1.5 T关节磁共振成像超导磁体的设计、制作与测试∗

杜晓纪 王为民 兰贤辉 李超

1)(中国科学院应用超导重点实验室,北京 100190)2)(中国科学院电工研究所,北京 100190)3)(北京大学信息科学技术学院,北京 100871)4)(西安聚能超导磁体科技有限公司,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

医用磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)在医学临床上的应用为医学影像学带来了一场革命,现已经成为最先进的医学影像设备之一,在临床领域具有广阔的应用前景[1].相对其他常规影像设备(如CT,X射线等),MRI设备具有更多独到的优势,如无创伤检测、多种图像类型、高组织分辨力、任意方位断层成像、介入治疗的重要辅助工具等[2].

现阶段国内各大医院所使用的MRI系统主要为全身通用型系统.对于耗时较长、技术复杂的专科领域成像,占用通用机器的时间太长,达不到更精准的诊断效果,因此需要采用专科MRI系统.医用核磁共振(NMR)成像将朝着成像质量更清晰、功能更强大、效率更高、个体化更强的趋势发展,给予患者更精准的治疗指导[2,3].越来越多的研究机构和磁共振系统厂家开始研究专科型MRI系统[4−6].

与全身MRI设备相比,关节成像专用MRI设备具有体积小、重量轻、成本低、病人舒适度高、成像质量高、功能更强等优点.在实际应用中关节专用超导MRI系统需要长度方向上被严格限制的超导磁体在直径为160 mm的球域内产生高均匀度的磁场,很多研究把MRI超导磁体的优化设计归为非线性优化问题[7−10],这些方法的优点为简单直接,但需要预先确定超导线圈的个数和电流方向,这样便不能确保得到全局最优解.本文综合考虑了超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体[11],该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm直径球域(diameter sphere volume,DSV)的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成,并对其进行励磁锻炼和被动匀场工作,经测试各项指标均达到设计目标.

2 磁体设计

2.1 超导带材和磁体参数

采用西部超导公司生产的NbTi超导带材,其铜超比为1.3,裸带横截面尺寸为0.75 mm×1.20 mm,加绝缘层后的尺寸为0.83 mm×1.28 mm,温度在4.2 K、外场在5 T条件下的临界电流为935 A.

考虑成像空间和病人舒适度,定超导磁体的总长度为520 mm,杜瓦内直径为280 mm,杜瓦外直径为630 mm.考虑磁体骨架、液氦杜瓦、冷屏、多层绝热、拉杆、室温杜瓦等部分所占空间,线圈在轴向上每端预留出50 mm,在径向内壁方向预留出40 mm,得到线圈的布线区总长度需小于420 mm,线圈的内直径需大于360 mm.线圈每层加玻璃丝布的厚度为0.08 mm,匝间预留0.02 mm,运行电流设定在400 A左右.

由于线圈的布线长度被限制,为提高成像区的磁场均匀度,采用单层非屏蔽结构,经分析该磁体的5高斯线范围在径向上可控制在3.5 m以内,在轴向上可控制在2.6 m以内,均小于现有全身型磁共振系统的5高斯线范围.

2.2 优化设计方法

采用0-1规划算法和遗传算法相结合的方法对1.5 T关节MRI超导磁体进行优化设计.0-1规划是一种特殊形式的整数规划.这种规划的决策变量仅取值0或1,故称为0-1变量或二进制变量.

根据上述的磁体尺寸约束,得到超导线圈的可行载流区,根据所选超导带材的尺寸,把可行载流区进行如图1所示的网格化.考虑到该磁体的用线量较少,可以使用同一根线绕多个线圈,除两端的两个线圈选择偶数匝外,中间的线圈都选择奇数匝,所以在网格划分时使网格的几何尺寸等于所选带材尺寸.对网格取整并相应调整可行载流区的边界后,得到主线圈可行载流区的网格数N.各网格中心位置的空间坐标(ri,zi),运行电流为Ii.

图1 超导磁体载流区的网格剖分Fig.1.Grid subdivision in current carrying region of superconducting magnet.

每个矩形网格可以等效为位于矩形网格中心位置的电流环,坐标(rj,zj)处的磁场z向分量可根据下式得到

函数K(k)和E(k)分别为k的第一类和第二类完全椭圆积分.因子ei=0,1,当ei=0时该矩形网格为虚,即对磁场无贡献;当ei=1时该矩形网格为实,对磁场有贡献.

整个磁体的用线量L可由下式计算:

以用线量最少为优化目标,中心场强度、磁场不均匀度为约束条件,利用0-1规划算法对可行载流区进行规划,即可得到初步的电流分布.一般初次优化得到的电流分布为分离且不规则的形状.因为绕制线圈时,每个线圈的横截面为矩形,这时可以把可行载流区按照初次结果进行分离再次优化,最后再根据得到的每个分离线圈的位置和总匝数结合遗传优化算法对超导磁体进行最后的优化.

2.3 优化结果

综合考虑超导带材用量、载流区最大磁场、中心场、成像区磁场不均匀度等因素,利用上述方法,对本工作中的1.5 T关节MRI超导磁体进行了优化设计.

为限制线圈电流区的磁场和电磁力,设置线圈的最大厚度为40 mm,图2为使用0-1规划算法对超导磁体优化设计的结果,其中蓝色点表示该处有超导线,白色表示该处没有超导线.图2(a)为整个可行载流区都只能通以正向电流得到的初步优化结果,160 mm DSV内的磁场不均匀度为23.1 ppm.从图2(a)可以看到右边两个线圈之间留有较大的空白区域,可以在这个区域内增加一个反向电流线圈.图2(b)为分离载流区并增加反向线圈后的优化结果,160 mm DSV内的磁场不均匀度达到8.2 ppm.结果表明,增加一个反向线圈后提高了成像区的磁场均匀度.

从图2还可以看出,利用0-1规划算法对超导线圈优化的结果并不是标准的矩形截面,且在蓝色区域内部仍然存在一些空白点,在实际制作中将难以实现.为了得到标准的矩形截面,把上述结果中每个线圈的层数、匝数、位置等信息代入到遗传算法中,再次对超导磁体进行优化,得到最终的优化结果.超导磁体中各线圈的排列方式如图3所示,共包含有4对(8个)超导线圈,其中第3对超导线圈和其他线圈的电流方向相反.

各线圈的具体参数列于表1.

图2 利用0-1规划算法对超导磁体的优化设计 (a)整体为同向电流的优化结果;(b)分离载流区并增加反向电流线圈后的优化结果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.

图3 超导磁体结构示意图Fig.3.Layout of the optimized superconducting magnet.

表1 优化后的各线圈具体参数Table 1.Detailed speci fi cations of optimized coils.

该磁体超导带材总长度为5673.6 m,运行电流Iop=402.09 A,载流区最大场Bmax=5.48 T,安全系数为0.7944,储能总量为146.27 kJ,电感量L=1.81 H.在160 mm的成像区内的磁场不均匀度的峰峰值为22 ppm,120 mm球内的峰峰值为3.67 ppm.超导磁体的5高斯线范围为轴向3.2 m,径向2.6 m.

3 磁体制作

本文中的磁体由西安聚能超导磁体科技有限公司制作完成.

3.1 线圈绕制

超导磁体线圈的精密绕制技术是磁场本身的均匀性可靠保证之一,也一直是磁体制造的难点,需要保证整个绕制过程中线材的张力保持恒定,同时必须保证排线的均匀.

采用316L作为骨架材料,根据磁体设计参数,采用高精度数控机床加工制造磁体骨架.线圈的绕制速度、排线均匀性及层匝数等绕制工艺会直接影响超导线圈的性能.绕线机以恒力自动进行绕线,同时采用设备自动加人为干涉手段来控制绕制质量,最终使得线圈绕制达到预期设计,绕制完成后的超导线圈如图4所示.

3.2 磁体组装

磁体的组装技术和配套工装直接影响磁场中心和机械中心重合精度和磁场均匀区位置等.本文通过特制的组装工装,有效地将磁体按照要求的机械精度、磁场精度进行组装.制作完成后的超导磁体如图5所示.

图5 制作完成后的超导磁体Fig.5.Manufactured superconducting magnet.

4 磁体测试

4.1 励磁锻炼

对制作完成的超导磁体进行了4次励磁锻炼,四次锻炼的失超电流分别为270.1,300.3,380.2和390.4 A(图6),第五次励磁达到设计电流402.2 A并闭环成功,此时的中心场B0=1.5065 T.在1.5 W二级Gifford-McMahon(GM)制冷机的冷却下可以保持液氦零挥发.

图6 超导磁体励磁锻炼过程Fig.6.Training history of superconducting magnet.

4.2 被动匀场

由于加工误差、绕制误差、热胀冷缩等因素,制作完成的裸磁体的成像区磁场不均匀度比较大,使用NMR测磁仪测量了裸磁体在中心区域160 mm球面上的磁场分布(图7,图内每条曲线对应于160 mm球面上的一条弧线(有24个点)),其不均匀度的峰峰值为1335.69 ppm.

图7 (网刊彩色)裸磁体在中心区域160 mm球面上的磁场分布Fig.7.(color online)Magnetic fi eld distribution of bare magnet on the surface of 160 mm DSV.

采用被动匀场方法对该磁体进行了匀场工作,采用的匀场片的长宽分别为20 mm和15 mm,厚度存在0.35,0.1和0.05 mm三种规格.匀场槽嵌于梯度线圈的主动层和屏蔽层之间,梯度线圈被安装在超导磁体室温孔内.36个匀场条的中心线均匀地排布在半径为213 mm的圆柱面上,每个匀场条上有21个匀场槽.

图8 (网刊彩色)被动匀场后磁体中心区域160 mm球面上的磁场分布Fig.8.(color online)Magnetic fi eld distribution on the surface of 160 mm DSV after passive shimming.

经过3轮被动匀场后,测得磁体在中心区域160 mm球面上的磁场分布如图8(图内每条曲线对应于160 mm球面上的一条弧线(有24个点))所示,其不均匀度的峰峰值为50.22 ppm,均方根值为3.4 ppm,据此可推断出120 mm球面上的不均匀度峰峰值为8.17 ppm,均方根值为0.4 ppm,满足MRI需求.

5 结 论

综合考虑超导线用量、中心磁感应强度和成像区磁场不均匀度等因素,使用0-1规划和遗传算法相结合的方法设计了一种非屏蔽型1.5 T关节MRI超导磁体,该磁体的室温孔径为280 mm,总长度为520 mm,液氦量为30 L,载流区最大磁场为5.48 T,5高斯线范围为径向3.2 m、轴向2.6 m,160 mm DSV的磁场不均匀度设计值为22 ppm,考虑加工误差及冷缩因素,磁体加工完成并经过被动匀场后的预估值为60 ppm.经过绕制、固化、组装、焊接等工序,该磁体已制作完成.经过3次锻炼后成功励磁到1.5 T,经过被动匀场后160 mm DSV的磁场不均匀度达到50 ppm,各项指标均达到设计目标.

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