一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构及测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，适用于核磁共振检测装置系统。该系统由磁体部分，固定磁体的外壳部分和磁场调节部分组成。本发明专利技术提供的形成变梯度静磁场的磁体系统所产生的变梯度磁场的梯度方向和大小在均能调整，在该环境下对样品进行测试后对数据进行拉东变换可作为一种磁共振的成像方式。

【技术实现步骤摘要】
一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构及测量方法
本专利技术阐述一种能够在腔体内部产生自带恒定静磁场梯度的磁体系统。通过旋转该磁体系统内环或外环磁体子系统，可调整静磁场梯度在空间中的方向。该磁体系统可用于获取核磁共振中对被测样品的分子自扩散系数测量以及被测样品的二维成像结果。
技术介绍
核磁共振检测技术是利用核磁共振原理探测氢原子的技术。通过探测被测物内氢原子的含量和赋存状态，获得被测物内各种成分的信息。其技术手段主要通过核磁共振探测装置的探头内的磁体形成静磁场，通过射频天线向被测物发射射频磁场脉冲、采集共振信号，进而根据采集到的样品不同位置的信号，通过直接测量被测物体中氢核的密度、流体分子弛豫特性、扩散特性等对贮存在被测物内的各成分进行分析。实现核磁共振测量的必要条件是将被测样品放置在磁场中。磁场的产生可通过永磁体实现。J.A.Jackson等提出将两个轴向磁化的圆柱形磁体北极与北极相对放置，在其外侧建立起相对均匀的圆环状分布静态区域，在其外侧建立起相对均匀的圆环状分布静态区域，相应的射频磁场由位于两磁体中间的螺旋线圈产生，虽然该磁体结构简单，但灵敏区域太小且磁场强度较低。随后，Z.Taicher等使用径向磁化的单个圆柱形磁体建立静态磁场，而射频磁场由缠绕在磁体上的螺旋线圈产生，但其静态磁场分布极为不均，该传感器的灵敏度区域很小，随后，O.Sucre等为了进一步提高灵敏区域内静态磁场的均匀度，将磁体结构改为六个径向磁化的圆柱形磁体，平面矩形线圈被置于传感器中部的磁体表面上。由此可见，磁体结构的紧凑性设计一直是研究学者们不断追求的目标，都是向传感器的静态磁场的均匀度与灵敏度之间寻找一个优化方案。然而现有的核磁共振传感器的设计存在螺旋线圈体积过大，而且在被测区域内无法产生静磁场梯度。静磁场梯度对于核磁共振测量分子自扩散系数或实现磁共振成像的空间编码至关重要。因此，缺失静磁场梯度的磁体系统无法对大量存在的各向异性的样品进行测量和研究。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺陷，本专利技术提供一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，具有结构紧密，形成的磁场稳定，磁场梯度的强度和方向可调节，精度高等特点。本专利技术所要解决的实际问题在于，首先可在磁体系统内部形成静磁场梯度，其次此磁体系统所产生的梯度在空间方向可调整。鉴于上述两点优势，基于此磁体系统组建完成的核磁共振分析仪器可实现对被测样品的自扩散系数测量分析，得到内部流体种类、含量及其各自组分等重要信息。同时，通过改变梯的空间方向，测量得到一系列被测样品的一维成像剖面，进一步对得到的数据进行拉东变换后可实现对被测样品的二维平面核磁共振成像。该实现方法无需额外搭建梯度成像线圈，因此可大大的降低多维核磁共振成像技术在样品分析中的检测成本。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，适用于核磁共振检测装置系统，无需额外搭建梯度成像线圈；进一步地，所述能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构由磁体部分，固定磁体的外壳部分和磁场调节部分组成，其中磁体部分由两层环形的磁体阵列组成，分别为内环磁体阵列和外环磁体阵列；所述内环磁体阵列和外环磁体阵列均由沿着柱体轴向方向的n层磁环排列组成，所述n层磁环由2N个磁棒构成(n和N为大于2的自然数)，阵列组成存在2N-1对耦合级磁棒，每一对耦合级磁棒按照沿柱体轴对称方式排布，每一层磁环的阵列组成均可相同或不同：所述内环磁体阵列的耦合级磁棒的磁化方向相同，所述外环磁体阵列的耦合级磁棒的磁化方向相反。进一步地，每一层磁环的阵列组成沿着圆周方向排列，每层磁环中磁棒的厚度和层与层之间的距离，以及每一层磁环的阵列组成的圆周的直径均由迭代算法优化设计得出，所述内环磁体阵列的磁棒的圆周排列方式形成的腔内产生第一静磁场，所述第一静磁场具有特定磁场强度，所述第一静磁场方向与邻近的磁棒磁化方向相同。进一步地，所述外环磁体阵列的磁棒的圆周排列方式形成的腔内产生第二静磁场，所述第二静磁场具有恒定梯度，所述第一静磁场和所述第二静磁场形成变梯度静磁场的所述磁体系统结构，所述变梯度静磁场通过改变内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的相对角度而改变静磁场梯度的空间取向；所述内环磁体阵列与所述外环磁体阵列由各自的内侧金属骨架和外侧金属骨架安装固定。进一步地，固定磁体的外壳部分由所述金属骨架和温控部分组成，所述温控部分安装于所述内侧金属骨架和外侧金属骨架之间，用于保证所述内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的相对温度不变，由高精度温度传感器和温度调节系统组成，能够有效防止磁体的温度漂移导致的磁场变化；调节静磁场梯度的空间取向通过旋转每环磁体阵列的外壳实现自由转动，所述外壳下部有固定孔，用于连接磁场调节部分。进一步地，所述磁场调节部分由底盘和无磁电机组成，底盘为两层环状结构，分别对应内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的外壳部分，无磁电机带动底盘转动，所述磁场调节部分由控制器操作，控制器根据指令动作控制无磁电机旋转，从而能够使所述磁体部分之间相互转动。本专利技术还提供了一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构的测量方法，其特征在于，包括：取N＝4，n＝4,初始化系统和恒温温度，调整无磁电机至初始位置，此时标记静磁场梯度G的空间取向φ＝0，将被测样品放置于所述磁体系统结构的测试腔内，在该梯度方向下进行一维投影，首先对被测样品施加90°射频脉冲，将磁化矢量M0扳转至垂直于静磁场方向的横向平面上，M0由静磁场强度B0、温度等参数决定；由于分子的扩散及静磁场的空间非均匀性等原因，磁化矢量M0发生散相；经历一定时间τ之后，施加180°脉冲；散相后的磁化矢量会在同等时间τ之后实现重聚，形成一个回波信号，然后进行以下步骤：(1)在梯度磁场下通过改变梯度幅值或梯度持续时间，记录回波幅值的变化，得到流体分子的自扩散系数；(2)通过施加成对的频率编码或相位编码梯度，解析被测样品的空间自旋密度信息，实现核磁共振成像。进一步地，实现对在静磁场中形成的所述磁化矢量M0的扳转操作由射频磁场B1完成，扳转角度为：θ＝γB1tp，其中B1为射频磁场强度，tp为射频脉冲的持续时间，γ为质子的旋磁比；通过控制射频脉冲的幅值或持续时间达到改变扳转角的目的。进一步地，所述步骤(1)中由于存在静磁场非均匀性及分子的扩散时，对横向磁化矢量造成的额外衰减，进一步考虑分子的扩散造成的磁化矢量衰减，在宏观角度上来说，该响应是一个与时间相关的函数，因此在考虑分子扩散的影响后，磁化矢量衰减满足以下公式：其中g为静磁场B0的非均匀性，或梯度，γ/2π＝42.58MHz/T，δ为半回波间隔。进一步地，所述步骤(2)中通过一种无损的方式快速反映被测样品内部流体的空间分布情况，由于梯度的存在，首先可以获得被测样品某一方向上的一维投影剖面，一维投影剖面p函数是通过对得到的自旋回波信号进行傅立叶变换得到的其中，G为磁场梯度，n为采集自旋回波信号中的点数，td为采集回波中点与点的时间间隔，为每个时间点td下的磁化矢量大小，即核磁共振信号幅度值，Z代表成像位置轴，因此，通过对得到的单个回波整体信号进行傅立叶变换，即可得到一维核磁共振的成像剖面p函数，通过所述磁场调节部分，改变梯度静磁场与均匀静磁场之间的夹角φ，得到一系列的投本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，适用于核磁共振检测装置系统，无需额外搭建梯度成像线圈；所述能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构由磁体部分，固定磁体的外壳部分和磁场调节部分组成，其中磁体部分由两层环形的磁体阵列组成，分别为内环磁体阵列和外环磁体阵列；所述内环磁体阵列和外环磁体阵列均由沿着柱体轴向方向的n层磁环排列组成，所述n层磁环由2

【技术特征摘要】
1.一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，适用于核磁共振检测装置系统，无需额外搭建梯度成像线圈；所述能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构由磁体部分，固定磁体的外壳部分和磁场调节部分组成，其中磁体部分由两层环形的磁体阵列组成，分别为内环磁体阵列和外环磁体阵列；所述内环磁体阵列和外环磁体阵列均由沿着柱体轴向方向的n层磁环排列组成，所述n层磁环由2N个磁棒构成(n和N为大于2的自然数)，阵列组成存在2N-1对耦合级磁棒，每一对耦合级磁棒按照沿柱体轴对称方式排布，每一层磁环的阵列组成均可相同或不同：所述内环磁体阵列的耦合级磁棒的磁化方向相同，所述外环磁体阵列的耦合级磁棒的磁化方向相反。2.根据权利要求1所述的一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，每一层磁环的阵列组成沿着圆周方向排列，每层磁环中磁棒的厚度和层与层之间的距离，以及每一层磁环的阵列组成的圆周的直径均由迭代算法优化设计得出，所述内环磁体阵列的磁棒的圆周排列方式形成的腔内产生第一静磁场，所述第一静磁场具有特定磁场强度，所述第一静磁场方向与邻近的磁棒磁化方向相同。3.根据权利要求2所述的一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，所述外环磁体阵列的磁棒的圆周排列方式形成的腔内产生第二静磁场，所述第二静磁场具有恒定梯度，所述第一静磁场和所述第二静磁场形成变梯度静磁场的所述磁体系统结构，所述变梯度静磁场通过改变内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的相对角度而改变静磁场梯度的空间取向；所述内环磁体阵列与所述外环磁体阵列由各自的内侧金属骨架和外侧金属骨架安装固定。4.根据权利要求3所述的一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，固定磁体的外壳部分由所述金属骨架和温控部分组成，所述温控部分安装于所述内侧金属骨架和外侧金属骨架之间，用于保证所述内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的相对温度不变，由高精度温度传感器和温度调节系统组成，能够有效防止磁体的温度漂移导致的磁场变化；调节静磁场梯度的空间取向通过旋转每环磁体阵列的外壳实现自由转动，所述外壳下部有固定孔，用于连接磁场调节部分。5.根据权利要求2所述的一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构，其特征在于，所述磁场调节部分由底盘和无磁电机组成，底盘为两层环状结构，分别对应内环磁体阵列与所述外环磁体阵列的外壳部分，无磁电机带动底盘转动，所述磁场调节部分由控制器操作，控制器根据指令动作控制无磁电机旋转，从而能够使所述磁体部分之间相互转动。6.一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构的测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-5所述的任意一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构；所述测量方法包括：取N＝4，n＝4,初始化系统和恒温温度，调整无磁电机至初始位置，此时标记静磁场梯度G的空间取向φ＝0，将被测样品放置于所述磁体系统结构的测试腔内，在该梯度方向下进...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘化冰，汪正垛，孙哲，陈伟梁，宗芳荣，
申请(专利权)人：北京青檬艾柯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11