便攜式全開(kāi)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(qiáng)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(jià)格昂貴，且封閉式的結(jié)構(gòu)限制了被測(cè)物的最大可測(cè)量尺寸。在實(shí)際中，為了在工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大型樣品的無(wú)損測(cè)量，需要對(duì)核磁共振設(shè)備重新設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)開(kāi)放并盡量便攜。
　　本論文針對(duì)該需求，研究一種新的核磁共振方法：便攜式全開(kāi)放核磁共振技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是設(shè)備便攜，結(jié)構(gòu)開(kāi)放，被測(cè)物位于傳感器外部，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大體積樣品的無(wú)損測(cè)量。然而該技術(shù)的研

2、究面臨諸多的問(wèn)題：相對(duì)于傳統(tǒng)封閉式核磁共振而言，便攜和開(kāi)放的磁體結(jié)構(gòu)是以犧牲磁場(chǎng)均勻度和磁場(chǎng)強(qiáng)度為代價(jià)，所以便攜式全開(kāi)放核磁共振信號(hào)的信噪比低，橫向弛豫過(guò)程衰減很快，這增加了信號(hào)的分析難度；需要針對(duì)不同的工程測(cè)量對(duì)象，設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的磁體和射頻線圈，這對(duì)電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)；同時(shí)工程現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的測(cè)量環(huán)境也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，所以便攜式全開(kāi)放核磁共振技術(shù)是一個(gè)理論與實(shí)際結(jié)合非常緊密的研究方向。目前，便攜式全開(kāi)放核磁共振系統(tǒng)的傳感器設(shè)計(jì)還沒(méi)有形成

3、一套成熟的、可操作性強(qiáng)的方法，相應(yīng)的信號(hào)分析方法也多是借鑒傳統(tǒng)核磁共振均勻磁場(chǎng)下的分析方法。因此，針對(duì)便攜式全開(kāi)放核磁共振這種特殊結(jié)構(gòu)，研究上述問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。
　　本文從電磁場(chǎng)的角度出發(fā)，針對(duì)便攜式全開(kāi)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(jì)和優(yōu)化方法，并研究了相應(yīng)的信號(hào)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(gè)方面：
　　1)便攜式全開(kāi)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(duì)磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)展開(kāi)，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(chǎng)，以及靜態(tài)磁場(chǎng)梯度的解析表達(dá)式，以測(cè)量區(qū)域內(nèi)一階梯度絕對(duì)值最小為優(yōu)化目標(biāo)，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(duì)磁體結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的優(yōu)化仿真。針對(duì)射頻線圈的設(shè)計(jì)，本研究基于似穩(wěn)場(chǎng)的假設(shè)，使用畢奧薩伐定理直接計(jì)算其磁場(chǎng)分布，并根據(jù)磁場(chǎng)分布規(guī)律確定最優(yōu)線圈。由于目前的便攜式全開(kāi)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(wú)法對(duì)被測(cè)物進(jìn)行深層測(cè)量。為克服這一問(wèn)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(jì)出新的1800和3600全開(kāi)放傳感器，并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。
　　2)非均勻場(chǎng)下核磁共振測(cè)量信號(hào)分析方法研究。由于便攜式全開(kāi)放核磁共振傳感器的靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度較小，且分布不均勻，測(cè)量信號(hào)信噪比差，原有的核磁共振信號(hào)分析方法不適用于該類型信號(hào)的反演。為了解決這一問(wèn)題，本研究結(jié)合截?cái)嗥娈愔捣纸夥ǎ═SVD）及BRD正則化算法的優(yōu)點(diǎn)，嘗試了混合TS

6、VD-BRD算法，并對(duì)全開(kāi)放核磁共振信號(hào)進(jìn)行了反演處理。在尋找最優(yōu)正則化因子的過(guò)程中，使用擬牛頓法中的BFGS法進(jìn)行迭代。應(yīng)用實(shí)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(jì)的新型傳感器上，進(jìn)行了一系列的樣品測(cè)量研究。使用1800全開(kāi)放核磁共振傳感器對(duì)人造巖心與真實(shí)巖心的核磁共振參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該傳感器非常適用于巖心分析。使用1800全開(kāi)放核磁共振傳感器對(duì)汽輪機(jī)油的老化狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)估，分析了其老化

7、程度與橫向弛豫時(shí)間及縱向弛豫時(shí)間之間的關(guān)系。使用3600全開(kāi)放核磁共振傳感器對(duì)木材水分狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)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(kāi)放核磁共振傳感器對(duì)非巖心類的孔隙介質(zhì)進(jìn)行了測(cè)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(kāi)放核磁共振傳感器設(shè)計(jì)方法、信號(hào)反演算法、以及實(shí)際應(yīng)用等方面開(kāi)展了一系列的工作，對(duì)便攜式全開(kāi)放核磁共振技術(shù)進(jìn)行了較全面的研究。為推進(jìn)便攜式全開(kāi)放核磁共振技