CN1942786A - 用于nmr重量检查系统的rf探针装置 - Google Patents

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CN1942786A CNA2004800429100A CN200480042910A CN1942786A CN 1942786 A CN1942786 A CN 1942786A CN A2004800429100 A CNA2004800429100 A CN A2004800429100A CN 200480042910 A CN200480042910 A CN 200480042910A CN 1942786 A CN1942786 A CN 1942786A
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Abstract

一种用于核磁共振重量检查系统的射频(RF)探针，能在RF探针的中心处产生均匀的磁场，对来自外部源的电干扰的灵敏度最小，形成磁场的形状使来自诸如不进行测试的药物瓶之类的包装物的交叉耦合最小，以及呈现最小气流阻碍。RF探针包括具有矩形横截面的多个导电回路的线圈，分别装载在两个相对的矩形横截面的外壳中。外壳是隔开的，并且平行，产生“开路探针”配置，使载有要检查其内容物的瓶的传送带基本上无阻碍地通过。导电回路和装载它们的外壳的放置成，使线圈纵轴的方向与传送带呈水平或垂直的空间关系。

Description

用于NMR重量检查系统的RF探针装置
发明领域
本发明涉及使用核磁共振(NMR)技术在容器于生产线上移动时对该容器进行重量检查。尤其涉及用于NMR重量检查系统的RF探针装置。
背景技术
在许多科学领域的尝试中，NMR技术在测量、检测和成像中的使用已变得值得期待。NMR的非入侵性、非破坏性特性方便了在包括但不局限于，化妆品、香水、化工、生物标本和食品的许多应用的工业仪器、分析和控制任务的应用。作为一个例子，重量检查被制药工业用于在装填期间监测和调整密封玻璃小瓶中药物的量。药物重量可以小至几分之一克，并要求以百分之几或更好的精度、以每秒数次称重的速率在几十克重的小瓶中称量。
如以下全面阐述，通过引用结合于本文的国际专利申请第WO 99/67606号描述了使用NMR技术对为生产线上的样品进行重量检查的系统。该系统包括：磁铁，用于在询问区域上产生静磁场，以在位于询问区域内的样品中产生净磁化强度；RF线圈，用于根据NMR原理在询问区域上施加交变磁场以使样品激励。
如NMR领域众所周知的，磁共振的成功应用要求RF线圈在测试样品质子的位置产生均匀的磁场，并且RF线圈对于来自外部源的电干扰(即，噪声)具有最小灵敏度。在NMR系统中已经利用包括螺旋状的、鞍状和Helmholz的许多基本RF线圈配置来满足这些限定。然而，在连续生产线应用中，另外的限定使这些形状不可使用。
例如，在多个紧密贴近的包装物连续移动的连续生产线应用中，应使由RF线圈在与测试样品相邻的包装物位置所产生的场最小，以免影响测试样品的场和测量(即，减少交叉耦合)。在诸如成排的药瓶同时在生产线上移动的药品包装等的应用中尤其关注这点。
药品包装也是对RF探针的另一个重要限定的例子。清洁的环境限制要求在小瓶附近不受阻的气流，在这种应用中使用的任何RF探针必须设计成对气流的阻碍最小。
期望提供用于NMR重量检查系统的一种RF探针装置，它可以在测试部位(最好是RF探针的中心)产生均匀的磁场，具有对来自外部源的电干扰的最小灵敏度，确定磁场的形状，使与不测试的包装物的交叉耦合最小，以及呈现对气流的最小阻碍。
发明概述
提供一种用于在磁共振测量的询问区域中施加一交变磁场来确定在具有行进方向的生产线上的样品的质量的装置，该装置包括：
多个第一线圈元件，其基本上处于与生产线具有空间关系的第一平面；以及
多个第二线圈元件，其基本上处于第二平面中，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件电连接、并与所述多个第一线圈元件存在空间关系，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件隔开，使生产线上的样品通过所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件的分隔区。
还提供一种用于磁共振测量的射频探针，用于确定在具有行进方向的生产线上的样品的质量，该探针包括：
多个第一线圈元件，其基本上处于与生产线具有空间关系的第一平面；
多个第二线圈元件，其基本上处于第二平面，所述多个第二线圈元件电连接于，并且处于与行进的生产线平面方向呈基本平行和垂直的空间关系二者之一，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件隔开，使生产线上的样品和空气流基本上无阻碍地通过所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件的分隔区。
附图简述
图1是具有示例性NMR重量检查台的一部分生产线的立体图，该NMR重量检查台用于检查通过称重台的各容器具有所要求量的产品。
图2是根据本发明的示例性RF探针装置中的导电路径的示意图。
图3是图1所示的示例性RF探针装置的示例谐振电路的电路图。该图所示的谐振电路中，各电容器按串联配置来电连接。
图4是图1所示的示例RF探针装置的示例谐振电路的电路图。该图所示的谐振电路中，各电容器按并联配置来电连接。
图5是根据本发明的示例性RF探针装置的立体图。
图6是根据本发明的示例性RF探针装置的正视图，以虚线示出通过RF探针的玻璃瓶和传送带。
图7是图5所示的示例性RF探针的左视图，示出通过RF探针的玻璃瓶。
图8是图5所示的示例性RF探针的后视图。
图9是图5所示的示例性RF探针的底视图。
发明详述
通过图2和图5到图8中的标号10概括性地表示根据本发明的示例性RF探针装置。如在图1中能看到的，RF探针10用于无接触的NMR重量检查系统20中，检查在容器于生产线上连续地移动时容器中内容物的质量(或重量)。要求这种重量检查的一个示例性应用是药物的包装。
用于药物包装的示例性NMR重量检查系统
图1示出用药物样品来装填玻璃瓶22的生产线的一部分。“在线”提供的示例性重量检查台24用于无接触地称量经过的各装填的玻璃瓶，并且提供将药物量不够产品规格的小瓶从生产线上移除的废品台26。通过有传送带28的传送器把瓶22从装填(和任选进行密封)台(未示出)传送到重量检查台24，如箭头30所示，通过旋转传送轮32的转动传送带在z方向上移动。
重量检查台24采用NMR技术来确定各个小瓶22中的药物样品的质量。如本领域技术人员应理解的，玻璃瓶作为容器是有用的，因为它们不提供可能干扰测量过程的任何信号。在本实施方式中，重量检查台24包括永久磁铁34、RF探针10(在图1中图示)以及具有处理器38的计算机控制系统36。磁铁34在称为询问区域40的一个区域中在跨越传送带28的x方向上产生均匀的直流(DC)或静磁场。询问区域40在传送带28的长度上延伸，在整个传送带通过永久磁铁34均匀地施加静磁场。瓶22中的样品包含每个都有核子旋转导致的磁矩的核子，例如，1H核子(质子)。因为样品质子具有磁矩，所以当处于一定磁场的影响时样品能够获得净磁化强度。当样品在询问区域40中时，所施加的静磁场在样品中产生净磁化强度。在询问区域40之前或在其起始处的瓶位置检测器42(如具有光束46的光学位置传感器44)准确地和精确地检测瓶22到达传送带28上在重量检查台24之前的已知物理位置的时间。
在大多数NMR系统中，静磁场强度是能使样品的拉莫尔(Larmor)频率在电磁频谱的射频范围内。在样品上施加样品的拉莫尔频率的并垂直于静磁场取向的交变电流(AC)磁场，会使样品的净磁化强度绕AC磁场轴旋转，且远离静磁场。在本实施方式中，通过在RF探针10施加相应的AC电流而产生这种磁场。改变传送到RF探针10的能量的量可以改变净磁化强度的旋转角度。
在本示例性实施方式中，导致90°旋转的激励场被用来激励样品。在将90°脉冲施加于样品后，样品处于高能量、非平衡状态，它从该状态会驰豫返回其初始平衡状态。在样品驰豫时，发射拉莫尔频率的电磁能量，其磁分量在RF探针10中感生电流形式的回应信号。
RF探针10监测样品的净磁化强度返回其初始状态时样品发射的能量，并产生具有与发射的能量成比例的特性的输出信号。在本例子中，感生电流的特性即幅度随样品中的磁矩数变化，因此随样品中的分子数变化。然后将所接收到的信号传送到计算机控制系统36，该系统对从未知样品接收到的信号的幅度与从具有已知质量(或重量)的校正样品接收到的信号的幅度进行比较，以确定所测试的样品的质量(或重量)。重量检查台24能够产生和接收在激励样品中的不同NMR响应元件时所需要的不同拉莫尔频率的信号。如果计算机控制系统36可以存储不同的各样品的校正数据，则重量检查台就能利用来自不同NMR响应元件的NMR信号的特性来确定各个样品的质量。
为说明目的而非限制，将描述图1所示的NMR重量检查台24的一般操作。首先，初始化重量检查台24，包括安装适合待测样品的RF探针10。一旦开始生产，传送带28连续传送要其样品质量(或重量)需要确定的小瓶22。当每一个小瓶22到达由光学位置传感器44检测的位置时，光学位置传感器44产生准确地建立瓶22位置的信号，并传送至计算机控制系统36。然后，在小瓶22前入询问区域40中的位置PM时，计算机控制系统36追踪传送带28的移动，在该位置PM小瓶22中的样品将返回最大样品回应信号。
在瓶22处于位置PM时，RF探针10的短暂通电立即被触发，在询问区域40施加交变磁场，使瓶22中样品的净磁化强度暂时被改变。RF探针10监测在样品的净磁化强度返回到其初始平衡状态时小瓶22中样品发射的能量，并产生具有与所发射的能量成比例特性的输出信号，如电流幅度。计算机控制系统36接收RF探针10的输出信号。处理器38将电流幅度或其它输出信号特性与从已知质量的至少一个类似样品得到的类似数据进行比较，从比较结果确定样品的质量。
RF探针
本发明的示例性RF探针10的电结构示于图2至图4，机械结构示于图5至图8。更具体地，图2示出RF探针10导电路径的示意图，图3和图4示出示例性RF探针10的两种谐振电路形式的电路图，图5至图8示出RF探针10的物理形式的正视图、左视图、后视图以及底视图。
如在图2左图5看到的，本发明的RF探针10包括线圈100，该线圈具有分别支撑在两个相对的有矩形横截面的外壳106和108内的多个导电回路102和104。外壳106、108是隔开的，并且平行，造成“开路探针”配置。开路探针配置允许载有要检测其内容物的瓶22的传送带28从外壳106和108之间通过，并且允许在瓶22和传送带28周围的气流基本上不受阻碍地通过。导电回路102、104和载有这些回路的外壳106、108放置成线圈100的纵轴的方向可以与传送带28成水平或垂直的空间关系。
外壳106中的导电回路102和外壳108中的导电回路104电连接，以呈现电磁意义上的单个连续的线圈100。详细的导电路径示于图2。导电回路102包括组成内回路118的多个线圈元件110、112、114和116以及组成在内环128的多个线圈元件120、122、124和126，和在线圈元件130和134的开路端接地的组成外回路138的线圈元件130、132和134。类似地，导电回路104包括组成内回路148的多个线圈元件140、142、144和146，与反绕匝线圈元件156组成内回路158的线圈元件150、152和154，以及与反绕匝168的组成反绕外回路168的线圈元件160、162和166。
四个导体将导电回路102和104分别与不同的外壳106和108电连接。导体170与内回路118和148电连接；导体172与内回路128和158电连接；导体174与外回路138和168电连接；导体176与内回路128和148电连接。
用箭头示出在每个垂直线圈元件和每个导体上的导电路径。可以看到该路径从线圈110和116的各一端相互电连接并和发射机的输出和接收机的输入相互电连接的节点处开始，并顺序行进通过内回路118、导体170、内回路148、导体176、内回路128、导体172、内回路154、反绕匝回路168、导体174、内回路138以及接地返回到发射机输出和接收机输入。
本领域技术的技术人员应该理解，正绕和反绕的匝数将依据包装物尺寸所需的线圈大小来变化。在本例子中，已经发现具有两个正极性和一个反极性回路的RF探针10对2ml体积的药物小瓶22相关的尺寸是最佳的。本领域技术的技术人员会进一步理解，在线圈100的端点处的这些反极性匝或多个匝将交变磁场周边有效成形，使来自与测试样品相邻的样品的交叉耦合效应最小，即，使除测试样品外的瓶22的位置处，最好是RF探针装置10的中心处的交变磁场最小。可选择或另外地，为相同的目的可以通过包括校正线圈180和182将交变磁场周界无源地成形。校正线圈180、182可以由用于导电回路102和104的同样的电连接的线圈元件形成，并类似地包含在线圈100端点处的外壳106、108中。
RF探针10包括谐振电路189，以在有益频率处产生需要的交变磁场短脉冲。示例性地，合适的谐振电路包括图3和图4中所示的那些电路。在图3中，线圈100的端子上并联地电连接具有用户可调电容量的可调节调谐电容器190，以及一个或多个固定电容量的调谐电容器192。调谐电容器190、192设置和调节RF线圈10的谐振频率。将并联地电连接的可调节的匹配电容器194和一个或多个固定电容量的匹配电容器196在线圈100的一端与用于NMR重量检查台20的接收机(未示出)和发射机(未示出)之间串联电连接。匹配电容器194、196使加负载的RF探针10的阻抗与从接收机和发射机的电缆的特性阻抗(通常为50Ω)相匹配。在发射机和匹配电容器194、196之间串联连接的四个二极管网络198将接收机与发射机隔开，否则发射机的功率会使接收机过饱和。可以把任选的并联电阻器200跨接在线圈100上，在重量检查台24不处于操作时可以耗散任何存储的能量。
图3所示的谐振电路配置通常称为串联谐振电路202。在图4中，调谐电容器190、192和匹配电容器194、196的电连接按通常称之为并联谐振电路204的形式互连。
如下进一步详细说明的，通过在各外壳106、108的内表面涂覆导电材料如铜，可以对重要的附加交变磁场进行成形并使干扰最小。当线圈100通电时，在该导电涂层中引起涡电流，有助于形成交变磁场周界和减小交叉耦合以及其它外部干扰。
图5至图9清楚地示出本文描述的用于确定2ml药物瓶22的内容物质量的示例RF探针10的机械结构。从一般的机械有利情况，RF探针10包括两个空间关系上为平行的、基本为矩形的外壳106和108，在两个外壳之间提供通道210；在外壳106、108的底部把它们连在一起的平底板212；在外壳106、108的顶部把它们连在一起的可移动的平顶板214；以及安装在顶板214一侧的电容器盒216。
确定外壳106、108和过道210的尺寸为允许传送带28、传送带上所有的瓶22以及周围的气流无阻碍地通过RF探针10的中心，待测样品所处的优选位置是磁场最均匀的位置。在本例子中，发现较合适的是：传送带携带多排2ml的瓶22，外壳106、108高约20cm、宽20cm和深10cm，具有的过道为约10cm。两个底板212和顶板214中可以具有基本上为开口的孔，以进一步便于气流无阻碍通过。
本领域普通技术的用户应该理解，必须针对每个独特包装物的体积和尺寸配置RF探针10并最优化。因此，要求RF探针10能便于用户拆卸和安装，使传送带28能用于各种包装物。为此，可以使连接外壳106和108底部的元件便于拆卸。因此，用有螺纹的螺栓和帽型螺母218把顶板214固定在外壳106、108上时，可以用有螺纹的螺栓和翼型螺母220固定底板212。
如上所述，导体170、172、174和176和接地的连接必须在外壳106和108中的线圈元件之间通过。在本例子中，示出这些导体中的三个导体在外壳106和108的顶部刚好在顶板214下面通过。提供基本为U形的通道222，该通道具有用于安装到顶板224的有螺纹的螺栓上的法兰224，通道用来保护在外壳106和108顶部处通过的导体，并为它们之间的气流和空间提供方便。可以通过两个多插脚块连接器226和228电连接其它导体，这种多插脚块连接器226和228具有多个插脚230，适合于使高频电流在导电回路102和104中通过，它们分别安装在外壳106和108的底部。配偶桥式连接器可拆卸地啮合和电连接在块连接器226和228内的插脚230。
电容器盒216载有结合图3和图4所述的谐振电路元件。通过接近电容器的可旋转轴处的可拆卸盖234，对于可调谐电容器190和194进行调节，用户可以通过电容器的可旋转轴进行改变电容值。另一个可拆卸盖236接近电容器盒216的内部。最好所有可拆卸盖都配备有加载银的vitron“O”形环密封，以提高RF密封和气密密封。电容器盒的内部最好用诸如铜之类的导体进行涂覆，以提高RF掩蔽。如上所述，电容器盒216位于外壳108之上并固定在外壳108上。虽然这种不对称的安装经常会加剧噪声，但是在本申请中，发现可期望使气流最大。
在NMR重量检查系统20中的射频响应严格地取决于多个因素，并且可能对NMR测量产生有害影响。因此，必须仔细地选择用于制造RF探针10的材料，以提供低的磁性和交互作用，便于制造，使成本最低以及可用性。此外，在制药应用方面，所有材料必须与符合上述环境要求。所以，例如，为外壳106和108选择的材料必须能够承受所使用的清洁剂，并且不会褪色或在机械性能不会下降。
发现与RF探针10一起使用的可接受的材料包括316级或更好的不锈钢的材料，用于外壳106和108、电容器盒216、底板212、顶板214和所有可拆卸的盖。应该用诸如铜和金之类的合适的RF屏蔽导体镀覆所有内部表面和柱头螺栓。发现可接受的印刷电路板材料为Diclad 880。连接器块和电容器支架成功地使用商业上称为Delrin的醋酸基材料。最好用聚四氟乙烯(PTEE)来制造通道222。
应该理解，本文中描述的实施方式只是示例性的，在不偏离本发明的精神和范围下本领域的技术人员可以进行许多变更和修改。各实施方式可按需选择或组合的形式实施。所有这些修改和变更都旨在包含于所附的权利要求书中限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.一种在用于确定具有行进方向的生产线上的样品的质量的磁共振测量的询问区域中施加交变磁场的装置，该装置包括：
多个第一线圈元件，其基本上处于与生产线具有空间关系的第一平面；
多个第二线圈元件，其基本上处于第二平面，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件电连接，并且与所述多个第一线圈元件存在空间关系，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件隔开，使生产线上的样品通过所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件的分隔区。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件存在进一步的空间关系，使生产线上样品附近的气流基本上不受阻碍地通过所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件的分隔区。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述生产线具有行进的平面方向，所述多个第二线圈元件和所述多个第一线圈元件的空间关系是与行进的生产线平面方向基本平行和垂直二者之一。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个第一线圈元件基本上平行于所述多个第二线圈元件。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个第一线圈元件的所述线圈元件、所述多个第二线圈元件的所述线圈元件中各自组成多个导电回路。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多个导电回路具有基本为矩形的形状。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个导电回路基本上排列成一个在另一个的里面，所述形成最外侧导电回路的线圈元件电连接，使通过该回路的电流的极性与通过内侧导电回路的电流的极性相反，以使交变磁场周界成形为可使相邻样品的交叉耦合效应最小化。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述多个导电回路基本上排列成一个在另一个的里面，所述装置进一步包括与从所述多个第一线圈元件形成的最外侧导电回路处于操作性关联的第一无源校正线圈以及与从所述多个第二线圈元件形成的最外侧导电回路处于操作性关联的第二无源校正线圈。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述导电回路基本上排列成一个在另一个的里面，且形成最内侧导电回路的所述线圈元件的间隔包括一个大于形成其它导电回路的所述线圈元件的间隔的间隙，以提高交变磁场中央的均匀性。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，被电连接的所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件形成具有连续导电路径的单个线圈，还包括与所述线圈电连接的、形成磁共振射频探针的谐振电路。
11.一种用于确定具有行进方向的生产线上的样品质量的磁共振测量的射频探针，该射频探针包括：
多个第一线圈元件，其基本上处于与生产线具有空间关系的第一平面；
多个第二线圈元件，其基本上处于第二平面，所述多个第二线圈元件电连接于，并且处于与行进的生产线平面方向呈基本平行和垂直的空间关系二者之一，所述多个第二线圈元件与所述多个第一线圈元件隔开，使生产线上的样品和其周围的空气流基本上无阻碍地通过所述多个第一线圈元件和所述多个第二线圈元件的分隔区。
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