單邊MRI系統的Halbach型磁體仿真

張衛澤 王玉壯 程藝苑

摘 要：磁體是磁共振成像系統的關鍵部件之一，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磁體相比，具有體積小、開放性好等優點。本文基于單邊磁共振成像系統中的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的磁共振成像磁體相比，單邊磁體的成像區在磁體的外部，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，成像區為大小為距離磁體15cm的邊長為10cm的正方形區域，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

初始狀態時考慮設置這六塊永磁體的NS磁化方向一樣，即統一朝著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。可以看到旋轉某幾塊磁體之后，改變了磁力線的走向，得到的成像區的磁場強度與排列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。可以看到旋轉某幾塊磁體之后，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，繼續對磁體進行更多的相關優化。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：

[1]張艷麗，謝德馨，白保東，等.單邊磁共振成像儀磁體系統研究[J].波譜學雜志，2006.

[2]孟凱凱.恒定梯度單邊核磁共振傳感器設計與應用研究[D].重慶大學，2015.

[3]謝俊鵬，姚纓英，倪光正.完全開放式磁共振成像磁體的優化設計[J].浙江理工大學學報，2006.

[4]肖繼軍，張一鳴，陳繼忠，等.基于拓撲優化的單邊核磁共振永磁磁體研究[J].中國電機工程學報，2007.

[5]杜群杰，肖立志，廖廣志.便攜式單邊梯度核磁共振磁體優化設計[C].國波譜學學術年會，2014.

[6]Zhang Yanli，Xie Dexin，Bai Baodong，等.Unilateral Magnet for Magnetic Resonance Imaging單邊磁共振成像儀磁體系統研究[J].波譜學雜志，2006.

[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：醫療儀器的設計與研發，圖像處理，人工智能等。