Halbach陣列磁體是由多個不同磁化方向磁塊按規(guī)律組裝而成的永磁體構型。得益于磁材利用率高、均勻性高、逸散場小的優(yōu)勢，Halbach陣列磁體在一些對于體積要求緊湊、可移動、可實時和原位檢測的場景中得到廣泛應用。近年來，因高均勻度多層Halbach磁體的研究和發(fā)展，便攜型核磁共振系統(tǒng)成為低場磁共振系統(tǒng)的研究熱點。然而，由于設計理論不完善，現磁體設計方法多采用近似計算或有限元仿真，存在計算精度不高、仿真優(yōu)化費時費力等問題。磁體幾何參數如何影響磁場強度及均勻度，以及磁塊自身誤差如何影響均勻度等核心科學問題尚待闡釋。因此，亟需為多層Halbach磁體設計提供較為普遍適用的設計理論方法。
中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所研究員楊曉冬團隊桌面磁共振波譜組構建了多層Halabch磁體優(yōu)化理論，證明了多層Halbach陣列磁體中沿z軸的不均勻性最大；基于單層Halbach磁體磁場分布方程推導證明，建立多層Halbach磁體設計和優(yōu)化模型。同時，該研究簡化了多層Halbach陣列磁體的設計，仿真驗證了基于不同半徑、每層Halbach陣列長度和各層磁體間距的優(yōu)化結果。該工作設計了由三層Halbach磁體組成的1T-Halbach陣列磁體驗證理論結果。在調整磁體中可移動磁塊位置后，在5 mm標準核磁共振管內實現了220ppm的均勻性。
該研究為設計多層Halbach陣列磁體奠定了理論基礎，以最大化均勻性并最小化磁體材料的使用，提高磁體制作效率、降低磁體加工制作成本，推動高均勻性Halbach磁體在桌面波譜儀以及小型磁共振設備的研究和應用。
【資料圖】
科研團隊基于這一設計理論，設計制作了0.5T、1T等多套Halbach磁體。該團隊為華中科技大學、華東師范大學等提供了基于多層Halbach的緊湊型永磁桌面波譜系統(tǒng)，磁體重量在6kg以內，被動勻場后場均勻度在20ppm以內；在另一套0.5T磁體系統(tǒng)上實施主動勻場，場均勻度可達0.5ppm。后續(xù)，有望基于該理論設計制作高達2 T的高均勻性Halbach磁體，為研制高性能桌面核磁共振波譜儀、桌面核磁共振成像儀奠定基礎。
相關研究成果以Theoretical foundation for designing multilayer Halbach array magnets for benchtop NMR and MRI為題，發(fā)表在Journal of Magnetic Reaonance上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金等的支持。
圖1.研究提出的多層Halbach陣列磁體理論模型(a)及磁場均勻性補償模型(b)
圖2.基于該理論設計的磁體(a)及基于該磁體采集到的譜線(b)
圖3.桌面0.5T核磁共振磁體系統(tǒng)
來源：中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術研究所
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標簽： 設計理論 核磁共振 中國科學院 生物醫(yī)學工程
