基于球谐函数展开法的单边核磁共振仪磁体设计

单边核磁共振是一种新型的核磁共振结构，其特点是磁体完全位于被测物的一边，不受传统结构腔体尺寸的限制，可以实现大体积物体的无损测量。目前还没有针对单边磁体结构设计的成熟理论，特别是单边有源匀场理论的研究仍然是一片空白。本申请针对这一现状，拟研究下列关键问题：（1）单边永磁体结构设计的逆问题，确定什么样的永磁体结构能够产生满足要求的单边静态磁场分布；（2）结合单边磁场分布特点的有源匀场理论研究，即如何提高目标区域内的磁场均匀度。本研究的目标是在单边磁体外部获得直径为4cm的球型均匀场区域，场强达到100mT，均匀度小于50ppm。本申请创新性的围绕球谐函数展开的思想解决上述问题。单边磁体结构设计，特别是单边匀场方法的研究是该领域的新尝试，若能实现突破，将对单边核磁共振仪器的研究起到很大的促进作用，为早日实现临床应用奠定基础。

与传统核磁共振结构相比，单边核磁共振是一种新型的核磁共振结构，其特点是设备便携，结构开放，被测物位于传感器外部，可以实现对大体积样品的无损测量，同时采用永磁体提供主磁场，价格低廉、能耗较低。然而单边核磁共振技术的研究还面临着诸多的问题：相对于传统封闭式核磁共振而言，单边磁体结构是以牺牲磁场均匀度和磁场强度为代价，所以单边核磁共振的信噪比低，横向弛豫过程衰减较快，这增加了信号的分析难度；目前，单边核磁共振尚未形成一套成熟的设计和分析方法，所以本研究主要以提高单边核磁共振测量信噪比为目的，旨在形成一套单边磁体和射频线圈设计与优化的系统方法，主要内容及成果包括以下几个部分：.1)单边磁体的研究：本研究中单边磁体结构设计本质上是一种电磁场逆问题，静态磁场采用有限元标量磁位法计算，将5块磁棒组成的环状单边磁体结构等效成椭圆数学模型，通过改变椭圆弧状磁体的曲率以及添加铁磁匀场材料对目标区域内静态磁场均匀度进行优化，设计出尺寸为6.8cm×12.9cm×15.4cm，总重约3kg的小型手持式单边磁体结构。该单边磁体磁场在10mm×10mm水平面内均匀度高达338ppm，磁场强度为136.294mT；垂直方向上梯度分布，磁场在垂直方向2mm范围内以4.6T/m的恒定衰减速度从144.387mT衰减到130.603mT。.2)射频线圈的研究：本研究基于似稳场的假设，使用目标场法设计射频线圈，并用流函数法计算线圈的绕线形式。在给定射频磁场的前提下，求解得到不同分布面积的线圈结构，并使用信噪比（SNR）优化获得信噪比最佳的射频线圈。.3) 单边核磁共振信号分析方法研究：主要采用傅里叶变换及其逆变换方法构建带通滤波器，分析给定厚度内样品的核磁共振信号。.4）单边核磁共振实验研究：我们把该单边核磁共振传感器用于评估高分子材料的老化和液体样品的分析方面。.本研究在单边核磁共振磁体与射频线圈的设计优化、单边核磁共振实验方面开展了一系列的工作，对单边核磁共振技术进行了较全面的研究，为推进单边核磁共振技术在工程实际中的应用奠定了基础。