CN101430371A - 一种磁共振成像的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种磁共振成像的方法，对成像目标施加强的极化磁场，然后关闭此极化磁场，并对样品施加一极低的编码磁场，在此磁场下对样品施加梯度磁场进行空间编码，然后关闭此编码磁场，在一个nT级的磁场环境下采用光磁共振的方法读取磁共振信号，并重建图像。其装置包括：用于产生磁场可控的极化磁场的极化磁体(101)，用于产生磁场可控的编码磁场的编码磁体(102)，产生梯度磁场的三维梯度系统(103)，产生nT级磁场的nT线圈(104)，磁屏蔽系统(105)，射频线圈(106)，光磁探头(107)，脉冲序列控制系统(108)和图像处理计算机(109)。成像目标和光磁探头(107)放在编码磁体(102)和极化磁体(101)中。

Description

一种磁共振成像的方法及其装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)系统，特别是涉及一种新型的磁共振成像的方法及其装置。

背景技术

当前的磁共振成像系统工作时，需要将人体置于一个强大的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。当在这一过程中加入梯度磁场后，就可以通过射频信号获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。

由于图像的信噪比与磁场强度相关，磁场强度越强，图像的信噪比越高，因此在磁共振成像系统中都有一个强磁场的磁体，其发展趋势也是磁场强度越来越高，使得系统的体积和成本也越来越大越大。为了在不增大磁场强度的前提下提高图像信噪比，或者在采用较低磁场强度的条件下获得相当于高磁场强度的图像质量，一些新的成像方法得到了重视。

一种方法是采用预极化方式成像，即在一个低的磁场环境下施加一个强的脉冲磁场，脉冲磁场对样品进行极化，脉冲磁场撤除后在低的磁场环境中进行磁共振成像，以达到增强图像质量的目的。

另外一种方法是采用新的磁共振信号检测方法，用来增强信号的信噪比，提高图像质量。光学原子磁力计被用来检测磁共振信号，可以将磁共振信号的信噪比提高几个数量级。

光学原子磁力计是基于光泵磁共振原理。在探测磁共振信号方面，不直接探测原子对射频量子的发射或吸收，而是采用光探测的方法，探测原子对光量子的发射吸收。由于光量子的能量比射频量子高七八个数量级，所以探测信号的灵敏度得以提高。比如对于Rb的气态自由原子，它的满壳层外只有一个电子，该价电子处于第五壳层，主量子数n＝5。主量子数为n的电子，其轨道量子数L＝0，1，…，n-1。因此，对应基态L＝0，最低激发态L＝1。电子还具有自旋，电子的自旋量子数s＝1/2.。由于电子的自旋与轨道有相互作用(L-S耦合)，原子的能级会发生分裂，形成精细结构，其能量差是：

ΔE＝g_Fμ_BB

由式上可以看出，ΔE与B成正比。因光抽运而使Rb原子分布偏极化达到饱和以后，Rb蒸气不再吸收光，从而使透过Rb样品泡的光增强。这时，在垂直于产生塞曼分裂的磁场B的方向加一频率为v的射频磁场，当v和B之间满足磁共振条件hv＝g_Fμ_BB时，在塞曼子能级之间产生感应跃迁，称为磁共振。Rb原子发生的能级间的跃迁破坏了原子分布的偏极化，而同时，原子又继续吸收入射的光而进行新的抽运，透过样品泡的光就变弱了。随着抽运过程的进行，粒子又被抽运到初始的能级上。随着粒子数的偏极化，透射再次变强。光抽运与感应磁共振跃迁达到一个动态平衡。光跃迁速率比磁共振跃迁速率大几个数量级，因此光抽运与磁共振的过程就可以连续地进行下去。

投射到Rb样品泡上的光，一方面起光抽运作用，另一方面，透射光的强弱变化反映样品物质的光抽运过程和磁共振过程的信息，因此又可以兼作探测光，用以观察光抽运和磁共振。这样，对Rb样品加一射频场(同时存在着使Rb原子产生塞曼分裂的磁场)，用光照射Rb样品泡，并探测透过样品泡的光强，就实现了光抽运-磁共振-光探测。在探测过程中射频光子的信息转换成了频率高的光频光子的信息，这就使信号功率提高了8个数量级。

以上过程称为光泵磁共振，光泵磁共振用于进行成像时，将光泵磁共振探头置于被测样品附近，这样被测样品的原子进动产生的磁矩的扰动将对光泵磁共振探头的探测光强度进行调制，因此被调制的光强信号包含样品的磁共振编码信息，通过采集足够的包含不同编码信息的磁共振信号，进行图像重建就可以形成样品的磁共振图像。由于信号的增强，可以在很低的磁场条件下获得较高的图像质量，因此这种方法受到重视。

显然，这种方法存在的问题是，对环境的要求非常严格，在探测时周围的杂散磁场若达到了原子磁矩产生的磁场强度的量级，就会对探测产生干扰。由于光泵磁共振的射频频率同探头所在的磁场强度成正比，若背景磁场过强，则样品的磁矩产生的磁场对光强度的调制将十分微弱，难以被探测到，而样品的极化磁场和编码磁场相对于光泵磁共振的要求都过于强大，因此必须克服外加磁场对光泵磁共振探测的影响。光泵磁共振是直接探测原子的自旋进动磁矩，显然距离探头远近不同的磁矩具有不同的灵敏度，因而影响成像的质量。

美国专利US 60807147和US20040027125公开了一种预极化磁共振成像方法，首先采用均匀度要求不高的较强磁场对成像目标进行预极化，然后撤销预极化磁场，打开均匀度很高的弱磁场对成像目标进行成像编码，利用SQUID(超导量子干涉仪)进行磁共振信号检测，进而重建磁共振图像，这种方法由于采用了SQUID系统，因此需要低温工作环境(约为4.2k)，这使得这种方法的使用变得昂贵而且困难，同时，该方法并没有解决磁场控制问题，特别是主磁场在成像过程中的控制问题，使得其在使用上局限性很大。

有别于以上方法的一种新的方法，是采用预极化与光学原子磁力仪结合进行成像，2006年美国劳伦斯实验室发表的文章‘Magnetic resonance imaging with an optical atomicmagnetometer’，公布了他们的研究成果，他们采用流动的水成像。这是因为在用光泵磁共振读取信号时，要求背景磁场极低(nT级)，而预极化磁场和编码磁场很强，文献没有对预极化磁场和编码磁场进行控制，而是将预极化磁场和编码磁场放置在远离光泵磁共振探头的地方，这样，只有通过成像目标的移动来进行成像，用流动的水成像时，水在预极化磁场和编码磁场完成极化和编码后，流到光泵磁共振探头所在的位置，进行信号的读取。由于大量的成像是针对静止物体进行的，该文献并未给出针对静止成像目标的成像，并采用光泵磁共振探头读取信号的方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种基于光学原子磁探测的新型预极化磁共振成像方法和装置。本发明针对静止成像目标，将预极化磁共振成像(PMRI)方法与光学原子磁力仪相结合，不仅具有预极化磁共振成像的优点，如体内存在金属物时仍可以进行成像，而且制造成本低，可以进行不同场强下的磁共振成像对比等，同时由于采用了光学磁检测方法，大大提高了信号检测的灵敏度，可以有效提高成像质量。

本发明采用的成像方法是：

对成像目标首先施加1000～5000高斯的较强的极化磁场，经过50～3000ms后关闭此极化磁场，并对成像目标施加一个20～100高斯的极低的编码磁场，在此编码磁场下对成像目标进行射频激发并施加梯度磁场进行空间编码，然后关闭此编码磁场。由于光泵磁共振极低磁场作为偏置磁场来获取磁共振信号，因此再对成像目标施加一个10—100nT左右的磁场，在此磁场环境下采用光泵磁共振的方法读取磁共振信号，并重建出图像。

本发明将预极化磁场和编码磁场与光泵磁共振探头放在一起，就可以让成像目标不动而成像，由于大量的成像是对静止物体进行的，因此本发明相对于现有技术更有意义。

本发明需要对预极化磁场和编码磁场进行开关控制，以保证在需要的时候产生相应的磁场，在不需要时关闭。本发明在进行成像时，将极化磁场、编码磁场、梯度磁场、nT级磁场置于同一成像区域中，按照成像的时序控制各个磁场的产生和关闭。成像时，首先对成像目标施加预极化磁场以后，关闭预极化磁场，再施加一个均匀的编码磁场进行信号的编码，编码完成后关闭编码磁场，打开信号采集磁场，在此磁场下，读取成像目标的磁共振信号。同时，本发明成像方法克服了SQUID需要低温环境的问题，而且由于所有成像所需的磁场均在同一区域中产生，因此可以对静止目标进行成像。

本发明中成像目标和光泵磁共振探头在成像过程中放置在极化磁体和编码磁体中，为了形成光泵磁共振探测所需的磁场环境，采用磁屏蔽系统屏蔽包括地磁等在内的杂散磁场的影响。极化磁体、编码磁体及磁屏蔽系统均由一个脉冲序列控制系统进行控制，按程序控制极化磁体磁场、编码磁体磁场及磁屏蔽系统的开启和关断。

由于光泵磁共振对弱磁信号非常敏感，采用磁屏蔽系统可能无法完全消除杂散磁场对信号检测的影响，因此应用本方法的装置除采用磁屏蔽系统外，当成像目标光泵磁共振探头感应成像目标磁共振信号时，在检测区域同时放置一个参考光泵磁共振探头，参考光泵磁共振探头可探测背景杂散磁场的信号，但对成像目标信号的感应很弱，因此，将成像目标光泵磁共振探头和参考光泵磁共振探头同时感应得到的信号相减，就可以得到只含有成像目标磁共振信息的信号。

为了提高探测的灵敏度，缩短成像时间，采用光泵磁共振阵列探头进行信号探测。将多个光泵磁共振探头摆放在成像目标四周，形成陈列。每个探头都能探测到成像目标的信号，经过信号处理，多个光泵磁共振探头的信号可以生成同一图像。本发明采用的成像装置主要包括以下部分：一个用于产生磁场可控的极化磁场的极化磁体，一个用于产生磁场可控的编码磁场的编码磁体，一个产生梯度磁场的三维梯度线圈，一个产生nT级磁场的nT线圈，一个磁屏蔽系统，一个射频线圈，一个光磁共振探测系统，一个脉冲序列控制系统和一个图像处理计算机。其中，磁屏蔽系统在本发明所述装置的最外部，极化磁体的极化线圈位于产生编码磁场的编码线圈的内部，在极化线圈的内部放有nT线圈、射频线圈和光磁检测探头，成像目标位于nT线圈的内部，被射频线圈包围，三维梯度线圈103放置在编码磁体102的内部，光磁检测探头紧靠在成像目标旁。

成像时，极化磁体对目标首先施加较强的1000～5000高斯的极化磁场，经过50～3000ms后关闭此极化磁场，然后编码磁体对成像目标施加一个低的20～100高斯的编码磁场。在此编码磁场下射频线圈对目标进行射频激发并由三维梯度线圈施加梯度磁场进行空间编码，然后关闭此编码磁场和梯度磁场。在nT线圈产生的10-100nT左右的磁场环境下，采用光泵磁共振的方法读取磁共振信号，该信号检测环境由磁屏蔽系统及nT线圈产生，信号检测由光磁共振探测系统完成。最后将检测信号送交图像处理计算机进行数据处理，重建图像，上述过程均由脉冲序列控制系统控制，完成磁场间的切换、梯度磁场及射频场的施加。

在进行光磁共振探测时，周围的环境存在的电子设备等会产生大量的杂散磁场，由于光磁共振探头非常敏感，因此可以探测到周围环境磁场的信号，从而干扰成像目标磁共振信号的探测。为了消除这一问题，本发明采用了参考光泵磁共振探头，此探头远离成像目标，因此它可以探测到环境杂散磁场的信号，但是探测不到成像目标的磁共振信号。将此参考光泵磁共振探头的信号与主探头——光泵磁共振探头的信号进行处理，可以消除环境杂散磁场的信号，保留成像目标的磁共振信号。

为了增强信号的信噪比，本发明采用阵列光泵磁共振探头进行成像目标的磁共振信号探测。阵列光泵磁共振探头分布在成像目标的周围，每个探头独立进行信号的探测，将所有探头的信号进行独立采集，再进行后处理，所得到的图像信噪比用单个探头要好。

附图说明

图1为本发明磁共振成像方法的原理框图；图中，101为极化磁体，102为编码磁体，103为产生梯度磁场的三维梯度线圈，104产生nT级磁场的nT线圈，105为磁屏蔽系统，106为射频线圈，107为光磁共振探头，108为脉冲序列控制系统，109为图像处理计算机；

图2为应用本发明方法的磁共振成像装置的具体实施方式的示意图，图中，105为磁屏蔽系统，102为产生成像编码磁场的编码磁体，103为产生编码所需梯度磁场的三维梯度线圈，101为产生极化磁场的极化磁体，104为产生nT级磁场的nT线圈，106为射频线圈，107为光磁检测探头，208为射频功率放大器，108为脉冲序列控制系统，109图像处理计算机，210为电流发生器，为线圈供电系统，211为信号处理系统，212为脉冲控制及信号采集系统，214为参考光泵磁共振探头；

图3为采用阵列式光泵磁共振探头实施例示意图，图中，301为阵列式光泵磁共振探头；

图4为具体实施例中磁屏蔽系统示意图；

图5为具体实施方式的控制脉冲序列。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明方法是：对成像目标首先施加较强的1000～5000高斯的极化磁场，所述极化磁场由极化磁体101产生。经过50～3000ms后关闭此极化磁场，并对成像目标施加一个极低的、20～100高斯的编码磁场，编码磁场由编码磁体102产生。在此编码磁场下对成像目标进行射频激发并施加梯度磁场进行空间编码，梯度磁场由三维磁场梯度线圈103产生，所需射频场由射频线圈106产生，然后关闭此编码磁场、梯度磁场及射频场。在nT线圈104产生的一个nT级的磁场环境下采用光泵磁共振的方法读取磁共振信号，该信号检测环境由磁屏蔽系统105及nT线圈104产生，信号检测由光磁共振探头107完成。最后将检测信号送交图像处理计算机109进行数据处理，重建图像。上述过程均由脉冲序列控制系统108控制，完成磁场间的切换、梯度磁场及射频场的施加。本发明通过这种方法，使预极化磁体产生的磁场中心、编码磁体产生的磁场中心、nT线圈产生的磁场中心在空间上重合，因而不需要成像目标移动，实现对静止目标的成像。

如图2所示，本发明装置包括磁屏蔽系统105，产生成像编码磁场的编码磁体102，产生编码所需梯度磁场的三维梯度线圈103，产生极化磁场的极化磁体101，产生nT级磁场的nT线圈104，射频线圈106，光磁探头107，射频功率放大器208，脉冲序列控制系统I08，线圈供电系统210，信号处理系统211，信号采集系统212，计算机109。

磁屏蔽系统105在本发明装置的最外部，它的内部包括有极化磁体101、编码磁体102、三维梯度线圈103、射频线圈106和光磁探头107。极化磁体101包围射频线圈106和光磁探头107，成像目标放在射频线圈106中心；编码磁体102包围着所述的极化磁体101。三维梯度线圈103放置在编码磁体102的内部。

其中，磁屏蔽系105在本发明装置的最外部，极化磁体101和三维梯度线圈103位于编码磁体102的内部，在极化磁体101的内部放有nT线圈104、射频线圈106和光磁探头107，成像目标位于nT线圈104的内部，被射频线圈106包围，光磁探头107紧靠在成像目标旁。射频功率放大器208连接射频线圈106，为其提供功率输出，脉冲控制及信号采集系统212连接光磁探头107，采集含有磁共振信息的光脉冲信号，信号处理系统211与脉冲控制及信号采集系统212，处理光信号并将其转换为数字信号，计算机109与信号处理系统211，进行图像的重建和显示。同时，计算机109还通过脉冲序列控制系统108来控制线圈供电系统210，对各个线圈的供电情况进行控制。

磁屏蔽系统105如图4所示，该屏蔽系统由三组线圈组成，分别补偿成像区域内三个方向的环境磁场，其补偿精度在10cm球内达到50nT。其中，每两个线圈为一组，相互平行，三组线圈两两正交，分别补偿三个相互垂直方向的磁场。每组线圈独立供电，以对每个方向的磁场进行补偿。

本发明装置的工作过程如下：

设计好的脉冲序列如图5所示，由计算机109通过脉冲控制及信号采集系统212发送控制信号，通过脉冲序列控制系统108控制线圈供电系统210的工作状态，从而控制各个磁场的施加波形及时间，具体工作过程如下：

首先，线圈供电系统210对产生极化磁体101供电，该极化磁体101由一对线圈组成，设计极化磁场为2000Gs，工作电流为100A，均匀度无特殊要求。极化磁场对成像目标进行极化作用，作用时间为100ms，然后切断极化磁体101的电源。线圈供电系统210对编码磁体102及三维梯度线圈103供电，其中编码磁体102由多组线圈组成，用以在成像区域内产生一个均匀的磁场。成像区域约为一个10cm的球，磁场强度为50Gs，磁场均匀度为100ppm。三维梯度线圈103由三组线圈组成，用以产生三个方向的编码梯度磁场，其最大磁场梯度为20mT/m，线性度小于5％。同时射频功放208通过射频线圈106对成像目标施加相应的射频脉冲，从而完成对成像目标的空间编码，编码完成后切断编码磁体102及三维梯度线圈103的电源，关闭射频功放208，线圈供电系统210对磁屏蔽系统105供电，用以补偿成像区域内的环境磁场。该磁屏蔽系统105由多组线圈组成，分别补偿成像区域内三个方向的环境磁场，其补偿精度在10cm球内达到50nT，同时线圈供电系统210对nT线圈104供电，用来产生光磁探头107所需要的磁场工作环境，其磁场强度约为70nT。这时光磁探头107开始检测成像目标的磁共振信号，这里采用两组探头进行检测，一组用来检测成像区域环境磁场的大小，一组用来检测包含环境磁场与磁共振磁化矢量大小在内的磁场大小，将这两路信号传输到信号处理系统211进行处理，提取出磁共振信号并经信号采集系统212传送到计算机109进行图像重建处理，从而得到成像目标的磁共振图像。

另一实施方式如图2，其中光检测探头分为光磁探头107和参考光磁探头214，其中光磁探头107离成像目标近，参考光磁探头214离成像目标远，因此参考光磁探头214感应的信号中成像目标的磁共振信号弱，而两个探头都对环境磁场有同样的敏感性，因此将两个探头同时感应得到的信号相减，就可以得到只包含成像目标磁共振信号的输出信号。

图3是本发明的另外一个实施例，探头的结构为阵列式光磁探头301，阵列式光磁探头301有多个探头，分布在成像目标的周围，可以均匀分布，也可以集中在某个部位。这样一来，阵列式光磁探头301的多个探头可同时接收成像目标的磁共振信号，从而大大提高信噪比。

Claims (4)

1、一种磁共振成像的方法，其特征在于，对成像目标首先施加1000～5000高斯的极化磁场进行极化，经过50～3000ms后关闭所述极化磁场，然后对成像目标施加20～100高斯的编码磁场，在所述的编码磁场下对成像目标进行射频激发并施加梯度磁场进行空间编码，然后关闭此编码磁场；再对成像目标施加10—100nT的磁场，采用光泵磁共振的方法读取成像目标的磁共振信号，并重建图像；在极化、编码及信号检测过程中，极化磁场、编码磁场、梯度磁场、nT级磁场处在同一成像区域中。

2、应用权利要求1所述的磁共振成像的方法的装置，其特征在于，所述装置包括用于产生磁场可控的极化磁场的极化磁体(101)，用于产生磁场可控的编码磁场的编码磁体(102)，产生梯度磁场的三维梯度线圈(103)，产生nT级磁场的nT线圈(104)，磁屏蔽系统(105)，射频线圈(106)，光磁共振探测系统(107)，脉冲序列控制系统(108)和图像处理计算机(109)；磁屏蔽系统(105)在极化磁体(101)的外部，极化磁体(101)位于编码磁体(102)的内部，在极化磁体(101)的内部放有nT线圈(104)、射频线圈(106)和光磁探头(107)，成像目标位于nT线圈(104)的内部，被射频线圈(106)包围，光磁探头(107)紧靠在成像目标旁。

3、如权利要求2所述的磁共振成像装置，其特征在于，在成像目标光磁探头感应成像目标磁共振信号时，在检测区域同时放置一个参考光磁探头(214)，参考光磁探头(214)探测背景杂散磁场的信号；将成像目标光磁探头(107)和参考光磁探头(214)同时感应得到的信号相减，即得到只含有成像目标磁共振信息的信号。

4、如权利要求2所述的磁共振成像装置，其特征在于，多个所述的光磁探头(107)分布在成像目标的周围，组成阵列，进行成像目标的磁共振信号探测信号。

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