一種核磁共振邊緣磁場成像實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及核磁共振成像，尤其是涉及一種核磁共振邊緣磁場成像實(shí)驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)核磁共振成像技術(shù)在當(dāng)今已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟，但是傳統(tǒng)核磁共振成像技術(shù)不論是在醫(yī)學(xué)上或者是其它領(lǐng)域的應(yīng)用，多數(shù)都是針對(duì)液體樣品的成像。包括目前學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研宄，很大部分還是以液體的核磁共振成像為主。而固體樣品由于其自旋之間的耦合較強(qiáng)，共振譜較寬，掩蓋了其它精細(xì)的譜線結(jié)構(gòu)，橫向弛豫時(shí)間極短，信號(hào)不容易采集，所以相對(duì)液體成像來說，固體成像更加地困難。
[0003]固體核磁共振成像雖然在國際研宄領(lǐng)域的起步較晚，但是意義重大，從20世紀(jì)80年代末開始，固體核磁共振成像領(lǐng)域經(jīng)歷了飛速的發(fā)展，由于固體樣品的T2弛豫時(shí)間短，要獲得較為理想的分辨率，需要有很強(qiáng)的梯度場。較為常見的方法是:1)微型梯度線圈法。此方法是借鑒核磁共振微成像技術(shù)人為地產(chǎn)生強(qiáng)梯度場，一般商用的核磁共振微成像梯度線圈能達(dá)到1.5T/m的場強(qiáng)，但是這種方法對(duì)硬件有很高的要求，成本高、不易制作，并且只適用于小樣品的成像實(shí)驗(yàn)，在許多的方面都受到限制；2)邊緣磁場成像技術(shù)。此方法則是利用了高場磁體的天然超強(qiáng)梯度場，其梯度場強(qiáng)可以達(dá)到50?60T/m，相比普通線圈產(chǎn)生的約2T/m的梯度場強(qiáng)，可以克服固體樣品精細(xì)的譜線結(jié)構(gòu)，獲得極高的分辨率。
[0004]在核磁共振邊緣磁場成像實(shí)驗(yàn)過程中，由于成像原理的特殊性，不像傳統(tǒng)核磁共振成像技術(shù)那樣在空間xyz三坐標(biāo)軸上采用三個(gè)方向的梯度線圈產(chǎn)生梯度場對(duì)樣品進(jìn)行相位編碼和頻率編碼，再利用從樣品的相位編碼和頻率編碼得到的信息，對(duì)K空間進(jìn)行傅里葉反變換來進(jìn)行圖像重建。核磁共振邊緣磁場成像方法在成像時(shí)利用的是高場磁體的天然邊緣超強(qiáng)梯度場，也正是由于這種成像原理，使得核磁共振邊緣磁場成像技術(shù)在進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，只需應(yīng)用到一個(gè)成像平面即可，沒有梯度線圈的概念。由于磁體具有對(duì)稱性，在磁體中，符合要求的成像平面有兩個(gè)，分別位于磁體中心的上方和下方，為方便起見，通常的核磁共振邊緣磁場成像實(shí)驗(yàn)取磁體中心的下方平面作為實(shí)驗(yàn)成像平面。由于成像平面的厚度有限，因此要全面準(zhǔn)確地采集到樣品的圖像信息，就必須使樣品緩慢、均勻、準(zhǔn)確地通過這個(gè)成像平面，而后進(jìn)行樣品重定位。
[0005]在主流的核磁共振邊緣磁場成像方法中，樣品移動(dòng)法應(yīng)用最為廣泛，此方法分為兩種方式:1)探頭線圈與樣品相對(duì)靜止成像；2)探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)成像。針對(duì)核磁共振邊緣磁場成像的成像機(jī)制，樣品需緩慢移動(dòng)以通過成像平面，由于對(duì)樣品移動(dòng)的精度具有較高的要求，并且在核磁共振邊緣磁場成像領(lǐng)域，某些樣品的尺寸極小，最小可達(dá)到2?3 μπι，因此當(dāng)前最大的挑戰(zhàn)是如何在樣品趨于小型化的前提下，利用核磁共振邊緣磁場成像的超強(qiáng)梯度場優(yōu)勢，進(jìn)行高精度高分辨率成像。
[0006]在國內(nèi)，核磁共振邊緣磁場成像技術(shù)的相關(guān)研宄論文及其相關(guān)專利截至目前尚未有公開報(bào)道。在國際上，有關(guān)核磁共振邊緣磁場成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)專利也尚無公開可查之實(shí)例；在國際研宄論文方面，所涉及到的核磁共振邊緣磁場成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置都各具特色:M.Ciffelli (Cifelli M.A practical tutorial to set upNMR diffusometry equipment: applicat1n to liquid crystals[J].Magn.Reson.Chem, 2014, 52(10):640-648.)闡述了一種在現(xiàn)有的核磁共振設(shè)備條件下，極其簡易地用手工進(jìn)行核磁共振邊緣磁場成像方法改進(jìn)的方案，達(dá)到了預(yù)期的效果，但手工對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)整始終會(huì)存在一定誤差，不適用于高精度高分辨率成像；MaXime VanLandeghem 等人(M.Van Landeghem, J.-B.d' Espinose de Lacaillerie, B.Blilmich, J.P.Korb, B.Bresson, The roles of hydrat1n and evaporat1n during the dryingof a cement paste by local-1zed NMR, Cem.Concr.Res.48(2013) 86 - 96.)和 JoelA.Tang 等人(J.A.Tang, G.M.Zhong, S.Dugar, J.A.Kitchen, Y.Yang, R.Q.Fu, Solid-stateSTRAFI NMR probe for material imaging of quadrupolar nuclei, J.Magn.Reson.225(2012)93 - 101.)則在5高斯線以外放置步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)樣品進(jìn)行簡易低精度移動(dòng)的方法也取得了預(yù)期效果，但不適用于小樣品高精度高分辨率成像。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種核磁共振邊緣磁場成像實(shí)驗(yàn)裝置。
[0008]本實(shí)用新型設(shè)有伺服電機(jī)、音圈電機(jī)、粗調(diào)無磁升降臺(tái)、細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)、核磁共振邊緣磁場成像探頭、樣品腔、探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)/靜止轉(zhuǎn)換銷、粗調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺、細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺和控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī)、PMAC控制器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)控制器；
[0009]所述核磁共振邊緣磁場成像探頭帶有濕度傳感器和溫度傳感器，所述上位機(jī)集成先進(jìn)閉環(huán)控制算法；
[0010]所述伺服電機(jī)與粗調(diào)無磁升降臺(tái)相連接，伺服電機(jī)帶動(dòng)粗調(diào)無磁升降臺(tái)進(jìn)行較低精度移動(dòng)，并通過粗調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺反饋位置信息，音圈電機(jī)固定在粗調(diào)無磁升降臺(tái)上，音圈電機(jī)與細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)相連接，音圈電機(jī)帶動(dòng)細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)進(jìn)行高精度移動(dòng)，并通過細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺反饋位置信息，核磁共振邊緣磁場成像探頭通過導(dǎo)軌由探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)/靜止轉(zhuǎn)換銷控制，選擇性地與粗調(diào)無磁升降臺(tái)或細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)固定，所述樣品腔設(shè)于磁體中并與細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)相連，樣品腔由細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)直接帶動(dòng)并放置于核磁共振邊緣磁場成像探頭內(nèi)部；
[0011]所述上位機(jī)用線纜與PMAC控制器相連接進(jìn)行通信，PMAC控制器用線纜分別與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和所述音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連進(jìn)行通信，所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用線纜接入伺服電機(jī)，所述音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用線纜接入所述音圈電機(jī)，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)和音圈電機(jī)分別配套組成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，粗調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺、細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)光柵尺通過線纜分別與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接用于反饋位置信息；所述核磁共振邊緣磁場成像探頭中的濕度傳感器和溫度傳感器通過線纜與上位機(jī)連接并實(shí)時(shí)反饋樣品腔內(nèi)的溫度和濕度信息。
[0012]所述伺服電機(jī)和音圈電機(jī)的外殼均可采用無磁材料制成。
[0013]當(dāng)進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)時(shí)，集成先進(jìn)閉環(huán)控制算法的上位機(jī)將相關(guān)指令傳送給所述PMAC控制器，再由所述PMAC控制器按需傳送信息給所述伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或所述音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制所述伺服電機(jī)或所述音圈電機(jī)工作，所述伺服電機(jī)和所述音圈電機(jī)再分別帶動(dòng)所述粗調(diào)無磁升降臺(tái)和所述細(xì)調(diào)無磁升降臺(tái)上下移動(dòng)，必要時(shí)也可進(jìn)行兩軸聯(lián)動(dòng)，進(jìn)而使所述帶有濕度傳感器和溫度傳感器的核磁共振邊緣磁場成像高分辨率探頭進(jìn)行高精度移動(dòng)，完成最高精度為I μπι的高分辨率高精度核磁共振邊緣磁場成像；用所述探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)/靜止轉(zhuǎn)換銷來完成探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)和探頭線圈與樣品相對(duì)靜止兩種實(shí)驗(yàn)方法的轉(zhuǎn)換，既方便了對(duì)比實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，又能從最大程度上避免需要改變實(shí)驗(yàn)方式時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造對(duì)已有的強(qiáng)磁場環(huán)境造成的影響；所述光柵尺向具有閉環(huán)控制算法的控制系統(tǒng)反饋位置信息，克服了開環(huán)控制中步進(jìn)電機(jī)失步的缺點(diǎn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作更精確，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更趨于準(zhǔn)確，成像實(shí)驗(yàn)過程的自動(dòng)化，極大地解放了實(shí)驗(yàn)人員，在一些所需時(shí)間較長的實(shí)驗(yàn)中，最大限度地避免了實(shí)驗(yàn)人員的疲勞操作和誤操作引起的實(shí)驗(yàn)誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果排除了人為因素的影響。
[0014]本實(shí)用新型的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于:將粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩級(jí)升降高精密機(jī)械結(jié)構(gòu)與先進(jìn)閉環(huán)控制算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)最高精度為I ym的樣品高精度移動(dòng)，完成高精度高分辨率核磁共振邊緣磁場成像。同時(shí)首次實(shí)現(xiàn)了在一種實(shí)驗(yàn)裝置上不用進(jìn)行任何二次改造，就能完成探頭線圈與樣品相對(duì)移動(dòng)成像和探頭線圈與樣品相對(duì)靜止成像兩種實(shí)驗(yàn)方法，最大限度保證了強(qiáng)磁