一种柔性磁共振成像线圈及其制造方法
阅读说明：本技术 一种柔性磁共振成像线圈及其制造方法 (Flexible magnetic resonance imaging coil and manufacturing method thereof ) 是由 刘冉 李豪杰 林荣赞 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：一种柔性磁共振成像线圈及其制造方法,属于磁共振成像技术领域。柔性磁共振成像线圈,由柔性材料、导电液体、导线和电路板组成；柔性材料构成容纳导电液体的管腔,导电液体充满管腔；导线将导电液体和电路板相连,构成一个完整环路,共同实现核磁共振接收线圈的功能。制造方法包括以下步骤：(1)配制柔性材料溶液；(2)将柔性材料溶液浇筑于模具之上并固化,得到具有流道的柔性材料层；(3)将导电液体灌注并使其完全充满流道内部；(4)利用导线将导电液体和电路板相连接,得到完整的柔性核磁共振线圈。本发明的线圈具备良好的柔性,且性能参数均一,工艺稳定性好；在使用时能够直接放置于待成像部位之上,从而大大提高图像信噪比。(A flexible magnetic resonance imaging coil and a manufacturing method thereof belong to the technical field of magnetic resonance imaging. The flexible magnetic resonance imaging coil consists of a flexible material, conductive liquid, a lead and a circuit board; the flexible material forms a tube cavity for containing the conductive liquid, and the tube cavity is filled with the conductive liquid; the conducting liquid and the circuit board are connected through the conducting wire to form a complete loop, and the function of the nuclear magnetic resonance receiving coil is realized together. The manufacturing method comprises the following steps: (1) preparing a flexible material solution; (2) pouring the flexible material solution on a mould and curing to obtain a flexible material layer with a flow channel; (3) filling the conductive liquid into the flow channel completely; (4) and connecting the conductive liquid with the circuit board by using a lead to obtain the complete flexible nuclear magnetic resonance coil. The coil has good flexibility, uniform performance parameters and good process stability; when in use, the device can be directly placed on a part to be imaged, so that the signal-to-noise ratio of the image is greatly improved.)
技术领域
本发明属于磁共振成像技术领域，涉及一种柔性磁共振成像线圈及其制造方法。
背景技术
磁共振成像技术是一种基于射频与微波电子学的医学成像技术。广泛应用于医院各科室的诊断，具有软组织成像分辨率高，对人体无电离辐射等优点。其原理为人体内部的氢质子自旋所形成的磁矩在外加主磁场的作用下由随机朝向变为统一朝向，后在射频脉冲的作用下统一发生偏转。待外加射频脉冲撤去后，磁矩会逐渐恢复到统一朝向，在这一恢复过程中，会向外释放能量，这部分能量被接受线圈捕获后传递给后端的计算机，计算机进行处理并最终生成图像。
在核磁共振成像过程中，接收线圈对最终的的成像质量有着重要的影响。为了确保能够获得更高的信噪比，就要保证线圈能够接收到更好的信号。但是如果一味的提高线圈大小，会在收到更多信号的同时也接受到更多的噪声。所以，线圈阵列常常被用于提高信噪比，即缩小单个线圈单元的面积，采用多个线圈同时接受信号。但由于相邻线圈直接存在互感现象，且计算机可处理的通道数的限制，所以线圈阵列中线圈单元的数量也并非越小越多就越好。只有合适大小和单元数量的线圈阵列，才能获得最好的成像质量。
此外，磁矩自选恢复过程中向外发散的能量会随着发散距离的不断增加而减弱。所以，为了确保能够接收到足够高的信号，线圈距离人体表面的距离应当越近越好。又由于人体大部分表面并非平整的表面，因此针对人体成像的线圈并无一普适的结构，对应不同的部位有着不同的成像线圈，诸如头部线圈、胸部线圈、腿部线圈等。以颈部为例，由于不同体型人群的颈部尺寸不一，目前市面上存在的线圈又均为硬质/半柔性线圈，无法很好的对匹配不同颈部尺寸，所以往往会因为受试者的体型过于庞大或是过于瘦小而影响最终成像质量，并对后续的疾病诊断带来一定的影响。
引用文献1公开了一种将液态汞灌注进塑料管中来制作核磁共振接收线圈的方法。制作好的线圈直接放置于待成像部位上进行成像。但该方法所使用的导体材料为汞，易产生汞蒸汽且对人体有害，因此并不适合实际使用。
引用文献2公开了一种通过漏板印刷将镓铟合金涂布在合成泡沫橡胶上来制作核磁共振接收线圈的方法，但由于表面张力的问题，液态金属可能会在反复弯曲之后聚集在泡沫的孔洞中，导致线圈短路，无法使用。
引用文献3公开了一种将镓铟合金灌注于塑料管道中来制作核磁共振接收线圈的方法，将塑料管道缝制在织物上来制作核磁共振接收线圈的方法。其解决了引用文献1中存在的安全性的问题，但由于塑料管道为无定形的，因此无法根据实际需求进行线圈结构设计，同时无定形也使得每个线圈的性能参数存在略微不同，工艺稳定性差。
因此，发明一种具有完全柔性，能够适合不同体型大小的人群的柔性颈部线圈是十分必要的。
引文列表：
引用文献1：American Journal of Neuroradiology,1986,7:246–247.
引用文献2：Advanced Materials,2017,29(44):1703744.
引用文献3：Magnetic Resonance in Medicine,2021:mrm.28662.
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种利用柔性材料和导电液体制作图形化的柔性核磁共振接收线圈的方法和一种利用该方法制作出的柔性线圈。
本发明的技术方案如下：
一种柔性磁共振成像线圈，由柔性材料、导电液体、导线和电路板组成；柔性材料构成容纳导电液体的管腔，导电液体充满管腔；导线将导电液体和电路板相连，构成一个完整环路，共同实现核磁共振接收线圈的功能。所述导电液体充满柔性材料构成的管腔，无空气或其他物质存在。
进一步地，所述柔性材料为溶液固化形成的弹性体，柔性材料优选硅胶或者聚氨酯。
进一步地，所述导电液体为液态金属，优选镓及其合金。
进一步地，所述柔性材料有数层，优选两层。
进一步地，所述柔性材料有两层，两层柔性材料由一层具有流道结构的柔性材料和一层柔性材料薄膜构成，或者两层柔性材料由两层具有流道结构的柔性材料构成。所述两层具有流道结构的柔性材料结合时需确保两层的流道结构相互对齐。
进一步地，所述电路板上包含有调谐电路、失谐电路和去耦电路等，用于确保磁共振线圈工作在合适的谐振频率上，且不会在射频信号发射时发热烧毁。
进一步地，所述电路板上所使用的电子元件包括电阻、电容、电感和二极管。电路板及其上的元件均具备无铁磁性的特性。
一种柔性磁共振成像线圈的制造方法，包括以下步骤：
1)配制柔性材料溶液；
2)将配置好的柔性材料溶液浇筑于模具之上并固化，得到具有流道的柔性材料层；
3)将导电液体灌注并使其完全充满流道内部；
4)利用导线将导电液体和电路板相连接，得到完整的柔性核磁共振线圈。
进一步地，步骤2)所述柔性材料层有两层，对固化后的柔性材料层表面处理，然后通过物理方法或化学方法进行处理使其结合成为一体，优选物理方法。
进一步地，步骤3)所述导电液体灌注管腔的方式包括注射、负压吸引，优选为注射。
本发明提供的方法可制作具有任意二维形状的核磁共振接收线圈，制作出的线圈具备良好的柔性，可在任意方向拉伸约30％或弯曲后仍恢复原样，不发生破坏或塑性变形，且性能参数均一，工艺稳定性好。利用该方法所制作的线圈在使用时能够直接放置于待成像部位之上，从而大大提高图像信噪比，将该线圈与现有商用线圈进行成像对比试验，实验结果表明本线圈所得图像信噪比为传统线圈的1.25倍以上。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：
①利用该方法所制作的线圈本身为完全柔性，能够任意弯曲折叠，不会发生塑性形变；
②该方法可一次性制作出线圈及封装结构，而非现有制作方法中先制作线圈，之后封装的分步工艺，大大减小了线圈的制作时间及工艺复杂度；
③利用该方法所制作的线圈重量大大减少，约为现有制作工艺制作出线圈重量的十分之一，基本消除了使用者使用时的不适感；
④利用该方法制作的线圈均一性好，该方法工艺稳定性优良，可大批量商业化制作。
⑤利用该方法可制作任意二维形状的线圈单元，且线圈单元之间可方便的进行组合，实现不同构形的线圈结构。
附图说明
图1是本发明实施方式的柔性核磁共振接收线圈的制作方法的流程图。
图2是柔性核磁共振线圈的侧视透视图。
图3是柔性核磁共振线圈的俯视透视图。
图中：1-导电液体；2-柔性材料；3-导线；4-电路板。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的具体实施方式提供了一种柔性核磁共振接收线圈制造方法，其步骤如图1所示，该方法包括步骤1)至5)。
在步骤1)中，配制柔性材料溶液。
本发明对柔性材料的限制为可配制成溶液，并在一定条件下可以固化成为弹性体。材料优选为硅胶或者聚氨酯。
在步骤2)中，将配制好的柔性材料溶液浇筑于模具之上并固化，得到具有流道的柔性材料层。
在本发明中，对模具的制作方式没有限制，可以为增材制造、机加工、激光切割或它们的组合。优选为激光切割。本发明对模具的材料有所限制，要求模具所使用的材料在柔性材料溶液固化的整个过程中均不会与柔性材料进行结合成为一体，且能够承受柔性材料固化的固化条件，例如温度、湿度、紫外光照等。本发明中模具的形状和大小由所要制作的线圈的形状所决定。模具的厚度决定了制作出的线圈中导体厚度，优选为0.05mm。
在本发明中，对柔性材料溶液的固化条件没有限制，可以是溶剂挥发、热固化、紫外固化或是它们的组合。具体的固化条件由所选用的柔性材料溶液所决定。在本发明中，针对上述优选的橡胶或聚氨酯材料，固化条件优选为热固化，热固化的加热温度优选为80℃。
在本发明中，要求固化后柔性材料和模具的分离所用的分离方式不会对柔性材料造成损伤，优选为手动剥离。
在步骤3)中，对具有流道的柔性材料和另一层柔性材料进行表面处理，并使其结合成为一个具有完整流道的整体。
本发明对柔性材料的表面处理方式没有限制，可以是物理方法例如流水冲洗、高压气体清洁、等离子体处理；也可以是化学方法例如表面改性、表面活性剂处理。表面处理的目的为将两层柔性材料一体化，使其结合成为一个整体。本实施方式中优选为流水冲洗、高压气体清洁、等离子体处理的组合。
本发明对柔性材料结合的数量没有限制，可以是两层或多层柔性材料的结合。本实施方式中优选为两层柔性材料的结合。
本发明对柔性材料之间结合的方式没有限制，各层柔性材料之间可以使用物理方法，例如压合、热压；也可以使用化学方法，例如粘接剂粘合。本实施方式中优选为压合，经过等离子体处理后的材料在压合后，不同层材料接触的界面处发生分子交联，能够让各层材料牢固结合。
在步骤4)中，将导电液体灌注并使其完全充满流道内部。本发明对导电液体材料的要求为不会产生核磁共振信号。在本实施方式中导电液体材料优选为液态金属。
本发明对导电液体灌注的方式没有限制，可以使用注射或负压吸引等方式。在本实施方式中优选为注射。
在步骤5)中，利用导线将导电液体和电路板相连接，得到完整的柔性核磁共振线圈。
本发明对导线和导电液体的连接方式没有限制，优选为插入接触。对导线和电路板的连接方式没有限制，可以为焊接或利用接口插接。在本实施方式中优选为焊接。本发明中电路板具备有线圈调谐、线圈失谐和线圈去耦功能，功能依靠各种电子元件组成的电路实现，各种电子元件应无铁磁性。
在本实施方式中，仅描述了一个柔性核磁共振接收线圈的制作方法，实际实施时，根据所需成像区域的大小不同，可反复利用本方法制作多个核磁共振接收线圈单元组成阵列来进行核磁共振成像。
实施例
为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。然而，本发明的保护范围不局限于实施例所表达的范围。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
1.将模具粘贴于热释放胶带之上，使用覆膜机压合2～3次，确保模具紧密粘贴于热释放胶带之上。随后将粘贴好的胶带及模具放置于容器中。
2.将配制好的硅橡胶液体(一般为PDMS)倒入上述容器中，确保完全覆盖整个线圈模具。流道层厚度可以由倒入液体的量来进行调整。随后对液体进行抽真空处理，确保溶液中无残留气体。
3.将容器放置于80℃热台上预固化1h(确保液面水平)，预固化后放入80℃烘箱4～8h，使其完全固化。
4.待上流道层完全固化后，将其从容器中取出，放置于热台上加热，使其从热释放胶带上释放。热台温度取决于热释放胶带相变温度。
5.得到释放后的流道层后，将模具从固化的流道层中取下。此处可能会有部分液体在固化前渗入模具和热释放胶带的缝隙中，导致流道边缘存在毛边，可用镊子夹掉，对流道进行修整。
6.用清洗剂对修整后的流道层进行清洗，之后用氮气吹干。
7.裁取合适大小的PDMS薄膜，分别薄膜和清洗干燥后的流道层进行plasma处理，随后将流道层覆盖于薄膜上，使其两者键合成为一体。此处在覆盖后，可利用覆膜机加强两者键合强度，但需注意流道处上下界面不能发生键合。之后放入80℃烘箱加热30min～1h，确保键合强度。
8.准备一只针头和一只带有针头的注射器，将针头扎入一侧流道引脚处，确保注入液态金属时流道内气压平衡。注射器内吸入0.9～1ml液态金属，从另一侧引脚处扎入，注入液态金属，注入原则以完全填满流道为准，可稍微过量。
9.待液态金属完全灌满流道后，将两个针头拔出，此处如注入过量液态金属的话，会有少许沿着针孔溢出。可用注射器将溢出的液态金属吸取后，用酒精棉片进行擦拭清洁PDMS表面。
10.随后将注射完毕后的线圈放入冰箱冷冻层，使液态金属凝固。液态金属在由液态转变为固态时，体积会变大，此处可进一步排除部分过量的液态金属。
11.将冷冻后的液态金属线圈取出，利用刀模和模切机对其进行切割，得到单个线圈单元。
12.将金属丝线沿针孔插入液态金属，用万用表测试导通后，另配置硅橡胶液体对接口处进行封装，随后放入烘箱固化。得到的柔性核磁共振接收线圈如图2和图3所示，由导电液体1、柔性材料2、导线3和电路板4组成；柔性材料2构成容纳导电液体1的管腔，导电液体1充满管腔；导线3将导电液体1和电路板4相连，构成一个完整环路。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型。本发明的保护范围由权利要求书及其等同技术方案限定。
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