核磁共振边缘磁场成像实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及核磁共振成像，尤其是涉及一种核磁共振边缘磁场成像实验装置。
【背景技术】
[0002]传统核磁共振成像技术在当今已经发展得相当成熟，但是传统核磁共振成像技术不论是在医学上或者是其它领域的应用，多数都是针对液体样品的成像。包括目前学术领域的研宄，很大部分还是以液体的核磁共振成像为主。而固体样品由于其自旋之间的耦合较强，共振谱较宽，掩盖了其它精细的谱线结构，横向弛豫时间极短，信号不容易采集，所以相对液体成像来说，固体成像更加地困难。
[0003]固体核磁共振成像虽然在国际研宄领域的起步较晚，但是意义重大，从20世纪80年代末开始，固体核磁共振成像领域经历了飞速的发展，由于固体样品的T2弛豫时间短，要获得较为理想的分辨率，需要有很强的梯度场。较为常见的方法是:1)微型梯度线圈法。此方法是借鉴核磁共振微成像技术人为地产生强梯度场，一般商用的核磁共振微成像梯度线圈能达到1.5T/m的场强，但是这种方法对硬件有很高的要求，成本高、不易制作，并且只适用于小样品的成像实验，在许多的方面都受到限制；2)边缘磁场成像技术。此方法则是利用了高场磁体的天然超强梯度场，其梯度场强可以达到50?60T/m，相比普通线圈产生的约2T/m的梯度场强，可以克服固体样品精细的谱线结构，获得极高的分辨率。
[0004]在核磁共振边缘磁场成像实验过程中，由于成像原理的特殊性，不像传统核磁共振成像技术那样在空间xyz三坐标轴上采用三个方向的梯度线圈产生梯度场对样品进行相位编码和频率编码，再利用从样品的相位编码和频率编码得到的信息，对K空间进行傅里叶反变换来进行图像重建。核磁共振边缘磁场成像方法在成像时利用的是高场磁体的天然边缘超强梯度场，也正是由于这种成像原理，使得核磁共振边缘磁场成像技术在进行成像实验时，只需应用到一个成像平面即可，没有梯度线圈的概念。由于磁体具有对称性，在磁体中，符合要求的成像平面有两个，分别位于磁体中心的上方和下方，为方便起见，通常的核磁共振边缘磁场成像实验取磁体中心的下方平面作为实验成像平面。由于成像平面的厚度有限，因此要全面准确地采集到样品的图像信息，就必须使样品缓慢、均匀、准确地通过这个成像平面，而后进行样品重定位。
[0005]在主流的核磁共振边缘磁场成像方法中，样品移动法应用最为广泛，此方法分为两种方式:1)探头线圈与样品相对静止成像；2)探头线圈与样品相对移动成像。针对核磁共振边缘磁场成像的成像机制，样品需缓慢移动以通过成像平面，由于对样品移动的精度具有较高的要求，并且在核磁共振边缘磁场成像领域，某些样品的尺寸极小，最小可达到2?3 μπι，因此当前最大的挑战是如何在样品趋于小型化的前提下，利用核磁共振边缘磁场成像的超强梯度场优势，进行高精度高分辨率成像。
[0006]在国内，核磁共振边缘磁场成像技术的相关研宄论文及其相关专利截至目前尚未有公开报道。在国际上，有关核磁共振边缘磁场成像技术实验装置的相关专利也尚无公开可查之实例；在国际研宄论文方面，所涉及到的核磁共振边缘磁场成像技术实验装置都各具特色: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.)阐述了一种在现有的核磁共振设备条件下，极其简易地用手工进行核磁共振边缘磁场成像方法改进的方案，达到了预期的效果，但手工对实验设备的调整始终会存在一定误差，不适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.)则在5高斯线以外放置步进电机来带动样品进行简易低精度移动的方法也取得了预期效果，但不适用于小样品高精度高分辨率成像。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种核磁共振边缘磁场成像实验装置。
[0008]本发明设有伺服电机、音圈电机、粗调无磁升降台、细调无磁升降台、核磁共振边缘磁场成像探头、样品腔、探头线圈与样品相对移动/静止转换销、粗调无磁升降台光栅尺、细调无磁升降台光栅尺和控制系统；控制系统设有上位机、PMAC控制器、伺服电机驱动器和音圈电机控制器；
[0009]所述核磁共振边缘磁场成像探头带有湿度传感器和温度传感器，所述上位机集成先进闭环控制算法；
[0010]所述伺服电机与粗调无磁升降台相连接，伺服电机带动粗调无磁升降台进行较低精度移动，并通过粗调无磁升降台光栅尺反馈位置信息，音圈电机固定在粗调无磁升降台上，音圈电机与细调无磁升降台相连接，音圈电机带动细调无磁升降台进行高精度移动，并通过细调无磁升降台光栅尺反馈位置信息，核磁共振边缘磁场成像探头通过导轨由探头线圈与样品相对移动/静止转换销控制，选择性地与粗调无磁升降台或细调无磁升降台固定，所述样品腔设于磁体中并与细调无磁升降台相连，样品腔由细调无磁升降台直接带动并放置于核磁共振边缘磁场成像探头内部；
[0011]所述上位机用线缆与PMAC控制器相连接进行通信，PMAC控制器用线缆分别与伺服电机驱动器和所述音圈电机驱动器相连进行通信，所述伺服电机驱动器用线缆接入伺服电机，所述音圈电机驱动器用线缆接入所述音圈电机，音圈电机驱动器与伺服电机和音圈电机分别配套组成闭环反馈系统，粗调无磁升降台光栅尺、细调无磁升降台光栅尺通过线缆分别与伺服电机驱动器和音圈电机驱动器连接用于反馈位置信息；所述核磁共振边缘磁场成像探头中的湿度传感器和温度传感器通过线缆与上位机连接并实时反馈样品腔内的温度和湿度信息。
[0012]所述伺服电机和音圈电机的外壳均可采用无磁材料制成。
[0013]当进行成像实验时，集成先进闭环控制算法的上位机将相关指令传送给所述PMAC控制器，再由所述PMAC控制器按需传送信息给所述伺服电机驱动器或所述音圈电机驱动器，控制所述伺服电机或所述音圈电机工作，所述伺服电机和所述音圈电机再分别带动所述粗调无磁升降台和所述细调无磁升降台上下移动，必要时也可进行两轴联动，进而使所述带有湿度传感器和温度传感器的核磁共振边缘磁场成像高分辨率探头进行高精度移动，完成最高精度为I μπι的高分辨率高精度核磁共振边缘磁场成像；用所述探头线圈与样品相对移动/静止转换销来完成探头线圈与样品相对移动和探头线圈与样品相对静止两种实验方法的转换，既方便了对比实验的进行，又能从最大程度上避免需要改变实验方式时对实验设备的改造对已有的强磁场环境造成的影响；所述光栅尺向具有闭环控制算法的控制系统反馈位置信息，克服了开环控制中步进电机失步的缺点，执行机构的动作更精确，实验结果更趋于准确，成像实验过程的自动化，极大地解放了实验人员，在一些所需时间较长的实验中，最大限度地避免了实验人员的疲劳操作和误操作引起的实验误差，使实验结果排除了人为因素的影响。
[0014]本发明的主要创新点在于:将粗调和细调两级升降高精密机械结构与先进闭环控制算法相结合，实现最高精度为I μπι的样品高精度移动，完成高精度高分辨率核磁共振边缘磁场成像。同时首次实现了在一种实验装置上不用进行任何二次改造，就能完成探头线圈与样品相对移动成像和探头线圈与样品相对静止成像两种实验方法，最大限度保证了强磁环境不受影响；闭环控制使得样品的位移更精确，实验结果更准确；实验过程的全自动化极大