CN112946544B - 一种核磁共振射频线圈双共振检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，包括输入端口，输入匹配电容模块，平衡电容模块，谐振电感模块，输出端口和输出匹配电容模块，使用本发明与现有单共振射频线圈相连，能够实现两个共振频率接近核素的双共振实验检测，同时无需改动现有单共振射频线圈的电路结构和机械结构，具有很强的灵活性和兼容性，本发明能够根据不同的实验要求，设计不同容值大小、不同个数的匹配电容和平衡电容，在各种频段内实现共振频率接近核素的双共振实验检测。

Description

一种核磁共振射频线圈双共振检测装置

技术领域

本发明涉及核磁共振仪器技术领域，具体涉及一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，适用于核磁共振波谱仪或核磁共振成像仪中，用于实现两个共振频率接近核素的双共振实验检测。

背景技术

核磁共振射频线圈是激发和采集核磁共振信号的关键部件，通过调节与线圈相连的可调电容器的容值，可以将射频线圈的谐振点调谐至不同核素的共振频率，从而实现观测不同核素磁共振信号的目的。在核磁共振检测技术中，经常需要同时激发和接收两种不同共振频率核素的信号，目前的核磁共振射频线圈主要采用双线圈和双共振方法实现，双线圈方法是为每种核素设计一个独立的磁共振线圈，将两个线圈内外嵌套之后再进行两种核素的信号检测。双共振方法是指设计专门的谐振电路，使单个线圈产生两个谐振点后再进行两种核素信号的检测。

但是，无论是基于双线圈方法还是双共振方法设计的射频线圈，目前商用的磁共振射频线圈均无法实现共振频率接近核素的双共振检测(通常需满足双通道共振频率差值大于20％)，原因是目前双线圈式核磁共振射频线圈的方案采用高低频段分开设计的方式，一般是将共振频率较高的核素(如1H，19F)作为一个检测通道，将共振频率较低的核素(如13C，23Na)作为另一个检测通道，在进行双共振实验检测时，只能同时检测一个高频核和一个低频核，无法同时观测两个频率接近的高频核或两个频率接近的低频核的信号。而目前双共振式射频线圈的设计只针对固定频率的常用核素，例如13C和15N核的双共振线圈或者31P和23Na核的双共振线圈，如果需要对其他两个核素进行双共振检测，由于可调范围受限，因此也无法实现频率接近核素的双共振激发或检测。

随着核磁共振技术的不断发展和应用范围的扩大，研究人员对同时检测共振频率接近核素的双共振实验提出了迫切的需求，如研究分子筛孔道结构和扩散作用中所需的129Xe-27Al双共振实验，研究磷酸锂电池相关的31P-7Li双共振实验，以及实现同时照射金属锡两个NMR可观测同位素117Sn和119Sn的双共振实验等。然而，上述频率接近核的双共振实验目前商业磁共振线圈无法实现，同时也未见文献报道用于实现频率接近核素的双共振射频线圈及装置，这一现状极大的阻碍了相关NMR谱学在相关领域研究的深入开展，因此，设计实现频率接近核素的双共振射频线圈或装置显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出了一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，能够在不改变现有单核素射频线圈结构的情况下，实现两个共振频率接近核素的双共振实验检测。本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，包括输入端口和输出端口，所述的输入端口分别与平衡电容模块一端以及输入匹配电容模块一端连接，输入匹配电容模块另一端与电气地连接，平衡电容模块另一端与谐振电感模块一端连接，谐振电感模块另一端分别与输出匹配电容模块一端以及输出端口连接，输出匹配电容模块另一端与电气地连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.使用本装置与现有单核素射频线圈相连，能够实现两个共振频率接近核素的双共振实验检测；

2.无需改动现有单共振磁共振线圈的电路结构和机械结构，通过外接本装置到现有单共振磁共振线圈即可使用，具有很强的灵活性和兼容性；

3.能够根据不同的实验要求，设计不同容值大小、不同个数的匹配电容和平衡电容，在各种频段内实现共振频率接近核素的双共振实验检测，具有很宽的频率覆盖范围和扩展范围等。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的等效示意图；其中(a)为本发明与单共振磁共振线圈连接后的等效示意图；(b)为本发明与单共振磁共振线圈连接后的第一种谐振模式下的等效示意图；(c)为本发明与单共振磁共振线圈连接后的第二种谐振模式下的等效示意图；

图3为本发明的实施例示意图；

图4为本发明的实施例效果图，即脱水Sn/Beta分子筛上¹H-{¹¹⁷Sn/¹¹⁹Sn}S-REDOR实验结果图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，包括输入端口1，输入匹配电容模块2，平衡电容模块3，谐振电感模块4，输出匹配电容模块5和输出端口6，

输入端口1分别与平衡电容模块3一端以及输入匹配电容模块2一端连接，输入匹配电容模块2另一端与电气地连接，平衡电容模块3另一端与谐振电感模块4一端连接，谐振电感模块4另一端分别与输出匹配电容模块5一端以及输出端口6连接，输出匹配电容模块5另一端与电气地连接。

输入端口1，用于连接射频功率放大器输出的射频信号，并将接收得到的射频信号输出到输入匹配电容模块2和平衡电容模块3，输入端口1的型号可采用N-KFD6。

输入匹配电容模块2，用于将输入端口1引入的射频信号进行特征阻抗匹配，保证输入端口1的射频信号反射功率最小，经过匹配之后射频信号输出到平衡电容模块3，输入匹配电容模块2的型号可采用AT40HV。

平衡电容模块3，用于调节两个共振频率处反射功率，经过调节的射频信号输出到谐振电感模块4，平衡电容模块3的型号可采用AT40HV。

谐振电感模块4，用于实现对平衡电容模块3输出的射频信号进行调节，使得输出端口6连接的单共振谐振的磁共振线圈电路变换为双共振谐振的磁共振线圈电路，对平衡电容模块3输出的射频信号进行调节并输出到输出匹配电容模块5和输出端口6，谐振电感模块4的型号可采用SER2211-822MED。

输出匹配电容模块5，用于将输出端口6的射频信号进行特征阻抗匹配，保证输出端口6的射频信号反射功率最小，经过匹配之后的射频信号输出到输出端口6，输出匹配电容模块5的型号可采用AT40HV。

输出端口6，用于连接本发明装置输出的射频信号到单共振射频线圈输入端口，输出端口6的型号可采用N-JF-1。

输入端口1的输出端通过输入匹配电容模块3连接电气地，输入端口1的输出端与平衡电容模块3一端连接，平衡电容模块3另一端与谐振电感模块4一端连接，谐振电感模块4另一端通过输出匹配电容模块5连接电气地且与输出端口6的输入端连接。

输入匹配电容模块2至少为一个电容，平衡电容模块3至少为一个电容，谐振电感模块4至少为一个电感，输出匹配电容模块5至少为一个电容。

本发明的原理示意图如图1所示，本装置安装在射频功率放大器输出端和现有单共振射频线圈输入端之间，通过输入端口1和输出端口6分别与射频功率放大器的输出端和单共振射频线圈的输入端相连。连接本装置后即可在反射功率测试图上观察到两个共振频率，其中一个共振频率为原来单共振射频线圈的频率，另一个共振频率为单共振射频线圈共振频率附近的新的共振频率，通过调节输入匹配电容模块2的可调电容值和输出匹配电容模块5的可调电容值，能够调节两个共振频率处反射功率的大小，同时，通过调节平衡电容模块3的可调电容值，能够调节两个共振频率处反射功率。谐振电感模块4的作用是将现有单核素共振频率扩展为两个频率接近核素的共振频率。另外，为了实现更大范围内的双共振实验检测，本装置的输入匹配电容模块2、平衡电容模块3和输出匹配电容模块5均可以由单个或多个可调电容或固定电容组成，根据不同共振频率的需求可以灵活的接入不同大小、不同数量的可调电容或固定电容，能够满足更宽频段范围内的双共振实验检测，具有很强的可扩展性和兼容性。基于本装置，能够将现有单共振磁共振线圈改造为频率接近核素的双共振磁共振线圈，从而解决现有商用磁共振线圈无法实现频率接近核素的双共振激发或检测问题。

下面从电路原理上解释本装置如何将单共振磁共振线圈改造为频率接近核素的双共振磁共振线圈：

本装置和单共振磁共振线圈串联之后的等效电路图如图2所示，其中，第三等效电容C3、第二等效电容C2和第二等效电感L2构成单共振磁共振线圈的基本形式，第一等效电感L1为平衡电容模块3和谐振电感模块4串联的等效电路，可以看作一个可调的等效电感L1，此处等效的前提是串联的谐振电感模块4的感抗大于串联的平衡电容模块3的容抗，通过计算等效阻抗来实现的。由于平衡电容模块3的电容容值很小，因此可以进行如下等效。用公式推导为：假设串联的谐振电感模块4的大小为L，串联的平衡电容模块3的大小为C，则串联阻抗为

等效电感假设为L1，则

根据这个式子则可以计算出等效电感

ω为输入端口1输入的射频信号的角频率，当串联的谐振电感模块4的感抗大于串联的平衡电容模块3的容抗时呈现为感性元件，因此可以等效为一个可调电感。这样做因为在实际应用中可调电感难以实现，因此就通过串联小容量可调电容的方式间接的改变电感值，来实现可调电感的功能，第一等效电容C1为输出匹配电容模块5的等效电容，第四等效电容C4为输入匹配电容模块2的等效电容。

当输出端口6和单共振磁共振线圈串联后将会产生谐振分裂，工作在两种谐振模式，两种谐振模式在第三等效电容C3两端产生反相电压和同相电压，两种谐振模式的电路分别等效为图2(b)和图2(c)，其中第三等效电感L3为第一等效电感L1与第四等效电容C4串联的等效电路，第三等效电感L3的感抗大于第四等效电容C4的容抗，也看作一个可调的等效电感，

谐振条件为L3＝L2，C1＝C2，当电路工作在第一种谐振模式下时，由于第三等效电容C3两端的电压反相，因此第三等效电容C3中点电位为零，即可等效为两个容值为2C3的电容(容值为2倍C3的电容)并联之后的电路图2(b)。当电路工作在第二种谐振模式时，第三等效电容C3两端电压同相，相当于第三等效电容C3断路，即可等效为两个分离的谐振电路图2(c)。分别对应的两处共振频率为：

因此，本装置和单共振磁共振线圈连接后将产生ω₁和ω₂两个共振频率，形成频率接近核素的双共振磁共振线圈。

平衡电容模块3和谐振电感模块4串联等效为一个可调的第一等效电感L1，然后再将第一等效电感L1与输入匹配电容模块2串联等效为一个可调电感L3，两次等效完成之后就形成了图2(b)和图2(c)中的等效电路。在使用等效电路分析谐振模式时，输入端口和输出端口并不影响电路谐振模式。

图2(b)中2C3是指容值为2倍的第三等效电容C3的电容，当电路工作在第一种谐振模式下时，由于第三等效电容C3两端的电压反相，因此第三等效电容C3中点电位为零，即可等效为两个容值为2C3的电容并联之后的电路图2(b)。当电路工作在第二种谐振模式时，第三等效电容C3两端电压同相，相当于第三等效电容C3断路，即可等效为两个分离的谐振电路图2(c)。

图3给出基于发明的双共振检测装置1H-{117Sn/119Sn}S-REDOR实验设计实例。天然丰度下金属锡存在两种NMR可观测同位素117Sn(7.68％)和119Sn(8.59％)，在11.7T场强下Lamor共振频率分别为178.2MHz和186.6MHz，常规商用NMR探头是无法对两种同位素同时照射而开展双共振实验。因此在单一照射1H-119Sn或1H-117Sn的S-REDOR实验中Sn照射前后差谱的最高效率在7％～8％左右(与相应同位素的天然丰度相关)。而利用本双共振检测装置设计的1H-{117Sn/119Sn}S-REDOR实验中，可对Sn/Beta分子筛样品中117Sn和119Sn核素同时双共振照射，照射前后1H的差谱信号提高到15％，如图4所示，实验效率提高了近一倍。

本文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 (1)

1.一种核磁共振射频线圈双共振检测装置，包括输入端口(1)和输出端口(6)，其特征在于，所述的输入端口(1)分别与平衡电容模块(3)一端以及输入匹配电容模块(2)一端连接，输入匹配电容模块(2)另一端与电气地连接，平衡电容模块(3)另一端与谐振电感模块(4)一端连接，谐振电感模块(4)另一端分别与输出匹配电容模块(5)一端以及输出端口(6)连接，输出匹配电容模块(5)另一端与电气地连接，输入端口(1)和输出端口(6)分别与射频功率放大器的输出端和单共振射频线圈的输入端相连，

单共振射频线圈由第三等效电容(C3)、第二等效电容(C2)和第二等效电感(L2)构成，输出端口(6)与第三等效电容(C3)一端连接，第三等效电容(C3)分别与第二等效电容(C2)一端和第二等效电感(L2)一端连接，第二等效电容(C2)另一端和第二等效电感(L2)另一端与电气地连接，

第一等效电感(L1)为串联的平衡电容模块(3)和谐振电感模块(4)的等效电感，

第四等效电容(C4)为输入匹配电容模块(2)的等效电容，

第一等效电容(C1)为输出匹配电容模块(5)的等效电容，

第三等效电感(L3)为串联的第一等效电感(L1)与第四等效电容(C4)的等效电感，

L3＝L2，C1＝C2，其中，L3为第三等效电感(L3)的等效电感值，L2为第二等效电感(L2)的等效电感值，C1为第一等效电容(C1)的等效电容值，C2为第二等效电容(C2)的等效电容值。

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