开放式核磁共振磁体设计的并行计算方法研究

发布时间：2017-04-17 11:10

  本文关键词：开放式核磁共振磁体设计的并行计算方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：常见颅内疾病如脑炎、颅内肿瘤以及颅脑外伤等，均会导致颅内水肿或者血肿，该类疾病突发性强、病程发展快、致死率高，且不宜对患者进行移动，因此在临床上急需一种小型的、便携的、可提供床旁实时监护的设备，为医生及时提供颅内病情，以便于确定、更改治疗方案或者抢救生命。 目前常见的诊断设备如CT、核磁共振成像以及脑磁图机等，成像分辨率高，但无法为患者提供床旁实时监护，电阻抗成像技术（EIT）、磁感应成像技术（MIT）虽体积较小、便于携带、结构开放可用于实时监护，但成像分辨率较低、重复性差。 考虑到现有监护设备的不足，本论文的主要目的在于针对颅内疾病的床旁实时监护，设计一种小型的、便携的开放式核磁共振主磁体，重点研究永磁体磁场的计算理论方法、主磁体结构的设计方法、永磁体磁场并行计算以及初步的核磁共振实验。具体内容包括以下几个方面： 1）永磁体磁场计算理论研究。作为开放式核磁共振主磁体结构设计的基础，本文以磁荷法为等效模型，着力于永磁体磁场计算的两个方面研究，一是，，任意永磁体磁场计算的一阶有限元算法；二是，任意永磁体磁场计算的二阶有限元方法。以单个矩形永磁体为例，采用解析法、一阶有限元算法、二阶有限元算法计算其磁场分布，计算结果表明，二阶有限元算法误差相对于一阶有限元算法误差下降一倍，误差水平可以控制在2%左右。 2）开放式核磁共振主磁体结构设计。为了设计可对颅内疾病实时监护的开放式主磁体结构，本论文将可在空腔内形成均匀磁场的Halbach磁体结构开放，形成半环状基本结构。为了在磁体目标区域形成水平方向平坦分布、纵深方向梯度分布的主磁场，提出一种磁体结构调节优化策略和磁场水平程度评估方法，以此作为主磁体结构设计方法。 3）永磁体磁场并行计算研究。为了高效完成磁体结构的设计，本论文以五台商用计算机和千兆以太网搭建并行计算机群，采用Jacobi矩阵作预处理的共轭梯度（CG）法并行求解有限元法形成的大型稀疏对称正定线性方程组，重点研究四个方面内容，一是，通过定义派生数据类型完成计算节点间的数据通信，以并行进行稀疏矩阵向量乘法；二是，提出将有限元刚度矩阵非零元素均匀非配给所有计算节点的静态负载平衡方法，使得节点间主要负载得以平衡，同步时间减少；三是，采用本文改进的AD算法，对剖分网格重新编号，降低有限元刚度矩阵的带宽，使得计算节点间的通信时间下降，同步时间再次减少，最终使得方程组并行求解的加速比为4；四是，以并行Jacobi-CG为求解器，添加代码建模模块、剖分模块、后处理模块，构成永磁体磁场并行计算软件，在此基础上进行半环状磁体结构优化设计，最终磁体结构可在目标区域10mm×50mm×50mm范围内形成水平方向平坦分布、纵深方向梯度分布的静态主磁场，幅值范围为0.0630~0.1635T，平均值为0.1071T，梯度值为2.01mT/mm。整个磁体结构设计耗时仅为1925s，相对于串行程序的计算时间6042s来说，加速比为3.14，相对于主流科学计算语言matlab编写的程序来说，效率提高30倍。 4）磁体磁场测试和核磁共振实验研究。该部分研究包括两部分内容，一是，利用所需磁体模块，构建实际磁体模型，在三维磁场测量平台上测量10mm×50mm×50mm目标区域的磁场分布，磁场幅值范围为0.0630~0.1647T，平均值为0.1077T，梯度值为2.03mT/mm，实际测量磁场分布规律和计算磁场分布规律较为吻合，证明本文磁体磁场计算理论方法的正确性，为后续设计新的磁体提供理论方法；二是，利用核磁共振谱仪、射频功放、主磁体、射频线圈搭建核磁共振系统，以橡皮为样品，进行三项核磁共振实验：第一，回波信号实验，实验结果证明，本文所设计的磁体可以获得物质的1H核磁共振信号；第二，目标区域不同深度样品的回波信号实验，实验结果证明，所设计磁体的梯度磁场可以获得目标区域不同深度物体的核磁共振信号；第三，以橡皮-盖玻片-橡皮为样品，进行一维模型分层识别实验，实验结果证明，本文设计磁体可以对包含1H数量不同的物体进行一维分层；三项实验证明本文磁体设计方法可行，所设计磁体可用。
【关键词】：开放式核磁共振 磁体设计 磁荷法 梯度磁场 并行计算
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.6;TM15
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-29
• 1.1 问题的提出及研究意义9-10
• 1.1.1 临床需求及研究意义9-10
• 1.1.2 现有实时监护手段10
• 1.2 开放式核磁共振技术研究现状10-19
• 1.2.1 半开放式核磁共振磁体结构11
• 1.2.2 全开放式核磁共振磁体结构11-18
• 1.2.3 开放式磁体结构设计方法18-19
• 1.3 永磁体磁场计算的研究现状19-22
• 1.3.1 永磁体磁场计算的等效模型19-20
• 1.3.2 永磁体磁场计算方法20-22
• 1.4 并行计算研究现状22-26
• 1.4.1 并行计算机的分类22-23
• 1.4.2 基于消息传递的并行编程环境23-24
• 1.4.3 大型稀疏对称正定线性方程组的并行求解24-26
• 1.5 论文主要研究工作26
• 1.6 论文结构及章节安排26-29
• 2 永磁体磁场计算29-51
• 2.1 永磁体材料29
• 2.2 永磁体磁场计算的等效模型29-35
• 2.2.1 永磁体磁场的数学描述[7]29-30
• 2.2.2 永磁体磁场计算的磁化电流等效模型30-34
• 2.2.3 永磁体磁场计算的磁荷等效模型34-35
• 2.3 任意永磁体磁场计算的数值方法35-47
• 2.3.1 任意永磁体磁场计算的一阶有限元算法36-41
• 2.3.2 任意永磁体磁场计算的二阶有限元算法41-47
• 2.4 单个矩形永磁体磁场算例47-50
• 2.5 本章小结50-51
• 3 半环 Halbach 磁体结构设计51-57
• 3.1 开放式磁体结构的设计思路51
• 3.2 半环 Halbach 磁体基本结构51-54
• 3.3 半环 Halbach 磁体结构的调节与目标磁场的评价54-55
• 3.4 永磁体磁场并行计算的必要性55-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 永磁体磁场的并行计算57-81
• 4.1 引言57
• 4.2 并行计算机群及圆周率测试57-59
• 4.3 计算模型59-60
• 4.4 有限元矩阵方程的并行形成60-61
• 4.5 大型稀疏对称正定线性方程组的并行求解61-65
• 4.5.1 并行 Jacobi-CG 法61-62
• 4.5.2 并行矩阵向量乘法62-65
• 4.6 并行 Jacobi-CG 算法优化65-75
• 4.6.1 平衡负载66-71
• 4.6.2 降低通信时间71-75
• 4.7 磁体结构并行设计75-80
• 4.8 本章小结80-81
• 5 磁体磁场测量与核磁共振实验81-91
• 5.1 磁体磁场测量81-85
• 5.2 核磁共振实验85-89
• 5.2.1 回波信号测量86-87
• 5.2.2 目标区域不同深度物体的回波信号测量87-88
• 5.2.3 一维分层模型识别实验88-89
• 5.3 本章小结89-91
• 6 总结与展望91-95
• 6.1 研究工作总结91-92
• 6.2 对进一步研究工作的展望92-95
• 致谢95-97
• 参考文献97-103
• 附录103
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文103
• B. 作者在攻读硕士学位期间授权的专利103

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本文编号：313081