一種基于Halbach磁體的低成本緊湊型小型核磁共振系統

　　核磁共振波譜（NMR）技術已被廣泛應用于生命科學、醫學、化學、工業等領域。然而，目前NMR技術的主要應用都是基于超導磁體的高場波譜儀，其場強最高可達11T。然而由于超導磁體需要液氦冷卻，其重量、體積以及維護成本等約束了NMR的使用，特別是在一些對于體積要求比較小、可移動、可實時在線檢測的場景。比如部分化學合成、催化實驗中需要實時監測反應結果；在工業非侵入檢測質量控制中，需要高通量檢測等。在這些場景下，常用的超導NMR的使用受到限制，因此桌面小型NMR的研究有廣泛的開發和應用前景。

圖1 基于Halabch磁體的桌面波譜儀及其勻場結構示意圖

　　目前國外對于桌面小型波譜技術開展研究比較多。2010年德國Danieli等人設計了基于HALBACH磁體的0.7 T的桌面NMR系統，其磁體均勻度可以達到0.15 ppm，并將其應用在化學反應實時監測上。2008年，哈佛大學的Lee等人成功研制了片上NMR系統，磁場強度0.5 T，用于高通量細胞分子分析。國內開展的相關研究較少，且主要集中在低場、低均勻度、馳豫測量的應用。其磁體強度小于0.5 T，均勻度高于50 ppm，譜分辨率比較低。

圖2. (a) z = 0平面5 mm 長度正方體磁場分布，場均勻度為 576 ppm；(b) 使用磁塊勻場后磁場分布圖，均勻度達到 350 ppm；(c) 增加鎢鋼片勻場后磁場分布圖，均勻度達到120 ppm

　　近日，中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所醫學影像室楊曉冬、郁朋等人，研究了一種基于Halbach磁體的低成本緊湊型小型核磁共振系統。該系統具有結構緊湊和場強高的優勢。考慮到制造和組裝磁性塊的成本，系統采用3層Halbach磁體和楔形機械結構用于磁體快速組裝。初始磁場強度分布的仿真和計算結果的比較表明，設計理論和實踐相吻合。在使用兩個磁性塊和鎢鋼片進行無源被動勻場后，在同一區域內均勻性達到120 ppm，開發并測試了具有數字調制和解調功能的緊湊型單板數字化磁共振譜儀以實現結構緊湊和改善信噪比，并使用自制探頭進行波譜實驗，在直徑為1.5 mm，長度為1 mm的圓柱區域內，波譜半高寬達到20 ppm，達到國內領先地位。系統緊湊的結構和低成本的優勢將促進和擴展桌面核磁共振系統在各領域內的應用，具有重要的意義。

圖3. (a)單板磁共振數字化譜儀；(b)自制磁共振波譜探頭

圖4. (a) 數字解調后的FID信號波形；(b) 水樣本的波譜頻率圖

　　相關成果發表于Journal of Magnetic Resonance（PengYu，Yajie Xu，Zhongyi Wu，Yan Chang，Qiaoyan Chen， Xiaodong Yang *, A Low-cost home-built NMR using Halbach magnet, Journal of Magnetic Resonance, 21，July，2018）。