CN110833413B - 一种用于活体小动物的超低场磁成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于活体小动物的超低场磁成像装置，属于磁成像技术领域，解决了现有技术中超低场磁成像装置结构复杂、且不适用于大体积小动物活体扫描的问题。本发明的超低场磁成像装置包括推送单元和磁力仪单元，所述推送单元包括扫描位移台、推杆和载物台；所述扫描位移台、推杆、载物台依次连接；所述磁力仪单元包括磁屏蔽、扫描通道、光学通道、原子气池和激光光源与检测器，所述扫描通道贯穿磁屏蔽的侧面，所述原子气池设置在扫描通道的一侧，激光光源与检测器设置在磁屏蔽的外部且位于光学通道的一端。本发明的超低场磁成像装置，结构简单，装拆方便，在保证超低场检测灵敏度的前提下，适用于大体积小动物活体扫描。

Description

一种用于活体小动物的超低场磁成像装置

技术领域

本发明涉及磁成像技术领域，尤其涉及一种用于活体小动物的超低场磁成像装置。

背景技术

小动物活体成像技术，从1999年提出活体成像概念，到现在已走过20年的历程。它可对活体状态下的生物过程进行细胞和分子水平的定性和定量研究，通过标记细胞、蛋白质、DNA(DeoxyriboNucleic Acid，脱氧核糖核酸)、病毒、细菌、小分子药物等物质，在多个时间点观测活体动物体内标记物质的生长代谢过程，为癌症与抗癌药物研究、免疫学与干细胞研究、疾病早期检测和治疗、新药研发和新材料研究带来了重大的贡献。

理想的成像方法应具备高空间分辨力、高灵敏度、高特异性、可定量分析和临床应用安全的特点。目前，众多研究表明，MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)是无创、活体细胞示踪的最佳方法，具有无放射性辐射损害、微米级的高分辨率及高度的软组织分辨能力。但是MRI的灵敏度较低，需要在通过低温超导等技术提供的强磁场下工作，这就造成在技术、安全、费用、空间等诸多方面的限制。为解决这些问题，摆脱强磁场的束缚，科学家们提出超低场磁成像的概念，从多个方面优化成像装置的性能，使其维持超低的测量磁场。其中，以高灵敏度的光学原子磁力仪为磁场检测器，以高性能的磁性纳米粒子为分子探针的超低场磁颗粒扫描成像技术近年来得到快速发展，这也是纳米生物技术蓬勃发展的重要体现。

然而，光学原子磁力仪的结构复杂，且不适用于体积较大的小动物活体扫描，仅仅扩大扫描通道直径对小动物活体扫描又会干扰超低磁场系统，甚至破坏超高灵敏度的检测，影响装置的正常工作。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种用于活体小动物的超低场磁成像装置，用以解决现有技术中的超低场磁成像装置结构复杂、且不适用于大体积小动物活体扫描的问题。

本发明实施例提供了一种用于活体小动物的超低场磁成像装置，包括推送单元和磁力仪单元，所述推送单元包括扫描位移台、推杆和载物台；所述扫描位移台、推杆、载物台依次连接；所述磁力仪单元包括磁屏蔽、扫描通道、光学通道、原子气池和激光光源与检测器，所述扫描通道贯穿磁屏蔽的侧面，所述原子气池设置在扫描通道的一侧，激光光源与检测器设置在磁屏蔽的外部且位于光学通道的一端。

进一步，所述扫描通道内套设保温隔热真空管，所述保温隔热真空管为镀银双层玻璃真空管。

进一步，所述磁屏蔽设置有5层，每层均由坡莫合金构成，磁屏蔽径向横截面为八边形。

进一步，所述磁屏蔽的内部中心剩余磁场小于1nT。

进一步，所述扫描位移台的速度为0.1～20mm/s，定位精度为5～20μm，行程为50～2500mm。

进一步，所述扫描通道的直径为20～100mm。

进一步，所述推杆和载物台的材质均为玻璃、塑料、铝或铜。

进一步，所述原子气池为封装有铯原子的玻璃泡。

进一步，所述玻璃泡尺寸为125～8000μl。

进一步，所述激光光源与检测器的入射偏振光穿透原子气池反射后能够对原子气池二次穿透。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)通过在磁屏蔽上设置有扫描通道，扫描通道的直径为20～100mm，与现有用于磁材料分析和生物检测的直径不超过20mm的磁屏蔽扫描通道相比，可以满足大体积活体小动物(体宽在40mm左右)在磁屏蔽内的线性扫描，扩大了应用范围；

(2)在扫描通道内套设保温隔热真空管，降低了由于扫描通道直径的增大带来的外部环境温度对磁屏蔽内部工作温度的干扰，使磁屏蔽的内部温度保持稳定，进而保证了原子气池灵敏度，减小检测噪音波动；

(3)通过在磁屏蔽内设置磁场平衡线圈，降低了磁力仪单元因扫描通道直径的增大而增加剩余磁场的影响，缓解了大直径扫描通道降低超低场磁成像装置检测灵敏度的影响；

(4)通过在磁屏蔽内靠近原子气池的光学通道上设置有光学聚焦透镜，减弱了由于玻璃泡表面加工的不完美引起光束扩散降低检测灵敏度的影响；

(5)在磁屏蔽内远离原子气池侧设置有单边加热线圈，在加热维持内部温度的同时，避免了加热线圈路径对光学路径的干扰，进而提高了检测的灵敏度。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为超低场磁成像装置的整体结构示意图；

图2为超低场磁成像装置的磁力仪单元结构示意图；

图3为超低场磁成像装置的磁场检测灵敏度；

图4为小鼠体内磁标记肿瘤细胞的扫描磁场曲线及空间定位。

附图标记：

1-推送单元；11-扫描位移台；12-推杆；13-载物台；2-磁力仪单元；21-磁屏蔽；211-光学聚焦透镜；212-单边加热线圈；213-磁场平衡线圈；22-扫描通道；221-保温隔热真空管；23-光学通道；24-原子气池；25-激光光源与检测器。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种用于活体小动物的超低场磁成像装置，包括推送单元1和磁力仪单元2，推送单元1包括扫描位移台11、推杆12和载物台13；扫描位移台11、推杆12、载物台13依次连接；磁力仪单元2包括磁屏蔽21、扫描通道22、光学通道23、原子气池24和激光光源与检测器25，扫描通道22贯穿磁屏蔽21的侧面，原子气池24设置在扫描通道22一侧，磁屏蔽21内靠近原子气池24侧设置有光学聚焦透镜211，磁屏蔽21内远离原子气池24侧设置有单边加热线圈212，磁屏蔽21内设有磁场平衡线圈213，激光光源与检测器(25)设置在磁屏蔽(21)的外部且位于光学通道(23)的一端。

与现有技术相比，本实施例中，通过在扫描通道内套设保温隔热真空管，降低了由于增大扫描通道直径带来的外部环境温度对磁屏蔽内部工作温度的干扰，使磁屏蔽的内部温度保持稳定，进而保证了原子气池灵敏度，减小了检测噪音波动；通过在磁屏蔽内设有磁场平衡线圈，降低了磁力仪单元因扫描通道直径的增大而增加剩余磁场的影响，缓解了大直径磁屏蔽对超低场磁成像装置正常工作造成的影响；通过在磁屏蔽内靠近原子气池的光学通道上设置光学聚焦透镜，减弱了由于玻璃泡表面加工的不完美引起的光束扩散降低检测灵敏度的影响；在磁屏蔽内远离原子气池侧设置有单边加热线圈，在加热维持内部温度的同时，避免了加热线圈路径对光学路径的干扰，进而提高了检测的灵敏度。

磁力仪单元2的外腔由磁屏蔽21构成，磁屏蔽21设置有5层，每层均由坡莫合金构成，每层磁屏蔽21之间用橡胶泡沫填充固定连接。具体的，每层磁屏蔽21均为径向截面为八边形的筒状结构，八边形筒状结构的两端设置有端盖形成密封空间屏蔽外界磁场。需要说明的是，5层磁屏蔽层层相互叠加，最外层磁屏蔽21形成的最大外圈，由外向里逐渐缩小，最里层磁屏蔽形成磁屏蔽21的内部空间。磁屏蔽21的对称水平侧面上开设有扫描通道安装孔，扫描通道安装孔穿过磁屏蔽21的中心，扫描通道22的外径与磁屏蔽21上用于安装扫描通道22的孔的直径相等，直接将扫描通道22套进扫描通道安装孔内，不需要额外使用螺钉、粘接剂等其他连接固定材料，安装便捷、易于拆卸，节约成本。磁屏蔽21对称的竖直侧面上开设有通孔，通孔形成光学通道23，光学通道23穿过磁屏蔽21的中心且与扫描通道22相互垂直。

本实施例中，扫描通道21的直径的增大将导致磁屏蔽21内剩余磁场的泄露而增强，由于磁屏蔽21的内部中心剩余磁场超过10nT时，磁力仪单元检测的光电信号与待测磁场的强度不成正比关系，无法正确反映待测磁场的强度；因而，为降低磁力仪因扫描通道22的直径增大而增加剩余磁场的影响，本实施例中的超低场磁成像装置不仅设置了5层磁屏蔽的结构，而且内部设有磁场平衡线圈213，通过调节磁场平衡线圈213的三维磁场分布，进一步消除磁屏蔽21因扫描通道22直径增大而增加的剩余磁场，实现超低场环境下的活体小动物磁成像。需要说明的是，在磁屏蔽21的最里层内设有线圈架，线圈架为圆筒形，圆筒直径与磁屏蔽21的内切圆直径一致，线圈架高度与磁屏蔽21的高度相等，磁场平衡线圈213缠绕在线圈架上，线圈架依靠自重放置在磁屏蔽21内，无需其他连接支撑。

进一步，为了满足超低场磁成像保持超高灵敏度正常工作的要求，设置磁屏蔽21的内部中心剩余磁场小于1nT。

本实施例中，扫描位移台11的速度设定为0.1～20mm/s，可以满足小动物磁成像时间短和空间分辨率高的多种要求，当速度小于0.1mm/s时，用于小动物成像时间过长，至少需要15分钟，而当速度大于20mm/s时，扫描过程中因速度过快而引入振动噪音，影响检测的灵敏度和空间分辨率；扫描位移台11的定位精度为5～20μm，可以满足小动物超低场磁成像空间分辨率优于亚毫米的需求；扫描位移台11的行程为50～2500mm，可以满足小动物在扫描通道22(长度从20mm到2000mm)内的全程线性扫描，然而现有技术中的扫描通道行程不超过300mm，扫描位移台的行程一般也小于300mm，不能满足小动物活体扫描的需求。扫描通道22的直径为20～100mm，可以满足小鼠(体宽在40mm左右)等小动物在磁屏蔽21内的线性扫描，现有技术中，用于磁材料分析和生物检测的常规扫描通道直径不超过20mm，难以满足大体积小动物活体扫描的需求。

考虑到超低场磁成像无背景磁信号的要求，推杆12和载物台13的材质选择玻璃、塑料、铝或铜，可以满足超低场磁成像无背景磁信号的要求。当使用含有痕量铁等磁性组分的材质，例如无磁不锈钢，将在超低场磁成像检测中产生强烈干扰的磁信号，影响磁场像的灵敏度。

本实施例中，单边加热线圈212布设在磁屏蔽21最里层且远离原子气池24的侧对称斜面的外表面上，单边加热线圈212布设在第四层磁屏蔽和第五层磁屏蔽之间，加热维持磁屏蔽21内部温度为35～50℃，可以满足磁屏蔽21内部原子气池24正常工作温度高于35℃的需求，优选的温度为37℃，也符合小动物活体的自身温度。现有技术中超低场磁场像装置通常采用在扫描通道两侧均设有加热线圈的双边加热方式，造成原子气池一侧既有光学路径也有线圈路径，容易相互干扰；而本实施例中采用单边加热的方式在保障磁屏蔽21内部原子气池24正常工作温度的条件下，去除了原子气池24一侧的加热线圈，消除线圈线路对光学路径的干扰，使得超低场光学原子磁力仪的光路优化更加简便。

用于磁材料分析和生物检测的常规磁力仪单元，因为磁屏蔽21上设置的扫描通道22的直径较小，受外部环境温度干扰低，无需保温隔热器件；然而为了满足大体积活体小动物扫描的要求，本实施例中将扫描通道22的直径增大，扫描通道22的直径增大后，外部环境的温度波动和空气气流更易通过增大后的扫描通道22影响到磁屏蔽21的内部温度，由于受外部环境温度波动及空气流动的影响，磁屏蔽21内部温度难以稳定维持，造成原子气池24灵敏度降低，检测噪音波动增大，因而需要在扫描通道22上加装保温隔热器件，具体地，保温隔热器件为保温隔热真空管221，保温隔热真空管221为镀银双层玻璃真空管。在扫描通道22内直接插入与其直径相匹配的保温隔热真空管221安装固定，可以降低外部环境温度对磁屏蔽21内部工作温度的干扰，使磁屏蔽21的内部温度保持稳定，进而提高原子气池24的灵敏度，减小检测噪音波动。

本实施例中，原子气池24为封装有铯原子的玻璃泡，玻璃泡尺寸为125～8000μl，可以满足小动物超低场磁成像在高灵敏度和高空间分辨率下正常工作的需求。玻璃泡尺寸小于125μl时，玻璃泡封装的铯原子量少，检测信号的灵敏度较低，难以实现小动物超低场检测；玻璃泡尺寸大于8000μl时，成像的空间分辨率在毫米量级，难以实现小动物超低场磁成像空间分辨率优于亚毫米的需求。需要说明的是，原子气池24放置在安放架上，安放架为塑料材质，放置在磁屏蔽21形成的内部空间，安放架的高度设置需满足使放置在其上的原子气池24的高度与光学通道23的高度一致，便于偏振光穿过原子气池24反射。

进一步，光学聚焦透镜211为镀膜的凸透镜，焦距为30～150mm。光学聚焦透镜211安装在最外侧磁屏蔽21的光学通道23上，光学聚焦透镜211及其附件刚好套设在光学通道23内，不需额外的螺钉或者粘接剂固定，装拆方便，节省成本。由于玻璃泡表面加工的不完美，偏振光先后两次穿透原子气池24后，光束发生扩散，会降低检测的灵敏度，光学聚焦透镜211的设置将降低光斑扩散对检测灵敏度的影响，但是光学聚焦透镜211的焦距太小或者太大时，将影响后面激光光源与检测器25的安装位置。

本实施例中，激光光源与检测器25发射的偏振光经光学通道23入射，穿透原子气池24后被原子气池24的后部镜片反射并二次穿透原子气池24，经光学聚焦透镜211聚焦后被激光光源与检测器25所检测，二次穿透可以增加超低场磁成像的信号强度。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例的用于活体小动物的超低场磁成像装置，设置扫描位移台11的行程为500mm，速度为10mm/s，定位精度为10μm；扫描通道22的直径为60mm；5层磁屏蔽21的内部中心剩余磁场小于1nT；推杆12的材质为玻璃，载物台13的材质为塑料；加热线圈212维持磁屏蔽21的内部温度为37℃；保温隔热真空管221为镀银的双层玻璃真空管；原子气池24为封装有铯原子玻璃泡，玻璃泡尺寸为1000μl；光学聚焦透镜221为镀膜的凸透镜，焦距为50mm。

本实施例中，采用600pT的方波磁场检测用于活体小动物的超低场磁成像装置的磁场灵敏度，通常采用信噪比来描述磁场灵敏度，信噪比等于信号强度与噪音强度的比值，当信号强度一定的情况下，噪音强度越小磁场越灵敏。超低场磁成像装置的优化调试过程为，首先通过激光光源与检测器25调节激光波长与能量参数，可获得噪音约为100pT的方波信号，如图3a所示；然后，在光学通道23上安装焦距为50mm的光学聚焦透镜211，可将方波信号的噪音降低至大概50pT，如图3b所示；进而，在扫描通道22中装入与其尺寸相匹配的镀银双层玻璃真空管，即保温隔热真空管221，可将方波信号的噪音进一步降低为20pT，如图3c所示；在磁屏蔽21最里面的空间放入缠绕有磁场平衡线圈213的线圈架，通过加载线圈电流并调节大小，可控制磁场平衡线圈213的三维磁场分布，进一步消除磁屏蔽21内的剩余磁场，最终可将方波信号的背景噪音降至5pT，如图3d所示。

如图4所示，对皮下注射磁标记肿瘤细胞的小鼠(体宽在40mm左右)，利用活体小动物的超低场磁成像装置，通过扫描曲线拟合分析，在获得空间定位信息(扫描轴上的位点P＝274mm)的同时得到定量信息(磁标记细胞的信号强度B＝600pT)，可实现小鼠体内肿瘤细胞的空间定位，与磁共振成像的结果完全吻合，从吻合结果可知本实施例中的增大扫描通道的超低场磁成像装置适用于大体积小动物的扫描且能够保证超低场的灵敏度。图4a表示小鼠体内磁标记肿瘤细胞的扫描磁场曲线及空间定位示意图，图4b为超低场磁成像和磁共振成像结果的叠加图，箭头所指区域为小鼠体内肿瘤细胞的空间定位。需要说明的是，由于磁共振成像无法形成带有标尺的图像，需要将麻醉的小鼠放置在带有坐标的纸上进行磁共振成像和超低场扫描成像，再根据小鼠身体的特征，如尾巴或四肢的位置，通过坐标纸来判断磁共振成像中小鼠体内磁标记的位置，再与超低场扫描成像得到的小鼠的空间定位信息相比较。

本申请的用于活体小动物的超低场磁成像装置，通过在磁屏蔽上设置有扫描通道，扫描通道的直径为20～100mm，与现有用于磁材料分析和生物检测的扫描通道直径不超过20mm的磁场像装置相比，可以满足小鼠(体宽在40mm左右)等大体积活体小动物在磁屏蔽内的线性扫描，扩大了应用范围；在扫描通道内套设保温隔热真空管，降低了外部环境温度对磁屏蔽内部工作温度的干扰，使磁屏蔽的内部温度保持稳定，进而保证了原子气池灵敏度，减小检测噪音波动；通过在磁屏蔽内设置磁场平衡线圈，降低了磁力仪单元因扫描通道直径的增大而增加剩余磁场的影响，缓解了大直径扫描通道降低超低场磁成像装置检测灵敏度的影响；通过在磁屏蔽内靠近原子气池的光学通道上设置有光学聚焦透镜，减弱了由于玻璃泡表面加工的不完美引起光束扩散降低检测灵敏度的影响；在磁屏蔽内远离原子气池侧设置有单边加热线圈，在加热维持内部温度的同时，避免了加热线圈路径对光学路径的干扰，进而提高了检测的灵敏度。本发明的超低场磁成像装置，结构简单，装拆方便，在保证超低场超高检测灵敏度的前提下，适用于大体积小动物活体扫描。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于活体小动物的超低场磁成像装置，其特征在于，包括推送单元(1)和磁力仪单元(2)，所述推送单元(1)包括扫描位移台(11)、推杆(12)和载物台(13)；所述扫描位移台(11)、推杆(12)、载物台(13)依次连接；所述磁力仪单元(2)包括磁屏蔽(21)、扫描通道(22)、光学通道(23)、原子气池(24)和激光光源与检测器(25)，所述扫描通道(22)贯穿磁屏蔽(21)的侧面，所述原子气池(24)设置在扫描通道(22)的一侧，磁屏蔽(21)内靠近原子气池(24)侧设置有光学聚焦透镜(211)，磁屏蔽(21)内远离原子气池(24)侧设置有单边加热线圈(212)，磁屏蔽(21)内设有磁场平衡线圈(213)，激光光源与检测器(25)设置在磁屏蔽(21)的外部且位于光学通道(23)的一端；

所述扫描通道(22)内套设保温隔热真空管(221)，所述保温隔热真空管(221)为镀银双层玻璃真空管；所述扫描通道(22)的直径为20～100mm；

所述磁屏蔽(21)设置有5层，每层均由坡莫合金构成，磁屏蔽(21)径向横截面为八边形。

2.根据权利要求1所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述磁屏蔽(21)的内部中心剩余磁场小于1nT。

3.根据权利要求2所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述扫描位移台(11)的速度为0.1～20mm/s，定位精度为5～20μm，行程为50～2500mm。

4.根据权利要求1所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述推杆(12)和载物台(13)的材质均为玻璃、塑料、铝或铜。

5.根据权利要求4所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述原子气池(24)为封装有铯原子的玻璃泡。

6.根据权利要求5所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述玻璃泡尺寸为125～8000μl。

7.根据权利要求1-6任一项所述的超低场磁成像装置，其特征在于，所述激光光源与检测器(25)的入射偏振光穿透原子气池(24)反射后能够对原子气池(24)二次穿透。

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