基于ANSYS的便携MRI系统中环对型永磁体仿真

程艺苑， 苏明阳， 万书佳， 张新刚

（1.南阳师范学院 a.机电工程学院；b.计算机科学与技术学院，河南 南阳 473061；2.河南工业职业技术学院测绘环保工程学院，河南 南阳 473000）

0 引 言

目前，磁共振成像已成为医学影像和诊断的重要工具，被广泛应用于临床诊断和科学研究的众多领域。随着我国人口老龄化的加剧和新冠疫情防控的常态化，在一些非医院的特殊场所，如养老院、重症监护室、手术室、救护车、急诊室、体育场或者隔离医疗点等，对于一些特殊病人在无法移动的情况下，需要利用MRI技术进行局部成像和初步诊断，在这样的背景之下，便携移动型MRI系统迅速发展起来，具有广阔的应用前景。

磁体是MRI系统中体积最大、重量最重、造价最高的核心部件，其主要作用是在中心成像区产生一个均匀的静磁场，磁场的磁感应强度和均匀度将直接影响成像质量［1-2］。常导型和超导型磁体的结构复杂且需要额外的电力和液氦［3-4］，体积庞大不适合在移动场景的应用。永磁型磁体的结构简单开放，造价低廉，我国永磁材料丰富，是便携MRI系统的最佳选择。

目前，有关便携MRI系统的相关研究与应用中，永磁体常采用双极型、Halbach型和环对（Ring-Pair）型这三类，具体结构如图1所示，图中的黑色箭头为磁化方向。双极型永磁系统由上、下两个磁极和不同形状（H或C形）的铁轭构成磁路，如图1（a）所示为H形的双极型永磁体。铁轭可以引导磁场构成闭合的磁路，但也增加了整个磁体系统的重量和体积，双极型永磁系统的成像区较小，主要用于室外植物成像［5］和人体局部检测成像［6］。Halbach型磁体是由若干块永磁体构成阵列，最常见的是闭合的环形［7］，如图1（b）所示，其不需要额外的铁轭，磁体的重量较轻，在桌上磁共振波谱仪、头部成像等应用领域取得了很多研究成果［7-10］。但是，Halbach型磁体产生的主磁场的方向为横向，而目前市场上常规的射频系统都不能直接使用，需要重新设计。近几年，由Aubert［11-12］提出的环对型磁体被初步探索应用于便携MRI系统中［13-17］，其主要由两个分别向内和向外径向磁化永磁环所组成，如图1（c）所示，黑色箭头为径向磁化的方向，红色箭头为成像区的磁场方向。环对型永磁体产生的磁场方向与市场主流超导型磁体的磁场方向一致，因此，目前与常用的射频线圈都相兼容可直接使用。

图1 几种永磁体示意图

本文基于这种环对型永磁体，运用ANSYS有限元分析软件进行了一系列的仿真，对其结构的离散化和相关的结构参数进行了分析和讨论，计算结果将对环对型永磁体的优化设计和实际工程制作具有一定的指导和参考意义。

1 模型建立

基于便携移动型MRI系统，建立一个环对型磁体模型，具体如图2所示。该磁体系统模型由2个分别向内和向外径向磁化的永磁环所组成，这2个环形永磁体的内半径Rin＝0.2 m，外半径Rout＝0.4 m，单个环的高度H＝0.1 m，2个环之间的距离D＝0.4 m。中心成像区在两个环形永磁体的中间部位，考虑直径为0.2 m，高度为0.05 m的圆柱体。永磁体的材料选择为钕铁硼（Nd-Fe-B），型号为N50，其剩磁Br＝1.38 T，矫顽力Hcb＝1 050 kA／m。基于此环对型磁体，本文利用ANSYS建立模型并进行一系列的仿真与探索。

图2 环对型磁体模型

2 仿真结果及分析

2.1 分割成不同的块数

理想的环对型永磁体是由均匀径向磁化的两个环形永磁体所组成。由于实现径向均匀磁化比较困难，实际应用时常将环形磁体进行均匀分割，用径向磁化的弧形小磁块拼接组成圆环形。本文考虑将环形永磁体分割成不同的块数，为保持磁化方向的对称性，分别将其分割为4，8和16块，具体模型如图3所示。图3中将图2的磁体模型进行了旋转，分为上、下2个环形永磁体，环形永磁体的径向平面为XY平面，轴向为Z轴，离散后的每一个弧形小磁块上的黑色箭头为其实际的磁化的方向。2个环形永磁体中间的小圆柱体即为中心成像区。

图3 分割成不同的块数的磁体模型示意图

运用ANSYS进行三维模型的建立和磁场计算，得到中心成像区的磁场的具体情况见表1，磁感应强度分布情况如图4所示。其中，中心成像区的磁场均匀度定义为：

图4 中心成像区磁感应强度分布

式中，Bmax、Bmin和Bavg分别为中心直径为0.2 m、高度为0.05 m的圆柱体成像区中的磁感应强度的最大值、最小值和平均值。磁场均匀度U的数值越小则表示磁场越均匀。

由表1可见，分割的块数越多，中心成像区的平均磁感应强度越大，即磁场增强，而磁场的均匀度数值减少，即磁场更加均匀了。分割的越多，越接近于理想的均匀磁化情况。但是，分割的块数增多，会导致实际加工装配的难度增大，因此需要根据具体应用进行权衡。

表1 分割成不同块数的中心成像区磁场情况

2.2 相关磁体结构参数的影响及分析

基于上述分割成8块的环对型磁体，探索磁体相关结构参数对中心成像区磁场分布的影响。磁体模型中主要考虑3个结构参数，分别是2个环形永磁体的外径Rout、单个永磁环的高度H和两个永磁环之间的距离D。在离散成8块的初始化模型中，Rout＝0.4 m，H＝0.1 m，D＝0.4 m，中心成像区磁场的平均磁感应强度为0.194 4 T，磁场均匀度为19 708×10－6，在此基础上，改变上述的3个结构参数，观察其对中心成像区的磁场的影响情况。

（1）改变环形永磁体的外径Rout。由于环形永磁体的内径决定了可成像物体的尺寸大小，所以暂时保持固定不变，只考虑改变环形永磁体的外径Rout。分别计算了Rout从0.25～0.5 m线性改变的几组结果，得到的中心成像区的磁场情况如图5所示。

图5 环形永磁体外径Rout对磁场的影响

图5（a）为中心成像区平均磁感应强度的变化情况，图5（b）为中心成像区磁场均匀度的变化情况。由图5（a）、（b）可见，随着环形永磁体的外径Rout的增大，中心成像区的平均磁场强度逐渐增强，磁场强度从56.1变化到253.2 mT；同时，磁场均匀度的数值也在逐渐减少，中心成像区的磁场变得更加均匀。从结果中可以得到，中心成像区的磁感应强度和均匀度都随着环形永磁体外径Rout的改变呈现线性变化。但是，环形永磁体的外径Rout变大，会增加永磁体的重量和体积，将会直接影响其便携移动的性能，所以也需要综合考虑和优化。

（2）改变环形永磁体的高度H。第2个考虑的结构参数是环形永磁体的高度H，分别计算H从4 cm到14 cm线性改变的几组数据，得到的中心成像区的磁场情况如图6所示。

图6 磁体高度H对磁场的影响

图6（a）为中心成像区平均磁感应强度的变化情况，图6（b）为中心成像区磁场均匀度的变化情况。由图6（a）、（b）可见，随着环形永磁体高度H的增大，中心成像区的平均磁感应强度逐渐增强，磁感应强度从90.7变化到245.4 mT。但是，磁场均匀度的数值并非随着高度H的增大呈现线性变化，在这几组数据中，当高度H＝6 cm的时候，中心成像区的磁场均匀度数值最小为7 320×10－6，即磁场最均匀。可见，中心成像区磁感应强度随着环形永磁体高度H的改变呈现线性变化，但磁场均匀度却呈现非线性变化。环形永磁体高度H和外径Rout一样，会直接影响永磁体的重量和体积，所以需要综合考虑和优化。

（3）改变两个永磁环之间的距离D。最后一个考虑的结构参数是2个永磁环之间的距离D，这个参数也是3个结构参数中不会影响磁体重量和体积的参数。分别计算2个永磁环之间的距离D从0.2 m到0.7 m线性改变的几组数据，得到的中心成像区的磁场情况如图7所示。

图7 两个磁体之间距离D对磁场的影响

图7（a）为中心成像区平均磁感应强度的变化情况，图7（b）为中心成像区磁场均匀度的变化情况。从图7中可以看到，随着2个永磁环之间距离D的增大，中心成像区平均磁感应强度逐渐减弱，从290.6变化到85.8 mT。但是，磁场均匀度数值并非随着距离D的增大呈现线性变化，当距离D＝0.4 m的时候，中心成像区的磁场均匀度数值最小为19 708×10－6，即磁场最均匀。可见，中心成像区磁感应强度随着2个永磁环之间距离D的改变呈现线性变化，但磁场均匀度却不呈线性变化。

3 结 语

基于便携移动型MRI系统环对型永磁体进行了建模仿真。运用ANSYS软件建立模型并对其几个相关结构及参数进行了探索和分析。从仿真结果中可见，随着环形永磁体分割块数的增多，越接近于理想的均匀径向磁化的情况，中心成像区磁感应强度越高，磁场越均匀。在分析环对型永磁体的3个结构参数对中心成像区磁感应强度和磁场均匀度的影响，有的影响均是线性的，例如随着环形永磁体的外径Rout的增大，中心成像区平均磁场强度逐渐增强，同时，磁场也变得更加均匀；也有一些参数对中心成像区磁感应强度的影响是线性的，但是对磁场均匀度的影响却是非线性的，例如永磁环的高度H和2个永磁环之间的距离D这两个参数。同时，这3个参数中，环形永磁体的外径Rout和永磁环的高度H增大会增加整个永磁体的重量和体积，会影响到整个便携MRI系统的移动性，因此需要权衡考虑。这些计算分析结果可为环对型永磁体的优化设计和实际工程制作提供一定的参考和指导。

本文针对环对型永磁体只进行了初步的仿真和探索，未来在这些仿真和分析的结果中，可考虑对磁体结构进行优化设计，例如综合考虑分割的块数和这3个结构参数，同时对磁体结构进行优化设计。从计算的这些结果中也可以看到，中心成像区的磁场均匀度并不是非常理想，未来还应考虑采用其他更多的方法和手段来提高磁场的均匀度。