微型核磁共振檢測裝置的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、核磁共振技術(shù)具有無損直接檢測、檢測參數(shù)多樣化和檢測信息豐富等特征優(yōu)勢，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、工業(yè)和食品等眾多領(lǐng)域的一種重要檢測手段。但是龐大的體積以及高昂的制造和維護(hù)成本，限制了核磁共振技術(shù)在便攜式和即時檢測等方面的應(yīng)用推廣。微型核磁共振檢測裝置具有便攜性和低成本性，以及在顯微檢測和即時檢測方面的優(yōu)勢，已成為近期國內(nèi)外學(xué)者研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。本文在回顧微型核磁共振檢測裝置國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀和存在問題的基礎(chǔ)上，基于微型核磁共振檢測裝置的技術(shù)

2、需求和核磁共振原理，設(shè)計了微型核磁共振檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)，并分析了裝置研究中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)問題;重點(diǎn)研究了微型核磁共振檢測裝置所涉及的微型永磁體磁路和微型螺線管核磁共振探頭等重要功能模塊;最后，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，融合商用核磁共振電子控制系統(tǒng)制作了微型核磁共振檢測裝置并開展了其性能測試與應(yīng)用研究。論文研究取得了下列創(chuàng)新性成果:
　　(1)在分析微型永磁體磁路技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，基于永磁體磁路設(shè)計理論并將磁路折射定理引入到微型

3、永磁體磁路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，提出了一種新型的具有單勻場環(huán)的微型永磁體磁路結(jié)構(gòu)，并建立了其磁場強(qiáng)度與溫度變化的關(guān)系模型。對設(shè)計的微型永磁體磁路展開了對比計算，計算結(jié)果表明，相比無勻場環(huán)和雙勻場環(huán)磁路結(jié)構(gòu)，單勻場環(huán)磁路結(jié)構(gòu)具有更好的磁學(xué)性能。根據(jù)理論分析結(jié)果，加工制造了微型永磁體磁路，并搭建了其性能測試平臺開展實驗研究。從理論和實驗兩個方面研究了微型永磁體磁路產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度與溫度變化之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了一種線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型。
　　(2)基

4、于改進(jìn)后的NSGAⅡ算法，對勻場板厚度Pw、永磁體高度H1、永磁體長度L、永磁體寬度Aw等影響微型永磁體磁路性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上制備了具有優(yōu)越磁場均勻度性能的微型永磁體磁路并對其開展了實驗測試研究。研究了微型永磁體磁路性能對設(shè)計參數(shù)的敏感性，從而獲得了勻場板厚度Pw、永磁體高度H1、永磁體長度L、永磁體寬度Aw等影響磁路性能的關(guān)鍵幾何參數(shù)?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建了微型永磁體磁路性能優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過引入優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重

5、因子改進(jìn)了傳統(tǒng)的具有精英保留策略的非支配排序多目標(biāo)遺傳算法-NSGAⅡ算法，并利用改進(jìn)后的算法對微型永磁體磁路的關(guān)鍵幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。對比改進(jìn)前后的NSGAⅡ算法優(yōu)化結(jié)果，改進(jìn)后的磁路算法優(yōu)先保留了磁場均勻度和磁路重量較小的解，與預(yù)期結(jié)果相吻合，同時其獲得的Pareto解的優(yōu)化結(jié)果也與對應(yīng)的有限元計算結(jié)果非常接近，有效地證明了該算法的優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性?；趦?yōu)化后的參數(shù)，制作了微型永磁體磁路并對其開展了實驗測試，實驗測得工作區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)

6、度處于0.66205～0.66235 T之間，磁場不均勻度約為450×10-6。優(yōu)化后，微型永磁體磁路的整體尺寸為129.8×54.3×113.2 mm3，磁路工作間隙的尺寸為12×54.3×66.6 mm3。其中磁路的永磁體尺寸由優(yōu)化前的80×25×60 mm3減少到優(yōu)化后的55.3×20×66.6 mm3，體積減少了39％，而這樣的永磁體尺寸也更易于加工制造。
　　(3)在研究螺線管微型線圈與微流通道一體化集成制備工藝基礎(chǔ)上，

7、研制了具有很高填充因子的高靈敏微流體核磁共振探頭。具體的說，研究了螺線管微型線圈的設(shè)計與工藝制作，通過為線圈設(shè)計相應(yīng)的調(diào)諧匹配電路，開展了微型螺線管核磁共振探頭的設(shè)計與性能測試研究。在28.1 MHz共振頻率條件下，計算得到制作的探頭的品質(zhì)因子Q為28.6，實驗測得死時間為43μs，回波損耗為-49.6 dB。研究了螺線管微型線圈與微流通道一體化集成制備工藝，通過將繞制在毛細(xì)玻璃管上的微型螺線管線嵌入到PDMS微流通道中，從而制作成微流

8、體螺線管線圈。最后，集成所設(shè)計的調(diào)諧匹配電路，制作了微流體核磁共振探頭，該探頭具有易于與微流控技術(shù)集成和填充因子很高的特點(diǎn)。
　　(4)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，組合本文研制的微型永磁體磁路和微型螺線管核磁共振探頭以及商業(yè)的核磁共振電子控制系統(tǒng)，開展了微型核磁共振檢測裝置的組裝研究，并研究了裝置控制參數(shù)的合理設(shè)置。利用調(diào)試成功后的微型核磁共振檢測裝置，通過測量去離子水的FID信號，基于核磁共振法計算得到了微型永磁體磁路工作區(qū)域的磁場

9、均勻度為14.7 ppm。最后，實驗測量了濃度為40 mM CuSO4·5H2O、1M蔗糖水溶液、無水乙醇、去離子水等四種樣品的橫向弛豫時間，并與商用的臺式核磁共振檢測裝置(Bruker minispec mq60)進(jìn)行了對比實驗。實驗結(jié)果表明，該微型核磁共振檢測裝置測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠，能夠有效的用于微樣本的核磁共振檢測，同時測量得到的信號也具有較高的信噪比。
　　(5)開展了微型核磁共振檢測裝置在食用油檢測方面的應(yīng)用研究。研究了微

10、流體樣品狀態(tài)對核磁共振信號檢測結(jié)果的影響，為微型核磁共振檢測裝置的應(yīng)用研究提供指導(dǎo)依據(jù)。在分析食用油核磁共振檢測機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用微型核磁共振檢測裝置，研究了不同品質(zhì)的食用油核磁共振橫向弛豫信號之間的差異。研究發(fā)現(xiàn)，劣質(zhì)食用油的單組份弛豫時間明顯小于未經(jīng)過煎炸處理的正品食用油。對核磁共振信號進(jìn)行反拉普拉斯變換后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，劣質(zhì)食用油的核磁共振橫向弛豫時間分布圖譜也明顯區(qū)別于正品食用油，正品食用油的核磁共振橫向弛豫時間分布圖譜有兩個峰，而