【摘 要】
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脑卒中的发病率和死亡率在全国乃至全世界都是数一数二的。“早诊断、早治疗”的院前诊断是有效降低脑卒中致死、致残率的有效途径;“早发现、早处理”的床旁监测是重症监护室（ICU）中重症脑卒中患者治疗过程中控制病情的最直接的需求。目前,临床上解决上述需求的主要手段移有动式的小型CT上救护车进行院前诊断,以及开颅植入压力传感器监测颅内压来反映颅内病情变化。其中,移动CT具有电离辐射,且其对缺血性脑卒中的诊断
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脑卒中的发病率和死亡率在全国乃至全世界都是数一数二的。“早诊断、早治疗”的院前诊断是有效降低脑卒中致死、致残率的有效途径;“早发现、早处理”的床旁监测是重症监护室（ICU）中重症脑卒中患者治疗过程中控制病情的最直接的需求。目前,临床上解决上述需求的主要手段移有动式的小型CT上救护车进行院前诊断,以及开颅植入压力传感器监测颅内压来反映颅内病情变化。其中,移动CT具有电离辐射,且其对缺血性脑卒中的诊断采用“排他”方式,即非出血性脑卒中即缺血性脑卒中;颅内植入压力传感器对病人损伤大,且易发生感染。因此,临床上能够对能够实现无创、无辐射的脑卒中疾病成像设备是具有迫切需求的,医护人员需要以此诊断脑卒中及监测脑卒中患者的病情发展,降低脑卒中对患者健康和生命的伤害。磁共振成像技术（MRI）作为一种无创、无辐射的成像技术,在医学领域广泛应用,且其在脑卒中的诊断中比CT更具优势。一般,医院中使用的超导高场磁共振成像系统（1.5T、3.0T）、永磁中低场磁共振成像（0.7T、0.35T等）能够提供优秀的图像质量以及成像速度,但是由于其达十数吨的重量,占地面积大,且对电磁屏蔽、静磁屏蔽要求高等特点,无法进入到一般的科室中作为专用的影像设备。磁共振成像技术要进入到临床科室专用的脑卒中成像领域,就需要对其进行小型化、轻量化设计,同时也意味着磁场强度会急剧下降。本论文主要是从MRI系统中基于电磁场理论的电磁部件的设计出发,针对脑卒中疾病成像的50mT超低场磁共振成像系统的设计实现一套关于回字形磁体结构优化、梯度线圈结构设计、射频发射、接收线圈优化的理论,并对设计结果进行了加工制作、测量及性能测试,最终将其用于脑卒中成像的应用实验研究。论文的主要研究工作内容包括以下几个方面:1)50mT超低场磁共振颅脑成像主磁体优化设计。对比目前国内外脑部成像的轻量化磁共振研究现状,选择永磁回字形磁体结构作为系统的主磁体。针对永磁结构主磁体有限元仿真优化对计算资源和时间耗费巨大,引入均匀设计理论用于回字形主磁体的结构优化,将全试验仿真需要的仿真模型数量154个降低到均匀设计的15个。经过5次均匀设计迭代,获得了一个主磁场不均匀性小于2000ppm的回字形主磁体结构,实际测量不均匀性为8000+ppm,为进一步降低主磁场不均匀性,研究分析了不同尺寸匀场片在不同位置对磁场分布的影响,为无源匀场中选用匀场片大小及匀场片粘贴为位置提供了依据,最终经无源匀场后磁体的磁场不均匀性实测值从8000ppm+降到了约120ppm,磁场强度为50.9m T,重量约350kg;2)双平面梯度及匀场线圈电磁逆问题研究。对基于磁偶极子等效的电磁效逆问题方法应用于设计圆形双平面线圈,提出对单元偶极子采用等面积剖分,设计的X/Y/Z三路梯度线圈的梯度磁场非线性度分别为3.71%,3.74%,1.09%,在自由空间中梯度磁场效率为12.5m T/m/100A,13.5m T/m/100A,36m T/m/100A。还对实际加工、装配过程中线圈错位对梯度磁场的影响进行了仿真,其中以上下梯度线圈沿梯度场方向发生偏差对梯度磁场非线性度影响最大。基于上述设计理论,还设计制作了两个二阶（z2-（x2+y2）/2、xz）有源匀场线圈;3)射频线圈设计优化。针对用于脑卒中成像的回字形永磁主磁体结构,给出了一种变型的螺线管射频发射线圈结构,采用粒子群智能优化算法对其线圈间距结构进行了优化设计,目标区域内的射频磁场不均匀性<5%;并针对头颅形状设计了半球状的射频接收线圈以及截面为椭圆的螺线管线圈;4)50mT超低场磁共振系统性能测试及临床实验。在前面所述的工作设计制作的磁共振成像部件基础上,搭配相应的电子部件,构建了一套用于脑卒中成像的50mT超低场磁共振成像系统。首先,对其图像性能做了测试,水模成像结果显示其分辨率能达到1mm;其次,对其图像对脑部结构的分辨进行了说明,并测试了T1加权图像和T2加权图像中大脑组织的信噪比,分别为9.7和4.0;最后,在系统部署医院后对其进行了临床是实验,主要对出血性脑卒中、缺血性脑卒中以及脑部囊肿患者进行了成像,图像显示相关病灶具有特异性。本文通过对50mT超低场磁共振系统电磁部件的设计理论、性能测试、脑卒中疾病临床应用实验等多方面的工作,对50mT超低场磁共振成像系统做了全面的研究,为临床中脑卒中疾病的诊断和床旁成像提供了一个新的可能。
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