一种能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构及测量方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明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。本发明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，本发明采用以下技术方案：

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2^n-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。

本发明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，得到一系列的投影剖面p函数，通过反拉东变换，既可以重构得到被测样品的二维平面图像

i(x，y)＝∫p(xcosφ+ysinφ，φ)dφ

其中，i(x，y)为二维图像结果，φ为静磁场梯度g与静磁场磁感应强度b0方向的夹角，p函数为在φ夹角下的一维磁共振成像剖面。

固定磁体的外壳部分由金属骨架和温控装置共同组成，金属骨架部分用于固定各环磁体；温控部分用于控制本发明中使用的永磁体的相对温度不变，因此保证核磁共振测量过程中的拉莫尔频率准确。该部分由高精度温度传感器和温度调节系统组成，能够有效监测磁体的温度漂移导致的磁场变化。固定每环磁体的外壳之间均相互独立，可将两个磁体阵列组装在一起形成最终的磁体系统。这样，在内环磁体阵列中产生的均匀静磁场和在外环磁体阵列中产生的自带梯度静磁场叠加后，最终在整体磁体系统内形成具有校正后的梯度静磁场分布。在目前磁体组装状态下，由于在测量区域内部存在梯度静磁场，可对被测样品施加自旋回波脉冲序列，通过改变回波间隔，完成对被测量样品的分子自扩散系数测量。关于自扩散系数的测量本专利将在随后详细介绍，此处不再赘述。

除了完成上述组转后，该系统还可以对内环或外环进行磁场旋转操作，实现梯度方向在空间的变化。磁场调节部分由底盘和无磁电机组成，底盘为双层环状结构，对应每环磁体的外壳部分，相互连接后由无磁电机带动底盘转动，从而能够使各环磁体之间相互转动，调节静磁场梯度方向。通过施加一维成像脉冲序列实现对被测样品在不同投影取向上的一维剖面成像。对得到上述一系列一维结果进行反拉东变化，进而可获得被测样品的二维核磁共振成像分析。

附图说明

图1为本发明提供的能够形成变梯度静磁场的磁体系统结构的整体一双环结构实施例示意图；

图2为本发明提供的双环结构实施例的磁体结构示意图；

图3为本发明提供的双环结构实施例的内环磁体结构和充磁置示意图；

图4为本发明提供的双环结构实施例的内环磁体固定外壳部分示意图；

图5为本发明提供的双环结构实施例的外环磁体结构和充磁置示意图；

图6为本发明提供的双环结构实施例的外环磁体固定外壳部分示意图；

图7为本发明提供的双环结构实施例的两环磁体外壳部分组合的示意图；

图8为本发明提供的双环结构实施例的磁场调节部分结构示意图；

图9为本发明提供的双环结构实施例的磁场调节旋转方式示意图；

图10为本发明提供的双环结构实施例的磁场调节旋转具体情况示意图；

图11为本发明磁场环境下核磁共振测量方法脉冲序列；

具体实施方式

结合说明书附图说明本发明的具体实施方式。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

图1显示说明了本专利一种能够形成变梯度静磁场的双环磁体系统结构，具有结构紧密，形成的磁场稳定，磁场梯度的方向可调节，精度高等特点。该实施例中整个系统由磁体部分1，固定磁体的外壳部分2和磁场调节部分3组成。

本实施例中采用磁体结构为双层环结构，如图2所示，分别为外层磁体阵列4和内层磁体阵列5。考虑到安装便易程度和磁场强度，每个环的层面上按照圆环带有限剖分思路均安置16块磁体，每个永磁体均为八棱柱，两层磁体阵列的组成方式相同。

本实施例中内层磁体阵列5的结构和充磁方式如图3所示。内层磁体阵列5由4个磁体层6，7，8，9组成，其永磁体长度分别为l1，l2，l3和l4。其相互之间的空间间隔为h1，h2，h3。将每个磁棒考虑为类圆横截面情况下的直径为d。通过采用特定的迭代优化算法，对上述参数l1，l2，l3，l4，h1，h2，h3以及d进行优化计算，保证能够在该磁体阵列的磁体腔内产生具有一定均匀度的均匀静磁场b0^h。该均匀静磁场将成为实现本专利所述梯度静磁场的基础和先决条件。最终组装完成后采用具有恒温效果的外壳10对该内磁体阵列5进行封装，如图4所示。

本实施例中外层磁体阵列4的结构和充磁方式如图5所示。外层磁体阵列4同样由4个磁体层11，12，13，14组成，其永磁体长度分别为l1，l2，l3和l4。其相互之间的空间间隔为h1，h2，h3。将每个磁棒考虑为类圆横截面情况下的直径为d。每个磁体层中各个永磁体块的充磁方向为辐射式充磁。通过采用特定的迭代优化算法，对上述参数l1，l2，l3，l4，h1，h2，h3以及d进行优化计算，保证能够在该磁体阵列的磁体腔内产生具有恒定梯度g的静磁场。该磁体阵列将成为实现本专利所述梯度静磁场的核心。最终组装完成后采用具有恒温效果的外壳15对该外磁体阵列4进行封装，如图6所示。

本实施例中的两环磁体外壳组装的示意图如图7所示。外壳10和15由金属骨架和温控装置共同组成，金属骨架部分用于固定各环磁体，温控部分用于保证磁体的相对温度不变，由高精度温度传感器和温度调节系统组成，位于两环磁体的外壳内部，能够有效放置磁体的温度漂移导致的磁场变化。将两环带有各自磁体系统的磁体外壳套接在一起，即可在最终系统的腔体内部形成具有特定磁场强度b0^h和恒定梯度g的静磁场b0。该磁场可完成对被测样品中分子自扩散系数的测量，得到被测样品内部饱含流体的种类、含量和流体精细组份等重要信息。

由图7可知，固定每环磁体的外壳10和15之间均相互独立，可组装在一起后自由转动，其下部有固定孔，用于连接磁场调节部分，从而能够自由调节静磁场的磁场梯度g的空间方向。

本实施例中磁场调节部分如图8所示，由底盘和无磁电机组成。底盘为双层环状结构，分别包含16和17部分，对应各环磁体的外壳，相互连接后由无磁电机带动底盘转动，从而能够使各环磁体之间相互转动，达到调节静磁场的磁场梯度的效果。本实施例中采用的方式为两环磁体的相对转动，如图9所示。通过旋转底盘16或17，带动磁体阵列4或5的相对空间位置转动，进而改变静磁场梯度g的空间取向。图10显示了固定外层磁体阵列4，转动内层磁体阵列5后磁场梯度g的方向φ的三种情况。每一个φ角度下通过核磁共振成像可以得到被测样品在该梯度方向下的一维投影图像。通过多次改变角度φ并对得到的多组一维投影图像进行数据重构，即可得到被测样品在横向平面上的二维核磁共振图像。

静磁场b0在本专利中由永磁体提供，该值大小决定核磁共振信号的信噪比。被测样品置于静磁场中，自旋系统内发生能级分裂，沿着静磁场方向会产生一个宏观磁化矢量m0。m0由静磁场强度b0，温度等参数决定。因此为了保证核磁共振测量稳定性，需要对永磁体系统设定恒温装置，保证外界环境不会对永磁体的特性产生影响。

射频磁场b1产生的射频脉冲为电磁信号，通常由线圈产生。射频脉冲产生的磁场为射频磁场。射频磁场的方向与静磁场方向垂直，实现对在静磁场中形成的磁化矢量的扳转操作，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。因此可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。核磁共振脉冲序列由不同数量和频率属性的射频脉冲按照设定时序组成。通过调整脉冲间时间间隔，脉冲角度及脉冲的频率选择性，实现对被测样品的弛豫、扩散系数和成像等测量。

磁场梯度分为静磁场梯度和脉冲磁场梯度两种。本发明专利只涉及静磁场梯度。通过记录一定时间内分子沿着梯度方向平均扩散位移即可计算出分子的自扩散系数。此方法作为一种有效的自扩散系数测量，应用于流体种类识别及样品标定等领域。同时，梯度静磁场的存在也可以完成对被测样品中流体信号的空间编码，进而实现核磁共振成像测量。

自旋回波为核磁共振测量最常见的一种信号。脉冲序列如图11所示。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。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。该回波信号称之为自旋回波信号。结合本专利实现的带有梯度磁场分布的磁体系统，自旋回波技术可实现以下两方面的重要功能：(1)在梯度磁场下通过改变梯度幅值或梯度持续时间，记录自旋回波幅值的变化，可以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。

自扩散系数ds反映分子的扩散快慢程度。由于分子的扩散过程为随机运动，在一定时间之后的扩散传播函数或扩散概率密度符合高斯分布。当分子在梯度磁场中扩散，其一定时间内信号的改变与分子的平均扩散位移有关，可通过这一规律计算得到分子的自扩散系数。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需要进一步考虑。由磁场非均匀性造成的磁化矢量衰减可以通过重聚脉冲(180°脉冲)予以消除，但分子的扩散造成的磁化矢量衰减无法消除。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，磁化矢量衰减会同时受到横向弛豫时间t2，以及分子自扩散运动在梯度磁场中的响应量。通常采用脉冲磁场梯度或静磁场梯度实现扩散系数的测量。以自旋回波脉冲序列为例，静磁场梯度情况下回波幅值衰减随实验参数的变化公式分别为(由于选取的半回波间隔δ小于t2，由t2造成的影响可忽略不计)：

其中，γ为质子的旋磁比，γ/2π＝42.58mhz/t，g为静磁场梯度值，δ为半回波间隔，ds为分子的自扩散系数。

二维核磁共振图像可以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。在本发明中，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。通过本专利中阐述的调节装置，改变梯度静磁场与均匀静磁场之间的夹角φ，可得到一系列的投影剖面p函数。通过反拉东变换，既可以重构得到被测样品的二维平面图像：

i(x，y)＝∫p(xcosφ+ysinφ，φ)dφ

其中，i(x，y)为二维图像结果，φ为静磁场梯度g与静磁场磁感应强度b0方向的夹角。p函数为在φ夹角下的一维磁共振成像剖面。

需要强调的是以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。