CN110793993B - 核磁共振探头以及包括其的双核联测的核磁共振装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种核磁共振探头以及包括其的双核联测的核磁共振装置，该探头包括：电磁噪声屏蔽机构，其包括相互连接的套筒和端盖；线圈骨架，其连接在套筒内并沿轴向方向部分延伸出端盖的表面；射频线圈绕组，其缠绕在线圈骨架上并设在电磁噪声屏蔽机构的套筒内；和天线，其连接射频线圈绕组，并将射频线圈绕组的信号连接到端盖上或与端盖连接的电子元器件上。该探头能够更好地抑制或屏蔽外部信号干扰，结构更简单。

Description

核磁共振探头以及包括其的双核联测的核磁共振装置

技术领域

本发明涉及材料探测与物质分析技术领域，具体涉及利用核磁共振技术分析物理性质的核磁共振探头以及包括其的双核联测的核磁共振装置。

背景技术

核磁共振分析仪器利用核磁共振原理探测材料中特性原子核的信号，可以得到特定原子核的含量、弛豫和扩散特性、被测物质的核磁频谱或被测物质的图像，并将核磁共振信号直接或间接转换为物质的关键信息，这些信息对于材料评估具有重要意义。核磁共振仪器凭借其快速、准确、无损、绿色的优点，在医疗、地学、化学、材料和食品等领域越来越受到重视。

核磁共振分析仪主要由传感器和电子系统组成。传感器负责提供产生核磁共振现象的场所和条件、激发并接收核磁共振信号。主要包括磁体和天线探头，磁体用于产生静磁场，令样品中的氢核发生极化能级分裂。天线探头用于发射射频脉冲，激发被静磁场极化的氢原子产生核磁共振现象，同时还用于接收和采集核磁共振信号。电子系统负责为激发核磁共振现象提供电子控制信号、大功率射频脉冲序列、微弱信号采集、放大采样以及数据处理。电子系统主要包括射频模块、脉冲序列模块、控制处理模块和数据处理模块。

现有技术中的核磁共振探头设计，例如专利申请号为201110357940.2、名称为“核磁共振分析仪和核磁共振测量方法”，采用一个发射线圈单频发射，一次测量只能分析一种样品或样品中的一个原子核，如果需要测量另外一种原子核，则需要更换探头。另外，探头容易受到外部信号的干扰，结构复杂，且多个磁体不容易安装。

发明内容

针对现有技术中所存在的上述技术问题的部分或者全部，本发明提出了一种核磁共振探头以及包括其的双核联测的核磁共振装置，该探头能够更好地抑制或屏蔽外部信号干扰，结构更简单。该核磁共振装置容易安装，且具备两种谐振频率，具有不需要更换探头或重新调谐就能满足双核联测的特点，使用更方便。

为了实现以上发明目的，一方面，本发明提出了一种核磁共振探头，包括：

电磁噪声屏蔽机构，其包括相互连接的套筒和端盖；

线圈骨架，其连接在套筒内并沿轴向方向部分延伸出端盖的表面；

射频线圈绕组，其缠绕在线圈骨架上并设在电磁噪声屏蔽机构的套筒内；和

天线，其连接射频线圈绕组，并将射频线圈绕组的信号连接到端盖上或与端盖连接的电子元器件上。

在本发明中，由于设置有电磁噪声屏蔽机构，并将射频线圈绕组设置在电磁噪声屏蔽机构的套筒内，因而能较好地抑制或屏蔽外部信号干扰，而且整体结构没有那么多层，结构更简单。

在一种实施方案中，所述线圈骨架的一端从端盖中部延伸出端盖的表面，且在端盖上围绕所述线圈骨架设有若干个第一通孔，靠近端盖的边沿设有若干个第二通孔。其中的第一通孔主要是用于安装电容、电感、控制插头或信号同轴插头等电子元器件。第二通孔主要用于与磁体机构等的连接，同时具有减少对磁场信号的阻碍作用。

在一种实施方案中，所述端盖和套筒采用能屏蔽外部信号干扰的良导体材料制作而成，所述良导体材料包括铝合金、铜。端盖和套筒均采用良导体制作，例如金属或合金，从而可更好地屏蔽外接信号的干扰。

在一种实施方案中，所述套筒与端盖采用可拆卸式连接，端盖上设有外螺纹，所述套筒上端设有内螺纹，所述套筒与所述端盖通过螺纹连接。方便安装。在一个优选的实施例中，端盖的直径大于套筒的直径。主要是因为连接有调谐电路，可以采用直径较小的射频线圈绕组实现共振。

在一种实施方案中，所述线圈骨架采用不导电的圆柱管，圆柱管的中下部设有外径略小于其它部分的外螺纹段，所述射频线圈绕组通过缠绕的方式连接在线圈骨架的外螺纹段。

在一种实施方案中，圆柱管的外螺纹段设有天线槽，连接射频线圈绕组两端的天线经所述天线槽连接到端盖上。便于对射频线圈绕组以及天线的位置进行固定。

另一方面，本发明还提供了一种双核联测的核磁共振装置，包括：

磁体机构，

核磁共振探头，其一端插入所述磁体机构且端盖与磁体机构固定连接；

电子元器件，其通过天线连接核磁共振探头内的射频线圈绕组，并构造为：与射频线圈绕组构成双频谐振电路，在磁体机构的作用下，实现该双频谐振电路的输出参数可调与双核联测；其中的核磁共振探头采用前面所述的探头。

在本发明中，通过将核磁共振探头插入磁体机构中并通过螺钉等金属紧固件固定，安装更容易。核磁共振探头通过天线连接电子元器件构成双频谐振电路，通电时在磁体机构的作用下，具备两种谐振频率，具有不需要更换线圈、探头或重新调谐就能满足双核联测的特点，使用更方便。

在一种实施方案中，所述电子元器件包括：串联设在双频谐振电路的第一线路上的第一高压电容和第一可变电容二极管，以及串联设在第二线路上的第二高压电容、第二可变电容二极管和电感，所述第一线路、第二线路并联。

在一种实施方案中，所述第一线路和第二线路并联后与核磁共振探头中的射频线圈绕组串联连接。

在一种实施方案中，所述装置还包括信号源端，所述信号源端连接阻抗变压器，所述阻抗变压器连接并联的第一线路和第二线路，第一线路和第二线路并联后的输出端连接射频线圈绕组。

在一种实施方案中，所述核磁共振探头包括套筒和端盖，核磁共振探头中的射频线圈绕组安装在套筒内，端盖上设有若干第一通孔，电子元器件通过绝缘方式安装在第一通孔上，并与套筒内的射频线圈绕组通过天线连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

采用的核磁探头由于设置有电磁噪声屏蔽机构，并将射频线圈绕组设置在电磁噪声屏蔽机构的套筒内，因而能较好地抑制或屏蔽外部信号干扰，而且整体结构更简单。通过将核磁共振探头插入磁体机构中并通过螺钉等金属紧固件固定，安装更容易。核磁共振探头通过天线连接电子元器件构成双频谐振电路，通电时在磁体机构的作用下，具备两种谐振频率，具有不需要更换线圈、探头或重新调谐就能满足双核联测的特点，使用更方便。

附图说明

下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：

图1所示为本发明的核磁共振探头其中一个实施例的结构示意图；

图2所示为图1中的核磁共振探头的拆分结构示意图；

图3为本发明的双核联测的核磁共振装置的其中一个实施例的结构示意图；

图4为图3中的双核联测的核磁共振装置的电路原理示意图；

图5为图4中的双频谐振电路产生的频率特性曲线。

附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到，现有技术中的核磁共振探头采用一个发射线圈单频发射，一次测量只能分析一种样品或样品中的一个原子核，如果需要测量另外一种原子核，则需要更换探头。另外，探头容易受到外部信号的干扰，结构复杂，且多个磁体不容易安装。

针对以上不足，本发明的实施例提出了一种核磁共振探头100以及该探头的双核联测的核磁共振装置10，下面进行详细说明。

如图1和图2示出了本发明的核磁共振探头100的其中一种实施例的结构示意图。在该实施例中，本发明的核磁共振探头100主要包括电磁噪声屏蔽机构101、线圈骨架104(请参考图2)、射频线圈绕组106和天线401。其中，电磁噪声屏蔽机构101主要包括相互连接的套筒101A和端盖101B。线圈骨架104连接在套筒101A内并沿轴向方向部分延伸出端盖101B的表面。射频线圈绕组106缠绕在线圈骨架104上并设在电磁噪声屏蔽机构101的套筒101A内。天线401连接射频线圈绕组106，并将射频线圈绕组106的信号连接到端盖101B上或与端盖101B连接的电子元器件103上。在本发明中，由于设置有电磁噪声屏蔽机构101，并将射频线圈绕组106设置在电磁噪声屏蔽机构101的套筒101A内，因而能较好地抑制或屏蔽外部信号干扰，而且整体结构没有那么多层次，结构更简单。

在一个实施例中，如图1所示，线圈骨架104的一端从端盖101B中部的通孔203延伸出端盖101B的表面。且在端盖101B上围绕线圈骨架104设有若干个第一通孔204。靠近端盖101B的边沿设有若干个第二通孔202。其中的第一通孔204主要是用于安装电容、电感、控制插头或信号同轴插头等电子元器件103。第二通孔202主要用于与磁体机构105的连接，同时具有减少对磁场信号的阻碍作用。电子元器件103时布置有绝缘套205，将某些特定器件与端盖101B进行绝缘。端盖101B中心的通孔203具有一定的高度，且有内螺纹，线圈骨架104通过外螺纹拧紧在通孔203上。

在一个实施例中，端盖101B和套筒101A采用能屏蔽外部信号干扰的良导体材料制作而成。此处的良导体材料包括金属或合金，例如铝合金、铜。

在一个实施例中，套筒101A为圆形筒状，封闭端中心留有安装线圈骨架104的圆形开孔，如图2，该圆形开孔通过螺堵密封。套筒101A的另一端有内螺纹。端盖101B整体为圆台状，朝向套筒101A的一端设有螺纹延伸部，螺纹延伸部的外径略小于端盖101B的圆盘部的外径，该圆盘部与套筒101A连接时可起到定位和固定作用，并可导电。在一个实施例中，端盖101B和套筒101A可通过螺栓或螺钉连接，二者需要导电接触。二者安装在一起后，对内部形成较好的电磁屏蔽，屏蔽外部的电磁噪声，为设在内部的射频线圈绕组106提供低背景噪声的检测环境。在一个优选的实施例中，端盖101B和套筒101A采用可拆卸式连接，端盖101B上设有外螺纹201。套筒101A上端设有内螺纹，端盖101B和套筒101A通过螺纹连接。这种结构方便了安装，而且相对容易实现连接处的密封。更进步优选地，端盖101B的直径大于101A套筒的直径。主要是因为探头连接有调谐电路，可以采用直径较小的射频线圈绕组106实现共振。

在一个实施例中，如图2所示，线圈骨架104采用不导电的圆柱管，上端开有外螺纹与端盖101B的通孔203连接，螺纹外径略小于其他部位，留出端面帮助固定。圆柱管的中下部设有一段外径略小于其它部分的外螺纹段301。射频线圈绕组106通过缠绕的方式连接在线圈骨架104的外螺纹段301上。

在一个实施例中，圆柱管的外螺纹段301上设有天线槽，连接射频线圈绕组106两端的天线401经该天线槽连接到端盖101B上。该天线槽沿圆柱管的轴向方向向上延伸到端盖101B处，便于对射频线圈绕组106以及天线401的位置进行固定。天线401采用螺线管或马鞍形等天线的形式绕制在由特氟龙、PEEK等不含被测核元素的材质制作的样品管上。天线401将线圈绕组106与端盖101B上的电子元件进行连接。

本发明还提供了一种如图3所示的双核联测的核磁共振装置10。在该实施例中，该核磁共振装置10主要包括：磁体机构105、核磁共振探头100以及与核磁共振探头100连接构成双频谐振电路的电子元器件103。其中，磁体机构105不限制采用如图3所示的长方体或正方体结构，实际根据需要也可以设置为圆柱体结构。核磁共振探头100的下端插入磁体机构105中部的通孔内。电子元器件103通过天线401连接核磁共振探头100内的射频线圈绕组106，并构造为：与射频线圈绕组106构成双频谐振电路。在磁体机构105的作用下，实现该双频谐振电路的输出参数可调与双核联测。其中的核磁共振探头100采用如前面描述的结构的探头。

如图1和图3，端盖101B上开有一定数量的第二通孔202，为的是方便与磁体105进行安装固定。此处采用螺钉、螺栓等金属固定机构，可将屏蔽机构接地，进一步降低噪声。另外，磁体机构105标识出了磁场B0方向为沿横向，此时核磁共振探头100中的射频线圈绕组106开口向上，产生的激发射频场B1方向从下至上，与B0方向垂直满足共振激发条件。

在本发明中，通过将核磁共振探头100插入磁体机构105中并通过螺钉等金属紧固件固定，安装更容易。核磁共振探头100通过天线401连接多个电子元器件103构成双频谐振电路，通电时在磁体机构105的作用下，具备两种谐振频率，具有不需要更换线圈、探头或重新调谐就能满足双核联测的特点，使用更方便。

另外，随着核磁共振传感器的小型化趋势突出，这类核磁传感器或核磁共振装置根据自身结构和敏感区域位置的不同，主要分为两种类型：1)开放式磁体，在磁体阵列外部产生敏感区，能够研究不适于放在传统仪器内部的、任意大小尺寸的样品，也称单边型核磁共振，具体可参见背景技术中的现有专利。2)封闭式磁体，如本发明中描述的双核联测的核磁共振装置10。本发明采用的这类封闭式磁体机构105在磁体阵列内部产生敏感区，使用最少的磁体就能在特定区域内建立场强高、均匀性好的静磁场。封闭型磁体能够产生比单边磁体更强、更均匀的磁场，能够装配高度均匀射频场的螺线管天线，并用于激发和接收核磁共振信号。

在一个实施例中，如图4所示，示出了该核磁共振装置10的电路原理图。在图4中，采用的电子元器件103主要包括：串联设在双频谐振电路的第一线路上的第一高压电容505A和第一可变电容二极管505B，以及串联设在第二线路上的第二高压电容504A、第二可变电容二极管504B和电感503。该第一线路与第二线路并联。在一种实施方案中，如图4所示，第一线路和第二线路并联后与核磁共振探头100中的射频线圈绕组106串联连接。

在一个实施例中，该核磁共振装置10还包括信号源端501A。该信号源端501A连接阻抗变压器502。该阻抗变压器502连接并联的第一线路和第二线路，第一线路和第二线路并联后的输出端连接射频线圈绕组106，从而构成电路的回路。

在一个实施例中，如图2所示，当核磁共振探头100主要包括套筒101A和端盖101B，核磁共振探头中的射频线圈绕组106安装在套筒内，端盖101B上设有若干第一通孔203，电子元器件103通过绝缘方式安装在第一通孔203上，并与套筒101A内的射频线圈绕组106通过天线401连接。

如图4，射频线圈绕组106，通过天线401与调节电容、电感组成谐振网络。该谐振网络具有两个共振频率，通过调节电容和电感的数值来灵活实现双共振频率和阻抗的调节。

发射时，来自射频功率放大器(图4未示出)的特定频率的电磁波信号从信号源端501A进入，首先经过一个阻抗变化的阻抗变压器502，进入第一线路和第二线路、射频线圈绕组106的等效电感组成的谐振电路，经过谐振电路的能量转换，尤其是射频线圈绕组106将电能转化为磁能，产生射频场B1用于激发样品的核磁共振现象。阻抗变压器502主要用于将整个谐振电路的阻抗转换成与电子线路相等，实现最大效率的输出与输入。

接收时，来自样品的核磁共振信号(具有共振频率的磁矢量变化)首先通过射频线圈绕组106感应出电动势，经过谐振电路放大，再通过阻抗匹配的阻抗变压器502，输送给前置放大器(图4未示出)，再由采集电路进行数字采样。

图4中，第一高压电容505A和第二高压电容504A为固定容值的耐高压电容。第二可变电容二极管504B和505B为变容二极管，可外接信号，通过给予电压实现容值的调节。

只有特定的原子核能够激发核磁共振现象，物体被放入磁体产生的磁场中后，存在特定的共振频率。利用探头中的线圈发射与此频率相同的、具有一定能量的射频电磁波，能够激发核磁共振现象，从而检测核磁共振信号，对信号进行处理得到被测物体信息。原子核的共振频率由磁场强度和原子核的磁旋比共同确定。在特定的磁场中，由原子核本身决定。另外，磁共振频率ω0＝γB0，其中为ω0共振角频率，γ为磁旋比，B0为静磁场强度。

例如，1H的磁旋比γ1H/2π＝42.58MHz/T，7Li的磁旋比γ7Li/2π＝16.546MHz/T，13C的磁旋比γ13C/2π＝10.71MHz，19F的磁旋比γ19F/2π＝40.05MHz，即在相同的静磁场条件下，不同的原子核具有不同的共振频率，要将其用同一个线圈进行激发，就需要核磁共振探头装置同时具有不止一只频率特征。

图5示出了本发明提供的核磁共振探头装置的双频谐振电路产生的频率特性曲线的一个例子，可以看到，该实例在9.0MHZ和23.2MHz处有两个谐振点。通过调节电路中的电子元器件值，还可以灵活调整谱峰位置。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双核联测的核磁共振装置，其特征在于，包括：

磁体机构，

核磁共振探头，其包括电磁噪声屏蔽机构、线圈骨架、射频线圈绕组和天线，所述电磁噪声屏蔽机构包括相互连接的套筒和端盖，端盖的直径大于套筒的直径，套筒和端盖导电接触，对内部形成电磁屏蔽；所述线圈骨架连接在套筒内并沿轴向方向部分延伸出端盖的表面；所述射频线圈绕组缠绕在线圈骨架上并设在电磁噪声屏蔽机构的套筒内，所述核磁共振探头一端插入所述磁体机构且端盖与磁体机构固定连接；以及

与端盖连接的电子元器件，其通过所述天线连接所述射频线圈绕组，所述线圈骨架采用不导电的圆柱管，圆柱管的中下部设有外径略小于其它部分的外螺纹段，圆柱管的外螺纹段设有天线槽，天线槽沿圆柱管的轴向方向向上延伸到端盖处，连接射频线圈绕组两端的天线经所述天线槽连接到端盖上，所述天线将射频线圈绕组的信号连接到与端盖连接的电子元器件上，所述电子元器件构造为：与射频线圈绕组构成双频谐振电路，在磁体机构的作用下，实现该双频谐振电路的输出参数可调与双核联测。

2.根据权利要求1所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述线圈骨架的一端从端盖中部延伸出端盖的表面，且在端盖上围绕所述线圈骨架设有若干个第一通孔，靠近端盖的边沿设有若干个第二通孔。

3.根据权利要求1或2所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述端盖和套筒采用能屏蔽外部信号干扰的良导体材料制作而成，所述良导体材料包括铝合金、铜。

4.根据权利要求1或2所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述套筒与端盖采用可拆卸式连接，端盖上设有外螺纹，所述套筒上端设有内螺纹，所述套筒与所述端盖通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述射频线圈绕组通过缠绕的方式连接在线圈骨架的外螺纹段。

6.根据权利要求1所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述电子元器件包括：串联设在双频谐振电路的第一线路上的第一高压电容和第一可变电容二极管，以及串联设在第二线路上的第二高压电容、第二可变电容二极管和电感，所述第一线路、第二线路并联。

7.根据权利要求6所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述第一线路和第二线路并联后与核磁共振探头中的射频线圈绕组串联连接。

8.根据权利要求7所述的双核联测的核磁共振装置，其特征在于，所述装置还包括信号源端，所述信号源端连接阻抗变压器，所述阻抗变压器连接并联的第一线路和第二线路，第一线路和第二线路并联后的输出端连接射频线圈绕组。

Images