利用仿真技术设计和优化 MRI 鸟笼线圈

磁共振成像(MRI)系统必须产生高分辨率的图像，使医生能够准确地为病人诊断。为了获得这种高水平的图像质量，在磁共振成像仪和它的组件(如鸟笼线圈)内必须有一个已知的稳定的基础磁场分布。这就是仿真发挥作用的地方。通过用 COMSOL Multiphysics® 软件设计核磁共振鸟笼线圈，我们就可以控制和优化磁场，改善磁共振仪产生的扫描数据。

磁共振系统简介

磁共振成像是一种非侵入性的技术，可以生成身体内部结构的详细图像。这种图像被广泛用于医学和生物医学领域，帮助医生检测、诊断和监测疾病和其他健康问题。

一台 MRI 机器（顶部）和一个 MRI 生成的头部图像（底部）。顶部图片由liz west制作 – 自己的作品。根据 CC BY 2.0授权，通过Flickr Creative Commons共享。底部图片：Mikael Voss – 自己的作品。根据 CC BY-SA 4.0授权，通过 Wikimedia Commons共享。

简单来说，磁共振仪的图像工作原理是让病人在一个狭小的密闭空间内接受一个强磁场，这个磁场会改变他们体内质子的排列。磁共振仪还会产生一种电流，影响质子的旋转。RF 场被关闭后，质子回到平衡状态，释放出能量。一个接收线圈，如鸟笼线圈，会检测到这一变化，随后被转化为图像。

核磁共振仪产生的图像能让医生看到人体内部的情况，使他们能够准确地为病人诊断。然而，如果鸟笼线圈内的磁场分布由于其设计而发生波动，图像质量就会很差，这对医生诊断病人的能力产生负面影响。为了帮助医生避免这个问题，工程师可以通过仿真来优化 MRI 鸟笼线圈的设计。

在 COMSOL Multiphysics® 中设计和优化 MRI 鸟笼式线圈

我们今天讨论的案例模型展示了如何设计一个鸟笼线圈，并优化它在人体头部造影周围的磁场，用来创造所需的磁场分布。这个示例还研究了造影和周围空气的磁通密度（B-场）的圆形偏振。

人体头部模型周围和鸟笼线圈内空气的磁通密度。

该模型的几何中心是一个包含在鸟笼线圈中的人体头部造影。线圈(下图中的颜色为橙色)包括集总端口和电容器，我们用集总单元来定义它们。集总端口为线圈提供正交激励，而电容器决定了线圈的谐振频率和产生的场的均匀性。我们通过正交激励和线圈内适当数量的集总元件的组合，获得沿圆周的均匀磁场。

鸟笼线圈模型的几何形状。导电壳的正面被移除帮助可视化模型。该图像没有显示吸收边界。

线圈周围是一个 RF 屏蔽，它被施加了一个完美的电导体(PEC)条件，就像线圈的表面。线圈周围的空气域由一个空球体表示，在球的边界施加了散射边界条件，用来防止反射到建模域。至于网格，我们使用了电磁波，频域 接口中的自动网格控制选项。

在这个模型中，我们可以通过对线圈的集总单元的电容进行参数化扫描，找到周围空气在所需 Larmor 频率下的最佳磁场。通过确定幻影周围电场的标准偏差来量化磁场的均匀性。对于圆周率，我们还估计了造影周围的磁场的轴向比率。

分析磁共振鸟笼式线圈内的场分布和循环

我们来比较一下不包括人头部模型的磁场分布结果和包括人头部模型的结果。对于不包括人头部模型的研究，我们能够确定在 Larmor 频率下的集总单元电容的最佳值。此外，我们可以假设磁通量是圆形旋转的，因为磁通量密度的实部与虚部几乎是正交的。

当线圈被人头部模型加载时，结果显示，线圈中心的高电介质载荷导致场的均匀性和循环性变得失真。在这种情况下，我们可以调整线圈的电容来解决这个问题。

空气模型和线圈周围的磁密度模布(左)，以及线圈和人头部模型周围的磁密度模分布(右)。箭头图代表磁通密度的实部(红色)和虚部(蓝色)。

接着，我们检查一下对磁通密度的轴向比率以及人头部造影周围的电场标准偏差的积分结果。通过比较集总元件的不同电容值，我们看到实现循环偏振磁场的最佳电容值约为 28.5 pF。类似的这种结果表明，COMSOL Multiphysics 可以用来帮助设计和优化 MRI 鸟笼线圈。

包括人头部造影的模型周围的磁通量密度的轴向比率(左)和电场模的标准偏差(右)的积分。

延伸阅读

• 浏览下面这些博客帖子，了解更过关于医疗设备仿真的应用
  • 热疗肿瘤学: 癌症治疗中的热疗
  • 治疗糖尿病的胰岛素微泵设计
  • 借助 App 研究透析设备中的代谢废物排出过程