磁共振显微成像系统微流电磁芯片协同设计制造方法研究

In order to promote the innovational research and application of non-invasive living cell imaging in the field of real-time three dimensional pathological diagnosis and pharmaceutical development, the aim of this project is to improve the space resolution, signal sensitivity and shorten imaging time of magnetic resonance microscopy (MRM) via designing the integrated micro gradient coils, resonance coil and microfluidic chips. On the basis of the two funded NSFC projects in the period of seven years, the research of the current application focuses on the subjects of surface coupling of the multi-physical fields in magnetic gradient coil, resonance coil and functional microfluidic chips. Based on the additive manufacturing technology and sol-gel methodology, the magnetic coils and microfluidic chips can be seamlessly manufactured. The content of this application related to the interdisciplinary research among the fields of electromagnetism, hydrodynamics and mechanism, and bridging the macro and micro scale manufacturing. The research results of the project has the positive effect in breaking the bottleneck of expensive hardware and operational cost of MRM, and has potential role to promote the popularization of the MRM cell imaging.

为促进无创活体细胞实时三维成像技术在病理诊断和药物开发等方面的研究与应用，本申请以磁共振显微成像系统关键核心器件的小型化和集成化设计为研究目标，通过微型梯度线圈、微型射频线圈、微流芯片的低成本协同制造提高磁共振成像的空间分辨率、信号灵敏度，缩短成像时间。课题的研究内容聚焦于非规则梯度线圈组、射频线圈、和成像功能微流芯片的界面耦合优化设计方法，基于增材制造牺牲体和溶胶凝胶方法的微型电磁线圈和微流芯片集成制造工艺，以实现电磁线圈与微流芯片的耦合设计和协同制造。该申请的研究工作涉及结构-电磁-流体多物理场耦合分析与优化、宏微跨尺度制造的创新研究与探索，是在申请人主持的前两个基金面上项目连续7年研究工作的基础上提炼出的持续性基础研究课题，对于解决磁共振细胞显微成像设备造价和维护费用昂贵、核心系统体积庞大的瓶颈、促进该技术在生物医疗等研究领域的普及具有积极的促进作用。

在细胞显微成像等领域的研究中，磁共振显微成像可同时对细胞内部进行三维几何信息和物质空间分布信息的获取，这些技术特点是目前大多数其它显微成像方法难以比拟的。但磁共振显微成像的空间分辨率在理论上仅可达到亚微米量级，因此如何同时保证成像空间分辨率和信号灵敏度是磁共振显微成像的重要研究内容。本课题从磁共振显微成像系统关键核心器件的小型化和集成化设计角度作为切入点，研究磁共振显微成像的非规则曲面线圈与微流芯片的协同设计和制造方法，期望促进该技术在生物医疗等研究领域的实用性。.在基础设计理论方面，通过引入三维封闭曲面亏格数的概念，在结构拓扑优化设计中实现了结构亏格数的控制，有效实现了优化结构复杂性上限的控制。在此基础上，实现了微流控功能性器件优化过程中最大、最小特征尺寸的约束，基于近似解实现具有可制造性的三维微流控芯拓扑优化设计。在上述基础优化设计方法的指导下，开展了基于微流控技术的细胞捕获芯片和自由曲面共形线圈设计方法研究，包括周期性溶液微混合器拓扑优化设计、细胞捕获阵列单元拓扑优化设计、高灵敏度非规则曲面线圈设计、以及线圈多场耦合协同设计等方面的研究工作，最后探讨了基于高精度面成型三维增材制造的微流控芯片制造方法。