Методы проектирования и настройки систем с постоянными магнитами для магниторезонансных томографов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.01, кандидат технических наук Кузнецова, Екатерина Александровна

• Кузнецова, Екатерина Александровна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кузнецова, Екатерина Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Магнитные системы для магниторезонансных томографов.

1.1. Принцип действия МРТ.

1.2. Обзор конструкций магнитных систем.

1.3. Цель работы. Основные решаемые задачи.

Глава 2. Метод оптимизации конструкции магнитной системы МРТ.

2.1. Метод анализа магнитного поля. Оценка вычислительных погрешностей.

2.2. Метод оптимизации размеров постоянных магнитов в магнитной системе МРТ.

2.3. Метод оптимизации размеров полюсов в магнитной системе

2.4. Анализ результатов расчетных исследований.

Глава 3. Регулируемые полюса магнитной системы МРТ.

3.1. Обоснование применения композиционного магнитомягкого материала в качестве полюсов МРТ.

3.2. Определение влияния отклонений размеров полюсов на однородность поля в рабочей области.

3.3. Оптимизация полюсов для магнитной системы ортопедического МРТ. Предварительная настройка магнитной системы юстировкой полюсов.

Глава 4. Точная настройка однородности магнитного поля.

4.1 .Постановка задачи улучшения однородности поля шиммирующими магнитами.

4.2. Алгоритмы решения оптимизационной задачи увеличения однородности поля шиммирующими магнитами.

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований разработанных магнитных систем ортопедических МРТ.

5.1. Конструкция магнитной системы ортопедического МРТ и технология ее сборки.

5.2. Входной контроль крупногабаритных постоянных магнитов в кольцах Гельмгольца.

5.3. Предварительная настройка магнитной системы изменением положения полюсов, результаты экспериментов, анализ характера регулирования однородности магнитного поля.

5.4. Точная настройка шиммирующими постоянными магнитами, результаты экспериментов, анализ характера регулирования однородности магнитного поля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы проектирования и настройки систем с постоянными магнитами для магниторезонансных томографов»

В начале 1970-х годов П. Лаутберг и Р. Дамадейн продемонстрировали возможность получения изображений внутренней структуры биологических объектов с использованием ядерного магнитного резонанса (ЯМР). С момента своего появления в 1980 гг. ЯМР или магниторезонансная (MP) томография заняла важнейшее место в неинвазивной (без внутреннего вмешательства) диагностике различных заболеваний головного мозга, позвоночника, сердечнососудистой системы, связок и др.

MP томография принципиально отличается от рентгеновской компьютерной томографии, но тоже относится к лучевой диагностике. Широкому внедрению в медицинскую практику MP томографии способствуют уникальные возможности по сравнению с другими видами томографии (рентгеновской компьютерной, ультразвуковой). MP томографию часто сравнивают с компьютерной томографией, поскольку в обоих случаях используются принципы автоматического, управляемого компьютером сканирования, обработки и получения послойного изображения внутренней структуры органов. Принципиальное отличие MP томографии заключается в использовании радиоволнового диапазона излучения при исследовании пациента.

Основной дорогостоящей составляющей MP томографа (МРТ) выделяют его магнитную систему (МС), предназначенную для создания магнитного поля с высокой интенсивностью и однородностью в рабочей области (зона получения изображения). Качество изображения, доступные методы исследований, необходимая продолжительность процедур определяется параметрами МС. Для достижения наилучших показателей необходимо иметь более высокие значения магнитной индукции и однородность магнитного поля в приемлемых массогабаритных и ценовых показателях. В настоящей работе рассматриваются МРТ с МС на постоянных магнитах, предназначенные для широкого использования в медицинских учреждениях различного уровня.

Актуальность темы. Улучшение параметров МС с постоянными магнитами для МРТ является актуальной задачей, так как они определяют основные технико-экономические характеристики томографов. Создание и внедрение современного диагностического оборудования отвечает задачам приоритетного национального проекта России в области здравоохранения.

В настоящее время зарубежные МРТ значительно опережают по своим параметрам российские аналоги. В России МРТ с системами на постоянных магнитах изготавливаются либо на основе МС закрытого типа, либо с использованием МС открытого типа иностранного производства, единичными экземплярами.

Сложность проектирования и изготовления МС подобного типа заключается в необходимости создания магнитного поля в рабочей области с высокой однородностью при заданном уровне магнитной индукции, а следовательно применяемый математический аппарат, процедуры вычислений и средства экспериментальных исследований должны обеспечивать относительные погрешности не превышающие миллионных долей контролируемых значений магнитной индукции. Например, при значении магнитной индукции в центре МС 0,2 Тл ее относительное отклонение в области исследования пациента (рабочей области), не должно превышать ±0,002%, абсолютное - 4-10"6 Тл (±20 ррт). Необходимо использовать программное обеспечение, учитывающее особенности трехмерной конструкции системы и нелинейные гистерезисные свойства магнитных материалов.

Целью диссертационной работы было создание методического обеспечения и проектирования типовой конструкции МС ортопедического МРТ открытого типа, соответствующего по своим параметрам зарубежным системам. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методического и программного обеспечения для проектирования и настройки МС.

2. Проектирование новой конструкции МС открытого типа и обоснование возможности получения требуемых параметров теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.

3. Разработка технологии изготовления таких МС.

Методы решения поставленных задач. В работе использованы численные методы анализа стационарных и нестационарных электромагнитных магнитных полей, основанные на пространственных интегральных уравнениях для источников поля, реализованные в программном комплексе Easymag3D, разработанном в Московском энергетическом институте, и созданного для него модуля Optima. Для проектирования и настройки МС применены методы нелинейного программирования. Экспериментальные исследования магнитно поля осуществлялись ЯМР магнитометром, входящим в состав томографа.

В результате выполненной работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Разработан метод оптимизации МС для МРТ. Исследованы вычислительные погрешности и проведена адаптация программных средств численного анализа электромагнитных полей к условиям проектирования МС для МРТ. Сформулирована задача, созданы методика и программа оптимизации конструктивных параметров МС по критерию заданной однородности магнитного поля в рабочей области.

2. Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструктивных решений МС с ПМ открытого типа с подвижными профилированными полюсами, обеспечивающими эффективное начальное регулирование однородности магнитного поля в рабочей области МРТ до уровня 80 - 100 ррш.

3. Теоретически и экспериментально подтверждены эффективность применения композиционного магнитомягкого материала (КММ) для полюсов МС, позволяющего исключить влияние на работу томографа вихревых токов, индуцированных импульсами тока в градиентных катушках.

4. Разработаны новые методики точной подстройки магнитного поля до значений однородности 10-20 рргп с помощью набора малых ПМ, эффективность которых подтверждена практическим использованием.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строго обоснованных алгоритмов расчетов и оптимизации МС и подтверждена соответствием полученных выводов диссертационной работы результатам экспериментальных исследований опытных и промышленных образцов МС и результатами внедрения их в промышленность.

Практическая значимость

1. Создана новая более эффективная конструкция МС открытого типа для ортопедического МРТ, которая успешно внедрена в промышленное производство.

2. Разработанные методики и программы могут использоваться для дальнейшего совершенствования МС для МРТ.

Личный вклад автора. Участие в разработке алгоритмов и программного обеспечения оптимизации и настройки МС в части постановки задачи и отладки расчетных модулей, осуществление адаптации программного обеспечения применительно к проектированию МС открытого типа для МРТ. Выполнение всех приведенных в работе расчетов и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Разработка методик настройки МС и обоснование их эффективности на практике. Осуществление проектирования и конструирования МС для ортопедического МРТ, разработка технологической оснастки для сборки МС, сопровождение производства.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

XIV Международная конференция по постоянным магнитам. 22-26 сентября 2003 г. - Суздаль, 2003 г.;

V Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 20-25 сентября 2004 г., - Крым, Алушта, 2004 г.;

XV Международная конференция по постоянным магнитам. 19-23 сентября 2005 г. - Суздаль, 2005 г.;

XI Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 18-23 сентября 2006 г., - Крым, Алушта, 2006 г.;

XV Международная конференция по постоянным магнитам. 17-20 сентября 2007 г. - Суздаль, 2007 г.;

Две международных научно-технических конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» г. Москва: МКРЭЭ - 2001, МКРЭЭ - 2002.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: из них 2 статьи, 6 тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 77 наименований. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 7 таблиц. Приложения изложены на 3 страницах машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Электромеханика и электрические аппараты», Кузнецова, Екатерина Александровна

ВЫВОДЫ

Спроектирована новая конструкция МС ортопедического МРТ. Разработана и апробирована на практике оснастка для монтажа и демонтажа МС, позволяющая осуществлять безопасную сборку системы с использованием крупногабаритных блоков постоянных магнитов в намагниченном состоянии.

Приведена методика входного контроля постоянных магнитов, обеспечивающая требуемую точность и быстроту проведения измерений.

Показанные результаты практических экспериментов по предварительной системы подтверждают выполненные расчетные исследования и обосновывают новое конструктивное решение подвижных полюсов, позволяющих осуществлять эффективное регулирование однородности магнитного поля на начальном этапе настройки до уровня 100 ррш.

Показана эффективность точной настройки МС. Максимальное отклонение во всех точках рабочей области не превышает 20 ррш, что соответствует требованиям к однородности магнитного поля в МС для МРТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований получен ряд научных и практических результатов, позволивших создать новую эффективную конструкцию МС для ортопедического МРТ и решить технологические проблемы ее производства. Основные результаты и выводы:

1. Разработаны метод, программное обеспечение и выполнен цикл расчетных исследований по синтезу профиля полюсов МС по критериям заданной однородности поля в рабочей области.

2. Теоретически обосновано и найдено конструктивное решение подвижных полюсов МС из композиционного магнитомягкого материала, обеспечивающих настройку однородности магнитного поля до требуемого уровня.

3. Расчетные регулировочные кривые, подтвержденные результаты экспериментальных исследований, показывают возможность настройки однородности магнитного поля до требуемого уровня перемещением подвижных полюсов МС.

4. Создана и апробирована методика тонкого регулирования магнитного поля, показавшая высокую стабильность и достоверность результатов.

5. Экспериментальные данные, полученные при исследованиях опытных образцов МС, и результаты их применения в МРТ полностью подтверждают достоверность и обоснованность теоретических результатов работы.

6. Разработанные методы проектирования и настройки МС для МРТ, а также полученные практические результаты обсуждались на семи международных конференциях и получили положительную оценку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кузнецова, Екатерина Александровна, 2008 год

1. Лундин А.Г., Федин Э.И. ЯМР-спектроскопия. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 224 с.

2. Черников В.И. Магнитные измерения. М.: МГУ, 1969. - 388 с.

3. Чечурина Е.Н. Приборы для измерения магнитных величин. М.: Энергия, 1969.-168 с.4. http://www.drusch.com5. http://www.metrolab.com

4. Герасимов В.Г., Кулаев Ю.В., Курбатов П.А., Петухов А.Д., Терехов Ю.Н., Фролов М.Г. Магнитные системы с повышенной однородностью поля для ЯМР-томографии. Тр. МЭИ, 1983, вып. 18. - С. 3-16.

5. К. Adamid, В.К. Rutt and W.J. Dabrowski' Design of Gradient Coils for Magnetic Resonance Imaging.- IEEE Trans, on Magn., 1992, vol. 28, no. 5. C. 2403-2405.8. http://www.dotynmr.com

6. Hayes C.E., Edelstein W.A., Schenck J.F. Radio Frequency Resonators. Magnetic Resonance Imaging, ed. by C.L. Partain, R.R. Price, J.A. Patton, M.V. Kulkarni, A.E. James Saunders. Philadelphia, 1988.-236 c.

7. ГОСТ P 50444 Приборы, аппараты и оборудование медицинские. Общие технические условия. 43 с.

8. ГОСТ Р 50267.0 Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности. 268 с.

9. ГОСТ Р 50267.0.2 Изделия медицинские электрические. Часть 1-2. Общие требования безопасности. Электромагнитная совместимость. Требования и методы испытаний. — 86 с.

10. ГОСТ Р 50267.0.3 Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности. Общие требования к защите от излучения в диагностических рентгеновских аппаратах. — 42 с.

11. ГОСТ Р 50267.33 Изделия медицинские электрические. Часть 2. Частные требования безопасности к медицинскому диагностическому оборудованию, работающему на основе явления магнитного резонанса. 40 с.

12. СанПин 2.2.4.1191 Электромагнитные поля в производственных условиях. 17 с.

13. Morrow G. Progress in MRI magnets. IEEE IEEE Trans, on Appl. Superconduct., 2000 vol.10, nol. - C. 744-751.

14. Feng Z.X., Jiang H.X., Han S. The design and construction of hightem for MRI.- IEEE Trans, on Magn., 1992, vol. 28, no. 1. C. 641-643.

15. Miyamoto Т., Sakurai H., Takabayashi H., Aoki M. A development of a permanent magnet assembly for MRI devices using Nd-Fe-B material.- IEEE Trans, on Magn., 1989, vol. 25, no. 5. C. 3907-3909.

16. Miyata K., Ohashi K., Takahashi N., Ukita H. Analysis of magnetic characteristics of permanent magnet assembly for MRI devices taking account of hysteresis and eddy current.- IEEE Trans, on Magn., 1998, vol. 34, no. 5. C. 3556-3559.

17. Pulyer Y.M., Horvat M.I. Generation or remote homogeneous magnetic field.-IEEE Trans, on Magn., 2002, vol. 38, no. 3. C. 1553-1563.

18. Trequattrini A., Besio S., Pittaluga S., Punzo V., Satragno L. A Novel 0.25 T Dedicated MRI Apparatus. IEEE Trans, on Appl. Superconduct., 2006, vol. 16, no. 2.-C. 1505-1508.

19. Mueller W. Optimization of Asymmetric MRI-Magnets.- ШЕЕ Trans, on Appl. Superconduct., 2000, vol. 10, no. 1. -C. 1505-1508.

20. Ryu J.S., Yao Y., Koh C. S. 3-D Optimal Shape Design of Pole Piece in Permanent Magnet MRI Using Parameterized Nonlinear Design Sensitivity Analysis.- IEEE Trans, on Magn., 2006, vol. 42, no. 4. C. 1351-1354.

21. Kim D.H., Kim B.S., Lee J.H., Nah W. S., Park H. 3-D Optimal Shape Design of Ferromagnetic Pole in MRI Magnet of Open Permanent-Magnet Type.- IEEE Trans, on Appl. Superconduct., 2002, vol. 12, no. 1. C. 1467-1470.

22. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. М.: Машиностроение, 2001. Т. 1 - 920 е., Т.2 - 912с., ТЗ - 864 с.

23. Chun L., Devine М. Efficiency of permanent magnet assemblies for MRI devices. IEEE Trans, on Magn., 2005, vol. 41, no. 10. - C. 3835-3837.

24. Manlio G., Rusinek H. Permanent conical Magnet for interventional.- IEEE Trans, on Magn., 2004, vol. 40, no. 5. C. 3382-3386.

25. Trakic A., Wang H., Liu F., Lopez H. S., Crozier S. Analysis of Transient Eddy Currents in MRI Using a Cylindrical FDTD Method.- IEEE Trans, on Appl. Superconduct., 2006, vol. 16, no. 3. -C. 1924-1936.

26. Yao Y. Koh C. Tree-dimensional optimal shape design of magnetic pole in permanent magnet assembly for MRI taking account of eddy currents due to gradient coil field.- IEEE Trans, on Magn., 2004, vol. 40, no. 2. С. 1164-1167.

27. Курбатов П.А., Аринчин C.A. Численный расчет электромагнитных полей.-М.: Энергоатомиздат, 1984. — 168 с.39. www.energomag.com

28. Кулаев Ю.В., Курбатов П.А. Программный комплекс Jump для моделирования электромагнитных процессов // Электротехника. М., 2002. №2. - С.52-55.

29. Тамм И.Е. Основы теории электричества. -М.: Наука, 1976. 616 с.

30. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1970. 720 с.

31. Шимони К. Теоретическая электротехника. — М.: Мир, 1964. 773 с.

32. Тозони О.В., Маергойз И.Д. Расчет трехмерных электромагнитных полей. Киев.: Техника. 1974,. - 352 с.

33. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В. Корицкого. В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева JL: Энергоатомиздат, 1988. - 728 с.

34. Постоянные магниты. Справочник. Под ред. Ю.М. Пятина. М.: Энергия, 1971. - 376 с.

35. Быстрицкая Н.Б. Волченков В.И. Шильникова Е.А. Применение теории планирования эксперимента при автоматизации проектирования серий оптимальных магнитных систем на заданные технические условия. Тр. МЭИ, 1980, вып. 483. - С.68-74.

36. Курбатов П.А. Машинный синтез оптимальных магнитных систем каскадного типа. Тр. МЭИ, 1978, вып. 386. - С. 104-107.

37. Тимофеев И.А. Технология производства магнитных материалов и изделий. М.: МЭИ, 2004. - 176 с.

38. Демирчян К.С., Чечурин B.JI. Машинные расчеты электромагнитных полей: учеб. пособие для электротехн. И энерг. Спец. Вузов. М.: Высш. Шк., 1986.-240 с.51. http://www.ansys.msk.ru

39. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов. Программа ANSYS: учеб. Пособие для студ. высш. учеб. заведений. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. 288 с.53. http://www.ansoft.com54. http://tor.ru/elcut55. http://www.cadfem.ru

40. Курбатов П.А., Кузнецова Е.А., Кулаев Ю.В. Проектирование систем с постоянными магнитами открытого типа для магниторезонансных томографов // Электричество. М., 2007. №7. - С.47-52.

41. Вагнер Г. Основы исследования операций.- М.: Мир, 1973. Т. 1. 335 е., Т. 2.-488 с.

42. Кузнецова Е.А., Кулаев Ю.В, Курбатов П.А. Системы с постоянными магнитами с высокой однородностью магнитного поля // XV Международная конференция по постоянным магнитам: Тез. докл. Суздаль 2005 г. - С. 194195.

43. Курбатов П.А., Кузнецова Е.А., Фролов М.Г. Моделирование магнитных систем с высокой однородностью // XI-ая Международная конференция Электротехнические материалы и компоненты: Тез. докл. — Крым. Алушта 2006 г. — С.127-128.

44. Иванов А.З., Круг Г.К,. Филаретов Г.Ф. Статистические методы в инженерных исследованиях. Построение регрессионных моделей. -М.:МЭИ. 1979.-104 с.

45. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. М.: Высшая школа, 1978. - 528 с.

46. Ламмеранер Й., Штафаль М. Вихревые токи. М.-Л.:Энергия, 1967. - 208 с.

47. Дорофеев А.Л. Вихревые токи. -М.:Энергия, 1977. 72 с.64. http://www.vmiem.ru/page/matmagnit.htm65. http://www.ndfeb.ru

48. Теоретические основы планирования, экспериментальных исследований. Под ред. Г.К. Круга. -М.: МЭИ, 1973, -180 с.

49. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы планирования эксперимента. Под ред. Э.К. Лецкого, Е.В. Марковой. — М.: Мир. 1981.-520 с.

50. Кузнецова Е.А., Курбатов П. А., Тыричев П.А. Входной контроль магнитных параметров постоянных магнитов с помощью катушек

51. Гельмгольца // V-ая Международная конференция Электротехнические материалы и компоненты: Тез. докл. Крым. Алушта 2004 г. - С.298-299.

52. Кулаев Ю.В., Курбатов П.А. Автоматизация проектирования систем с постоянными магнитами // Электротехника. -М., 1999. №10. 4с.

53. Кулаев Ю.В., Курбатов П.А. Методика и программное обеспечение повышения однородности поля томографа системой малых постоянных магнитов / / XIV Международная конференция по постоянным магнитам: Тез. докл. Суздаль 2003 г. - С. 174-175.

54. Тихонов А.Н., Арсенин В .Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука. 1974.-224 с.

55. Мишин Д.Д. Магнитные материалы: учеб. Пособие. М.: Высш. Школа, 1981.-335 с.

56. Тыричев П.А. Кузнецова Е.А. Общие технические требования к постоянным магнитам / / XIV Международная конференция по постоянным магнитам: Тез. докл. Суздаль 2003 г. - С.230-231.

57. Курбатов П.А. Кузнецова Е.А. Магниты постоянные. Основные параметры и размеры // Радиоэлектроника электротехника и энергетика. VIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докл. Москва 2002 г. - С.69-70.

58. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. М.: энергия, 1969. -360 с.76. http://www.magnet-physik.de

59. Потокосцепление магнитного поля постоянного магнита с катушкой Гельмгольца. Методика выполнения измерений МИ 2806-2003. М.: ГНМЦ ВНИИФТРИ, 2003. - 12 с.