[发明专利]一种用于质子电子双共振成像的磁场循环装置

说明书

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－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－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场，通过控制电磁线圈的磁场实现磁场循环，如文献Field-cycled PEDRI imaging of free radicals with detection at 450mT（David J.Lurie等，Magnetic Resonance Imaging 23(2005)175–181）中所述，采用通道式超导磁体作为基础主磁场，磁场强度为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 dynamic nuclear polarization spectroscopy（Keerthi Shet等，Journal of Magnetic Resonance 205(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10ppm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场，利用电磁磁体产生偏置磁场。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，其技术难度小，制造维护成本低，并且可以具有良好的开放性。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。