专利名称：一种用于质子电子双共振成像的磁场循环装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁共振成像装置，特别涉及一种用于自由基成像的质子电子双共振成像装置。
背景技术：
自由基是指物质中的原子或分子内成对的电子由于某种原因失掉一个电子后而留下另一个不成对电子的原子或分子等，它对生命活动过程有着重要的影响。电子自旋共振成像可以给出生物组织内的自由基的空间分布，但是无法确定他们在生物组织中的具体分布位置。核磁共振成像技术可以获得生物组织的高分辨率结构图像，但是不能测定自由基分布。利用质子一电子双共振成像(Proton Electron Double Resonance Imaging,简称PEDRI)可以克服这两个不足之处，给出自由基在生物体内各个器官的真实定位，对于研究自由基对生命活动影响的作用机理具有重要意义。
由于磁共振信号的强度对图像信噪比有决定性的影响，而信号强度同磁场强度基本上呈平方关系，因此为了获得高质量的磁共振图像，通常采用提高磁场强度的方法，然而对于PEDRI成像方法来说，其成像过程中存在两种粒子的射频激发，分别是氢质子和自由基电子的激发，电子旋磁比是氢质子的659倍，也就是说在同样磁场环境下，电子激发所需频率是核磁共振成像所需激发频率的659倍，因此需要极高频射频激发，这使生物组织产生很大的射频吸收，并且高频电磁场还存在穿透深度的问题，因此对于电子激发来说为了降低激发频率，需要较低的磁场环境。基于磁场循环的质子一电子双共振成像可以解决上述PEDRI成像技术中的对磁场强度要求的矛盾，其工作原理是成像目标在一个较高的磁场环境中完成核的极化过程，然后将磁场降低，在一个较低的磁场环境下进行电子顺磁共振的饱和激发，这时电子自旋和核自旋之间发生极化交叉转移，含有自由基的生物组织磁共振信号增强，最后恢复到原来的磁场环境进行编码，获得含有自由基分布信息的磁共振图像。采用这种磁场循环的方式，既可以避免电子顺磁共振的极高频激发，又可以在较高磁场环境下完成核的极化，不降低核磁共振图像的质量。目前用于磁场循环的装置基本上有两种模式，一种是利用超导磁体产生一个基础主磁场，再利用电磁线圈产生另外一个反向磁�。ü刂频绱畔呷Φ拇懦∈迪执懦⊙罚缥南� Field-cycled PEDRI imaging of free radicals with detection at 45OmT(David J. Lurie 等，Magnetic Resonance Imaging 23 (2005) 175 - 181)中所述，米用通道式超导磁体作为基础主磁�。懦∏慷任�0. 5特斯拉，用来产生反向偏置磁场的电磁线圈置于超导磁体内腔中，控制电磁线圈的电流实现磁场循环；另外一种方式是直接利用电磁线圈控制磁场循环，如文献 A novel variable field system for field-cycled dynamicnuclear polarization spectroscopyCKeerthi ShetJournal of Magnetic Resonance205(2010)202 - 208)中所述，基础主磁场采用电磁线圈产生，磁体采用框式结构，基础主磁场强度为0. 38特斯拉，由于所需电流较大，线圈需要采用水冷装置，同时为了控制基础主磁场的稳定性，采用一系列电流控制措施以控制电流的稳定性。产生反向偏置磁场的电磁线圈置于框式电磁磁体内部，控制电磁线圈的电流实现磁场循环。对于第一种方式，无疑其制造及维护成本太高，难以广泛应用。对于第二种方式，在进行磁共振成像时，特别容易受到电源的影响，从而造成磁共振成像磁场的不稳定，对于磁共振成像来说，在成像过程中其磁场稳定性应控制在IOppm以内，这就要求相应的电源稳定性也要在这个量级，且需要水冷装置解决线圈的发热问题，加大了制造的技术难度。
发明内容
本发明的目的是克服目前两种磁场循环技术存在的制造及维护成本高以及技术难度大的问题，提出一种基于永磁磁体技术的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置。本发明采用永磁磁体结合电磁磁体的方式实现磁场循环控制，利用永磁磁体作为基础主磁�。玫绱糯盘宀么懦�。本发明可以方便地实现磁场的循环控制。永磁磁体具有很好的短期磁场稳定性，利用无源匀场的方式可达到很高的磁场均匀度，较之利用超导磁体的系统，其技术难度�。圃煳こ杀镜停⑶铱梢跃哂辛己玫目� 放性。与单纯利用电磁线圈的磁场循环系统相比，其磁场稳定性好，可以降低相应电源制造的技术要求，并且不存在电磁磁体中线圈电流过大而产生的发热问题。由于永磁磁体采用铁磁性材料构成，在磁场循环过程中，快速的磁场切换将会在这些铁磁性材料中产生涡流，因此将永磁磁体作为背景主磁场时，需特别考虑涡流带来的影响。在本发明中对永磁磁体的极板进行了防涡流处理，同时对偏置磁场采用主动屏蔽的方法来减小涡流带来的负面影响。永磁磁体的磁场可以利用无源匀场技术达到所需的磁场均匀性要求，电磁磁体产生的磁场则利用有源匀场技术达到所需的磁场均匀性。另外由于在质子一电子双共振成像过程中，存在两种粒子的射频激发，而电子的旋磁比很高，磁场的微小变化都会引起激发频率的大幅度改变，因此可能存在激发频率与磁场环境无法对应的问题，需要利用扫场的方式，确保电子的顺磁共振激发。因此本发明装置包括一个永磁磁体、一个电磁磁体、一组主动屏蔽线圈、一组勻场线圈和一组扫场线圈。所述的永磁磁体用来提供背景主磁场环境，电磁磁体、主动屏蔽线圈、匀场线圈以及扫场线圈均置于永磁磁体产生的均匀主磁场环境中。所述的永磁磁体采用C型开放式结构，由上下两极及一个支撑上下两极的立式轭铁组成，三者共同构成一个三面开放的成像区域。磁体上下两极由永磁材料制成的磁钢经充磁后构成,立式轭铁采用导磁材料A3钢构成。为了获得良好的基础背景磁�。贑型磁体的上下两极面向成像区域的一侧分别设置有圆形的上下极板。所述的上下圆形极板由导磁材料A3钢制成，一方面可以起到聚磁和对磁场的匀化作用，另一方面可以对磁钢起着支撑和固定的作用，防止磁钢由于相互之间的作用力而翻转移动。为了防止磁场循环带来的涡流影响，永磁磁体的上下圆形极板采用分块结构，即整个极板由多块A3钢板拼接而成。避免涡流在极板上形成回路，并且在上下圆形极板面向成像区域的一面附有一层既不导磁又不导电的绝缘层，绝缘层面向成像区域的一面又附有一层导磁不导电的疏导层，减小涡流在上下两极板上的产生。所述的电磁磁体置于所述永磁磁体成像空间中，用以产生偏置磁场。电磁磁体采用亥姆霍兹线圈构成。亥姆霍兹线圈是用两个半径和匝数完全相同的线圈同轴排列串联连接，两个线圈之间的间距等于亥姆霍兹线圈的半径。它具有良好的开放性，可以很容易地将成像目标置入和移出，并且具有良好的磁场均匀性。构成电磁磁体的亥姆霍兹线圈置于C型永磁磁体的成像空间内，亥姆霍兹线圈的两个线圈一个置于永磁磁体上极板的下方，另一个置于永磁磁体下极板的上方。所述的主动屏蔽线圈用以抵消磁场循环过程中电磁磁体在极板上产生的磁通，使得在磁场切换过程中通过极板的磁通变化近似为零。主动屏蔽线圈由两个半径和匝数完全相同的上主动屏蔽线圈和下主动屏蔽线圈同轴排列串联构成，与产生偏置磁场的电磁磁体的亥姆霍兹线圈同轴，同时线圈绕制方向与产生偏置磁场的电磁磁体的亥姆霍兹线圈的绕制方向相反，以产生与偏置磁场方向相反的磁场。由于主动屏蔽线圈置于产生偏置磁场的电磁磁体外围，因此可以在远离电磁磁体的极板上产生很小的磁通,而在远离主动屏蔽线圈的成像区域内产生较高的磁场。主动屏蔽线圈与产生偏置磁场的电磁磁体的亥姆霍兹线圈采用方向大小相同的电流驱动，只是二者的匝数不同。主动屏蔽线圈的上线圈置于永磁磁体上极板和电磁磁体上线圈之间，上线圈置于永磁磁体下极板和电磁磁体下线圈之间。
所述的匀场线圈采用平板式结构，分成上下两部分。由于永磁磁体空间内没有电 荷分布，因此其磁场满足拉普拉斯方程，经过多项式展开后，除常数项外，其余各项均为磁场非均匀分量，将与之对应的匀场线圈通以合适的电流后即可抵消这些不均匀分量，从而使磁场达到均匀性要求。匀场线圈的上半部分置于主动屏蔽线圈的上线圈和永磁磁体上极板之间，匀场线圈的下半部分置于主动屏蔽线圈的下线圈和永磁磁体下极板之间。所述的扫场线圈采用亥姆霍兹结构，在成像区域产生均匀磁�。镁却懦≡谝桓鍪奔渲芷谀谒媸奔湎咝员浠陨枭淦德龀寮し⒌缱铀炒殴舱袼璧拇懦』肪�。扫场线圈的上线圈置于主动屏蔽线圈的上线圈和电磁磁体上线圈之间，扫场线圈的下线圈置于主动屏蔽线圈的下线圈和电磁磁体下线圈之间。
图I为本发明装置示意图，图中101为永磁磁体，102为上极板，102'为下极板，103为上匀场线圈，103'为下匀场线圈，104为上主动屏蔽线圈，104'为下主动屏蔽线圈，105为上扫场线圈，105 '为下扫场线圈，106为产生偏置磁场电磁磁体的上线圈，106'为产生偏置磁场电磁磁体的下线圈。
具体实施例方式如图I所示，本发明包括一个永磁磁体101，一个电磁磁体，一组主动屏蔽线圈104、104'，一组匀场线圈103、103'和一组扫场线圈105、105'。所述的永磁磁体101采用C型开放式结构，由上下两极和一个支撑上下两极的立式轭铁组成，三者共同构成一个三面开放的成像区域。磁体上下两极由永磁材料制成的磁钢经充磁后构成，立式轭铁采用导磁材料A3钢制成。C型永磁磁体的上下两极面向成像区域的一侧分别设置有圆形的上极板102和下极板102’，所述的上、下极板由导磁材料A3钢制成。所述的匀场线圈采用平板式结构，由上匀场线圈103和下匀场线圈103'组成。上匀场线圈103置于永磁磁体101的上极板102的下方，下匀场线圈103'置于永磁磁体101的下极板102'的上方。所述的主动屏蔽线圈由两个半径和匝数完全相同的上主动屏蔽线圈104和下主动屏蔽线圈104'同轴排列串联构成。上主动屏蔽线圈104置于上匀场线圈103的下方，下主动屏蔽线圈置于下匀场线圈103'的上方。所述的扫场线圈采用亥姆霍兹结构，由两个半径和匝数完全相同的上扫场线圈105和下扫场线圈105'组成，并且上扫场线圈105和下扫场线圈105'之间的间距等于扫场线圈的半径。上扫场线圈105置于上主动屏蔽线圈104下方，下扫场线圈105'置于下主动屏蔽线圈104'上方。所述的电磁磁体采用亥姆霍兹结构，由两个半径和匝数完全相同的上线圈106及下线圈106'同轴排列串联连接，并且上线圈106及下线圈106'之间的间距等于构成电磁磁体的线圈半径。上线圈106置于上扫场线圈105的下方，下线圈106'置于下扫场线圈105'的上方。 本发明工作时,成像目标置于电磁磁体内部,在永磁磁体101的磁场环境中完成核的极化，利用磁共振成像谱仪控制磁场循环电源，控制电磁磁体产生的磁场，降低成像目标所处磁场环境的磁场强度。主动屏蔽线圈和电磁磁体采用同一电源驱动，只是匝数不同，本发明采用Copley公司生产的781p型梯度电源,最大可以输出600A电流,上升时间O. 5ms，可以实现磁场的快速切换，且具有较高的电流稳定性。相关计算及实验表明，当输出电流为400A时，可以将主磁场抵消至50高斯。此时打开匀场线圈的电源，完成对电磁磁体所产生磁场的调匀工作。匀场线圈采用RESONANCE RESEARCH公司生产的MXB — 6型匀场电源，该电源是专门用来驱动磁共振匀场线圈的电源，可以输出5A电流，6路输出，为环境磁场的三个方向高次项进行补偿。随后打开扫场线圈电源，扫场线圈电源采用可输出三角波及锯齿波的电源驱动，可采用信号发生器结合功率放大器组成，生成脉宽为5ms，幅度为O. I高斯的锯齿波磁场。扫描与电子激发射频频率相对应的磁场环境，完成电子激发过程，然后关闭扫场线圈电源。由于电子自旋与核自旋之间存在极化交叉转移，从而使得成像目标中含有自由基的部分核的极化增强，最后关闭偏置磁场线圈的电源，成像目标处于永磁磁体101的磁场环境下完成编码成像过程。从而得到可以反映自由基分布的磁共振图像。
权利要求
1.一种用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的循环装置包括永磁磁体(101)、电磁磁体(106)、主动屏蔽线圈(104)、匀场线圈(103)和扫场线圈(105)；所述的永磁磁体(101)作为背景主磁�。凰龅牡绱糯盘�(106)作为偏置磁�。凰龅挠来糯盘�(101)采用C型开放式结构，由上下两极及一个支撑上下两极的立式轭铁组成，上下两极和立式轭铁三者共同构成一个三面开放的成像区域；在C型永磁磁体的上下两极面向成像区域的一侧均布置有圆形的上极板(102)和圆形的下极板(102’)；所述的匀场线圈(103)采用平板式结构，由上下两部分组成，上匀场线圈置于永磁磁体(101)的上极板下方，下匀场线圈置于永磁磁体(101)的下极板上方；所述的主动屏蔽线圈(104)由上、下两个半径和匝数均相同的线圈同轴排列串联构成；上主动屏蔽线圈置于上匀场线圈的下方，下主动屏蔽线圈置于下匀场线圈的上方；所述的扫场线圈(105)采用亥姆霍兹结构，由上、下两个半径和匝数均相同的线圈组成，上扫场线圈置于上主动屏蔽线圈下方，下扫场线圈置于下主动屏蔽线圈上方，上下扫场线圈之间的间距等于扫场线圈的半径；所述的电磁磁体(106)采用亥姆霍兹结构，由两个半径和匝数均相同的线圈同轴排列串联连接，上线圈置于上扫场线圈的下方，下线圈置于下扫场线圈的上方，上下线圈之间的间距等于构成电磁磁体的线圈半径。
2.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的永磁磁体(101)的上下两极由永磁材料制成的磁钢经充磁后构成，所述的立式轭铁采用A3钢制成；上极板(102)和下极板(102’ )由多块A3钢板拼接而成。
3.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的上极板(102)和下极板(102’)面向成像区域的一面附有一层既不导磁又不导电的绝缘层，所述的绝缘层面向成像区域的一面还附有一层导磁不导电的疏导层。
4.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的电磁磁体(106 )置于永磁磁体内部的成像空间内。
5.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的上、下主动屏蔽线圈(104)与组成所述电磁磁体的亥姆霍兹线圈同轴；上、下主动屏蔽线圈的绕制方向与组成所述电磁磁体的亥姆霍兹线圈的绕制方向相反；上、下主动屏蔽线圈与组成所述电磁磁体的亥姆霍兹线圈采用大小相等的电流驱动。
6.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于主动屏蔽线圈(104)置于构成电磁磁体的线圈外围，同时置于永磁磁体的成像空间内。
7.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的匀场线圈(103)采用平板结构，所述的匀场线圈(103)置于主动屏蔽线圈(104)的外围，同时置于永磁磁体的成像空间内。
8.根据权利要求I所述的用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，其特征在于所述的扫场线圈(105)在成像区域产生均匀磁场，该均匀磁场在一个时间周期内随时间线性变化。
全文摘要
一种用于质子电子双共振成像的磁场循环装置，利用永磁体作为基础主磁�。玫绱糯盘宀么懦�。所述的永磁磁体(101)采用C型开放式结构；所述的电磁磁体(106)置于永磁磁体成像空间内，采用亥姆霍兹结构，由两个半径和匝数均相同的线圈同轴排列串联连接；对偏置磁场采用主动屏蔽的方法来减小由磁场循环带来的涡流影响，主动屏蔽线圈(104)由上、下两个半径和匝数均相同的线圈同轴排列串联构成。同时本发明利用扫场的方式，确保电子的顺磁共振激发，扫场线圈采用亥姆霍兹结构，在成像区域产生均匀磁场，该均匀磁场在一个时间周期内随时间线性变化，以扫描射频脉冲激发电子顺磁共振所需的磁场环境。
文档编号G01R33/62GK102879754SQ20121035092
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者王慧贤, 杨文晖, 王铮, 魏树峰, 张晓兵 申请人:中国科学院电工研究所
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