CN101191830A - 一种用于磁共振成像系统的呼吸/心电门控设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于磁共振成像系统的呼吸/心电门控设备，涉及磁共振成像技术，其信息处理系统是一个以单片机为处理核心的嵌入式系统；传感器采集的呼吸、心电信号经过放大、模数转换之后输入单片机中进行处理，同时也将呼吸、心电信号经串口送入计算机，将必要的信息显示在电脑屏幕上，通过人机交互的方式设定门限，计算机将设定好的门限信息再通过串口返回设备，单片机根据门限信息发生序列运行所需要的门控信号即控制脉冲，送至谱仪。本发明设备简单、灵活、可靠、成本低；保证信号采集的实时性和准确性，使得磁共振成像系统成像清晰。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像系统专用的呼吸/心电门控设备，即涉及一种通过采集人体呼吸和心跳的节律以控制成像系统中的序列运行时间来提高图像质量的设备。
背景技术
目前在磁共振成像系统中，由于人体呼吸、心跳等使系统成像时产生运动伪影，以致降低图像的分辨率和信噪比。为提高磁共振图像质量，需要一种能控制磁共振成像系统中成像序列的运行时间，使之与人体的呼吸、心跳的节律相同来消除运动伪影的设备。呼吸/心电门控就是这样的一种设备。
以往市场上常见的呼吸/心电门控设备主要有电极式和热敏传感式两种类型。电极式呼吸门控设备即现在医院中常见的心电机，它的结构主要包含三部分，分别为输入电路、放大电路和记录电路。输入电路包括过压保护、高频滤波、缓冲放大器、威尔逊网络和导联选择电路。放大电路包括前级放大、中间级放大和功率放大电路。记录电路主要由走纸马达调速、稳速电路、记录笔调温电路、记录器组成。它采用多个电极置于人体的不同部位同时采集多个信号，经过处理后得到呼吸和心电信号图，它具有测量准确，呈现的信号较好等特点，但其价格昂贵，体积较大，电路结构复杂，不适合供磁共振成像系统配套使用，且存在采集信号流程繁琐等不足之处。热敏传感式呼吸门控，其结构与心电机基本相同，同样结构复杂，它将热敏传感器置于人的呼吸部位，采集人体的呼吸信号来产生门控信号以控制成像序列，但操作人员难以根据不同病人的情况设置门限来控制脉冲的发生时间，且容易产生交叉感染，同样存在成本高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于磁共振成像系统配套使用的，简单、灵活、可靠又易于操作的呼吸/心电门控设备，以提高磁共振成像系统的成像质量。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种用于磁共振成像系统的呼吸/心电门控设备，包括输入电路、放大电路和信息处理系统；其信息处理系统是一个以单片机为处理核心的嵌入式系统；
传感器采集的呼吸、心电信号经过放大、模数转换之后输入单片机中进行处理，同时单片机将处理后的呼吸、心电信号经串口送入计算机，将必要的信息显示在电脑屏幕上，通过人机交互的方式设定门限，计算机将设定好的门限信息再通过串口返回设备，单片机根据门限信息发生序列运行所需要的门控信号即控制脉冲，送至谱仪。
所述的呼吸/心电门控设备，其所述传感器顺序经增益控制电路、放大电路、模数转换器与单片机电连接；或顺序经另一放大电路、模数转换器与单片机电连接；
单片机通过串口与计算机相互通信；
单片机另一输出端与磁共振成像系统的谱仪的TRIG口电连接。
所述的呼吸/心电门控设备，其所述单片机为AT89C52单片机，采用MAX810复位芯片；传感器为压敏传感器或与腰带及气囊连接的气压传感器；串口为MAX232串口。
所述的呼吸/心电门控设备，其所述增益控制电路为AD620增益控制电路；两放大电路为LM358放大电路；模数转换器为ADC0848模数转换器。
所述的呼吸/心电门控设备，其所述与腰带及气囊连接的气压传感器顺序经增益控制电路、放大电路、模数转换器与单片机电连接；压敏传感器顺序经另一放大电路、模数转换器与单片机电连接。
所述的呼吸/心电门控设备，其所述信息处理系统，包括单片机、串口和两个工作指示灯，两个工作指示灯中，一个复位状况指示灯，一个单片机运行状况指示灯。
一种所述的呼吸/心电门控设备的人机交互方法，其所述计算机端，测试者根据测试软件在计算机屏幕上得到测试界面，测试界面上显示三种不同颜色的曲线，一为信号曲线、一为门限值线、一为控制成像序列的门控信号线；
当测试者看到成像系统获得的图像不清晰或存在运动伪影时，根据经验手动设置门限值，即改变测试软件界面上门限值线的位置，设定合适的门限值；
此时，计算机将人为设定门限值的信息返回给AT89C52单片机嵌入式系统，AT89C52单片机处理系统根据设定的门限值输出相应的门控信号，即一系列脉冲，送给谱仪，以控制其成像序列运行时间，获得清晰的图像。
所述的呼吸/心电门控设备的人机交互方法，其所述脉冲的形成，在开始测试时，系统按默认值进行初始设定，设定初始门限值，并开始采集信号，AT89C52单片机嵌入式系统将采集来的信号与门限值进行比较，若信号高于门限值，则系统输出高电平，否则输出低电平，此时输出的高低电平便是控制成像序列运行时间的门控信号——脉冲序列；
脉冲序列控制磁共振成像系统成像序列运行时间，若成像清晰没有伪影，则让系统继续正常工作，若成像不清晰或存在运动伪影，则人为在计算机上重新设定门限值，产生新的门控序列，直到图像清晰、不存在运动伪影为止。
本发明在提高磁共振成像的图像质量上有着重要的现实意义。如，采用呼吸/心电门控能显著消除系统成像中的运动伪影，有效提高图像分辨率和信噪比，同时，呼吸/心电门控系统对血管造影、胰胆管水成像和心脏电影成像技术等高级磁共振成像功能的实现和改进都具有至关重要的作用。
由上所述，与传统的技术相比，本发明有如下的技术先进性：
a)采用高速单片机控制，保证信号采集的实时性和准确性；
b)实时输出可视化呼吸和心电波形，便于对被测者的监护；
c)简单、灵活，可靠性高，便于人工操作；
d)整个系统体积小、成本低，便于生产、安装和维护。
附图说明
图1为本发明呼吸/心电门控设备与采集人体呼吸信号的气压传感器及腰带连接图；
图2为本发明呼吸/心电门控设备与采集人体心电信号的压敏传感器的连接图；
图3为本发明呼吸/心电门控设备内部电路逻辑图；
图4为本发明呼吸/心电门控设备工作流程图——人机交互工作图；
图5为本发明呼吸/心电门控设备AT89C52微小处理系统内部程序工作流程图；
图6为本发明呼吸/心电门控设备获得的呼吸信号曲线图；
图7为本发明呼吸/心电门控设备获得的心电信号曲线图。
具体实施方式
本发明的呼吸/心电门控设备，用于磁共振成像系统，其简单、灵活、性能可靠，能够消除磁共振成像中的运动伪影，提高图像质量。它是一个以AT89C52单片机为处理核心的嵌入式系统，将传感器采集的呼吸、心电信号经过放大、模数转换之后输入单片机中进行处理，同时单片机将处理后的呼吸、心电信号经RS-232串口送入计算机，将必要的信息显示在电脑屏幕上，通过人机交互的方式设定门限，计算机将设定好的门限信息通过RS-232串口返回设备，单片机根据门限信息发生序列运行所需要的门控信号即控制脉冲，送至谱仪。
本发明核心部分的AT89C52单片机外围有两路信号放大电路、一个A/D转换器，以及一个串口电路，它们共同组成了呼吸/心电门控的主体。其中，放大电路一路为呼吸信号放大电路，它由两级电路组成，前一级由AD620构成的增益控制级，输入为差分信号，输出为相应的增益控制信号，后一级为LM358构成的放大电路，其中LM358为双运放芯片，可根据需要相应提高后一个运放的输入电平，提高输出信号的电位。另一路则为心电信号放大电路，主要由LM358构成的一级放大电路。A/D转换器则主要由芯片ADC0848构成，主要负责将送来的模拟信号转换成八位输出的数字信号，八位数字信号经数据总线送到呼吸/心电门控设备的核心——AT89C52组成的嵌入式系统，其中单片机采用MAX810复位芯片进行上电复位，在嵌入式系统中还包含有两个工作指示灯和串口连接部分，其中红色指示灯能够准确判断AT89C52是否复位，绿色指示灯则显示单片机内部程序是否正常运行，串口采用MAX232串口芯片进行连接，将处理后的信息分别送给计算机和磁共振成像系统中的谱仪，并在计算机中显示所采集到的信号的波形。
针对现有设备成本高、人机交互性差等方面的不足，本发明的呼吸/心电门控设备与相应的传感器相连接，传感器用于探测人体的呼吸信号，同时还采集人体的心电信号，设备与磁共振成像系统的谱仪相连接，它将探测到的人体呼吸、心电信号实时地处理后，向谱仪发出相应的脉冲信号，以控制成像序列的运行时间。设备电子系统由单片机进行控制、信号采集与脉冲发生，采用人机交互的方式进行门限设置操作，使成像系统获得的图像质量达到最佳，这也能充分体现出本发明的智能化、人性化的突出特点，体现了“人在环路”的理念。
本发明设备具有简单、灵活、可靠、成本低等特点，适用于所有的磁共振成像系统，可以有效的减少在人体成像过程中由呼吸运动、心脏跳动等引起的运动伪影。
以下参照附图对优选实施例进行详细描述，将使本发明供磁共振成像系统配套专用的呼吸/心电门控设备的结构和特点更加清晰。
1、以下参照附图描述实现本发明供磁共振成像系统配套专用的呼吸/心电门控设备中关于呼吸信号的实施例。
图1为呼吸/心电门控设备与气压传感器及腰带连接图，气压传感器采集呼吸信号，根据人体呼吸产生不同的差分信号并将信号送入附图3所示的增益控制电路，AD620增益控制电路根据传感器送来的差分信号输出相应的增益控制信号，并送入后一级由LM358构成的放大电路进行信号放大，呼吸信号放大后送到A/D转换器ADC0848，经过A/D转换器输出八位数字信号送入AT89C52单片机的嵌入式系统，最后将处理后的信号经串口MAX232送入计算机和谱仪，如附图4所示。
图4是呼吸/心电门控工作流程图——人机交互工作图，及其与磁共振成像系统中谱仪连接的示意图。其中电子设备的信号端口与采集信号的传感器相连，将采集到的人体的呼吸和心电信号送至电子设备。电子设备的计算机端口与PC机相连，这样操作者(也即测试者)只需在计算机上就可以进行实时的操作和监控。首先，电子设备将采集到的信号经处理后送到PC机，操作者在PC机上可看到所采集的信号波形，并根据需要设定门限值，同时将设定门限的信息返回到电子设备，使之产生控制成像序列运行时间所需的脉冲。电子设备的脉冲端口与磁共振成像系统中谱仪的TRIG口相连接，将脉冲送至谱仪，以控制成像序列。
在计算机上测试者根据测试软件得到呼吸信号曲线图，如附图6所示。其中，测试界面上有三种曲线，线1(界面显示为绿色)为获得的被测者的呼吸信号曲线，线2(界面显示为红色)为门限值线(可根据需要人为设定)，线3(界面显示为黄色)即为控制成像序列的门控信号。当操作者看到成像系统获得的图像不清晰或存在运动伪影时，可根据经验手动设置门限值，即改变测试软件界面上线2的位置，设定合适的门限值，此时，计算机将人为设定门限值的信息返回给AT89C52单片机嵌入式系统，AT89C52单片机处理系统根据设定的门限值输出相应的门控信号，即一系列脉冲送给谱仪以控制其成像序列运行时间，获得清晰的图像。其中脉冲的形成过程如附图5所示，在开始测试时，系统按默认值进行初始设定，设定初始门限值，并开始采集呼吸信号，AT89C52嵌入式系统将采集来的呼吸信号与门限值进行比较，若呼吸信号高于门限值，则系统输出高电平，否则输出低电平，此时输出的高低电平便是控制成像序列运行时间的门控信号——脉冲序列，脉冲序列控制系统成像序列运行时间，若成像清晰没有伪影，则让系统继续正常工作，若成像不清晰或存在运动伪影，则可人为在计算机上重新设定门限值，产生新的门控序列，直到图像清晰、不存在运动伪影为止。
2、以下参照附图描述实现本发明供磁共振成像系统配套专用的呼吸/心电门控设备中关于心电信号的实施例。
附图2为呼吸/心电门控设备与压敏传感器的连接图，同样采集心电信号时压敏传感器将人体脉搏的跳动信号转为电信号，并将其送入附图3所示的由LM358直接构成的心电信号放大电路，放大后的心电信号与呼吸信号一样送到由ADC0848构成的A/D转换器，转换后的八位数字信号进入单片机嵌入式系统进行处理。处理后在计算机上将获得如附图7所示的心电信号，同样也要经过附图4所示的人机交互操作环节，最后将脉冲序列送给谱仪进行控制成像序列成像。在成像过程中，心电信号门限值的设定流程与呼吸信号门限的设定相同，如附图5所示，测试者将根据自身的经验设定门限值，直至获得清晰的图像为止。
以上两个实施例，在突出本发明简单、灵活、可靠的特点外，还体现了“人机交互，人在环路”的这样一种理念，更突出了本发明的优势所在。
Claims (8)
1.一种用于磁共振成像系统的呼吸/心电门控设备，包括输入电路、放大电路和信息处理系统；其特征在于，信息处理系统是一个以单片机为处理核心的嵌入式系统；
传感器采集的呼吸、心电信号经过放大、模数转换之后输入单片机中进行处理，同时单片机将处理后的呼吸、心电信号经串口送入计算机，将必要的信息显示在电脑屏幕上，通过人机交互的方式设定门限，计算机将设定好的门限信息再通过串口返回设备，单片机根据门限信息发生序列运行所需要的门控信号即控制脉冲，送至谱仪。
2.如权利要求1所述的呼吸/心电门控设备，其特征在于，所述传感器顺序经增益控制电路、放大电路、模数转换器与单片机电连接；或顺序经另一放大电路、模数转换器与单片机电连接；
单片机通过串口与计算机相互通信；
单片机另一输出端与磁共振成像系统的谱仪的TRIG口电连接。
3.如权利要求1或2所述的呼吸/心电门控设备，其特征在于，所述单片机为AT89C52单片机，采用MAX810复位芯片；传感器为压敏传感器或与腰带及气囊连接的气压传感器；串口为MAX232串口。
4.如权利要求2所述的呼吸/心电门控设备，其特征在于，所述增益控制电路为AD620增益控制电路；两放大电路为LM358放大电路；模数转换器为ADC0848模数转换器。
5.如权利要求3所述的呼吸/心电门控设备，其特征在于，所述与腰带及气囊连接的气压传感器顺序经增益控制电路、放大电路、模数转换器与单片机电连接；压敏传感器顺序经另一放大电路、模数转换器与单片机电连接。
6.如权利要求1所述的呼吸/心电门控设备，其特征在于，所述信息处理系统，包括单片机、串口和两个工作指示灯，两个工作指示灯中，一个复位状况指示灯，一个单片机运行状况指示灯。
7.一种如权利要求1或2所述的呼吸/心电门控设备的人机交互方法，其特征在于，所述计算机端，测试者根据测试软件在计算机屏幕上得到测试界面，测试界面上显示三种不同颜色的曲线，一为信号曲线、一为门限值线、一为控制成像序列的门控信号线；
当测试者看到成像系统获得的图像不清晰或存在运动伪影时，根据经验手动设置门限值，即改变测试软件界面上门限值线的位置，设定合适的门限值；
此时，计算机将人为设定门限值的信息返回给单片机嵌入式系统，单片机处理系统根据设定的门限值输出相应的门控信号，即一系列脉冲，送给谱仪，以控制其成像序列运行时间，获得清晰的图像。
8.如权利要求7所述的呼吸/心电门控设备的人机交互方法，其特征在于，所述脉冲的形成，在开始测试时，系统按默认值进行初始设定，设定初始门限值，并开始采集信号，单片机嵌入式系统将采集来的信号与门限值进行比较，若信号高于门限值，则系统输出高电平，否则输出低电平，此时输出的高低电平便是控制成像序列运行时间的门控信号——脉冲序列；
脉冲序列控制磁共振成像系统成像序列运行时间，若成像清晰没有伪影，则让系统继续正常工作，若成像不清晰或存在运动伪影，则人为在计算机上重新设定门限值，产生新的门控序列，直到图像清晰、不存在运动伪影为止。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20080604 |