一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置

摘要

本发明公开了一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，呼吸接头分别与现有的超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机相连。呼吸接头通过呼吸管道与呼吸腔直接相连，加压腔和呼吸腔通过多孔隔膜直接相连，加压腔与呼吸管道的外径相连，常压挡板上有通气孔，常压挡板与呼吸腔的末端相连，麻醉气体回收盒与加压腔的外径和常压挡板相连，麻醉气体进气管道依次与流量计和压力计相连，压力计通过管道与加压腔相连。流量计和压力计之间利用三通阀分出一路，与MRI兼容呼吸机直接相连。结构简单，使用方便，实现了超极化气体测试；提供了自主呼吸的方式，避免了被动机械呼吸对动物肺部造成的损失，保证了测量结果的真实性和可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及超极化气体输送过程、动物的麻醉及肺部生理状态技术领域，更具体涉及一种用于超极化气体传输系统兼容的自主呼吸装置，它适用于动物肺部超极化气体磁共振成像（MRI）研究。 

背景技术

在我国，肺部疾病的发病率及人均疾病负担居高不下，已经成为非常严重的公共卫生问题和社会问题，亟需发展一些有效的方法能够用于肺部重大疾病的早期诊断和治疗。目前常用的肺部影像学手段包括X射线胸透、CT、PET-CT等，这些方法都具有放射性，且不能够对肺部的气体交换功能可视化。MRI对软组织具有超高的分辨率，在脑部、肌肉及神经的成像中非常有优势，肺部低质子密度、多空腔的结构特点使其成为MRI中的盲区。使用激光极化的自旋交换光泵技术，能够将原子的极化度与热平衡相比提高4-5个数量级，使气相的肺部MRI成为可能。目前，常用超极化的³He和¹²⁹Xe对肺部的结构和功能进行评价，³He与¹²⁹Xe相比，虽然有更高的信号强度，但具价格昂贵且使用受限，更重要的是¹²⁹Xe良好的脂溶性，使其能够探测更多的气血交换信息，在肺部功能检测的方面有很大的优势。 

目前，常用的超极化气体MRI实施方式为：成像对象将收集好的超极化气体吸入肺内，在屏气或特定的状态下进行磁共振采样。对于人的超极化气体MRI，飞利浦公司（专利申请号：201080028081.6）提出了一种与人脸贴合的面罩，防止气体的泄露，利用超极化气体的蒸发器和分配器实现了超极化气体向肺部的运输。一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置（专利申请号：CN201310301919.X）利用电磁阀和气动阀实现了对吸入和呼出超极化气体体积的定量控制。一种非麻醉状态下人体超极化气体呼吸装置，该装置包含控制台、I/O 接口、四个电磁阀、四个固态继电器、两通气控阀、三通变向气控阀、三个气体流量计，两个氮气瓶、超极化气体采样袋、密封有机玻璃盒和氧气瓶；第一电磁阀的出气口通过管道与第一气体流量计的进气口连通，第一气体流量计接有气体出口管道，第一电磁阀的进气口经三通管道分别与三通变向气控阀的接口A和第二电磁阀的出气口连通，第一电磁阀的控制端与第一固态继电器的输出端连接，第二电磁阀的进气口通过管道与第三气体流量计的出气口连通，第三气体流量计的进气口通过管道与氧气瓶连通，第二电磁阀的控制端与第二固态继电器的输出端连接，第三电磁阀的进气口通过管道与第一氮气瓶连接，出气口通过管道与三通变向气控阀控制气接口连通，第三电磁阀的控制端与第三固态继电器的输出端连接，第四电磁阀的进气口通过管道与第二氮气瓶连通，出气口与两通气控阀的控制气接口连接，第四电磁阀的控制端与第四固态继电器的输出端连接，超极化气体采样放在密封有机玻璃盒子内，超极化气体采样袋通过管道与两通气控阀的进气口连通，密封有机玻璃盒子通过管道与第二气体流量计的进气口连通，第二气体流量计接有气体出口管道，两通气控阀的出口通过管道与三通变向气控阀的接口B 连通，三通变向气控阀接有呼吸管道，I/O 接口的输入端与控制台的输出端连接，I/O 接口的输出端分别与第一固态继电器、第二固态继电器、第三固态继电器和第四固态继电器以及第一气体流量计、第二气体流量计和第三气体流量计的输入端连接。这两种气体传输装置是专门为人体设计的，这两种方式的实现都需要人在有意识的情况下主观配合，不能用于麻醉状态，更不能用于实验动物。 

肺部超极化气体MRI的诸多方法，在人体上实现之前，需要利用动物模型进行验证。人类疾病的动物模型，不仅能够突破很多伦理及方法上的限制，方便大量地模拟人类疾病的发生、发展规律，对疾病的机理研究及治疗方案和药物的筛选也有非常重要的意义。此外，疾病模型尤其是啮齿类动物的疾病模型，对发展和改进用于重大疾病早期发现的影像学手段，也具有重大意义。 

对于动物超极化气体成像而言，因其不能接受人的主观控制，所以需要依赖于呼吸辅助系统。目前常用的动物成像过程主要如下：将收集好的超极化气体通过升华装在Tedlar的袋子中，再通过高压将超极化气体运送到动物肺部进行成像，Duke大学的Hedlund等人（Hedlund L W et al. MR-compatible ventilator for small animals: computer-controlled ventilation for proton and noble gas imaging[J]. MagnReson Imaging, 2000. 18(6):753-9.）描述了一种用于MRI兼容的呼吸系统，能够定量的将超极化气体运送至动物肺部，实现超极化气体动物肺部成像。美国的医疗物理有限公司公开了一种用于呼吸器的磁共振成像/核磁共振兼容的超极化气体传送阀和关联的气体输送方法（专利申请号：200480005169），使用滑阀配置，使得传送系统能够定量满足不同潮气量和呼吸频率的实验需求。这两项专利都是从技术的角度出发，满足了成像方式的需求，但是并没有从生物医学和伦理学的角度出发，对动物的生理状态和利用率等方面进行优化。本装置就从这方面入手，优化动物的生理状态，提高动物利用率，保证测量结果的准确性。 

利用超极化气体的成像方式，对实验对象的肺功能进行评估，除了需要从生物医学的角度考虑到评价的准确性之外，还要从医学和人性化的角度考虑到评价方式的真实性，这就涉及到评价方式本身对动物肺部结构和功能的影响。由于在测试时，动物需要被麻醉才能进行操作，而研究表明，麻醉的深度会影响动物的呼吸状态及气血交换的功能。使用腹腔注射的方法诱导麻醉一方面起效慢量不易把握，另一方面，随着麻醉时间的推移，动物的生理状态会有较大改变。 

气体麻醉的方式见效快、恢复快，对动物的麻醉深度容易把握，能够长时间使动物的处于比较稳定的状态。MRI过程中常用的动物麻醉方法为，将呼吸的气体通过高压送到麻醉气体挥发罐中，麻醉气体以一定流速流到与动物面部相接的面罩中，保证动物吸入气体的麻醉药物浓度。但是对于插管动物，保持动物麻醉的手段大多类似于已有专利——一种实验用的动物呼吸管理方法（专利申请号：201210224582），具体方法如下：将商用的呼吸机与麻醉机相连，给呼吸机提供含有麻醉气体的气源，利用呼吸机持续的机械通气，实现实验动物的麻醉。而这种解决方式所使用的被动呼吸本身，会随着时间的改变，不同程度地损伤实验动物肺部的结构和功能，这就造成了在一些功能测试中，在不同时间（例如，第20分钟和第60分钟）所得到的测试结果不同。如果测量方式本身影响甚至损伤实验动物的肺部功能，将会影响测试结果的真实性、准确性和可重复性。 

受超极化气体产量及极化度的限制，收集一次用于超极化测试的¹²⁹Xe一般需要半个小时到一个小时，而一次测试需要的时间为10分钟左右。如果对同一只动物进行连续两次的实验，这就造成了动物需要等待大部分时间，如果这么长时间都使用机械呼吸给实验动物提供气体麻醉，那么将会造成实验动物肺部形态和功能的改变，造成第二次测试时所得的结果不真实和准确。为了在测试过程中保护动物肺功能，保证测试的准确性与可重复性，需要一种能够在MRI过程中以及MRI的间隔时间里保护插管动物肺功能的通气方式，而目前的装置不能满足这一需求，没有考虑多次超极化气体MRI过程。本发明提供了一个与当前超极化气体传输装置相兼容的自主呼吸装置，能够在超极化气体采样的间隙，提供动物自主呼吸的模式，以完全模拟动物的自主呼吸方式，最大程度地保护了动物的肺部结构和功能。 

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，是在于提供了一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，结构简单，使用方便，该模块与现有的超极化气体传输装置完全兼容，实现了超极化气体测试；提供了气体麻醉方式使实验动物拥有稳定的生理状态；提供了自主呼吸的方式，避免了被动机械呼吸对动物肺部造成的损失，保证了测量结果的真实性和可靠性。 

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施： 

一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，该自主呼吸装置由呼吸接头、呼吸管道、加压腔、多孔隔膜、呼吸腔、常压挡板、麻醉气体回收盒、麻醉气体进气端管道、流量计和压力计构成，在使用时，需要与一些现有的模块相连，还包括MRI谱仪、实验动物、动物体征监控装置、商用计算机、超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机、高压呼吸气源和商用麻醉机。其特征在于：呼吸接头分别与现有的超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机相连。呼吸接头通过呼吸管道与呼吸腔直接相连，加压腔和呼吸腔通过多孔隔膜直接相连，加压腔与呼吸管道的外径相连，常压挡板上有通气孔，常压挡板与呼吸腔的末端相连，麻醉气体回收盒的外壳与加压腔的外径和常压挡板相连，麻醉气体进气管道依次与流量计和压力计相连，压力计通过管道与加压腔相连。

该装置在具体实施时，需要与现有模块的连接方式如下：呼吸接头分别与现有的超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机相连。为了方便与呼吸机提供气源，在流量计和压力计之间利用三通阀分出一路，与MRI兼容呼吸机直接相连。实验动物放置在MRI谱仪的磁体中心，动物体征监控装置夹在实验动物身上,超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机以及本发明自主呼吸装置的呼吸接头分别通过气管插管与实验动物的肺部相连,商用计算机通过电路连接分别与超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机和动物体征监控装置相连，高压呼吸气源与商用麻醉机H相连，商用麻醉机出口与本发明的麻醉气体进气管道相连。 

各部分特征如下： 

呼吸接头用于与现有的气体传输装置相连，为最大程度减小呼吸过程中的无效腔，连接的位置需要尽量靠近气管插管。

呼吸管道直接与内层的呼吸腔相连，不直接与外层的加压腔相通，动物吸入和呼出的气体都在呼吸腔。保证动物吸入呼吸腔中麻醉药物浓度稳定的呼吸气体。 

稳定的高压麻醉气体从麻醉气体进气端管道进入，通过流量计可以控制麻醉气体流入的速度，利用压力计可以监控加压腔的压力，可以根据动物状态与实验要求调节麻醉气体的浓度和流速，保证气体持续稳定地流入。 

呼吸腔与加压腔构成呼吸罩。呼吸罩的主体为双层结构，内层为呼吸腔，外层为加压腔。加压腔的压力略大于呼吸腔。 

多孔隔膜将呼吸罩内外层分开，多孔隔膜是为了保证加压腔的超极化气体能够均匀的进入呼吸腔。保证加压腔中的麻醉气体均匀地分布在呼吸腔中提供动物呼吸，防止由于麻醉气体分布不均匀带来动物状态的不稳定。 

常压挡板的通气孔用于保证呼吸腔中的压力与外界大气压相同。因为肺部气-气交换的动力来自肺内压与大气压的压强差。肺部通过肌肉的收缩和舒张使得肺内压高于或低于外界大气压，利用这个气压差吸入新鲜的空气输出废气，如果不能保证呼吸腔的压力与外界大气压相同，将无法真正模拟正常呼吸，达到保护肺部的目的。通气孔的大小需要特别注意，如果开口太大，将不利于呼吸腔内麻醉气体浓度的保持，造成麻醉气体的外泄，在浪费药物。如果通气孔太小，将无法达到常压的目的，气孔的大小控制在约1mm左右。 

麻醉气体回收盒用于回收实验过程中溢出的麻醉气体，主要由回收盒外壳与回收药物构成。回收药物主要由活性炭（如R510-31，瑞沃德，中国）构成，一方面节约了麻醉气体，实现药物的回收再利用，另一方面防止多余的麻醉气体对实验人员的伤害。 

流量计和压力计用于监控麻醉气体进入加压腔的情况。 

本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置的主要特征是：能够在超极化气体测试的间歇提供自主呼吸，消除了使用呼吸机时被动呼吸及呼吸压力会对实验动物的肺部结构和功能产生伤害，由于超极化气体肺部MRI技术的主要功能是对肺部的结构和功能的探测，如果测试方法本身会对肺部产生伤害，将会造成实验结果的不真实和不准确。为了最小化该被动呼吸所造成的伤害，设计了自主呼吸装置，为气管插管的动物提供气体麻醉，保证超极化气体肺部MRI的真实性与更高准确度。 

本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，主要功能为：为插管的实验动物提供完全自主呼吸，模拟完全正常的动物。这就要求：i）呼吸腔内的气压能够与外界大气压相同。ii）呼吸腔内要含有均匀的麻醉气体，持续稳定地维持麻醉。为了达到上述两点要求，设计了双层结构的呼吸罩，外层为加压腔施加较高压力，通过多孔隔膜给呼吸腔带来均匀的呼吸气体和麻醉气体，常压挡板上有通气孔与外界大气压相通，保证动物的呼吸动力。 

本发明的主要原理是：在使用超极化气体测试时，使用被动呼吸模式，由于测试时间较短一般在10分钟以内，再加上压力的控制，能够最小化动物肺部所受到的呼吸机械损伤。而在等待气体收集的过程中，需要使用自主呼吸的麻醉方式对动物进行供气，要求气源稳定可调。另外，在自主呼吸的同时，能够对大鼠的呼吸、心率、血氧饱和度等进行监控，以便对气源的配比进行反馈调节，防止动物清醒或麻醉过深引起的测试不准。 

在正常状态下，等待超极化气体收集好的过程中，使用本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置对实验动物提供呼吸，此时，超极化气体传输模块E及MRI兼容的呼吸机F与气管插管连接中断。将流量计9调节到合适的流量，并用压力计10对加压腔3中的压力进行观测，保证加压腔中的压力略高于大气压。麻醉气体到达加压腔后经过内外层之前的多孔隔膜4扩散到呼吸腔内，保证呼吸腔内麻醉气体浓度，实验动物通过自主呼吸的方式呼吸呼吸腔中的气体。呼吸腔远端的通气孔保证了呼吸腔中的压力为标准大气压，避免在动物自主呼吸的过程中由于呼吸腔中气压的改变而改变呼吸动力，不能达到真正自主呼吸的状态。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果： 

1. 提供了一种有与现有的超极化气体传输装置完全兼容的自主呼吸装置，在保证实现动物肺部超极化气体MRI的同时，提供自主呼吸。

2. 提供一种可用于插管动物自主呼吸下的气体麻醉的装置，能够使实验动物在半开放环境中处于长时间的稳定状态，利用动物监控装备得到的动物的生理状态参数，可以实时地调整麻醉气体剂量，消除麻醉深度对肺部气血交换功能的影响。 

3. 能够在超极化气体测试的间歇提供自主呼吸，消除被动的机械呼吸所带来的肺部损伤。诸多研究表明，呼吸机的被动呼吸及呼吸压力会对实验动物产生伤害，这种伤害会随着呼吸潮气量及被动呼吸的时间慢慢出现并加深。本发明的装置能够根据检测的动物状态对动物进行实时调节，保证了测试结果的准确性、可重复性。 

4、能够实现对同一动物相同状态的多次测试，验证测试方法的稳定性及可重复性的同时，能够成倍的节约实验动物数量，假设每次实验需要两组数据，若不使用该自主呼吸装置，需要2只实验动物，使用该模块后，只需要一只动物。该模块可以对同一只实验动物进行多次测试验证测试方法的稳定性，而不需要使用多个实验动物来统计稳定性以消除个体差异，从这个意义上说，能够将实验动物数量缩减到原来的约1/3。 

附图说明

图1为一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置示意图。 

图2为一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置实施示意图。 

图中：1-呼吸接头；2-呼吸管道；3-加压腔；4-多孔隔膜；5-呼吸腔；6-常压挡板；7-麻醉气体回收盒（盒内的气体回收药物根据所选择的麻醉气体的不同可以自由配置，成分由活性炭构成，如瑞沃德公司已有的麻醉气体回收罐R510-31）；8-麻醉气体进气管道；9-流量计（LZG-15F）；10-压力计（CYB-I）；A-MRI谱仪；B-实验动物；C-动物体征监控装置（MouseOx?Plus MRI Compatible Systems）；D-商用计算机；E-超极化气体传输模块（Concepts MagnReson Part B MagnReson Eng. Apr 2011; 39B(2): 78–88.）；F-MRI兼容呼吸机；G-高压呼吸气源；H-商用麻醉机。 

具体实施方式

实施例1： 

下面结合图1、2作进一步的详细描述。

首先，描述本发明装置各部件的材料、形状和结构： 

一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，它由呼吸接头1、呼吸管道2、加压腔3、多孔隔膜4、呼吸腔5、常压挡板6、麻醉气体回收盒7、麻醉气体进气端管道8、流量计9和压力计10组成。还包括MRI谱仪A、实验动物B、动物体征监控装置C、商用计算机D、超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F、高压呼吸气源G和商用麻醉机H。其特征在于：呼吸接头1分别与现有的超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F相连。呼吸接头1通过呼吸管道2与呼吸腔5直接相连，加压腔3和呼吸腔5通过多孔隔膜4直接相连，加压腔3与呼吸管道2的外径相连，常压挡板6上有通气孔，常压挡板6与呼吸腔5的末端相连，麻醉气体回收盒7的外壳与加压腔3的外径和常压挡板6相连，麻醉气体进气管道8依次与流量计9和压力计10相连，压力计10通过管道与加压腔3相连。该模块在具体实施时，需要与现有模块的连接方式如下：呼吸接头1分别与现有的超极化气体传输模块、MRI兼容呼吸机相连。为了方便与呼吸机提供气源，在流量计9和压力计10之间利用三通阀分出一路，与MRI兼容呼吸机F直接相连。实验动物B放置在MRI谱仪A的磁体中心，动物体征监控装置C夹在实验动物B身上,超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F以及本发明用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置中的呼吸接头1分别通过气管插管与实验动物的肺部相连,商用计算机D通过电路连接分别与超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F和动物体征监控装置C相连，高压呼吸气源G与商用麻醉机H相连，商用麻醉机H出口与本发明自主呼吸装置的麻醉气体进气管道8相连。

麻醉气体回收盒主要由回收盒的外壳与回收药物构成，回收盒的外壳与加压腔的外径和常压挡板相连。回收药物放置在回收盒内，药物的主要成分由活性炭构成,可以直接使用现有的麻醉气体过滤罐（R510-31，瑞沃德，中国）中的药物。 

使用时，加压腔内充满麻醉气体，气体通过多孔隔膜进入呼吸腔，加压腔内的压力介于呼吸腔与麻醉气体进气端管道之间，所以麻醉气体的走向为麻醉气体进气端管道→加压腔→呼吸腔。多孔隔膜上小孔分布特点为：靠近呼吸管道的地方分布较多，而远离呼吸管道的地方分布较少。 

所述的常压挡板阻挡了呼吸腔与外界的直接相连，形成了相对密封的环境。呼吸腔外接麻醉气体回收盒，内置活性炭等能够存放和更换不同的麻醉气体吸附药品。 

其各部件的详细描述如下： 

呼吸接头1用于控制本发明装置与现有气体传送系统的连接状态，可以选择使用聚丙烯材料，接头的类型可以选择鲁尔等常用接头类型，也可以选择电磁阀或气动阀控制接头的状态。

呼吸管道2的内腔属于动物呼吸的无效腔，可以选择长度尽量短，内径尽量小的塑料软管，如1/16泰氟隆、聚丙烯或聚乙烯软管,在连接时一定要保证气密性。 

加压腔3为实验动物提供一个自主呼吸的腔体，其压力保持与外界大气压一致，能够有选择地加入麻醉气体，模拟动物正常的呼吸模式，最大状况的保证动物肺部状态。材质为聚丙烯或聚乙烯塑料，加压腔外径的直径可以控制在15cm左右，内径比外径小1cm左右。长度约20cm。 

多孔隔膜4选择孔径的大小要特别注意，孔径太大，导致呼吸腔与压力腔直接相连，无法保证麻醉药物分布的均匀性，孔径太小，麻醉气体的通过效率太低无法保证浓度。孔径范围约为0.1mm。 

呼吸腔5、常压挡板6选用硬质的塑料，能够保证其形态和功能。常压挡板6上有通气孔，孔径约为1mm，用于保证呼吸腔内压力与外界大气压相同。对于大鼠而言呼吸腔容量范围控制在1-2L。 

麻醉气体回收盒7主要由回收盒的外壳与回收药物构成。麻醉气体回收盒7外壳的材质要求为硬质的塑料，与常压挡板使用螺纹连接，能够被拆下定期更换药物。药物的主要成分由活性炭（R510-31）构成。 

麻醉气体进气管道8能够与现有商用的麻醉机通过软管相连，并能够通过流量计和压力计调节气体流速，材质可以选用耐高压的塑料软管，对气密性要求较高。 

流量计9能够根据血氧仪等实时提供的动物生理状况，调节麻醉气体流速，可以选用0-1000ml/min的转子流量计。 

压力计10为通用的气体压力检测装置，要求能够检测0-10psig的压力值，用于检测麻醉气体压力，保证气体持续稳定的流向加压腔。 

麻醉气体进气端管道8、流量计9和压力计10，通过软管相连，在必要时，其中间可以加入软管进行扩展，用于其他的动物或模块的麻醉需要，保证麻醉机的使用率。 

动物体征监控装置C要求与MRI兼容，能够实时提供实验动物呼吸频率、心率、体温、血样饱和度、血脉扩张等生理参数。 

商用计算机D要求能够运行Labview程序、对超极化气体传输模块E及MRI兼容呼吸机F的运转进行调控。能够显示动物体征监控装置C的结果。 

超极化气体传输模块E，与Duke大学的（Hedlund L W et al. MR-compatible ventilator for small animals: computer-controlled ventilation for proton and noble gas imaging[J]. MagnReson Imaging, 2000. 18(6):753-9.）类似，用于定时定量的将超极化气体传输到动物肺部。 

MRI兼容呼吸机F可以与超极化气体传输模块E配合，实现不同的呼吸序列，使用被动呼吸的方式，交替给实验动物提供氧气及超极化气体，实现动物呼吸过程中吸气、屏气、呼气的过程。 

高压呼吸气源G提供实验动物的呼吸气源，可以是高压空气，或者浓度较高的氧气，可以根据实验的需求，做出不同的选择。 

商用麻醉机H可以是异氟烷、安氟醚、乙醚等的麻醉气体挥发罐，用于提供一定浓度的麻醉气体，提供动物麻醉，要求麻醉气体的浓度可以根据动物体征监控装置C反馈的动物状态进行调节。 

下面结合附图2以超极化气体¹²⁹Xe、活体大鼠为例对本发明作进一步的详细描述：本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置与现有的用于大鼠超极化气体肺部MRI的呼吸系统兼容，提供了一个自主呼吸装置，在满足传统超极化气体¹²⁹Xe传输装置高效、高极化度得到更优信号的同时，加入了人性化的设计，考虑到大鼠生理状态的保护，通过选用气体麻醉和自主呼吸的方式，使实验更方便、结果更精确。 

一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，主要用来为气管插管的大鼠提供自主呼吸下的气体麻醉，避免了单纯机械呼吸所带来的机械呼吸损伤。要求麻醉气体充满加压腔3，通过与呼吸腔5之间的多孔隔膜4改变呼吸腔内麻醉气体浓度；通过监控动物的生理状态可以根据需要增加或减少麻醉气体的浓度，保证动物稳定的生理状态。为了保证呼吸过程中呼吸腔内压力没有突变，呼吸腔的大小要保证足够大，大小可以根据成像动物的潮气量可以有所改变，对于大鼠而言，可以选择1L左右的呼吸腔体积；压力腔内的气体要均匀的流到呼吸腔中；转子流量计和压力计共同用来控制压力腔内压力略高于大气压；加压腔3和呼吸腔5之间的多孔隔膜4一方面保持压力差，一方面提供气体流动方向。下面首先描述本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置与常用的超极化气体传输装置的连接方式。 

呼吸接头1需要与活体大鼠的气管插管直接相连，使得本发明的自主呼吸装置、超极化气体传输模块E及MRI兼容的呼吸机F并联，通过改变接头的连接状态能够选择不同的呼吸模式。在MRI测试时，超极化气体传输模块E及MRI兼容的呼吸机F共同控制呼吸，根据实验需要交替传输氧气及被测气体，此时呼吸接头1的状态是关闭的。在实验等待过程中，开启本发明一种用于超极化气体MRI的动物自主呼吸装置，为实验活体大鼠提供自主呼吸。 

麻醉气体进气端管道8依次与麻醉机H和呼吸气源G相连，为本发明的自主呼吸装置提供高压及麻醉药物。在流量计9和压力计10之间，通过三通接头及软管分出一路来提供呼吸机的气源。实验动物B固定在MRI谱仪A上，利用MRI兼容的动物体征监控装置C对大鼠的生理状态进行监控，实时提供体温、呼吸频率、血脉扩张、血样饱和度等参数，根据这些参数实时调节麻醉药物的浓度及流量。动物体征监控装置C、超极化气体传输模块E及MRI兼容的呼吸机F需要借助商用计算机D配合相应软件才能够运行。 

在超极化测试时，需要进行机械呼吸，超极化气体传输模块E用于提供磁共振测试的信号源--超极化气体，MRI兼容的呼吸机F用于提供氧气，排出废气。 

本发明的使用流程为： 

  1、 动物准备与极化气体开始收集：实验大鼠麻醉、气管插管术、调试MRI兼容血氧仪。

2、超极化气体MRI的动物自主呼吸装置及相关连接的装置的准备：打开气源，检查线路连接，呼吸接头1、超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F分别通过气管插管与实验动物的肺部相连,商用计算机D通过电路连接分别与超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F和动物体征监控装置C相连，高压呼吸气源G与商用麻醉机H相连，商用麻醉机H出口与本发明自主呼吸装置的麻醉气体进气管道8相连。流量计9和压力计10中间扩展一路麻醉气体提供MRI兼容呼吸机F使用。运行Labview程序控制超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F的时序。挥发罐药物调节到合适的浓度及流量，大鼠常选用500ml/min左右，异氟烷的浓度为2%左右，呼吸机的呼吸频率调节至60次/min，潮气量控制在3ml/次。 

3、动物与本发明及相关配件的连接：使用计算机关闭超极化气体传输模块E和MRI兼容呼吸机F与实验动物之间的管路，打开本发明装置中的呼吸接头1，将实验动物固定在呼吸系统上进行自主呼吸。动物体征监控装置与动物及电脑连接，对实验动物的状态进行监控。 

4、收集好的超极化¹²⁹Xe装在极化气体传输装置E中备用。 

5、切换到控制呼吸模式，进行MRI检测：关闭呼吸接头1，运行传统的超极化气体传送程序，交替打开超极化气体传输模块E、MRI兼容呼吸机F，动物吸入超极化气体，进行磁共振测试，呼吸机及超极化气体运送模块根据实验参数，对相连的实验动物交替实现呼气、吸气与屏气的过程，直至测试结束。 

6、恢复自主呼吸模式：采集完毕后，将呼吸系统切换回自主呼吸模式，重新打开本发明装置中的呼吸接头1，关闭超极化气体传输模块E和MRI兼容呼吸机F与实验动物之间的管路。等待超极化气体再次收集好时，继续调节到控制呼吸模式进行超极化检测。重复第4、5、6步骤，直到整个实验结束。 

7、在整个过程中，可以根据血氧仪反映的动物状态，调节麻醉挥发罐中麻醉气体的比例及流量。 

8、实验结束：实验结束后，将实验动物取下呼吸装置，关闭所有气源及计算机控制程序，等待下次实验。