WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВА Екатерина Александровна

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И НАСТРОЙКИ

СИСТЕМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДЛЯ

МАГНИТОРЕЗОНАНСНЫХ ТОМОГРАФОВ

Специальность 05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в ГОУВПО Московский энергетический институт (технический университет) на кафедре «Электрические и электронные аппараты»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Курбатов Павел Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

доцент Свинцов Геннадий Петрович

кандидат технических наук,

Баль Владимир Борисович

Ведущая организация: ООО «С.П. Гелпик» (г. Москва)

Защита состоится “23” мая 2008 г. в ауд. Е-205 в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.13.

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Ученый Совет МЭИ (ТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан « ____» ______200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., доцент Рябчицкий М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Улучшение параметров магнитных систем (МС) с постоянными магнитами (ПМ) для медицинских магниторезонансных томографов (МРТ) является актуальной задачей, так как они определяют основные технико-экономические характеристики томографов. Создание и внедрение современного диагностического оборудования отвечает задачам приоритетного национального проекта России в области здравоохранения.

В настоящее время зарубежные МРТ значительно опережают по своим параметрам российские аналоги. В России МРТ с системами на ПМ изготавливаются либо на основе МС закрытого типа, либо с использованием МС открытого типа иностранного производства, единичными экземплярами.

Сложность проектирования и изготовления МС подобного типа заключается в необходимости создания магнитного поля в рабочей области с высокой однородностью при заданном уровне магнитной индукции, а следовательно применяемый математический аппарат, процедуры вычислений и средства экспериментальных исследований должны обеспечивать относительные погрешности не превышающие миллионных долей контролируемых значений магнитной индукции. Например, при значении магнитной индукции в центре МС 0,2 Тл ее относительное отклонение в области исследования пациента (рабочей области), не должно превышать ±0,002%, абсолютное – 410-6 Тл (±20 ppm). Необходимо использовать программное обеспечение, учитывающее особенности трехмерной конструкции системы и нелинейные гистерезисные свойства магнитных материалов.

Целью диссертационной работы было создание методического обеспечения и проектирование типовой конструкции МС ортопедического МРТ открытого типа, соответствующего по своим параметрам зарубежным системам.

Задачи исследования:

  1. Разработка методического и программного обеспечения для проектирования и настройки МС.
  2. Проектирование новой конструкции МС открытого типа и обоснование возможности получения требуемых параметров теоретическими расчетами и экспериментальными исследованиями.
  3. Разработка технологии изготовления таких МС.

Методы решения поставленных задач. В работе использованы численные методы анализа стационарных и нестационарных электромагнитных магнитных полей, основанные на пространственных интегральных уравнениях для источников поля, реализованные в программном комплексе Easymag3D, разработанном в Московском энергетическом институте, и созданного для него модуля Optima. Для проектирования и настройки МС применены методы нелинейного программирования. Экспериментальные исследования магнитно поля осуществлялись ЯМР магнитометром, входящим в состав томографа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. Разработан метод оптимизации МС для МРТ. Исследованы вычислительные погрешности и проведена адаптация программных средств численного анализа электромагнитных полей к условиям проектирования МС для МРТ. Сформулирована задача, созданы методика и программа оптимизации конструктивных параметров МС по критерию заданной однородности магнитного поля в рабочей области.
  2. Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование новых конструктивных решений МС с ПМ открытого типа с подвижными профилированными полюсами, обеспечивающими эффективное начальное регулирование однородности магнитного поля в рабочей области МРТ до уровня 80 – 100 ppm.
  3. Теоретически и экспериментально подтверждены эффективность применения композиционного магнитомягкого материала (КММ) для полюсов МС, позволяющего исключить влияние на работу томографа вихревых токов, индуцированных импульсами тока в градиентных катушках.
  4. Разработаны новые методики точной подстройки магнитного поля до значений однородности 10 – 20 ppm с помощью набора малых ПМ, эффективность которых подтверждена практическим использованием.

Достоверность полученных результатов обусловлена использованием строго обоснованных алгоритмов расчетов и оптимизации МС и подтверждена соответствием полученных выводов диссертационной работы результатам экспериментальных исследований опытных и промышленных образцов МС и результатами внедрения их в промышленность.

Практическая значимость

1. Создана новая более эффективная конструкция МС открытого типа для ортопедического МРТ, которая успешно внедрена в промышленное производство.

2. Разработанные методики и программы могут использоваться для дальнейшего совершенствования МС для МРТ.

Личный вклад автора. Участие в разработке алгоритмов и программного обеспечения оптимизации и настройки МС в части постановки задачи и отладки расчетных модулей, осуществление адаптации программного обеспечения применительно к проектированию МС открытого типа для МРТ. Выполнение всех приведенных в работе расчетов и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Разработка методик настройки МС и обоснование их эффективности на практике. Осуществление проектирования и конструирования МС для ортопедического МРТ, разработка технологической оснастки для сборки МС, сопровождение производства.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

XIV Международная конференция по постоянным магнитам. 22-26 сентября 2003 г. – Суздаль, 2003 г.;

V Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 20-25 сентября 2004 г., – Крым, Алушта, 2004 г.;

XV Международная конференция по постоянным магнитам. 19-23 сентября 2005 г. – Суздаль, 2005 г.;

XI Международная конференция «Электротехнические материалы и компоненты». 18-23 сентября 2006 г., – Крым, Алушта, 2006 г.;

XV Международная конференция по постоянным магнитам. 17-20 сентября 2007 г. – Суздаль, 2007 г.;

Две международных научно-технических конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» г. Москва: МКРЭЭ – 2001, МКРЭЭ – 2002.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: из них 2 статьи, 6 полных тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 77 наименований. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок и 7 таблиц. Приложения изложены на 3 страницах машинописного текста.

Основные положения выносимые на защиту:

  1. Метод оптимизации конструкции МС для МРТ.
  2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, обосновывающие новые конструктивные решения подвижных полюсов МС, обеспечивающих эффективное начальное регулирование однородности магнитного поля в рабочей области МРТ до уровня 80 – 100 ppm.
  3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность применения КММ для полюсов МС, позволяющего исключить влияние на работу томографа вихревых токов, индуцированных импульсами тока в градиентных катушках.
  4. Разработанные новые методики точной настройки магнитного поля до значений однородности 10 – 20 ppm с помощью набора малых постоянных магнитов.
  5. Разработанная и внедренная в промышленное производство новая конструкция МС открытого типа для ортопедического МРТ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, изложены цели и задачи диссертационной работы, методы решения поставленных задач. Описаны состав и структура работы, показана научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор и анализ литературных источников, постановку задачи. Изложен принцип действия МРТ, приведена его структурная схема. Основными характеристиками МС для МРТ являются магнитная индукция и однородность магнитного поля в рабочей области при минимальных массогабаритных показателях системы. В соответствии с техническими требованиями, предъявляемыми к ортопедическим МРТ, необходимо создать МС, отклонение магнитного поля в которой не превышало бы 20 ppm в рабочей области с размерами 120150150 мм. Однородность магнитного поля оценивается в относительных единицах ppm (parts per million – частей на миллион), т.е. в миллионных долях отклонений от контролируемых значений магнитной индукции либо напряженности магнитного поля. Отклонение в любой точке рабочей области МРТ определяется следующим образом:

,

где В0, Н0 соответственно – значение индукции и напряженности магнитного поля в центре рабочей области МРТ;

Вi, Нi соответственно – значение индукции и напряженности магнитного поля в точке рабочей области МРТ.

В работе выполнен обзор применяемых МС для МРТ, приведены конструкции закрытого и открытого типов с использованием ПМ; рассмотрены проблемы, связанные с проектированием и настройкой МС. Выполненный анализ литературных источников и состояния существующих МС для МРТ на ПМ показал значительное отставание отечественных образцов по их технико-экономическим параметрам от зарубежных аналогов. Сделан вывод, что востребованность в медицинских учреждениях томографов этого типа обуславливает актуальность расширения их производства.

Во второй главе приведен разработанный метод оптимизации МС для МРТ. Проведено исследование влияния вычислительных погрешностей на результат решения поставленной задачи и осуществлена адаптация программного обеспечения для анализа электромагнитных полей на основе пространственных интегральных уравнений применительно к условиям проектирования МРТ.

Рис. 1 Эскиз МС для МРТ

МС для МРТ представляет из себя изготовленный из стали 10 С-образный магнитопровод, на котором установлены ПМ, собранные в виде дисков, из сплава NdFeB с параметрами: Br=1,15 Тл, Нсм=1350 кА/м, (ВН)max=250 кДж (рис. 1). На ПМ закрепляются полюса из КММ, предназначенные для формирования требуемой топографии магнитного поля в МС. С этой целью поверхность полюсов выполняется профилированной.

Оптимизация конструктивных параметров МС разделяется на две отдельных задачи. В первой осуществляется поиск оптимальных размеров ПМ по критерию минимума их объема при заданном средневзвешенном значении напряженности магнитного поля в объеме рабочей области. Во второй определяются оптимальные размеры полюсов МС по критерию наилучшей однородности магнитного поля в рабочей области.

При оптимизации размеров ПМ ортопедического МРТ заданными принимаются (рис.2а):

- форма полюсов относительно размеров ПМ и абсолютное значение межполюсного расстояния;

- расположение контрольных точек в рабочей области;

- магнитные свойства материалов.

Оптимизационная задача определения наилучших размеров ПМ сформулирована следующим образом: минимизировать объем ПМ, как функцию двух переменных размеров, внешнего диаметра и высоты

(1)

Поскольку в МС для МРТ необходимо обеспечить заданное значение напряженности магнитного поля во всей рабочей области, использованы следующие функциональные ограничения (ограничения второго рода):

средневзвешенное значение напряженности магнитного поля в рабочей области имеет заданное значение

(2)

где (3)

и ограничения на диапазон изменения переменных и - где область S определена конструктивными ограничениями: минимальным межполюсным зазором МС и максимальным размером с точки зрения возможности размещения пациента.

Алгоритм решения оптимизационной задачи состоит из построения приближенной математической модели функции и определения оптимальных размеров. Математическая модель функции представлена в виде интерполяционного полинома второго порядка, определенного в ограниченном диапазоне варьирования переменных:

(4)

где - приближенная аппроксимация функции - зависимости средневзвешенного значения напряженности магнитного поля в рабочей области от размеров постоянного магнита, - постоянные коэффициенты.

а) б)

Рис. 2. Исходные данные при постановке: а - задачи оптимизации размеров постоянных магнитов МС ортопедического МРТ; б - оптимизационной задачи поиска профиля полюсов МС ортопедического МРТ

При решении задачи оптимизации полином (4) приравнивается заданному средневзвешенному значению напряженности магнитного поля в рабочей области, определяется соотношение размеров – функция, т.е. множество размеров магнитов (пар чисел и, при которых. На этом множестве отыскиваются размеры, соответствующие минимуму объема ПМ.

Поиск минимума объема магнитов на множестве при ограничениях первого рода на диапазон варьирования переменных сводится к поиску минимума функции только одной переменной при условии, что определяется по известной функции. Расчет коэффициентов осуществлялся по методу наименьших квадратов.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»