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专利名称：极化测量台的校准的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁共振成像(MRI)和NMR(核磁共振)光谱学领域。更具体地说，本发明针对用于测量物质极化的设备的校准设备和方法。
背景技术：
已发现极化的惰性稀有气体可以产生身体某些部分或区域的改进的MII图像，以前它们所产生的图像都不能令人十分满意。已发现极化氦3(“3He”)和氙129(“129Xe”)特别适用于此目的。但是，如以下将进一步讨论的，气体的极化状态对于处理和环境条件很敏感，并会从极化状态迅速衰变，这是不合乎需要的。
极化器用来产生并聚集超极化的稀有气体。极化器将某些惰性(稀有)气体核的极化人为地增强到超过自然或平衡水平，即波尔兹曼极化。这种增加是需要的，因为它增强并提高了MRI图像信号的等级，从而提供体内物质的更好图像或信号。见美国专利No.5,545,396；5,642,625；5,809,801；6,079,213；和6,295,834，这些专利的公开内容已全部引述作为参考包括在本文之内。
为了产生超极化气体，惰性(稀有)气体可以混合有光泵激的碱土金属蒸汽，例如铷(“Rb”)。这些光泵激的金属原子和惰性气体原子相碰撞，通过称为”自旋-交换”现象使稀有气体核超极化。碱土金属蒸汽的光泵激是通过用碱土金属第一主谐振波长(例如，铷为795nm)的圆极化光照射碱土金属蒸汽而产生的。一般来说，基态原子成为受激态，随后又衰减回到基态。在适度的磁场下(大约10高斯)，原子在基态和受激态之间的循环在数微秒内可产生几乎100％的原子极化。这种极化通常由碱土金属特有的孤价电子所携带。在存在非零核自旋惰性气体时，碱土金属原子会与惰性气体原子相碰撞，通过相互自旋反向”自旋交换”将价电子的极化转移到惰性气体核上。
在将超极化气体引入到患者体内之前，将碱土金属从超极化气体中去除，以形成无毒和/或无菌成分。不采用碱土金属自旋交换的其它极化技术也可采用，这是本专业技术人员已知的。
遗憾的是，气体的超极化状态会很快退化或衰减，所以必需仔细的处理、收集、传送以及储存。与超极化气体的纵向松弛时间相关联的”T1”衰减常数常用来描述气体试样在给定情况下去极化所用的时长，通常大约为36.7％。超极化气体的处理要求很严格，因为超极化气体对于环境和处理因素以及电位都很敏感，在预计的最终使用，即提供给患者进行成像之前，有从其超极化状态的不希望有的衰减。超极化气体的处理、传送和储存以及将气体提供给患者或最终用户都会使气体暴露于各种松弛机理，例如磁场梯度、接触诱发的松弛、顺磁杂质等等。
气体的实际极化等级(level)可以利用如

图1和2所示的极化测量台12来测量。极化测量台12包括NMR拾取线圈14，后者固定在平面基底16上，所述平面基底16在水平方向上横跨第一和第二环形线圈结构18和20的轴线。拾取线圈14连接到NMR拾取电路15。线圈结构18和20的直径大约为30英寸，而拾取线圈14测量的直径约1英寸。在测量气体试样的极化时，将极化气体试样放置在拾取线圈14的上方的基底16上。在离开其制造装置之前，可通过与强磁场NMR磁体中的热极化H2O作比较来对极化测量台12进行校准。
但是，当极化测量台12处于现场时，却没有方法来检查这种校准。在工厂中使用的强磁场NMR磁体和分光仪不便于携带，而且在现场除了用测极化台本身又没有测量3He极化的已校准的方法。所以需要一种转换标准，类似于用一组砝码来检查天平一样，来检查用于测量超极化气体的极化的装置校准。理想的转换标准，例如，是具有固定极化等级的不随时间衰减的超极化气体试样，对于极化测量台12来说它就像3He的一个永恒的超极化袋。
发明概述鉴于本专业的需要，本发明提供校准极化测量台的设备和方法。
本发明提供一种转换标准装置，它具有的有源电子电路可模拟将气体试样极化到特定等级。所述电路可包括线圈。当置于极化测量台中时，本发明总是读出所述特定的极化等级。例如已构建了一种转移标准样机，其电路总是对极化到23.8％的3He试样作出响应。
本发明还提供对用于测量试样的极化的仪器的校准进行测试的方法，其中所述仪器包括NMR拾取线圈，后者连接到NMR拾取电路。所述方法包括以下步骤在NMR拾取线圈附近设置有源电路，其中所述有源电路与NMR线圈松耦合并且当NMR拾取线圈测量到具有特定极化等级的超极化气体时作出响应。
本发明还提供用于校准极化测量台的方法，所述测量台具有连接到NMR拾取电路的NMR拾取线圈。所述方法包括以下步骤在NMR拾取线圈附近设置有源电路，其中，当NMR拾取线圈测量到具有特定极化等级的超极化气体时所述有源电路作出响应。然后调节试样的极化测量仪器，将其校准，以读出有源电路极化的特定等级。
首先在已校准的极化测量装置上测量转移标准的视在”极化”。作法是将转移标准放置在所述装置上代替极化气体，然后利用所述装置进行测量，就好像存在极化气体试样一样。于是，就把由所述装置测量的视在极化就赋予转移标准。然后将转移标准移到另一个这种装置的位置上并以同样的方法对其进行测量。然后把对第二装置的校准调整到与第一装置一致。
附图简要说明图1示出包括NMR拾取线圈的极化测量台。
图2是包括NMR拾取线圈的极化测量台的另一视图。
图3示出放置在图2的极化测量台中的本发明的转移标准。
图4示出与NMR拾取线圈轴向对准的转移标准线圈。
图5示出与NMR拾取线圈共平面对准的转移标准线圈。
图6示出LC文氏桥式振荡器电路。
图7示出图6的LC文氏桥式振荡器电路，重新画成并联LRC电路。
图8示出与拾取线圈共平面对准的槽路，所述槽路具有与转移标准线圈串联的分立电感器。
图9示出17.2％极化的3He试样的自由感应衰减(FID)实例。
图10示出来自呈现23.8％的视在极化的转移标准装置的响应信号。
图11示出同心共平面转移标准演示装置。
图12示出由校准台报告的FTD的峰-峰值以及将指数FID包络函数外推回到3ms后无声期之前获得的选择的峰-峰值。
图13和14示出本发明的转移标准的另一个实施例。
优选实施例的详细说明参阅图3，本发明提供用于极化测量台12的转移标准10。转移标准10包括一个9英寸×9英寸×1英寸的容器22。在图3中以部分剖视图的形式示出转移标准10，它包括8英寸的转移标准线圈24，后者具有连接到有源(例如电池供电的)电路28的5匝回路26，电路28由9伏电池电源供电。容器22最好包括标记，用以将转移标准10定位在基底16上，使得线圈24与拾取线圈14轴向对准。
为了使用本发明的转移标准10，必需首先在已校准的极化测量装置上测量视在”极化”。作法就是将转移标准放置在已校准的极化测量装置上代替极化气体，然后用所述装置进行测量，就好像存在极化气体试样一样。于是转移标准被赋予由所述装置测量的视在极化。然后将转移标准移到另一个这种装置的位置上，以同样方法进行测量，然后调节第二装置的校准，使之与第一装置一致。
转移标准10的转移线圈24最好包括这样选择的几何形状，使得它与极化测量台12中的拾取线圈14”松”耦合。此处”松”耦合是指加上转移标准10后，拾取线圈14所连接的NMR拾取电路的谐振频率和质量因数(Q)的变化可以忽略不计。图4和5示出所述几何形状的两种可能性。图4示出的转移标准线圈与NMR拾取线圈同轴，而图5示出的转移标准线圈与NMR拾取线圈共平面。由于拾取线圈14嵌入在测量台12的平面基底16中，所以转移线圈24总是定位在与拾取线圈14有间隔的重叠对准的位置，而不是完全的共平面对准。所以本发明采用了”同轴”和”共平面”来区别建立在基底16上的不同形状和位置的线圈。一般来说，词语”共平面”表示转移线圈14的半径大于转移线圈14在基底16上的垂直高度的8倍以上。相反，词语”同轴”一般表示转移线圈14的半径小于线圈14在基底16上的垂直高度的8倍。
转移线圈24被包括在图6的文氏桥式振荡器电路30中，其中频率选择是利用并联的LC槽路32(其中L是转移标准线圈24本身)实现的。LC槽路32最好在包括在容器22中，以便形成单一单元便于操作。或者，如下所述和所示，线圈24和电路30可以分别设置在单独的外壳中并电连接在一起。
振荡器电路30利用由R1R2网路提供的负反馈和由与R3结合的槽路提供的正反馈。
(R1+R2R1)(ZZ+R3)≥1]]>稳定振荡的条件是正反馈大于或等于负反馈。就各个部件而言，所述条件可以写为(ZZ+R3)(R1+R2R1)≥1]]>式中Z是LC槽路32的阻抗，或
Z=jωL+R1-ω2LC+jωRC]]>在槽路32的谐振频率下，Z为最大，纯电阻性，并等于L/RC。
理解所述振荡条件的最简单方法是将电路30重新画为并联的LRC槽路36，与OPamp网路38提供的等效电阻并联，如图7所示。根据Opamp开环增益β，求解图7右侧的OPamp网路的等效电阻VOUT=β(V+-V-)=β(V-i′R1)=β(V-VOUTR1R1+R2)]]>现利用i=VOUT-VR3]]>代替VOUT得到Req=-Vi=-R3R1+R2+βR1-R1-R2+βR2≈-R1R3R2]]>由此可知等效电阻为负，即，如果将电压加到电路上，则电流反向流动。现在，振荡条件是每个周期内由负电阻提供的能量必需大于或等于在槽路中耗散的能量。槽路中耗散的能量由下式表示ΔU=2πUQ=πCVmax2Q]]>而由负电阻提供的能量等于ΔU′=-∫0TVmax2Reqsin2ωtdt=-πVmax2ωReq]]>于是，振荡条件为ΔU≥ΔU’，或-Req≤QωC]]>或者，以我们以前的结果代替Req，且谐振时Z＝L/RC，R1R3R2≤Z]]>在槽路36的谐振频率下这个条件最容易满足，所以它就是文氏电桥将会振荡的条件。
实际上，这样选择转移标准电路的部件，以便在实际上没有满足所述振荡条件的情况下接近所述振荡条件。这样电路的工作就像具有非常高的等效质量因数Qeq的并联LRC电路(对于24kHz的工作，Qeq选择为大约1500)。这作为转移标准很有用，因为极化气体试样的性能非常像松耦合到检测极化所用的NMR拾取线圈的高Q LRC电路。
应当这样选择转移标准线圈24本身，使得极化测定电路的工作不因转移标准的存在而受影响(例如谐振频率和Q的变化小于1％)。就两个线圈的互感M和NMR线圈的电感Lnmr而言，最好M＜＜Lnmr。有两种方式可以做到这一点1)提供转移标准线圈24，它与NMR拾取线圈14同轴，且分隔距离大于线圈半径；和2)提供转移标准线圈24，它与NNM拾取线圈14同平面，且比它大得多。
当提供与NNM拾取线圈14同轴的转移标准线圈24时，两个N-匝回路的互感为M≈μ0π2d3(Nnmranmr2)(Ntsats2)]]>式中Nnmr为NMR拾取线圈的匝数，Nts为转移标准线圈的匝数，anmr为NNM拾取线圈的的直径，ats为转移标准线圈的直径，以及d为回路之间的距离。而且，d比任一回路的半径a大得多。两个完全相同的同轴回路互感的解在Jackson，J.d.，ClassicalElectrodynamics.2ed.1975，New YorkJohn Wiley & Sons，pg.848，problem 6.7，中给出，已作为参考包括在本文中。这种几何形状的缺点在于两个线圈之间的耦合是分隔距离的非常敏感的函数(M∝d-3)。这种几何形状的优点在于通过改变所述距离就可很容易地调节耦合。
当提供与NMR拾取线圈14共平面的转移标准线圈24时，两个回路的互感为M≈μ0π2atsNnmrNtsanmr2]]>这种几何形状的重要优点在于转移标准10的视在极化对于转移标准线圈24的位置比较不敏感。此外，计算表明8英寸转移标准线圈的视在极化对于1/8英寸的横向位移(距同中心)会下降大约1％，对于3/4英寸的纵向位移(距共平面)下降大约1％。当转移标准10(通常位于底板16上方)与拾取线圈14不是精确共平面而是有小的垂直位移时，这样低的变化是个很有意义的发现。
在发射的脉冲期间，转移标准线圈24”增幅振荡(rings up)”。电压以以下速率加到线圈上dVtsdt=-Md2Ipdt2=-Md2dt2(VpcosωtjωLnmr)=MωLnmrVp]]>式中Ip为nmr线圈中的电流，Vp∞sωt是加到nmr线圈上的电压。此处可以丢弃相位信息和cosωt，只要记住每个差别给出另一个ω因子。随着电压在线圈中以速率Vts/T*2衰减，增幅振荡可以描述为dVtsdt=MωLnmrVp-1T2*Vts]]>式中T*2表示线圈振荡的松弛时间(类似于极化试样的横向松弛时间)。
所述微分方程的解为V(t)=MωVpT2*Lnmr(1-e-tT2*)]]>借助于在T*2＞＞脉冲持续时间的条件下工作，增幅振荡接近于线性Vts(t)=MωVptLnmr]]>在转移标准线圈24中流动的电流为Its=VtsωLts=MVptLnmrLts]]>在NMR线圈处反向感应的电压为Vnmr=-MdItsdt=M2VpωtLnmrLts]]>所以转移标准的视在极化正比于M2/Lts。这导致对两种几何形状中每一个的不同结果。(为清晰起见，两个线圈的电阻都忽略不计。完整的结果应为
Vnmr=M2VpωtLnmrLts1+1Qnmr21+1Qts2.)]]>对于同轴几何形状，M∝Ntsats/d3，而L∝Nts2ats。所以，同轴转移标准的视在极化与匝数无关，且是距离(∝ats/d6)的极其敏感函数。这种对距离的依赖关系对于调节视在极化等级很方便，但对实际转移标准的使用造成了困难。
对于同心共平面几何形状，M∝Nts/ats，而L∝Nts2ats。现在，视在极化除与半径有关(∝1/ats3)外与任何条件都无关。由于调节半径是调节极化的极不方便的方法，所以插入分立的与转移标准线圈串联的电感是很有用的，如图8所示。所述电感Ladd降低了视在极化apparent polarization∝M2Lts→M2Lts+Ladd=M2Lts1+LaddLts]]>转移标准线圈24的”T2*”用下式表示T2*=2πUπfΔU=2C1ZLRC-1Req=2CRCL-R2R1R3]]>应当指出，这只是看上去像RC时间常数，R由谐振时的槽路阻抗和电路有源部分的负等效电阻并联组合而成。转移标准线圈24的”T2*”可写为T2*=2Qω1-R2R1R3LRC=2Qω1-χp,]]>式中Q＝ωL/R，并且χp≡R2R1R3LRC]]>重要的是转移标准的响应应尽可能稳定。对于并联槽路，视在极化仅是电感的比较不敏感函数，所以不会随环境因素(例如温度)而显著漂移。但T2*是电路所有元件的敏感函数。可以写成为dT2*T2*=dχ(1-χ)=ωT2*2Qdχ=QtotalQdχ,]]>
式中Qtotal＝πf T2*表示整个电路的视在T2*(例如对于20ms T2*在24kHz下Qtotal＝1500)。从所述表达式可以清楚看出，虽然可以通过使用较小的负电阻利用较差的(例如低Q)槽路以形成损耗来构建转移标准电路，但最好使用可能的最好的槽路。
实例1一袋3He，处于极化测量台的相当均匀的支持磁场中，对于极化测量电路来说看起来类似于具有大但有限的Q的松耦合线圈。
为了演示验证概念，利用同轴线圈几何形状构建一个模型电路。转移标准所用部件的选择如表1所示，以便接近，但不实际满足振荡条件。应当指出，表1中的R值是近似的，用了调谐箱和线圈作为LRC槽路，所以以下列出的R值代表线圈电阻加上调谐箱中的附加电阻。350匝的NMR表面线圈和22nF电容器用作转移标准LC槽路，并且在拾取线圈上方垂直位移13/4英寸。在正常显示的分辨率范围内，极化测量电路的Q和谐振频率未因加上转移标准而改变(＜1％对Q，＜50Hz对f0)。
表1模型同轴转移标准的电路值
图9示出利用模型转移标准的极化测量装置上获得的信号(也示出从实际3He获得的FID供比较，虽然所述FID是在相同设计的不同装置上获得的)。测量作为脉冲持续时间和电压的函数的转移标准信号。这些测量的结果示于图10。
信号中的非零y截距与脉冲持续时间的关系完全归因于脉冲减幅振荡(ringdown)(未用Q开关)。低压时信号性能与脉冲电压的关系归因于极化测量发射电路中的二极管栅极，其效应可以通过从所加脉冲电压中减去等于两个二极管压降的电压来近似，其余的非零y截距也归因于脉冲减幅振荡。
实例2参阅图11，利用直径8英寸，厚1/2英寸的PVC管作为线圈结构102，构建成同心共平面转移标准110。100匝导线104绕在线圈结构104上机加工的沟道106中。将线圈调谐到大致与极化测量电路相匹配，并测定转移标准对极化测量电路参数的影响(通过寻找”线圈测试”响应中的改变)。重复进行此过程，每次取下几匝，直到响应中没有可见的变化。测出对于转移标准，仅需要5匝。
然后在这5匝线圈周围构建文氏振荡器电路并测量视在极化。决定将视在极化减小大约15倍，方法是加上附加的与转移标准线圈串联的220μH的电感(Coilcraft #90-41)，如上述(应当指出，所述电感具有～10Ω的大的DC电阻和相应的低的Q)。
表2第一共平面转移标准的电路值
电路在R2＝12.5k的情况下振荡，建议电感的AC电阻R接近于R≈LR2R1R3C≈6Ω]]>将所述电路置于测量台上测试其稳定度。每5分钟测量一次视在极化，共测量大约8小时。图12示出校准台报告的FID峰-峰值(空心园)，以及将指数FID包络函数外推回到3ms后无声期之前所获得的峰-峰值。数据显示虽然视在极化恒定在大致1％，T2*却变化很大，从6PM的10.5ms迅速增加到10PM的16.5ms。由于槽路较差的Q(Q～6)，所述增加可由χ的仅～0.3％的改变而引起。
然后用功率滤波扼流圈(Coilcraft PCH-45-224)来代替电路中的Ladd电感。于是，电路在R2＝1.2k的条件下振荡，建议R＝0.92(我们用短路来代替5匝线圈，则R＝0.84)。这给出Q＝30。利用参考校准台进行更长时间的稳定度测试，每15分钟记录一次FID，共72小时。同样，虽然T2*在27和58ms之间漂移，但视在极化(FID外推回到后无声期之前)改变大约2％。
图13和14示出本发明的另外的转移标准210。转移标准210包括配对外壳部件212和214，二者之间形成线圈空腔216和电路小室218(图13中以幻线表示)。线圈空腔216容纳线圈结构220，其周围有转移标准线圈222(它具有5匝回路224)，以及由电池228供电的连接的有源电路226。外壳部件212和214最好由非铁材料例如合适的塑料形成。许多螺钉230使线圈结构220相对于外壳部件212和214定位，而螺钉232将部件212和214固定在一起。其它固定装置以及粘接剂可考虑用于实现螺钉230和232的功能。转移标准210还包括从第二外壳部件214中伸出的圆柱形销钉234。每隔一定距离配置销钉234，以便与由平面基底216的向上主表面所形成的塞孔236配对啮合，以确保转移标准210相对于校准台10的NMR线圈14的正确对准。转移标准210和NMR线圈14的正确对准将把测量转移标准210的视在极化的误差减至最小。
虽然已示出并说明了本发明的特定实施例，但对本专业技术人员来说显然可以进行变化和修改而不背离本发明的内容。在上述说明和附图中提出的事项只是为了说明而非作为限制。在所附权利要求书中根据先有技术以正确的观点来限定本发明的实际范围。
权利要求
1.一种气体试样模拟装置，所述气体试样在用包括NMR拾取线圈的仪器测量时具有特定的极化等级，所述装置包括连接到所述NMR拾取线圈的有源电路，其中，当利用所述NMR拾取线圈测量时所述有源电路以具有特定极化等级的超极化气体表示应答。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述有源电路松耦合到所述NMR拾取线圈。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述有源电路包括转移标准线圈。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述有源电路包括电源。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述电源由连接到所述有源电路的电池提供。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述有源电路还包括高Q振荡器电路。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述振荡器电路是LRC电路。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述振荡器电路是文氏电桥电路。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述有源电路在24kHz时具有大约1500的Q值。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述有源电路包括的LRC槽路，后者包括连接到调谐箱的转移线圈。
11.一种用于对测量试样极化的仪器的校准进行测试的方法，其中所述仪器包括连接到NMR拾取电路的NMR拾取线圈，其中所述方法包括以下步骤在所述NMR拾取线圈附近设置有源电路，其中所述有源电路连接到所述NMR拾取线圈，并且当利用所述NMR拾取线圈测量时所述有源电路以具有特定极化等级的超极化气体表示应答。
12.如权利要求11所述的方法，其中还包括以下步骤将所述有源电路定位在已校准的极化测量装置中；测定所述有源电路的所述视在极化；以及指定所述视在极化作为所述特定极化等级。
13.如权利要求12所述的方法，其中还包括以下步骤调整用于测量所述试样极化的所述仪器，以便校准所述仪器，以读出所述有源电路的所述特定极化等级。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述有源电路包括与所述NMR拾取线圈松耦合的转移标准线圈以及NMR拾取电路。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述有源电路还包括高Q振荡器电路。
16.一种用于校准极化测量台的方法，所述极化测量台具有连接到NMR拾取电路的NMR拾取线圈，所述方法包括以下步骤在所述NMR拾取线圈附近设置有源电路，其中当利用所述NMR拾取线圈测量时所述有源电路以具有特定极化等级的超极化气体表示应答；以及调整用于测量所述试样的极化的仪器，以便校准所述仪器，以读出所述有源电路的所述特定极化等级。
17.如权利要求16所述的方法，其中还包括以下步骤将有源电路定位在已校准的极化测量装置中；测定所述有源电路的所述视在极化；以及指定所述视在极化作为所述特定极化等级。
全文摘要
一种用于模拟气体试样的装置，所述气体试样在利用NMR拾取线圈(14)测量时具有特定的极化等级，所述装置包括松耦合到NMR拾取电路的有源电路(28)。当利用NMR拾取线圈测量时所述有源电路以具有特定极化等级的超极化气体表示应答。
文档编号G01R33/58GK1726402SQ200380106565
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月19日 优先权日2002年12月20日
发明者I·纳尔逊 申请人:医疗物理有限公司