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磁共振六通道线圈阵列的数字化仿真与设计

中国生物医学工程学报 2017年第6期36卷 711-717页

作者：李华勇曹双亮王沛沛陈美玲路利军陈武凡南方医科大学生物医学工程学院广东省医学图像处理重点实验室广州510515

近年来,多通道线圈阵列被广泛应用于磁共振成像,以提高图像的质量。针对局部感兴趣区域内的射频场优化,提出一种由不同尺寸单元构成的六通道线圈阵列,可优化盆腔组织中局部感兴趣区域内的射频场。使用宽度为10和20 cm的两种不同尺寸的... 详细信息

近年来,多通道线圈阵列被广泛应用于磁共振成像,以提高图像的质量。针对局部感兴趣区域内的射频场优化,提出一种由不同尺寸单元构成的六通道线圈阵列,可优化盆腔组织中局部感兴趣区域内的射频场。使用宽度为10和20 cm的两种不同尺寸的线圈单元来构建六通道线圈阵列模型,并对其采用几何重叠法和电容网络法进行去耦,以及运用时域有限差分(FDTD)方法进行仿真和计算,分析和评估其在感兴趣区域内产生的射频场。仿真结果表明,在加载盆腔组织椭圆柱电磁模型情况下,提出的线圈阵列的去耦效果S12和S13分别为-27.19和-33.46 d B,在感兴趣区域内产生的射频场B+1强度平均值,比由宽度为15 cm的相同单元构成的常规线圈阵列高出约5.21%。由不同尺寸单元构成的六通道线圈阵列能够优化感兴趣区域内的射频场,为磁共振线圈设计提供新的思路和方法。

关键词：线圈阵列去耦电磁模型时域有限差分(FDTD)方法射频场

基于混合遗传算法的多信道经颅磁刺激线圈阵列设计与优化

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航天医学与医学工程 2009年第4期22卷 302-307页

作者：吕浩王旭飞唐劲天清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室医学物理与工程研究所北京100084

目的探讨多信道经颅磁刺激技术的实现方式,以实现对具有多点同时刺激、刺激点可移动等优点的磁刺激技术的模拟仿真。方法分析圆形线圈感应电场分布规律,设计并建立了一种2×5×5的交叉型线圈阵列模型;针对优化问题设计了结合模式搜索的... 详细信息

目的探讨多信道经颅磁刺激技术的实现方式,以实现对具有多点同时刺激、刺激点可移动等优点的磁刺激技术的模拟仿真。方法分析圆形线圈感应电场分布规律,设计并建立了一种2×5×5的交叉型线圈阵列模型;针对优化问题设计了结合模式搜索的混合遗传算法,对交叉型线圈阵列的电流组态进行了优化。结果给出了两点刺激和三点刺激的优化结果,结果表明这种混合遗传算法具有很好的全局和局部搜索特性,在优化算法的优化下,交叉型线圈阵列可以有效逼近指定的感应电场分布。结论本文设计的线圈阵列结构和优化算法实现了经颅磁刺激中的多点刺激和刺激点移动问题,对于多信道经颅磁刺激的实现具有一定的参考借鉴意义。

关键词：多信道经颅磁刺激线圈阵列遗传算法模式搜索

基于混合优化算法的磁聚焦线圈阵列设计与优化

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四川师范大学学报（自然科学版） 2014年第6期37卷 942-946页

作者：杨龙成陆继庆张帅刘腊梅成都信息工程学院电子工程学院四川成都610225 戴氏教育精品堂培训学校四川成都610100

构建8个线圈和20个线圈的圆环面线圈阵列模型实现并改善目标区域的电磁场聚焦特性.利用磁场叠加原理,结合改进的粒子群算法设计了自适应混合优化算法,利用该算法与有限元积分分析软件的外部通信接口,对影响磁场分布的线圈阵列可调参数... 详细信息

构建8个线圈和20个线圈的圆环面线圈阵列模型实现并改善目标区域的电磁场聚焦特性.利用磁场叠加原理,结合改进的粒子群算法设计了自适应混合优化算法,利用该算法与有限元积分分析软件的外部通信接口,对影响磁场分布的线圈阵列可调参数进行优化求解,建立优化的发射线圈模型.结果显示了设计的混合优化算法的良好搜索能力和线圈阵列在优化电流组态下在计算区域内的归一化幅值分布和二维等高线图,表明了经优化的线圈阵列在目标区域内产生了具有良好磁聚焦性能的磁场分布,磁场变化梯度大,其磁场强度与聚焦程度都有了不同程度的改善,且20个子线圈的线圈模型基本上实现了点聚焦,同时具有可聚焦多个目标的能力.

关键词：线圈阵列粒子群算法混合优化算法有限元分析磁聚焦

基于改进遗传算法的磁靶向聚焦线圈阵列优化设计

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基于改进遗传算法的磁靶向聚焦线圈阵列优化设计

作者：卢妍重庆大学

学位级别：硕士

磁性载药颗粒的靶向治疗是近年来肿瘤治疗中受到国内外广泛关注的新方法,由于其非侵入性和高靶向性的特点,具有广泛的用途以及潜在的巨大市场需求。外磁场的特性是治疗效果的关键影响因素。相比于传统的由永磁体产生外磁场的方式,应用... 详细信息

磁性载药颗粒的靶向治疗是近年来肿瘤治疗中受到国内外广泛关注的新方法,由于其非侵入性和高靶向性的特点,具有广泛的用途以及潜在的巨大市场需求。外磁场的特性是治疗效果的关键影响因素。相比于传统的由永磁体产生外磁场的方式,应用线圈阵列形成外磁场具有灵活简便、可操作性强等优点,可以根据线圈阵列的排布及所加电流激励的不同而改变靶向位置、磁场强度及聚焦范围。论文设计了基于改进遗传算法的磁靶向聚焦线圈阵列,并对其聚焦性能进行全面的优化。基于电磁场及三维电磁场有限元理论,对单线圈模型的结构、参数进行设计。在此基础上,提出三种多线圈阵列,对比其聚焦效果并结合实际应用中的可行性,选择平面形线圈阵列为更优。然后研究了遗传算法的基本原理和基本理论,并对其进行改进,应用改进的遗传算法对线圈阵列中各子线圈电流组合进行求解。通过仿真计算、空间电场实测及实物试验验证其聚焦性能。主要的研究工作包括:①设计具有更优聚焦性能的单线圈参数及结构。在深入研究并掌握电磁场基本理论及三维有限元分析方法的基础上,分析匝数、内径及绕制方式对单线圈磁场磁感应强度分布的影响,分别对不同参数下线圈轴向、径向磁感应分布进行分析,综合选择磁感应强度高、靶向位置聚焦深度大、聚焦性能好的单线圈参数设计方案,最终确定了匝数n=6、内径d=2cm、以多层绕法的一种变形绕法绕制的单线圈方案为最优。②设计具有更优聚焦性能的多线圈阵列方案。基于已选择的单线圈参数,设计了半球形、平面形、圆环形三种多线圈阵列组合,对比分析相同激励下三种线圈阵列的聚焦性能,通过仿真计算,结合实际应用中的可行性,最终选择平面形线圈阵列为最优方案,并实现了多层平面形线圈阵列的非中心点聚焦及多点聚焦。③应用改进的遗传算法求解线圈阵列电流组合。研究并分析标准遗传算法的基本原理、概念以及求解流程,在此基础上,对算法的优化和改进从初始种群产生、基因丢失检测及修复策略、自适应交叉和变异算子、最佳个体保护等方面进行。通过四组测试函数,对其性能进行全面的测试与评估。基于改进的遗传算法对线圈阵列子线圈电流组合进行求解,得到磁感应强度高、梯度大,聚焦性能好且能量利用率高的电流组合。④根据设计出的线圈阵列方案,搭建了线圈阵列模型,应用空间磁场测量平台对靶向位置磁感应强度分布进行测量,测量结果验证了其聚焦性能,并进行实物试验,观察聚焦效果。

关键词：靶向治疗磁场聚焦遗传算法线圈阵列

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经颅磁刺激系统磁场分析与线圈阵列优化设计

经颅磁刺激系统磁场分析与线圈阵列优化设计

作者：侯会娟河北工业大学

学位级别：硕士

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)技术是20世纪80年代中期发展起来的用于大脑皮层刺激的新方法。磁刺激技术是由随时间变化的磁场无接触的通过空间耦合进入人体组织内部,产生感应电流刺激组织细胞。与电刺激相比,它... 详细信息

经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)技术是20世纪80年代中期发展起来的用于大脑皮层刺激的新方法。磁刺激技术是由随时间变化的磁场无接触的通过空间耦合进入人体组织内部,产生感应电流刺激组织细胞。与电刺激相比,它具有安全、有效、无痛、无损伤、易于重复及操作简单等优点,是一种非侵入的刺激方法。磁刺激技术已被广泛应用于精神疾病的治疗及脑功能研究。TMS技术具有自身的优势和潜在的应用价值,但是线圈产生的磁场空间分布很广泛,聚焦性差,不能很准确的刺激目标区域。在磁刺激应用过程中,只有掌握了各种不同的线圈产生磁场的聚焦特性,设计和制造出具有良好聚焦性的磁刺激线圈,才能够有效地对单个或多个目标区域进行准确刺激,而不激活周围组织。为了解决这些问题,本论文主要进行了以下工作:1)根据电磁场基本理论,利用有限元分析软件ANSYS,对锥形线圈以及“8”字形线圈的磁场进行研究。2)将MATLAB软件和ANSYS软件相结合,编写线性回归算法和改进的遗传算法程序,由ANSYS平台提供有限元分析结果。经过计算,得出最优的线圈阵列电流组合,并利用ANSYS软件验证结果,得到了聚焦性很好的线圈阵列。

关键词：经颅磁刺激有限元法遗传算法线圈阵列

基于混合遗传算法的经颅磁刺激线圈阵列优化设计

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航天医学与医学工程 2014年第1期27卷 32-36页

作者：杨龙成陆继庆张帅成都信息工程学院四川成都610225

目的实现并改善经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)的磁聚焦特性。方法构建8个线圈和20个线圈的圆环面线圈阵列模型,结合改进的粒子群算法设计了自适应混合遗传算法,对影响线圈阵列模型磁聚焦性的各种参数进行优化求解... 详细信息

目的实现并改善经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)的磁聚焦特性。方法构建8个线圈和20个线圈的圆环面线圈阵列模型,结合改进的粒子群算法设计了自适应混合遗传算法,对影响线圈阵列模型磁聚焦性的各种参数进行优化求解。结果在不同平面产生的磁场优化表明了改进的优化算法具有很好的全局搜索与局部搜索能力,在算法的优化下,显示了线圈阵列在优化电流组态下在计算区域内的归一化幅值分布和二维等高线图。结论两种线圈阵列模型在平面上产生了明显的聚焦区域,在目标区域内产生了具有良好磁聚焦性能的磁场分布;在深度方向上有较好的聚焦性能,磁场变化梯度大,更有利于磁刺激兴奋位定点;并且20个子线圈的线圈模型基本上实现了点聚焦,同时具有可聚焦多个靶目标的能力。

关键词：经颅磁刺激磁聚焦线圈阵列粒子群算法混合遗传算法

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磁悬浮平面电机高能效线圈阵列结构参数优化

磁悬浮平面电机高能效线圈阵列结构参数优化

作者：唐愉顺西北民族大学

学位级别：硕士

进入二十一世纪以来,人们的生产活动已经进入到了一个万物联通的智能时代,这一切都与半导体产业的飞速发展有关,光刻机作为半导体加工中最核心的设备已经越来越成为一个研究和关注的热点。本文以超精密运动平台光刻机为背景,研究了新一... 详细信息

进入二十一世纪以来,人们的生产活动已经进入到了一个万物联通的智能时代,这一切都与半导体产业的飞速发展有关,光刻机作为半导体加工中最核心的设备已经越来越成为一个研究和关注的热点。本文以超精密运动平台光刻机为背景,研究了新一代工件台的替代对象——磁浮平面电机的线圈阵列结构:宽度W、匝宽B和厚度h参数的优化选取方法,目的在于寻求一种在工作时既能够让获得的电磁力/矩最大化,同时又能够使得线圈阵列热损耗最小化的高能效结构。本文首先基于洛伦兹力积分法则对线圈阵列在Halbach型永磁阵列中所受电磁力/矩进行建模,给出了线圈阵列在磁场中进行运动的电磁力/矩模型。接着基于线圈阵列在磁场中所受的电磁力/矩模型提出了磁悬浮平面电机高能效线圈阵列宽度相关因子K,同时为了磁悬浮平面电机在工作过程中尽可能保持来回平动状态,线圈阵列长度L应当为磁极间距τ的m倍,同时m应当为偶数,并且基于线圈阵列在实际安装和使用过程中的限制情况提出了优化约束条件,结合线圈阵列长度L、宽度相关因子K和约束条件,将宽度W、匝宽B优化问题转化为求解最优m和线圈个数n的问题,并借助最优m和线圈个数n反推宽度W、匝宽B的最优选取结果。最后基于线圈阵列在磁场中所受的电磁力/矩模型提出了磁悬浮平面电机高能效线圈阵列厚度相关因子λ、磁悬浮平面电机高能效线圈阵列电磁力/矩与质量比值相关因子η和磁悬浮平面电机高能效线圈阵列扰动转矩相关因子β,在磁极间距τ给定的情况下,利用这三个因子得到最优厚度h的取值范围,即0.317τ线圈阵列电流幅值与电流平方和的方式进行,结果表明,在给定磁极间距τ的情况下,采用本文提出的优化方法所设计的线圈阵列结构能够产生最小的线圈阵列电流与电流平方和,即热耗散最小,同时又能够最大出力,能够为工程上线圈阵列的结构设计和参数选取提供强有力的理论支撑。

关键词：线圈阵列线圈宽度线圈厚度电磁力/矩最大化热损耗最小化

基于改进粒子群算法的多通道经颅磁刺激线圈阵列优化

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基于改进粒子群算法的多通道经颅磁刺激线圈阵列优化

作者：邱博文天津工业大学

学位级别：硕士

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation,TMS）是一种新型无创、无痛的精神疾病治疗方法,在生物医学和康复医学等研究领域展现出了巨大的发展潜力。多通道经颅磁刺激是一种较为灵活的TMS系统,其刺激源是由多个磁刺激线圈排列组... 详细信息

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation,TMS）是一种新型无创、无痛的精神疾病治疗方法,在生物医学和康复医学等研究领域展现出了巨大的发展潜力。多通道经颅磁刺激是一种较为灵活的TMS系统,其刺激源是由多个磁刺激线圈排列组成的线圈阵列,具有多靶点同时刺激、可控性强等优点。但是如何合理地控制线圈阵列的激励电流,实现感应电场在靶点处的精准聚焦一直是阻碍多通道经颅磁刺激被广泛应用的难点之一。针对多通道经颅磁刺激存在不能准确实现感应电场在靶点处精准聚焦的问题,基于动态多种群粒子群算法提出了一种新型动态多种群粒子群算法（Novel Dynamic Multi-swam Particle Swarm Optimizer,NMSPSO）,该算法具有三种改进策略:新型信息交流策略、分类学习策略和变异策略。通过仿真测试验证了三种改进策略的有效性,分析了参数设置对算法性能的影响,并与其他几种粒子群变种算法进行对比,说明了NMSPSO算法具有更优的求解精度和更快的收敛速度。通过嵌入式Arduino平台的实验证明了NMSPSO算法在保证求解精度的情况下也可以维持较高的求解效率。为了验证改进后的算法对多通道线圈阵列电场聚焦性优化效果,通过COMSOL和MATLAB建立联合仿真平台,实现了物理场和智能优化算法的联合仿真。建立了双层线圈阵列模型和五层头部模型,并对其进行了网格剖分。在联合仿真平台上使用NMSPSO算法和其他几种粒子群算法对双层线圈阵列的电场聚焦性进行了优化,结果显示NMSPSO算法优化得到的电场可以更好地聚焦于靶点周围,聚焦性相较于其他几种算法提高了6%～24%。证明了通过使用本文提出的算法对多通道线圈阵列进行优化,可以较好地提高感应电场在靶点处的聚焦性。本文为提高多通道经颅磁刺激系统在靶点处的电场聚焦性提供了一种新的优化策略,对多通道经颅磁刺激的进一步发展具有一定的指导作用。

关键词：多通道经颅磁刺激线圈阵列电场聚焦性优化动态多种群粒子群算法

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基于改进遗传算法的磁聚焦线圈阵列优化设计

成都师范学院学报 2018年第1期34卷 97-105页

作者：杨龙成孙连海张娇刘腊梅成都师范学院计算机科学学院成都611130 永宁小学成都611130

为了实现发射线圈阵列的良好磁场聚焦,设计两个等腰三角形线圈新型阵列。用磁场矢量叠加原理分析影响线圈磁场分布的可调参数,采用改进遗传算法对具体可调参数进行优化计算,最终使得优化模型的磁场能量88.5%及以上聚集在半径为11cm区域... 详细信息

为了实现发射线圈阵列的良好磁场聚焦,设计两个等腰三角形线圈新型阵列。用磁场矢量叠加原理分析影响线圈磁场分布的可调参数,采用改进遗传算法对具体可调参数进行优化计算,最终使得优化模型的磁场能量88.5%及以上聚集在半径为11cm区域内,磁场强度相对提高了67.5%。通过实物加工与性能测试比较,说明在误差范围内,理论可以代替实际磁场效果。结果表明:该线圈阵列通入合适瞬变电流后,对较小目标区域具有良好的聚焦特性,可以提高对埋地金属物质准确的检测与分辨。

关键词：线圈阵列改进遗传算法磁聚焦埋地金属物质