文摘
分裂的梯度线圈的声学问题是一个挑战在磁共振成像和线性加速器(MRI-LINAC)系统。在本文中,我们旨在制定一个计划来减少噪声的分离梯度线圈。首先,分割梯度与非对称配置设计组装,以避免振动在相同的两个装配圆筒谐振模式。接下来,外层的分割主要使用角结构建立了磁铁,可以分发声场远离病人。最后,有限元法(FEM)被用来定量评估上面的隔声降噪方案的有效性。仿真结果发现,噪声可以最大限度地减少6.9 dB和5.6 dB内外中央分裂核磁共振成像系统的差距,分别通过增加一个梯度组装气缸20厘米的长度。观察优化角长度为55厘米,可以减少噪音达7.4 dB和5.4 dB内外中央缺口,分别。提出的设计可以有效降低噪声没有影响其他降噪方法的应用。
1。介绍
分裂的磁共振成像(MRI)扫描仪,作为磁共振成像的一个重要组成部分和直线加速器(MRI-LINAC)系统,用于提供卓越的图像和指导直线加速器操作等有针对性的区域肿瘤组织。然而,它的发展一直面临着一些重大挑战。的一个挑战是分裂的噪声梯度线圈(1]。先前的研究已经报道,核磁共振成像系统的噪声可能导致听力损失暴露于噪音没有保护(1- - - - - -3]。经常保护听力的方法,耳塞,耳罩,头盔在核磁共振扫描(4]。阻尼和吸声材料通常应用于核磁共振扫描仪的内部结构(5]。此外,还有关于梯度线圈的振动主动控制问题的报告(6)和脉冲变化(7,8]。然而,病人的噪声仍然是恼人的上述处理后(9]。因此,有必要进一步减弱噪音MRI系统病人的舒适度。
先前的研究已经报道,不对称的声学设计可以巧妙地用于实现噪声衰减。例如,隔声屏的插入可以将声波路径分为两个不对称的隧道,引起很大的声衰减的窄带内容(10]。特别设计的不对称的进口和出口配置声消音器可以有效改善传输损耗(11]。不对称声衬垫可以优先提高声音抑制预设的方向为内吸声声管(12]。一个圆形的不对称亥姆霍兹共振器可以提供良好的性能对声波抵消共振频率(13]。因此,我们考虑非对称配置设计分割MRI梯度组装在这工作。设计两个梯度装配圆筒不同长度可以减少同步共振振动和抵消声波在圆柱形隧道临界频带,这可能降低噪音水平。
此外,据报道,角结构可以用来传输声波和减弱反射打开以梯度线圈先生(14]。角结构作为波导通过连续的阻抗差异梯度装配孔向外自由空间。一个设计良好的声学角可以有效地传播入射波能量和积极分发到远场空间(15- - - - - -19]。同样,角结构可以应用于外结束分裂的核磁共振成像扫描仪和传输的声能圆柱形隧道外部空间。因此,我们还设计了分裂主要磁铁以角结构进一步减少噪音。
目前的设计可以通过不对称调整MRI-LINAC系统的振动响应梯度组装和发挥作用的波导传输圆柱形隧道外的声波的角结构。降噪性能将评估定量使用有限元方法(FEM)。在这项研究中,一个二维(2 d)的轴对称有限元模型分割MRI系统建立评估降噪的有效性基于不对称梯度的设计组装和角结构的外结束分裂磁铁。
2。方法
2.1。2 d有限元分割磁共振扫描仪声学模型
自从梯度线圈没有影响整个振动模式的梯度大会(20.),我们只模拟梯度线圈的装配在我们的计算简化有限元建模工作。该模型设置如图1。梯度脉冲与正弦波形应用峰值为600(生产20吨/ m的梯度强度成像区域)和主磁体的磁通密度是1 T。商业程序ANSYS用于上述模拟。我们注意到整个梯度的三维有限元模型组装(见图1(一)-1(c))成立的全面调查分裂核磁共振成像系统(1,21]。然而,由于3 d模型有更大的自由度(自由度)比2 d模型,其计算成本远高于2 d模型。此外,开关从三维到二维模型对精度没有影响的估计噪声的抑制线圈。因此,2 d有限元建模工作进行的模拟线圈(见图1(d) -1(f))。图2说明了尺寸和区域部门分割的磁共振成像系统。大脑成像/治疗,病人的耳朵将驻留在中央缺口。然而,如果系统用于图像/治疗躯干、骨盆,或四肢,病人的耳朵将定位在中央的差距。因此,这里的声控的调查集中在中央的内部和外部的差距。
2.2。不对称的设计分割梯度组装
MRI-LINAC设计系统中,病人床上安装垂直于主磁体的轴,总声场的声学领域的叠加产生这两个振动梯度装配圆筒。分裂的两个相同的梯度装配圆筒MRI系统,它们有相同的共振频率和振动模式。在磁共振扫描仪的操作过程中,两个气缸与对称或反对称洛伦兹力,同时激励生产等振幅声波。两个强烈的叠加声学领域将产生高SPL(声压级)MRI分割系统。然而,如果两个缸的长度不同,他们会有不同的振动模式。两个梯度产生的声波装配圆筒将在相同的频率有不同的振幅。这将避免两个强大的声波的叠加。此外,不对称的设计,体现了分割梯度组装可能会导致这一事实的声波辐射两个气缸有超过90度相位差在某些频率,从而产生声波的相互中和。因此,这种不对称结构将光滑的声学响应谱分割梯度装配和生产一个相对统一的声学响应振幅在共振频率较低。
在这部作品中,不对称梯度大会是由增加的梯度设计组装缸,如图3(在图2梯度显示装配长度是最初的,有点长于梯度线圈)。分裂的声学响应梯度组装研究确定共振频率。不同情况下进行了探讨与增加的长度从1厘米到25厘米1厘米间隔及其声学响应比较彼此找到最适当的不对称设计。
2.3。喇叭状的设计结构的分割主要磁铁
在管不同截面如图4(一),由于声阻抗的变化,一些声波会反映在变分和其他人将传输接口。然而,如果截面逐渐从一个较小的区域变化较大,例如,像一个角,如图4 (b),声阻抗变化是连续的。因此,大多数声能将传播从左向右(喇叭)开放空间,所以反射声波将少得多。
(一)
(b)
在这项工作,两声喇叭安装对称的外结束后的主磁铁分裂的MRI系统不对称梯度装配设计。图5显示了声喇叭分割MRI系统上安装的方式。的横截面区域角结构得到使用 (见附录)。在仿真,角的长度改变从10厘米到100厘米,5厘米间隔为了找到一个最优配置降噪为目的的内部和外部中央缺口。扫描仪组件的机械性能和设计的角被显示在表中1。
(一)
(b)
(c)
3所示。结果
3.1。声学性能评估的不对称分裂梯度组装
仿真表明,该期限的3 d模型和简化的二维模型的范围从约60 dB 140分贝左右。2 d模型的声学响应有一致的趋势和振幅近似三维模型。比较后,2 d模型被用来研究提出降噪方案。
图6显示了四个不对称的声学响应在不同频率梯度组装设计从100赫兹到1000赫兹。从图6,没有严重的波动声学响应的频率范围。然而,存在一些频段等当地SPL极值200 - 240赫兹,305 - 345赫兹,和660 - 720赫兹。通过设计分割梯度组装不对称,这些频段的期限有效地衰减。然而,声学响应增加在某些频段。事实上,大多数的频率与增加SPL nonresonant振动乐队,乐队没有贡献的总SPL MRI序列。通常,SPL的共振频率乐队远远高于nonresonant振动乐队,所以共振频率乐队SPL总额中发挥决定性的作用。感兴趣的降噪效果,这是集中在与当地SPL极值频段。最大SPL减少这些频段采用不对称设计后然后计算出不同长度的增加,从1厘米到25厘米1厘米间隔。
(一)
(b)
(c)
(d)
图7显示的最大SPL减少感兴趣的频段在中央缺口通过不对称梯度装配设计。200 - 240赫兹的频带,降低最大SPL中央缺口稳步增加的长度增加。然而,从305年到345赫兹频段,最大SPL减少提升第一1-13厘米长度增量区间时,然后保持不变的最大值之间的间隔13 - 17厘米,后来,它下降的增量从17厘米到25厘米,因为减少的影响声波相区别。当增量长度从1厘米到21厘米,最大SPL减少305 - 345赫兹频段的大于最大SPL减少200 - 240赫兹频段,但它变得越来越小,当增量来自23厘米到25厘米。比较,最大SPL减少660 - 720赫兹频段有相似的变化趋势的最大SPL减少200 - 240赫兹频段,但前者比后者大SPL减少。在这里,三个频带,降低最大SPL的选择标准如表所示2。根据标准表2、最优长度增量区间的最大SPL减少200 - 240赫兹频段,305 - 345赫兹,和660 - 720赫兹是20 - 25厘米,11日至20日厘米,分别和19-25 cm。重叠的最优长度增加的最大SPL减少三个标准量是20厘米。最优长度增量区间如图7使用不同的颜色条。
图8展示了原始对称梯度之间的声学响应比较大会和20厘米长度增加不对称设计。从图8(一个)可以看出,频带与当地SPL极值显然是减毒在中央缺口。分割梯度组装时不对称设计,最初的SPL高峰在689赫兹左右分为两个小幅度的山峰,标明相应的共振峰的两个梯度的圆筒。在图中央缺口的外面8 (b),有轻微的频段的SPL减少200 - 240赫兹和660 - 720赫兹。然而,SPL仍明显减少305 - 345赫兹频段。还有其他频段的SPL山峰减毒如500 - 600赫兹和850 - 900赫兹。
(一)
(b)
表3显示了总结最大SPL削减中央内外差距感兴趣的频段通过应用非对称梯度组装设计与最优20厘米长度增加。从(2)(见讨论),它可以推断有声波抵消效应在中央缺口在660 - 720赫兹的频率带,在最大SPL减少相当于6.9 dB(大于6.0 dB)。图9显示了声场分布与单纵模分裂MRI系统梯度脉冲输入在689赫兹。声场抵消效应可以从比较观察数据9(一个)和9 (b)。不对称设计,声压强度弱于对称梯度组装,特别是在圆柱形隧道。在这个频率,原梯度圆柱谐振但length-increased不是,这使得整个声场衰减。总的来说,不对称的设计,将梯度组装可以减少与当地SPL极值的声学响应频带,从而顺利的声学响应。
(一)
(b)
3.2。角结构的声学性能评估
为了顺利传递强烈的声波的圆柱形隧道、角结构设计的外结束分裂主要磁铁后最优非对称梯度装配设计。音响效果也集中在100赫兹到1000赫兹频段。
图10显示了四个角的声学响应在不同频率的设计。声学响应标志没有角结构的不对称梯度装配设计的最佳长度增加20厘米。从图10,通过使用角结构,100 - 140赫兹频段显然是减毒和选定的三频段不对称梯度组装设计部门进一步减弱,尽管SPL减排轻微。类似于不对称梯度装配设计,兴趣是关注这四个频段。最大SPL减少这些频段应用后角结构计算对不同角长度从5厘米到100厘米,5厘米间隔。
(一)
(b)
(c)
(d)
图11显示的最大SPL减少感兴趣的频段在中央缺口通过使用角结构。100 - 140赫兹频段,最大SPL减速上升时角长度从5厘米增加到60厘米,但接着又略有下降时角长度大于65厘米,因为减少的配置匹配的角和声波的长度。然而,对于200 - 240赫兹的频率波段,305 - 345赫兹,和660 - 720赫兹,最大SPL 0.2 dB和3.0 dB之间波动,减少的规模小得多,在100 - 140赫兹频段。在这里,四个频段的兴趣,减少最大SPL的选择标准如表所示4。根据这四个标准表4、最优角长度区间的最大SPL减少100 - 140赫兹频段,200 - 240赫兹,305 - 345赫兹,和660 - 720赫兹是50 - 80厘米,50 - 100厘米,- 55厘米,分别和55厘米。最佳重叠角长度的最大SPL减少量四个标准是55厘米。最优角长度间隔见图12使用不同的颜色条。
(一)
(b)
图12显示了声学响应对比结构没有角和角的最优长度55厘米。从图12(一个),它可以看到感兴趣的频段与当地SPL极值在中央的差距进一步减毒应用角结构。SPL峰值660 - 720赫兹频段的进一步减少2.1 dB。以外的地区在图中央的差距12 (b),虽然SPL还原效果不如在中央缺口,它仍然有5.4 dB减少100 - 140赫兹频段。另一个530 - 570赫兹频段当地SPL极值也略减。
表5显示了总结最大SPL削减中央内外差距感兴趣的频段采用角结构最优55厘米的长度。应用角结构后,SPL 100 - 140赫兹频段的明显降低。
图13显示了声场分布在单纵模分裂MRI系统梯度脉冲输入在110赫兹。比较数据(13日)和13 (b)可以看出,分裂核磁共振成像系统的声场强度主要由应用减毒角结构,特别是在中央的差距和圆柱形隧道。从图13 (c)角像波导结构,有效地传递强烈的声场在核磁共振成像系统。
(一)
(b)
(c)
4所示。讨论
当调查提出降噪方案,模拟两个问题被发现,这可能会影响质量的解决方案。第一个是材料阻尼特性,另一个是模拟误差在高频波段。对于第一个问题,小阻尼因子添加环氧树脂模拟,以避免极端的声压。从理论上讲,(1),如果没有阻尼系数 ,振动振幅可以无限,这不是真实的情况。对于第二个问题,假设有一个单自由度系统,共振频率是(1),是一个正弦激振力的振幅,是角频率,粘性阻尼系数,是质量,是弹性刚度。如果有两个共振频率和很近,需要非常小的频率分辨率来区分它们。然而,有限元方法,网格不能无限小,这可能产生模拟错误在mode-dense频带如果网格生成改变(增加一个梯度气缸的长度时,铁网将从原来的略有不同)。不对称设计,叠加SPL是(2),和两个入射声波的振幅,是他们的相位差,是参考压力。通常情况下,如果一个梯度缸共振,但另一个不是 或 ;SPL可以减少大约6 dB相比情况两个梯度气缸同时共振。当考虑声波抵消效果,SPL的区别应该是6 dB(稍微更大或更小)。相对,在低频波段,模式密度稀疏,声波长度大。仿真精度可以保证即使大型网格。除此之外,大部分的梯度脉冲的能量集中在低频带,如通用电气(梯度回波)和SE(自旋回波)[7,22,23]。因此,这个工作的调查集中在100赫兹到1000赫兹频段,可以提供一个更清晰的观察降噪方案的效果和方法可能仍然适合高频条件。
降噪方案提出了工作不影响传统噪声控制的应用程序处理,如阻尼材料和吸声材料的应用程序。所有的降噪方法组合在一起,整体降噪效果会相当大的多。
5。结论
这项工作数值调查两种降噪方法分割梯度线圈在一个MRI-LINAC系统。区别这两个梯度线圈长度气缸导致一个有效的SPL减少内部和外部中央缺口。在200 - 240赫兹频段,305 - 345赫兹,和660 - 720赫兹,SPL极值减少应用不对称梯度组装。在20厘米的最佳长度增加,占主导地位的SPL共振频率减了6.9 dB在中央差距也达到5.6分贝降低频带外中央差距与当地SPL极值,最终平滑的声学响应谱。使用一个额外的方法,角结构设计的结束分裂主要磁铁。这个处理成功传播声波的圆柱形隧道以外的分割梯度组装,从而减少扫描仪内部的噪音水平。有限元模拟表明,最优角55厘米的长度,在典型的SPL值频率可能下降了7.4 dB内部中央缺口和5.4 dB外部中央缺口。总的来说,利用不对称梯度装配设计和应用角结构,减少最大SPL的主导共振频带660 - 720赫兹达9.0 dB。未来将会进行实验验证来验证提出降噪方案。
附录
假设有一个刚性管有两个变分横截面,声阻抗的变化来 ,作为显示在图4(一)。由于声阻抗的变化,一些声波会反映在变分接口和其他传输。在图4(一),入射波 ,反射波是 ,透射波是 ,事件管的截面积 ,递送的管的截面积 ,和管道长度是无限的。声学压力可以表示为(19] 和空气粒子速度19] 在哪里是入射声波的振幅,是反射声波的振幅,是递送的声波振幅, , ,和相应的空气粒子速度,是空气密度,空气中的声速,是角频率,波数定义为 。 的变分接口管截面,何处存在以下边界条件(24,25]: 反射系数可以获得24,25]: 如果 ,然后 。声波几乎完全体现在界面。
然而,如果使用角传播的声波来 ,如图4 (b)声波传输方程将[26] 如果角的横截面区域遵循原则 声学压力可以获得: 在哪里绕组指数。
如果声音传播的声阻抗角 ,反射系数可以解决(24,25]: 在哪里角的长度。如果声音传播的半径角足够大,那里的声阻抗可以近似 。因此, ;反射声波的能量将会减弱。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了中国国家自然科学基金项目(基金号。81501547,61374014,81501548,61602423,和61501405)和河南省的科技计划项目(授予号。162102210218,162102210218,172102210063)。作者感谢黄懿慧王他的帮助在写作手稿。