基于ANSYS的便攜MRI系統中環對型永磁體仿真

程藝苑， 蘇明陽， 萬書佳， 張新剛

（1.南陽師范學院 a.機電工程學院；b.計算機科學與技術學院，河南 南陽 473061；2.河南工業職業技術學院測繪環保工程學院，河南 南陽 473000）

0 引 言

目前，磁共振成像已成為醫學影像和診斷的重要工具，被廣泛應用于臨床診斷和科學研究的眾多領域。隨著我國人口老齡化的加劇和新冠疫情防控的常態化，在一些非醫院的特殊場所，如養老院、重癥監護室、手術室、救護車、急診室、體育場或者隔離醫療點等，對于一些特殊病人在無法移動的情況下，需要利用MRI技術進行局部成像和初步診斷，在這樣的背景之下，便攜移動型MRI系統迅速發展起來，具有廣闊的應用前景。

磁體是MRI系統中體積最大、重量最重、造價最高的核心部件，其主要作用是在中心成像區產生一個均勻的靜磁場，磁場的磁感應強度和均勻度將直接影響成像質量［1-2］。常導型和超導型磁體的結構復雜且需要額外的電力和液氦［3-4］，體積龐大不適合在移動場景的應用。永磁型磁體的結構簡單開放，造價低廉，我國永磁材料豐富，是便攜MRI系統的最佳選擇。

目前，有關便攜MRI系統的相關研究與應用中，永磁體常采用雙極型、Halbach型和環對（Ring-Pair）型這三類，具體結構如圖1所示，圖中的黑色箭頭為磁化方向。雙極型永磁系統由上、下兩個磁極和不同形狀（H或C形）的鐵軛構成磁路，如圖1（a）所示為H形的雙極型永磁體。鐵軛可以引導磁場構成閉合的磁路，但也增加了整個磁體系統的重量和體積，雙極型永磁系統的成像區較小，主要用于室外植物成像［5］和人體局部檢測成像［6］。Halbach型磁體是由若干塊永磁體構成陣列，最常見的是閉合的環形［7］，如圖1（b）所示，其不需要額外的鐵軛，磁體的重量較輕，在桌上磁共振波譜儀、頭部成像等應用領域取得了很多研究成果［7-10］。但是，Halbach型磁體產生的主磁場的方向為橫向，而目前市場上常規的射頻系統都不能直接使用，需要重新設計。近幾年，由Aubert［11-12］提出的環對型磁體被初步探索應用于便攜MRI系統中［13-17］，其主要由兩個分別向內和向外徑向磁化永磁環所組成，如圖1（c）所示，黑色箭頭為徑向磁化的方向，紅色箭頭為成像區的磁場方向。環對型永磁體產生的磁場方向與市場主流超導型磁體的磁場方向一致，因此，目前與常用的射頻線圈都相兼容可直接使用。

圖1 幾種永磁體示意圖

本文基于這種環對型永磁體，運用ANSYS有限元分析軟件進行了一系列的仿真，對其結構的離散化和相關的結構參數進行了分析和討論，計算結果將對環對型永磁體的優化設計和實際工程制作具有一定的指導和參考意義。

1 模型建立

基于便攜移動型MRI系統，建立一個環對型磁體模型，具體如圖2所示。該磁體系統模型由2個分別向內和向外徑向磁化的永磁環所組成，這2個環形永磁體的內半徑Rin＝0.2 m，外半徑Rout＝0.4 m，單個環的高度H＝0.1 m，2個環之間的距離D＝0.4 m。中心成像區在兩個環形永磁體的中間部位，考慮直徑為0.2 m，高度為0.05 m的圓柱體。永磁體的材料選擇為釹鐵硼（Nd-Fe-B），型號為N50，其剩磁Br＝1.38 T，矯頑力Hcb＝1 050 kA／m。基于此環對型磁體，本文利用ANSYS建立模型并進行一系列的仿真與探索。

圖2 環對型磁體模型

2 仿真結果及分析

2.1 分割成不同的塊數

理想的環對型永磁體是由均勻徑向磁化的兩個環形永磁體所組成。由于實現徑向均勻磁化比較困難，實際應用時常將環形磁體進行均勻分割，用徑向磁化的弧形小磁塊拼接組成圓環形。本文考慮將環形永磁體分割成不同的塊數，為保持磁化方向的對稱性，分別將其分割為4，8和16塊，具體模型如圖3所示。圖3中將圖2的磁體模型進行了旋轉，分為上、下2個環形永磁體，環形永磁體的徑向平面為XY平面，軸向為Z軸，離散后的每一個弧形小磁塊上的黑色箭頭為其實際的磁化的方向。2個環形永磁體中間的小圓柱體即為中心成像區。

圖3 分割成不同的塊數的磁體模型示意圖

運用ANSYS進行三維模型的建立和磁場計算，得到中心成像區的磁場的具體情況見表1，磁感應強度分布情況如圖4所示。其中，中心成像區的磁場均勻度定義為：

圖4 中心成像區磁感應強度分布

式中，Bmax、Bmin和Bavg分別為中心直徑為0.2 m、高度為0.05 m的圓柱體成像區中的磁感應強度的最大值、最小值和平均值。磁場均勻度U的數值越小則表示磁場越均勻。

由表1可見，分割的塊數越多，中心成像區的平均磁感應強度越大，即磁場增強，而磁場的均勻度數值減少，即磁場更加均勻了。分割的越多，越接近于理想的均勻磁化情況。但是，分割的塊數增多，會導致實際加工裝配的難度增大，因此需要根據具體應用進行權衡。

表1 分割成不同塊數的中心成像區磁場情況

2.2 相關磁體結構參數的影響及分析

基于上述分割成8塊的環對型磁體，探索磁體相關結構參數對中心成像區磁場分布的影響。磁體模型中主要考慮3個結構參數，分別是2個環形永磁體的外徑Rout、單個永磁環的高度H和兩個永磁環之間的距離D。在離散成8塊的初始化模型中，Rout＝0.4 m，H＝0.1 m，D＝0.4 m，中心成像區磁場的平均磁感應強度為0.194 4 T，磁場均勻度為19 708×10－6，在此基礎上，改變上述的3個結構參數，觀察其對中心成像區的磁場的影響情況。

（1）改變環形永磁體的外徑Rout。由于環形永磁體的內徑決定了可成像物體的尺寸大小，所以暫時保持固定不變，只考慮改變環形永磁體的外徑Rout。分別計算了Rout從0.25～0.5 m線性改變的幾組結果，得到的中心成像區的磁場情況如圖5所示。

圖5 環形永磁體外徑Rout對磁場的影響

圖5（a）為中心成像區平均磁感應強度的變化情況，圖5（b）為中心成像區磁場均勻度的變化情況。由圖5（a）、（b）可見，隨著環形永磁體的外徑Rout的增大，中心成像區的平均磁場強度逐漸增強，磁場強度從56.1變化到253.2 mT；同時，磁場均勻度的數值也在逐漸減少，中心成像區的磁場變得更加均勻。從結果中可以得到，中心成像區的磁感應強度和均勻度都隨著環形永磁體外徑Rout的改變呈現線性變化。但是，環形永磁體的外徑Rout變大，會增加永磁體的重量和體積，將會直接影響其便攜移動的性能，所以也需要綜合考慮和優化。

（2）改變環形永磁體的高度H。第2個考慮的結構參數是環形永磁體的高度H，分別計算H從4 cm到14 cm線性改變的幾組數據，得到的中心成像區的磁場情況如圖6所示。

圖6 磁體高度H對磁場的影響

圖6（a）為中心成像區平均磁感應強度的變化情況，圖6（b）為中心成像區磁場均勻度的變化情況。由圖6（a）、（b）可見，隨著環形永磁體高度H的增大，中心成像區的平均磁感應強度逐漸增強，磁感應強度從90.7變化到245.4 mT。但是，磁場均勻度的數值并非隨著高度H的增大呈現線性變化，在這幾組數據中，當高度H＝6 cm的時候，中心成像區的磁場均勻度數值最小為7 320×10－6，即磁場最均勻。可見，中心成像區磁感應強度隨著環形永磁體高度H的改變呈現線性變化，但磁場均勻度卻呈現非線性變化。環形永磁體高度H和外徑Rout一樣，會直接影響永磁體的重量和體積，所以需要綜合考慮和優化。

（3）改變兩個永磁環之間的距離D。最后一個考慮的結構參數是2個永磁環之間的距離D，這個參數也是3個結構參數中不會影響磁體重量和體積的參數。分別計算2個永磁環之間的距離D從0.2 m到0.7 m線性改變的幾組數據，得到的中心成像區的磁場情況如圖7所示。

圖7 兩個磁體之間距離D對磁場的影響

圖7（a）為中心成像區平均磁感應強度的變化情況，圖7（b）為中心成像區磁場均勻度的變化情況。從圖7中可以看到，隨著2個永磁環之間距離D的增大，中心成像區平均磁感應強度逐漸減弱，從290.6變化到85.8 mT。但是，磁場均勻度數值并非隨著距離D的增大呈現線性變化，當距離D＝0.4 m的時候，中心成像區的磁場均勻度數值最小為19 708×10－6，即磁場最均勻。可見，中心成像區磁感應強度隨著2個永磁環之間距離D的改變呈現線性變化，但磁場均勻度卻不呈線性變化。

3 結 語

基于便攜移動型MRI系統環對型永磁體進行了建模仿真。運用ANSYS軟件建立模型并對其幾個相關結構及參數進行了探索和分析。從仿真結果中可見，隨著環形永磁體分割塊數的增多，越接近于理想的均勻徑向磁化的情況，中心成像區磁感應強度越高，磁場越均勻。在分析環對型永磁體的3個結構參數對中心成像區磁感應強度和磁場均勻度的影響，有的影響均是線性的，例如隨著環形永磁體的外徑Rout的增大，中心成像區平均磁場強度逐漸增強，同時，磁場也變得更加均勻；也有一些參數對中心成像區磁感應強度的影響是線性的，但是對磁場均勻度的影響卻是非線性的，例如永磁環的高度H和2個永磁環之間的距離D這兩個參數。同時，這3個參數中，環形永磁體的外徑Rout和永磁環的高度H增大會增加整個永磁體的重量和體積，會影響到整個便攜MRI系統的移動性，因此需要權衡考慮。這些計算分析結果可為環對型永磁體的優化設計和實際工程制作提供一定的參考和指導。

本文針對環對型永磁體只進行了初步的仿真和探索，未來在這些仿真和分析的結果中，可考慮對磁體結構進行優化設計，例如綜合考慮分割的塊數和這3個結構參數，同時對磁體結構進行優化設計。從計算的這些結果中也可以看到，中心成像區的磁場均勻度并不是非常理想，未來還應考慮采用其他更多的方法和手段來提高磁場的均勻度。