CN104799858B - 用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统。所述心电呼吸外周门控系统包括连接到人体胸部的心电传感器、呼吸腹带、连接到人体脉搏的外周传感器、门控处理单元、计算机和谱仪。心电传感器、呼吸腹带和外周传感器分别连接到门控处理单元，门控处理单元连接到计算机和谱仪。门控处理单元、计算机和谱仪设置在与磁共振系统隔离的空间内，心电传感器具有屏蔽外壳。门控系统还包括碳纤维导联线和与人体胸部接触的碳纤维电极片，碳纤维导联线的输入端以三导联方式连接到碳纤维电极片，碳纤维导联线的输出端连接到心电传感器。根据本发明的门控系统能够实现心电、呼吸和外周的采集设备和磁共振系统很好的兼容，从而提高成像的清晰度。

Description

用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，更具体地，涉及一种用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统。

背景技术

通常所检测到的人体氢核磁共振（MR）信号是一种极其微弱的信号。在磁共振成像（MRI）扫描仪的扫描过程中，发射一次射频脉冲序列，所得到的人体氢核MRI信号的信噪比极低，无法重建清晰的图像。为了克服这一缺点，运用图像迭加原理，在较长的扫描时间内，扫描仪重复发射一系列射频脉冲序列，并重复采MR信号，经叠加重建一幅图像。这样虽改善了图像质量，但又带来了新的问题：(1)延长了扫描时间；(2)在扫描过程中要求成像对象始终保持静止状态。因此，对心脏进行扫描成像时，各次扫描的射频脉冲序列随机地出现在心动周期的不同时刻，所得到的MR信号来自心动过程中的不同状态，这样由多次非同态信号叠加而获得的心脏图像将出现严重的运动伪影。

排除图像运动伪影的有效方法是使射频脉冲序列的发射及MR信号的采集均同步于心脏的运动。虽然这样要延长成像时间，但能实现在心动过程的同一相位点重复采集MR信号，从而获得清晰的心脏图像。

心电采集技术已经广泛应用到心电诊断、心电监护、家庭健康等医疗场合。目前，心电信号采集通常通过导联线将心电信号传输到心电采集设备，经过放大滤波电路，滤除直流偏移、工频干扰、高频等噪声，再经过AD采样，得到数字信号，进而对信号进行处理。通过差分阈值、模板匹配、小波变换等方法对磁共振血管造影（QRS）波群进行检测。传统的心电采集技术已经很成熟，在一般场合能够提供完美的解决方案。但是应用在磁共振系统中，却遇到新的挑战。由于磁共振很强的主磁场以及梯度磁场带来的干扰，使得一般的心电、呼吸采集设备在磁共振环境下很难提取出比较洁净的心电、呼吸信号，并且普通的心电、呼吸采集设备会影响磁共振的正常成像。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统。

根据本发明的心电呼吸外周门控系统包括连接到人体胸部的心电传感器（ECGS）、连接到人体腹部的呼吸腹带、连接到人体脉搏的外周传感器、门控处理单元（GPU）、计算机和谱仪，心电传感器、呼吸腹带和外周传感器分别连接到门控处理单元，门控处理单元连接到计算机和谱仪。门控处理单元、计算机和谱仪设置在与磁共振系统隔离的空间内，心电传感器具有屏蔽外壳。门控系统还包括碳纤维导联线和与人体胸部接触的碳纤维电极片，碳纤维导联线的输入端以三导联方式连接到碳纤维电极片，碳纤维导联线的输出端连接到心电传感器。

根据本发明的一个方面，心电传感器包括：穿心电容，穿心电容通过心电信号输入接口与碳纤维导联线相连；差分放大模块，所述差分放大模块连接到穿心电容；导联组合模块，所述导联组合模块连接到差分放大模块；心电信号放大滤波模块，所述心电信号放大滤波模块连接到导联组合模块；脉宽调制模块，所述脉宽调制模块连接到心电信号放大滤波模块；和ECGS光信号发送模块和ECGS光信号接收模块，ECGS光信号发送模块具有用于将电信号转换成光信号的ECGS电转光信号模块，ECGS光信号接收模块具有用于将光信号转换成电信号的ECGS光转电信号模块，ECGS光信号发送模块的输入端连接到所述脉宽调制模块，ECGS光信号发送模块的输出端和ECGS光信号接收模块的输入端分别连接到门控处理单元，从而使心电传感器与门控处理单元双向通信。

电池可以设置在屏蔽外壳内以给心电传感器提供电力。

可选地，心电传感器还可以包括电源控制模块。电源控制模块的输入端连接到ECGS光信号接收模块，电源控制模块的输出端连接到导联组合模块。

电转光信号模块可以为光纤发射器。

根据本发明的另一个方面，门控处理单元包括GPU光信号接收模块、GPU光信号发送模块、脉宽解调模块、心电信号放大滤波模块、可编程心电信号增益放大电路模块、模数转换器（ADC）、谱仪电平转换模块、串行通信驱动模块和处理器。GPU光信号接收模块具有用于将光信号转换成电信号的光转电信号模块，GPU光信号发送模块具有用于将电信号转换成光信号的电转光信号模块。GPU光信号接收模块在门控处理单元的外部连接到心电传感器，在门控处理单元的内部通过传输线路依次与脉宽解调模块、心电信号放大滤波模块、可编程心电信号增益放大电路模块、模数转换器和处理器连接。处理器通过串行通信驱动模块连接到计算机，并且通过谱仪电平转换模块连接到谱仪。

门控处理单元还包括传感器和呼吸信号放大滤波模块。传感器的输入端通过气管连接到呼吸腹带，传感器的输出端连接到呼吸信号放大滤波模块，呼吸信号放大滤波模块连接到模数转换器。

门控处理单元还包括外周光电转换电路模块、外周信号放大滤波模块和可编程外周信号增益放大电路模块。外周光电转换电路模块经由外周模块接口在门控处理单元的外部与外周传感器连接且双向通信，在门控处理单元的内部通过传输线路依次与外周信号放大滤波模块、可编程外周信号增益放大电路模块、模数转换器和处理器连接。

处理器可以通过外周光电转换电路模块连接到外周传感器。

可选地，门控单元设有模拟心电信号输出接口。模拟心电信号输出接口的输入端连接到脉宽解调模块，模拟心电信号输出接口的输出端连接到设置在门控单元外部的监控器。

门控系统还可以包括系统接口单元（SIU）。门控处理单元还包括SIU电平转换模块，SIU电平转换模块的输入端连接到系统接口单元，SIU电平转换模块的输出端连接到处理器。

优选地，模数转换器通过串行外设接口总线（SPI）连接到所述处理器。

处理器可以为微控制器。

优选地，心电传感器和外周传感器分别通过光纤连接到门控处理单元。

根据本发明的门控系统能够实现心电、呼吸和外周的采集设备和磁共振系统很好的兼容，将采集的心电、呼吸和外周信号经过处理，发送到计算机。操作人员可通过计算机对门控系统进行参数设定，门控系统根据设定的参数及心电、呼吸和外周信号，配合成像序列控制谱仪精确地实时采集磁共振信号，从而提高成像的清晰度。

附图说明

本发明的上述及其它方面和特征将从以下结合附图对实施例的说明清楚呈现，其中：

图1是示意性地显示根据本发明实施例的心电呼吸外周门控系统的方框图；以及

图2是示意性地显示心电传感器及其导联关系的方框图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述本发明的说明性、非限制性实施例，对根据本发明的心电呼吸外周门控系统进行进一步说明。

根据本发明的心电呼吸外周门控系统用于磁共振检测环境。为了避免门控系统与在强电、磁场条件下工作的医学影像设备（例如，MRI系统）相互干扰，本发明将门控系统的采集处理部分放置在与磁共振系统的强电及磁场环境隔离的一个开放空间中。

具体地，图1显示了根据本发明实施例的心电呼吸外周门控系统。根据本发明的心电呼吸外周门控系统包括连接到人体胸部的心电传感器1、连接到人体腹部的呼吸腹带14、连接到人体脉搏的外周传感器15、门控处理单元31、计算机32和谱仪34。ECGS1、呼吸腹带14和外周传感器15分别连接到GPU31，GPU31连接到计算机32和谱仪34。GPU31、计算机32和谱仪34设置在与磁共振系统隔离的空间内，以避免门控系统与磁共振系统相互干扰。优选地，ECGS和外周传感器分别通过光纤连接到GPU，光纤可以减轻电磁干扰。

根据本发明，ECGS1具有屏蔽外壳33，屏蔽外壳可以屏蔽外界的高频辐射干扰，使得磁共振系统的强梯度电磁场及射频电磁场不会干扰心电传感器，从而提取清晰的心电信号。例如，屏蔽外壳可以由金属制成。但屏蔽外壳的材料不限于此，而可以采用能够屏蔽电磁场及射频电磁场的本领域常用的任何材料。本发明的门控系统还包括与人体胸部接触的碳纤维电极片21和碳纤维导联线22，如图2所示。碳纤维导联线22的输入端以导联方式连接到碳纤维电极片21，而输出端通过心电信号输入接口连接到ECGS1。由于ECGS采用碳纤维导联线和碳纤维电极片与人体胸部相连，消除了金属伪影。

ECGS1包括穿心电容23、差分放大模块24、导联组合模块25、心电信号放大滤波模块26、脉宽调制模块27、ECGS光信号发送模块28和ECGS光信号接收模块30。ECGS光信号发送模块28具有用于将电信号转换成光信号的ECGS光转电信号模块，ECGS光信号接收模块30具有用于将光信号转换成电信号的ECGS光转电信号模块。穿心电容23通过设置在ECGS上的心电信号输入接口与碳纤维导联线22相连，以滤除导联线上串进的高频干扰。在ECGS1中，穿心电容23、差分放大模块24、导联组合模块25、心电信号放大滤波模块26、脉宽调制模块27和ECGS光信号发送模块28通过传输线路依此顺序相连。如图2所示，ECGS光信号发送模块28的输入端连接到脉宽调制模块27，ECGS光信号发送模块28的输出端和ECGS光信号接收模块30的输入端分别通过ECGS光信号发送接口和ECGS光信号接收接口连接到GPU，从而使ECGS与GPU双向通信。例如，电转光信号模块可以为光纤发射器，所述光纤发射器将电信号转换为光信号，并将转换的光信号从ECGS1发射出去。

ECGS的屏蔽外壳33内设置电池（图中未示），以给ECGS提供电力。根据本发明，为了防止外部电源进入ECGS，采用电池供电并将电池屏蔽于屏蔽外壳内。这样，可防止使用外部电源时，干扰信号从电源线进入屏蔽外壳内，进而干扰到整个电路。根据一个可选实施例，ECGS还包括电源控制模块29。电源控制模块29的输入端连接到ECGS光信号接收模块，而输出端连接到导联组合模块25。

根据本发明的心电传感器采用电池供电，通过GPU发送光脉冲的方式开启电源。ECGS在不使用时，可以连接GPU以通过GPU关闭ECGS电源，也可以将ECGS与GPU断开，使得ECGS自动关闭电源。此外，在ECGS中通过电池欠压来改变调制信号的脉冲宽度。ECGS内部芯片级相关元器件都采用低功耗的元器件。脉宽调制模块27在静态时并非工作在50%占空比模式下，而是在低电平时时间宽度比较窄，此时光纤发射器流过电流以节约电池电量，并因此提高续航能力。例如，1000mAh的电池在根据本发明的门控系统中使用可以使用3至5年，避免了频繁充电或者更换电池。因此，根据本发明的ECGS具有低功耗的优点。

接下来，将说明ECGS测量心电信号及处理所测信号的过程。心电信号从人体胸部皮肤经碳纤维电极片21和碳纤维导联线22传输至穿心电容23。ECGS1通过光纤接收GPU发送过来的上电信号，打开电源，使得屏蔽外壳33内部的电源控制模块29开始供电，传感器电路开始工作。心电信号被从穿心电容23发送到差分放大模块24。由于ECGS采用三导联方式，差分放大模块24的电路可以对三点的心电信号进行任意两点心电电势差进行相减，得到三路的心电差分信号。一路信号为S1(t)+N1(t)，其中S1为有用信号，N1为噪声信号；另一路信号为S2(t)+N2(t)，其中S2为有用信号，N2为噪声信号。两路信号的噪声相关性比较强，而有用信号的相位由于电极片位置的原因，相位可以是相反的。因此，两路信号差分后，有用信号的幅度是相加的关系，即|S1(t)|+|S2(t)|。而由于噪声的相关性较强，相减后，噪声的幅度是|N1(t)|–|N2(t)|，相关性越强，那么相减后，噪声的幅度就会越小，从而得到较为干净的心电信号。导联组合模块25接收GPU31发送过来的导联设置信号，选通任意一路心电信号进入下一级的放大滤波模块26。放大滤波模块26将高频及直流偏移等滤除后，得到较为干净的心电信号送入下一级的脉宽调制模块27。脉宽调制模块采用脉宽调制技术，将模拟连续的心电信号调制成高低电平的脉宽信号进入下一级的ECGS光信号发送模块28。ECGS光信号发送模块28的光转电信号模块将电信号转换为光信号，然后从ECGS1发射出去。至此，ECGS完成了心电信号的处理。

下面，将参照图1详细说明GPU的组成结构。GPU31设有GPU光信号接收接口、GPU光信号发送接口、呼吸信号输入接口、外周模块接口、门控输出接口、串行通信接口、外部触发输入接口和模拟心电信号输出接口。GPU31包括GPU光信号接收模块2、GPU光信号发送模块3、脉宽解调模块4、心电信号放大滤波模块5、可编程心电信号增益放大电路模块6、ADC7、谱仪电平转换模块19、串行通信驱动模块10和处理器9。GPU光信号接收模块2具有用于将光信号转换成电信号的光转电信号模块，GPU光信号发送模块3具有用于将电信号转换成光信号的电转光信号模块。GPU光信号接收模块在门控处理单元的外部通过GPU光信号接收接口连接到ECGS，而在门控处理单元的内部通过传输线路依次与脉宽解调模块4、心电信号放大滤波模块5、可编程心电信号增益放大电路模块6、ADC7和处理器9连接。处理器9以双向通信方式连接到串行通信驱动模块10。例如，处理器9可以通过SPI与ADC7相连。串行通信驱动模块10以双向通信方式通过串行通信接口连接到计算机32。另外，处理器9通过谱仪电平转换模块19连接到谱仪34。处理器可以为微控制器，但不限于此，也可以采用本领域常用的任何处理器。

GPU通过ECGS光信号发送模块3和光纤将控制信号发送给ECGS，同时ECGS通过ECGS光信号发送模块28和光纤将调制后的心电信号发送给GPU。GPU通过GPU光信号接收模块2中的GPU光转电信号模块将ECGS发送过来的调制后的心电光信号转换为电信号，并将调制信号通过脉宽解调电路模块4进行解调，还原成模拟连续的心电信号。还原后的心电信号经心电信号放大滤波模块5进入可编程心电信号增益放大电路6，进入ADC7，将模拟信号量化成数字信号而进入处理器9。数字信号的抗干扰能力强于模拟信号，而光信号对电磁辐射不敏感。因此，ECGS通过光纤与GPU连接，采用光纤代替电缆传输信号，解决了对外辐射以及被辐射的问题。由模拟信号到数字信号的转换，采用了脉宽调制技术，使得电路布局简单，从而有利于获得低功耗。

此外，GPU还可以设有模拟心电信号输出接口11。模拟心电信号输出接口11的输入端连接到脉宽解调模块4，而输出端连接到设置在GPU外部的监控器,例如但不限于示波器。另外，根据本发明的门控系统还可以包括SIU35。GPU包括SIU电平转换模块20。该SIU电平转换模块的输入端连接到SIU35，而输出端连接到处理器9。

GPU还包括传感器12和呼吸信号放大滤波模块13。传感器12的输入端通过呼吸信号输入接口经由气管连接到呼吸腹带14，以采集呼吸信号。传感器12的输出端连接到呼吸信号放大滤波模块13，呼吸信号放大滤波模块13接着连接到ADC7，进而连接到处理器9。GPU将呼吸腹带14采集的呼吸信号进行滤波放大和AD采集后，量化成数字信号进入处理器9。本发明的门控系统在采集呼吸信号时采用气压传感方式，即通过在强电及磁场环境中一个封闭气管内气压的变化来实现对呼吸状态的监测。气压的采集处理部分放置在与强电及磁场环境隔离的一个开放空间内，通过很细的导气管连接呼吸腹带和采集处理部分。这样可以避免门控系统与强电及磁场条件下工作的磁共振设备（例如，MRI系统）相互干扰，并且由于导气管的长度最长可以达到几十米，使本发明的适用范围更加广泛、灵活。

进一步地，GPU还可以包括外周光电转换电路模块16、外周信号放大滤波模块17和可编程外周信号增益放大电路模块18，从而采集外周（脉搏）信号。外周光电转换电路模块16经由外周模块接口在GPU的外部与外周传感器15连接，而在GPU的内部通过传输线路依次与外周信号放大滤波模块17、可编程外周信号增益放大电路模块18、ADC7和处理器9连接。处理器9通过外周光电转换电路模块16经由外周模块接口连接到外周传感器15。因此，外周传感器15可以与外周光电转换电路模块16双向通信。

根据本发明的门控系统能够实现心电、呼吸、外周的采集设备和磁共振系统很好的兼容，将采集的心电信号、呼吸信号和外周信号经过处理发送到计算机。操作人员可通过计算机对门控系统进行参数设定，门控系统根据设定的参数及心电、呼吸和外周信号，配合成像序列控制谱仪精确地实时采集磁共振信号，从而提高成像的清晰度。具体地，心电、呼吸和外周信号经过AD采集后，进入GPU的处理器。GPU处理器可以和计算机32进行双向通信，既可以接收上位机发送来的序列参数设置相关信息，进而设置ECGS、改变处理程序中的相关参数，更合理、更灵活的处理信号，又可以将心电信号、呼吸信号、外周信号波形以及心率、呼吸速率、脉率、呼吸平缓区时间等参数上报给计算机32。GPU既可以任意选取心电、呼吸、外周信号的一路信号处理，也可以选取任意两路或者三路信号同时处理。处理器根据相关参数的设置，可以输出信号控制谱仪工作，根据上位机的设置，输出的信号既可以是门控信号，也可以是触发信号。

尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。

Claims (14)

1.一种用于磁共振系统的心电呼吸外周门控系统，包括连接到人体胸部的心电传感器(ECGS)、连接到人体腹部的呼吸腹带、连接到人体脉搏的外周传感器、门控处理单元(GPU)、计算机和谱仪，所述心电传感器、所述呼吸腹带和所述外周传感器分别连接到所述门控处理单元，所述门控处理单元连接到所述计算机和所述谱仪，其中：

所述门控处理单元、所述计算机和所述谱仪设置在与所述磁共振系统隔离的空间内；

所述心电传感器具有屏蔽外壳；

所述门控系统还包括碳纤维导联线和与人体胸部接触的碳纤维电极片，所述碳纤维导联线的输入端以三导联方式连接到所述碳纤维电极片，所述碳纤维导联线的输出端连接到所述心电传感器；以及

所述心电传感器包括：

穿心电容，所述穿心电容通过心电信号输入接口与所述碳纤维导联线相连；

差分放大模块，所述差分放大模块连接到所述穿心电容，所述差分放大模块能够对心电信号进行任意两点心电电势差进行相减，得到心电差分信号，两路所述心电差分信号再次差分，得到并输出干净的心电信号；

导联组合模块，所述导联组合模块连接到所述差分放大模块；

心电信号放大滤波模块，所述心电信号放大滤波模块连接到所述导联组合模块，用于滤除高频及直流偏移；

脉宽调制模块，所述脉宽调制模块连接到所述心电信号放大滤波模块；和

ECGS光信号发送模块和ECGS光信号接收模块。

2.根据权利要求1所述的门控系统，其中，

所述ECGS光信号发送模块具有用于将电信号转换成光信号的ECGS电转光信号模块，所述ECGS光信号接收模块具有用于将光信号转换成电信号的ECGS光转电信号模块，所述ECGS光信号发送模块的输入端连接到所述脉宽调制模块，所述ECGS光信号发送模块的输出端和所述ECGS光信号接收模块的输入端分别连接到所述门控处理单元，从而使所述心电传感器与所述门控处理单元双向通信。

3.根据权利要求1所述的门控系统，其中，电池设置在所述屏蔽外壳内以给所述心电传感器提供电力。

4.根据权利要求3所述的门控系统，其中，所述心电传感器还包括电源控制模块，所述电源控制模块的输入端连接到所述ECGS光信号接收模块，所述电源控制模块的输出端连接到所述导联组合模块。

5.根据权利要求2所述的门控系统，其中，所述电转光信号模块为光纤发射器。

6.根据权利要求1所述的门控系统，其中：

所述门控处理单元包括GPU光信号接收模块、GPU光信号发送模块、脉宽解调模块、心电信号放大滤波模块、可编程心电信号增益放大电路模块、模数转换器、谱仪电平转换模块、串行通信驱动模块和处理器；

所述GPU光信号接收模块具有用于将光信号转换成电信号的光转电信号模块，所述GPU光信号发送模块具有用于将电信号转换成光信号的电转光信号模块；

所述GPU光信号接收模块在所述门控处理单元的外部连接到所述心电传感器，在所述门控处理单元的内部通过传输线路依次与所述脉宽解调模块、所述心电信号放大滤波模块、所述可编程心电信号增益放大电路模块、所述模数转换器和所述处理器连接；以及

所述处理器通过所述串行通信驱动模块连接到所述计算机，并且通过所述谱仪电平转换模块连接到所述谱仪。

7.根据权利要求6所述的门控系统，其中，所述门控处理单元还包括传感器和呼吸信号放大滤波模块，所述传感器的输入端通过气管连接到所述呼吸腹带，所述传感器的输出端连接到所述呼吸信号放大滤波模块，所述呼吸信号放大滤波模块连接到所述模数转换器。

8.根据权利要求6所述的门控系统，其中：

所述门控处理单元还包括外周光电转换电路模块、外周信号放大滤波模块和可编程外周信号增益放大电路模块；以及

所述外周光电转换电路模块经由外周模块接口在所述门控处理单元的外部与所述外周传感器连接且双向通信，在所述门控处理单元的内部通过传输线路依次与所述外周信号放大滤波模块、所述可编程外周信号增益放大电路模块、所述模数转换器和所述处理器连接。

9.根据权利要求8所述的门控系统，其中，所述处理器通过所述外周光电转换电路模块连接到所述外周传感器。

10.根据权利要求6所述的门控系统，其中，所述门控处理单元设有模拟心电信号输出接口，所述模拟心电信号输出接口的输入端连接到所述脉宽解调模块，所述模拟心电信号输出接口的输出端连接到设置在所述门控处理单元外部的监控器。

11.根据权利要求6所述的门控系统，其中，所述门控系统还包括系统接口单元(SIU)，所述门控处理单元还包括SIU电平转换模块，所述SIU电平转换模块的输入端连接到所述系统接口单元，所述SIU电平转换模块的输出端连接到所述处理器。

12.根据权利要求6所述的门控系统，其中，所述模数转换器通过串行外设接口总线连接到所述处理器。

13.根据权利要求6所述的门控系统，其中，所述处理器为微控制器。

14.根据权利要求1所述的门控系统，其中，所述心电传感器和所述外周传感器分别通过光纤连接到所述门控处理单元。