CN107884733A - 3d打印的一体化核磁共振射频探头前端及其制备方法 - Google Patents

Abstract

3D打印的一体化核磁共振射频探头前端及其制备方法，涉及核磁共振。包括核磁共振射频线圈、定制化样品管道和射频电路连接口的一体化组合。使用电磁仿真软件设计核磁共振射频线圈模型，导入3D制图软件，在模型上添加实验所需定制化样品管道、样品封装端口、射频电路连接口及金属材料注射口；利用3D打印技术打印出一体化核磁共振射频探头前端实体模具；由金属材料注射口注射常温液态金属或液态合金，填充线圈模型管路，形成核磁共振导电射频线圈；由射频电路连接口接入与射频电路相连的铜带，用导电银胶对接口密封；将整体模具置于超声振荡设备中，调整模具三维朝向，使导电线圈液态金属内存在的微小气泡上升排出至液态金属注射口管道内。

Description

3D打印的一体化核磁共振射频探头前端及其制备方法

技术领域

本发明涉及核磁共振，尤其是涉及3D打印的一体化核磁共振射频探头前端及其制备方法。

背景技术

核磁共振具有无损性，是现代分析和检测技术的重要手段，已广泛应用于物理、化学、生物、医学以及食品检测等诸多领域。作为核磁共振设备的核心部件之一，由射频线圈、射频电路及样品检测区管道所组成的射频前端极大程度的决定着仪器实验性能的优劣。

核磁共振射频线圈将脉冲序列电信号转换为作用于样品的高频电磁场，使检测核的磁化强度矢量偏离平衡态；同时接收进动的磁化强度矢量产生的核磁共振信号，并转换成电信号以进行处理。射频线圈的灵敏度、接收带宽和品质因数等性能参数是衡量核磁共振设备整体性能的重要指标。现有的线圈制作技术主要是人工或机械制作方式，即通过手工或机械手段按照所需的线圈形状进行绕制。但是，当线圈形状较为复杂或为不规则形状，尤其当线圈体积缩小时，这种传统的绕制方法已无法满足结构的精确需求，由此则必然会造成线圈性能参数的劣化，带来射频场在检测区域的不均匀，对核磁共振信号产生极大的负面影响。吴卫平等(吴卫平，陆荣生，易红，等.用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈及其制造方法，中国专利CN 102095746 B[P].2013)提出了一种用于微流体核磁共振检测的微型螺线管射频线圈及其制造方法，吴英等(吴英，江永清，周兆英，等.MRI微型RF接收线圈的设计与制作[J].半导体光电，2006，27(5):556-559)则提出了一种用于核磁共振成像(MRI)系统的微型射频(RF)接收线圈的设计与微加工制作方法。二者虽然精度较高，但流程仍然较为复杂，难以广泛应用。

磁共振信号的特点之一是较为微弱，易与噪声混杂，而提高射频线圈的填充系数是增强有效信号、提高信噪比的有效手段。射频线圈填充系数是影响核磁共振实验结果的重要参数，它是指样品的容积与线圈的容积之比。现有核磁共振实验中，样品置于固定大小和形状的样品管中，对线圈形状的适应性不强，无法根据检测区实际形状有针对性地增大填充因子以提高信噪比。

微流体核磁共振检测能够在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体，在化学、医药及生命科学等领域有着极为重要的作用。常规尺寸射频线圈内部检测区域较大，应用于微流体系统时会因填充因子过低而难以检测到有效信号。目前常用的平面微型线圈或微型螺线管线圈，同样存在着射频场不均匀或难以绕制的困难，难以满足多种混合/反应条件下的实验需求。

3D打印作为一种拥有广泛应用前景的技术，能够结合计算机辅助软件实现精密器件的加工。但目前3D打印仍然多用于机械零部件的单一材料制作，如何将之与核磁共振射频前端的多因素精密电子打印需求相结合，有着极为重要的意义。Yang C(Yang C,Wu S Y,Glick C,et al.3D printed RF passive components by liquid metal filling[C]//IEEE International Conference on MICRO Electro Mechanical Systems.IEEE,2015:261-264.)和Li L(Li L,Abedini-Nassab R,Yellen B B.Monolithically integratedHelmholtz coils by 3-dimensional printing[J].Applied Physics Letters,2014,104(25):190.)等人均提出了不同的导电射频线圈的3D打印设计方法，但在应用于高场环境的核磁共振实验中时会遇到连接、进样等困难等问题，难以有效使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有核磁共振射频线圈制备技术中存在的不足，提供可扩展应用3D打印技术，实现精确的一体化核磁共振射频探头前端制备，并提高设计灵活度和效率，更好地满足具体实验需求的3D打印的一体化核磁共振射频探头前端及其制备方法。

所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端是包括核磁共振射频线圈、定制化样品管道和射频电路连接口的一体化组合；

所述核磁共振射频线圈包括螺线管线圈、马鞍线圈、表面线圈、AG线圈、鸟笼线圈、亥姆霍兹线圈等中的一种或其变形。所述核磁共振射频线圈由镓铟合金或镓铟锡合金等高导电性、无/弱磁性常温液态金属材料构成。

所述定制化样品管道的基础模型可为U型管、Y型管或其他可适用于流体和颗粒状固体的连通管道。

所述定制化样品管道包括至少两条样品入口管道和一条样品出口管道，至少两条样品入口管道交汇后流经射频线圈中心，可用于原位实时观测至少两种样品的混合反应过程，监控化学反应的动力学特征。

所述定制化样品管道的入口处设有藕状缩放入口，通过缩短至少两种样品的传质距离，减少有效反应前所需的样品混合时间，可更有效地实时监测快速反应。

所述定制化样品管道可根据具体实验要求和所用射频线圈设计，既可贴合线圈尽量放大以提高填充因子，也可缩小并引入复杂液体流动混合路径以满足微流体检测需求。

所述射频电路连接口可设计为扁平状窄带连接口形式，射频电路连接口的横截面为内宽外窄的矩形，方便外接导电铜带的连接及封装，且使其插入部分完全浸没于液态金属中，增强了导电性和稳定性。

所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端的制备方法包括以下步骤：

1)根据实验需求，使用计算机电磁仿真软件设计出符合性能要求的核磁共振射频线圈模型；

2)将核磁共振射频线圈模型导入3D制图软件，在核磁共振射频线圈模型上添加实验所需定制化样品管道、样品封装端口、射频电路连接口及金属材料注射口；

3)利用3D打印技术打印出一体化核磁共振射频探头前端实体模具；

4)由金属材料注射口注射常温液态金属或液态合金，填充线圈模型管路，形成核磁共振导电射频线圈；

5)由射频电路连接口接入与射频电路相连的铜带，并用导电银胶对接口进行密封；

6)将完全封装的整体模具置于超声振荡设备中，通过不断调整模具三维朝向，使导电线圈液态金属内存在的微小气泡上升排出至液态金属注射口管道内，保证线圈射频场的均匀性和稳定性，进一步增强核磁共振射频探头前端性能。

与现有技术相比，尤其对一些微型线圈和不规则线圈，本发明具有更高的射频前端设计制作精度；具有更灵活的定制化样品管道设计，能够满足不同核磁共振实验的需求，既可实现较高的射频线圈填充系数以提高检测灵敏度，又可构建复杂流体管道以满足微流体实验需求；设计制作灵活便捷，方便修改和流水化生产，大大减少了人工成本。

附图说明

图1为本发明实施例中核磁共振马鞍线圈的CST电磁仿真模型图。

图2为本发明实施例1U型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图。

图3为本发明实施例1打印出的实体模具。

图4为本发明实施例2适于快速反应的Y型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图。

图5为本发明实施例2打印出的实体模具。

图6为本发明实施例3适于慢速反应的Y型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图。

图7为本发明实施例3打印出的实体模具。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

3D打印的一体化核磁共振射频探头前端设计及制备方法主要包括以下步骤：

a)核磁共振射频线圈设计：根据实验需求，使用计算机电磁仿真软件设计出符合要求的核磁共振射频线圈模型；

b)一体化3D模型组合设计：将线圈模型导入3D制图软件，在其结构基础上添加实验所需定制化样品管道、射频电路连接口及金属材料注射口；

c)3D打印实体模具：利用3D打印技术打印出一体化的核磁共振射频探头前端实体模具，并进行管路填充材料清洗等必要后处理；

d)液态金属灌注：由金属材料注射口注射常温液态金属或液态合金，填充线圈模型管路，形成核磁共振导电射频线圈；

e)射频电路连接及密封：由射频电路连接口接入与射频电路相连的铜带，并用导电银胶对接口进行密封；

f)超声振荡排气：将完全封装的整体模具置于超声振荡设备中，通过不断调整模具三维朝向，使导电线圈液态金属内存在的微小气泡上升排出至液态金属注射口管道内。

图1为本发明实施例中核磁共振线圈的电磁仿真模型图。实施例采用常规马鞍线圈作为设计基础，射频线圈1内径为3mm，主体部分高9.98mm，由宽为1.56mm、厚为0.6mm的导电材料组成。由于在制作实际模具时，需在线圈模型的基础上进行翻模操作，所以需对模型引脚2进行预设，以完成电路接口处设计。

本发明线圈模型在电路接口处使用窄带铜片与后续射频电路相连接，为此将线圈引脚/射频电路连接口设计为两端窄中间宽的藕状形式，可保证铜片完全浸没于导电金属中，增强了线圈的稳定性和导电性能。

在实际制作前，通过计算机电磁仿真软件CST对所设计的马鞍模型进行空间射频场仿真，能够有效预测实物实验效果，并可及时根据需求对模型进行改进。

图2和3为本发明实施例1U型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图及打印出的实体模具，其中上、下两图分别为翻模前后的模型。首先对电磁仿真软件设计完成的马鞍型射频线圈，在计算机辅助设计软件(如Solidworks等)中添加金属材料注射管道3及定制化样品检测管道，然后对整体模型进行翻模操作，得到3D打印所需的模型。

实验中使用U型样品管道完成单样品检测，不需考虑样品混合问题，故根据射频线圈模型内径，将检测区样品管道41和样品注射/排出管道42设计为2.5mm和1.5mm两种尺寸。这种设计一方面可在不影响实验操作的情况下尽量缩小整体模型体积，便于后续射频探头的制作安装；另一方面也充分利用了线圈内径，提高了填充系数，增加了核磁共振信号的信噪比。

U型样品管道模具在管口搭配有封装盖，用于在管道内注入检测样品后的封装。

实施例为方便后续与射频电路的连接封装，在射频电路连接口处添加了接口间挡板5，能够防止在使用导电银胶密封时可能导致的短路问题。

图4和5为本发明实施例2适于快速反应的Y型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图及打印出的实体模具，其中上、下两图分别为翻模前后的模型。模型设计方法与实施例一类似。

Y型样品管道通常用来完成两种样品混合反应的实时原位检测，故需根据反应的快慢设计相对应长度的定制化样品管道。本实施例中两样品在管道中混合后被迅速送入检测区进行检测，能够满足快速反应的瞬时原位监测要求。同时，通过调节两种样品的进样速度，还可以控制反应进度，以便完成对不同反应产物的动力学检测。

不同样品间以扩散方式完成混合，样品混合管道的内径决定了两种样品完全混合所需的时间。如果样品间相互混合程度较低较慢，就会造成反应的不完全，由此反应进度就会与实际情况出现偏差，给反应物在检测区的检测结果带来不确定性。本发明在进样的混合管道设计了内窄外宽的藕节状结构6(最窄处内径为2mm)，减小了样品的扩散宽度，进而缩短了完全混合所需时间，保证了不同样品间的完全反应。

图6和7所示为本发明实施例3适于慢速反应的Y型样品管道射频探头前端的一体化3D模型图及打印出的实体模具，其中上、下两图分别为翻模前后的模型。此模型在实施例二的基础上添加了适用于慢速反应原位检测的加长样品管道7，使两种样品能够在其中进行充分混合和反应。

综上所述，本发明通过3D打印技术设计实现一体化核磁共振射频探头前端，相较于常规机械方法具有更高的制作精度，且具有灵活的定制化样品管道设计，能够更好地满足不同实验的实际需求。整体模型设计灵活便捷，方便修改和流水化生产，有效减少了人工成本。

根据实验需求，使用计算机电磁仿真软件设计出符合性能要求的核磁共振射频线圈模型；将线圈模型导入3D制图软件，在其结构基础上添加实验所需定制化样品管道、射频电路连接口及金属材料注射口；利用3D打印技术打印出一体化核磁共振射频探头前端实体模具；由金属材料注射口注射常温液态金属或液态合金，填充线圈模型管路，形成核磁共振导电射频线圈；由射频电路连接口接入与射频电路相连的铜带，并用导电银胶对接口进行密封；将完全封装的整体模具置于超声振荡设备中，通过不断调整模具三维朝向，使导电线圈液态金属内存在的微小气泡上升排出至液态金属注射口管道内。本发明能够有效构建包含有定制化样品混合/存储管道的多尺寸一体化核磁共振射频探头前端，设计灵活且加工精度高，可以更加有效的满足实验需求，同时减少了人工成本，易于流水化生产。

Claims (8)

1.3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于包括核磁共振射频线圈、定制化样品管道和射频电路连接口的一体化组合。

2.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述核磁共振射频线圈包括螺线管线圈、马鞍线圈、表面线圈、AG线圈、鸟笼线圈、亥姆霍兹线圈中的一种或其变形。

3.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述核磁共振射频线圈由镓铟合金或镓铟锡合金材料构成。

4.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述定制化样品管道的基础模型为U型管、Y型管或其他适用于流体和颗粒状固体的连通管道。

5.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述定制化样品管道包括至少两条样品入口管道和一条样品出口管道，至少两条样品入口管道交汇后流经射频线圈中心，用于原位实时观测至少两种样品的混合反应过程，监控化学反应的动力学特征。

6.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述定制化样品管道的入口处设有藕状缩放入口。

7.如权利要求1所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端，其特征在于所述射频电路连接口为扁平状窄带连接口形式，射频电路连接口的横截面为内宽外窄的矩形。

8.如权利要求1～7任一所述3D打印的一体化核磁共振射频探头前端的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据实验需求，使用计算机电磁仿真软件设计出符合性能要求的核磁共振射频线圈模型；

2)将核磁共振射频线圈模型导入3D制图软件，在核磁共振射频线圈模型上添加实验所需定制化样品管道、样品封装端口、射频电路连接口及金属材料注射口；

3)利用3D打印技术打印出一体化核磁共振射频探头前端实体模具；

4)由金属材料注射口注射常温液态金属或液态合金，填充线圈模型管路，形成核磁共振导电射频线圈；

5)由射频电路连接口接入与射频电路相连的铜带，并用导电银胶对接口进行密封；

6)将完全封装的整体模具置于超声振荡设备中，通过不断调整模具三维朝向，使导电线圈液态金属内存在的微小气泡上升排出至液态金属注射口管道内。