CN116547549A - 基于squid的低噪声rf检测和获取系统以及包括该系统的装备项目 - Google Patents

基于squid的低噪声rf检测和获取系统以及包括该系统的装备项目 Download PDF

Info

Publication number
CN116547549A
CN116547549A CN202180081713.3A CN202180081713A CN116547549A CN 116547549 A CN116547549 A CN 116547549A CN 202180081713 A CN202180081713 A CN 202180081713A CN 116547549 A CN116547549 A CN 116547549A
Authority
CN
China
Prior art keywords
detection
squid
antenna
flux
acquisition system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180081713.3A
Other languages
English (en)
Inventor
D·拉巴特
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Qipilong Co
Original Assignee
Qipilong Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qipilong Co filed Critical Qipilong Co
Publication of CN116547549A publication Critical patent/CN116547549A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/323Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR
    • G01R33/326Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR involving a SQUID
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/242Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents
    • A61B5/245Detecting biomagnetic fields, e.g. magnetic fields produced by bioelectric currents specially adapted for magnetoencephalographic [MEG] signals
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/34046Volume type coils, e.g. bird-cage coils; Quadrature bird-cage coils; Circularly polarised coils
    • G01R33/34061Helmholtz coils
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01VGEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/12Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with electromagnetic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/34046Volume type coils, e.g. bird-cage coils; Quadrature bird-cage coils; Circularly polarised coils
    • G01R33/34069Saddle coils
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/44Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/445MR involving a non-standard magnetic field B0, e.g. of low magnitude as in the earth's magnetic field or in nanoTesla spectroscopy, comprising a polarizing magnetic field for pre-polarisation, B0 with a temporal variation of its magnitude or direction such as field cycling of B0 or rotation of the direction of B0, or spatially inhomogeneous B0 like in fringe-field MR or in stray-field imaging

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

一种射频(RF)检测和获取系统(1),其基于SQUID并且具体地被设置成集成到核磁共振装备(IRM或RMN)装备项目中,包括:主检测天线(5);通量变换器(2),该通量变换器具有连接到该主检测天线(5)的输入绕组(6);低临界温度SQUID设备(3),该低临界温度SQUID设备被设置成捕获由该通量变换器(2)的出口绕组(8)产生的磁通量并且供应次级检测信号;低温设备,该低温设备被设置成冷却该SQUID设备(3)和该通量变换器(2);和处理由该SQUID设备(3)发射的该次级检测信号以便供应模拟获取信号的步骤(4)。该主检测天线(5)是体积类型的,包括亥姆霍兹线圈或鞍形线圈,或更复杂的体积几何形状,具体地是梯度计几何形状,并且处理该次级检测信号的步骤(4)包括通量锁定回路(FLL),该通量锁定回路被设置成线性化该SQUID设备(3)的响应。

Description

基于SQUID的低噪声RF检测和获取系统以及包括该系统的装 备项目
技术领域
本发明涉及基于SQUID的低噪声RF检测和获取系统。本发明还涉及包括该系统的装备项目,具体地是磁共振成像装备。
背景技术
在磁共振成像(MRI)装备中使用基于SQUID(针对“超导量子干涉设备”)的检测系统是众所周知的。
在MRI实验期间,将对象放置在固定且均匀的磁场B0中。然后使样本经受RF频率信号ω,其被调谐到场B0中的质子的拉莫尔频率ω0=γB0,其中γ/(2π)=42.6MHz。T-1质子的旋磁比。在该激发之后,样本发射由检测系统拾取的频率信号ω0,其在现代商业装备中的原理基于冷却的感应天线。
出于两个原因,通常的MRI范例是选择最高可能的磁场:
-第一原因是较高场使得可以偏置较大数量的质子,这导致较多信号,因此导致减小的实验时间和更精细的图像分辨率。
-第二原因是常规RF检测通过感应天线来完成,该感应天线的灵敏度与ω成比例。
通过考虑ω1/4中的热噪声水平,法拉第天线的唯一检测遵循定律ω-3/4。由于ω与工作场B0成比例,因此在高场处工作使得可以降低检测阈值。典型临床MRI装备以1T、5T或3T工作。某些模型达到7T,并且实验旨在达到11T、7T。
然而,增加场会在样本中产生离子噪声,由于组织的磁化率的差异而降低图像质量,并且趋向于使对比度水平,更不用说与高场相关的通常约束:生产和维护昂贵的超导线圈、磁屏蔽MRI线圈、对于具有心脏刺激器或起搏器的人无法进行MRI、对于子弹受伤的士兵也无法进行MRI。
文献CN105137374A公开了一种具有纳米分辨率SQUID检测的MRI装置,其实现磁共振成像方法和超高分辨率设备。该方法包括至少一个以下步骤:将被测样本放置在磁场梯度源和纳米超导量子干涉设备的工作范围内的步骤;使用静磁场源以向被测样本施加静磁场,以及使用射频源向被测样本施加核磁共振射频脉冲以激发被测样本以便生成核磁共振的步骤;使用纳米超导量子干涉设备来直接耦接被测样本以检测由被测样本生成的核磁共振谱信号的步骤;以及根据所检测的核磁共振谱信号和磁场梯度源的空间分布信息来建立被测样本的图像的步骤。纳米超导量子干涉设备用作检测器,可进行具有纳米级分辨率的磁共振成像,测量不被振动和电场信号干扰,样本可在近距离与检测器直接耦接,成像范围增加,并且进行在强磁场中的工作。
文献JP2010256318A公开了使用超导量子干涉设备(SQUID)在高临界温度(高Tc)下经由微特斯拉磁场中的磁通量变换器的高分辨率质子核磁共振装备和成像(NMR/MRI)。本发明涉及一种方法和装置。SQUID和输入线圈被安装在超导罐中,该超导罐保护免受环境噪声并且使SQUID进入稳定工作状态。即使当样本远离SQUID检测器时,也可维持NMR信号。
文献CN1287160C公开了具有SQUID检测、具有预极化的NMR和MRI设备,其中在微特斯拉场中检测核磁共振(NMR)信号。在毫特斯拉场中的预极化之后,通过未调谐的直流超导量子干涉设备磁力计(SQUID)进行检测。
文献WO2006052236A1公开了具有SQUID检测、具有预极化和法拉第主天线的NMR和MRI设备。在极低磁场中的磁共振成像基于极低场NMR。施加梯度磁场,并且由所检测的NMR信号构建图像。
这些基于SQUID的检测和获取设备具有需要预极化方法的缺点并且采用高TcSQUID。
Chen Hsin-Hsien等人的文献“A compact SQUID-detected magnetic resonanceimaging system under microtesla field in a magnetically unshieldedenvironment”,应用物理学杂志,美国物理学会,卷110,第9期,2011年11月1日(2011-11-01)公开了用于基于SQUID的射频检测和获取的系统,该系统具体地被设置成集成在核磁共振装置中,该检测系统包括主检测天线、具有连接到主检测天线的主绕组的通量变换器、SQUID设备、被设置用于冷却SQUID设备和通量变换器的低温设备,处理由SQUID设备发射的次级检测信号的步骤,该处理步骤包括通量锁定回路并且被设置成递送模拟获取信号。
文献US2013271142A1公开了低场SQUID MRI部件和方法。它们包括将在床下使用的低场便携式MRI器械(SQUID)和基于SQUID的便携式MRI系统。该MRI器械实现了适用于与低场MRI设备一起使用的二阶超导梯度计。
本发明的目的是提出一种低噪声的基于RF的检测和获取系统,其设计比前述现有技术的系统更简单且更便宜,并且具体地在信噪比方面改善性能。
发明内容
该目的通过一种用于基于SQUID的射频(RF)检测和获取的系统来实现,该系统具体地被设置成集成到核磁共振装置(MRI或NMR)中,包括:
-体积类型的主检测天线,
-通量变换器,该通量变换器具有连接到该主检测天线的初级绕组,
-SQUID设备,该SQUID设备被布置成捕获由该主天线捕获并由输入绕组经由该通量变换器在该SQUID设备内再现的磁通量,并且递送次级检测信号,
-低温设备,该低温设备被设计成冷却该SQUID设备,
-处理由该SQUID设备发射的该次级检测信号以递送模拟获取信号的步骤,包括被设置成线性化该SQUID设备的响应的通量锁定回路(FLL)。
根据本发明,该SQUID设备是低临界温度类型的,该低温设备还被设置成冷却该通量变换器,并且该主检测天线是该体积类型的并且具有开放几何形状。
该主检测天线因此可包括亥姆霍兹线圈、鞍形线圈,或者具有1阶、2阶或更高阶的梯度计几何形状。这些体积天线可被调谐到待检测的信号,或者不被调谐。
以约1mT或更小的低磁场工作还使得可以受益于对比度T1的急剧增加,从而打开到低场模式中的独特成像可能性的路径。该事实在S.K.Lee等人发表于期刊“磁共振医学”卷53-1,2005年1月,第9-14页的出版物“SQUID-detected MRI at 132μTwith T1-weightedcontrast established at 10μT–300mT”中被详细地描述。
通量锁定回路(FLL)可有利地包括低噪声放大器(LNA),其可包括半导体异质结构放大器或基于SQUID的放大系统。在文献US2013271142A1中提出了基于SQUID的放大系统。为了在本发明的上下文中实现这些技术,可有用地参考John Clarke,Wiley-VCH 2004的著作“The SQUID Handbook:Fundamentals of Technology and Applications of SQUIDsand SQUID systems”。
根据本发明的检测和获取系统还可包括用于该系统外部的噪声的一个或多个主动噪声补偿线圈。
根据本发明的检测和获取系统还可包括该系统的一个或多个被动屏蔽屏。这种被动屏蔽本质上可以是磁性的,具体地是经由铁氧体、高导磁率合金、 或高磁导率的任何其他材料或合金。该屏蔽也可由金属制成,例如铜或铝。
在本发明的优选版本中,主检测天线与通量变换器协作以集中由该SQUID设备捕获的通量。
还可提出了根据本发明的检测和获取系统还在该通量变换器内包括电感反馈线圈,该电感反馈线圈被布置成对输入通量的变化做出反应,以便将该SQUID设备保持在其最大通量灵敏度水平。
根据本发明的另一个方面,提出了一种磁共振成像(MRI)装备的项目,其包括:根据本发明的基于SQUID的射频检测和检测系统(B)、集成该体积类型的主检测天线并且连接到所述检测和获取系统(B)的天线保持器设备(A)、以及被设置成将该模拟获取信号转换成适用于为了生成和显示MRI图像的目的而进行后处理的数字数据的模数转换级(C)。
该MRI装备可例如耦接到脑磁图描记术设备(MEG)。
该基于SQUID的RF检测和获取系统可在核磁共振(NMR)装备中实现,或者在用于金属勘探的基于SQUID的磁传感器设备中实现,以便检测由金属脉响应于在地面中发射射频(RF)波而发射的射频(RF)波。
超灵敏射频传感器装备还可被设置成包括根据本发明的检测和获取系统,或者包括根据本发明的基于SQUID的RF获取和获取系统的在射频(RF)域中操作的射电天文学装备项目。
附图说明
可参考下面描述的附图来更好地理解本发明:
●图1是RF检测和基于SQUID的信号处理电路的图示。
●图2是根据本文所述的RF检测发明的MRI获取的示意图。
●图3示出了若干主检测天线几何形状。
具体实施方式
现在将参考图1描述根据本发明的基于SQUID的RF获取和获取系统1的一个实施方案。
该基于SQUID的RF检测和获取系统1包括:主感应天线5,其具有体积类型、以亥姆霍兹线圈或鞍形线圈的形式制造、或具有任何其他类型的体积(具体地是梯度计),在天线为谐振的情况下,该主感应天线经由具有电容Ca的耦接电容器9连接到具有电感L1的初级绕组6;通量变换器2,其具有次级绕组7,该次级绕组具有电感L2,与具有电感Li的入口线圈8串联,该入口线圈生成由SQUID设备3捕获的通量。
如果天线不是谐振的,则电容器不存在并且天线5直接连接到初级绕组6。
通量变换器2和SQUID设备3在低温设备(未示出)中保持处于低温,该低温设备包括脉冲管(诸如由销售的产品PT403)。
处理次级检测信号的步骤4包括在SQUID设备3的端子处测量的电压的前置放大器40(LNA)。该电压测量表示检测信号,该检测信号被施加在通量锁定回路电路41的输入处,该通量锁定回路电路包括低噪声放大器并且连接到具有电感Lfeed的反馈线圈10,该反馈线圈旨在对传入通量变化做出反应以便将SQUID设备3保持在其最大通量灵敏度水平。在文献US20120206136A1中公开了通量锁定回路的方法。
下面给出基于SQUID的RF获取和获取系统1的定量特征的示例:
-要检测的波列的典型时间宽度:T2 *~50ms
-主天线的中心频率ω0~40kHz
-主带宽Δω~20kHz
-主品质因数Q~2(如果是谐振天线)
-主天线处的磁场强度Bp,约为一百fT至pT
-SQUID的输入线圈的电感Li=720nH
-主天线的特定电感
-主天线的电阻Ra=1Ω。
-主天线的谐振容量Ca=6μF。
感应天线
考虑到目标应用,为天线5选择体积类型几何形状。这种几何形状的示例包括亥姆霍兹线圈、“鞍形”线圈或其他更复杂的几何形状(具体地是梯度计几何形状)。这种几何形状使得可以收集最高可能信号,同时通过其开放几何形状允许患者的相对舒适。法拉第主天线5必须被调谐到MRI信号。该天线5具有自感La、电阻Ra,将设法尽可能多地减小该自感、电阻以便最小化天线中的约翰逊-奈奎斯特噪声。
参数La、Ra由所选择的天线几何形状和构成天线的材料类型固定。然后可以使天线谐振,这允许两件事情:
-谐振天线的品质因数Q使得可以自然地放大所检测的信号,
-天线的带宽Δω使得可以对所捕获的信号进行滤波并且拒绝感兴趣频带Δω之外的电磁噪声。
这种具体实施对谐振天线和非谐振天线都有效。下面解释了谐振天线的情况。
电容被设置成使得天线的固有频率被调谐到接收信号的频率ω0≈40kHz。此外,天线设计必须考虑其带宽Δωa=Ra/La,期望其具有与RF信号的带宽宽度Δω相同的数量级,以便在限制所检测的噪声时不丢失信息。因此,基于期望的频率特性,天线5的自感La的值将决定电阻和能够进行选择的能力。
主感应天线5是体积天线。例如,可以选择鞍形的亥姆霍兹几何天线,或者任何其他更复杂的体积几何形状(具体地是梯度计几何形状)。
图3示出了根据本发明的RF检测和获取系统中实现的体积天线的这些几何形状中的两者。
第一几何形状(a)是鞍形类型,其性能(特别是在空间均匀性方面)是本领域技术人员众所周知的。鞍形天线的直径等于其长度的1.5倍。
另一几何形状(b)是鞍形的一阶梯度计版本。该立体积天线5'由彼此串联安装的两个子天线51、52组成。第一内部天线51具有鞍形几何形状并且在该示例中具有两个线匝。也具有鞍形几何形状的外部和更大的第二天线52具有单个线匝。系统的尺寸和线的取向被选择成使得:
-天线的外部部分和内部部分具有相同电感。这是由内部天线中的两个线匝允许的。
-内部部分中的电流沿与外部部分中的电流相反的方向循环。
利用这种配置,梯度计天线(鞍形)5'使得可以抑制来自位于天线5'的尺寸前方很远距离的源的噪声,同时受益于鞍形几何形状的均匀性质。在R.L.Fagy的文章“Superconducting quantum interference device instruments and applications”,科学仪器综述,77,101101(2006)中详细描述了梯度计天线的原理。
流量浓度和最佳电感
为了确定天线的电感,参考图1研究了检测系统的其余部分。所使用的SQUID设备3(例如来自StarCryo的型号SQ680)经由通过电感耦接的线圈L1和L2体现的通量变换系统2耦接到具有电感Li=720nH的输入线圈8,该输入线圈执行与主天线5的电流耦接。在天线5(相应地线圈L2)中流动的电流被表示为i1(相应地i2),并且由天线5捕获的通量被表示为Φa。另外,输入线圈-SQUID的互感被表示为并且/>是线圈L1和L2之间的互感。
k和k是无量纲因子,并且Ls是SQUID设备3的自感。目标是由天线捕获的外部通量Φa和由SQUID 3捕获的通量Φsq之间的关系。
电路中的电感耦接关系被写为:
Φa+M12i2=(La+L1)i1 (1)
(L2+Li)i2=M12i1(忽略流过SQUID的电流的影响) (2)
Φsq=Misi1 (3)
通过组合这些等式,获得以下:
该后等式建立了由Φa给出的外部激励和由Φsq量化的SQUID 3的响应水平之间的联系。因此理解了为什么此类组件被称为“通量集中器”:法拉第天线5的主要作用是增加由SQUID 3捕获的通量。
针对以下达到设备的最大灵敏度水平,对于给定Φa给出Φs中的最大响应
主天线5的电阻被设置为合理值,例如Ra=1Ω。为了符合约十kH的量级的带宽值,因此必须确保La=0.1mH。La的该值设置了电容器的值:
因此需要电感L1和L2的比率:
即L1 1390L2。通过耦接常数k设置L1和L2的精确值,该耦接常数应当尽可能接近1以便确保设备的最大灵敏度。
通量转变要求
可以合理地质疑电感耦接为什么已经由线圈L1和L2。将天线直接与SQUID 3的输入线圈连接将会更简单。假设不存在包括线圈(L1)和(L2)的通量变换器2,并且具有电感La的电感天线与SQUID的输入线圈(Li)串联。磁耦接然后被写为
Φa=(La+Li)i1 (9)
因此将耦接引入到SQUIDΦsq=Misi1
上述等式表明,通过使天线5的电感等于SQUID 3的输入线圈8的电感,针对天线5的电感达到最大灵敏度:La=Li
例如,可以通过调整回路中的匝数或通过调整天线的几何形状来调整天线5的电感。
然后理解了引入通量变换器的需要。实际上,在没有后者的情况下,天线的电感被施加在值La=Li=720nH上。该电感值施加天线的电阻。
Ra=LΔω=0.72 mΩ (11)
以及具有以下值的连接到天线的电容器
出于两个原因,这些结果不令人满意。一方面,所发现的容量非常高;对于这些值,应当使用不能适应低温恒温器的冷度的化学电容器。另一方面,电阻的值非常低,这将对天线中的强度噪声有影响。
即,其中天线冷却至100K,δia≈3nA/√Hz。相对于在SQUID的输入处的约的非常低水平的噪声,该噪声太高。
一种解决方案是增加主天线5的电阻,这要求穿过通量变换器2以适应电感器以便保持相同的带宽。
SQUID电流读取器
所使用的SQUID设备3是由低温冷却器(例如,来自的PT 403)冷却的低Tc SQUID(例如,来自/>的SQ680)并且由电流ip偏置。
与其高Tc对应物不同,低Tc SQUID具有低得多的热噪声水平,这使得可以显著地增加信噪比并且最终增加最终图像的质量。其作用是以0.8pA/√Hz的噪声水平读取在输入线圈中生成的电流。因此,该噪声水平是针对感应天线中的热噪声要实现的目标。
低噪声放大器-FLL
SQUID设备具有量子通量周期为Φ0=h/2e的非线性、周期性电流捕获通量响应。为了使该响应线性化以避免使图像质量劣化的伪像,SQUID 3被耦接到通量锁定回路(FLL),其示例在下面描述。
该回路首先具有在SQUID的端子处测量的电压的前置放大器40(LNA)。
对于放大系统可设想两种选择:选择用SQUID进行放大,如例如在文献US2013271142A中的情况,或者使用ASIC类型的半导体异质结构放大,这可能是更有利的,但也造成更多约束,具体地是在输入信号的最大电压振荡水平。
具有电感Lfeed的反馈线圈10使得可以对输入通量变化做出反应以便将SQUID 3保持在其最大通量灵敏度水平。在通量锁定回路的输出处读取信号。
MRI装备
基于SQUID的超灵敏检测和RF获取系统可被集成到MRI装备中,该MRI装备使用约B0=1mT(其对应于频率ω0 40kHz)的工作磁场,同时保持根据当前临床标准的获取时间和图像质量。工作磁场减少若干数量级使得可以消除约束,从而一方面防止大量采用MRI作为成像标准,并且另一方面打开仍不存在的应用,诸如卡车上车载的MRI以便诊断中风类型(缺血性或出血性)、乳腺癌的100% MRI筛选(通过CT扫描进行)或术中MRI,其归功于不是非常昂贵的没有磁屏蔽的轻型装备。
图2示出了通过根据本发明的检测系统进行的MRI实验的示意图。选择了膝盖MRI,骨关节成像是本发明的第一可能应用之一。患者的膝盖被插入圆筒a中,该圆筒包括螺线管和上述接收天线,该螺线管确保了在梯度的约10×10×10cm3的体积内在约10ppm下均匀存在的永久磁场B0≈1mT。使用源自脉冲管的定制低温系统将接收天线冷却至约60K的温度,从而确保部分B的SQUID系统的冷却。
部分B包括确保来自以下的电流的读取的SQUID:电感天线,以及上述信号的处理电子器件、前置放大系统,以及由积分器放大器、读取电阻器和环形线圈Lfeed组成的通量锁定回路FLL。使用低温机器(例如来自CryoMech的PT403脉冲管)在接近4.2K的温度下冷却该整个级。
部分C提供用于计算机后处理的信号的模拟-数字转换以便控制装备并且显示所获得的MRI图像。
医疗应用
设备的灵敏度和便携性使得它首先对于磁共振成像(MRI)是令人感兴趣的。在低场下获得的高对比度水平使得技术对于其中对比度当前在利用高场技术的情况下不足的诊断而言是令人感兴趣的。
此外,根据本发明的装备可容易地安装在救护车中以便在事故现场快速诊断缺血性或出血性中风,以便更快速地护理患者并且避免对认知能力的不可逆损害。
由于其低成本和易于使用,根据本发明的成像装备还可在当今不足以使用其的用例中广泛地扩展:在50岁以上的女性中筛选乳腺癌,用于神经病学和精神病学:早期筛选疾病诸如精神分裂症、抑郁症或癫痫症;筛选前列腺癌。
最后,许多低场MRI项目还具有设计混合MRI-脑磁图描记术(MEG)装置的目的。参照来源
https://www.aalto.fi/en/department-of-neuroscience-and-biomedical- engineering/meg-mri-brain-imaging-group,这是芬兰Aalto大学的工作的情况。
根据本发明的基于SQUID的MRI装备项目可适于在其中集成MEG设备。
核磁共振
具体地用于化学表征的NMR装置也可受益于本文所述的检测系统以便设计更轻且更便宜的装备,出于与针对MRI给出的原因类似的原因。
采矿
在采矿业中,已经存在用于探测金属的基于SQUID的磁传感器,如文献US 7,394,250所示。本文所述的检测系统由于其非常低的噪声水平也可被集成在用于采矿的这种装置中。原理如下:在地面中发射RF波,如果存在金属脉,则在脉中感应出涡流,其继而发射RF波,该波由集成了具有SQUID的检测系统的本文所述的装置检测。
军事
超灵敏射频传感器是电子武器系统的公知元件:它们例如用于检测通信信号。另一个有利的应用是水下潜水艇的检测:由于潜水艇由铁磁材料组成,本文所述的设备能够根据与开采相同的原理通过发射RF波并检测由感应涡流产生的波来检测其存在。同时,其他系统检测由水下航行器的通过生成的局部地球场的扰动,如由Megumi Hirota等人的发表于2001年4月的IEEE应用超导学报11(1):884-887的文献“Magnetic detection of asurface ship by an airborne LTS SQUID MAD”所示。
射电天文学
基于SQUID的系统已经广泛地用于射电天文学领域,例如集成到超导辐射热测量计中以用于读取和/或放大非常低的电流。由于其非常高的灵敏度,本文所述的系统可在RF域中的校准望远镜中找到感兴趣的集成。
当然,本发明不限于刚采已经描述的实施方案,并且可在本发明的范围内设想许多其他另选实施方案。

Claims (16)

1.一种用于基于SQUID的射频(RF)检测和获取的系统(1),具体地被设置成集成到核磁共振(MRI或NMR)装置(S)中,包括:
-体积类型的主检测天线(5),
-通量变换器(2),所述通量变换器具有连接到所述主检测天线(5)的初级绕组(6),
-SQUID设备(3),所述SQUID设备被布置成捕获由所述主天线(5)捕获并由输入绕组(8)经由所述通量变换器(2)在所述SQUID设备内再现的磁通量,并且递送次级检测信号,
-低温设备,所述低温设备被设计成冷却所述SQUID设备(3),
-处理由所述SQUID设备(3)发射的所述次级检测信号以递送模拟获取信号的步骤(4),包括被设置成线性化所述SQUID设备(3)的响应的通量锁定回路(FLL),
其特征在于,所述SQUID设备是低临界温度类型的,所述低温设备还被设置成冷却所述通量变换器,并且其中所述主检测天线(5)是所述体积类型的并且具有开放几何形状。
2.根据前一权利要求所述的检测和获取系统,其特征在于,所述主检测天线包括亥姆霍兹线圈。
3.根据权利要求1所述的检测和获取系统,其特征在于,所述主检测天线包括鞍形线圈。
4.根据权利要求1所述的检测和获取系统,其特征在于,所述主检测天线具有梯度计几何形状。
5.根据权利要求1所述的检测和获取系统(1),其特征在于,所述通量锁定回路(FLL)包括低噪声放大器(LNA)。
6.根据权利要求2所述的检测和获取系统(1),其特征在于,所述低噪声放大器包括半导体异质结构放大器。
7.根据权利要求5或6中的一项所述的检测和获取系统,其特征在于,所述低噪声放大器包括基于SQUID的放大系统。
8.根据前述权利要求中任一项所述的检测和获取系统,其特征在于,所述检测和获取系统还包括用于所述系统外部的噪声的一个或多个主动噪声补偿线圈。
9.根据前述权利要求中的一项所述的检测和获取系统(1),其特征在于,所述主检测天线(5)与所述通量变换器(2)协作以集中由所述SQUID设备捕获的通量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的检测和获取系统(1),其特征在于,所述检测和获取系统在所述通量变换器(2)内还包括电感反馈线圈(10),所述电感反馈线圈被布置成对输入通量的变化做出反应,以便将所述SQUID设备(3)保持在其最大通量灵敏度水平。
11.一种磁共振成像(MRI)装备项目(S),包括:
-根据前述权利要求中任一项所述的基于SQUID的射频检测和检测系统(B),
-天线保持器设备(A),所述天线保持器设备集成所述体积类型的主检测天线并且连接到所述检测和获取系统(B),
-模数转换级(C),所述模数转换级被设计成将所述模拟获取信号转换成适用于后处理的数字数据以生成并显示MRI图像。
12.根据前一权利要求所述的MRI装备项目,其特征在于,所述MRI装备项目耦接到脑磁图描记术设备(MEG)。
13.一种核磁共振(NMR)装备项目,包括根据权利要求1至10中任一项所述的基于SQUID的RF获取和获取系统。
14.一种用于金属勘探的基于SQUID的磁传感器装备项目,包括根据权利要求1至10中任一项所述的RF检测和获取系统,用于检测由金属脉响应于在地面中发射射频(RF)波而发射的射频(RF)波。
15.一种超灵敏射频传感器装备项目,包括根据权利要求1至10中任一项所述的检测和获取系统。
16.一种在射频(RF)域中操作的射电天文学装备项目,包括根据权利要求1至10中任一项所述的基于SQUID的RF检测和获取系统。
CN202180081713.3A 2020-12-03 2021-12-02 基于squid的低噪声rf检测和获取系统以及包括该系统的装备项目 Pending CN116547549A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2012642A FR3117218B1 (fr) 2020-12-03 2020-12-03 Système de détection et d'acquisition RF bas-bruit à base de SQUID et équipements intégrant ce système
FRFR2012642 2020-12-03
PCT/FR2021/052187 WO2022117969A1 (fr) 2020-12-03 2021-12-02 Systeme de detection et d'acquisition rf bas-bruit a base de squid et equipements integrant ce systeme

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116547549A true CN116547549A (zh) 2023-08-04

Family

ID=74871518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180081713.3A Pending CN116547549A (zh) 2020-12-03 2021-12-02 基于squid的低噪声rf检测和获取系统以及包括该系统的装备项目

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20240045005A1 (zh)
EP (1) EP4256358A1 (zh)
JP (1) JP2023553572A (zh)
KR (1) KR20230110804A (zh)
CN (1) CN116547549A (zh)
CA (1) CA3200558A1 (zh)
FR (1) FR3117218B1 (zh)
WO (1) WO2022117969A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3141770A1 (fr) 2022-11-04 2024-05-10 Chipiron Appareil et procédé pour imager des corps métalliques ou partiellement métalliques par résonance magnétique, application de ce procédé à l’imagerie de cellules électrochimiques

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003210906B2 (en) 2002-02-06 2010-06-03 The Regents Of The University Of California SQUID detected NMR and MRI at ultralow fields
JP2004177130A (ja) 2002-11-22 2004-06-24 National Institute For Materials Science Nqr−squidによる地雷探知装置
WO2006052236A1 (en) 2004-11-03 2006-05-18 The Regents Of The University Of California Nmr and mri apparatus and method involving a squid magnetometer
US7671587B2 (en) 2007-05-04 2010-03-02 California Institute Of Technology Low field SQUID MRI devices, components and methods
US8222899B2 (en) 2009-04-21 2012-07-17 Herng-Er Horng Squid detected nuclear magnetic resonance and imaging at ultra-weak fields
KR101092490B1 (ko) 2009-11-26 2011-12-13 한국표준과학연구원 자속고정회로, 자속고정방법, 및 squid 측정 장치
CN105137374B (zh) 2014-06-03 2018-09-25 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种超高分辨率的磁共振成像方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20240045005A1 (en) 2024-02-08
CA3200558A1 (fr) 2022-06-09
EP4256358A1 (fr) 2023-10-11
FR3117218B1 (fr) 2023-03-17
JP2023553572A (ja) 2023-12-22
WO2022117969A1 (fr) 2022-06-09
KR20230110804A (ko) 2023-07-25
FR3117218A1 (fr) 2022-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0412824B1 (en) Magnetic resonance imaging system
JP5207662B2 (ja) 磁場コイル及び磁気共鳴撮像装置
US6054856A (en) Magnetic resonance detection coil that is immune to environmental noise
US8698498B2 (en) Low field squid MRI devices, components and methods
US7218104B2 (en) Squid detected NMR and MRI at ultralow fields
US8179135B2 (en) Low field electron paramagnetic resonance imaging with SQUID detection
McDermott et al. SQUID-detected magnetic resonance imaging in microtesla magnetic fields
US8222899B2 (en) Squid detected nuclear magnetic resonance and imaging at ultra-weak fields
JP5254223B2 (ja) 超伝導磁気抵抗ハイブリッドセンサに基づき磁気共鳴信号を測定するためのシステム
Matlashov et al. SQUIDs vs. induction coils for ultra-low field nuclear magnetic resonance: experimental and simulation comparison
EP0177855B1 (en) Radio frequency field coil for nmr
US20160209486A1 (en) Motion sensor
US9864023B2 (en) Combined shim and RF coil arrangement
US6727698B1 (en) MRI antennas including electrically connected inner and outer conductors, and MRI systems including such antennas
US20240045005A1 (en) Low-noise rf detection and acquisition system based on squid and equipment items including this system
CN109313245A (zh) 用于补偿磁共振成像磁体中的磁场变化的低温场感测
Seton et al. Gradiometer pick-up coil design for a low field SQUID-MRI system
US9791527B2 (en) Extended detuning in local coils
Hatta et al. SQUID-based low field MRI system for small animals
Miller et al. Superconducting receiver coils for sodium magnetic resonance imaging
Sinibaldi et al. NMR Detection at 8.9 mT with a GMR based sensor coupled to a superconducting Nb Flux Transformer
JP3135592B2 (ja) 磁気共鳴映像装置
CN106680746A (zh) 基于squid三轴磁强计的工频噪声抑制装置
CN106772141A (zh) 基于squid磁强计的工频噪声抑制装置
Korn et al. Optically detunable, inductively coupled coil for self‐gating in small animal magnetic resonance imaging

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination