核磁共振邊緣磁場成像實驗裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及核磁共振成像，尤其是涉及一種核磁共振邊緣磁場成像實驗裝置。
【背景技術】
[0002]傳統核磁共振成像技術在當今已經發展得相當成熟，但是傳統核磁共振成像技術不論是在醫學上或者是其它領域的應用，多數都是針對液體樣品的成像。包括目前學術領域的研宄，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，共振譜較寬，掩蓋了其它精細的譜線結構，橫向弛豫時間極短，信號不容易采集，所以相對液體成像來說，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域的起步較晚，但是意義重大，從20世紀80年代末開始，固體核磁共振成像領域經歷了飛速的發展，由于固體樣品的T2弛豫時間短，要獲得較為理想的分辨率，需要有很強的梯度場。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人為地產生強梯度場，一般商用的核磁共振微成像梯度線圈能達到1.5T/m的場強，但是這種方法對硬件有很高的要求，成本高、不易制作，并且只適用于小樣品的成像實驗，在許多的方面都受到限制；2)邊緣磁場成像技術。此方法則是利用了高場磁體的天然超強梯度場，其梯度場強可以達到50?60T/m，相比普通線圈產生的約2T/m的梯度場強，可以克服固體樣品精細的譜線結構，獲得極高的分辨率。
[0004]在核磁共振邊緣磁場成像實驗過程中，由于成像原理的特殊性，不像傳統核磁共振成像技術那樣在空間xyz三坐標軸上采用三個方向的梯度線圈產生梯度場對樣品進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K空間進行傅里葉反變換來進行圖像重建。核磁共振邊緣磁場成像方法在成像時利用的是高場磁體的天然邊緣超強梯度場，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在進行成像實驗時，只需應用到一個成像平面即可，沒有梯度線圈的概念。由于磁體具有對稱性，在磁體中，符合要求的成像平面有兩個，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驗取磁體中心的下方平面作為實驗成像平面。由于成像平面的厚度有限，因此要全面準確地采集到樣品的圖像信息，就必須使樣品緩慢、均勻、準確地通過這個成像平面，而后進行樣品重定位。
[0005]在主流的核磁共振邊緣磁場成像方法中，樣品移動法應用最為廣泛，此方法分為兩種方式:1)探頭線圈與樣品相對靜止成像；2)探頭線圈與樣品相對移動成像。針對核磁共振邊緣磁場成像的成像機制，樣品需緩慢移動以通過成像平面，由于對樣品移動的精度具有較高的要求，并且在核磁共振邊緣磁場成像領域，某些樣品的尺寸極小，最小可達到2?3 μπι，因此當前最大的挑戰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梯度場優勢，進行高精度高分辨率成像。
[0006]在國內，核磁共振邊緣磁場成像技術的相關研宄論文及其相關專利截至目前尚未有公開報道。在國際上，有關核磁共振邊緣磁場成像技術實驗裝置的相關專利也尚無公開可查之實例；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實驗裝置都各具特色: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.)闡述了一種在現有的核磁共振設備條件下，極其簡易地用手工進行核磁共振邊緣磁場成像方法改進的方案，達到了預期的效果，但手工對實驗設備的調整始終會存在一定誤差，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電機來帶動樣品進行簡易低精度移動的方法也取得了預期效果，但不適用于小樣品高精度高分辨率成像。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種核磁共振邊緣磁場成像實驗裝置。
[0008]本發明設有伺服電機、音圈電機、粗調無磁升降臺、細調無磁升降臺、核磁共振邊緣磁場成像探頭、樣品腔、探頭線圈與樣品相對移動/靜止轉換銷、粗調無磁升降臺光柵尺、細調無磁升降臺光柵尺和控制系統；控制系統設有上位機、PMAC控制器、伺服電機驅動器和音圈電機控制器；
[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，所述上位機集成先進閉環控制算法；
[0010]所述伺服電機與粗調無磁升降臺相連接，伺服電機帶動粗調無磁升降臺進行較低精度移動，并通過粗調無磁升降臺光柵尺反饋位置信息，音圈電機固定在粗調無磁升降臺上，音圈電機與細調無磁升降臺相連接，音圈電機帶動細調無磁升降臺進行高精度移動，并通過細調無磁升降臺光柵尺反饋位置信息，核磁共振邊緣磁場成像探頭通過導軌由探頭線圈與樣品相對移動/靜止轉換銷控制，選擇性地與粗調無磁升降臺或細調無磁升降臺固定，所述樣品腔設于磁體中并與細調無磁升降臺相連，樣品腔由細調無磁升降臺直接帶動并放置于核磁共振邊緣磁場成像探頭內部；
[0011]所述上位機用線纜與PMAC控制器相連接進行通信，PMAC控制器用線纜分別與伺服電機驅動器和所述音圈電機驅動器相連進行通信，所述伺服電機驅動器用線纜接入伺服電機，所述音圈電機驅動器用線纜接入所述音圈電機，音圈電機驅動器與伺服電機和音圈電機分別配套組成閉環反饋系統，粗調無磁升降臺光柵尺、細調無磁升降臺光柵尺通過線纜分別與伺服電機驅動器和音圈電機驅動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連接并實時反饋樣品腔內的溫度和濕度信息。
[0012]所述伺服電機和音圈電機的外殼均可采用無磁材料制成。
[0013]當進行成像實驗時，集成先進閉環控制算法的上位機將相關指令傳送給所述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驅動器或所述音圈電機驅動器，控制所述伺服電機或所述音圈電機工作，所述伺服電機和所述音圈電機再分別帶動所述粗調無磁升降臺和所述細調無磁升降臺上下移動，必要時也可進行兩軸聯動，進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行高精度移動，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移動/靜止轉換銷來完成探頭線圈與樣品相對移動和探頭線圈與樣品相對靜止兩種實驗方法的轉換，既方便了對比實驗的進行，又能從最大程度上避免需要改變實驗方式時對實驗設備的改造對已有的強磁場環境造成的影響；所述光柵尺向具有閉環控制算法的控制系統反饋位置信息，克服了開環控制中步進電機失步的缺點，執行機構的動作更精確，實驗結果更趨于準確，成像實驗過程的自動化，極大地解放了實驗人員，在一些所需時間較長的實驗中，最大限度地避免了實驗人員的疲勞操作和誤操作引起的實驗誤差，使實驗結果排除了人為因素的影響。
[0014]本發明的主要創新點在于:將粗調和細調兩級升降高精密機械結構與先進閉環控制算法相結合，實現最高精度為I μπι的樣品高精度移動，完成高精度高分辨率核磁共振邊緣磁場成像。同時首次實現了在一種實驗裝置上不用進行任何二次改造，就能完成探頭線圈與樣品相對移動成像和探頭線圈與樣品相對靜止成像兩種實驗方法，最大限度保證了強磁環境不受影響；閉環控制使得樣品的位移更精確，實驗結果更準確；實驗過程的全自動化極大