核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance，NMR)，是具有磁矩的原子核在主磁场B0的作用下，以特定的频率作进动，然后施加与主磁场B0垂直、频率与核进动频率一致的射频磁场B1，此时原子核吸收能量处于高能激发态，当射频磁场停止施加时，处于激发态的原子核释放能量回到稳态的一种现象。核磁共振技术是属于以光学理论为基础的波谱和成像技术，利用这一现象可以研究物质的微观结构和外观形态，作为一种无损检测工具，被广泛应用于临床医学诊断和基础科学研究等领域。磁共振系统主要由电磁装置组成，而电磁部件的质量影响着整个系统的性能，利用数值方法优化设计磁共振电磁装置具有重大意义。本文致力于研究低场磁共振多通道接收线圈优化设计的理论极限分析，基于信噪比影响机理研究的多通道接收线圈尺寸优化和结构优化问题，以及Halbach磁体设计中的尺寸优化问题，同时还研究了多通道接收线圈和Halbach磁体在低场磁共振系统中的实际应用问题。本文的具体工作如下:　　(1)接收线圈作为磁共振成像系统信号接收的前端，其性能直接影响图像的质量。为了在靠近接收线圈的尺寸比较大的感兴趣区域内获得均匀的图像，利用逆方法设计了基于水平场和垂直场磁共振系统的四通道接收线圈，在设计过程中，考虑了线圈轮廓的平滑度和磁场的均匀性之间的平衡，以牺牲了一定的线圈轮廓平滑度为代价来获得了相对较均匀的磁场分布。其中重点分析了垂直场磁共振系统四通道线圈的不同排列结构，从中找到了磁场强度与目标磁场偏差最小、磁场分布最均匀的线圈结构，该最优线圈比正方法设计的常规四通道接收线圈，在与目标磁场强度的最大偏差，磁场均匀性数值方面更加有优势，数值分别为8.35％和15.14％,为正方法设计结果的13.6％和15.6％。考虑逆方法设计的线圈在实现过程中比较困难，并鉴于逆方法的适用性，该方法可作为多通道接收线圈优化设计的理论极限分析方法，设计出的线圈可作为一种理想的最优结构;　　(2)由于主磁场方向的差异，在水平场磁共振系统（高场）中使用的多通道接收线圈不能直接应用到垂直场磁共振系统，否则会导致图像亮暗不一，因此垂直场磁共振系统（低场）的多通道接收线圈需要进行优化设计。首先为了研究多通道接收线圈的信噪比影响机理，分析了接收线圈的信噪比影响因素，并建立了多通道接收线圈信噪比的等效计算模型，该模型包含了线圈单元的通道数、尺寸、形状等几何结构信息，为后续的优化设计提供了理论基础。为了提高图像的信噪比和均匀性，基于0.5T垂直场磁共振系统，对不同结构的四通道接收线圈进行了尺寸优化或形状优化，并制作了相应的线圈实物，最后进行了成像实验，结果表明了图像的信噪比提高了至少40％以上，同时图像的均匀性有了很大的改善。在这些经过尺寸优化或形状优化后的不同结构的垂直场四通道接收线圈中，由三个螺线线圈和一个鞍形线圈组成的四通道接收线圈设计是仿真和实验所证实的最优设计;　　(3)对比于传统永磁体，Halbach磁体由于没有铁轭，容易实现小型化和便携化，而且还能产生较高的磁场强度和较均匀的磁场。但是当磁体尺寸需要进一步缩小时，磁场的均匀性会变差。为了实现Halbach磁体既具有较均匀的磁场，又具有较小的体积的目标，本文提出了一种奇数层的Halbach阵列磁体，通过建立的磁场等效数学计算模型来实现了各层间距离的优化计算，实现了Halbach阵列磁体的体积小、重量轻的目标;根据提出的奇数层Halbach磁体模型，加工制作了一个三层的Halbach磁体，仿真结果表明该磁体的磁场均匀度比同样尺寸的单层磁体的磁场均匀度提高了一个数量级，展现了多层磁体的优异性，最后该三层磁体并成功应用于在磁共振系统中。　　本文低场磁共振多通道接收线圈的优化设计，提高了图像的信噪比和图像均匀性;Halbach磁体的优化设计，提高了磁场的均匀性;这些磁共振电磁装置的优化设计，不仅提高了部件的性能，而且还提高了整个系统仪器性能，具有非常重要的现实意义。