磁共振成像(MRI)系統必須產生高分辨率的圖像，使醫生能夠準確地為病人診斷。為了獲得這種高水平的圖像質量，在磁共振成像儀和它的組件(如鳥籠線圈)內必須有一個已知的穩定的基礎磁場分布。這就是仿真發揮作用的地方。通過用 COMSOL Multiphysics? 軟件設計核磁共振鳥籠線圈，我們就可以控制和優化磁場，改善磁共振儀產生的掃描數據。
磁共振系統簡介
磁共振成像是一種非侵入性的技術，可以生成身體內部結構的詳細圖像。這種圖像被廣泛用于醫學和生物醫學領域，幫助醫生檢測、診斷和監測疾病和其他健康問題。
一臺 MRI 機器（頂部）和一個 MRI 生成的頭部圖像（底部）。頂部圖片由liz west制作 – 自己的作品。根據 CC BY 2.0授權，通過Flickr Creative Commons共享。底部圖片：Mikael Voss – 自己的作品。根據 CC BY-SA 4.0授權，通過 Wikimedia Commons共享。
簡單來說，磁共振儀的圖像工作原理是讓病人在一個狹小的密閉空間內接受一個強磁場，這個磁場會改變他們體內質子的排列。磁共振儀還會產生一種電流，影響質子的旋轉。RF 場被關閉后，質子回到平衡狀態，釋放出能量。一個接收線圈，如鳥籠線圈，會檢測到這一變化，隨后被轉化為圖像。
核磁共振儀產生的圖像能讓醫生看到人體內部的情況，使他們能夠準確地為病人診斷。然而，如果鳥籠線圈內的磁場分布由于其設計而發生波動，圖像質量就會很差，這對醫生診斷病人的能力產生負面影響。為了幫助醫生避免這個問題，工程師可以通過仿真來優化 MRI 鳥籠線圈的設計。
在 COMSOL Multiphysics? 中設計和優化 MRI 鳥籠式線圈
我們今天討論的案例模型展示了如何設計一個鳥籠線圈，并優化它在人體頭部造影周圍的磁場，用來創造所需的磁場分布。這個示例還研究了造影和周圍空氣的磁通密度（B-場）的圓形偏振。
人體頭部模型周圍和鳥籠線圈內空氣的磁通密度。
該模型的幾何中心是一個包含在鳥籠線圈中的人體頭部造影。線圈(下圖中的顏色為橙色)包括集總端口和電容器，我們用集總單元來定義它們。集總端口為線圈提供正交激勵，而電容器決定了線圈的諧振頻率和產生的場的均勻性。我們通過正交激勵和線圈內適當數量的集總元件的組合，獲得沿圓周的均勻磁場。
鳥籠線圈模型的幾何形狀。導電殼的正面被移除幫助可視化模型。該圖像沒有顯示吸收邊界。
線圈周圍是一個 RF 屏蔽，它被施加了一個完美的電導體(PEC)條件，就像線圈的表面。線圈周圍的空氣域由一個空球體表示，在球的邊界施加了散射邊界條件，用來防止反射到建模域。至于網格，我們使用了電磁波，頻域 接口中的自動網格控制選項。
在這個模型中，我們可以通過對線圈的集總單元的電容進行參數化掃描，找到周圍空氣在所需 Larmor 頻率下的最佳磁場。通過確定幻影周圍電場的標準偏差來量化磁場的均勻性。對于圓周率，我們還估計了造影周圍的磁場的軸向比率。
分析磁共振鳥籠式線圈內的場分布和循環
我們來比較一下不包括人頭部模型的磁場分布結果和包括人頭部模型的結果。對于不包括人頭部模型的研究，我們能夠確定在 Larmor 頻率下的集總單元電容的最佳值。此外，我們可以假設磁通量是圓形旋轉的，因為磁通量密度的實部與虛部幾乎是正交的。
當線圈被人頭部模型加載時，結果顯示，線圈中心的高電介質載荷導致場的均勻性和循環性變得失真。在這種情況下，我們可以調整線圈的電容來解決這個問題。
空氣模型和線圈周圍的磁密度模布(上)，以及線圈和人頭部模型周圍的磁密度模分布(下)。箭頭圖代表磁通密度的實部(紅色)和虛部(藍色)。
接著，我們檢查一下對磁通密度的軸向比率以及人頭部造影周圍的電場標準偏差的積分結果。通過比較集總元件的不同電容值，我們看到實現循環偏振磁場的最佳電容值約為 28.5 pF。類似的這種結果表明，COMSOL Multiphysics 可以用來幫助設計和優化 MRI 鳥籠線圈。
包括人頭部造影的模型周圍的磁通量密度的軸向比率(上)和電場模的標準偏差(下)的積分。
