CN105974208B - 核磁共振仪下比吸收率的测量系统 - Google Patents

核磁共振仪下比吸收率的测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统，包括：虚拟体膜单元，包括虚拟体膜，该虚拟体膜能够产生与人体导电性接近的负载；射频振荡器，靠近虚拟体膜单元配置，用于在虚拟体膜内产生电场；静磁场，配置成比射频振荡器更靠近虚拟体膜单元，用于使虚拟体膜内的原子产生进动；电场测量单元，用于利用光学方法测量射频振荡器在虚拟体膜内产生的电场；以及人体比吸收率测量单元，用于根据电场测量单元所测量的结果计算并显示出人体比吸收率的值。本发明的核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统能够准确快速地测量人体比吸收率。

Description

核磁共振仪下比吸收率的测量系统
技术领域
本发明涉及核磁共振仪下人体比吸收率的高速高精度的测量系统。
背景技术
近年来，作为核磁共振仪电磁波对病人等活体所产生热作用的指标——人体比吸收率(SAR)，对其进行定量评价的需求急速增长，如何对其快速准确地测量的研究也备受青睐。
通常在一些国际标准中用脉冲能量法和量热法来测量核磁共振仪下的病人吸收的电磁波的比吸收率。SAR的定义如下式(1):
其中P为人体所吸收的电磁波能量的平均功率，M为人体的质量。
图1a和图1b是使用脉冲能量法测量SAR的示意图。
图1a的受测体为体膜一。其中1是射频振荡器，2是射频线圈，3是体膜一，其导电性非常小，几乎不吸收电磁波，4是静电场，5是脉冲能量测量仪，6是光纤。在图1a的这种情况下，发射射频脉冲可以测得无负载时进入射频线圈端子的峰值电压V’faorward；从射频线圈端子反射的峰值电压V’reflect；外部其它地方吸收的功率或消散的峰值电压V’other。然后把峰值电压的测量转化为峰值功率的测量。利用如下公式(2)分别求出p’faorward、p’reflect、p’other，其中Z0是传输线的特性阻抗。
因此空载时线圈吸收的功率为：pcoil＝p’faorward-p’reflect-p’other。
图1b的受测体为体膜二。图中3是体膜二，体膜二是模仿人体设计的，而且导电性与人体的导电性接近。在图1b的这种情况下，发射射频脉冲可以测到有负载时进入射频线圈端子的峰值电压Vfaorward；从射频线圈端子反射的峰值电压Vreflect；外部其它地方吸收的功率或消散的峰值电压Vother。然后把峰值电压的测量转化为峰值功率的测量。相应功率分别为pfaorward、preflect、pother。因此体膜二吸收的峰值功率为：Pobject＝pfaorward-preflect-pother-pcoil。
计算体膜二吸收的能量，首先利用公式(3)求出单个射频脉冲的磁场的均方值B1rms:
然后利用公式(4)求出每个射频脉冲的能量Ei，
因此体膜二所吸收的平均功率为，
根据公式(1)可计算出体膜二的SAR如下:
然而此种测量法如上所述，测量测量过程繁多复杂，需要测量的物理量多，测量的过程会不可避免地产生误差，影响实验的结果。
图2是使用量热法测量SAR的示意图。1是射频发射仪，3是虚拟体膜三，4是静电场，5是测温系统。体膜三是充满了氯化钠水溶液的装置，并把其浓度调至其导电性可以产生与人体接近的负载。测温系统用来测量体膜中水溶液的温度。如图2所示，通过测温系统测量射频脉冲扫描前和扫描后体膜内的填充溶液的温度Ti和Tf，然后可以通过如下公式(6)来计算体膜所吸收的能量。其中M是填充液溶的质量，C是填充溶液的比热。
E＝MC(Ti-Tf) (6)
扫描期间的平均功率P可由如下公式(7)计算，τ是扫描时间。
最后根据公式(1)计算出SAR值。采用量热法测量耗时较长，因为填充液需要搅拌均匀后才能测量；考虑到因温度差而导致的热交换因素影响，公式(7)中的扫描时间很不准确，τ的值很容易被延迟，导致实验结果的误差。
发明内容
本发明提供一种核磁共振仪下比吸收率的测量系统，其能够克服现有技术中存在的某个或多个缺陷。
本发明提供了一种核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统，包括：虚拟体膜单元，包括虚拟体膜，该虚拟体膜能够产生与人体导电性接近的负载；射频振荡器，靠近虚拟体膜单元配置，用于在虚拟体膜内产生电场；静磁场，配置成比射频振荡器更靠近虚拟体膜单元，用于使虚拟体膜内的原子产生进动；电场测量单元，用于利用光学方法测量射频振荡器在虚拟体膜内产生的电场；以及人体比吸收率测量单元，用于根据电场测量单元所测量的结果计算并显示出人体比吸收率的值。
根据本发明，可以准确快速地测量人体比吸收率，在测量中不容易产生测量误差，因此方便实用。
根据一个具体实施例，虚拟体膜由液体、凝胶、固体等构成。根据该实施例，能够模拟人体的电气常数，从而使得能够对人体比吸收率进行精确的模拟。
根据一个具体实施例，电场测量单元包括：光源，用于产生偏振光；偏光调节器，用于调节光源产生的光的偏振状态；光路切换器，用于接收从偏光调节器出射的光并且切换光的传输路径，以使从光路切换器出射的光能够射到虚拟体膜内的预定测量点；棱镜，将从虚拟体膜内的预定测量点出射的光分解为两束相交光；光检测器，用于测量从棱镜出射的两束相交光的光强并且计算出其相位差；以及信号处理器，用于根据光检测器所测量的相位差计算出电场的大小。
根据该实施例，能够利用光学法准确方便地测量出射频变换器在虚拟体膜内产生的电场。
优选地，在虚拟体膜内的多个测量点放置电光晶体，这些电光晶体的介电常数与虚拟体膜的介电常数相接近；从光源射出来的光穿过偏振调节器、光路切换器后通过光纤分别进入到电光晶体和光强测量仪；进入到电光晶体中的光射出，通过光纤也进入到光强测量仪；在光强测量仪中测出的两次光强数据被输送到信号处理器，从而计算出电场。
根据一个具体实施例，在虚拟体膜的测量点处布置有电光晶体，从光路切换器出射的光射向电光晶体，而且虚拟体膜与电光晶体的介电常数均接近于人体的介电常数。
根据该实施例，应用了电光晶体在电场作用下折射率会发生变化这一原理来测量电场的方法，从而能够进行准确快速地测量。
根据一个具体实施例，在虚拟体膜的测量点处还布置有与电光晶体连接的光纤，用于在电光晶体与虚拟体膜外部的元件之间传输光，在光纤的表面上应用了高介电常数的材料。
根据一个具体实施例，人体比吸收率测量单元根据以下公式计算出人体比吸收率：
其中E是电场，σ和ρ分别是形成虚拟体膜的介质的电导率和密度。
根据一个具体实施例，电场测量单元的各部件由非金属制成。所以可以消除外界仪器对测量的一些干扰，同时可以对被测物体进行点测量。并且，被测点的电光晶体的折射率变化起因于跟随电磁波的偶极子的偏差，所以可以进行从MHz频带到THz的宽波段测量，因此满足用于人体的测量。
附图说明
图1a和图1b是使用脉冲能量法测量在核磁共振仪工作下的比吸收率(SAR)的示意图。
图2是使用量热法测量在核磁共振仪工作下的比吸收率(SAR)的示意图。
图3是基于本发明的实施方式的比吸收率(SAR)测量系统的示意图。
图4是经棱镜分解后的两束光随时间的变化情况示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细地描述本发明的膜片式光纤加速度计的具体实施方式。
进行核磁共振检查时会有两个磁场会穿过人体:一个是射频磁场，一个是使身体内的原子产生进动的静磁场。静磁场不产生电场，故公式(8)中的电场只包含射频磁场产生的电场。因此这一测量方法只适用于调频率核磁共振仪而不适用调磁场核磁共振仪。
下面参照附图3，对本发明的实施方式进行详细的说明。
图3是本发明实施方式的比吸收率测量系统的示意图。该比吸收率测量系统包括：虚拟体膜单元7，该虚拟体膜单元包括虚拟体膜12和电光晶体13，电光晶体13内置于虚拟体膜12内，并且能够产生与人体导电性接近的负载；射频振荡器14，该射频振荡器配置在虚拟体膜单元7的附近，用于在虚拟体膜12内产生电场；静磁场15，配置成比射频振荡器14更靠近虚拟体膜单元7，用于使虚拟体膜12内的原子产生进动；电场测量单元，用于利用光学方法测量射频振荡器14在虚拟体膜7内产生的电场；以及人体比吸收率测量单元16，该人体比吸收率测量单元用于根据电场测量单元所测量的结果计算并显示出人体比吸收率的值。
虚拟体膜12由液体、凝胶、固体等构成。电光晶体13的介电常数与虚拟体膜12的介电常数接近。在虚拟体膜中内嵌有用于连接电光晶体与外部的多条光纤。
本发明利用了普克尔原件的空间电场测量系统，其中电场测量单元由以下部分构成：光源1，该光源用于产生偏振光；偏振保持光纤2；偏光调节器3，用于调节光源1产生的光的偏振状态；单模光纤4；通过PLC技术或MEMS技术形成的光路切换器5，用于接收从偏光调节器3出射的光并且切换光的传输路径，以使从光路切换器3出射的光能够依次射到虚拟体膜12内的电光晶体13；使电光晶体出射的光分成两束相交光的Wollaston棱镜8，该棱镜将从虚拟体膜7出射的光分解为两束相交光；光检测器9，该光检测器用于测量从棱镜8出射的两束相交光的光强并且计算出其相位差；用于传输电信号的电信号线10；以及信号处理器11，该信号处理器11用于根据光检测器9所测量的相位差计算出电场的大小，SAR如下式(8)定义：
其中E是电场，σ和ρ分别是介质的电导率和密度。
本发明提出了应用电光晶体在电场作用下折射率会发生变化这一原理来测量电场的方法，该方法包括如下步骤：在虚拟体膜12内的多个测量点放置电光晶体13，这些电光晶体13的介电常数与虚拟体膜12的介电常数相接近；从光源1射出来的光穿过偏振调节器3和光路切换器5后通过光纤分别进入到电光晶体13和光强测量仪9；进入到电光晶体13中的光射出，通过光纤也进入到光强测量仪9；在光强测量仪9中测出的两次光强数据被输送到信号处理器，从而计算出电场。
在上述的电场测量方法中，光纤的表面应用了高介电常数材料，使光纤的等效介电常数实际上与虚拟体膜的介电常数相等。
在本实施例中，因为电场检测部由非金属构成，所以可以消除外界仪器对测量的一些干扰，同时可以对被测物体进行点测量。并且，被测点的电光晶体的折射率变化起因于跟随电磁波的偶极子的偏差，所以可以进行从MHz频带到THz的宽波段测量，因此满足用于人体的测量。
电光晶体通过裸光纤6与光路切换器5相连接，在光纤的表面上应用了高介电常数的材料。
图3所示的比吸收率测量系统使用体膜内的电光晶体来测量配置在体膜附近的射频振荡器14在体膜12内产生的电场，测量过程具体如下所述。
从偏振光光源1射出的线偏振光通过偏振保持光纤传播到偏光调节器3。偏光调节器3将入射来的线偏振光调节为特定的偏振状态并射出。经过了偏振调节后的光由单模光纤4传播，通过光路切换器5依次向各光电晶体13入射。入射到电光晶体13的光穿过电光晶体13并射出，由于是在电场下，所以射出的光会产生相位差δ，然后通过Wollaston棱镜8分解成相位正交的两束光。两束光的光强分别是：
由式(9)和式(10)得：
式(11)是理论值，但由于检测光的光电管的暗电流、杂散光，同时还由于晶体内部缺陷等因素会对实验造成一定的误差。因此会有一个误差分量Ir，从而实际的光强发生了变化，如下式所示：
在电场的作用下，经棱镜8分解出来的两束光随时间变化的情况如图4所示。显然只要读取t0时刻的则其差值即为理想输入线偏振光的光强：
i0＝i′1t0-i′2t0 (14)
再读t1时刻的于是
i1＝i′1t0-i′1t1 (15)
由式(11)、(14)、(15)可得：
由于采集和的频率远高于激光源波动的频率，而且多次重复采集i’1和i’2的值求其平均值，可以消除随机噪声带来的误差。
从Wollaston棱镜8出来的两束光经光纤进入到光检测器9，通过光检测器9测到两束光的光强i’1和i’2，然后将此信号送入到信号处理器11。在信号处理器11中可以根据式(16)计算出相位差δ，接下来计算体膜内的电场值E。
因为晶体普克尔特性的分散性以及光电器件、放大电路等各个环节都会带来测量误差，导致理论的场强值与实际场强有很大的偏差。为此本系统采用的方法是，在待测电场进行测量之前先在已知电场中对整个测量系统进行校正，根据校正实验数据进行多项式拟合(最小二乘法)求出测量系统的场强E与相位差的关系E＝f(δ)。待测电场测量时根据测得的δ值，利用校正时得到的校正曲线E＝f(δ)求出被测电场强度E。在信号处理器中计算的电场强度E经信号线进入SAR测量单元，根据公式(8)计算出最终的SAR并显示出来。
以上所述仅为发明的具体实施例，并不是要对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等通过变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (3)

1.一种核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统，包括：
虚拟体膜单元，包括虚拟体膜，该虚拟体膜能够产生与人体导电性接近的负载；
射频振荡器，靠近虚拟体膜单元配置，用于在虚拟体膜内产生电场；
静磁场，配置成比射频振荡器更靠近虚拟体膜单元，用于使虚拟体膜内的原子产生进动；
电场测量单元，用于利用光学方法测量射频振荡器在虚拟体膜内产生的电场；
以及
人体比吸收率测量单元，用于根据电场测量单元所测量的结果计算并显示出人体比吸收率的值；
其中，电场测量单元包括：
光源，用于产生偏振光；
偏光调节器，用于调节光源产生的光的偏振状态；
光路切换器，用于接收从偏光调节器出射的光并且切换光的传输路径，以使从光路切换器出射的光能够射到虚拟体膜内的预定测量点；
Wollaston棱镜，将从虚拟体膜内的预定测量点出射的光分解为两束相交光；
光检测器，用于测量从Wollaston棱镜出射的两束相交光的光强并且计算出其相位差；以及
信号处理器，用于根据光检测器所测量的相位差计算出电场的大小；
其中，在虚拟体膜的测量点处布置有电光晶体，从光路切换器出射的光射向电光晶体，而且虚拟体膜与电光晶体的介电常数均接近于人体的介电常数；其中，在虚拟体膜的测量点处还布置有与电光晶体连接的光纤，用于在电光晶体与虚拟体膜外部的元件之间传输光，在光纤的表面上应用了高介电常数的材料；
其中，从Wollaston棱镜出来的两束光经光纤进入到光检测器，通过光检测器测到两束光的光强i’1和i’2，然后将此信号送入到信号处理器；在信号处理器中通过公式(1)计算出相位差δ，接下来计算体膜内的电场值E；
其中公式(1)中i′1t0、i′2t0分别表示t0时刻由光检测器检测到的两束光的光强，i′1t1、i′2t1分别表示t1时刻检测到的两束光的光强；
其中，人体比吸收率测量单元根据公式(2)计算出人体比吸收率：
其中E是电场，σ和ρ分别是形成虚拟体膜的介质的电导率和密度；
其中，在待测电场进行测量之前先在已知电场中对整个测量系统进行校正，根据校正实验数据进行最小二乘法多项式拟合求出测量系统的场强E与相位差的关系E＝f(δ)；待测电场测量时根据测得的δ值，利用校正时得到的校正曲线E＝f(δ)求出被测电场强度E；在信号处理器中计算的电场强度E经信号线进入SAR测量单元，根据公式(2)计算出最终的SAR并显示出来。
2.根据权利要求1所述的核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统，其中，虚拟体膜由液体、凝胶、固体构成。
3.根据权利要求1所述的核磁共振仪下人体比吸收率的测量系统，其中，电场测量单元的各部件由非金属制成。
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