數(shù)值混合方法設(shè)計(jì)與優(yōu)化磁共振射頻線圈.pdf

1、磁共振成像(NuclearMagneticResonanceimaging，NMRI)是一種斷層成像技術(shù)，它通過外部射頻場發(fā)射不同的射頻脈沖序列對生物體內(nèi)各個(gè)組織進(jìn)行激發(fā)，通過接收探測生物體內(nèi)產(chǎn)生的核磁共振信號來對體內(nèi)組織器官的內(nèi)部生理與化學(xué)特征成像。相比其他的一些成像技術(shù)，例如X-ray和CT(ComputedTomography)，磁共振成像技術(shù)具有很多優(yōu)勢:首先，磁共振成像不需要將人體曝露在電離輻射的環(huán)境下，因此磁共振成像技術(shù)更具

2、安全性。其次，磁共振為多參數(shù)成像，能夠提供許多診斷信息。第三，磁共振成像對比度高，可得到詳細(xì)的解剖圖譜。第四，磁共振具有對任意層面斷層成像的功能，可以從三維空間上直接觀察人體。第五，磁共振成像不會出現(xiàn)氣體及骨偽影等現(xiàn)象。
　　 工程上實(shí)際的電磁場問題是很復(fù)雜的，如邊界形狀不規(guī)則，復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，材料性能的非線性以及電磁場的分布性等等。因此，在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前人們在實(shí)際的設(shè)計(jì)計(jì)算工作過程中，只能采取一些簡化措施，得出近似的解析解，或

3、者用模擬實(shí)驗(yàn)的方法來滿足工程要求的近似結(jié)果。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給解算復(fù)雜的電磁工程技術(shù)問題提供了強(qiáng)有力的工具。由于數(shù)字電子計(jì)算機(jī)具有運(yùn)算速度快，儲存容量大，計(jì)算功能強(qiáng)和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，使得計(jì)算領(lǐng)域產(chǎn)生了驚人的發(fā)展。20世紀(jì)60年代以來，隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些電磁場的數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展起來，并得到廣泛地應(yīng)用，相對于經(jīng)典電磁理論而言，數(shù)值方法受邊界形狀的約束大為減少，可以解決各種類型的復(fù)雜問題。電磁學(xué)問題的數(shù)值求解方法主要分為時(shí)域和頻

4、域兩大類。頻域技術(shù)主要有矩量法、有限差分方法等，頻域技術(shù)發(fā)展得比較早，也比較成熟。時(shí)域法主要有時(shí)域差分技術(shù)。時(shí)域法的引入是基于計(jì)算效率的考慮，某些問題在時(shí)域中討論起來計(jì)算量要小。但是，各種數(shù)值計(jì)算方法都有優(yōu)缺點(diǎn):時(shí)域有限差分方法(FDTD)適合對非均勻復(fù)雜電磁參數(shù)電介質(zhì)(例如人體)進(jìn)行有效地分析，但是需要對整個(gè)三維空間進(jìn)行網(wǎng)格化，還要在空間邊緣設(shè)定邊界吸收條件，計(jì)算時(shí)間相對比較久，需要的物理內(nèi)存也相對比較大。相反，矩量法(MOM)在計(jì)算

5、過程中不需要對整個(gè)空間網(wǎng)格化，也不許要設(shè)定吸收邊界，只需要對有電流分布的區(qū)域進(jìn)行離散化，計(jì)算相對快速，非常適用于對類似射頻線圈這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁仿真分析。但同時(shí)，MOM不能處理類似人體這樣的復(fù)雜介質(zhì)的負(fù)載。而逆方法則是反向考慮問題，由預(yù)設(shè)理想目標(biāo)場出發(fā)反演計(jì)算得出線圈結(jié)構(gòu)。一個(gè)復(fù)雜的問題往往難以依靠一種單一方法解決，常需要將多種方法結(jié)合起來，互相取長補(bǔ)短，因此混和方法日益受到人們的重視。
　　 為了提高磁共振射頻線圈射頻場的

6、性能，解決射頻線圈與人體組織復(fù)雜電磁作用問題，我們提出了以真實(shí)人體為基礎(chǔ)建立三維電磁模型的方法。以人體CT斷層掃描圖像為基礎(chǔ)，采用精確的人工分割方式和體繪制三維重建方法，并賦上不同組織相應(yīng)的電磁參數(shù)，建立真實(shí)人體三維電磁模型，作為射頻場FDTD域負(fù)載。將建立起來的真實(shí)人體三維電磁模型作為線圈負(fù)載，優(yōu)化磁共振射頻線圈的射頻場分布。
　　 本本研究的目的在于增強(qiáng)磁共振射頻線圈仿真的真實(shí)性，提高射頻線圈設(shè)計(jì)水平，從而提高線圈的成像質(zhì)量

7、。充分利用三種方法的長處:矩量法(MOM)在計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)線圈上電流分布的優(yōu)勢;時(shí)域有限差分(FDTD)方法在仿真人體模型等復(fù)雜的不均勻電磁介質(zhì)的優(yōu)勢;逆方法可以模擬理想目標(biāo)場。通過惠更斯等效面將MOM和FDTD以及逆方法和FDTD有機(jī)結(jié)合到一起，形成混合射頻線圈設(shè)計(jì)方法，并提出了一種新的真實(shí)人體電磁模型建立方法，融入到混合方法中，充分考慮線圈與真實(shí)人體組織之間復(fù)雜的電磁相互作用。其中，由MOM和FDTD混合方法設(shè)計(jì)的原型線圈掃描圖像的信