CN114114108A - 一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，包括杜瓦，还包括可插拔线圈和前端增益放大器，杜瓦包括筒状夹层腔，筒状夹层腔的中心构成室温腔，筒状夹层腔的夹层内通过液氮容器壁分隔为真空腔和液氮腔，真空腔位于室温腔和液氮腔之间，可插拔线圈和前端增益放大器设置在真空腔中，可插拔线圈包括线圈部和可插拔底座，线圈部与可插拔底座之间可插拔连接，可插拔线圈和前端增益放大器连接。本发明可以实现射频脉冲的发射和磁共振信号的接收，能适用于小动物全身成像；能实现低设计成本和低运行成本；能有效地提高磁共振信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振仪器技术领域，具体涉及一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，适用于核磁共振成像仪或核磁共振波谱仪中，用于实现液氮低温状态下不同种类原子核的磁共振信号激发与采集。
背景技术
核磁共振探头装置是核磁共振仪器必不可少的组成部分，用于实现射频脉冲的发射和接收等功能。随着核磁共振技术研究领域的不断扩大，核磁共振仪器系统日益呈现向多核素采集和快速采集的方向发展，这些新的需求对核磁共振仪器的探头提出了更高的要求，一方面要求加快采集速度，提高实验效率，另一方面又要求提高信噪比，从而改善成像的质量。
在传统的磁共振成像实验中，随着成像物体的物理尺寸的减小或检测频率的降低，噪声的贡献通常占主导地位，主要表现为线圈和设备导体中的热噪声对信噪比的影响越来越大。当线圈(包括前置放大器)温度下降后，信噪比会增强。
目前商用磁共振仪器设备提供商Bruker公司提出了一种用于小动物成像的低温线圈的方案，该方案通过氦气闭环系统将线圈冷却至30K，这需要将制冷器连接到线圈并靠近磁共振扫描仪，并且还需要在动物位置施加强大的热源，使从线圈到样品距离上产生很高的热梯度(>220℃)，实验结果显示，室温线圈上的信噪比增益高度依赖于样品和共振频率，据报道200MHz处的小鼠大脑信噪比增加2.0-2.2倍，400MHz处的小鼠大脑增加2.4-2.5倍，400MHz处的小鼠心脏增加3.0-4.0倍，100MHz时的小鼠大脑增强3.0-3.5倍，这些测试结果有力的显示的低温探头在提高信噪比方面的巨大潜力。
然而，这种方案需要极高的经济成本，难以使其更广泛地应用。针对用于动物磁共振成像的小型线圈，使用一些液氮作为冷却剂而不是专用液氦制冷剂是一个更好的选择，因为液氮的经济成本相对来说比较低。文献报道Elabyad等人将线圈直接浸入液氮中，并在线圈周围放置了固体绝缘层，得到了大鼠心脏的2.7倍的信噪比增益(共振频率18.68MHz)，Hu等人提出了一种更复杂的方法，用真空腔隔热，结果显示在3T磁场下小鼠大脑的信噪比增益为1.6倍，但是在这种情况下，实验过程中需要保持使用真空泵抽真空以保持隔热，Poirier-Quinot等人又提出了一种自动恒温器，恒温时间为5小时，用于冷却超导线圈，但是由于超导线圈到样品的距离增加以及低温恒温器可能会导致柔韧性变差，对于较大物体的体内成像，低温线圈的实际好处又受到了限制。
综上所诉，通过降低探头(包括线圈、前置放大器等)的温度能够将信噪比提高2～4倍。但是为了得到更广阔的应用，不仅要求在保证信噪比增益的情况下尽可能大地降低成本，又要求兼顾探头的坚固性和柔韧性。然而同时满足上述设计要求的低成本低温磁共振探头目前还没有相关文献报道，属于技术空白领域，是核磁共振仪器技术领域亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出了一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，本发明以模块化方式进行设计，以便在不同原子核的成像实验下可以更换线圈和前置放大器，具有扩展到临床应用的潜力。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，包括杜瓦，还包括可插拔线圈和前端增益放大器，杜瓦包括筒状夹层腔，筒状夹层腔的中心构成室温腔，筒状夹层腔的夹层内通过液氮容器壁分隔为真空腔和液氮腔，真空腔位于室温腔和液氮腔之间，
可插拔线圈和前端增益放大器设置在真空腔中，可插拔线圈包括线圈部和可插拔底座，线圈部与可插拔底座之间可插拔连接，可插拔线圈和前端增益放大器连接。
如上所述的线圈的可插拔底座和前端增益放大器均通过低温胶与液氮容器壁连接。
如上所述的真空腔与设置在筒状夹层腔的端面上的气体闸门连接，液氮腔分别与设置在筒状夹层腔的端面上的可拆卸连接口和排气口连接，前端增益放大器分别与设置在筒状夹层腔的端面上的同轴电缆接口和直流电源接口连接。
如上所述的筒状夹层腔的端面上设置有调谐杆接口，调谐杆通过螺纹与调谐杆接口相连，调谐杆延伸至真空腔内靠近可插拔线圈的线圈部。
如上所述的室温腔设置有热电偶，真空腔内位于可插拔线圈的线圈部附近设置有热电偶，真空腔内位于前端增益放大器附近设置有热电偶，筒状夹层腔的端面上设置有热电偶接口，各个热电偶与热电偶接口连接。
如上所述的筒状夹层腔为玻璃钢，液氮容器壁为陶瓷。
如上所述的真空腔内设置有活性炭和钠铝硅酸盐。
如上所述的液氮容器壁位于真空腔内的侧壁除了可插拔线圈对应的位置以外均设置有聚酰亚胺隔热层。
如上所述的可插拔底座为铜材质。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.可插拔线圈的线圈部与液氮容器壁的间距为2.5mm，优于现有仪器3.5mm，可以有效地提高成像的信噪比，改善图像的质量；
2.可实现低成本设计和运行，相比采用液氦作为制冷剂的低温线圈设计和运行，成本低一个数量级。
3.适用于动物全身成像，室温腔的直径为32mm，可适用于小鼠的全身,大鼠的头部；
4.以模块化方式进行设计，以便在不同原子核的成像实验下根据需要更换可插拔线圈的线圈部和前端增益放大器；
5.可插拔线圈的线圈部的冷却时间小于3小时，保证5小时试验时间内液氮不完全挥发。
附图说明
图1为本发明的剖面结构示意图；
图2为本发明的侧视结构示意图。
图中：1-杜瓦；2-可插拔线圈；3-前端增益放大器；4-液氮容器壁；5-室温腔；6-热电偶；7-可拆卸连接口；8-排气口；9-气体闸门；10-热电偶接口；11-同轴电缆接口；12-调谐杆接口；13-直流电源接口；14-真空腔；15-液氮腔。
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，一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，采用模块化设计，包括杜瓦1，可插拔线圈2和前端增益放大器3。
杜瓦1包括筒状夹层腔，筒状夹层腔的中心构成室温腔5，筒状夹层腔的夹层内通过圆筒状的液氮容器壁4分隔为内外两个筒状夹层，分别为真空腔和液氮腔，真空腔位于室温腔5和液氮腔之间。探头工作时液氮腔装满液氮，真空腔被真空泵抽成真空，杜瓦1内部的液氮容器壁4采用陶瓷材料，筒状夹层腔的端面设置有可拆卸连接口7、排气口8、气体闸门9、两个热电偶接口10、两个同轴电缆接口11、两个调谐杆接口12、直流电源接口13。直流电源接口13采用两芯航插，热电偶接口10采用两芯航插，调谐杆接口12外径为5mm。
液氮腔与可拆卸连接口7相连，可用于与自增压液氮补给系统连接，补充液氮腔中的液氮。液氮腔还与排气口8相连，用于排出液氮或液氮挥发出的氮气。
真空腔与气体闸门9相连，可用于连接真空泵，抽出真空腔内的空气，减少因内部与外部的热交换造成的热损失。
可插拔线圈2包括线圈部和可插拔底座，线圈部与可插拔底座之间为可插拔连接，可插拔线圈2的可插拔底座与液氮容器壁4相连，液氮容器壁4将真空腔和液氮腔分割开来，可插拔线圈2位于真空腔内，可插拔线圈2的可插拔底座通过低温胶将可插拔底座与液氮容器壁4固定，低温胶为超低温环氧树脂材料，这种固定方式因更好的导热使可插拔线圈2的温度降下来。可插拔线圈的线圈部与液氮容器壁的间距为2.5mm，优于现有仪器3.5mm，可以有效地提高成像的信噪比，改善图像的质量。
可插拔线圈2的线圈部的外部设置有热电偶，热电偶与热电偶接口10相连，从而通过热电偶监控可插拔线圈2的线圈部的温度；
可插拔线圈2的线圈部通过前端增益放大器3与同轴电缆接口11相连，同轴电缆接口11输出所采集到的磁共振信号；
调谐杆通过螺纹与调谐杆接口12相连，调谐杆延伸至真空腔内靠近可插拔线圈2的线圈部，用来调谐振频率和调匹配；
前端增益放大器3与直流电源接口13相连，电源通过直流电源接口13为前端增益放大器3供电；
杜瓦1，采用圆筒形设计，低温杜瓦1包括室温腔5和套设在室温腔5外部的筒状夹层腔，筒状夹层腔内通过圆筒状的液氮容器壁4分隔为真空腔和液氮腔，筒状夹层腔的材质为纤维增强塑料(玻璃钢)，液氮容器壁4采用陶瓷材料，真空腔位于室温腔5和液氮腔之间，液氮腔用于储存液氮，并防止液氮挥发，真空腔用于隔绝内部与外界的热交换，并在真空腔放置可插拔线圈2和前端增益放大器3；杜瓦1的材料采用纤维增强塑料(玻璃钢)。
可插拔线圈2，用于发射射频脉冲和接收磁共振信号，采用模块化设计，包括线圈部和可插拔底座，线圈部与可插拔底座之间为可插拔连接，便于根据不同实验的要求更换线圈部。
前端增益放大器3，用于调整可插拔线圈2的线圈部接收到的磁共振射频信号的接收增益，并将调整接收增益后的磁共振射频信号通过同轴电缆接口11输出到机柜进行进一步地处理，最终保存到计算机里；还用于通过同轴电缆接口11收到线圈激励信号，并根据线圈激励信号对可插拔线圈2的线圈部进行激发，前端增益放大器3设置在真空腔内，并通过低温胶粘接在液氮容器壁4。
液氮容器壁4，采用陶瓷材料，成本相对较低，并且在液氮温度附近具有良好的导热性，液氮容器壁4上连接可插拔线圈2的可插拔底座和前端增益放大器3，液氮容器壁4将真空腔和液氮腔分割开来，通过低温胶将可插拔线圈2的可插拔底座和前端增益放大器3均与液氮容器壁4固定，这种固定方式因更好的导热效果使可插拔线圈2和前端增益放大器3的温度降下来。使可插拔线圈2和前端增益放大器3达到理想的温度。
室温腔5，用于放置样品，直径为32mm，也可适用于小鼠全身,大鼠头部的实验，并且能保持实验小动物的生命体征；
可拆卸连接口7，用于连接液氮腔与自增压液氮补给系统，补充因挥发而减少的液氮，从而保证实验时间内探头的温度；
排气口8，用于排除液氮腔内挥发的氮气，保证液氮腔的气压和空间，从而更易于补充新的液氮；
气体闸门9，用于连接真空泵，抽出真空腔中的空气，抽至真空腔的气压值大约为10-5pa，从而减少因内部与外部的热交换造成的热损失；
热电偶接口10，采用两芯航插，用于连接热电偶；位于室温腔5处的热电偶用于监控室温腔5处的温度，保证温度始终处于适合小动物生存的温度；位于可插拔线圈2的线圈部附近的热电偶用于监控可插拔线圈2的线圈部附近的温度，保证线圈部始终处于低温状态；位于前端增益放大器3附近的热电偶，用于监控前端增益放大器3的温度，保证前端增益放大器3始终处于低温状态。热电偶接口10位于筒状夹层腔的端盖上。
同轴电缆接口11，用于同轴电缆的连接；前端增益放大器3通过同轴电缆接口11与外部的机柜连接，用于将磁共振信号传输出去并接收外部输入的线圈激励信号。
调谐杆接口12，外径为5mm，调谐杆通过螺纹与调谐杆接口12相连，调谐杆延伸至真空腔内靠近可插拔线圈2的线圈部，用来调谐振频率和调匹配。
直流电源接口13，采用两芯航插，用于连接电源，为前端增益放大器3提供电源，位于筒状夹层腔的端盖上。
本发明的原理示意图如图1和图2所示，杜瓦1的室温腔5和筒状夹层腔主要由玻璃纤维增强塑料制成，也称玻璃钢，对射频信号无干扰。杜瓦主要由两个部分组成：一个部分是室温腔，另一部分是位于室温腔外部的筒状夹层腔，可在室温腔中放置样品或者小动物。液氮腔和自增压液氮补给系统通过可拆卸连接口连接，这允许液氮从自增压液氮补给系统流向液氮腔并进行填充，液氮腔的几何体积约为8L。此外，将一袋活性炭和一袋钠铝硅酸盐(约100毫升)放置在真空腔，与液氮容器壁4保持良好的热接触，这些活性炭和钠铝硅酸盐作为分子筛能够吸收冷却时进入真空腔的或排气时进入真空腔的小分子，因此延长了真空腔的真空保持时间，从而保证保温效果。除了用于隔热的真空腔外，还安装了其他隔热层，以最大限度地减少辐射热损失，液氮容器壁4位于真空腔内的侧壁除了可插拔线圈2对应的位置以外均设置有聚酰亚胺隔热层进行隔热，避免涡流，并且不会干扰可插拔线圈2接收磁共振射频信号。
液氮腔和真空腔之间用液氮容器壁4隔离开来，选择陶瓷(纯度为99.6％)作为液氮容器壁4的材料，一方面是因为它的成本相对较低，并另一方面是因为在液氮温度附近陶瓷具有良好的导热性，其最佳温度约为80K至90K；液氮容器壁4的长度做到100mm，方便后期安装其他器件，液氮容器壁4上还连接着可插拔线圈2的可插拔底座和前端增益放大器3，使可插拔线圈2和前端增益放大器3达到理想的温度。液氮腔和室温腔5之间存在温度梯度，液氮腔通过液氮容器壁4传递的部分低温以保证可插拔线圈2的线圈部和前端增益放大器3的正常工作，室温腔5保持室温以保证样品或者小动物的活性，在这种情况下，使用通入热气流的方法在动物的位置保持室温。
低温杜瓦冷却过程使用以下步骤完成：
1.低温杜瓦真空积累：通过真空泵抽出真空腔的空气，使其达到低于10-5Pa的压力。
2.开始冷却过程：通过自增压液氮补给系统向液氮腔注入8L的液氮。
3.冷却过渡期：45分钟后，可以将真空腔从真空泵上断开。
4.可插拔线圈温度稳定。
可插拔线圈2的可插拔底座由扁平(1.2毫米厚)的铜制成，以最大程度地增加与液氮容器壁4的接触面积，并使用低温胶将可插拔线圈2的可插拔底座与液氮容器壁4连接，从而增加它们之间的热传递。前端增益放大器3通过低温胶连接到液氮容器壁4上，液氮容器壁4与液氮直接接触，从而确保了它们之间的热传递。
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 (9)
1.一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，包括杜瓦(1)，其特征在于，还包括可插拔线圈(2)和前端增益放大器(3)，杜瓦(1)包括筒状夹层腔，筒状夹层腔的中心构成室温腔(5)，筒状夹层腔的夹层内通过液氮容器壁(4)分隔为真空腔和液氮腔，真空腔位于室温腔(5)和液氮腔之间，
可插拔线圈(2)和前端增益放大器(3)设置在真空腔中，可插拔线圈(2)包括线圈部和可插拔底座，线圈部与可插拔底座之间可插拔连接，可插拔线圈(2)和前端增益放大器(3)连接。
2.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的线圈(2)的可插拔底座和前端增益放大器(3)均通过低温胶与液氮容器壁(4)连接。
3.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的真空腔与设置在筒状夹层腔的端面上的气体闸门(9)连接，液氮腔分别与设置在筒状夹层腔的端面上的可拆卸连接口(7)和排气口(8)连接，前端增益放大器(3)分别与设置在筒状夹层腔的端面上的同轴电缆接口(11)和直流电源接口(13)连接。
4.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的筒状夹层腔的端面上设置有调谐杆接口(12)，调谐杆通过螺纹与调谐杆接口(12)相连，调谐杆延伸至真空腔内靠近可插拔线圈(2)的线圈部。
5.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的室温腔(5)设置有热电偶，真空腔内位于可插拔线圈(2)的线圈部附近设置有热电偶，真空腔内位于前端增益放大器(3)附近设置有热电偶，筒状夹层腔的端面上设置有热电偶接口(10)，各个热电偶与热电偶接口(10)连接。
6.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的筒状夹层腔为玻璃钢，液氮容器壁(4)为陶瓷。
7.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的真空腔内设置有活性炭和钠铝硅酸盐。
8.根据权利要求1所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的液氮容器壁(4)位于真空腔内的侧壁除了可插拔线圈(2)对应的位置以外均设置有聚酰亚胺隔热层。
9.根据权利要求2所述的一种低成本模块化液氮低温多核磁共振探头，其特征在于，所述的可插拔底座为铜材质。
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