本文關(guān)鍵詞：開放式核磁共振磁體設(shè)計(jì)的并行計(jì)算方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：常見顱內(nèi)疾病如腦炎、顱內(nèi)腫瘤以及顱腦外傷等，均會(huì)導(dǎo)致顱內(nèi)水腫或者血腫，該類疾病突發(fā)性強(qiáng)、病程發(fā)展快、致死率高，且不宜對患者進(jìn)行移動(dòng)，因此在臨床上急需一種小型的、便攜的、可提供床旁實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的設(shè)備，為醫(yī)生及時(shí)提供顱內(nèi)病情，以便于確定、更改治療方案或者搶救生命。 目前常見的診斷設(shè)備如CT、核磁共振成像以及腦磁圖機(jī)等，成像分辨率高，但無法為患者提供床旁實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，電阻抗成像技術(shù)（EIT）、磁感應(yīng)成像技術(shù)（MIT）雖體積較小、便于攜帶、結(jié)構(gòu)開放可用于實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，但成像分辨率較低、重復(fù)性差。 考慮到現(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備的不足，本論文的主要目的在于針對顱內(nèi)疾病的床旁實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，設(shè)計(jì)一種小型的、便攜的開放式核磁共振主磁體，重點(diǎn)研究永磁體磁場的計(jì)算理論方法、主磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法、永磁體磁場并行計(jì)算以及初步的核磁共振實(shí)驗(yàn)。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 1）永磁體磁場計(jì)算理論研究。作為開放式核磁共振主磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，本文以磁荷法為等效模型，著力于永磁體磁場計(jì)算的兩個(gè)方面研究，一是，，任意永磁體磁場計(jì)算的一階有限元算法；二是，任意永磁體磁場計(jì)算的二階有限元方法。以單個(gè)矩形永磁體為例，采用解析法、一階有限元算法、二階有限元算法計(jì)算其磁場分布，計(jì)算結(jié)果表明，二階有限元算法誤差相對于一階有限元算法誤差下降一倍，誤差水平可以控制在2%左右。 2）開放式核磁共振主磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了設(shè)計(jì)可對顱內(nèi)疾病實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)的開放式主磁體結(jié)構(gòu)，本論文將可在空腔內(nèi)形成均勻磁場的Halbach磁體結(jié)構(gòu)開放，形成半環(huán)狀基本結(jié)構(gòu)。為了在磁體目標(biāo)區(qū)域形成水平方向平坦分布、縱深方向梯度分布的主磁場，提出一種磁體結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)優(yōu)化策略和磁場水平程度評(píng)估方法，以此作為主磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。 3）永磁體磁場并行計(jì)算研究。為了高效完成磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，本論文以五臺(tái)商用計(jì)算機(jī)和千兆以太網(wǎng)搭建并行計(jì)算機(jī)群，采用Jacobi矩陣作預(yù)處理的共軛梯度（CG）法并行求解有限元法形成的大型稀疏對稱正定線性方程組，重點(diǎn)研究四個(gè)方面內(nèi)容，一是，通過定義派生數(shù)據(jù)類型完成計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信，以并行進(jìn)行稀疏矩陣向量乘法；二是，提出將有限元?jiǎng)偠染仃嚪橇阍鼐鶆蚍桥浣o所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)負(fù)載平衡方法，使得節(jié)點(diǎn)間主要負(fù)載得以平衡，同步時(shí)間減少；三是，采用本文改進(jìn)的AD算法，對剖分網(wǎng)格重新編號(hào)，降低有限元?jiǎng)偠染仃嚨膸�，使得�?jì)算節(jié)點(diǎn)間的通信時(shí)間下降，同步時(shí)間再次減少，最終使得方程組并行求解的加速比為4；四是，以并行Jacobi-CG為求解器，添加代碼建模模塊、剖分模塊、后處理模塊，構(gòu)成永磁體磁場并行計(jì)算軟件，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行半環(huán)狀磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終磁體結(jié)構(gòu)可在目標(biāo)區(qū)域10mm×50mm×50mm范圍內(nèi)形成水平方向平坦分布、縱深方向梯度分布的靜態(tài)主磁場，幅值范圍為0.0630~0.1635T，平均值為0.1071T，梯度值為2.01mT/mm。整個(gè)磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耗時(shí)僅為1925s，相對于串行程序的計(jì)算時(shí)間6042s來說，加速比為3.14，相對于主流科學(xué)計(jì)算語言matlab編寫的程序來說，效率提高30倍。 4）磁體磁場測試和核磁共振實(shí)驗(yàn)研究。該部分研究包括兩部分內(nèi)容，一是，利用所需磁體模塊，構(gòu)建實(shí)際磁體模型，在三維磁場測量平臺(tái)上測量10mm×50mm×50mm目標(biāo)區(qū)域的磁場分布，磁場幅值范圍為0.0630~0.1647T，平均值為0.1077T，梯度值為2.03mT/mm，實(shí)際測量磁場分布規(guī)律和計(jì)算磁場分布規(guī)律較為吻合，證明本文磁體磁場計(jì)算理論方法的正確性，為后續(xù)設(shè)計(jì)新的磁體提供理論方法；二是，利用核磁共振譜儀、射頻功放、主磁體、射頻線圈搭建核磁共振系統(tǒng)，以橡皮為樣品，進(jìn)行三項(xiàng)核磁共振實(shí)驗(yàn)：第一，回波信號(hào)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文所設(shè)計(jì)的磁體可以獲得物質(zhì)的1H核磁共振信號(hào)；第二，目標(biāo)區(qū)域不同深度樣品的回波信號(hào)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，所設(shè)計(jì)磁體的梯度磁場可以獲得目標(biāo)區(qū)域不同深度物體的核磁共振信號(hào)；第三，以橡皮-蓋玻片-橡皮為樣品，進(jìn)行一維模型分層識(shí)別實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)磁體可以對包含1H數(shù)量不同的物體進(jìn)行一維分層；三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明本文磁體設(shè)計(jì)方法可行，所設(shè)計(jì)磁體可用。
【關(guān)鍵詞】：開放式核磁共振 磁體設(shè)計(jì) 磁荷法 梯度磁場 并行計(jì)算
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：R318.6;TM15
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-29
• 1.1 問題的提出及研究意義9-10
• 1.1.1 臨床需求及研究意義9-10
• 1.1.2 現(xiàn)有實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)手段10
• 1.2 開放式核磁共振技術(shù)研究現(xiàn)狀10-19
• 1.2.1 半開放式核磁共振磁體結(jié)構(gòu)11
• 1.2.2 全開放式核磁共振磁體結(jié)構(gòu)11-18
• 1.2.3 開放式磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法18-19
• 1.3 永磁體磁場計(jì)算的研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3.1 永磁體磁場計(jì)算的等效模型19-20
• 1.3.2 永磁體磁場計(jì)算方法20-22
• 1.4 并行計(jì)算研究現(xiàn)狀22-26
• 1.4.1 并行計(jì)算機(jī)的分類22-23
• 1.4.2 基于消息傳遞的并行編程環(huán)境23-24
• 1.4.3 大型稀疏對稱正定線性方程組的并行求解24-26
• 1.5 論文主要研究工作26
• 1.6 論文結(jié)構(gòu)及章節(jié)安排26-29
• 2 永磁體磁場計(jì)算29-51
• 2.1 永磁體材料29
• 2.2 永磁體磁場計(jì)算的等效模型29-35
• 2.2.1 永磁體磁場的數(shù)學(xué)描述[7]29-30
• 2.2.2 永磁體磁場計(jì)算的磁化電流等效模型30-34
• 2.2.3 永磁體磁場計(jì)算的磁荷等效模型34-35
• 2.3 任意永磁體磁場計(jì)算的數(shù)值方法35-47
• 2.3.1 任意永磁體磁場計(jì)算的一階有限元算法36-41
• 2.3.2 任意永磁體磁場計(jì)算的二階有限元算法41-47
• 2.4 單個(gè)矩形永磁體磁場算例47-50
• 2.5 本章小結(jié)50-51
• 3 半環(huán) Halbach 磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)51-57
• 3.1 開放式磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路51
• 3.2 半環(huán) Halbach 磁體基本結(jié)構(gòu)51-54
• 3.3 半環(huán) Halbach 磁體結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)與目標(biāo)磁場的評(píng)價(jià)54-55
• 3.4 永磁體磁場并行計(jì)算的必要性55-56
• 3.5 本章小結(jié)56-57
• 4 永磁體磁場的并行計(jì)算57-81
• 4.1 引言57
• 4.2 并行計(jì)算機(jī)群及圓周率測試57-59
• 4.3 計(jì)算模型59-60
• 4.4 有限元矩陣方程的并行形成60-61
• 4.5 大型稀疏對稱正定線性方程組的并行求解61-65
• 4.5.1 并行 Jacobi-CG 法61-62
• 4.5.2 并行矩陣向量乘法62-65
• 4.6 并行 Jacobi-CG 算法優(yōu)化65-75
• 4.6.1 平衡負(fù)載66-71
• 4.6.2 降低通信時(shí)間71-75
• 4.7 磁體結(jié)構(gòu)并行設(shè)計(jì)75-80
• 4.8 本章小結(jié)80-81
• 5 磁體磁場測量與核磁共振實(shí)驗(yàn)81-91
• 5.1 磁體磁場測量81-85
• 5.2 核磁共振實(shí)驗(yàn)85-89
• 5.2.1 回波信號(hào)測量86-87
• 5.2.2 目標(biāo)區(qū)域不同深度物體的回波信號(hào)測量87-88
• 5.2.3 一維分層模型識(shí)別實(shí)驗(yàn)88-89
• 5.3 本章小結(jié)89-91
• 6 總結(jié)與展望91-95
• 6.1 研究工作總結(jié)91-92
• 6.2 對進(jìn)一步研究工作的展望92-95
• 致謝95-97
• 參考文獻(xiàn)97-103
• 附錄103
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文103
• B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間授權(quán)的專利103

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