便攜式全開放核磁共振關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用研究.pdf

1、核磁共振技術(shù)在醫(yī)學(xué)診斷、材料分析等領(lǐng)域已成為一種強有力的分析方法。然而，傳統(tǒng)的核磁共振設(shè)備體積龐大，價格昂貴，且封閉式的結(jié)構(gòu)限制了被測物的最大可測量尺寸。在實際中，為了在工程現(xiàn)場實現(xiàn)對大型樣品的無損測量，需要對核磁共振設(shè)備重新設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)開放并盡量便攜。
　　本論文針對該需求，研究一種新的核磁共振方法：便攜式全開放核磁共振技術(shù)。該技術(shù)的特點是設(shè)備便攜，結(jié)構(gòu)開放，被測物位于傳感器外部，可以實現(xiàn)對大體積樣品的無損測量。然而該技術(shù)的研

2、究面臨諸多的問題：相對于傳統(tǒng)封閉式核磁共振而言，便攜和開放的磁體結(jié)構(gòu)是以犧牲磁場均勻度和磁場強度為代價，所以便攜式全開放核磁共振信號的信噪比低，橫向弛豫過程衰減很快，這增加了信號的分析難度；需要針對不同的工程測量對象，設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的磁體和射頻線圈，這對電磁場的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)；同時工程現(xiàn)場復(fù)雜的測量環(huán)境也會影響測量結(jié)果，所以便攜式全開放核磁共振技術(shù)是一個理論與實際結(jié)合非常緊密的研究方向。目前，便攜式全開放核磁共振系統(tǒng)的傳感器設(shè)計還沒有形成

3、一套成熟的、可操作性強的方法，相應(yīng)的信號分析方法也多是借鑒傳統(tǒng)核磁共振均勻磁場下的分析方法。因此，針對便攜式全開放核磁共振這種特殊結(jié)構(gòu)，研究上述問題具有重要的理論和實用價值。
　　本文從電磁場的角度出發(fā)，針對便攜式全開放核磁共振系統(tǒng)的磁體及射頻線圈結(jié)構(gòu)，提出一套設(shè)計和優(yōu)化方法，并研究了相應(yīng)的信號分析方法，為該技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本文主要包括以下幾個方面：
　　1)便攜式全開放核磁共振傳感器研究。傳感器包括磁體和線圈兩部分，

4、本研究主要針對磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計展開，具體分為兩步：首先根據(jù)等效面電流法和畢奧薩伐定理推導(dǎo)出永磁體靜態(tài)磁場，以及靜態(tài)磁場梯度的解析表達式，以測量區(qū)域內(nèi)一階梯度絕對值最小為優(yōu)化目標，使用該解析算法快速確定磁體的基本結(jié)構(gòu)；然后使用有限元方法，對磁體結(jié)構(gòu)進行精確的優(yōu)化仿真。針對射頻線圈的設(shè)計，本研究基于似穩(wěn)場的假設(shè)，使用畢奧薩伐定理直接計算其磁場分布，并根據(jù)磁場分布規(guī)律確定最優(yōu)線圈。由于目前的便攜式全開放核磁共振傳感器的靈敏區(qū)域較小且貼近傳感器表

5、面，無法對被測物進行深層測量。為克服這一問題，本文提出一種三模塊磁體結(jié)構(gòu)，使用上述方法，設(shè)計出新的1800和3600全開放傳感器，并進行了相應(yīng)的實驗研究。
　　2)非均勻場下核磁共振測量信號分析方法研究。由于便攜式全開放核磁共振傳感器的靜態(tài)磁場強度較小，且分布不均勻，測量信號信噪比差，原有的核磁共振信號分析方法不適用于該類型信號的反演。為了解決這一問題，本研究結(jié)合截斷奇異值分解法（TSVD）及BRD正則化算法的優(yōu)點，嘗試了混合TS

6、VD-BRD算法，并對全開放核磁共振信號進行了反演處理。在尋找最優(yōu)正則化因子的過程中，使用擬牛頓法中的BFGS法進行迭代。應(yīng)用實例證明該算法具有較好的反演效果。
　　3)應(yīng)用研究。在本研究設(shè)計的新型傳感器上，進行了一系列的樣品測量研究。使用1800全開放核磁共振傳感器對人造巖心與真實巖心的核磁共振參數(shù)進行了測量，實驗結(jié)果證明該傳感器非常適用于巖心分析。使用1800全開放核磁共振傳感器對汽輪機油的老化狀態(tài)進行了檢測評估，分析了其老化

7、程度與橫向弛豫時間及縱向弛豫時間之間的關(guān)系。使用3600全開放核磁共振傳感器對木材水分狀態(tài)進行了測量，能夠較好的分辨自由水和束縛水在木材中的分布。使用3600全開放核磁共振傳感器對非巖心類的孔隙介質(zhì)進行了測量，證明該傳感器能夠清楚的分辨不同孔隙尺寸的孔隙介質(zhì)。
　　本文在便攜式全開放核磁共振傳感器設(shè)計方法、信號反演算法、以及實際應(yīng)用等方面開展了一系列的工作，對便攜式全開放核磁共振技術(shù)進行了較全面的研究。為推進便攜式全開放核磁共振技