一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置的制作方法

本发明涉及磁共振波谱和磁共振成像领域，具体涉及一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置。

背景技术：

极化转移增强技术是一种重要的核磁共振实验方法，在异核实验中应用广泛。多数杂核的旋磁比明显低于质子，根据塞曼分裂和玻耳兹曼定律，旋磁比低的核热平衡下极化度低，直接测量的灵敏度也较低，所得的谱图信噪比差。而极化转移增强技术能够通过质子与杂核之间的偶合作用，将质子自旋传递给杂核。此时得到的信号极化度接近旋磁比较高的质子热平衡极化度，从而提高了实验的灵敏度。

人类和动物的脑部往往具有错综复杂的神经系统，神经系统之间的信号传到依赖于神经元之间神经递质的传递。胆碱类物质就是典型的神经递质之一,使用核磁共振手段对胆碱进行成像检测可以从质子和¹⁴n两方面入手，但对这两种核进行单独成像时效果都不理想，主要的原因有以下两点：1.质子成像背景干扰较大，尽管可以通过成像序列调整对一些组织信号进行抑制，但动物脑内胆碱浓度过低，抑制后成像效果仍然不理想；2.¹⁴n旋磁比不足质子的1/10且自旋密度远小于质子，因此对¹⁴n直接成像灵敏度要远低于质子成像，成像信噪比也远低于质子像甚至无法成像。因此使用极化转移技术，将高灵敏度的质子信号经过¹⁴n核的滤波作用除去无h-n偶合的物质(例如水)的信号后再进行信号检测即可抑制背景从而提高对比度与信噪比。

实现极化转移成像实验需要磁共振成像仪具有氢核和杂核两路射频通道。仅配置了单独工作于氢核频率磁共振成像系统的机构(如医院)，进行多核成像研究时往往需购买新的设备或进行系统升级，这往往代价昂贵。已有文献可以通过外接变频装置实现单频磁共振成像平台的异核信号采集（一种惰性气体原子核通道装置及磁共振成像方法，zl201610094660.x），但未见在单频磁共振成像平台上通过外挂装置实现极化转移增强实验的报道。

技术实现要素：

为了克服单质子通道磁共振成像仪无法进行极化转移实验的不足，本发明提供了一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置，可以在质子通道磁共振成像仪的基础上，不改变原有硬件系统内部结构，通过外接变频装置增加杂核发射通道，并能够通过控制信号序列实现质子通道实现发射和接收、杂核通道发射和接收、交叉发射接收等多种工作模式与功能，从而低成本地在单质子通道磁共振成像仪上实现极化转移实验，并具有调整灵活和在线切换的优点。

一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置，包括射频探头，还包括质子收发开关、杂核发射通道、上变频部和接收通道，

质子收发开关包括第一质子收发切换端、第二质子收发切换端、质子收发固定端，

杂核发射通道包括下变频模块、杂核功率放大器和杂核收发开关，杂核收发开关包括第一收发开关切换端、第二收发开关切换端和收发开关固定端，

射频探头包括探头质子通道和探头杂核通道，

上变频部包括杂核前置放大器和上变频模块，

接收通道包括质子前置放大器和通道切换开关，通道切换开关包括第一通道切换开关切换端、第二通道切换开关切换端和通道切换开关固定端，

磁共振仪的磁共振仪发射端口与质子收发开关的第一质子收发切换端连接，质子收发开关的第二质子收发切换端与质子前置放大器的输入端连接，质子收发开关的质子收发固定端与探头质子通道连接，质子前置放大器的输出端与通道切换开关的第一通道切换开关切换端连接，通道切换开关的第二通道切换开关切换端与上变频模块的输出端连接，通道切换开关的通道切换开关固定端与磁共振仪的接收端口连接，上变频模块的输入端与杂核前置放大器的输出端连接，杂核前置放大器的输入端与杂核收发开关的第一杂核收发切换端连接，杂核收发开关的第二杂核收发切换端与杂核功率放大器的输出端连接，杂核收发开关的杂核固定端与射频探头的探头杂核通道连接，杂核功率放大器的输入端与下变频模块的输出端连接，下变频模块的输入端与磁共振仪的质子功率放大器的输入端连接。

一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置，还包括控制电路，

控制电路用于发出质子功率放大器控制信号控制磁共振仪的质子功率放大器；

还用于发出质子收发开关控制信号控制质子收发开关；

还用于发出杂核功率放大器控制信号控制杂核功率放大器；

还用于发出杂核收发开关控制信号控制杂核收发开关；

还用于发出模式切换信号控制通道切换开。

质子功率放大器控制信号为1时，质子功率放大器工作；质子功率放大器控制信号为0时，质子功率放大器工作停止工作，

质子收发开关控制信号为1时，质子收发固定端切换至与第一质子收发切换端连接；质子收发开关控制信号为0时，质子收发固定端切换至与第二质子收发切换端连接；

杂核功率放大器控制信号为1时，杂核功率放大器工作；杂核功率放大器控制信号为0时，杂核功率放大器停止工作，

杂核收发开关控制信号为1时，杂核收发固定端切换至与第二杂核收发切换端连接；当杂核收发开关控制信号为0时，杂核收发固定端切换至与第一杂核收发切换端连接，

模式切换信号为1时，通道切换开关固定端切换至与第二通道切换开关切换端连接；当模式切换信号为0时，通道切换开关固定端切换至与第一通道切换开关切换端连接。

如上所述的控制电路还用于接收收发切换控制信号、模式切换控制信号和接收反向信号，

收发切换控制信号为磁共振仪的脉冲程序控制器输出的脉冲序列控制信号，

当模式切换控制信号为1时：质子功率放大器控制信号和质子收发开关控制信号均为0，杂核功率放大器控制信号为1，杂核收发开关控制信号与收发切换控制信号相同，当接收反向信号为0时，模式切换信号为1，当接收反向信号c为1时，模式切换信号为0；

当模式切换控制信号为0时，杂核功率放大器控制信号和杂核收发开关控制信号均为0，质子功率放大器控制信号为1，质子收发开关控制信号与收发切换控制信号相同，当接收反向信号为0时，模式切换信号为0，当接收反向信号为1时，模式切换信号为1。

与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1、降低了单质子通道磁共振仪进行极化转移实验的改造成本。

2、可以通过各模块的时序控制，使用极化转移技术提高杂核实验的信噪比。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。其中，加粗箭头表示射频链路，细箭头表示数字控制信号。

图2是质子收发开关的连接方式示意图。

图3是杂核发射通道的结构与连接方式示意图。

图4是射频探头的结构与连接方式示意图。

图5是上变频模块的结构与连接方式示意图。

图6是接收通道的结构与连接方式示意图。

图7是控制电路的结构示意图。

图8为用于测量相干二维谱的hmqc序列。

图8中，图中i核为质子，s核为一非质子的杂核，整体自旋系统的演化如下：首先对质子进行90°质子脉冲激发，

阶段a：通过质子与杂核的偶合，将质子信号转化成一个便于操作的偶合反相信号，该阶段时间为1/(2j)，j为两核之间的偶合常数；

阶段b：对杂核进行90°杂核脉冲激发，将偶合信号转化成多量子相干信号；

阶段c：产生间接维信号，该间接维信号能够反映与质子直接相连的杂核的化学位移，该阶段时间t1随序列重复次数提高而逐渐延长或缩短，该时间长度与重复次数呈线性关系；

阶段d：将经过阶段c演化的多量子相干信号转化为能够观测的偶合反相信号；

阶段e：将反相信号转化为正相信号进行检测。

图1～8中：1-磁共振仪；2-质子收发开关；3-杂核发射通道；4-射频探头；5-上变频部；6-接收通道；7-控制电路；

1a-质子功率放大器；1b-磁共振仪发射端口；1c-接收端口；1d-脉冲程序控制器；

3a-下变频模块；3b-杂核功率放大器；3c-杂核收发开关；

4a-探头质子通道；4b-探头杂核通道；

5a-杂核前置放大器；5b-上变频模块；

6a-质子前置放大器；6b-通道切换开关；

①-质子功率放大器控制信号；②-质子收发开关控制信号；③-杂核功率放大器控制信号；④-杂核收发开关控制信号；⑤-模式切换信号；

a-收发切换控制信号；b-模式切换控制信号；c-接收反向信号；d-供电端口。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

1、系统连接

在图1所示，一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置，包括质子收发开关2、杂核发射通道3、射频探头4、上变频部5、接收通道6和控制电路7。

质子收发开关2包括第一质子收发切换端、第二质子收发切换端、质子收发固定端。

杂核发射通道3包括下变频模块3a、杂核功率放大器3b和收发开关3c。收发开关3c包括第一收发开关切换端、第二收发开关切换端和收发开关固定端。

射频探头4包括探头质子通道4a和探头杂核通道4b。

上变频部5包括杂核前置放大器5a和上变频模块5b。

接收通道6包括质子前置放大器6a和通道切换开关6b。通道切换开关6b包括第一通道切换开关切换端、第二通道切换开关切换端和通道切换开关固定端。

控制电路7，用于接收收发切换控制信号a、模式切换控制信号b和接收反向信号c。

还用于发出质子功率放大器控制信号①、质子收发开关控制信号②、杂核功率放大器控制信号③、杂核收发开关控制信号④和模式切换信号⑤。控制电路7包括供电端口d。

模式切换控制信号b控制射频链路结构，使装置在质子和杂核的工作模式之间切换。具体为：

当模式切换控制信号b为1时：质子功率放大器控制信号①和质子收发开关控制信号②均为0，杂核功率放大器控制信号③为1，杂核收发开关控制信号④与收发切换控制信号a相同，当接收反向信号c为0时，模式切换信号⑤为1，当接收反向信号c为1时，模式切换信号⑤为0；

当模式切换控制信号b为0时，杂核功率放大器控制信号③和杂核收发开关控制信号④均为0，质子功率放大器控制信号①为1，质子收发开关控制信号②与收发切换控制信号a相同，当接收反向信号c为0时，模式切换信号⑤为0，当接收反向信号c为1时，模式切换信号⑤为1。

接收反向信号c用于在交叉收发模式下将接收通道反向切换，使得装置能够在接收的同时发射去偶脉冲。当接收反向信号c分别为0和1时，控制电路7输出的模式切换信号⑤是完全相反的。

磁共振仪1的磁共振仪发射端口1b与质子收发开关2的第一质子收发切换端连接，质子收发开关2的第二质子收发切换端与质子前置放大器6a的输入端连接，质子收发开关2的质子收发固定端与探头质子通道4a连接，质子前置放大器6a的输出端与通道切换开关6b的第一通道切换开关切换端连接，通道切换开关6b的第二通道切换开关切换端与上变频模块5b的输出端连接，通道切换开关6b的通道切换开关固定端与磁共振仪1的接收端口1c连接，上变频模块5b的输入端与杂核前置放大器5a的输出端连接，杂核前置放大器5a的输入端与杂核收发开关3c的第一杂核收发切换端连接，杂核收发开关3c的第二杂核收发切换端与杂核功率放大器3b的输出端连接，杂核收发开关3c的杂核固定端与射频探头4的探头杂核通道4b连接，杂核功率放大器3b的输入端与下变频模块3a的输出端连接，下变频模块3a的输入端与磁共振仪1的质子功率放大器1a的输入端连接。

上述的切换端和固定端，均是为描述单刀双掷的切换关系，可以是实现上述切换关系的单刀双掷继电器的连接端，也可以是各种功率管、场效应管等搭建的切换电路的连接端，也可以是其他方式实现上述切换关系的切换模块的连接端。

质子功率放大器1a由质子功率放大器控制信号①控制是否工作。质子功率放大器控制信号①为1时，质子功率放大器1a工作；质子功率放大器控制信号①为0时，质子功率放大器1a工作停止工作。

质子收发开关2由质子收发开关控制信号②控制切换状态，当质子收发开关控制信号②为1时，质子收发固定端切换至与第一质子收发切换端连接，即磁共振仪发射端口1b实现与探头质子通道4a连通；当质子收发开关控制信号②为0时，质子收发固定端切换至与第二质子收发切换端连接，即探头质子通道4a实现与质子前置放大器6a的输入端连通。

杂核功率放大器3b由杂核功率放大器控制信号③控制是否工作。杂核功率放大器控制信号③为1时，杂核功率放大器3b工作；杂核功率放大器控制信号③为0时，杂核功率放大器3b停止工作。

杂核收发开关3c由杂核收发开关控制信号④控制切换状态，当杂核收发开关控制信号④为1时，杂核收发固定端切换至与第二杂核收发切换端连接，即杂核功率放大器3b实现与探头质子通道4b连通；当杂核收发开关控制信号④为0时，杂核收发固定端切换至与第一杂核收发切换端连接，即探头质子通道4b实现与杂核前置放大器5a的输入端连通。

通道切换开关6b由模式切换信号⑤控制切换状态，当模式切换信号⑤为1时，通道切换开关固定端切换至与第二通道切换开关切换端连接，即磁共振仪1的接收端口1c与上变频模块5b的输出端实现连接；当模式切换信号⑤为0时，通道切换开关固定端切换至与第一通道切换开关切换端连接，即磁共振仪1的接收端口1c与质子前置放大器6a的输出端连接。

收发切换控制信号a始终为磁共振仪的脉冲程序控制器1d输出的脉冲序列控制信号。

质子模式下：

模式切换控制信号b和接收反向信号c均为0。

此时质子功率放大器控制信号①为1，质子功率放大器1a工作；

质子收发开关控制信号②与收发切换控制信号a相同；

杂核功率放大器控制信号③为0，杂核功率放大器3b停止工作；

杂核收发开关控制信号④为0，杂核收发开关3c始终处于接收模式；

模式切换信号⑤为0，仅有来自于质子前置放大器6a的质子信号能够通过通道切换开关6b进入接收端口1c。

仪器脉冲发射阶段时，收发切换控制信号a为1，也即质子收发开关控制信号②为1，此时探头质子通道4a与仪器发射端口1b相连。信号从磁共振仪1内信号源出发，经过磁共振仪1内的质子功率放大器1a和仪器发射端口1b，以及外接的质子收发开关2进入探头质子通道4a对样品进行激发；

仪器信号接收阶段时，收发切换控制信号a为0，质子收发开关控制信号②为0，此时探头质子通道4a与质子前置放大器6a相连。样品产生的微小信号被探头质子通道4a接收后，经过质子收发开关2进入质子前置放大器6a进行信号放大。放大后的信号先后经过通道切换开关6b和接收端口1c进入磁共振仪1进行信号的后续处理。

杂核模式下：

模式切换控制信号b为1，接收反向信号c为0。

此时质子功率放大器控制信号①为0，质子功率放大器1a停止；

质子收发开关控制信号②为0，质子收发开关2始终处于接收模式，探头质子通道4a与质子前置放大器6a相连；

杂核功率放大器控制信号③为1，杂核功率放大器3b工作；

杂核收发开关控制信号④与收发切换控制信号a相同；

模式切换信号⑤为1，仅有来自于上变频模块5b的杂核信号能够通过通道切换开关6b进入接收端口1c。

仪器脉冲发射阶段时，收发切换控制信号a为1，也即杂核收发开关控制信号④为1，此时探头杂核通道4b与杂核功率放大器3b相连。信号从磁共振仪1内信号源出发，经过下变频模块3a与本振信号lo1混频，并取频率为杂核频率的差频信号后，进入杂核功率放大器3b放大。放大后的信号经过杂核收发开关3c进入探头杂核通道4b对样品进行激发；

仪器信号接收阶段时，收发切换控制信号a为0，也即杂核收发开关控制信号④为0，此时探头杂核通道4b与杂核前置放大器5a相连。样品产生的微小信号被探头杂核通道4b接收后，经过杂核收发开关3c进入杂核前置放大器5a进行信号放大。放大后的信号经过上变频模块5b与本振信号lo2混频，并取频率为质子频率的差频信号后，经过通道切换开关6b和接收端口1c进入仪器进行信号的后续处理。

异核实验时，有时需要在接收某一个核的信号同时，对另一核进行去偶脉冲。本装置设计时满足了这一需求。此时将装置状态设置在去偶核的模式下，发射链路控制与上述相应模式相同。此时输入接收反向信号c，使得通道切换开关6b工作模式切换至与去偶核相反的观测核上。从而实现对一个核进行发射的同时对另一核的信号进行接收的工作模式。这种模式与上述两种单核模式可以根据脉冲序列的需求，通过时序控制本装置在三种模式之间切换，这种工作状态为本装置的极化转移工作模式。该模式能够用于常用的各种多核脉冲序列(如hmqc)。

实施例2：

利用实施例1所述一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置进行单质子工作模式。单质子工作模式主要用于定位像的采集，该模式与仪器原有的工作模式相同。

实验开始前，应对射频探头4的探头质子通道4a和探头杂核通道4b的调谐和匹配进行调节，使得射频探头4在相应频率上实现最小反射。关闭控制电路7的模式切换控制信号b，即模式切换控制信号b为0，此时控制电路7输出信号如下：

质子功率放大器控制信号①为1，质子功率放大器1a工作；

质子收发开关控制信号②为收发切换控制信号a，也即质子收发开关2由磁共振仪1的脉冲程序控制器1d输出的脉冲序列控制；

杂核功率放大器控制信号③为0，杂核功率放大器3b停止工作；

杂核收发开关控制信号④为0；

模式切换信号⑤为0，通道切换开关6b处于质子模式。

此时装置整体处于质子模式。

实施例3：

利用实施例1所述一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置进行单杂核工作模式。单杂核模式用于确定杂核的90°脉冲参数，也可以用于其他的单杂核与部分杂核同核实验。

实验开始前，应对射频探头4的探头质子通道4a和探头杂核通道4b的调谐和匹配进行调节，使得射频探头4在相应频率上实现最小反射。

打开控制电路7的模式切换控制信号b，即模式切换控制信号b为1，此时控制电路7输出信号如下：

质子功率放大器控制信号①为0，质子功率放大器1a停止；

质子收发开关控制信号②为0；

杂核功率放大器控制信号③为1，杂核功率放大器3b工作；

杂核收发开关控制信号④为收发切换控制信号a，也即杂核收发开关3c由磁共振仪1的脉冲程序控制器1d输出的脉冲序列控制；

模式切换信号⑤为1，通道切换开关6b处于杂核模式。

此时装置整体处于杂核模式。

实施例4:

利用实施例1所述一种用于极化转移增强技术的多核磁共振射频通道装置进行极化转移工作模式。

极化转移模式用于异核极化转移的采谱和成像实验，根据实验序列要求对控制电路7进行序列程序控制输入，具体流程视所用序列不同而有所差异，下面以hmqc采谱序列为例进行说明。

实验开始前，应对射频探头4的探头质子通道4a和探头杂核通道4b的调谐和匹配进行调节，使得射频探头4在相应频率上实现最小反射。

hmqc采谱序列中按时间顺序依次为：90°质子脉冲、90°杂核脉冲、180°质子脉冲、90°杂核脉冲、质子接收同时杂核通道发射宽带去偶脉冲。具体的脉冲时序图如图8所示。对于hmqc采谱序列，本专利设计控制时序表述如下：

步骤1、控制电路7输出：

质子功率放大器控制信号①为1；

质子收发开关控制信号②为收发切换控制信号a，收发切换控制信号a通过控制电路7控制，控制探头质子通道4a发射90°质子脉冲。

杂核功率放大器控制信号③为0；

杂核收发开关控制信号④为0；

模式切换信号⑤为0。

步骤2、控制电路7输出：

质子功率放大器控制信号①为0、

质子收发开关控制信号②为0、

杂核功率放大器控制信号③为1、

杂核收发开关控制信号④为收发切换控制信号a，收发切换控制信号a通过控制电路7，控制探头杂核通道发射90°杂核脉冲。

模式切换信号⑤为1。

下变频模块3a输入本振信号lo1，上变频模块5b输入本振信号lo2，用于变频，本振信号lo1的频率取值和本振信号lo2的频率取值为质子通道和杂核通道的观测核拉莫尔频率之和(例如4.7t下，质子频率ωh≈200.0mhz，杂核¹⁴n的杂核频率ωn≈14.5mhz。此时本振信号频率lo1=lo2=214.5mhz)。

90°杂核脉冲发射完毕后关闭控制电路7的模式切换控制信号b，使得

质子功率放大器控制信号①为1；

质子收发开关控制信号②为收发切换控制信号a；

杂核功率放大器控制信号③为0；

杂核收发开关控制信号④为0；

模式切换信号⑤为0。

步骤3、控制电路7输出：

质子功率放大器控制信号①为1；

质子收发开关控制信号②为收发切换控制信号a，收发切换控制信号a通过控制电路7控制，控制探头质子通道发射180°质子脉冲。

杂核功率放大器控制信号③为0；

杂核收发开关控制信号④为0；

模式切换信号⑤为0。

步骤4、重复步骤2；

步骤5、控制电路7输出：

质子功率放大器控制信号①为0；

质子收发开关控制信号②为0；

杂核功率放大器控制信号③为1；

杂核收发开关控制信号④为收发切换控制信号a，信号a在整个接收步骤下保持为1；

模式切换信号⑤为0。

打开接收通道1c即可将探头质子通道4a接收的信号送回磁共振仪内部进行后续的信号处理。再由相应的工作站数据处理得到hmqc序列的相干谱。

步骤6、实验结束后，关闭控制电路7的供电，实验结束。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。