CN101961242B - 一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，所述的呼吸信号采集系统包括：压力传感器、增益放大器、模拟信号数字采样模块、数据处理模块和显示模块；所述的压力传感器，用于将受试者呼吸过程中腹部压力转换成电信号；所述的增益放大器，用于对压力传感器输出的电信号进行增益放大处理；所述的模拟信号数字采样模块，用于将进行增益放大处理后的电信号转换成数字信号后，输出采样数据；所述的数据处理模块，用于对采样数据进行去噪处理，计算平均值；所述的显示模块，用于接受数据处理模块输出的数据，并实时显示输出呼吸幅度波形。本发明可以实现基于自反馈呼吸导航门控的改良磁共振全心冠状动脉成像方法。

Description

一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统
技术领域
本发明涉及医疗器械，特别涉及一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统。
背景技术
冠心病是危害人类健康的重大疾病，每年由此产生的医疗费用已过千亿元人民币，给国家和人民带来沉重的经济负担。心血管病已成为日益迫切的重大社会公共问题，若不能对其进行有效防治，将影响到人民健康素质的全面提高和国民经济的高速发展。寻找一种真正无创、无X射线的方法在冠心病的早期诊断、危险分层、治疗决策和疗效评价等方面，起着十分重要的作用。
磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的临床应用日益广泛，在冠心病的诊断中发挥越来越重要的作用，对先天性心脏病、心肌病等疾病的诊断有不可替代的价值。由于MRI成像时间相对较长，心血管MRI图像质量常受呼吸运动伪影的影响。因此，如何有效地降低呼吸运动伪影影响是能否做出正确诊断的必要保证。有学者提出在心血管MRI中通过多次屏气抑制呼吸运动伪影，射频脉冲激发和信号采集只在屏气相进行，这一技术的出现有效地减少了常规心血管MRI图像的呼吸运动伪影，因此在临床被广泛地应用。由于冠状动脉具有管径细小、走行迂曲等特点，因此冠状动脉成像所需时间较长，屏气法不能顺利完成扫描。
90年代末，有学者提出采用自由呼吸导航技术完成CMRA，在整个检查过程中，被试者自由呼吸，通过前瞻性导航波对膈肌位置实时监测，再经预先设定的校正因子对心脏位置实时校正，在此基础上完成图像重建。呼吸导航技术的应用，增加了被试者的依从性，也扩大了成像的覆盖范围。但主要缺点是，因为只在呼吸周期特定时相进行图像采集，因此其所需检查时间较长；若患者在相对较长的时间内呼吸不均匀、频繁改变呼吸频率，则易引起导航效率下降、采集时间延长、图像质量降低甚至检查失败。因此，传统呼吸导航技术成为制约MRI在冠状动脉成像临床广泛应用的主要瓶颈。
常规的CMRA检查中，受试者躺在磁共振病床上，磁共振成像系统扫描的同时，受试者不接受任何的反馈信息，检查过程中不能获知自己呼吸频率及幅度情况。如果采用射频屏蔽投影系统给受试者实时投影自己的呼吸导航波形，供其自主调整呼吸模式提供一个反馈平台，将可以提高呼吸导航效率，利于在较短时间内完成检查。在此过程中，如仅将机器操作界面上的呼吸导航波形图直接反馈给受试者，常需要检查前对其进行充分训练，这对于高龄文化程度较低的患者常常存在一定困难，而且，患者有时出于紧张，反而不能很好地配合。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统。
为实现上述目的，本发明的一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的呼吸信号采集系统包括：压力传感器、增益放大器、模拟信号数字采样模块、数据处理模块和显示模块；
所述的压力传感器，用于将吸入和呼出时的压力转换成电信号；
所述的增益放大器，用于对压力传感器输出的电信号进行增益放大处理；
所述的模拟信号数字采样模块，用于将进行增益放大处理后的电信号转换成数字信号后，输出采样数据；
所述的数据处理模块，用于对采样数据进行去噪处理，计算平均值；
所述的显示模块，用于接受数据处理模块输出的数据，并显示输出导航波。
作为上述技术方案的一种改进，所述的增益放大器采用可编程增益放大器，用于设置从0.5～16以2的整数次幂递增。当不同ADC输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时，可编程增益放大器是非常有用的。
作为上述技术方案的又一种改进，所述的模拟信号数字采样模块的采样频率为100KHz。
作为上述技术方案的再一种改进，所述的去噪处理为多次采样后，去掉采样数据中的数个最大值和最小值。
作为上述技术方案的另一种改进，所述的显示模块，将实时接受到的二进制数据还原成对应的采样值以导航波的形式显示在导航窗口上；且所述的显示模块还显示有一呼吸导航带，该呼吸导航带为核磁共振扫描所设定的呼吸幅度范围。
作为上述技术方案的另一种改进，所述的压力传感器采用硅压阻式传感器。
作为上述技术方案的另一种改进，所述的硅压阻式传感器为半敏感电桥硅压阻式传感器或全桥硅压阻式传感器。
作为上述技术方案的另一种改进，所述的呼吸信号采集系统还包括一存储模块，用于存储呼吸信号，以为呼吸训练和磁共振导航提供参考数据。
本发明的优点在于，本发明的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，可以实现基于自反馈呼吸导航下的改良磁共振全心冠状动脉成像。
本发明可以基于呼吸导航信号自反馈实时调整的冠状动脉MR成像。传统呼吸导航技术MR成像时，患者不能获知自己呼吸频率及幅度情况，出于完全的自由呼吸状态。采用射频屏蔽投影系统给患者实时反馈呼吸幅度及频率变化情况，使患者能够在检查过程中自主调节呼吸幅度和频率，主动性延长呼气末的相对平台期，从而快速完成体部磁共振成像检查。此外，由于呼吸导航信号较为复杂，并不直观，因此直接将此信号反馈给受试者很难接受并完成自主调整。因此，本发明开发了这套交互式游戏界面软件，供受试者检查前进行呼吸训练及检查中实时进行呼吸幅度及呼吸频率调整。在此系统中，呼吸导航波形信息采用常规手段还可被转化成交互性游戏界面，这使得患者容易通过游戏界面调整自身呼吸幅度完成训练。
本发明的基于自反馈呼吸导航下的磁共振全心冠状动脉成像方法的应用在冠心病的无创性早期诊断、危险分层、治疗决策和疗效评价等方面，将起着十分重要的作用。
附图说明
图1是本发明的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统的示意图；
图2是本发明的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统工作流程示意图；
图3a是本发明一实施例中的全桥硅压阻式传感器的示意图；
图3b是本发明一实施例中的半敏感电桥硅压阻式传感器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的结构进行进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，包括：压力传感器、增益放大器、模拟信号数字采样模块、数据处理模块。
压力传感器可以采用硅压阻式传感器(PRT)监测吸入和呼出时对应压力的降低和增加。
PRT一般配置为一个紧密的惠斯登电桥。当有压力施加到PRT的敏感电桥时(见图3a所示)，对角桥臂的电阻值将发生相同方向、相同大小的改变。当一个对角桥臂上的两个电阻值在压力的作用下增加时，另外一个对角桥臂的电阻值降低，反之亦然。对于半敏感电桥PRT(见图3b所示)，则只有半边桥臂的电阻值发生改变。不管是全桥还是半敏感电桥的PRT传感器都具有高灵敏度(＞10mv/v)、良好的线性和温度稳定性、无信号滞回等优点，其测量范围可上至破坏性极限。
本例中，压力传感器采用Freescale公司生产的MPXV10GC6U，技术参数：0 to10kPa(0 to 1.45psi)35mV全量程。
自动增益控制采用Silicon Laboratories的C8051F124片内增益控制模块；可编程增益放大器增益可以用软件设置从0.5到16以2的整数次幂递增当不同ADC输入电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时可编程增益放大器是非常有用的。
模拟信号数字采样模块采用Silicon Laboratories的C8051F124片内12位ADC模块。采样频率：100KHz。
采样数据处理，去噪，计算平均值。其中，去噪：多次采样后，去掉采样数据中的数个最大值和最小值。计算平均值：将去噪后的数据计算平均值，获得多次采样的平均值。然后，经串口输出：通过二进制编码后将数据通过串口输出。
最后，显示模块实现串口设备自动连接功能，并将实时接受到的二进制数据还原成对应的采样值以导航波的形式显示在导航窗口上。并且向远端网络上的显示终端同步发送采样数据，这样远端网络上的电脑可以同步显示导航波。
如图2所示，采用本发明的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，将呼吸感应带绑缚于受试者腹部，气压信号经压力传感器转换成电压信号后，通过增益放大器进行自动增益控制，再由模拟信号数字采样模块进行数字采样，再对采样数据处理：去噪，计算平均值；最后，由串口输出，即通过二进制编码后将数据通过串口输出。
电脑软件接受数据显示导航波：电脑软件实现串口设备自动连接功能，并将实时接受到的二进制数据还原成对应的采样值以导航波的形式显示在导航窗口上。并且向远端网络上的显示终端同步发送采样数据，这样远端网络上的电脑可以同步显示导航波。
实际应用中，受试者通过观看自己呼吸产生的同步的导航波信号，调整呼吸幅度，使呼气末信号正好显示在呼吸导航带内。呼吸导航带为核磁共振扫描所设定的呼吸幅度范围。这样就可以实现稳定的周期性扫描。
同时还可以实现受试者在扫描前的呼吸训练功能，可以使受试者在体部磁共振检查前完成进行交互式呼吸方式训练，获得个体特异性的最佳呼吸方式；在体部磁共振检查中通过本系统将个体呼吸导航波信号实时反馈给受试者，使受试者可以在检查中实时调整自身呼吸幅度及呼吸频率，高质量完成体部磁共振检查。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的呼吸信号采集系统包括：压力传感器、增益放大器、模拟信号数字采样模块、数据处理模块和显示模块；
所述的压力传感器，用于将吸入和呼出时的压力转换成电信号；
所述的增益放大器，用于对压力传感器输出的电信号进行增益放大处理；
所述的模拟信号数字采样模块，用于将进行增益放大处理后的电信号转换成数字信号后，输出采样数据；
所述的数据处理模块，用于对采样数据进行去噪处理，计算平均值；
所述的显示模块，用于接受数据处理模块输出的数据，并将实时接受到的二进制数据还原成对应的采样值以导航波的形式显示在导航窗口上；且所述的显示模块还显示有一呼吸导航带，该呼吸导航带为核磁共振扫描所设定的呼吸幅度范围。
2.根据权利要求1所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的增益放大器采用可编程增益放大器，用于设置从0.5～16以2的整数次幂递增。
3.根据权利要求1所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的模拟信号数字采样模块的采样频率为100KHz。
4.根据权利要求1所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的去噪处理为多次采样后，去掉采样数据中的数个最大值和最小值。
5.根据权利要求1所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的压力传感器采用硅压阻式传感器。
6.根据权利要求5所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的硅压阻式传感器为半敏感电桥硅压阻式传感器或全桥硅压阻式传感器。
7.根据权利要求1所述的用于磁共振冠状动脉成像的呼吸信号采集系统，其特征在于，所述的呼吸信号采集系统还包括一存储模块，用于存储呼吸信号，以为呼吸训练和磁共振导航提供参考数据。
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