CN105662415A - 一种多核磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多核磁共振成像系统，包括：磁体，用于产生稳定均匀的静磁场，使被测组织产生磁化；多核发生器，与所述磁体相连，用于在所述磁体的作用下产生具有多个不同频率的射频脉冲信号，从而得到多种原子核下被测组织的图像；计算机系统，与所述多核发生器相连，用于实现全局控制功能，包括产生脉冲序列，完成被测组织的扫描，进行图像采集、重建、显示和存贮。通过本发明可得到多种原子核的成像信息，减少了多核MR影像的伪影，同时可减少病人的痛苦，节约时间。

Description

一种多核磁共振成像系统

技术领域

本发明涉及核磁共振技术，特别涉及一种可发射多个不同频段射频脉冲信号，以及接收多种原子核所激发产生的核磁共振(MR)信号的多核磁共振成像系统。

背景技术

核磁共振(MR)是生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激发后产生信号，经过数模转换后输入计算机，最后经过图像处理转换方能在屏幕上看到图像。目前基于不同的核素可分为以下几种核磁共振成像仪。

(1)1HNMR

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。1HNMR成像对软组织对比度显示佳，解剖结构清晰。

(2)31PNMR

31PMR成像是目前临床上直接观察体内代谢及组织活性的方法。31P的核自旋量子数为1/2，天然丰度为100％，因此可以用31PNMR测定生物细胞内含磷化合物的信号。31PNMR技术可测细胞中游离阳离子(如Mg2+、Ca2+、Li+)的浓度，其主要优点是无损伤性，使细胞在保持原有的生理生化环境下进行测量。我们利用测量ATP的磷的α和β峰的化学位移差值，能精确确定阳离子-ATP和整个ATP的比值，而不需要在细胞样品与对照组中加入内标来确定化学位移。根据模拟细胞内离子强度和酸度等条件下离子ATP的解离常数K，能计算出游离阳离子的浓度。

(3)19FNMR

19FNMR可直接量化19F对比剂，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1HNMR，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19FNMR研究是一种很好的方法。

19FNMR应用范围可概括为：具有显著的化学背景或干扰的体系，如红细胞等；需要测定整个灌流器官中离子浓度体系的变化；某些离子对测定对象有显著性干扰的系统等。与荧光法相比，19FNMR方法有以下优点：含氟指示剂(如5F-BAPTA-AM)在细胞内的去酯化作用迅速而又安全；指示剂在细胞器内的分布可以忽略；测得的信号并非主要来自表皮细胞；无需考虑内源性物质的干扰；可与31PNMR和23NaNMR联合使用直接考察同一心脏中钙离子与ATP、磷酸肌酸以及钠、钾、镁离子、pH值之间的关系等。

(4)23NaNMR

23Na是MR生理研究中可提供重要信息的物质，Na的渗透性成为细胞代谢的极好标记。Na+的化学位移对分子环境极其不敏感，在23Na谱只能看到一个峰，包括胞内和胞外的Na+。区分胞内外信号的方法之一是利用NMR实验固有的特点，由于Na+有四个核自旋态，有三个单量子NMR跃迁，因此就可能存在一个以上的弛豫常数。利用多量子NMR可以检测到生物样品中胞内和胞外弛豫速率的差别。尽管描述细胞和组织内的弛豫需要一个以上的速率常数，但胞内和胞外的Na+参与形成这些多重弛豫速率常数。因此利用多量子技术定量胞内或胞外的Na+在技术上存在着问题。而在实际中多量子信号的改变可以反映出胞内外Na+的主要变化，可以得到较好的估测结果。23Na的自然丰度为100％，相对于1H的灵敏度为9.2％。Na+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。利用NMR测定Na+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。另外有些NMR技术还能同时观察胞内外离子浓度，从而可以对离子的净移动进行定量分析。

上述不同的原子具有各自的优势，但也有不足的地方。通常核子MR影像是按顺序采集不同原子核图像，这种方法获得的核子MR影像采集时间长、分辨率低、图像后处理难、信噪比低等，常不能令人满意。因此，如何同时对多种核素进行检测以获得多种不同核素的组织图像，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中核子MR影像采集时间长、图像后处理难、信噪比低的问题，提供了一种可在短时间内实现高分辨率和高信噪比的组织图像的多核核磁共振发生器。

为达上述目的，本发明提出一种多核磁共振成像系统，包括：

磁体，用于产生稳定均匀的静磁场，使被测组织产生磁化；

多核发生器，与所述磁体相连，用于在所述磁体的作用下产生具有多个不同频率的射频脉冲信号，从而得到多种原子核下被测组织的图像；

计算机系统，与所述多核发生器相连，用于实现全局控制功能，包括产生脉冲序列，完成被测组织的扫描，进行图像采集、重建、显示和存贮。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述磁体包括梯度放大器、梯度线圈、超导线圈/永磁体和射频线圈。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述多核发生器包括多核脉冲序列发生器、多核射频发生系统、射频放大系统、梯度磁场产生装置、多元射频接收器、接收射频放大器、MR信号解调模块以及相位检测滤波模块。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述计算机系统包括主计算机、控制系统模块、数据采集模块、图像处理模块以及图像显示模块。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述多核射频发生系统包括射频发生器、射频放大器和射频线圈，所述射频发生器用来产生多个不同拉莫尔频段的射频脉冲信号，所述射频脉冲信号经过所述射频放大器进行放大，获得高能量的射频脉冲信号，并作用于激发被测组织得到核磁共振信号；最后通过所述射频线圈对具有多个拉莫尔频率的核磁共振信号进行接收，依据不同拉莫尔频率解调出不同原子核下的核磁共振信号，并将所述核磁共振信号进行傅立叶变换得到被测组织的图像信息。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述梯度磁场产生装置用来产生磁共振成像所需的梯度波形，其包括梯度控制器，数模转换器，梯度放大器以及梯度线圈；首先由所述梯度控制器产生所需梯度波形的数字信号，然后由所述数模转换器产生所述梯度波形的模拟信号，经过所述梯度放大器，最后通入所述梯度线圈当中，从而产生所需要的梯度磁场。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述多核脉冲序列发生器用于产生所需要的射频脉冲，改变射频相位和触发采样，并精确控制所述多核射频发生系统中各个部件之间的工作时序；所述多核脉冲序列发生器包括脉冲编译器和序列发生器两部分，所述脉冲编译器用于将用户输入的脉冲序列编译成所述序列发生器所能识别的数据格式，所述序列发生器则根据已编译的数据来产生需要的脉冲序列。

根据本发明提出的多核磁共振成像系统，其中，所述多元射频接收器与所述多核脉冲序列发生器相连，用于将所述射频脉冲进行处理后传送给所述接收射频放大器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)一次扫描多原子核MR发生器可同时发射多种频率，因此可得到多种原子核的成像信息，减少了多核MR影像的伪影，同时可减少病人的痛苦，节约时间；

(2)多种原子核数据采集过程中不需将病人退出磁场，也不必更换射频探测器，因此可用来研究更复杂的研究项目；

(3)多核MR无电离辐射，对人体几乎无不良影响。

附图说明

图1为本发明的多核磁共振成像系统的组成结构示意图。

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。

本发明提出了一种多核核磁共振成像发生系统，它是一种可同时探测多种核素信号的MR成像系统，可以很方便地转换收集两种以上的核子MR信息。该多核磁共振共振成像发生系统可减少病人的痛苦，节约时间，由于不同的核子信息同步收集而减少了核子MR影像的伪影，同时数据采集过程中不需将病人退出磁场，也不必更换探测器，可用来研究更复杂的研究项目。

原子核具有自旋角动量和磁矩，在外磁场中，原子核磁矩和磁场相互作用形成一组能级。在与能级间距匹配的射频作用下，就会诱发共振吸收现象。磁共振成像就是采用灰度值把NMR参数(自旋密度p，弛豫时间T1，T2等)作为空间坐标的函数表示出来。根据NMR原理，在磁场B0中的核共振的频率f＝rB0，因此当静磁场中叠加一个线性编码的梯度磁场时，核的共振频率就被空间编码了，通过傅立叶变换，可以还原不同空间坐标点的信号，从而得到成像。

多核核磁共振成像技术与早期的多核荧光测定不同，是按不同核子的不同共振频率采集数据的。通过多谐探测器系统可以检测不同共振频率，进而完成几种多核MR影像。多谐探测器系统包括前置放大，传/接转换，功率放大等，在计算机控制下的频率截止时间小于1msec，可有效地用于不同拉莫尔频率核子测定。

如图1所示，本发明提出的多核磁共振成像发生系统的基本组成包括磁体、多核发生器及计算机系统。其中磁体的主要作用是产生稳定均匀的静磁场使组织产生磁化。多核发生器是成像设备的核心部件，主要包括了射频频率源、梯度波形发生器、接收机、脉冲序列发生器以及探测系统。MRI计算机系统可分为硬件和软件两个部分，硬件部分由主计算机及阵列处理机、MRI控制器等组成，其作用是进行系统控制，产生脉冲序列，完成MRI系统的扫描，图像采集、重建、显示和存贮；软件系统主要是各种应用软件，用于MRI系统的运行控制、数据录入、扫描序列选择和参数设定，扫描数据采集、存贮和图像重建及各种图像和数据的后处理等。

下面具体描述多核发生器的组成及功能。

多核发生器原理是利用不同核素原子能级分布不同，在外加磁场的作用下，吸收射频的频率不同，即不同核素的原子具有不同的拉莫尔频率。利用这一原理，通过多核发生器的射频系统产生具有多个不同频率的射频脉冲信号，不同频率对应不同的原子核的拉莫尔频率，因此当射频脉冲经过被测组织时，不同原子核也将产生包含多个频率的MR射频信号，MR信号被射频接收后经信号解调，获得不同原子核产生的MR信号，最后系统通过对不同原子核的MR信号进行成像，得到多种原子核下组织的图像，进而实现多种原子核在核磁共振成像仪下的组织图像。因此，多核核磁成像技术关键部件为多核发生器，本发明涉及的多核发生器可以实现该功能，进而实现多种原子核的核磁共振成像。

多核发生器主要由射频系统、梯度系统和多核序列脉冲发生系统组成，其中梯度系统主要由梯度线圈、梯度放大器、梯度控制器、数模转换器、梯度冷却系统组成。其详细结构请参见图1。

多核发生器的作用是为了产生线性变化的梯度磁场，梯度磁场的作用主要有施加扩散敏感梯度场，用于水分子扩散加权成像；进行MRI信号的空间定位编码；进行流动补偿；产生MRI回波，磁共振回波信号是由梯度场切换产生的；进行流动液体的流速相位编码等。射频系统主要由射频发生器、射频放大器和射频线圈组成。射频发射器是为了产生临床检查目的不同射频段的脉冲序列，以激发人体内或外源性引入的多种原子核产生MR信号。下面详细介绍多核发生器各组成部分的功能和它们各自的工作原理。

(1)多核射频系统

多核射频系统主要由射频发生器、射频放大器和射频线圈组成。射频发生器是多核射频系统的重要组成部分，它用来产生多个不同拉莫尔频段的射频脉冲；射频脉冲信号然后经过射频放大器进行放大，获得高能量的射频信号，并作用于激发组织；最后通过射频线圈对具有多个拉莫尔频率的MR信号进行接收，依据不同拉莫尔频率解调出不同原子核下的MR信号，并将MR信号进行傅立叶变换得到组织的图像信息。

(2)多核梯度系统

多核梯度系统用来产生磁共振成像所需的梯度波形。多核梯度系统的关键部件是波形发生器，其主要由梯度控制器，数模转换器(DAC)，梯度放大器以及梯度线圈构成。首先由梯度控制器产生所需梯度波形的数字信号，然后由数模转换器产生梯度波形的模拟信号，经过梯度放大器，最后通入梯度线圈当中，从而在磁场中产生所需要的梯度磁场。梯度波形发生器采用PCI总线，将实验所需要的梯度波形数据存放在板卡上的内存中，实验开始时，由脉冲序列发生器发出触发信号，波形发生器从内存中调用波形数据，并由DAC转换为模拟波形，从而得到梯度波形，可以满足下列要求：

(a)有三路独立的波形发生通道，可实现多种核素所需的波形；

(b)每路波形发生器有直流偏置单元，方便匀场调节；

(c)由于磁场涡流的影响，波形发生器有波形预加重的功能，可以设置不同的预加重参数；

(d)输出幅度为±5V，能够匹配后级的梯度电流放大器。

在FPGA中构建数字信号处理单元，可以实现直流偏置以及波形预加重的功能，另外在后级DAC中加入幅度可调节的波形放大电路实现输出幅度匹配。

(3)多核脉冲序列发生器

多核脉冲序列发生器是多核核磁共振成像仪的控制核心，相当于多核发生器的大脑，主要功能是产生多核核磁共振实验所需要的射频脉冲、改变射频相位和触发采样，并精确控制谱仪中各个部件之间的工作时序，保证多核发生器各部分的协同工作。多核脉冲序列发生器通常由脉冲编译器和序列发生器两部分组成，前者负责将用户输入的脉冲序列编译成后者所能识别的数据格式，后者则根据这些已编译的数据来产生核磁共振实验需要的脉冲序列。

脉冲序列发生器主要包括事件和时间值，所谓事件指的是对多核发生器哪个部分进行触发操作，所谓时间指的是何时触发事件。采用FPGA构建计数单元，采用SRAM作为时间和事件值的存储，采用PCI总线实现对内存的读写来完成脉冲序列发生器的。当主机发出复位初始化命令时，脉冲序列发生器预读时间事件值，当开始发脉冲序列时，由计数器控制事件值的发出，脉冲序列的结束是由设置标志位数据来控制的。多核脉冲序列发生器的运行不需要主机的控制，具有很高的时间精度。

本发明的多核发生器涉及的多核脉冲序列发生器采用基于网络的模块化设计，可以提高集成度和数据传输效率。多核发生器要求能够同时实现多组脉冲序列，且它们之间互相独立，要求成像仪将含有多个发射和接收通道，需要高速的实现并行发射和并行接收。另外，核磁共振成像实验中使用的脉冲序列将更复杂，包含更多的序列参数，FID的数据量也会更大，此时FPGA内部的FIFO已经不能满足数据存储容量的要求，同时要求保证PCI-104与FPGA之间基于PCI总线的数据通信速率。

基于网络的模块化设计的脉冲序列发生器中，每个模块都具有相同的结构并且提供可编程接口，主要由一块高性能PCI-104主板和单片FPGA组成。PCI-104通过以太网从主机中获得脉冲序列参数，然后将这些参数转换为48bits的控制字，转换完成后将控制字逐一写入FPGA内部的FIFO中，当一个有效的扫描同步信号到来时，FPGA内部的序列发生器(Sequencer)就开始对FIFO中的数据进行译码，并最终输出对应的控制信号到谱仪的各个部件。序列发生器的输出由一个定时器(Timer)和一个有限状态机(FSM)控制，能够精确的产生延时和门控信号。多个脉冲序列发生器之间通过扫描同步信号(ScanSYNC)进行同步，确保时序的严格同步。

多核脉冲序列发生器顶层模块由计数器(cnt)、比较器(cmp)、数据选择器(mux)和逻辑触发器等子模块组成，在数据选择器和触发器之间添加一个逻辑与门(or)能够使设计更加灵活。其中c1，c2，c3，c4确定高低电平的持续时间，利用与门和Rs触发器的逻辑运算可实现在某一参数位置的高低电平转换。

底层模块之一的计数模块结构由电平控制计数器count1和周期控制计数器count2组成。单片机首先把所需的脉冲周期个数、脉宽数据、脉冲总周期长度初值送入进相应的计数器中，单片机发出使能控制信号en之后，count1开始计数并输出高电平，达到预置脉冲宽度初值就转为输出低电平，直到持续计数到一个总周期长度的结束，转为下一周期，实现了脉冲宽度可控。Count2是用作控制脉冲循环周期的，每经过一个脉冲串count2都会自动加一，在脉冲串输出数量未达到count2中的初始值时，门控信号door一直输出高电平，以允许脉冲通过。一旦脉冲输出的数量达到预定个数时，门控信号door输出变为低电平，从而关闭输出通道，并输出一个任务完成的标志信号“done”。该信号又通过逻辑门连接在全局复位信号reset上，reset是低电平复位信号，done信号使得reset有效，此时两个计数器所有参数全部复位清零。整个系统保持等待状态，直到下一次启动信号来临再继续工作。

因此，多核脉冲序列发生器由于基于模块化设计，能方便的移植到多核核磁共振成像仪中使用。

综上所述，本发明提出的多核磁共振成像发生系统具有以下技术优点：

(1)31PNMR多核MR成像具有无损伤性，使细胞在保持原有的生理生化环境下进行测量；23Na的渗透性为细胞代谢的极好标记，23Na在MR生理研究中提供重要的信息；19FNMR与31PNMR和23NaNMR联合使用直接考察同一心脏中钙离子与ATP、磷酸肌酸以及钠、钾、镁离子、pH值之间的关系等；本发明可充分利用上述的优点。

(2)利用本发明可以直接得到多原子核的横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，利于各图像之间的重建及融合等后处理。

(3)多种原子核信息的同步收集可减少原子核MR影像的伪影，提高图像的质量。

(4)可利用不同原子核成像的优势对被测组织进一步观察鉴别，从而获得更多的解剖及功能信息。

(5)射频频率发射器可实现同时发射多波段的频率，进而实现对多种原子核进行同时同步发生和采集。

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 (8)

1.一种多核磁共振成像系统，其特征在于，包括：

磁体，用于产生稳定均匀的静磁场，使被测组织产生磁化；

多核发生器，与所述磁体相连，用于在所述磁体的作用下产生具有多个不同频率的射频脉冲信号，从而得到多种原子核下被测组织的图像；

计算机系统，与所述多核发生器相连，用于实现全局控制功能，包括产生脉冲序列，完成被测组织的扫描，进行图像采集、重建、显示和存贮。

2.根据权利要求1所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述磁体包括梯度放大器、梯度线圈、超导线圈/永磁体和射频线圈。

3.根据权利要求1所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述多核发生器包括多核脉冲序列发生器、多核射频发生系统、射频放大系统、梯度磁场产生装置、多元射频接收器、接收射频放大器、MR信号解调模块以及相位检测滤波模块。

4.根据权利要求1所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述计算机系统包括主计算机、控制系统模块、数据采集模块、图像处理模块以及图像显示模块。

5.根据权利要求3所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述多核射频发生系统包括射频发生器、射频放大器和射频线圈，所述射频发生器用来产生多个不同拉莫尔频段的射频脉冲信号，所述射频脉冲信号经过所述射频放大器进行放大，获得高能量的射频脉冲信号，并作用于激发被测组织得到核磁共振信号；最后通过所述射频线圈对具有多个拉莫尔频率的核磁共振信号进行接收，依据不同拉莫尔频率解调出不同原子核下的核磁共振信号，并将所述核磁共振信号进行傅立叶变换得到被测组织的图像信息。

6.根据权利要求3所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述梯度磁场产生装置用来产生磁共振成像所需的梯度波形，其包括梯度控制器，数模转换器，梯度放大器以及梯度线圈；首先由所述梯度控制器产生所需梯度波形的数字信号，然后由所述数模转换器产生所述梯度波形的模拟信号，经过所述梯度放大器，最后通入所述梯度线圈当中，从而产生所需要的梯度磁场。

7.根据权利要求3所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述多核脉冲序列发生器用于产生所需要的射频脉冲，改变射频相位和触发采样，并精确控制所述多核射频发生系统中各个部件之间的工作时序；所述多核脉冲序列发生器包括脉冲编译器和序列发生器两部分，所述脉冲编译器用于将用户输入的脉冲序列编译成所述序列发生器所能识别的数据格式，所述序列发生器则根据已编译的数据来产生需要的脉冲序列。

8.根据权利要求7所述的多核磁共振成像系统，其特征在于，所述多元射频接收器与所述多核脉冲序列发生器相连，用于将所述射频脉冲进行处理后传送给所述接收射频放大器。