超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈及安装支架

摘要

本发明公开了超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈及安装支架，梯度线圈包括第一梯度线圈电路板、第二梯度线圈电路板、接地端子和串联同轴线，两块梯度线圈电路板镜像对称的安装在支架的梯度线圈槽内，且相互串联，构成表面双平板结构，平板平面平行与主磁场方向。两块梯度线圈电路板层数均为三层。安装支架包括架体和上盖板，架体包括顶盘和底盘以及连接顶盘和底盘的连接座。本发明线圈结构简单，电阻值小，效率高，散热良好，安装支架能够提供足够的微流控空间，适配该梯度线圈。

说明书

技术领域

本发明涉及超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈技术，尤其是涉及高场超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈及安装支架。

背景技术

梯度线圈是核磁共振波谱仪的重要部件之一，其主要用于实现自动匀场和谱学脉冲梯度场检测技术，从而获得更好的信号质量和更多的检测信息。商用的超导脉冲核磁共振波谱仪梯度线圈在探头顶端，绕在位于射频线圈外的圆柱形安装支架上，由沿主磁场方向布设的多组成对圆形或圆弧形线圈构成，线圈平面垂直于主磁场方向。而在低场核磁共振仪器的开放磁体中使用的是双平板梯度线圈，多组成对的圆形或圆弧形线圈布设在两块平板上，平板安装在磁体的上下极板上，线圈平面也与主磁场方向垂直。近年来微流控技术与各种检测技术的结合成为新的研究热点之一，2010年英国南安普顿大学Marcel Utz教授团队将微流控技术引入核磁共检测实验中(Science,2010,330,1056-1058)，开启了微流控核磁共振新方向，例如应用于生物医学领域的微流控磁共振成像技术、应用于化学领域的微流控核磁共振原位检测技术和低场小型核磁共振的多通量微流控技术。因为微流通路结构复杂，形式多样，有时需要多输入流路，因此微流通路板的宽度尺寸较大，而相应的核磁共振微射频线圈也为扁平微带结构，这对核磁共振波谱仪的微流控探头提出了较大的线圈空间需求。另一方面，目前对于超导脉冲核磁共振波谱仪中微流控技术的研究主要集中在射频微带线圈设计、磁场均匀性调整和化学体系分析等方面，再加上商用探头圆柱形梯度线圈限制了空间，因此梯度场技术使用的较少，但是梯度场技术能够使得匀场更好更快，能够获得更多的信息，因此适配微流控芯片的梯度线圈具有重要意义。

一些文献给出了磁共振成像中平板表面梯度线圈的原理和改进设计，例如“Z.H.CHO and J.H.Yi,A Novel Type of Surface Gradient Coil,Journal of MagneticResonance.1991,94:471-485.”给出了表面梯度线圈的理论和磁共振成像中的应用，文献“R.Lemdiasov,R.Ludwig,M.Brevard,C.Ferris,Design and Implementation of aUniplanar Gradient Field Coil for Magnetic Resonance Imaging,Concepts inMagnetic Resonance Part B.2004,20B(1):17-29.”是对磁共振成像表面梯度线圈的改进，2015年公开的中国专利“一种磁共振显微成像用平面梯度线圈”(公开号CN 104730476A)涉及的是一组三方向正交的微型平面梯度线圈，其磁场方向均垂直于线圈平面；文献“H.Ryan,A.Smith,M.Utz,Structural shimming for high-resolution nuclearmagnetic resonance spectroscopy in lab-on-a-chip devices.Lab on A Chip,2014,14(10):1678-1685.”中介绍的微流控线圈应用的梯度线圈采用商用梯度线圈，为常规圆柱面结构。对于超导脉冲核磁共振波谱仪微流控技术，由于探头空间有限，平板方向需平行主磁场方向，因此平板表面梯度线圈效率、结构和接口等具有自身特点要求，相应的支架也需适配。一些文献给出了核磁共振波谱仪微流控线圈支架，均是射频微带线圈支架，例如“A.Yilmaz,M.Utz,Contactless NMR Spectroscopy on a chip,Analytical Chemistry,2012,84:3696-3702”和“H.Ryan,S.H.Song,A.ZaB,J.Korvink,M.Utz,Characterisationof oxygen permeation into amicrofluidic device for cell culture by in-situNMR spectroscopy,lab on a chip,2016,16(11):2079-2085”中涉及了核磁共振微流控微带线圈工字形支架，无法适配平面梯度线圈。

综上所述，有必要设计超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈及安装支架，以使平面梯度线圈能够产生足够强度的梯度场，用于谱学脉冲梯度场检测技术，且线圈结构简单，电阻值小，效率高，散热良好，而所设计的安装支架能够提供足够的微流控空间，适配该梯度线圈。

发明内容

本发明提供了超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈及安装支架，其克服了背景技术的所存在的不足。本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：

超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈，其特征在于：它包括：第一梯度线圈电路板、第二梯度线圈电路板、地线端子和串联同轴线，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的形状均为带有两个接口柄的方形结构，两个接口柄位于方形结构的下端两侧，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板均安装在支架的梯度线圈槽内且通过串联同轴线相互串联，形成表面双平板梯度线圈结构，电路板平面与核磁共振主磁场方向平行，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的层数均为三层，分别为线圈电路层、输入走线层和地线屏蔽层，地线端子为长方体结构并设有一个固定柄，地线端子连接第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层和第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层。

一较佳实施例之中，所述线圈电路层包括线圈部、串联连接端点、输入连接端点和接地铺铜，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的线圈电路层的电路结构镜像对称，线圈部为多圈方形螺旋状，具有线圈起点和线圈终点，相邻两圈之间的横向间距相同，相邻两圈之间的纵向间距各不相同，串联连接端点和输入连接端点位于线圈电路层的接口柄上，所述线圈终点与串联连接端点连接，所述线圈起点通过过孔与位于输入走线层的输入走线连接；所述接地铺铜不与线圈部、串联连接端点和输入连接端点连接，接地铺铜包括周边接地铺铜和中间接地铺铜，中间接地铺铜位于线圈部的中心，周边接地铺铜位于线圈部和连接端点的外周，接地铺铜通过多个过孔和该梯度线圈电路板的地线屏蔽层连接。

一较佳实施例之中，所述两块梯度线圈电路板的输入走线层均设有一条走线，具有第一端和第二端，第一端通过过孔连接到线圈电路层的输入连接端点，第二端通过过孔连接到线圈电路层的线圈起点，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的输入走线层电路结构镜像对称。

一较佳实施例之中，所述第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层全部铺铜，在接口柄位置均设置地线端子焊盘。

一较佳实施例之中，所述地线端子焊接在两个梯度线圈电路板的地线端子焊盘之间，所述串联同轴线芯线焊接在两块梯度电路板的串联连接端点，同轴线的外壳地线焊接在串联连接端点周边的周边接地铺铜上。

一较佳实施例之中，所述第一梯度线圈电路板线圈电路层的中间接地铺铜的几何中心位置设置有第一开窗，所述第一梯度线圈电路板地线屏蔽层的几何中心位置设置有与第一开窗相对应的第二开窗，两个开窗均为长方形，长边平行核磁共振主磁场方向。

一较佳实施例之中，所述第一梯度线圈电路板的线圈部之中心为第一梯度线圈电路板之几何中心，所述第二梯度线圈电路板的线圈部之中心为第二梯度线圈电路板之几何中心。

本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：根据上述任意一项所述的超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈的安装支架，其特征在于：

所述安装支架包括架体，架体包括顶盘和底盘以及连接顶盘和底盘的连接座，连接座设有均沿连接座长度方向延伸且依次横向间隔布置的第一装配腔、第二装配腔和第三装配腔，且第一装配腔和第二装配腔相连通，第二装配腔和第三装配相连通，连接座前后二侧面分别设有第一窗口和第二窗口，第一窗口、第一装配腔、第二装配腔、第三装配腔和第二窗口均相贯通；

射频线圈和微流控芯片纵向安装在第二装配腔，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板分别纵向安装在第一装配腔和第二装配腔且背向对称布置，且第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的线圈电路层正面分别朝向第一窗口和第二窗口，第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层背面朝向射频线圈的线圈层，第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层背面朝向射频线圈的接地层。

一较佳实施例之中，所述连接座为方形，且第一装配腔顶端和底端分别延伸至顶盘顶面和底盘底面并分别形成第一上开口和第一下开口，第二装配腔顶端和底端分别延伸至顶盘顶面和底盘底面并分别形成第二上开口和第二下开口，第三装配腔顶端和底端分别延伸至顶盘顶面和底盘底面并分别形成第三上开口和第三下开口，第一梯度线圈电路板位于第一装配腔内且其两个接口柄均从第一下开口处伸出第一装配腔外，第二梯度线圈电路板位于第三装配腔内且其两个接口柄均从第三下开口处伸出第三装配腔外，地线端子焊接在第一梯度线圈电路板的其中一接口柄的地线屏蔽层和第二梯度线圈电路板的其中一接口柄的地线屏蔽层之间。

一较佳实施例之中，所述第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板顶部的两个顶角处均设有定位槽；第一梯度线圈电路板的底面抵靠在第一下开口处的内底面，第二梯度线圈电路板的底面抵靠在第三开口处的内底面；所述支架还包括上盖，上盖底面设有与第二装配腔相对应的贯穿槽，贯穿槽两端部处均设有第二定位块，且贯穿槽两侧分别设有与第一装配腔相对应的两个第一定位块和与第三装配腔相对应的两个第三定位块，当上盖盖置在顶盘上时，两个第一定位块分别与第一梯度线圈电路板的两个定位槽相卡合，两个第三定位块分别与第二梯度线圈电路板的两个定位槽相卡合，两个第二定位块与射频线圈相定位配合，上盖与顶盘之间通过螺钉锁固在一起。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.与现有的平板梯度线圈相比较，本发明所设计的平板梯度线圈产生的磁场方向平行核磁共振主磁场方向，且梯度方向也为主磁场方向，这一特点能够满足超导脉冲核磁共振波谱谱学检测的需求；在结构方面双平板式梯度线圈和支架线圈槽能符合微流控技术中的射频和微流控芯片的扁平结构，能够为微流控芯片提供足够的通道空间；在效率方面双平板式梯度线圈紧贴射频芯片和微流控芯片，使得两块梯度线圈电路板间距非常小，因此在螺旋圈数少的情况下能够获得很高的效率，这也保障了线圈电阻值少，切换速度快。

2.接地铺铜包括周边接地铺铜和中间接地铺铜，由于射频微带线圈和相应的调谐电路，会向梯度线圈附近的空间四周辐射电磁波，这些电磁波会干扰产生梯度的电流，因此梯度线圈的接地铺铜设置需要尽量的多才能达到较好的屏蔽效果。

3.第一梯度线圈电路板线圈电路层的中间接地铺铜的几何中心位置设置有第一开窗，所述第一梯度线圈电路板地线屏蔽层的几何中心位置设置有与第一开窗相对应的第二开窗，两个开窗均为长方形，长边平行核磁共振主磁场方向，使得射频线圈的检测位置可对应第一开窗和第二开窗，以避免梯度线圈电路干扰射频线圈的特性，进而避免梯度线圈电路对磁场分布产生影响。

4.所述第一梯度线圈电路板的线圈部之中心为第一梯度线圈电路板之几何中心，所述第二梯度线圈电路板的线圈部之中心为第二梯度线圈电路板之几何中心，使得梯度线圈产生的磁场梯度中心是线圈部中心位置，且线圈部的中心位置和射频线圈中心及样品位置中心一致。

5.第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层朝向射频线圈的线圈层，第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层朝向射频线圈的接地层，使得所设计的安装支架能够提供足够的微流控空间，适配梯度线圈，同时，该安装支架结构能使平面梯度线圈能够产生足够强度的梯度场，用于谱学脉冲梯度场检测技术。

6.第一梯度线圈电路板两个接口柄均从第一下开口处伸出第一装配腔外，第二梯度线圈电路板两个接口柄均从第三下开口处伸出第三装配腔外，地线端子焊接在第一梯度线圈电路板的其中一接口柄的地线屏蔽层和第二梯度线圈电路板的其中一接口柄的地线屏蔽层之间，以方便地线端子和串联同轴线的焊接。

7.当上盖盖置在顶盘上时，两个第一定位块分别与第一梯形线圈电路板的两个定位槽相卡合，两个第三定位块分别与第二梯形线圈电路板的两个定位槽相卡合，两个第二定位块与射频线圈相定位配合，上盖与顶盘之间通过螺钉锁固在一起；此时，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板在周向上通过第一装配腔和第二装配腔分别进行限位，轴向上通过上盖的锁接以及定位块与定位槽的配合进行限位，以保证第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的稳固，防止两个梯度线圈电路板产生晃动进而影响实验结果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了一较佳实施例的第二梯度线圈电路板的立体分解整体示意图。

图2绘示了一较佳实施例的第一梯度线圈电路板的立体分解示意图。

图3绘示了一较佳实施例的安装支架的立体结构示意图之一。

图4绘示了一较佳实施例的安装支架的立体结构示意图之二。

图5绘示了一较佳实施例的架体的结构示意图之一。

图6绘示了一较佳实施例的架体的结构示意图之二。

图7绘示了一较佳实施例的上盖的结构示意图。

图8绘示了一较佳实施例的地线端子的结构示意图。

具体实施方式

请查阅图1至图2，超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈的一较佳实施例。

超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈包括第一梯度线圈电路板、第二梯度线圈电路板、地线端子600和串联同轴线610。

第一梯度线圈电路板如图2所示，第二梯度线圈电路板如图1所示，形状均为带有两个接口柄的方形结构，两个接口柄位于方形结构的下端两侧，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板均安装在支架的梯度线圈槽内且通过串联同轴线相互串联，形成表面双平板梯度线圈结构，两块电路板的平面均与核磁共振主磁场方向平行。地线端子600为长方体结构并设有一个固定柄620，地线端子600连接第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层和第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层。

第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的层数均为三层，分别为自上而下叠置的线圈电路层30、300、输入走线层20、200和地线屏蔽层10、100。

本实施例中，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的线圈电路层30、300的电路结构镜像对称。所述线圈电路层30、300包括线圈部31、310、串联连接端点、输入连接端点32、320和接地铺铜。

每一梯度线圈电路板的线圈部31、310均为多圈方形螺旋状，具有线圈起点33、330和线圈终点34、340，相邻两圈之间的横向间距相同，相邻两圈之间的纵向间距各不相同，串联连接端点34、340和输入连接端点32、320位于线圈电路层的接口柄上，所述线圈终点34、340与串联连接端点连接，所述线圈起点33、330通过过孔与位于输入走线层20、200的输入走线22、220连接。本实施例中，如图1或图2所示，所述线圈部31、310绕线共5匝，线宽为0.5毫米，从线圈部31、310的几何中心由内向外，在纵向方向上相邻两圈之间的间距分别为0.6毫米、0.8毫米、1.3毫米、1.2毫米。

所述接地铺铜不与线圈部31、310、串联连接端点和输入连接端点32、320连接，接地铺铜包括周边接地铺铜36、360和中间接地铺铜35、350，中间接地铺铜35、350位于线圈部31、310的中心，周边接地铺铜36、360位于线圈部31、310和输入连接端点32、320的外周，接地铺铜通过多个过孔37、370和该梯度线圈电路板的地线屏蔽层10、100连接。

本实施例中，所述两块梯度线圈电路板的输入走线层20、200均设有一条走线22、220，具有第一端23、230和第二端24、240，第一端23、230通过过孔连接到线圈电路层的输入连接端点32、320，第二端24、240通过过孔连接到线圈电路层的线圈起点33、330，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的输入走线层20、200电路结构镜像对称。

本实施例中，所述第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层10、100全部铺铜，在接口柄位置均设置地线端子焊盘14、140。

本实施例中，所述地线端子600焊接在两个梯度线圈电路板的地线端子焊盘14、140之间，所述串联同轴线610芯线焊接在两块梯度电路板的串联连接端点，同轴线的外壳地线焊接在串联连接端点周边的周边接地铺铜36、360上。

本实施例中，所述第一梯度线圈电路板线圈电路层的中间接地铺铜35、350的几何中心位置设置有第一开窗38，所述第一梯度线圈电路板地线屏蔽层的几何中心位置设置有与第一开窗38相对应的第二开窗13，两个开窗均为长方形，长边平行核磁共振主磁场方向。

本实施例中，所述第一梯度线圈电路板的线圈部31之中心为第一梯度线圈电路板之几何中心，所述第二梯度线圈电路板的线圈部310之中心为第二梯度线圈电路板之几何中心。

第二梯度线圈电路板和第一梯度线圈电路板的结构大体相同，唯一区别在于：第一梯度线圈电路板的中间接地铺铜35设有第一开窗38，第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层的几何中心位置设置有第二开窗13。

请查阅图3至图8，超导脉冲核磁共振波谱仪微流控平面梯度线圈的安装支架，所述安装支架包括架体500，架体500包括顶盘510和底盘520以及连接顶盘510和底盘520的连接座530。

如图3所示，顶盘510和底盘520均为圆形结构，顶盘510设有多个螺孔511。

连接座530为方形结构，其上下两端分别连接在顶盘510和底盘520的中心位置。

连接座530设有均沿连接座530长度方向延伸且依次横向间隔布置的第一装配腔531、第二装配腔532和第三装配腔533，且第一装配腔531和第二装配腔532相连通，第二装配腔532和第三装配533相连通，连接座530前后二侧面分别设有第一窗口534和第二窗口535，第一窗口534、第一装配腔531、第二装配腔532、第三装配腔533和第二窗口535均相贯通；

射频线圈和微流控芯片(图中未示出)纵向安装在第二装配腔532，第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板分别纵向安装在第一装配腔531和第二装配腔533且背向对称布置，且第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板的线圈电路层30、300正面分别朝向第一窗口534和第二窗口535，第一梯度线圈电路板的地线屏蔽层10背面朝向射频线圈的线圈层，第二梯度线圈电路板的地线屏蔽层100背面朝向射频线圈的接地层。

本实施例中，所述连接座530为方形，且第一装配腔531顶端和底端分别延伸至顶盘510顶面和底盘520底面并分别形成第一上开口541和第一下开口551，第二装配腔532顶端和底端分别延伸至顶盘510顶面和底盘520底面并分别形成第二上开口542和第二下开口552，第三装配腔533顶端和底端分别延伸至顶盘510顶面和底盘520底面并分别形成第三上开口543和第三下开口553，第一梯度线圈电路板位于第一装配腔531内且其两个接口柄均从第一下开口551处伸出第一装配腔531外，第二梯度线圈电路板位于第三装配腔533内且其两个接口柄均从第三下开口553处伸出第三装配腔533外，地线端子600焊接在第一梯度线圈电路板的地线端子焊盘14和第二梯度线圈电路板的地线端子焊盘140之间。

本实施例中，所述第一梯度线圈电路板和第二梯度线圈电路板顶部的两个顶角处均设有定位槽15、150；第一梯度线圈电路板的底面抵靠在第一下开口551处的内底面，第二梯度线圈电路板的底面抵靠在第三开口553处的内底面；所述支架还包括上盖700，上盖700底面设有与第二装配腔532相对应的贯穿槽710，贯穿槽710两端部处均设有第二定位块720，且贯穿槽710两侧分别设有与第一装配腔731相对应的两个第一定位块730和与第三装配腔533相对应的两个第三定位块740，当上盖700盖置在顶盘510上时，两个第一定位块730分别与第一梯度线圈电路板的两个定位槽15相卡合，两个第三定位块740分别与第二梯度线圈电路板的两个定位槽150相卡合，两个第二定位块720与射频线圈相定位配合，上盖700还设有螺孔711，上盖700与顶盘510之间通过螺钉锁接螺孔511和螺孔711以将上盖700和顶盘510锁固在一起。

本实施例中，射频线圈的检测位置对应第一梯度线圈电路板的第一开窗38和第二开窗13。

第一梯度线圈电路板的输入连接端点32与第二梯度线圈电路板的输入连接端点320分别与电源的正极和负极相连接，其电流流向为：

电流从第一梯度线圈电路板的输入连接端点32进入并从第一梯度线圈电路板的输入走线层的第一端23经过该输入走线层22并从该输入走线层的第二端24进入第一梯度线圈电路板的线圈起点33，再从第一梯度线圈电路板的线圈起点33经过该线圈部31后再从该线圈部的线圈终点34经过串联同轴线610进入第二梯度线圈电路板的线圈终点340，接着，从第二梯度线圈电路板的线圈终点340流经第二梯度线圈电路板的线圈部310后从该梯度线圈电路板的线圈起点330进入第二梯度线圈电路板的输入走线层的第二端240，并流经第二梯度线圈电路板的输入走线层220后从该输入走线层的第一端230进入第二梯度线圈电路板的输入连接端点320，再从该输入连接端点320流回电源负极。

通过仿真分析和实物制作测试，采用该平面梯度线圈与该安装支架的结合，能产生11高斯/(厘米*安培)的梯度场强度，梯度场方向与磁场方向均为主磁场方向，梯度线性区域为圆柱形，纵向10毫米，横向2毫米，梯度线圈的电阻值为0.05欧姆。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。