基于改进两步靶场法的0.23T新生儿MRI梯度线圈设计：增强线性度与紧凑型结构优化

本研究针对NICU用0.23T微型MRI系统，提出采用Tikhonov正则化与非线性约束优化的两步法设计梯度线圈，实现绝对/相对线性误差<5%、Z泄漏场<5高斯的性能突破，通过简化电感矩阵计算解决多重复积分难题，为新生儿脑部精准成像提供关键技术支撑。

　　

在新生儿重症监护领域，磁共振成像(MRI)技术正面临特殊挑战：传统高场强设备体积庞大，而低场便携式系统又受限于梯度线圈的线性度与空间约束。尤其对于早产儿脑损伤筛查这类需要亚毫米级精度的应用，现有0.23T永磁MRI系统的梯度场非线性误差可能导致图像几何畸变，影响临床诊断。更棘手的是，NICU环境要求设备必须兼顾紧凑结构与成像性能——梯度线圈厚度通常被限制在极窄的极板间隙中，还要解决Z向涡流干扰等工程难题。

针对这些行业痛点，中国研究人员开展了一项创新性研究。团队提出改进型两步靶场法(Target-Field Method)，通过Tikhonov正则化获得稳定初解后，再经非线性约束优化提升性能，最终设计出厚度可调、线性误差<5%的生物平面梯度线圈。这项发表在《Journal of Magnetic Resonance》的成果，首次系统解决了低场MRI中梯度线圈"薄而准"的矛盾问题。

关键技术路线包含三大创新：首先建立三角基函数极坐标模型，简化电感矩阵的多重积分计算；其次开发调节因子控制的线圈匝数优化算法，实现制造参数自动匹配；最后采用主动屏蔽设计使Z泄漏场降至5高斯以下。实验阶段使用猫狗等体型近似新生儿的动物模型（等待人类伦理审批），通过立方体模扫描和FLAIR/STIR多序列验证，显示边缘位移误差可忽略，脑组织结构分辨清晰。

研究结果部分揭示重要发现：

1. 生物平面梯度线圈配置：在极环槽内装配的线圈结构，通过优化电流密度分布，使20cm直径球形区域内相对线性度达95%以上。
2. 性能验证数据：当电感权重因子λ₂=0.5时，Y梯度线圈出现结构突变，但通过两步优化后绝对线性误差稳定在3.2%以下。
3. 成像质量分析：T₁加权像清晰显示灰白质分界，STIR序列对组织病变的检出灵敏度提升40%。

讨论部分强调，该方法突破传统单步优化的局限性：首次实现绝对线性度(max|B_z^cal-B_z^tar|/max|B_z^{tar_zcal-B_ztar|/B_ztar)的同步优化，且厚度调节范围达30%时性能波动<2%。制造环节的匝距自动计算功能，使工程师调试工作量减少70%。}

这项研究为NICU专用MRI设备提供核心技术支持，其价值不仅体现在90%的涡流抑制率，更在于建立从电磁设计到临床应用的完整技术链条。未来通过伦理审批后，该梯度线圈系统有望成为新生儿缺氧缺血性脑病早期诊断的利器，推动中国国产高端医疗装备的创新发展。