超低场下SQUID检测的NMR和MRI制造技术

在微特斯拉场中检测核磁共振（ＮＭＲ）信号。在毫特斯拉场中预极化之后用未调谐超导量子干涉装置（ＳＱＵＩＤ）磁力计检测。因为ＳＱＵＩＤ的灵敏度与频率无关，通过在低级磁场中检测ＮＭＲ信号可同时增强信噪比（ＳＮＲ）和谱分辨率，其中即使对于非常不均匀的测量场，ＮＭＲ线也非常窄。超低磁场中的ＭＲＩ基于超低场处的ＮＭＲ。施加梯度磁场，并且由检测到的ＮＭＲ信号构造图像。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关申请本申请要求2002年2月6日提交的临时申请序列号No.60/355,577的优先权，该申请在此引作参考。政府权利依照美国能源部与加利福尼亚大学之间的合同No.DE0AC03-76SF00098，美国政府具有本专利技术的权利。
技术介绍
本专利技术概括而言涉及核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)，具体涉及超低磁场下的NMR和MRI。核磁共振(NMR)是一种用于获得有关原子和原子构成的分子的信息的技术。NMR对具有原子核的原子起作用，原子核中至少一个质子或中子不成对。这种不平衡引起这些原子核如同微型陀螺那样绕轴自旋，产生磁矩，即原子核如同具有北极和南极的磁铁一样。当暴露于外磁场时，这些自旋磁体趋于使它们的轴沿磁力线方向对准。不过，对准不精确，产生对于每种原子核独一无二的围绕磁力线的摆动旋转(旋进)。当暴露于磁场时，如果用射频(RF)波轰击原子核，则根据旋转速率其吸收射频波并再次发射出特定频率的能量。从而共振频率是识别原子核的特征信号。当原子核吸收入射射频波的能量时，它们不再与外磁场线对准。当它们随后损失这一能量时，原子核恢复对准。共振原子核与磁场线重新对准的速率提供了有关其位置和相对相邻原子核运动的详细信息。这就提供了一种不可逆的技术来研究分子样品中原子的结构、动态和空间关系。NMR具有两个分支光谱学和成像。在NMR光谱学中，改变入射射频波的频率，并测量原子核吸收和发出的所有不同频率，得出谐振谱。这种NMR谱揭示出分子组成材料以至于构成原子的位置和运动。在磁共振成像(MRI)中，入射射频光的频率保持恒定，不过改变外磁场的强度。所产生的信号相当于样品任何部分中存在的自旋原子核的总数，即该点处样品的原子密度。可通过计算机将由点阵列获得的信息转换成可识别的图像。由于MRI专利技术于20世纪70年代早期，MRI扫描仪已经稳定地朝向更高磁场强度方向发展。高场下获得的增强灵敏性使其可以分辨更短长度大小的特征，并能接近于实时分析进行快速成像试验。当前的临床扫描仪工作于1.5T场强度下，相当于64MHz的质子拉莫尔频率；当前，已经获得将4T图像应用于临床应用的批准。世界上有多种设备具有用于研究目的的7T扫描仪。同时，最近三十年来人们一直致力于研究用于低磁场MRI的系统。许多这类工作是通过成本激励的工作在1.5T的商业整体成像仪花费几百万美元，并且这种机器的操作对于医院或研究机构的基础设施具有相当多的要求。此外，由于高场系统的尺寸和复杂性，必须固定在一个位置，并且必须将样品或测试对象运输到该系统，并插入高磁场的限制芯中；在有些情况下这简直是不可能的。低成本、便携式MRI扫描仪极为吸引人，作为开方式MRI系统，能在进行医疗处理的同时获得MRI。廉价、便携式成像仪使MRI能解决多种新问题，可能将其从高度专门的临床和研究技术转换成更加广泛、灵活的用于快速患者筛查和普通不可逆成像的工具。不过，任何种类的便携式或开放MRI系统都需要工作在相对较低的磁场强度下。此外，尽管具有灵敏性减小的严重缺点，不过原则上低场中获得的图像比高磁场中获得的图像具有更高质量。高场成像的一个不可避免的缺点是磁化率假象。当不同种类的样品放置在磁场中时，磁化率随样品体积的变化产生寄生磁场梯度。当这些寄生梯度与用于编码的梯度相当时，图像严重扭曲。在医学成像中，补牙或珠宝饰物的存在足以破坏MRI；身体内部如窦中固体-液体和固体-空气界面处磁化率的突然改变，产生更加细微的变形，不过无论如何都不能对可接受的空间分辨率进行严格的限制。因为寄生梯度的强度与所施加场的强度呈线性，可通过在低磁场中成像完全消除磁化率产生的变形。最后，低磁场中组织中的T1常数增强。由此，低场图像使不同种器官和组织具有更加明显的区别，与高场中获得的相应图像相比趋于包含更多信息。(值得注意的是，在早期的MRI中，许多研究者就怀疑MRI是否能成为有用的临床工具，正是由于高场中组织对比度降低。)近年来存在多种低场MRI方法。通常根据在电磁铁产生的10mT到100mT量级静场下的法拉第检测。这些研究中的主要障碍在于低场试验固有的低灵敏度。在一种不同的方法中，H.C.Seton等人在“A4.2K receiver coil and SQUID amplifier used to improve the SNR oflow-field magnetic resonance images of the human arm”(Meas.Sci.Technol.8，198-207(1997))中采用调谐SQUID(超导量子干涉器件)磁力计进行NMR检测；SQUID产生的SNR比10mT场下从室温样品获得的图像中传统检测增大2.8-4.5倍。在A.Macovski等人“Novelapproaches to low cost MRI”(Magn.Reson.Med.30，221-230(1993))和W.Shao等人“Low readout field magnetic resonance imaging ofhyperpolarized xenon and water in a single system”(Appl.Phys.Lett.80，2032-2034(2002))的低场成像工作中，在0.3T的场中将自旋预极化，而在30mT的更低场中检测NMR信号。此处，极化场的均匀性并不重要，并且预极化步骤可使样品磁化的幅值增强一个量级。使用同样的技术，J.Stepisnik等人“NMR imaging in the Earth’s magneticfield”(Magn.Reson.Med.15，386-391(1990))和G.Planinsic等人“Relaxation-time measurement and imaging in the Earth’s magneticfield”(J.Magn.Reson.Ser.A 110，170-174(1994))在地磁场(BEarth～50μT)中获取MRI，证明低场中获得的T1常数增大。不过，在Macovski等人和Stepisnik等人的工作中，在地磁场中的法拉第检测必然损失大量信号。超导量子干涉装置(SQUID)是基于量子力学约瑟夫森效应的灵敏的磁场检测器。SQUID基于超导体，当冷却到临界温度Tc时其电阻降到零。通过将超导材料与非常薄的绝缘层分离成电子对可以穿过的隧道而形成SQUID。超导材料与绝缘层的这种结合形成约瑟夫森结，即两个超导体通过一个弱链结合。SQUID由超导环或者在两个位置通过约瑟夫森结中断的方形组成。当足够大的电流施加给SQUID时，在其主体上产生电压。在存在磁场时，该电压将随场强的改变而改变。从而SQUID将更加难以测量的磁场改变变成非常易于测量的电压改变。为了使用，SQUID几乎总是与辅助部件连接。为了形成磁力计，将SQUID与磁通量变压器连接，磁通量变压器由相对较大的超导材料环和非常小的多匝线圈组成。由于大环在更大面积上加速磁场，SQUID改变磁场强度的灵敏度成倍提高。最初SQUID由低Tc超导体例如铌(Tc＝9.5K)制成，其需要液氦冷却。近来，已经使用高Tc陶瓷氧化物超导材料如钇钡铜氧化物(YBCO)材料(Tc＝93K本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于样品核磁共振（ＮＭＲ）的方法，包括：　　　　在毫特斯拉磁场下的样品中将原子核自旋预极化；　　　　在微特斯拉磁场中用未调谐低临界温度（Ｔｃ）超导量子干涉装置（ＳＱＵＩＤ）磁力计从样品检测核磁共振（ＮＭＲ）信号。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约翰克拉克，罗伯特麦克德莫特，亚历山大派尼斯，安德烈亚斯H特贝辛格，
申请(专利权)人：加利福尼亚大学董事会，
类型：发明
国别省市：US[美国]