廈門大學陳忠教授團隊3D打印射頻探頭開發(fā)磁共振應用

來源：廈門大學

近日，廈門大學電子科學與技術學院、福建省等離子體與磁共振重點實驗室陳忠教授團隊在國際知名期刊《自然 通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了題為“3D-printed integrative probeheads for magnetic resonance”的研究論文。該研究利用高精度3D打印和液態(tài)金屬灌注技術制備出包含有射頻線圈和定制化樣品管道結構在內的一體化磁共振射頻探頭前端，克服了傳統(tǒng)磁共振三維微型線圈成型困難、與樣品腔匹配程度差等問題，提高了探頭的信噪比，為定制化的磁共振檢測提供了新思路。

圖1. 3D打印制造的精確加工一體化磁共振探頭前端

射頻探頭前端作為核磁共振設備的核心部件之一，極大程度的決定著系統(tǒng)實驗性能的優(yōu)劣。探頭前端通常由射頻線圈、射頻電路及樣品檢測管道等部分組成。現(xiàn)有的射頻線圈制作技術主要是通過手工或機械手段按照所需的線圈形狀進行繞制。但是，當線圈結構較為復雜、不規(guī)則，或體積尺寸較小時，常規(guī)繞制方法便難以滿足結構設計和制造的精度需求，因此造成線圈性能的劣化，增大檢測區(qū)域的射頻場不均勻性，對核磁共振檢測產生負面影響。同時，針對不同樣品的定制化檢測區(qū)結構與射頻線圈之間的匹配也存在一定困難。針對上述問題，陳忠教授研究團隊設計搭建了一種結合高精度3D打印和液態(tài)金屬灌注技術的一體化新型磁共振探頭前端，有效地提高了微型線圈的加工精度，拓展了定制化磁共振檢測的應用領域，具有很好的產業(yè)化應用價值（發(fā)明專利公開號 : CN111257363A ）。

圖2. 3D打印一體化連續(xù)流分離檢測磁共振探頭

本研究中，利用3D打印熔融沉積制造或光敏樹脂選擇性固化技術精確加工出一體化磁共振探頭前端，使用常溫液態(tài)金屬填充線圈模型管路形成射頻線圈，搭建出穩(wěn)定的一體化磁共振射頻探頭。打印材料和液態(tài)金屬種類均經(jīng)過系統(tǒng)性的優(yōu)選和優(yōu)化，提升了常規(guī)材料的電磁特性，保證了探頭的基本性能。

課題組又進一步開發(fā)了3D打印的定制化原位電化學-核磁共振聯(lián)用探頭通過相互分離的電極腔設計，更簡便的實現(xiàn)了電化學反應的實時原位監(jiān)測；3D打印的連續(xù)流體分離探頭則利用內部包含的顆粒吸附腔和離子分離管道，對化學反應的順磁性產物進行了有效的連續(xù)流過濾分流，克服了磁性產物對磁共振實驗的破壞性影響，實現(xiàn)了復雜反應的原位產物監(jiān)控。

此外，該技術還被用于設計加工適用于小體積樣品的定制化磁共振成像探頭。成像線圈根據(jù)待測樣品結構尺寸，與樣品腔進行一體化設計，二者緊密貼合，提高了線圈的填充因子，可得到更高信噪比的成像結果。因此，3D打印與液態(tài)金屬灌注技術相結合，能夠實現(xiàn)復雜結構三維線圈的微米級精度設計和加工，快速構建包含有定制化樣品管道的多尺寸一體化核磁共振探頭前端。整體設計靈活，可更加有效的滿足核磁實驗需求。

該工作由廈門大學電子科學與技術學院陳忠教授、游學秋副研究員和孫惠軍高級工程師共同指導完成，博士研究生謝君堯為論文第一作者。廈門大學電子科學與技術學院黃玉清高級工程師、王忻昌副教授、倪祖榮助理教授、碩士研究生張德超，化學化工學院楊朝勇教授、博士研究生李星銳，薩本棟微米納米科學技術研究院陳宏教授為合作作者。研究工作得到國家自然科學基金、中國博士后科學基金等項目支持。