腦水腫檢測(cè)的開(kāi)放式核磁共振系統(tǒng)構(gòu)建,神經(jīng)病學(xué)論文開(kāi)放式核磁共振〔opennuclearmagneticreson-ance,ONMR〕系統(tǒng)具有由永磁磁體構(gòu)成主磁場(chǎng)的磁體、系統(tǒng)體積小、質(zhì)量小、共振區(qū)域位于磁體一側(cè)等特點(diǎn)[1],具備良好的開(kāi)放性，可用于對(duì)材料的分析和檢測(cè)[2].趙薇等設(shè)計(jì)了1種由鞍型線圈組成、能夠?qū)albach磁體的橫向磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹鎰驁?chǎng)線圈[3].胡格麗等采用目的場(chǎng)方式方法設(shè)計(jì)了1組超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng)梯度線圈[4].典型的主磁體按構(gòu)造分為U型磁體和桶狀磁體[5]以及Halbach磁體[6-7]等。含水量是材料的一個(gè)重要參數(shù)。大型油浸變壓器中絕緣油和絕緣紙的含水量對(duì)油紙絕緣性能的影響極為顯著[8].王有元等進(jìn)行了水分對(duì)絕緣紙微觀特性影響的分子模擬研究[9]和水分對(duì)油紙絕緣熱老化速率的影響[10].許淵等采用介質(zhì)響應(yīng)技術(shù)檢測(cè)油紙絕緣的含水量[11],張致等采用頻域譜方式方法估計(jì)固體絕緣的含水量[12],為絕緣診斷提供參考信息。水中的1H原子核是核磁共振〔NMR〕經(jīng)常測(cè)定的磁性原子核之一。核磁共振能夠測(cè)定冰凍枯燥人紅細(xì)胞的含水量[13]、石油的含水量[14]、茶葉的含水量[15]和地下水分布[16].顱內(nèi)含水體積的變化情況能夠直接反映腦水腫病情的嚴(yán)重程度。在腦猝死〔腦梗死和腦出血〕、腦炎、顱內(nèi)腫瘤、腦損傷等病情的同時(shí)，通常都伴隨著腦水腫[17],顱內(nèi)含水體積的變化與病情的變化息息相關(guān)。針對(duì)計(jì)算機(jī)斷層掃描〔CT〕所用的X射線會(huì)對(duì)人體造成傷害、對(duì)軟組織分辨率不高和磁共振成像〔MRI〕儀器價(jià)格昂貴、體積大等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)1種小型化的、價(jià)格低廉的、開(kāi)放式核磁共振分析儀，通過(guò)檢測(cè)目的區(qū)域不同深度物體的核磁共振信號(hào)和被測(cè)物在不同含水體積情況下的核磁共振信號(hào)，來(lái)檢測(cè)頭顱中不同位置的含水體積。核磁共振系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于主磁體設(shè)計(jì)以及線圈的優(yōu)化選擇。本文首先分析主磁體構(gòu)造，使其磁場(chǎng)的梯度、均勻度以及精度知足要求；接著研究不同類(lèi)型射頻〔RF〕線圈的磁場(chǎng)分布規(guī)律，挑選適宜搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的螺線型射頻線圈，使其磁場(chǎng)的平行度和均勻度知足要求；最后搭建核磁共振系統(tǒng)，以位于磁體目的區(qū)域不同深度位置的橡皮和不同含水體積的面粉為樣品，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，為開(kāi)放式核磁共振儀進(jìn)一步應(yīng)用于臨床提供實(shí)驗(yàn)支撐。1核磁共振儀主體技術(shù)1.1主磁體為了對(duì)顱內(nèi)疾病進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，應(yīng)使磁體構(gòu)造能夠包圍人體頭顱，并在磁體構(gòu)造的中心區(qū)域構(gòu)成水平方向平坦分布、縱深方向梯度分布的磁場(chǎng)，便于對(duì)顱內(nèi)不同深度區(qū)域的含水體積信息進(jìn)行檢測(cè)。本文設(shè)計(jì)得到了磁場(chǎng)條件優(yōu)良的主磁體。向永磁體制造廠商〔北京中科三環(huán)高技術(shù)股份有限公司〕購(gòu)買(mǎi)所需磁體，即磁塊尺寸為30mm30mm100mm、相對(duì)磁導(dǎo)率r為1.05、剩磁的磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為1.38T的釹鐵硼磁塊，并采用不導(dǎo)磁的不銹鋼材料制作支架，構(gòu)建實(shí)際的磁體模型，其主磁體構(gòu)造如此圖1所示。磁體磁場(chǎng)中心區(qū)域的尺寸為50mm50mm50mm.磁場(chǎng)中心區(qū)域yoz平面50mm50mm范圍磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bz的計(jì)算值和測(cè)量值如此圖2所示。從圖2能夠看出，在yoz平面上的范圍為50mm50mm時(shí)，即磁場(chǎng)中心區(qū)域在y方向的寬度為50mm時(shí)，磁場(chǎng)沿水平方向平坦分布。主磁體在磁場(chǎng)中心區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的測(cè)量值為0.063~0.1647T〔計(jì)算值為0.063~0.1635T〕，平均值的測(cè)量值為0.1077T〔計(jì)算值為0.1071T〕，磁場(chǎng)梯度的測(cè)量值為2.03T/m〔計(jì)算值為2.01T/m〕，磁場(chǎng)梯度較大，可為核磁共振系統(tǒng)提供良好的主磁場(chǎng)。1.2射頻線圈射頻線圈是裝在主磁體內(nèi)孔里的常規(guī)高頻脈沖線圈，射頻線圈由晶體振蕩器和功率放大器提供射頻電流工作，核磁共振信號(hào)也由同一個(gè)射頻線圈接收，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)接收器和放大器進(jìn)行模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換、信號(hào)平均，最后計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示完成樣品的成像[18].主磁體的磁場(chǎng)方向必須跟射頻線圈的磁場(chǎng)方向垂直，被測(cè)物體處于主磁體磁場(chǎng)和射頻線圈磁場(chǎng)的共同磁場(chǎng)當(dāng)中，因而射頻線圈的設(shè)計(jì)不能脫離主磁體磁場(chǎng)，需要根據(jù)主磁體磁場(chǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并搭建核磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證其可用性和匹配性[19].1.2.1不同射頻線圈磁場(chǎng)分析為了選取合適該系統(tǒng)的射頻線圈，對(duì)籠型線圈、單層八字線圈、雙層八字線圈以及螺線型線圈的磁場(chǎng)大小、方向及分布進(jìn)行了研究，以產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度、均勻度以及平行度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行挑選，最后選定螺線型線圈搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用外電路添加鼓勵(lì)的方式進(jìn)行建模，線圈寬度為0.5mm,電流鼓勵(lì)為2A,匝間距為0.5mm,線圈外半徑為26mm,兩線圈之間距離為70mm.螺線型線圈構(gòu)造及磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和方向如此圖3所示。從圖3能夠看出，螺線型線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻度和平行度都較好，可用來(lái)設(shè)計(jì)核磁共振系統(tǒng)。1.2.2螺線型線圈的優(yōu)化選擇利用Maxwell對(duì)線圈進(jìn)行建模擬真，建模需要消耗損費(fèi)大量的時(shí)間，仿真時(shí)間也較長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，而影響螺線型線圈磁場(chǎng)的因素較多，通過(guò)仿真建模來(lái)逐個(gè)研究影響因素是不切實(shí)際的。本文考慮到這些因素，通過(guò)算法編程，設(shè)置線圈內(nèi)半徑、線圈外半徑、線寬、匝間距、電流大小等參數(shù)建立了螺線型線圈的磁場(chǎng)計(jì)算方式方法，研究了不同影響因素對(duì)磁場(chǎng)的影響規(guī)律。研究得到，隨著匝間距的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度變小，磁場(chǎng)均勻度不變；匝間距在0.1~0.5mm范圍內(nèi)時(shí)線圈磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不大，匝間距大于0.5mm時(shí)，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變小；隨著2個(gè)線圈之間的距離變大，線圈中間位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度變小，磁場(chǎng)均勻度變化不大；在其他參數(shù)固定的條件下，線圈存在使得磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度到達(dá)最大值的最優(yōu)外半徑。根據(jù)參數(shù)優(yōu)化，設(shè)線圈匝數(shù)為7匝，線圈外半徑為40mm,2個(gè)線圈之間的距離為40mm,匝間距為0.3mm,此時(shí)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度到達(dá)1mT,其均勻度為0.02mT,優(yōu)化選擇參數(shù)后的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度及其均勻度都有了明顯的改善，此時(shí)螺線型線圈在中間截面處只要z方向的值。2核磁共振實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架與實(shí)驗(yàn)條件本文搭建的核磁共振系統(tǒng)構(gòu)造如此圖4所示。在搭建核磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，射頻線圈通過(guò)電容匹配電路〔Cm、CT為匹配電容〕與電阻值50?的同軸電纜相連，使得射頻線圈的阻抗與實(shí)驗(yàn)儀器阻抗相匹配，再將同軸電纜與實(shí)驗(yàn)儀器相連，通過(guò)操作Prospa軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)核磁共振要知足的基本條件如下：1〕核有自旋〔磁性核〕；2〕有1個(gè)穩(wěn)恒的外磁場(chǎng)B0,能發(fā)生能級(jí)分裂。主磁場(chǎng)為均勻場(chǎng)，磁場(chǎng)越均勻、Zeeman能級(jí)寬度越窄、共振吸收峰越尖銳、信噪比越高都能使得信號(hào)越容易觀測(cè)；3〕有1個(gè)與主磁場(chǎng)和總磁矩所組成平面垂直的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B1;4〕若線圈磁場(chǎng)角頻率00==B〔0B為矢量B0的模〕，則發(fā)生核磁共振。華而不實(shí)為核的磁旋比，其計(jì)算式為【公式】2.2線圈PCB模型根據(jù)前面確定的線圈參數(shù)，畫(huà)出螺線型線圈的印刷電路板〔printedcircuitboard,PCB〕模型，如此圖5所示。圖5中：2個(gè)線圈中的A、A、B、B、C、C、D、D為螺桿連接點(diǎn)，都為直徑4.5mm的圓洞；AA、BB、CC、DD分別相連接用來(lái)固定板子；E、F、E、F為焊接點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)中，將2個(gè)線圈用塑料螺釘固定，通過(guò)焊接點(diǎn)連接。E連接F,E、F與外電路相連。2.3磁體磁場(chǎng)測(cè)量與數(shù)據(jù)計(jì)算3維磁場(chǎng)測(cè)量平臺(tái)由1維磁場(chǎng)探針、1維貝爾高斯計(jì)、3維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)〔由x、y、z這3個(gè)方向的高精度步進(jìn)電機(jī)控制〕、運(yùn)動(dòng)控制器以及裝有控制測(cè)量軟件的計(jì)算機(jī)構(gòu)成，如此圖6所示。圖6中：磁場(chǎng)探針與高斯計(jì)相連，高斯計(jì)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由探針測(cè)得，共同顯示在高斯計(jì)和測(cè)量軟件中；磁場(chǎng)探針固定在3維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由運(yùn)動(dòng)控制器控制，通過(guò)串口連接在計(jì)算機(jī)上，由測(cè)量軟件控制可在1維直線和2維平面上運(yùn)動(dòng)；這樣通過(guò)2個(gè)串口便可在終端軟件上控制磁場(chǎng)探針運(yùn)動(dòng)，并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。分別測(cè)出在磁場(chǎng)中心區(qū)域？25mm、？15mm、?5mm、5mm、15mm和25mm這6個(gè)高度上的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，然后計(jì)算得到各位置處的共振頻率，再利用阻抗分析儀測(cè)得線圈在每個(gè)共振頻率下的電阻R值、電感L值。將線圈放置在主磁體當(dāng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，每個(gè)共振頻率位置處測(cè)量4組數(shù)據(jù)，最后求取平均值。測(cè)得線圈的阻抗參數(shù)，利用算法計(jì)算電容匹配電路中電容Cm、CT的值。在磁場(chǎng)中心區(qū)域中，不同坐標(biāo)位置的層面上，主磁體磁場(chǎng)中心區(qū)域不同位置高度h處的各種數(shù)據(jù)〔磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值B、共振頻率f、電阻R、電感L、匹配電容Cm、CT〕如表1所示。2.4電路匹配與頻率調(diào)節(jié)根據(jù)計(jì)算出的匹配電容，完成電容匹配電路的計(jì)算，根據(jù)前面圖4中型等效電路來(lái)完成電容匹配電路的焊接。根據(jù)計(jì)算的參數(shù)來(lái)完成電路匹配，完成匹配后利用頻率分析儀驗(yàn)證匹配的好壞。利用頻率分析儀來(lái)測(cè)量所匹配的電路所對(duì)應(yīng)的共振頻率，若此時(shí)對(duì)應(yīng)的共振頻率的測(cè)量值大于計(jì)算值，則講明選擇的電容CT過(guò)小，所以需要將CT值變大；反之則將CT變小。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到共振頻率的測(cè)量值與計(jì)算值一致。頻率匹配如此圖7所示。圖7中：f1、f2為幅值下降到總幅值d長(zhǎng)度的0.707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率；Q=f/f為表征線圈匹配好壞的參數(shù)；f為共振頻率；f=f2?f1為頻率差值；Q值越大，講明線圈的品質(zhì)因數(shù)越好。在共振頻率〔計(jì)算理論值〕為4.431MHz時(shí)匹配電路，在儀器測(cè)量中匹配頻率到達(dá)了4.4187MHz,精度到達(dá)了99.71%,f2=4.30901MHz,f1=4.21386MHz,f=0.09515MHz,因而計(jì)算得到Q=4.4187MHz/0.09515MHz=46.44,線圈品質(zhì)因數(shù)高。2.5核磁共振系統(tǒng)的建立圖8為利用Magritek核磁共振譜儀、Tomco射頻功率放大器、半環(huán)Halbach磁體、射頻線圈以及計(jì)算機(jī)搭建的開(kāi)放式核磁共振系統(tǒng)。使用的脈沖信號(hào)為自旋回波序列〔carr-purcell-meiboom-gill,CPMG〕射頻脈沖序列，為用于測(cè)橫向弛豫時(shí)間2的常用脈沖序列，由90和180的射頻脈沖組成,其基本單元90-delay-〔180-delay〕n〔n為回波個(gè)數(shù)〕如此圖9所示[22].a1表示90脈沖的幅值衰減倍數(shù)，a2表示180脈沖的幅值衰減倍數(shù)，td1表示90和180脈沖的寬度，te表示回波時(shí)間，tr表示2個(gè)連續(xù)的90射頻脈沖間的時(shí)間間隔。圖9中，在90脈沖作用后，每隔回波時(shí)間te采用180脈沖重聚焦，并測(cè)量其回波信號(hào)，理論上回波信號(hào)峰值的連線將以橫向馳豫時(shí)間2為衰減時(shí)間常數(shù)作指數(shù)衰減，可用下式表示為[13]【公式2】式中：y0為測(cè)量信號(hào)的初始幅值；a為衰減系數(shù)；y為隨著時(shí)間變化的測(cè)量信號(hào)的幅值。2.5.1目的區(qū)域不同深度物體回波信號(hào)測(cè)量CPMG脈沖序列中90和180脈沖寬度td1為4s,90和180脈沖幅值衰減倍數(shù)a1和a2分別為?18dB和？12dB,回波時(shí)間te為110s,回波個(gè)數(shù)n為60,重復(fù)次數(shù)為2000次，重復(fù)時(shí)間tr為300ms.將橡皮分別放置在磁場(chǎng)中心區(qū)域？25mm〔7.213MHz〕、？15mm〔6.047MHz〕、？5mm〔5.158MHz〕、5mm〔4.168MHz〕、15mm〔3.515MHz〕和25mm〔2.782MHz〕這6個(gè)高度上〔射頻線圈隨樣品一起放置在不同高度上〕，單個(gè)高度上測(cè)得的核磁共振信號(hào)如此圖10所示。不同高度上橡皮的核磁共振信號(hào)如此圖11所示，將每個(gè)高度上的回波信號(hào)疊加。隨著縱深距離增加，疊加構(gòu)成信號(hào)的幅值隨高度而逐步衰減，原由于主磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度在縱深方向呈梯度衰減趨勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的開(kāi)放式核磁共振系統(tǒng)能夠獲得目的區(qū)域不同深度物體的核磁共振信號(hào)，通過(guò)測(cè)定核磁共振信號(hào)的峰值頻率能夠斷定樣品的放置位置深度。2.5.2目的區(qū)域物體不同含水體積信號(hào)的測(cè)量腦水腫是腦內(nèi)水增加導(dǎo)致腦容積增大的病理現(xiàn)象，顱內(nèi)含水體積的變化能夠直接反映出腦水腫病情的變化情況。物體含水體積不同，所測(cè)得的核磁共振信號(hào)也不同，這種不同能夠直接通過(guò)2的大小來(lái)表示。在實(shí)驗(yàn)中，用1個(gè)容器內(nèi)部填充可攪拌物質(zhì)來(lái)模擬腦內(nèi)情況。被測(cè)物體為1個(gè)塑料容器，華而不實(shí)加面粉，通過(guò)參加定量清水來(lái)改變其含水體積。將被測(cè)物體放置在共振頻率計(jì)算值為4.431MHz位置處，測(cè)定2的大小。測(cè)得該位置處4組R、L值，其平均值分別為1.54556?、4.53082H,計(jì)算得到此時(shí)的匹配電容2Cm、CT值分別為99.5742pF和233.6086pF.電容選擇穩(wěn)定性好、絕緣性強(qiáng)、耐壓高的陶瓷電容。通過(guò)選擇不同大小的電容進(jìn)行組合、電路匹配和頻率測(cè)量，選取最接近計(jì)算頻率的電容值。最后選取2Cm、CT的值分別為100pF、〔220+10+3.3〕pF,用Wobble測(cè)得匹配的頻率大小為4.453MHz,誤差僅為0.49%.搭建好整個(gè)系統(tǒng)，在核磁共振實(shí)驗(yàn)Prospa軟件中進(jìn)行最后Wobble頻率匹配。CT值影響匹配頻率值的大小，Cm值影響匹配頻率的品質(zhì)因數(shù)。圖12表示頻率匹配好壞的頻率掃描圖，頻率掃描響應(yīng)圖中越細(xì)越尖講明匹配的效果越好，共振吸收峰越尖銳，信噪比越高，越容易觀測(cè)。從圖12能夠看出，匹配的效果非常好，中心頻率參數(shù)設(shè)置為4.453MHz.另1個(gè)重要參數(shù)是脈沖寬度，通過(guò)進(jìn)行脈沖寬度掃描，選擇使得信號(hào)最大的脈沖寬度值。圖13表示不同脈寬下核磁共振信號(hào)幅值的大小。從圖13能夠看到，在脈沖寬度為7s時(shí)得到最大核磁共振信號(hào)。其他參數(shù)通過(guò)不斷改變調(diào)試來(lái)選取，選取CpmgAdd信號(hào)〔核磁共振信號(hào)〕最好的參數(shù)值。實(shí)驗(yàn)選取CPMG脈沖序列中90和180脈沖寬度td1為4s,幅值衰減倍數(shù)a1和a2分別為？21dB和？15dB,回波時(shí)間te為200s,回波個(gè)數(shù)n為4000,重復(fù)次數(shù)為256次，重復(fù)時(shí)間tr為5000ms.將被測(cè)物體放入系統(tǒng)中間位置，第1組數(shù)據(jù)為面粉中參加體積為1mL的水，從第2組開(kāi)場(chǎng)往后每1組參加體積為0.2mL的水，即每1組的含水體積依次為1mL、1.2mL、1.4mL,依此類(lèi)推，并攪拌均勻，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖14為參加水體積為2.4mL時(shí)的擬合結(jié)果，用t/ms表示后1組相對(duì)于前1組數(shù)據(jù)的增量，以此來(lái)表征信號(hào)的變化。圖14〔a〕表示未發(fā)生核磁共振時(shí)的曲線圖〔2=0.1ms〕；圖14〔b〕表示發(fā)生核磁共振時(shí)最后擬合成的曲線圖〔2=96.9ms〕。測(cè)得不同含水體積情況下表征核磁共振信號(hào)大小的2值，2為橫向弛豫時(shí)間，該值能夠表征被測(cè)物體內(nèi)部含有的H1的數(shù)量，H1數(shù)量越多，測(cè)得的核磁共振信號(hào)越大，2也會(huì)越大，2是核磁共振中一個(gè)很重要的參數(shù)，如表2所示。從表2中可出看出，隨著每次增加體積為0.2mL的水，2的值變大，t為后1組測(cè)得的2與前1組測(cè)得的2的差值，t的變化范圍都在5.5~7.5ms之間。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)值有一定誤差，由于在實(shí)驗(yàn)中，隨著含水體積的增加