高效空氣過濾器內部結構研究之核磁共振成像技術
除了X 射線攝像技術，為了獲得高效空氣過濾器結構和過濾過程顆粒沉積的非侵入三維信息，核磁共振技術（Magnetic Resonance Imaging, MRI）作為一種新方法最近得到應用。
核磁共振是一種物理現象，作為一種分析手段廣泛應用于物理、化學生物等領域，到1973 年才將它用于醫學臨床檢測。MRI 在化學領域的應用沒有醫學領域那么廣泛，主要是因為技術上的難題及成像材料上的困難，目前主要應用于以下幾個方面：在高分子化學領域，如碳纖維增強環氧樹脂的研究、固態反應的空間有向性研究、聚合物中溶劑擴散的研究、聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等；在金屬陶瓷中，通過對多孔結構的研究來檢測陶瓷制品中存在的砂眼；在火箭燃料中，用于探測固體燃料中的缺陷以及填充物、增塑劑和推進劑的分布情況；在石油化學方面，主要側重于研究流體在巖石中的分布狀態和流通性以及對油藏描述與強化采油機理的研究。
核磁共振分析技術是通過核磁共振譜線特征參數（如譜線寬度、譜線輪廓形狀、譜線面積、譜線位置等）的測定來分析物質的分子結構與性質。它可以不破壞被測樣品的內部結構，是一種完全無損的檢測方法。同時，它具有非常高的分辨本領和精確度，而且可以用于測量的核也比較多，所有這些都優于其它測量方法。因此，核磁共振技術在物理、化學、醫療、石油化工、考古等方面獲得了廣泛的應用。
對于平行的隨紋結構，國外有研究者應用MRI技術獲得多孔介質的3 維圖像[11-13]。并且首次用在測量含有沉積顆粒的纖維的內部結構，使其成為對過濾試驗的動力學研究的一種強有力的工具。
核磁共振成像是作為非侵入性方法發展起來的，該方法可以對具有一定形狀的非透明物質的三維空間分布進行成像。因為大部分普通的固體聚合物和天然纖維的核磁共振信號太弱而不能直接測到，Hoferer 等人[11, 12]在多孔過濾介質填滿水，原則上，核磁共振信號強度和水的含量成一定的比例，而沒有水的地方則為纖維，這是量化纖維過濾器內介質的關鍵步驟。當然，也不能忽略核磁共振信號噪聲的影響，因為在一定象素分辨率下，過濾介質內只含有水的地方的核磁共振成像不能產生明顯的波峰，這說明此時的填充密度為零。為了消除噪聲，一般認為只含有水的地方，即信號比較弱的地方的填充密度為零。基于以上這些，Hoferer等人[11,12]為了分析過濾介質的內部結構，采用快速自旋回波技術（RARE），其象素分辨率為8μm。他們首先繪制在所有象素下的頻率分布圖，并對其進行分析，利用填充度與信號強度之間的關系對數據進行處理�？紤]到核磁共振系統的穩定性差，此數據處理過程是在Matlab 商用軟件中進行的。Hoferer 等人[11]同時利用MRI 技術研究了顆粒的沉積行為，研究對象為膠囊顆粒。因為慣性沉降是實現顆粒沉積的最主要的捕獲機制，因此，顆粒的速度大小是顆粒能否被捕獲的關鍵。研究者在氣體流動方向上把過濾介質分成一系列的截面，通過核磁共振成像把信號強度最弱的截面作為參照，減去此值，就能得到其它截面上的信號強度值，以此削弱噪聲帶來的影響。最后根據信號強度與顆粒物沉積質量之間的關系，來確定過濾介質內所沉積膠囊顆粒的質量。
Hoferer 等人[11, 12]的研究結果表明：利用核磁共振成像技術可以獲得多孔介質的三維圖像及模擬顆粒物在其內的沉積行為。然而，如需對實際結構的過濾器的過濾性能進行準確的預測，還需對三維圖像做進一步的處理。另外，纖維過濾器內微細顆粒的運動是一個復雜的過程，而且微細顆粒的運動及沉積將會嚴重影響空氣過濾器的過濾性能。因此，為了提高數值預測的精度，進一步改善過濾器的過濾性能，還需得到有關微細顆粒沉積的真實特性�；谏鲜龇治觯P者在國家自然科學基金項目的資助下，綜合應用非侵入式成像技術和計算流體力學（CFD）方法來預測高效過濾器的過濾性能。研究對象為一個商業過濾器介質，在這個過濾器介質中，結構由50μm 的像素分辨率決定；利用三維重建技術，構建該過濾器介質實際的三維模型；劃分三維模型的網格；導入CFD 計算器，進行流場及氣固兩相數值計算。除此以外，筆者還將對具有一定沉積顆粒的過濾器介質進行成像處理，在允許一個具有200μm 像素分辨率的空間量化觀察信號強度和沉積顆粒質量之間的關聯性，進一步探索高效空氣過濾器內微細顆粒的沉積機理。
在確定內部結構的核磁共振實驗階段，首先會得到不同截面的三維圖像，在對其進行處理后，利用Matlab 軟件相關函數進行三維重建。三維重建方法經常用的是反投影重建算法。所謂“反投影”重構圖像的思想為:斷層平面中某一點的密度值可看作這一平面內所有經過該點射線的投影之和(或平均值) 。就是說，反投影是一個將投影數據“均勻回抹”的過程，在不同的投影線交點處，像素值由各個投影數據疊加得到。反投影得到的是某一個斷層截面，最后通過軟件將不同的斷層截面組合得到樣品的三維視圖。三維圖像重建的算法還有很多，包括傅里葉變換重建、濾波反投影重建、卷積法重建以及代數重建等算法[10]。把高分辨率的核磁共振成像技術和三維重構圖像處理的軟件結合起來，便可以得到高分辨率的物質內部三維分布。進行三維重建后，得到STL (Stereo Lithography，立體平板印刷)文件，STL 格式的圖像可以由一些網格生成工具如Gambit 生成體網格。
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