半环状单边核磁共振仪磁体设计与实验研究

摘要

单边核磁共振(NMR)作为一种无损测量方法,已经被广泛应用在医学领域。虽然目前的核磁共振成像(MRI)技术以及在其他成像手段基础上发展起来的医学影像诊疗发展迅速,且在很大程度上减少了病人的痛苦,但仍然无法满足现实的临床需求。
　　皮肤烧伤是常见病症,目前确定烧伤深度的方法较为粗略、主观,以皮肤发热的程度及被烧伤时间为主要判断方法,根据皮肤的症状及有无疼痛加以辅助判断。这种主观的判断可能会加快内部组织恶化,使烧伤深度进一步加深。现在,临床上迫切需要一种量化、准确的方法来判断烧伤患者的烧伤深度和恢复程度,以准确制定治疗和康复方案。
　　考虑到目前针对皮肤烧伤程度的判断以及烧伤后皮肤康复情况的诊断,还没有良好的方法,主要通过医生的主观判断及患者切身感受。本论文的主要目的在于针对皮肤烧伤实时监护,设计一种体积小、便携式的单边磁体结构,并与8字形射频线圈组成单边核磁共振传感器,用该传感器做相应的核磁共振实验,以证明传感器的可行性。具体内容包括以下几个方面:
　　①永磁体磁场计算与单边磁体结构设计。将磁场的源等效成磁荷,以标量磁位θm为求解变量,采用十节点的四面体单元离散整体区域,在单元内建立标量场θm的二次模型,计算出空间中任意一点的磁标量位。以此二阶有限元方法为计算基础,将7块磁棒组成的半环状单边磁体结构等效成椭圆数学模型,设计出尺寸为4.5cm×10.5cm×10.5cm,总重约1.5kg的小型便携式半环状磁体结构。该磁体结构磁场在水平方向上平坦分布,垂直方向上梯度分布。磁场在垂直方向上从96mT以3.9T/m的恒定衰减速度衰减到57mT。用高斯计测量该磁体结构实际磁场,并与仿真值比较,误差在1％左右。
　　②射频场计算。以毕奥-沙伐尔定律为基础,推导出载流长直导线在空间任意位置产生的磁场计算公式,并依此计算出有4.5匝的双面射频线圈产生的射频场的空间分布。计算结果表明,射频场在水平方向上较大区域内平坦分布,在垂直方向上呈梯度分布,梯度值不恒定。为使射频线圈最大限度传输能量,射频线圈与设计的调谐匹配电路相连。
　　③核磁共振实验。用搭建好的核磁共振实验平台做了三组实验:1)测试单边核磁共振传感器性能。首先以橡皮为例,测量其回波信号,接收到的回波信号清晰;该传感器可以测到清晰的弛豫时间衰减曲线,测得纯净水的等效横向弛豫时间T2eff值为131.4ms,橡皮的T2eff值为12.3ms;测试射频线圈的接收信号的灵敏度,结果表明,射频线圈在整个激励平面上都能工作,但该线圈的最大测量深度为3mm,在此范围内,可以得到清晰的一维分层模型识别图。2)测量液体扩散系数D。D值与测试环境温度关系密切,以纯净水为例,测试其在室温下扩散系数,测量结果D=2.2×10-9m2/s,与理论值吻合。3)用核磁共振方法检测硅橡胶复合绝缘子老化状态。以三种运行不同年限的硅橡胶复合绝缘子为例,分别测量其伞裙上下表面以及不同深度的等效横向弛豫时间T2eff,结果表明,同一复合绝缘子伞裙上下表面的T2eff不同;老化绝缘子等效横向弛豫时间T2eff明显小于新绝缘子;老化复合绝缘子伞裙表面材料的等效横向弛豫时间 T2eff明显小于内部材料;不同绝缘子表面静态接触角的变化趋势和等效横向弛豫时间的变化趋势一致,但T2eff的变化更明显。
　　本论文多种核磁共振实验证明,用二阶有限元法设计的单边核磁共振磁体结构可用,设计方法可行。