaliere V,Formisano A,Martone R,Primizia M 2000IEEE Trans.Appl.Supercond.10 1376

[9]Campelo F,Noguchi S,Igarashi H 2006IEEE Trans.Appl.Supercond.16 1316

[10]Tieng Q,Vegh V,Brereton I 2009IEEE Trans.Appl.Supercond.19 3645

[11]Du X,Wang W 2014IEEE Trans.Appl.Supercond.24 4402104