автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка элементов и устройств компьютерных магниторезонансных томографов

Санкт-ПатербургскрЛ Госудэрстшншнй кнотату'1

с—. точной мзхашпся г. оптики

<. )

(Технический уншюрсптот)

- с.гз

с:;

На прапаг рукоттг. C7S Сч!

ГМАИДИН Повоя ¿вдреавпч

ИССЛЕДОВАНИЕ 'Л РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ЮХШШГЕКШХ [¿АГШ'ГГОГЗЗСНАНСНЬЕ ТСМ0ГРАС03

тсшишлкхяь C5.I3.C5 - элементы я устройства Еячисяпгелыюа

техники :i CKCvet'. управления

Авторефзрат ЛЕссертзцяи на соискзкиз ученой степени доктора техшчвсних назгк

Сэккт-Пзтерйург -

'93ô

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственной институте точной механики и оптики (Технической университете)

Научннй консультант:

доктор технических наук, профессор

В.А. Иванов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, старима научный сотрудник

С. Г. Гериан-Г«лкик А.И. Жерновой

Р. Г. Скршпыкоц

Ведущая организация ЮТ "'Домен" (г. Санкт-Петербург)

Защита состоится 20 февраля 1996 г. в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д 053.25.02 при Санкт-

Патербургском Государственной институте точной механики и

оптики (Техническом университете)

Адрес: 197101, Санхт-Петербург, Сабликская ул. 14, СП5ГК1М0, тел.: 238-85-22, 238-87-55

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПйГИлМО

Автореферат разослан 17 января 1996 г. Ученый секретарь дасдаортащаоииод-о Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Научно технический прогресс в области приборостроения неразрывно связан с проблемами качества к надежности приборов и аппаратуры. Для решения этих задач необходимы разработка и внедрение новой техники, базирующейся на последниг .г.с?тяу°ннрт науки.

По мере развития науки и техники происходит далькеСоиае еоверщрнствоваю*0 сррд«*тг и их счсркого узла

первичных измерительных преобразователей. Этот процесс вырямается как в совершенствовании традиционных, так и в создании устройств, основанных на достаточно новых физических эффектах. К таким устройствам относятся измерительные преобразователи, использующие явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

ЯМР известен с середины 40-х годов. Магниторезонансная аппаратура, использующая это явление, имеет две основные области применения: измерительная техника и системы управления, з такие визуализация изображений в медицине, биологии, биохимии, физиологии, сельском хозяйстве с целью выявления внутренней структуры вещества или живого организма.

Использование магниторе?очэнслчт методов в измерительной технике позволяет наделю рёыаи» задачи измерений в закрытых объемах, проводить измерения деталей сложной формы с получением изображений необходимых сечений.

Широкие возможности открываются при использовании мягниторезонансных измерительных преобразователей в системах управления. Эти преобразователи обладают возможностью возбуждать и с достаточной чувствительностью принимать сигналы Я?ч 1 от атомов 'К, 'Н, 13С, 23Ка, "Р, находящихся в

исследуемом веществе. Таким образом, можно контролировать состав и управлять концентрацией растворов и расплавов, в той число и текущих по закрытым трубопроводам, управлять скоростью даиженпя и расходом веществ, контролировать и управлять поктг'ктрзциэй взвесей в жидкостях. Кроне того, присутствие п вех*??зе растворениях парамагнитных примесей существенно пзменягт вгкную характеристику процесса ЯМР -посто.т-тнуг) врем«;:-::: продольной релаксация, которая относительно

дзгко поддается измерению. Это обстоятельство мокио испольаоьать при создании систем управления, например» технологическими процессам! химического производства.

Крупной и бурно развивающееся областью использования напшторезонанской аппаратуры является визуализащ-г изображений с помощью магниторезонашлых (МР) томографов. МР-тсмографи широко применяются для медико-биологических исследований в развитых странах. Так, б Японии, клиники с количеством коек более 50 сертифицируются только при наличии МР-юиографа. В России магниторезонанская томография также начинает развиваться. Клиники крутых городоз начинают использовать ЦР-тоиографа западных фирм, покупаемые по цене 1-3 мял. долларов. В Санкт-Петербурге на конец 1995 г. имелось 5 таких установок.

Високая стоимость нагнлторезонансной томографической" аппаратуры заставляет вести разработки отечественной техники, которая по приблизительным подсчетам мокет иметь стоимость от 200 тис. долларон для томографов с разистивнииа иагнмтацп до 500 тыс. долларов для томографов с мзгпитзыми системами ка постоянных магнитах.

Магшторезокансные топографы довольно сложный приборы, конструирование которых требует как высокого профессионализм.? персонала предприятий, так и высокой культуры производства. Поэтому такое производство представляет несошшккнА кнтердс до! конверсионных предорингий ВПК.

При конструирования ыагнитореионанснсй ¡¡аизратурл необходимо учзткаать, чти ссаоиыи устройством, оиредэ.Еае&кк качество работ:; всей систсаы, шдястся магниторезекзгюикй измерительный преоиразеозтзль, содеркаций саатьщ коларрзуюкого кагниткого поля, скстчл.«у корреюдо этого пап;, градиенткиа с радиочас^ог^'п сиятеьи. Трсбов.т.ан г. зкк спстеиэ« доус-як-но висок?. Достаточно сказать, '¿то иосидоздадо ыапшноа поле доисгзгэ огдоситвльвоа отклонение гоздацрх;

не болае 10 и .д. (1 в рабочем сбъсад ьз1лэрат;:д?>«сг0

преоЗразоаателв. Этот вопрос ¡шюютса одаа из пир:«оотг-лекг.кк, поскольку качество а?» троим г-гя то^огра^:.-'!« спр^.г-': «¡лчт«: Бзлзчаксй И ОЛ^ОрОДКОСПД» аолярязувдэго пси».' и яздэЗгостм: П(Ш5 градали^оЛ ¡х.стех.-.:; н рабочей сЗъдоз ирбеОр&зодя-хздэ. Ь*с

случайно в ряде работ отмечается, что одно из важнейших направлений развития мэгниторезонансной аппаратуры будет проходить по линии усовершенствования магнитных и градиентных систем магниторезонансных измерительных преобразователей, заключающегося в максимальном увеличении рабочего объема маг-ниторезокансных измерительных преобразователей при минимизации их веса, энергопотребления, стоимости изготовления и эксплуатации.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов синтеза мэгнитореэонансшх измерительных преобразователей с увеличенным относительным рабочим объемом для систем управления и мэгниторезонансной томографии. Решение этой проблемы имеет первостепенное значение для снижения веса, энергопотребления, стоимости изготовления а эксплуатации мэгниторезонансной аппаратуры.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выявить основные проблемы создания магниторезснансных лзмерителышх преобразователей, принципы их построения, показатели качества.

2. Оценить важнейшие характеристики существующих магниторезснансных измерительных преобразователей и предложить тута их совершенствования.

3 .Исследовать связь между основными характеристикам гагниторезонансннх измерительных преобразователей и характеристиками их отдельных систем.

4. Предложить и теоретически разработать метода синтеза жтем внсокооднородного поляризующего магнитного поля, сорректкрукжрх, радиочастотных и ^адаентш? систем т^штсрезонансных измерительных преобразователей.

5. Разработать математическое -списание, алгоритмы и 1рограммн синтеза систем магняторезокзнскых измерительных граобрззоватплей.

6. Рассчитать оптимальнее варианты сястги пгнитзразончнсних измерительных преобразователей я предложить ягособк их конструктивного выполнения.

7. Провести экспериментальное исследозгнкс пакетов и !Яытк8?. образцов систем магниторззокаисннх !5?иарительян.т

Г:

преобразователей.

Научная новизна. В работе получены научно обоснованные технические решения, повышающие эффективность и расширяющие возможности магшторезонансной аппаратуры, используемой в системах управления, измерительной технике, медицине, вносящие значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в этих областях.

1. Выявлены основные проблемы создания магннторезоианоных измерительных преобразователей. Выбрано, обосновано а получило дальнейшее развитие в диссертации одно из эффективных направлений совершенствования магниторезонансной аппаратуры -разработка методов проектирования магниторезонансных измерительных преобразователей с увеличенным рабочим объемом.

2. Исследована связь между однородностью поляризующего магнитного поля, линейностью и величиной градиентных полей и основными характеристиками магниторезонансных измерительных преобразователей.

3. Предложен и теоретически обоснован локально-интегральный метод синтеза, позволивший разработать математическое описание, алгоритмы и программы для оптимальных расчетов систем поляризующего магнитного поля, корректирующих, градиентных и радиочастотных систем магниторезонансных измерительных преобразователей с увеличенным относительным рабочий объемом. Новизна подтверждается 2-мя авторскими свидетельствами и 5-ю патентами РФ.

4. Предложен и математически обоснован метод коррекции основных погрешностей изготовления систем поляризующего магнитного поля. Предложена корректирующая система, применение которой позволяет значительно расширить допуски на изготовление магнитных систем.

5. Обоснован и разработан метод учета влияния пленарных систем поляризующего магнитного поля на оптимальную конфигурацию корректирующих и градиентных систем.

6. Предложен метод и математическое описание расчета токов корректирующих систем с целью получения высокооднородного поляризующего магнитного поля в рабочем объеме магниторезонансных измерительных преобразователей.

Практическая ценность работы заключа-

ется в том, что она является научной основой при проектировании магниторезонансных измерительных преобразователей. Метода расчета систем измерительных преобразователей доведены до программных продуктов, позволяющих вести инженерны» расчеты.

Разработанные на новых принципах магниторезонансные измерительные преобразователи имеют относительный рабочий объем в 1,2 - 2 раза больший, чем у существующих.' Это позволяет значительно снизить вес, энергопотребление, стоимость изготовления и эксплуатации магниторезочансной аппаратуры.

Реализация работы. В период проведения теоретических и экспериментальных исследований, совместно с промышленными предприятиями были изготовлены, всесторонне экспериментально исследованы и использованы для комплектации планарных систем поляризующего магнитного поля градиентные, корректирующие и радиочастотные системы для педиатрического томографа, градиентные системы для полномерного томографа.

Научные отчеты по данным работам, в которых предложены новые принципы синтеза магниторезонансных измерительных преобразователей, переданы НПО "Днепропетровский машиностроительный завод", з-ду "Пирометр" и НПО "Электроавтоматика" (г, Санкт-Петербург), проводившим разработку магниторезонан-сной аппаратуры.

С использованием результатов, полученных в процессе . работы, разработан и изготовлен действующий макет малогабаритного магшторезонансного томографа, установленный на кафедре "Измерительные технологии и компьютерная томография" Санкт-Петербургсгого Государственного института точной мез 1ники и оптики (ТУ) и применяющийся в учебном процессе.

Кроме того, материалы работы используются на лекциях, лабораторных тзаботах, в курсовом и дипломном проектирования при подготовке инженеров по специальности 11901-"Приборостроение."

А п р о б 1 ц и я раб.оты. Результаты работы докладывались, обсуждались и получили положительную от'нку на кафедре "Измерительное технологии и компьютерная томография" я научных конференциях Санкт-Петербургского Государственного

института точной механики и оптики (ТУ), на VII Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы магнитных измерений и ыагнитоизмерительная аппаратура" (Ленинград, 1989), на научно-технической конференции с международным участием "Приборостроение - £2" (Керчь, 1992), на научно-методической конференции "Высшая школа и перспективы исследований в интересах медицины", организованной Российским центром координации фундаментальных и прикладных исследований для медицины при Санкт-Петербургском Государственном Университете (Санкт-Петербург, 1993), на научно-технической конференции "Приборы и приборные системы" (Тула, 1994), на Всероссийской научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Владимир, 1994), на Всероссийской научно-технической конференции "Конверсия, приборостроение, рынок" (Владимир, 1995).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано ?.9 научных работ. Из них 2 авторских свидетельства и 5 патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, восемь разделов, заключение, список опубликованных научных работ по теме диссертации, литературу из 89 наи м енований и изложена на 229 страницах, включая 31 рисунок, 17 графиков, 2 схемы, 20 таблиц. Приложение содержат 36 страниц примеров текстов некоторых программ, разработанных и использованных при расчетах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

Из общего объема выполненных исследований и разработок можно выделить основные положения, совокупность которых составлчет ряд научно обоснованных технических решений, повышающих эффективность, расширяющих возможности ыагкиторезонансной аппаратуры и вносящих значительный вклад в ускорение научно-техшческого прогресса.

1. Результаты анализа основных проблем создания магкито-реэонанснцх измерительных преобразователей. Состояние волрося увеличения эффективности и расширения возможностей магниторе-зонанпгах измерительных праобразователей путем увеличения

относительных рабочих объемов их стельных систем.

2. итог;; теореттч'гк^х исследований связи между основными характеристиками мэгниторезонаксинх измерительных преобразователей и харт-ггчрнстикпма их о-тдельннх систем.

3. Локэльно-питегрздьльй метод и его математическая реализация для расчетов ' истом поляризующего магнитного поля, корректирукших, гралиен-ткчх и радиочастотных систем с увеличенным рабочим объемом.

4. Метод коррекции о'новных погрешностей изготовления систем поляризующего магнитного поля и его математическая реализация. Корректируемая система, использование которой позволяет значительно . ра<м!глрить допуски на изготовление магнитных систем.

5. М^тод учу та В.П1Я7ШЯ планарних систем поляризующего магнитного поля на оптимальную конфигурацию корректирующих й градиентных систем п его математическая реализация.

6. Метод расчета токов корректирующих систем для получения Еыгокооднородногэ поляризующего магнитного поля и его математическая реализация.

7. Экспериментальные исследования корректирующих, градиентных и радиочастотных систем.

ОСНОВНОК СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проводимых исследова-жй, поставлена цель работа и задачи исследования, показана мучная новизна и практическая значимость работы. Представлены )снования выбора области исследований, указаны потенциальные Х5ласти применения рягультатов диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены проблемы создания ¡змерителькых преобразователей магниторезонаксной аппаратуры и [ритшипы формирования информации с помощью ядерного гягнитного резонанса. Описано явление ЯМ? и слособы его озбуждения. Показы-то. что сигнал ЯМР мояно получать в виде вободггого зату::эчия гг-.-укция, эха Ганнз и градиентного эха. ля формирования ;г;:бря::рк:-:й с помощью Яй» используется одировэняе ичфори.-гти г.п "астотэ '.• фаза с помощью градиентных агнатшг* полей а преобразование Оурье. Списаны

методы селекции отдельных срезов объекта.

Рассмотренные принципы формироьания изображений позволяют определить следующий состав и функциональное назначение узлов МР-аппаратуры! измерительный преобразователь, содс-.р:«зщий систему поляризующего магнитного поля, корректирующую и градиентные системы, радиочастотные катушки, блок питания системы поляризующего магнитного поля, блок управления корректирующей и градиентными системами, передатчик, приемник, блок электроники, управляюще-вычислительный комплекс.

Одним из основных узлов магниторезонансной аппаратуры, во многом определяющим ее качество, габариты, вес и стоимость, является измерительный преобразователь. Поэтому усовершенствование измерительных преобразователей - основная задача проектирования магниторезонансной аппаратуры.

Главным требованием к магниторезонансным томографам медицинского применения является качество изображении, определяемое разрешающей способностью аппаратуры и контрастностью. Для магниторезонансной аппаратуры, используемой в измерительных системах и системах управления основными требованиями являются разрешающая способность и чувствительность, определяемая, в основном, . отношением сигнал-шум измерительного преобразователя и аппаратуры.

В диссертационной работе определена связь основных характеристик магниторезонансных измерительных преобразователей (МРйП) с характеристиками их отдельных систем в случае использования преобразователей в аппаратуре магниторезонансной томографии. Очевидно, аналогичную оценку можно провести и для МРЖ систем управления.

Б магниторезонансной томографии основным показателем является качество получаемого изображения. Очевидно, качество изображения будет зависеть, в основном, от разрешающей способности аппаратуры и контрастности. Разрешающая способность определяется наименьшим расстоянием между точками образца, которое аппаратура ыожет различить. Разрешающую способность можно оценить, используя полученное нами, для случая формирования изображений методом прямого преобразования Фурье, выражение для дискреты разрешения изображения

■v И)

я

Отсюда слрдует, что разрешение растет с уменьшением относительной неопносодаости поляшяуюшего поля иВ =АВ /В и

* О I.» о

ростом грч;п»ента G . Получена также формула оценки линейности гдодаггкмх нолей, j?e.>Sio,¿tfWíi,ü для обеспечения заданного разрешения

■'■G 4 2 <:■ /х , (2)

* *

где т. - координата точки наблюдения.

3 качестве примера определены необходимые пэра!«>трч систем

МЯГННТОПег^иаулхтпт'п iTt-wnr'r) пррпбряЗОВафа-,тЧ п пс\ттапг»-^у _

гощям магнитным полем 0,1 1л, градиентным полем 5 мТл/м и рабочим объемом с линейным размером 200 мм при необходимой разрешающей способности 0,2 мм. По формулам (1), (2) необходимая нелинейного -гротярит^ до.тсгя бчть не более а .неоднородность поляризующего поля не должна превышать 10 м.д. (! м.д. — Ю").

Показано, что для получения качественного изображения с правильной передачей контрастности элементов, в рабочем объеме необходимо поддерживать магнитную составляющую поля радиочастотны*' (F4) катушек максимально постоянной. На практике относительная неоднородность этого поля в рабочем объеме может составлять 10-15% .

Проке ценз классификация МРИП по типу используемых систем поляризующего магнитного поля.

Банным параметром МРШТ, определяющим их габариты, вес и потребляемую мощность, является рабочий объем. Рабочим объемом называется область пространства измерительного преобразователя, в которой выполняются задашше требования по разрешающей способности и контрастности изображения. Следовательно, в рабочем объеме должна выдерживаться заданная однородность поляризующего магнитного поля, . необходимая линейность градиентных магнитных полей, необходимая однородность поля радиочастотных катушек. Обычно рабочий объем задается в виде диаметра сферы с центром в геометрическом центре всех систем измерительного преобразователя. Назовем относительным рабочим объемом отношение линейного размера рабочего объема к

линейному размеру зоны доступа, то «-.ль к внутреннему ди^м^т;»» измерительного преобразователя г: йк. бальной симм*т;дай ::ли зазору пленарной систем«, Р-ьлнчпну отнооптр.лького 'у-.'лу^-г:. объема удобно выражать в процентах.

Кз проведенного обзора .пнгературннх и патентных материалов следует, что обычно диаметр р.чб^чиго объема для ьсех систем измерительных преобразователе;; н? превьаает -0 - 00« зоны доступа. Естественно к^л^н.!^ р •зраЛотчиков и пользователей увеличить рабочий гм. ".•••едиченян рабочего объема путем увеличения зоны дог-тупа, то егть при сохранении относительного рабочего объема, '•■> системах поляраяу> ¿•►•го магнитного поля приводит к значительному увеличению массы и стоимости измерительных преобразоьагелпЛ. Так, с увели-¡екнем диаметра зоны доступа резистиьного магнита, его масса растет пропорционально квадрату диаметра, а увеличение меяполисчог-о расстояния пленарных систем приводит к росту массы пропорционально кубу этого расстояния. При этом, у градиентных систем потребляемый ток растет квадратично. Кроме того, увеличивается их индуктивность, что приводит к снижению быстродействия аппаратуры. Разка увеличивается . мощность, потребляемая корректирующими системам?.. У приемных . радиочастотных систем снижается отношение сигнал-шум. Необходимость увеличения мощности передактдо радиочастотных систем приводит к усложнению и удорожанию передатчика.

Поэтому основной задачей при проектировании МРЙП, с целью уменьшения габаритов, массы, потребляемой мощности, стоимости изготовления и эксплуатации аппаратуры, является разработка методов ргсчета и проектирования их систем с увеличенным относительным рабочим объемом.

Во второй главе рассматриваются методы синтеза систем МРИ1. На основании анализа существующих локального и интегрального методов, показано, что с вомоцыо локального метода мокно синтезировать конфигурацию систему, ко точность воспроизведения ей келаемого магнитного поля в рабочем объеме может оказаться недостаточной, так как условия синтеза в этом методе формулируются лапь ь одной точке. При синтезе; система интегральным методом, точность восародзьедениа магнитном ислшм заданной функции вьпла, но пс-рвснач-льнув кокфигургцнч система;

приходиться задавать разработчику. Процесс синтеза интеграль-м методом часто приходиться повторять многократно, n<x.j;enos9TsjiWf> подбирая э^-ективную конфигурацию системы.

Основные недостатки локального и интегрального методов У^г:'йн?°т преяляпемчй нами локально-интегральный метод слнтеь^ '.нчтеи м^гк'торе'зонанснкх измерительных преобразовате-льй, позволяющий увеличить их относительный рабочий объем.

Прпмрнеш?» лочальчо-ичтегральиого метода предполагает два этапч. Ка первом этапе, на основании решения уравнения Лапласа в сферических координатах для скалярного магнитного потенциала и перехода к вектору магнитной индукции при помощи соотношения Б = -л-1, моишо получить продольную составляющую индукции магнитного поля Б . Величина В_ и ее производные могут быть разложены в ряд по сферическим гармоникам

В прямоугольной системе координат для первых членов этого ряда получаем

В = А + ЗА 2 + ЗА х + ЗВ у + ЗА <2z2-з2-у* )/2 + 12А zx + + 12Б. tzy + !5A^ir- y'')+ 1 5Bj2 (2xy) + A<0z(8z2-15(Jf" +y2 ) )/2 + + 15А11х(4е2-х2-у')/2 + 15Bity(4z2-x2-y2 )/2 + 90Ац2z(x2-y2 > + -

+ 90B^?:(2xy) + 105A4)jX(X2-3y2 ) + 105B4 _,y(3x2-y2 ) + •••• (3)

Расположение проводников выбирается так, чтобы в начале координат обращались в нуль нежелательные В^-компоненты индукции поля.

На втором этапе уточняется конфигурация обмоток системы с целью повышения точности воспроизведения ее магнитным полем желаемой функции. Этого можно добиться, минимизируя, например, методами многопараметрической оптимизации, в выбранных точках 1Д , отклонение поля системы от теоретически необходимого.

Задача оптимизации системы сводится к поиску таких значений переменных параметров оптимизации,. при которых погрешности б(М1 ) будут минимальны. Для этого расположим ш расчетных точек в рабочем объеме и добьемся минимальных значений погрешностей (М ). В качестве критерия оптимизации К принимаем наибольшее по модулю значение погрешности индукции магнитного поля в расчетных точках (К = '■'"',„, Ш ) I). Именно

при таком выборе критерия оптимизации ьначення отклонений индукции магнитного поля системы в любой расчетной точке не превышают достигнутого значения К.

Третья глава посвящена системам поляризумцего магнитного поля (магнитным системам (МС)).В случае расчета магнитных систем (МС) с максимально однородным полем необходимо синтезировать такую систему обмоток, для которой в разложении (3) остался бы только первый член, а максимальное число остальных членов разложения равнялось нулю. Ряд (3) для продольной составляющей поля на оси 1 можно в этом случае записать в виде

а'в. сг ь

В.- В +----Ч — - ... . (4)

2! (12 . 4' с1з

Для соленоида длиной 2а., с внутренним радиусом И, внешним радиусом И и прямоугольным сечением обмоток получено выражение для компоненты поля б произвольной точке пространства с координатами г , х в виде

у ¡1 г г------------------

В„ =—-— | сов ф + г^+х^+г"сов ф> ] с1ф +

г~

1 г х СОБ ф ^(г^+х'+г^-ггх С06 ф) - 2, + £ j -----1п ______/•■----

\Ъ\ >'4г/+х(''1+2'г-2гх<1 СОБ ф) +

п

г X.Bln ф \ (Г-Х СОБ ) 1 '

_ —^- агс - "----— аф V;

11,б1п Ф /(г2 +гг -2гхо с ос ф) '1

Е 2 1 : ^

! . (5) Н 'г

где г = г -г , г = г +г , м - магнитная постоянная, 3 -

1 ОС Л 1> С ' О

плотность тока.

В центре соленоида при г= -2 , г = и=11/й и

В +/ Б2 +г2 а+/ аг+132 В * и № 1п —5—■ ' ' = р. Л( р 1п--. (5)

О /о С 0-. ~ I.» 1 у--

й +у Вг+г2 1+/ 1 +0*

Расчеты паля соленоида по формуле (5) показывают, что приемлемые для практических целей размеры рабочего объема

могут быть полупены при длине соленоида в 12 - 15 диаметров его внутреннего отверстия. Изготовление и использование такой МС нереально. На практике используются МС, состоящие из аксиально симметричного набора соленоидов с прямоугольным сечением, Формирующего иолярчзующее магнитное поле с заданной однородностью. Для расчета тчких систем необходимы выражения для производных поля соленойда высоких порядков. Аналитическое днг!>£еренцийрование для получения этих производных затруднено вгиду их сложности. Поэтому нами выведена рекуррентная формула для получения производных ххбого порядка.

Расчет МС сеодится к решению систем уравнений, позволя-¡от/5»<у скомпенсировать часть членов ряда (4). Порядок системы определяется порядком первого «некомпенсированного члена ряда.

Рассмотрим синтез МС на примере системы четвертого порядка (система Гельмгольца).Такую систему можно представить кя:-:. разность двух соленой доз с одинаковыми внутренним радиусом К, наружным радиусом Рч и геометрическим параметром си^/И: большего - длиной Ь. - 2 К л, и малого - длиной Ь = 2 й р , При тагах обозначениях можно записать синтезирующее уравнение для коэффициентов ряда (4) магнитного поля системы, справедливое для всех его членов

В {••, •>) - Б («,!>) - В (а.й), (7)

ПС 7. П I

где индекс п. относится к номеру членз ряда, а индекс с обозначает суммарное значение коэффициента для МС.

Найдем значения геометрических параметров 31 и В?, при которых однородность магнитного поля такой МС будет повышена за счет компенсации члена степенного ряда второго порядка в разложении (4). В нашем случае для компенсации коэффициента В. .(а.й) катушку ке-сбходкчо располагать вблизи экстремума компенсируемой функции. Точные значения параметров р и р могут быть получены при решении уравнения.

В?с(а,;\,3?)= Ви-'Х,!^) - В?(а,^) - 0. . (8)

Для его решуимя можно, например, использовать кедяфициро-вгнрый метод Ньютона решения систем нелинейных уравнений. Исходные значения пар^етрот» н а Г> при атом должна находиться по ра.пм* стороны от •зкетреигума функции В (а,р),

значения которого для а в диапазоне от 1 до 3 аппроксимируются полиномом

= 0,5 + 0,21 (а-1) - 0,05('Х-1 )г.

(9)

При я= 1,3 и Г^- 0,3, получаем 0,94. Значение необходимой плотности тока J для создания магнитного поля с индукцией В..„(„ можно рассчитать по формуле

1 = В^.^/В, . (10)

В работе проведен расчет МС шестого и восьмого порядков различной конфигурации. Нам удалось впервые синтезировать МС десятого порядка из трех катушек, технологичную в изготовлении (рис. 1), Синтезирующее'уравнение такой МС имеет вид

В

= +

Рис. 1. МС 10-го порядка

(11)

С целью компенсации членов ряда второго, четвертого шестого и восьмого порядков нам удалось решить систему уравнений

Е^О, (к= 2,4,б,б). (12) Новизна предлагаемой системы подтверждается патентом РФ.

Таблица I

Порядок I магнитнойг

Размеры области по осям 2 и г в % от внутреннего радиуса И

системы |

! 1-10

относительная неоднородность

1 ио" м ио"

; 1 * 1 о

1-10"

4 6 В 10

3x3 ! 7 х 7 ¡10 х 13 ¡18 X 23 ¡35 X 42

¡10 х 13И8 х 22130 х 35 ¡45 х 50

i : !

(17 х 23¡37 X 50¡53 х 65 ¡72 х 87

¡57 I 68^70 х 87; - '

70 х 70

Размеры областей по осям координат гиге одинаковой неоднородностью для ЫС различного порядка приведены в табл.1. В работе приведены карты полей рассмотренных МС, даквае

представление об о,инородности поля. МС низких порядков имеют малые размеры области с требуемой для магниторезонансной аппаратуры неоднородностью (менее 1-10"''), поэтому их использование возможно только при увеличении внутреннего диаметра МС.. РСак следствие этого, они имеют большую массу а потребляемую системой мопд-юсть. МС десятого порядка икйжт достаточную для рассматриваемых целей область с выоасой однородностью создаваемого магнитного поля, поэтому дальнейшее повышение порядка МС нецелесообразно.

ПриЕг-ден конструктивный расчет МС десятого порядка, поз-еолявдкй по заданным внутреннему радиусу катушек, допустимой плотности тока и индукции систем, определить число слоев и витков в кахдой катушке, силу тока и потребляемую мощность. Выполнен расчет системы охлаждения.

Погреамости изготовления МС можно разделить на две группы: группу, оказывающею симметричное влияние на магнитное поле (гтклокения внутреннего радиуса, длины и высоты центральной и боковых катушек, зазора между ними от номинальных значений) и группу с несимметричным влиянием (разноразмерное™ внутренних радиусов, длин и высот боковых катушек и несимметричность их положения относительно центральной катушки). Оценка одиннадцати видов погрешностей изготовления МС показала, что изготовление МС со столь высокими требованиями к точности выполнения геометрических размеров практически невозможно и необходима компенсация погрешностей изготовления.

Погрешности симметричной группы вызывают неоднородности магнитного поля, создаваемые членами ряда (4) с коэффициентами четных порядков 15,, В , Вй, Во. В то же время погрешности несимметричной группы приводят к возниконовешю неоднородностей, связанных с членам ряда с коэффициентами нечетных порядков В , В , В,, В,, В . Для компенсации

х 1 Э V 7

возникаю:®« неоднородностей основного магнитного поля необходимо создать корректирующее магнитное поле с неоднородностями тех же порядков, разными по величине, но противоположного направления. Предлагается корректирующее устройство десятого порядка, состоящее из девяти катупек, намотанных на ьнеаних поверхностях "катушек НС с независимыми йсточкихлып питания. Показано, что использование этого у строй-

ства позволяет расширить допуски изготовления до приемлет*.

Б четвертой главе рассмотрены корректирующие системы [»1РМП и метод получения высокооднородного поля в рабочем объеме. Описанными выше способами не удается устранить неоднородности поля из-за эксцентриситета обмоток и их перекоса относительно общей оси магнитной системы при винтовой намотке. Поэтому необходимо дополнительно использовать корректирующие слстемы (КС).

КС представляют собой комбинацию нескольких проводников одного типа. Синтез КС, соответствующей только одному члену разложения (3), практически невозможен, так как конструктивно невозможно скомпенсировать бесконечное число остальных членов ряда. Компенсация же нескольких членов ряда усложняет конструкцию корректора. Так как обычно КС содержит от 6 до 12 корректоров, то конструкция каждого корректора долина быть максимально простой. Упрощение корректоров приводит к взаимозависимости членов разложения, но с этим приходиться мириться. Кроме того, точность воспроизведения соответствующей функции в рабочем объеме может быть относительно невысокой (отклонение до 10%), так как пользуясь некоторыми методами, описанными ниже, можно успешно корректировать однородность поля, используя кеидеальные корректоры. Для расчета корректоров использовался локально-интегральный метод, предложенный в главе 2. Корректоры будем называть в соответствии с функцией, которую они воспроизводят. Отдельные корректоры первого порядка X, У, Ъ можно не использовать, так к*.к градиентные системы, входящие в состав аппаратуры, предназначены для получения линейных магнитных полей вдоль координат X, У, 2. Запитывая градиентные системы необходимыми токами, можно скомпенсировать нежелательные линейные составляющие'поляризующего магнитного поля.

В работе синтезированы КС второго порядка с аксиальной симметрией, В сответствии с разложением (3), этим системам соответствуют корректоры гх, 2У, ХУ, Х2-У2.

КС с аксиальной симметрией строятся из проводников в форма кругового витка или дуги с током. Компонента индукции магнитного патл дугового проводника радиуса Р. с центральным углом ф и током I в точке пространства с относительными коор-

данатзми > = х/В, i; - y/'R, к = z/H, установленного на расстоянии - м = z^/F. от начала координат, определяется выражением

р. I | (1 - 'fcos^- •i)sinfij)d'pii

i Г i ;-cos>pn У + (tj-sinf^ У + V

(13)

Поле, пропорщюкальное гх, создает система из двух седлообразных катушек, расположенных напротив друг друга симметрично началу координат. На первом этапе аксиальнзя составляющая индукции поля системы раскладывается в ряд

Г 1 й'В 1 <Э"В

В =2 -- .....7 я + ----- ----5— ТВ + ... '14)

2! <7К 4! д-у с?:'

Компенсируя второй член ряда путем решения уравнения

и Г г 15 <; (4н * -41 е2 -И 8)совф й<р - = I----' =0, (15)

д ^ 2г,Н I (1 + е2)

получим ь.= 0,й8. Расчеты показывают, что при атом рабочий объем корректора с отклонением поля от идеального до 10% представляет собой сферу радиусом не более 45% радиуса дуговых участков (относительный рабочий объем - 45%).

Используя в качестве параметров оптимизации относительное положение дугового проводника е _ и угловой размер дуги <р, а в качестве критерия оптимизации - минимум отклонения поля от теоретического, минимизируем остальные члены ряда (14). В результате получим в(>=0,72, , что приводит к увеличению

относительного рабочего объема до 58%.

Таблица 2

Относительный рабочий объем, %

Тип корректора Локальный Предлагаемый

метод метод

ZX, ZY • 45 58

XY, Хг- Y2 , - _..j 42 60

Аналогичным образом синтезированы остальные корректоры. В таблице 2 приведено сравнение относительных рабочих объемов корректоров, рассчитанных локальным и локально-интегральным

методами.

Пленарные корректоры второго порядка описаны в работа 5. Андерсона [ПНИ, N 3,1961]. Они состоят из прямолинейных проводников, создающих токовые путли различной конфигурации. Расчеты полей выполнены в приближении, что у.:л ччие прямолинейные проводники имеют бесконечную длину. На прат-тикр, в современных планарных магнитных системах, размеры пол-о^пах наконечников минимизируются и рабочие проводники должны иметь длину не более 2 - 2,5 величины меклолюсного расстояния магнитной системы. Кроме того, не учтено поле так назьтзрмы:; боковых проводников, соединяющих рабочие проводники. Это сникает точность расчетов. Поэтому уточнены результаты расчетов корректоров второго порядка путем оптимизации положения рабочих проводников с учетом их конечной длины и влияния боковых проводников.

Рассмотрены также корректоры третьего порядка, на описанные в работе В. Андерсона. Корректоры третьего порядка довольно часто применяются для коррекции поля планарных систем. Это связано с тем, что поляризующее магнитное пола планарных систем имеет более мелкие пространственные вариации по сравнению с аксиальными системами, которые появляются из-за неоднородности отдельных магнитных элементов.

Получены выражения для составляющей индукции поля рабочих и боковых проводников конечной длины лежащих в плоскости ?.м, учитывая что рабочие проводники параллельны оси X, а боковые -оси Y. Составляющая индукции поля рабочего проводника с координатами начала х у го и конца х.уд > определяется выражением

В =

НоКУ-У0>

4тс г

л* ,

X."

X - X

/г? + (х -х)2

(15)

у г"ч(х -х)2 1

где (у-у0)2+(г-г;о)2.

Составляющая индукции поля бакового проводника с координатами начала хоу,2о и конца хсУ.Д, может быть получана следующим образом:

ц 1(х-х )

г о л о '

в =

4к г2

У,- У

У,- У

/гг +(У, -уГ /гЧ(у,-у);

(17 >

где г" .'-к-х,)' + (2-2(1 У'■

Дл: кругового витка с центром на оси I и радиусом И,

лежащего в плоскости Ъ_ , при а =

В.= "----------тт--. (18)

2Ь- (1+ о.г У *

С использованием этих выражений, локально-интегральным методом синтезирован ряд пленарных корректоров второго и третьего порядков. В таблице 3 приведено сравнение относительных рабочих объемов корректоров, рассчитанных локальным и локально-интегральным методами.

Таблица 3

Тип корректора Относительный рабочий объем, %

Локальный метод Предлагаемый метод

гх, 7Л 40 58 |

ХУ, X'- ¥2 ; 38 55

к' 50 50

г3 ; 45 50

х3 50

Заметим, что вряде случаев расчета локальным методом,' размеры корректоров и соотношение числа витков в секциях обмоток могут оказаться практически невыполнимыми. Локально-интегральный метод, как показано в работе, позволяет устранить эти

недостатки.

КраТКО ОП.^СсЛШ Ки^гСТр./лЮрраКх1Лру£Си^ИХ СНСТс«..

Коррекций неоднородности поляризующего магнитного поля мо.тео осуществить, последовательно подбирая токи в катушках корректирующей системы и- контролируя однородность поля в рабочем объеме. Гораздо лучших результатов мо^о добиться, катематически реаая задачу оптимизации токов в корректирующих катушках с целью получения максимальной однородности.

Очевидно, что обцае магнитное поле В , которое создается магнитной системой и системой корректирую?!! катушак, можно

записать как сумму трах полей: во-первых, постоянной составляющей основного магнитного поля Бм, во-вторых, составляющей пространственных Еариэций основного псля ,\В и в-третьих, магнитного поля системы из М корректирующих катушек

I

В.. Тогда

В (X.) = В + АВ (X ) + У В,(Х.

Т I " « <■' ¿^ Г I

Общее магнитное поле Вт по существу должно быть равно постоянной составляющей основного магнитного поля В . Следовательно, суша второго и третьего членов в внракении (19) должна быть минимизирована. В компенсации пространственных вариаций основного поля магнитными полями корректирующих катушек и заключается коррекция основного магнитного поля с помощью корректирующей системы.

В работе приведено математическое описание и алгоритм метода расчета токов в КС, позволяющего эффективно корректировать неоднородность поляризующего поля.

Пятая глава посвящена градиентным системам. Задача разработки градиентных систем сводится к. созданию систем катушек с высокой линейность» градиента магнитного псля (порядка 1%) и максимальной величиной градиента, получаемого на единицу затрачиваемой силы тока, т.е. максимальной эффективностью системы.

Аксиальные системы продольного градиента 2 состоят из симметрично расположенных вдоль оси Ъ пар круговых проводников со встречными токами в каждой паре. Для кругового проводника радиусом Е и током I, расположенного на расстоянии zo от начала координат продольная составляющая индукции

а I Е.

В = -^---------—, (20)

Разлокение В, в степенной ряд запясываатся в видя

В (г) = 2Ш с + Н г3 + .. На" + ... Ь (21)

г х ' д з п '

1

где Н = -— б"В /из'1 - коэффициент ряда п-го гозялка.

П! ° "

Путем рэаения соответствующих систем уравнений юкно кои-пенсирсвать члены ряда третьего в выше порядков, в таблица 4

приведены сравнительные характеристики для градиентных систем Ъ разного порядка компенсации нелинейностей.

Таблица 4

Пор компр " 1 „ " "" ; Число "1док» I пар чсащш катушек 1 Диаметр области' с нелинейностью менее 1Ж,И Габаритный размер,Б Эффективность 0, (мТл/м)/А №=0,1м)

3 ; 1 0,56 1,74 2,5

5 1 2 1,16 2,38 2,2

7 ] 3 4 1,22 4,12 1,6

Цз таблицы следует, что увеличение числа пар катушек приводит к увеличению размера области линейного градиента чагнпглого поля. Однако яри этом происходит увеличение габаритов градиентной системы и снижение ее эффективности.

В таблице 5 приведено сравнение систем из трех пар проводников рассчитанных локальным и предлагаемым локально-интегральным методами.

Таблица 5

Параметр Локальный метод Предлагаемый метод

Габаритный размер 4,12Й 2, ЗОИ

Суммарное число витков 29,4 14

Диаметр сферы с нелинейностью менее 1% 1 ,22В 1,40Н

Эффективность, (иТл/м) /А 0,63 0,74

Потребляемая мощность, Вт аогз 27,8

Из таблицы следует, что предлагаемая система имеет больший оноситедьный рабочий: объем и эффективность при меньших га-Сэрэтйх и потребляемой меткости. Нсвизна решения подтверждается пагчнтоь' РФ,

)1г> бэз-2 известной системы Голея, с использованием формулы (13;, .токельно-интегралькго* «входом синтезирована система поперечного градиента X, состоящая из четырех седлообразных хзтуже.ч ас три секции в хзддой. В яэблида б приведены сравни-тедышй Характеристики сзетгк.

Из таблицы следует, что предлагаемая система имеет больше относительный рабочий объем и эффективность при меньших габаритах и потребляемой мощности. Новизна решения подтверждается патентом РФ.

Параметр

-Л.

Система Голея

Таблица б

¡Предлага- ' i емая '

Габаритный размер ! 5,14 R 3,50 R

Число секций ; 1 3

Отношение токов в секциях: 1:1 1:1:2

Диаметр сферы с нели- ; нейностыо менее \% 0,40 R 1 ,0 F

Эффективность | 100% 270"

Потребляемая мощность \ 100% 38%

Пленарные градиентные системы строятся из проводников в форме кругового витка или комбинаций линейных проводников с током. В пленарных магнитных системах ось I принято направлять перпендикулярно плоскостям полюсных наконечников. Поэтому прод'-льный градиент направлен вдоль оси Ъ и называется гргдиентом Ъ. Градиент Ъ можно получить, расположив в двух плоскостях перпендикулярных оси Ъ одну или несколько секций из

Таблица 7

I г Известное Параметр I устройство Предлагаемое устройство

Расстояние между пластинами Ь,мм 400 400

Диаметры секций, мм внутренней -внешней 263 742 208 '584

Отношение числа витков в секциях 8,63 10

Область с нелинейностью менее 1% вдоль осей х,у вдоль оси г ■0,611 0.62L ' 0.73L 0.73L

круговых витков с током и включив эта обмопси встречно. С

■'Ь

использованием формулы (18), в работе, локально-интегральным mgгодом, проведен синтез системы Z из двух пар круговых секций. Б таблице 7 приведено сравнение предлагаемой системы с наилучшим из известных устройств по патенту FH N 2571496.

Кз та5.*мцы следует, что область с высокой линейностью градиента магнитного поля в продольном направлении в предлагаемой системе катушек увеличена более чем на 10 %. Кроме того, преимуществом предлагаемой системы является целое отношение числа витков в секциях. На разработанное устройство получен патент РФ.

С использованием выражений (16), (17) локально-интегральным методом рассчитана систем i пленарного поперечного градиента X. Устройство состоит из четырех электрически соединенных последовательно катушек, расположенных попарно на параллельных пластинах, установленных симметрично плоскости, проходящей через геометрический центр устройства. При этом катушки, лежащие не одной пластине намотаны встречно и состоят кз трех электрически соединенных последовательно секций прямоугольной формы. В таблице 8 сравниваются параметры предлагаемого устройства с известным устройством фирмы Resonex Inc. (Патент ЕПВ N 0217520).

Таблица 8

1 j Параметр 1 Известное устройство Предлагаемое устройство

:Расстояние 'между пластинами Ь,мм 400 400

'Число секций 15 3

;Область с нелинейностью |менее \% вдоль оси X 0,43L 0,96Ь

1 вдоль оси Y С, 45L 0,80Ь

| вдоль оси Z 0,281 0,551,

Сравнение этих сяст°у показывает, что область с высокой линейностью градиента магнитного поля в поперечном направлении для предлагаемого устройства примерно в два раза больше. Кз розрэбстанное устройство для получения поперечного градиента пол/-геи патент РФ.

Г 6

В работе приведены карты магнитных полей градиентных систем, кратко рассмотрены их конструкции.

В шестой главе рассматривается влияние пленарных систем поляризующего магнитного поля на конфигурацию градиентных и корректирующих систем. Оптимальные размеры обмоток градиентных и корректирующих систем под влиянием близко расположенных ферромагнетиков увеличиваются, причем увеличение размеров различно для систем разного типа. Отсюда можно сделать вывод, что учет влияния на размеры катушек их положения относительно полюсных наконечников и проницаемости иагнитопровода может улучшить линейность поля градиентных систем и увеличить эффективность систем коррекции. Б сравнении с известными работами А.А. Лухвича, A.A. Савицкого, B.F. Чу-рило (Институт прикладной физики АН Белоруссии), нами получены выражения для индукции поля линейных проводников конечной длины с учетом их зеркальных отображений, предложен и математически обоснован более простой и удобный метод определения эффективной магнитной проницаемости планарных MC.

Седьмая глава посвящена расчету радиочастотных (РЧ) систем. Определены основные требования к РЧ-катумкам: высокое отношение сигнал-шум в режиме приема и обеспечение достаточной однородности магнитной составляющей поля для правильной передачи контрастности изображения. Проведен анализ факторов, влияющих на отношение сигнал-шум РЧ-катушек. и показано, что при при синтезе РЧ-систем необходимо стремиться к увеличению добротности РЧ-катушек и однородности их поля в максимальном рабочем объеме. Рассматриваются способы повышения добротности РЧ-катушек и даются рекомендации по выбору материала и конструкции РЧ-катушек.

Получено необходимое для расчета седлообразной катушки выражение поперечной- составляющей индуктаи поля дугпво:.'о проводника с центральным углом ф и радиусом г в точке пространства с относительными координатами 1=х/го, Г|=у/гм, e=z/ro, расположенного на ра> стоянии rn=z /г от начала координат

М ф К- £> сов ФЛ

В = - -------—---. (22 >

2 % гп Jo [ (i-совр) + (TJ-cosv)' +(",,-;-) Г

С использование» выражений (16) и (22) локально-интегральным методом синтезирована седлообразная РЧ-катушка с относительным рабочим объемом в 1,8 раза больше, чем у существу клцих.

Аналогичным образом синтезированы РЧ-катушки Гельмгольца и Баркчрч с увеличенным на 5 - 13% рабочим объемом.

Рассчитаны чувствительности РЧ-катушек и приведены карты их полей. Максимальной чувствительностью и наибольшим рабочим объемом обладает РЧ-катушка Баркера, но в каждом конкретном случае следует выбирать тип РЧ-катушки, принимая во внимание сложность ее конструкции и направление поляризующего магнитного поля.

В восьмой главе приведены результаты испытаний некоторых систем преобразователей. Описана конструкция изготовленной экспериментальной магнитной системы десятого порядка с внутренним диаметром 300 мм, массой 115 кг и потребляемой мощностью 1,6 кВт. Рассмотрены технологические процессы изготовления и сборки системы, приведены допуски на размеры. На внешней поверхности системы было установлено корректирующее устройство из девяти маломощных катушек, предложенное в главе 3.

Для контроля однородности магнитного поля использовался специально разработанный измеритель индукции магнитного поля с относительной погрешностью 4x10~7. Приведены результаты измерений поля магнитной системы без коррекции и с коррекцией,' из которых следует, что предложенная методика расчета магнитных систем позволяет производить расчет их параметров, а использование корректирующего устройства для компенсации технологических погрешностей допускает производство магнитных систем со значительно увеличенными допусками на изготовление. Р результате можно получать магнитные поля с неоднородностью до 10 м.д. в рабочем объеме, составляющем не менее 60% внутреннего диаметра магнитной системы.

На магнитной системе МРТП-400 (межполюсное расстояние 400 мм) провидены испытания Планерной корректирующей системы, содержащы": 3 корректоров. Первоначальная неоднородность поля в рабочем объеме составляла не менее 130 м.д. После первоначальной коррекции путем последовательного подбора токов

в коррвкторах удалось снизить неоднородность поля до 45 м.д. Для дальнейшго повышения однородности использовался метод коррекции, предложенный в главе 6, позволивший рассчитать токи в отдельных корректорах и снизить неоднородность до 10 м.д.

Для проверки теоретических результатов была изготовлена и установлена на планарную магнитную систему с зазором 550 мм градиентная система, создающая линено изменяющиеся градиентные магнитные поля по осям X, Y, Z. Измерения профилей градиентных магнитных полей проводились с помощью специально разработанного измерителя импульсных градиентных магнитных полей. Анализ результатов измерений показывает, что для градиентных систем X, Y рабочий объем составляет по осям X, Y - 80%, а по оси Z - 55% расстояния между обмотками градиентной системы. Рабочий объем градиентной системы Z имеет вид сферы диметром 73% расстояния между обмотками. Эти результаты подтверждают достоверности методов расчета, разработанных для градиентных систем.

Были также изготовлены и испытаны две радиочастотное катушки: седлообразная и катушка Баркера. Проведенные: испытания показали достаточно хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов.

Проведены комплексные испытания систем магниторезонанско-го измерительного преобразователя и приведена примеры полученных томограмм.

В приложении приведены программы расчета коэффициентов при производных в степенных рядах для соленоидов с щямоугольным сечением обмотки по рекуррзктной формуле, магнитных систем 10-го порядка, градиантной системы X.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выявлены основные проблемы создания магкиторезонансных измерительных преобразователей. Выбрано, обосновано и получило дальнейшее развитие в диссертации одно из эффективных направлений совершенствования м. ниторезонансной аппаратуры -разработка методов прозктированкя маггаторезокаксных измерительных преобразователей с увеличенным относительным рабочим объемом.

2. ¡'сследовзна связь не однородностью поляризующего магнитного полл, линейностью и величиной градиентных полей и оснорнш«и характеристикам! шгяаторезонансных измерительных преобразователей.

3. Предложен и теоретически обоснован локально-интегральный метод синтеза, позволившей разработать математическое описание, алгоритмы и программа для оптимальны;: расчетов систем поляризующего магнитного поля, корректирующих, градиентных и радиочастотных систем магшторазокансш;? измерительных преобразователей с увеличенным относительны;: рабочим объемом.

4. Предложен и математически обоснован метод коррекции осноезгых погрс-ытостсй изготовления систем поляризующего магнитного поля. Предложена корректирующая система, применение которой позволяет значительно расширять ' допуски нз изготовление магнитных систем.

5.Обоснован и разработан мзтоц учета влияния плзчаркых систем поляризующего магнитного поля на оптимальную конфигурацию корректирующих и гсзднентных систем.

6. Предложи мзтод и математическое описание расчета токов корректирующих систем с цель:э получения высокооднородного поляризующего магнитного поля в рабочем объема мэгниторезонансных измерительных преобразователей.

7. Изготовлены к испыташ: макет рсеастрБной системы поляризующего магнитного поля, пленарные корректирующая ¡: градиентная системы, селлссбрас-кля радиочастотная кзтуика и радиочастотная катушкз Бартера. Проведены кошлексниа вспнта:гол систем магюторезонзпского измерительного прообрезо-вэтеля и приведены примеры тсмогрпиь Кг,питания подтабрвдзот теоретические подотгал, раярМоташ^а в диссертации.

8. Работ'! можзт использоваться как научкал основа пр.ч пр -"таропянин матггоразокакенкх измерительных преобразователей. Метод:! расчета систем кзияритзлышх преобразователей ДСВвДОШ! до ГфСГраМ'ЛШ-А продуктов, ПОЗВОЛОДЛХ 22С7.» онздрерше расчеты.

9. ?.:.?рзботаш-ше на нови1; принципах кагкиторезшядасгз иг' ерцтвдьгсе праобразолатога т'Уот относительный р^оч'Ц; '»Яььч а 1,2 - 2 раза бояьззй, чем у существующих. Ото позволя-

ет значительно снизить вес, энергопотребление. ст^мссть изготовления и эксплуатации магниторезоканснои аппаратура.

10. Новизна технических решений подтверждается 2-мя авторскими свидетельствами и 5-ю патентами РФ.

По теме диссертации опубликованы следующее рчботы:

1. Галайдин П.А., Замятин А.К., Иванов В.А. Градиентные системы продольной составляющей напряженности магнитного поля соленоида fiMP-томографа. Известия ВУЗов СССР, Приборостроение, т. XXXIII, Jfi 2, 1990.

2. Галайдин П.А. Компактная система линейного грагиэнта магнитного поля. Труды VII Всесоюзной НТК "Проблемы магнитных измерений и магнитоизиерительной аппаратуры". Л.. 1989.

3. Галайдин П.А. Оптимизация системы поперечного градиента с аксиальной симметрией для мзгниторезонанского томографа. Деп. в ВИНИТИ, № I99S-B95, 1995.

4. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. Система круговых катушек для создания магнитного поля. Патент R. Я I7I2846.

5. Галайдин П.А. Выбор параметров магнитных систем ЙМР-томографа. Деп. в ВИНИТИ, X I994-B95, 1995.

6. Галайдин П.А., Замятин А.К., Шахматов Л.А. Устройство для создания магнитного поля. A.c. СССР, № 1732246.

7. Галайдин П.А. Синтез системы продольного градиента с аксиальной симметрией для магннторезонансного томографа. £еп. в ВИНИТИ, J6 I990-B95, 1995.

8. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. С ".тема плоских электрических катушек для создания магнитного ^-.ля с линейным градиентом. A.c. № 1749799.

9. Галайдин П.А. Оптимизация системы продольного градиента с аксиальной симметрией для магниторезокЕч.-ногс томографа. Деп. в ВИНИТИ, К I9S9-B95, 1995.

10. Галайдин П.А., Замятин А.К., Иванов В.Л. Устройство для получения градиентного магнитного поля. : агент РФ, tö I8046I6.

11. Галайдин П. А., Рахмзтотз М.Т. Метод о~ ■ трого определения составляющих намагниченности пра модели^ •••йп'м ЯМР-экспвримактов. Деп. в ВИН5ПИ, № IS9~-L;9oä 1995.

Гялайдан П. А.., -Замятин А.И., Иванов В. А. Система •»л^нге .»чйских кьтугсек для создания градиентного магнитного под*. " ^ тент РФ К 305519.

I". Гйлййдкн П.А. Расчет конфигурации седлообразных рчш«'-<--;тотных катушек. Деп. в ВШОТ, № 1Э37-В95, 1995.

Галайдин Я. А., Замятин А.И., Иванов В.А., Марусина М.Я. Проектирование ииммаруюцей катушки 72, для магкиторе зонансного томографа с учетом влияния сердечника магнит-:. Известия ВУЗов СССР, Приборостроение, № 3, 1993.

7. Галайдин П.А. Планарная система продольного градиента 1/агнит у?зонансного томографа, Деп. в ВИНИТИ, Л 1985-В95, 1935.

1С. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. Синтез магнитной системы магниторезонансного томографа. Известия оУЗоа СССР, Приборостроение, л- 4, 1993.

I"'. Галайдин П.А. Планарная система поперечного градиента магниторезснзнсного томографа. Дзп. в ВИНИТИ, № 1991-В95, 1955.

18. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А., Марусина М.Я. Расчет токовых шеммов с учетом влияния магнитной системы. Известия ВУЗов СССР, Приборостроение-, Я 5, 1993.

19. Галайдин П.А. Рекуррентная формула для расчета составляющих поля соленоида с прямоугольным сечением. Деп, в ВИНИТИ, № 19Й8-В95, 1995. ''

20. Галайдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А., Марусина М.Я. Коррекция основного магнитного поля магниторезонансного. томтрчф"« То^г.г-ч тоудалор НТК "Приборостроение". Керчь, 1992.

21. Галайдин П.А. Конструктивный расчет магнитной системы десятого порядка для магниторезонансного томографа. Деп. в ВИНИТИ, Я: 1552-В95, 1995.

22. Галайдин П.А., Замятин А.К., Златев Н.И., Иванов В.А. Радиочастотная система ЯМР-томографа. Тезисы докладов НТК "Приборы и приборные системы". Тула, 1994.

23. Галайдин П.А.. Оценка влияния погрешностей изготовления магнитной системы десятого порядка для мйгздтсрезочэнского томогргфа к их устранение. Деп. в ВИНИТИ,

1993-В55, 1995.

24. Гялййд-дн П.А., Йзип'пц- Л.И,, Иванов В. А., Марусина .'М;. Угтрог'гтво .ци создзкзк игаатного поля с поперечным

градиентом индукции. Решение о сидаче патента PC' по заявке й 93-011201/25.

25. Галайдик П.А., Замятин а.И., Иванов В.А. Устройство для создания градиентного поля с продольным градиентом индукции. Решение о выдаче патента РФ по заявке К? 93-011201/25.

26. Галзйдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. Магнитные системы десятого порядка для иагшторезонансной томографии. Межвузовский сборник научных трудов "Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств". Пенза, 1992.

27. Гэлайдан П.А., Замятин А.К., Иванов Ь.А. Градиентные системы повышенной линейности создаваемого градиента. Иэивузовский сборник научных трудов "Элементы и приборы систем измерения и управления автоматизированных производств", иензь, 1992.

28. Галайдан П.А., Златев Н.И., Рахметов М.1. Расчет оптимальных размеров радиочастотных катушек для маиса торезо-нансной томографии. Тезисы докладов Всероссийской [ПК "Конверсия, приборостроение, рынок". Владимир, 1995.

29. Галзйдин П.А., Замятин А.И., Иванов В.А. Состояние и перспективы развития разработки магкиторезонансных томографов на постоянных магнитах. Материалы Всероссийской ЕГГК "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии". Владимир, 19Э4.

Подписано к печати 09.01.96 г.

Объем 2 п.л.

Тира:? ,"00 экз.

Заказ 0

Бесплатно

Ротапринт СП5ГК1М0. 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова 14