CN105759232B - 一种磁共振成像的多元同步采集控制*** - Google Patents

一种磁共振成像的多元同步采集控制*** Download PDF

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Abstract

本发明提出一种磁共振成像的多元同步采集控制***，包括：宽频多核多通道射频发射模块，用于产生经调制的中频信号，并将所述中频信号搬移到观察核的共振频率处；数字中频接收模块，用于接收所述中频信号；梯度控制及***主控模块，用以提供***所需要的脉冲梯度信号以及***控制的同步信号；***时钟模块，用于产生***工作时所需的时钟脉冲；所述宽频多核多通道射频发射模块，所述数字中频接收模块，所述梯度控制及***主控模块及所述***时钟模块均与集线器相连，进而通过以太网连接至采样计算机。

Description

一种磁共振成像的多元同步采集控制***
技术领域
本发明涉及核磁共振技术领域，特别涉及一种磁共振成像的多元同步采集控制***。
背景技术
核磁共振波谱广泛应用于生物，医学，化学等多个领域，是鉴定有机化学结构，研究化学反应原理，分析化合物成分，含量的重要方法。核磁共振成像已发展成最重要的医学影像检测手段之一。原子核的共振频率与他的化学环境密切相关,化学环境的改变可使某种原子核在拉莫尔(Larmor)共振频率的基础上有轻微的偏移,这种现象称之为化学位移,核磁共振波谱就是利用磁共振现象和化学位移作用,对特定原子核及其化合物进行分析。并将采集得的特殊化学位移或化学位移里产生的MR信号转为可视图像。
目前基于人体组织广泛存在的元素的核磁共振成像主要有以下几种：
(1)1H磁共振成像1H在人体中的摩尔浓度最高，中最多的原子核，约占人体总原子核数的2/3以上，1H的磁化率在人体磁性原子核中也是最高的，因此可以产生强大的磁共振信号。1H磁共振成像对软组织对比度显示佳，解剖结构清晰.
(2)31P磁共振成像31P的核磁共振成像的敏感性仅为1H的6.65％,其含量也比1H低得多,但是,生物体中的许多分子都含有31P,而且,PCr、ATP和Pi等许多磷化合物均参与细胞的能量代谢过程,以及与生物膜有关的磷脂代谢,31P核磁共振波谱主要是通过测定具有不同化学位移的磷代谢物的相对浓度来确定细胞的能量代谢状态的,研究已经表明,31P核磁共振波谱是一种无损伤测量正常和病理状态下能量代谢含量及变化的精确方法。
其成像方法主要为在磁共振频谱检查前,一般先做磁共振,根据图像提供的病变部位,对感兴趣区进行磁共振频谱查。现最常用下列3种技术来获取代谢变化信号:①表面线圈法,将表面线圈旋转在被检测部位的体表,主要用于周围肌肉、皮肤和肝脏的检查；②深部分辨表面线圈法,应用选择性脉冲激发距体表一定距离的单一面,主要用于心脏的检查:③选择性激发技术,利用梯度磁场和脉冲信号选择性激发感兴趣区,可用于脑组织的检查。31P磁共振波谱应用原则是首先用体线圈对人体进行常规磁共振扫描.确定肿瘤的大小、位置,然后将心/肝磷谱表面线圈置于肿瘤表面,使表面线圈与肿块之间的非肿瘤组织最薄,同时尽可能将要观察的部位置于表面线圈中心,同时用呼吸门控(Resp/Trigger)腹带置于中腹部,常规作轴位、冠状位或矢状位二维FLASH序列进行定位,对感兴趣区匀场后(方法是通过逐步调整X、Y、Z三个轴方向上的辅助磁场线圈内的电流)对产生的自由感应衰减信号进行频谱采集。近年来提出了多种新的在体局域谱定位方法和多线圈组合技术,使31P磁共振波谱从活体代谢的基础研究阶段进入了临床应用的探索阶段。
(3)23Na磁共振成像23Na的自然丰度为100％，相对于1H的灵敏度为9.2％。23Na在生物体内普遍存在，浓度在60mmol/L/kg体重左右，自旋-晶格弛豫时间较短，因此可以直接用NMR测定生物样品。在生物医学研究中，人们很早认识到Na离子浓度对疾病非常敏感，可用来指示细胞，新陈代谢的完整性和离子动态平衡。利用MRI测量组织内Na+浓度及其分布其主要目的是为了理解组织中Na+在细胞内外转运的过程以及在病理状态下这个过程如何变化，与其他用于检测组织中Na+浓度的方法相比，23Na的MRI的主要优势在于，可以对完整的具有功能的组织进行反复的无损伤的测定，允许在较长时间内连续进行观察。
MRI成像过程中，图像的质量，灵敏度与磁场强度，磁场均匀度，线圈的灵敏度等因素密切相关。但是在现有的技术条件下，以提高磁场强度来增加灵敏度的方法非常昂贵。相比提高磁场强度而言，利用特定灵敏的线圈来进行MRI的方法更为可行。23Na磁共振成像中使用的线圈是特制的表面线圈，其特点为：表面线圈灵度高；与普通线圈相比，SNA高；用表面线圈成像时，可以减少信号累加次数的办法来节省扫描时间；其更突出的优点是在研究动物组织时不需要进行前期处理，还可尽量靠近受检部位而接收更强的信号。脉冲序列的使用对23Na成像也会产生一定的影响，由于23Na的电四级矩导致横向弛豫时间缩短，因此可以选择短TE的梯度回波序列来减少扫描时间。所用23Na MRI采用小反转角梯度回波序列(Snapshot-FLASH)
(4)19F核磁共振成像19F对1H的高敏特性使之成为理想的示踪元素。氟血置换已用于血管疾患的显示，还可利用氟气渗透测定组织内的血流量。19F的天然丰度为100％，其NMR相对灵敏度接近1H-NMR，化学位移范围大、结构近似的化合物或代谢产物不易出现峰重叠，正常体内含氟成分很少，测定时没有本底信号干扰，因此在体内研究中引进氟代指示剂进行19F NMR研究是一种很好的方法.
在体内核磁共振技术中，19F-NMR与其他方法相比，有以下的优点：(1)不破坏样品；(2)不需要提取分离或只需要简单预处理即可同时测定多种成分；(3)不需要预选分析条件，只要能测得有关信号，确定信号强度与浓度关系即可进行定量分析。
最近，分子影像设备飞速发展，分子影像学是交叉领域，为临床提供无创性、活体内从解剖学到功能诊断的信息。分子医学影像设备的发展势必推动整个医学科学的发展，多核动态同步采集成像技术将为临床诊断掀开新的篇章。利用氢、氟、钠、磷四种原子核磁共振成像技术及多核同步动态采集技术，对疾病的诊断和治疗都提供了较好的客观依据。由于各个原子信号采集所获得的图像侧重点的不同，在图像显示方面其局限性逐渐展现出来。如：采集时间长，图像信噪比低，图像后处理难等问题，效果常不能令人满意。因此如何提出一种能够同时进行多种原子核的采集，获得各种不同核素组织的图像的多元同步采集控制***，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于设计一种多元同步采集***，使该多元同步采集***能够同时进行多种原子核的采集，获得各种不同核素组织的图像，并在不降低影响信号分辨率和灵敏度的情况下，缩短扫描时间。
为达上述目的，本发明提出一种磁共振成像的多元同步采集控制***，包括：
多个射频发射模块，用于产生不同频率的中频射频脉冲信号，并将所述中频射频脉冲信号搬移到观察核的共振频率处；
多个数字中频接收模块，与所述射频发射模块相连，用于接收所述中频信号；
梯度控制及***主控模块，与所述数字中频接收模块相连，用以提供***所需要的脉冲梯度信号以及***控制的同步信号；
***时钟模块，与所述梯度控制及***主控模块相连，用于产生***工作时所需的时钟脉冲；
所述射频发射模块，所述数字中频接收模块，所述梯度控制及***主控模块及所述***时钟模块均与集线器相连，进而通过以太网连接至采样计算机。
根据本发明提出的多元同步采集控制***，其中，所述射频发射模块包括基带模块和正交上变频模块，所述基带模块用于产生已调制的中频射频脉冲信号，所述正交上变频模块采用正交混频的方式将所述中频射频脉冲信号搬移到观察核的共振频率处。
根据本发明提出的多元同步采集控制***，其中，所述数字中频接收模块包括中频信号放大模块、中频采样模块和数字正交检波模块；所述中频信号放大模块采用可变增益放大器、可变衰减器和固定增益放大器相结合实现对中频信号的放大和衰减，并在采样之前***一级防混叠低通滤波器抑制带外噪声；所述中频采样模块使用14位模数转换器对信号进行数字化处理。
根据本发明提出的多元同步采集控制***，其中，所述梯度控制及***主控模块包括梯度数据解析模块、梯度计算模块和数模转换模块；所述梯度控制及***主控模块采用FPGA实现梯度波形数据的存储和解析，并在FPGA内实现直流漂移校正和梯度坐标变换等梯度计算功能，FPGA生成的数据通过高速LVDS收发器输出到数模转换模块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过一次磁共振扫描可以同时获得多种核素的图谱，并能够在保证图像分辨率和灵敏度不变的前提下，减少扫描时间，提高检测效率；而且可以将其进行技术融合达到能够在疾病早期能够对疾病做出诊断，并能够对肿瘤疾病进行早期诊断及鉴别诊断.以达到精准治疗的目的。
附图说明
图1为本发明的多元同步采集控制***的结构示意图。
图2为本发明的多元同步采集控制***采集多核射频信号时的脉冲序列图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的多元同步采集控制***采用分布式全并行控制架构设计，大幅提高采样模块和工作站间的数据传输速度，突破数据传输瓶颈，满足多核同时成像观测需求。请参阅图1，为本发明的多元同步采集控制***的结构示意图。其主要结构包括：
(1)宽频多核多通道射频发射机：采用全数字射频调制技术，包括基带模块和正交上变频模块，采用现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)作为***的控制核心，完成控制参数的存储解析和各个模块电路的控制；采用直接数字频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)产生已调制的中频信号，实现频率、相位和幅度灵活、快速的改变；采用正交混频的方式将中频搬移到观察核的共振频率处，使得频率覆盖范围广，并能克服镜像频带的产生。
(2)数字中频接收机：使用中频直接采样和数字正交检波技术的接收机，可以将***接收带宽提高至2MHz以上并有效改善接收机动态范围。接收机按功能划分为中频信号放大模块、中频采样模块、数字正交检波模块三个部分。中频信号放大模块采用可变增益放大器、可变衰减器和固定增益放大器组合的方案实现对中频信号的放大和衰减，满足接收机动态范围的要求，并在采样之前***一级防混叠低通滤波器抑制带外噪声。中频采样使用高采样率、低量化噪声的14位模数转换器(ADC，Analog to Digital Converter)对信号进行数字化。
(3)梯度控制及***主控模块：提供***所需要的脉冲梯度信号以及***控制的同步信号。梯度控制及***主控模块按功能划分为梯度数据解析模块、梯度计算模块和数模转换模块三个部分。采用FPGA实现梯度波形数据的存储和解析，并在FPGA内实现直流漂移校正和梯度坐标变换等梯度计算功能，FPGA生成的数据通过高速LVDS收发器输出到数模转换模块。采用高性能16位数模转换器(DAC，Digital to Analog Converter)实现梯度波形的输出，并用运算放大器实现对梯度波形的电压放大，以满足梯度功放的输入要求。
本发明的多元同步采集控制***利用上述结构，通过编辑相应的脉冲序列以实现多元同步采集。如图2所示：经过准备期A,1H，19F,31P,23Na磁化矢量均恢复至基态；随后演化期B，在1H通道施加90°脉冲对(pw)，激发并使1H的磁化矢量在B时间内发生相干演化；接着在采集期C，第一接收器获得1H磁共振信号；之后进入演化期D，在19F通道施加90°脉冲对(pwx)激发并使19F磁化矢量发生相干演化；采集期E，第二接收器检测获得19F磁共振信号。之后进入演化期F,在31P通道上施加90°脉冲对(pwx)并使31P磁化矢量发生相干演化,采集期G，第三接收器检测获得31P磁共振信号；之后进入演化期H,在23Na通道上施加90°脉冲对(pwx)并使23Na磁化矢量发生相干演化,采集期I，第三接收器检测获得23Na磁共振信号由此完成了1H/19F/31P/23Na的一个数据采集周期。
对于常规磁共振信号的采集，一次数据采集只能通过A～B～C阶段获得1H信号，或通过A～D～E阶段获得19F信号，或通过A～F～G阶段获得31P信号，或通过A～H～I阶段获得23Na信号。若想要获得这四类信号，必须分别检测，总时间将是A+B+C、A+D+E。A+F+G或A+H+I阶段时间乘以累积扫描次数的总和。设计的1H/19F/31P/23Na脉冲序列利用第一检测信号的A～B～C阶段作为第二检测信号的预备期，第二次检测信号的A～D～E阶段作为第三检测信号的预备期，第三检测信号的A～F～G阶段作为第四检测信号的预备期，从而在不改变其它参数，不影响采样效率和谱图质量的基础上缩短了总实验时间。尤其当所需预备期A较长时，对实验时间的节省效果更为明显。这对于需要较长驰豫时间的小分子样品，以及对于预备阶段磁矢量归零要求较高的实验如核磁定量等意义尤为重大。对于核磁共振波谱法这种通过扫描次数增加，信号累加可以获得更好信噪比的分析方法而言，平行多通道采集的脉冲序列实验比普通核磁实验具有更高的采样效率。多通道采集的脉冲序列在短时间内同时完成多项检测，提高了易降解物质以及核磁原位检测有机反应的谱图检测准确度，也可以减少硬件不稳定引起的实验间误差。
经过多次反复信号累加后，多通道平行采集磁共振数据被多个接收器分别写入同一个FID中。根据傅里叶转换可同时获得多个图谱。MRI多核采集技术、序列(PWI、DWI、MRS、fMRI等)大大补充了单一成像的代谢和功能信息良好的软组织对比度和高空间分辨率，各种核的成像采集的互补为临床诊断提供了丰富的信息。并且可从分子水平上反映生物体的生理病理变化，以帮助疾病的早期诊断、早期治疗以及新药研发。
综上所述，本发明具有以下技术优势：
(1)无电离辐射，且软组织分辨率高，病人因此可反复进行扫描对疾病做出正确的诊断。
(2)利用氢，磷，氟，钠等元素同步采集，并将其进行融合时可以达到解剖和功能的一体化的效果。并且可以在保持图像分辨率和灵敏度不变的情况下，降低扫描时间。
(3)利用氢，磷，氟，钠等元素的同步采集能够达到细胞水平可视化，有活体、无创、实时、特异、精细显像等优点。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种磁共振成像的多元同步采集控制***，其特征在于，包括：
多个射频发射模块，用于产生不同频率的中频射频脉冲信号，并将所述中频射频脉冲信号搬移到观察核的共振频率处；
多个数字中频接收模块，与所述多个射频发射模块相连，用于接收所述中频信号；
梯度控制及***主控模块，与所述数字中频接收模块相连，用以提供***所需要的脉冲梯度信号以及***控制的同步信号；
***时钟模块，与所述梯度控制及***主控模块相连，用于产生***工作时所需的时钟脉冲；
所述射频发射模块，所述数字中频接收模块，所述梯度控制及***主控模块及所述***时钟模块均与集线器相连，进而通过以太网连接至采样计算机。
所述射频发射模块包括基带模块和正交上变频模块，所述基带模块用于产生已调制的中频射频脉冲信号，所述正交上变频模块采用正交混频的方式将所述中频射频脉冲信号搬移到观察核的共振频率处；
所述数字中频接收模块包括中频信号放大模块、中频采样模块和数字正交检波模块；所述中频信号放大模块采用可变增益放大器、可变衰减器和固定增益放大器相结合实现对中频信号的放大和衰减，并在采样之前***一级防混叠低通滤波器抑制带外噪声；所述中频采样模块使用14位模数转换器对信号进行数字化处理；
所述的多元同步采集控制***通过编辑相应的脉冲序列以实现多元同步采集：
首先是准备期A,1H，19F,31P,23Na磁化矢量均恢复至基态；
随后是演化期B，在1H通道施加90°脉冲对，激发并使1H的磁化矢量在B时间内发生相干演化；
接着在采集期C，第一接收器获得1H磁共振信号；
之后进入演化期D，在19F通道施加90°脉冲对，激发并使19F磁化矢量发生相干演化；
接着在采集期E，第二接收器检测获得19F磁共振信号；
之后进入演化期F,在31P通道上施加90°脉冲对并使31P磁化矢量发生相干 演化；
接着在采集期G，第三接收器检测获得31P磁共振信号；
之后进入演化期H,在23Na通道上施加90°脉冲对，并使23Na磁化矢量发生相干演化；
接着在采集期I，第三接收器检测获得23Na磁共振信号；
由此完成了1H/19F/31P/23Na的一个数据采集周期。
2.根据权利要求1所述的多元同步采集控制***，其特征在于，所述梯度控制及***主控模块包括梯度数据解析模块、梯度计算模块和数模转换模块；所述梯度控制及***主控模块采用FPGA实现梯度波形数据的存储和解析，并在FPGA内实现直流漂移校正和梯度坐标变换等梯度计算功能，FPGA生成的数据通过高速LVDS收发器输出到数模转换模块。
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