CN106732241A - 一种储存和转移超极化气体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种储存和转移超极化气体的装置，包括第一固定卡、外保护壳、螺旋管磁场线圈、线圈架、超极化气体收集气袋、内筒、盖板、第一控制阀门、提手、第二控制阀门、气路管道、第三控制阀门、第四控制阀门、第五控制阀门、限位板、氮气袋、滑动板、第二固定卡、可伸缩电缆线、外供电源插座口、电源单元箱、滑动板限位环、电源控制电路、电线和可充电池。电源控制单元与螺旋管磁场线圈配合使用，一直为超极化气体收集气袋里的超极化气体提供工作磁场，能最大程度地保持超极化气体极化度，并方便、有效地转移超极化气体，适用于核磁共振研究，特别在人体肺部磁共振成像方面具有重要的应用价值。

Description

一种储存和转移超极化气体的装置

技术领域

本发明涉及激光泵浦、自旋交换、增强惰性气体原子核自旋极化度后的储存和转移，通过该装置能够将超极化气体的极化度最大程度地保持，并且方便、有效地将超极化气体进行转移、用于核磁共振和人体肺部磁共振成像。

背景技术

由于超极化惰性气体原子的核自旋极化度能够通过激光泵浦和自旋交换方法[T.G. Walker et al., Rev. Modern Phys., 1997, 69 ( 2 ) :629]获得了极大地提高，与相同条件下惰性气体的热极化相比可提高3～5个数量级，因此，已经被广泛地应用于肺部磁共振成像研究以及多空、表面材料和分子生物探针中。通常地，由发生器（例如，一种永磁极化器，中国发明专利号：ZL 201110357356.7）工作、完成超极化气体的产生。超极化气体还需要进行收集、累加，然后转移至相关核磁共振谱仪或者磁共振成像仪中进行使用。在这一转移过程中，超极化气体主要以两种形态存在：第一种通常使用连续流动式超极化气体发生器[A. L. Zook et al., J. Magn. Reson., 2002,159: 175]，由磁场、杜瓦瓶和储存玻璃管组成固态储存器[M. Gatzke et al.，Phys. Rev. Lett., 1993, 70: 690]进行液氮冷冻收集／累加，主要使用超极化惰性气体氙，运送到核磁共振谱仪或者磁共振成像仪后再升华为气体进行使用；第二种通常使用间歇式超极化气体发生器[Zhou X et al.,Chinese Phys. Lett., 2004, 21( 8) :1501]，然后直接储存收集超极化气体。在以上两种形式的收集过程中要求尽可能地保持超极化气体的极化度。

当超极化气体作为造影剂用于人体肺部磁共振成像的研究中时，如何保持大容量超极化气体的极化度，其要求极高。但是，出于目前其应用的特殊性，通常运送的距离较短，一般是从超极化气体发生器到磁共振成像仪。典型地运送方法是：1）将超极化气体进行液氮冷冻收集／累加后原位升华（例如，一种激光预极化氙的累积输出装置，中国发明专利号：ZL201410197709.5），减少了升华过程中的极化度，然后由气袋收集，再由操作者拿着装有超极化气体的气袋，在地磁场环境中转移到磁共振成像仪，提供给人体肺部。2）气袋收集发生器产生的超极化气体后，直接在地磁场环境中转移到磁共振成像仪，用于人体肺部超极化气体磁共振成像。这两种方法转移中都会较大地损失了超极化气体的极化度。因此针对此类应用的特点，亟需发展一种能够避免在地磁场环境转移超极化气体、最大化地保持超极化气体极化度并能快速进行转移的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超极化气体储存和转移装置。便携式、易移动、易操作、结构简单，能够连续提供一个工作磁场，在储存和转移过程中有效地保持超极化气体的极化度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种储存和转移超极化气体的装置，包括外保护壳，还包括设置在外保护壳内的缠绕有螺旋管磁场线圈的线圈架，线圈架内设置有内筒，内筒内设置有超极化气体收集气袋和氮气袋，内筒的底部的侧壁开设有滑槽，滑动板设置在内筒内，滑动板的端部插入到滑槽中，内筒内位于滑动板下方的内壁固定有滑动板限位环，外保护壳的顶部和线圈架的顶部均与盖板固定，内筒的顶部与限位板固定，限位板与盖板固定，超极化气体收集气袋和氮气袋均通过穿过限位板和盖板的气路管道与气体控制单元连接。

一种储存和转移超极化气体的装置，还包括电源单元箱，电源单元箱与外保护壳之间通过第一固定卡和第二固定卡连接，电源单元箱内设置有可充电池和电源控制电路，可充电池与电源控制电路连接，电源控制电路与设置在电源单元箱上的外供电源插座口连接，电源控制电路还通过可伸缩电缆线与螺旋管磁场线圈连接。

气体控制单元包括第一控制阀门、第二控制阀门、第三控制阀门、第四控制阀门和第五控制阀门，第四控制阀门一端通过气路管道与第一控制阀门一端、第二控制阀门一端、第三控制阀门一端和第五控制阀门一端连接，第一控制阀门另一端通过穿过盖板和限位板的气路管道与超极化气体收集气袋连接，第五控制阀门另一端通过穿过盖板和限位板的气路管道与氮气袋连接。

本发明的突出特点在于：

1）螺旋管磁场线圈。在一个独立的线圈架上绕制螺旋管磁场线圈，工作时，其在内筒（圆柱筒）中产生一定均匀区域的磁场分布，该区域的磁场均匀度要求优于10^-2量级，以减少内筒里的收集气袋中超极化气体原子核自旋弛豫引起的消极化，保证极化度。

2）电源控制单元。通过电源控制电路提供可充电池供电和外供电源供电两种供电模式。可充电池与螺旋管磁场线圈一起工作，能够提供长于20 min时间的稳定磁场，满足在收集气袋里的超极化气体转移过程中的需求；转换到外供电源时，可提供长时间超极化气体储存的磁场需求，同时给可充电池补充能量。

3）气路控制单元。主要用于储存和转移过程中超极化气体、氮气流入收集和流出转移。也包括控制使用真空清洁气袋、气路管道。

4）本发明装置为便携式，螺旋管磁场线圈与电源控制单元配合使用，能够一直为收集气袋内的超极化气体提供所需的环境磁场。

如上所述的超极化气体包括氦-3、氙-129、氙-131、氪-83。

其工作过程为：

1）在来自发生器的超极化气体转移至超极化气体收集气袋之前，电源控制电路开启外供电源为螺旋管磁场线圈的供电，产生保护收集气袋里超极化气体极化度的磁场，并为可充电池充电；让气路控制单元工作，使用真空清洁超极化气体收集气袋、氮气袋和气路管道；然后，气路控制单元开启相应的控制阀门，使超极化气体进入超极化气体收集袋内。完成超极化气体收集后，关闭相应的控制阀门。

2）当本发明装置从发生器移动到磁共振成像仪过程中，电源控制电路开启可充电池为螺旋管磁场线圈的供电，产生保护收集气袋里超极化气体极化度的磁场。

3）当需要使用超极化气体时，即：人体肺部吸入超极化气体和氮气的混合气体时，则开启第一固定卡和第二固定卡，分离本发明装置上、下两部分，上部分放入靠近磁共振成像仪的翼场，下部分放置在翼场外的地面上，这时，可充电池仍然能够通过可伸缩电缆线为螺旋管磁场线圈供电，产生的磁场保护收集气袋里超极化气体极化度。

4）在人体肺部吸入超极化气体和氮气的混合气体的过程中，向上移动滑动板，给超极化气体收集气袋和氮气袋提供一个合适的压力，用于辅助人体肺部吸气。

5）当人体肺部完成吸入超极化气体和氮气的混合气体之后，工作磁共振成像仪，获得人体肺部超极化气体磁共振影像。

本发明与现有技术相比，优点在于由电源控制单元与螺旋管磁场线圈配合使用，为位于收集气袋里的超极化气体提供一个不间断地工作磁场，因此，在储存和转移过程中保证了超极化气体的极化度，以及便携式设计，使得超极化气体能够成为很好的造影剂，方便地用于核磁共振研究和人体肺部超极化气体的磁共振成像，具有特别重要的实用价值。

附图说明

图1为一种储存和转移超极化气体的装置原理图。

图中：1-第一固定卡；2-外保护壳；3-螺旋管磁场线圈；4-线圈架；5-超极化气体收集气袋；6-内筒；7-盖板；8-第一控制阀门；9-提手；10-第二控制阀门；11-气路管道；12-第三控制阀门；13-第四控制阀门；14-第五控制阀门；15-限位板；16-氮气袋；17-滑动板；18-第二固定卡；19-可伸缩电缆线；20-外供电源插座口；21-电源单元箱；22-滑动板限位环；23-电源控制电路；24-电线；25-可充电池。

图2所示为将超极化气体与氮气提供给人体肺部吸入时的实施示意图。

图中：HP-Xe-超极化气体；N2-氮气；V-真空；1-第一固定卡；2-外保护壳；3-螺旋管磁场线圈；4-线圈架；5-超极化气体收集气袋；6-内筒；7-盖板；8-第一控制阀门；9-提手；10-第二控制阀门；11-气路管道；12-第三控制阀门；13-第四控制阀门；14-第五控制阀门；15-限位板；16-氮气袋；17-滑动板；18-第二固定卡；19-可伸缩电缆线；20-外供电源插座口；21-电源单元箱；22-滑动板限位环；23-电源控制电路；24-电线；25-可充电池。

具体的实施方式

下面结合附图1和图2对本发明作进一步详细描述，但是，本发明不限于本实施例。

实施例1：

以超极化气体氙-129和人体肺部磁共振成像为例。

如图1所示，一种储存和转移超极化气体的装置，包括第一固定卡1、外保护壳2、螺旋管磁场线圈3、线圈架4、超极化气体收集气袋5、内筒6、盖板7、第一控制阀门8、提手9、第二控制阀门10、气路管道11、第三控制阀门12、第四控制阀门13、第五控制阀门14、限位板15、氮气袋16、滑动板17、第二固定卡18、可伸缩电缆线19、外供电源插座口20、电源单元箱21、滑动板限位环22、电源控制电路23、电线24、可充电池25。在图2里表示，超极化气体为HP-Xe；氮气为N2；真空为V；

所包括的各部件描述如下：

第一固定卡1，材质为铜，与第二固定卡18共同用于将外保护壳2和电源单元箱21固定到一起。

外保护壳2，材质为有机玻璃，用于保护螺旋管磁场线圈3、免于碰撞损坏。

螺旋管磁场线圈3，材质为铜丝，根据超极化气体氙-129保存要求的磁场强度（典型地：0.001 T）和均匀度（典型地：优于10^-2量级）设计线径、尺寸、圈数。

线圈架4，材质为耐热塑料，例如PEEK材质，用于缠绕螺线管磁场线圈3。

超极化气体收集气袋5，为通用型医用泰德拉（Tedlar）气袋，根据每次人体肺部磁共振成像使用超极化气体氙-129计算其储存的容量（典型地：1 L）要求，而选取合适的尺寸。

内筒6，材质为有机玻璃，内放入有超极化气体收集气袋5和氮气袋16，其两个侧面均开设有滑槽，方便用于可滑动板7上下进行移动。

盖板7，材质为铝板，用于连接外保护壳2、螺线管磁场线圈3、线圈架4固定控制气路和提手9，使得能够通过提手将本发明装置提起、移动。

第一控制阀门8，材质为特富龙，用于控制超极化气体收集气袋5的开与关。

提手9，材质为铝，用于本发明装置提起、方便移动。

第二控制阀门10，材质、尺寸、型号与第一控制阀门1完全相同，用于控制超极化气体氙-129的进、出超极化气体收集气袋5。

气路管道11，材质为特富龙，用于超极化气体进、出气袋，以及方便气袋的真空清洗。

第三控制阀门12，材质、尺寸、型号与第一控制阀门8相同，用于控制氮气进入和流出氮气袋16。

第四控制阀门13，材质、尺寸、型号与第一控制阀门8的相同，用于控制真空清洗超极化气体收集气袋5和氮气袋16。

第五控制阀门14，材质、尺寸、型号与第一控制阀门8的相同，用于控制氮气袋16的开关。

限位板15，材质为有机玻璃，用于超极化收集气袋5和氮气袋16的限位，使得它们总是位于螺线管磁场线圈3的中心。限位板15上设置有限位板开孔，方便于连接超极化气体收集气袋5和氮气袋16的气路管道穿过，限位板15与盖板7固定连接。

氮气袋16，材质、尺寸、型号与超极化气体收集气袋5相同，用于储存氮气，因为在进行人体肺部超极化气体氙-129磁共振成像时，在超极化气体氙-129里使用了一定配比的高纯氮气。

滑动板17，材质为有机玻璃，安装在内筒6里，当进行人体肺部超极化气体氙-129磁共振成像时，使用手穿过滑动板限位环22后，向上推压移动滑动板17，在滑槽和卡入滑槽内的滑动板17的端部配合工作下，均匀地压迫超极化气体收集气袋5和氮气袋16帮助人体肺部吸入超极化气体氙-129和氮气。

第二固定卡18，材质、尺寸与第一固定卡1相同，与第一固定卡1共同作用，连接和固定外保护壳2和电源单元箱21，使得本发明装置的上、下两部分连接。

可伸缩电缆线19，当本发明装置移动到磁共振成像谱仪附近时，开启第一固定卡1和第二固定卡18，分开本发明装置的上、下两部分（外保护壳2和电源单元箱21），这时仅仅由可伸缩电缆线19连接，并且继续为螺线管磁场线圈3提供电功率，保证超极化气体氙-129一直位于由螺线管磁场线圈3产生的磁场中。

外供电源插座口20，当本发明装置收集超极化气体氙-129时，由外供电源为螺线管磁场线圈3提供电功率，保证超极化气体氙-129直接流入位于磁场环境的超极化气体收集袋5，同时，也为可充电池25补充能源。

电源单元箱21，材质为铝，用于将可充电池25和电源控制电路23安装在一起，构成本发明装置的下部分。

滑动板限位环22，材质为有机玻璃，用于配合安装滑动板17，并且限制了滑动板17的最低位置。

电源控制电路23，主要控制外供电源的使用及可充电池25的充电，当本发明装置收集超极化气体氙-129时，控制由外供电源提供电能量，并且为可充电池25充电，当本发明装置转移超极化气体氙-129和人体肺部吸入超极化气体氙-129时，控制由可充电池25供电。

电线24，连接可充电池25到电源控制电路。

可充电池25，当本发明装置移动、转移超极化气体氙-129时以及给人体肺部吸气时，为螺线管磁场线圈3提供电功率，典型地保证螺线管磁场线圈3连续工作超过20 min。

HP-Xe表示超极化气体氙-129。关闭第三控制阀门12、第四控制阀门13和第五控制阀门14，当本发明装置处于收集工作时，来自发生器的HP-Xe从通过开启的第二控制阀门10、气路管道11和第一控制阀门8流入超极化气体收集袋5；当人体肺部需要吸入HP-Xe时，超极化气体收集袋5里的HP-Xe通过开启的第二控制阀门10、气路管道11和第一控制阀门8流出。

N2表示氮气。关闭第一控制阀门8、第二控制阀门10和第四控制阀门13后，N2通过开启的第三控制阀门12、气路管道11和第五控制阀门14流入氮气袋16。当人体肺部需要吸入HP-Xe时，与HP-Xe配比使用。仅仅第四控制阀门13关闭，其它四个控制阀门开启，HP-Xe与N2一起从本发明装置里流出，用于人体肺部HP-Xe磁共振成像。

V表示真空。使用外加真空系统，用于清洁气路管道11、超极化气体收集气袋5和氮气袋16。开始清洁时，开启第四控制阀门13、第一控制阀门8和第五控制阀门14。

本发明装置分为上、下两个部分，采用圆柱型结构。装置的上部为主体部分，由里到外依次为内筒6、线圈架4、螺旋管线圈3、外保护壳2，内筒6内设置有超极化气体收集袋5和氮气袋16；内筒6上开设有滑槽，用于安装滑动板17及方便滑动板17上下移动，下端安装了滑动板限位环22；内筒6上端安装有用于保证气袋位于中间的限位板15、盖板7、气体控制单元以及提手9。与超极化气体收集气袋5和氮气袋16连接的气路管道穿过限位板15的限位板开孔后，通过气路管道被固定在盖板7上，并与气体控制单元相连接；气体控制单元包括气路管道11、第一控制阀门8、第二控制阀门10、第三控制阀门12、第四控制阀门13、第五控制阀门14，气体控制单元用于控制HP-Xe、N2的转移进和出，也用于为气袋和气路管道11提供真空清洁。装置的下部为电池及控制单元，包括电源单元箱21，以及位于电源单元箱21内的可充电池25、电线24、电源控制电路23、可伸缩电缆线19和外供电源插座口20。装置的上、下两个部分由第一固定卡1、第二固定卡18连接，以及可伸缩电缆线19进行连接；螺旋管磁场线圈19依次连接可伸缩电缆线19、电源控制电路23、电线24、可充电池25，无论第一固定卡1和第二固定卡18开启或者关闭，可伸缩电缆线19使得螺旋管磁场线圈3和电源控制单元一直保持连接；可充电池25与外供电源交替使用，为气袋里的HP-Xe提供一个不间断的磁场环境。

外保护壳2由外到内依次安装有螺旋管磁场线圈3、线圈架4和内筒6，内筒6内设置有超极化收集气袋5和氮气袋5，内筒6的上端与限位板15连接，内筒6位于线圈架4内，线圈架4上端固定有盖板7，盖板7与限位板15连接，盖板7还与提手9连接，内筒6中的与超极化收集气袋5和氮气袋16连接的气路通道分别穿过限位板15和盖板7，超极化收集气袋5通过气路通道11与第一控制阀门8一端连接，氮气袋16通过气路通道11与第五控制阀门14一端连接，第一控制阀门8另一端、第五控制阀门14另一端、第二控制阀门10一端、第三控制阀门12一端均通过气路通道11与第四控制阀门13的一端连接。可充电池25通过电线24与电源控制电路23连接，电源控制电路23与外供电源插座口20连接，电源控制电路23通过可伸缩电缆线19与螺旋管线圈3连接。第一固定卡1和第二固定卡18的同时开启使得分离本发明装置的上、下部，第一固定卡1和第二固定卡18的同时关闭，则将本发明装置的上、下部连接在一起。

在来自发生器的超极化气体氙-129转移至超极化气体收集气袋5之前，电源控制电路23开启外供电源为螺旋管磁场线圈3的供电，产生保护收集气袋里HP-Xe极化度的磁场，并为可充电池充电25；让气路控制单元工作，使用真空V清洁超极化气体收集气袋5、氮气袋16和气路管道11，具体为关闭第二控制阀门10、第三控制阀门12，打开第一控制阀门8、第四控制阀门13、第五控制阀门15，通过真空V清洁超极化气体收集气袋5、氮气袋16和气路管道11；然后，气路控制单元开启相应的控制阀门，具体为关闭第三控制阀门12、第四控制阀门13、第五控制阀门14，打开第一控制阀门8、第二控制阀门10，使HP-Xe进入超极化气体收集气袋5内。完成HP-Xe收集后，关闭相应的控制阀门。N2直接从外置氮气瓶充入，具体为关闭第一控制阀门8、第二控制阀门10和第四控制阀门13，开启第三控制阀门12和第四控制阀门13，使得N2流入到氮气袋16内，完成充气后，关闭相应的控制阀门。当本发明装置从发生器移动到磁共振成像仪过程中，电源控制电路开启可充电池25为螺旋管磁场线圈3的供电，产生保护超极化气体收集气袋里HP-Xe极化度的磁场。当需要使用HP-Xe时，即：人体肺部吸入HP-Xe和N2的混合气体时，则开启第一固定卡1和第二固定卡18，分离本发明装置上、下两部分，上部分放入靠近磁共振成像仪的翼场，下部分放置在翼场外的地面上，这时，可充电池25仍然能够通过可伸缩电缆线19为螺旋管磁场线圈3供电，产生的磁场保护超极化气体收集气袋5里HP-Xe极化度。在人体肺部吸入HP-Xe和N2的混合气体的过程中，向上移动滑动板17，给气袋提供一个合适的压力，用于辅助人体肺部吸气。当人体肺部完成吸入HP-Xe和N2的混合气体之后，工作磁共振成像仪，获得人体肺部的HP-Xe磁共振影像。

本发明与现有技术相比，优点在于由电源控制单元与螺旋管磁场线圈3配合使用，为位于超极化气体收集气袋里的HP-Xe提供一个不间断地工作磁场，因此，在储存和转移过程中保证了HP-Xe的极化度，以及便携式设计，使得HP-Xe能够成为很好的造影剂，方便地用于核磁共振研究和人体肺部HP-Xe的磁共振成像，本发明装置具有特别重要的实用价值。

本发明说明书中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充、或者采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种储存和转移超极化气体的装置，包括外保护壳（2），其特征在于，还包括设置在外保护壳（2）内的缠绕有螺旋管磁场线圈（3）的线圈架（4），线圈架（4）内设置有内筒（6），内筒（6）内设置有超极化气体收集气袋（5）和氮气袋（16），内筒（6）的底部的侧壁开设有滑槽，滑动板（17）设置在内筒（6）内，滑动板（17）的端部插入到滑槽中，内筒（6）内位于滑动板（17）下方的内壁固定有滑动板限位环（22），外保护壳（2）的顶部和线圈架（4）的顶部均与盖板（7）固定，内筒（6）的顶部与限位板（17）固定，限位板（17）与盖板（7）固定，超极化气体收集气袋（5）和氮气袋（16）均通过穿过限位板（17）和盖板（7）的气路管道（11）与气体控制单元连接。

2.根据权利要求1所述的一种储存和转移超极化气体的装置，其特征在于，还包括电源单元箱（21），电源单元箱（21）与外保护壳（2）之间通过第一固定卡（1）和第二固定卡（18）连接，电源单元箱（21）内设置有可充电池（25）和电源控制电路（23），可充电池（25）与电源控制电路（23）连接，电源控制电路（23）与设置在电源单元箱（21）上的外供电源插座口（）连接，电源控制电路（23）还通过可伸缩电缆线（19）与螺旋管磁场线圈（3）连接。

3.根据权利要求2所述的一种储存和转移超极化气体的装置，其特征在于，气体控制单元包括第一控制阀门（8）、第二控制阀门（10）、第三控制阀门（12）、第四控制阀门（13）和第五控制阀门（14），第四控制阀门（13）一端通过气路管道（11）与第一控制阀门（8）一端、第二控制阀门（10）一端、第三控制阀门（12）一端和第五控制阀门（14）一端连接，第一控制阀门（8）另一端通过穿过盖板（7）和限位板（17）的气路管道（11）与超极化气体收集气袋（5）连接，第五控制阀门（14）另一端通过穿过盖板（7）和限位板（17）的气路管道（11）与氮气袋（16）连接。