辽宁工程技术大学闫孝姮、张维广 等：基于改进螺旋梯度线圈的感应式磁声磁粒子浓度成像研究

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导语

感应式磁声磁粒子浓度成像（MACT-MI）是一种基于磁声耦合效应的多物理场成像技术。由于目前MACT-MI存在电磁激励系统电流幅值过大和梯度磁场均匀度差的问题，该文提出一种改进梯度线圈设计方法，研究结果可为推进MACT-MI装置的临床应用提供基础。

研究背景

感应式磁声磁粒子浓度成像（MACT-MI）是一种基于磁声耦合效应的多物理场成像技术。该方法通过激励磁场诱导磁纳米粒子（MNPs）振动产生声信号，并利用超声检测手段实现目标区域MNPs浓度的分布重建。但是目前MACT-MI电磁激励系统的脉冲电流幅值过高这一问题依然制约着MACT-MI的临床应用。

论文所解决的问题及意义

本文针对当前MACT-MI电磁激励系统电流幅值过大、产生的梯度磁场均匀度差的问题，提出一种基于螺旋梯度线圈的改进梯度线圈设计方法以降低电流激励幅值、改善梯度磁场均匀度，研究结果为推进MACT-MI装置的临床应用提供了依据。

论文方法及创新点

本文提出一种基于螺旋梯度线圈的改进梯度线圈设计方法：

首先，基于离散电流技术设计梯度线圈的思路，本文采用螺旋线为线圈绕线的基底图形，推导出平面螺旋线圈在目标区域的梯度磁场计算式。

其次，本文将成像区域内目标点的磁通密度理论值与实际值的均方根误差作为适应度函数，并采用旅鼠优化算法对线圈间距、线圈半径、线圈平面间距和线圈电流参数进行优化，改进后的螺旋梯度线圈如图1所示。

图1 改进螺旋梯度线圈

通入线圈的脉冲电流采用正弦衰减截断波信号，如图2所示。脉冲激励峰值从大到小依次为Maxwell线圈电流幅值为63.1A、矩阵式线圈最大电流幅值为57.577A、改进TFM线圈电流幅值为45A、改进螺旋线圈最大电流幅值为20.61A。

图2 四种梯度线圈最大脉冲电流

为评估线圈的性能，本文引入场不均匀度e1和线性空间偏差e2两个参数作为线圈的设计性能标准，在研究区域内本文所设计的线圈不均匀度可以达到5%，线性空间偏差可以达到1%，满足设计要求，结果如图3（a）、图3（b）所示。

图3 线圈误差分布

进一步的，为了更直观的观察成像区域内梯度磁场的分布情况，在YOZ截面取截线EF沿y正方向每根截线间隔5mm，共取6根截线。与Maxwell线圈、矩阵式线圈、改进TFM线圈产生的梯度磁场进行对比，结果如图4所示。

图4 截线上梯度磁场和不均匀度

在COMSOL中构建MACT-MI模型并在相同的生物组织区域中与Maxwell、矩阵式和改进目标场法梯度线圈产生的磁力和声压进行对比，结果如表1、表2所示。

表1 MNPs磁力相对偏差

表2 MNPs声压相对偏差

上述结果表明，本文设计的梯度线圈梯度磁场满足成像要求，在激励电流幅值、磁场均匀性、磁力相对偏差和声压相对偏差方面均优于Maxwell线圈、矩阵式线圈和改进TFM线圈。

结论

本文提出的一种基于改进螺旋线圈的梯度线圈优化设计方法，降低了MACT-MI电磁激励系统的电流幅值、改善了梯度磁场不均匀度。在改进螺旋梯度线圈产生的梯度磁场作用下，磁力和声压信号的平均偏差相较于Maxwell线圈、矩阵式线圈和改进TFM线圈均有降低。研究结果为降低MACT-MI脉冲装置激励，推进MACT-MI装置的临床应用提供了依据。

团队介绍

本团队属于辽宁省科技创新团队（LJ222410147025），团队引进和培养了一批学术骨干，形成了完整合理的高水平学术梯队。团队成员目前包括教授9人、副教授13人、讲师4人、40岁以下青年教师5人。近5年来，本团队主要成员先后承担国家自然科学基金项目3项、辽宁省自然科学基金项目、辽宁省科技计划项目等纵向课题14项，承担企业委托项目34项；获得省部级以上科技奖励9项；获得发明专利授予权9项；发表学术论文216篇；出版专著1部；已培养博士，硕士研究生200余人。

闫孝姮

工学博士，教授，博士生导师，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院副院长，研究方向为磁纳米粒子成像技术、接地网电阻抗成像技术、植入式设备无线电能传输技术等。

张维广

硕士研究生，辽宁工程技术大学，研究方向为电磁超声探测与成像。

陈伟华

工学博士，副教授，硕士生导师，辽宁工程技术大学电气与控制工程学院自动化系主任，研究方向为植入式设备无线电能传输技术、磁纳米粒子成像技术、接地网电阻抗成像技术等。

侯潇涵

博士研究生，辽宁工程技术大学，研究方向为电磁超声探测与成像。

王治仁

硕士研究生，辽宁工程技术大学，研究方向为电磁超声探测与成像。

本工作成果发表在2026年第13期《电工技术学报》，论文标题为"基于改进螺旋梯度线圈的感应式磁声磁粒子浓度成像研究"。本课题为国家自然科学基金青年基金项目、国家自然科学基金面上项目和辽宁省教育厅科技创新团队项目资助。

引用本文

闫孝姮, 张维广, 陈伟华, 侯潇涵, 王治仁. 基于改进螺旋梯度线圈的感应式磁声磁粒子浓度成像研究[J]. 电工技术学报, 2026, 41(13): 4502-4514. Yan Xiaoheng, Zhang Weiguang, Chen Weihua, Hou Xiaohan, Wang Zhiren. Magnetoacoustic Magnetic Particle Concentration Imaging Based on Improved Helical Gradient Coil. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(13): 4502-4514.