张卫泽 王玉壮 程艺苑

摘 要：磁体是磁共振成像系统的关键部件之一，主要用来生成均匀的静磁场，其均匀性直接影响最终成像质量。永磁型单边磁体与常规磁体相比，具有体积小、开放性好等优点。本文基于单边磁共振成像系统中的Halbach型磁体，运用ANSYS软件建立了模型，计算了几组不同排列结构的单边Halbach型磁体的磁场分布情况。

关键词：磁共振成像；Halbach型磁体；有限元分析

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）技术具有无侵入性、安全性和灵活性，被广泛应用于临床诊断、食品分析、石油测井等诸多领域。[13]在MRI系统之中，体积重量最庞大、造价最高、最关键的部件就是磁体，其主要作用是在中心成像区产生一个均匀的静磁场，磁场的强度和均匀度将直接影响最终的成像质量。单边磁体结构与传统的磁共振成像磁体相比，单边磁体的成像区在磁体的外部，具有良好的开放性，[46]可以不受样品尺寸限制，同时体积小，方便携带，成本低，因此被广泛应用于小型、便携型磁共振系统中。而单边磁体多采用Halbach型磁体的直线型，即由一系列的截面为正方行的永磁块排列组成的阵列磁体，[7]本文基于这种Halbach型直线型磁体进行了一系列的仿真设计与计算。

1 单边MRI磁体模型

本文建立了一个应用于小型单边MRI系统的Halbach型直线型磁体模型，主要由六块截面为30 cm*30 cm的永磁体排列而成，成像区为大小为距离磁体15cm的边长为10cm的正方形区域，建立的坐标系具体如图1所示。其中，永磁体采用钕铁硼（NdFeB），型号为N45，其剩磁Br=1.3571 T， 相对磁导率μr=1.0445，磁感矫顽力Hcb=1034.5 KA/m。在上述磁体模型的基础之上，我们尝试进行了幾种不同的磁化方向排列组合，运用大型有限元分析软件ANSYS进行了二维的建模与仿真计算。

2 计算和结果

2.1 排列1

初始状态时考虑设置这六块永磁体的NS磁化方向一样，即统一朝着X轴的正方向，命名为排列1，具体示意图如图2（a）所示，图中黑色箭头代表永磁体的NS磁化方向。ANSYS软件建立模型，进行有限元分析，计算出侧边正方形成像区的平均磁感应强度为0.1284 T，磁场的均匀度为73102.4 ppm。磁力线和磁场分布情况如图2所示。从图3（a）中可以看到磁体的磁力线走向，磁体外部的大部分的磁力线都被分散了，因此成像区磁场比较弱，磁场的均匀度也比较差。

2.2 排列2

在上述排列1的基础上，我们对这六块永磁体的NS磁化方向做了一些改变，其中边缘的两块分别做90°和90°的旋转，命名为排列2，具体如图3（a）所示，同样图中黑色箭头代表磁化方向。ANSYS软件建立模型，进行有限元分析，计算出侧边正方形成像区的平均磁感应强度为0.2047 T，磁场均匀度为95211.5 ppm。磁力线和磁场分布情况如图3所示。可以看到旋转某几块磁体之后，改变了磁力线的走向，得到的成像区的磁场强度与排列1相比较强，但是磁场均匀度却差了一点。

2.3 排列3

我们将这六块永磁体的NS磁化方向继续做了一些改变，其中两块做90°的旋转，两块做90°的旋转，命名为排列3，具体如图4（a）所示。ANSYS计算出中间正方形成像区的平均磁感应强度为0.3456 T，磁场均匀度为217384 ppm。磁力线和磁场分布情况如图4所示。可以看到旋转某几块磁体之后，改变了磁力线的走向，构成了一个磁场回路，因此得到的成像区的磁场强度与排列1和排列2相比较强，但是磁场均匀度却差了很多。

4 总结与展望

本文基于一个应用于小型单边MRI系统的Halbach型直线型磁体建立了模型，并运用ANSYS软件进行了仿真分析，计算了几组不同磁化排列的磁体模型产生的磁场情况，从结果中可以看出，不同排列的永磁体结构产生的成像区的磁场强度和磁场均匀度不一样，通过改变其中几块永磁体的磁化方向，会改变整个磁体的磁力线走向，若构成若干磁回路，则会加强磁场在周边产生的磁场强度。虽然成像区的磁场强度越高越好，但是磁场的均匀度也是一个非常重要的考虑因素，这三种排列结构的磁体产生的磁场均匀度都不令人满意，因此在今后的工作中将把磁场均匀度作为一个重要设计目标，继续对磁体进行更多的相关优化。另外，文中只进行了二维磁体模型的计算，未来将进行三维磁体模型的计算，结果将会更加精确。

参考文献：

[1]张艳丽，谢德馨，白保东，等.单边磁共振成像仪磁体系统研究[J].波谱学杂志，2006.

[2]孟凯凯.恒定梯度单边核磁共振传感器设计与应用研究[D].重庆大学，2015.

[3]谢俊鹏，姚缨英，倪光正.完全开放式磁共振成像磁体的优化设计[J].浙江理工大学学报，2006.

[4]肖继军，张一鸣，陈继忠，等.基于拓扑优化的单边核磁共振永磁磁体研究[J].中国电机工程学报，2007.

[5]杜群杰，肖立志，廖广志.便携式单边梯度核磁共振磁体优化设计[C].国波谱学学术年会，2014.

[6]Zhang Yanli，Xie Dexin，Bai Baodong，等.Unilateral Magnet for Magnetic Resonance Imaging单边磁共振成像仪磁体系统研究[J].波谱学杂志，2006.

[7]孙新凯，杨建中，杨义勇，等.应用于单边核磁共振仪器磁体结构的Halbach磁体仿真分析[J].科学技术与工程，2016.

基金项目： 河南省科技攻关基金项目（182102310610）；河南省高等学校重点科研项目计划（17A416005）；南阳师范学院博士专项项目（ZX2016011）

*通讯作者： 程艺苑，博士，主要研究方向：医疗仪器的设计与研发，图像处理，人工智能等。