CN106377261A - 一种磁共振功能成像质量检测体模及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁共振功能成像质量检测体模及方法，包括两个活动连接的独立壳体，第一壳体内设置有BOLD仿真信号模块，第二壳体内设置有基本成像检测模块；BOLD仿真信号模块包括定位准确性测试组件和BOLD信号仿真组件，所述定位准确性测试组件包括两个交叉放置的定位块，所述定位块上设置有由等腰直角三角块形成的楔形通道，所述BOLD信号仿真组件包括用于磁共振功能成像的仿真脑；本发明能够仿真人体BOLD信号变化、模拟磁共振系统中脑激活区，适用于脑功能成像的准确性、可靠性和可重复性测试分析研究。

Description

一种磁共振功能成像质量检测体模及方法
技术领域
本发明涉及一种磁共振功能成像质量检测体模及方法，尤其是用于磁共振基于BOLD(血氧合水平依赖)信号的脑功能成像(任务态)的成像质量检测体模，具体地说是一种仿真人体BOLD信号变化、模拟磁共振系统中脑激活区的成像模型，用于脑功能成像的准确性、可靠性和可重复性测试分析研究。
背景技术
磁共振脑功能成像基于BOLD现象，一般通过快速成像序列扫描，检测任务态脑断面影像同基态脑断面影像的T2*信号(实际T2弛豫时间)差异(任务态功能磁共振)，通过图像处理和统计分析后确定对应刺激的脑功能区。由于BOLD信号存在时间极短(3-6ms)，无法通过解剖学金标准验证脑功能区。因此，脑功能成像的准确性和可重复性一直较低，脑功能分析结果也一直存在争议。这种情况下，需要一种仿真BOLD信号，并配合脑功能磁共振成像(成像和数据分析)的检测标准器，进行成像结果校准和脑功能区、脑连接的分析结果验证。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种磁共振功能成像质量检测体模及方法，本发明具有以下特点：①具有脑外观形态，磁共振成像的形态学仿真度高；②具有通过外接电流扰动磁场均匀度，形成区域性T2*信号变化(增强)的BOLD仿真模块；③具有分辨率、几何畸变、信噪比等基本磁共振成像检测模块，具备检测多用性。④体模具备外接可编程电源控制器，可在屏蔽室外远程控制BOLD仿真模块的电流通断、持续时间、脉冲次数等。其控制方案可结合磁共振功能成像的快速序列，设定刺激方案。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种磁共振功能成像质量检测体模，包括两个活动连接的独立壳体，第一壳体内设置有BOLD仿真信号模块，第二壳体内设置有基本成像检测模块；
所述BOLD仿真信号模块包括定位准确性测试组件和BOLD信号仿真组件，所述定位准确性测试组件包括两个交叉放置的定位块，所述定位块上设置有由等腰直角三角块形成的楔形通道，所述BOLD信号仿真组件包括用于磁共振功能成像的仿真脑；
所述基本成像检测模块，包括相互独立的定位准确性测试组件、几何畸变测试组件、高对比度组件和层偏差测量组件，所述几何畸变测试组件为多层格栅结构，以仿真各方向的图像的几何畸变程度；所述高对比度组件包括基板以及在基板上设置的多排孔径不同的通孔；所述层偏差测量组件包括基层以及在基层上设置的成正交的两条缝隙。
优选的，所述第一壳体和第二壳体均为有机玻璃的圆筒形壳体，且两个壳体的直径相同，第一壳体的高度大于第二壳体的高度。
优选的，所述第一壳体和第二壳体外侧均设置有卡口，通过所述卡口，两个壳体连接在一起。
优选的，所述第一壳体和第二壳体填充有磁共振标准测试溶液，例如硫酸铜、蒸馏水、氯化钠或氯化镍。
优选的，所述几何畸变测试组件，包括多层格栅，每个格栅的方格孔维相同，且方格的边厚度相同，通过扫描每层，在所获图像上测量任意两个方格顶点间距离，与真实距离比较，获得轴向方向图像的几何畸变程度，通过测量不同层间方格顶点间距离，获得矢状和冠状方向的几何畸变。
优选的，所述格栅为PVC材质，层数为3层。
优选的，所述高对比度组件的基板上设置有多排不同直径的通孔，且每排还有多个通孔，同一排的通孔直径相同，相同直径通孔的间隔等同于其直径，通过扫描，在所获得的图像上观察通孔图像，若相同直径的孔清晰可见且信号互不连接的，则满足此条件的最小孔径为极限可视宽度。
优选的，所述定位准确性测试组件的定位块上的楔形呈交叉布设，且两个定位块的长边交叉处设置有定位线，若扫描图像中所形成的黑色长条暗带长度相等则说明定位准确，否则定位存在偏差。
优选的，所述层偏差测量组件的基层上设置有呈45°的缝隙，两缝隙正交，且缝隙的宽度相同，通过扫描的图像上两条缝隙形成的信号，计算确认实际层厚，获得层厚设定偏差。
优选的，扫描所述第二壳体内的设定区域，通过获得该区域的信号、噪声和方差数值，计算图像信噪比。
优选的，所述BOLD信号仿真组件外形的仿真脑为含0.5％-1％硫酸铜、0.3％-0.5％氯化钠、1％-1.25％琼脂糖、0.100％-0.125％Gd-DTPA(二乙烯三胺五乙酸钆)的水凝胶，用于仿真磁共振下人脑灰质的T1和T2弛豫值。
优选的，所述仿真脑具有人大脑、小脑、脑室、沟回的结构外形。仿真脑形态学数据来源于蒙特利尔神经学研究所(Montreal neurological Institute)的ICBM(International Consortium for Brain Mapping)，是一个综合了152个实际大脑的标准脑数字三维矩阵，通过3D打印，获得该数字脑的外形轮廓，然后填充材料行程仿真脑实物。
优选的，所述仿真脑的额叶部位、海马部位对应于第一壳体的横向短轴方向分别设置有一个空腔，分别距离表面沟回1cm、5cm，用于仿真人脑的额叶、海马(海马和杏仁核具有较低的bold信号)区域的BOLD信号，仿真人脑认知功能区域。仿真脑的扣带回部位对应于第一壳体的纵向长轴线方向分别设置有一个空腔，距离表面沟回3cm，用于仿真人脑的扣带回的BOLD信号。
优选的，所述线圈沿第一壳体的纵向轴线方向延伸出第一壳体，通过连接线连接外部电源控制器。
优选的，所述外部电源控制器为可编程控制器，控制电源与各个线圈的接通、持续或关断，同时控制接通/关断时间、持续时间、频率和次数。
基于上述检测体模的检测方法，包括：
常规扫描仿真脑组件时，三个线圈均处于关断状态，空腔内的水分子、凝胶中的水分子均处于正常的磁共振信号成像；
任务态扫描时，外部电源控制器配合扫描序列，按照设定脉冲频率，接通和关断，使相应的空腔内线圈产生脉冲电流，脉冲电流改变了空腔内水分子所处的局部磁场均匀性，导致时间改变；
常规扫描和任务态扫描的信号差异交替持续出现，实现仿真人脑BOLD信号，对获得的脑功能磁共振序列图像进行脑轮廓提取。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种仿真人体BOLD信号变化、模拟磁共振系统中脑激活区的成像模型，用于脑功能成像的准确性、可靠性和可重复性测试分析研究；
(2)本发明能够配合脑功能磁共振成像(成像和数据分析)的检测标准器，进行成像结果校准和脑功能区、脑连接的分析结果验证；
(3)本发明具有脑外观形态，磁共振成像的形态学仿真度高，具有通过外接电流扰动磁场均匀度，能够形成区域性T2*信号变化；
(4)本发明具有分辨率、几何畸变、信噪比等基本磁共振成像检测模块，具备检测多用性；
(5)本发明可在屏蔽室外远程控制BOLD仿真模块的电流通断、持续时间、脉冲次数等，有效地保证了仿真实验者的身体健康与安全。
附图说明
图1为本发明的体模整体组合外观图；
图2为本发明的几何畸变测试组件示意图；
图3为本发明的高对比度测试组件示意图；
图4(a)为本发明的层偏差测量组件侧视图；
图4(b)为本发明的层偏差测量组件主视图；
图5为本发明的仿真脑长方形空间内的线圈形状示意图；
图6为本发明的体模与外部电源控制器的连接和使用位置示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种适用于医用磁共振脑功能成像、仿真BOLD信号变化的质量控制检测体模，包括可组合拆卸的整体结构、BOLD仿真信号模块和基本成像检测模块。
可组合拆卸外形模块包含直径18CM的PMMA有机玻璃圆筒形外壳，外壳分为15CM高、5CM高的两个部分。两部分可组合拆卸，内部互不联通。15CM高圆筒内含BOLD仿真信号模块，一端封闭，一端通过导线联通外部电源控制器。5CM高圆筒两端封闭，内含可进行分辨率、几何畸变、信噪比等基本成像参数检测的模块，圆筒内注满磁共振标准测试溶液(硫酸铜、蒸馏水、氯化钠/氯化镍)。两圆筒可通过卡口组合。
BOLD仿真信号模块和基本成像检测模块两端包含PMMA材质的方形榫卯结构，通过榫卯结构的链接、打开，实现体模两个模块的连接和分离。使体模两个模块可合并使用(扫描)，也可独立使用。
基本成像检测模块，内部包含五个独立测试组件。分别为：
①由矩形方格矩阵组成的几何畸变测试组件，组件为3层PVC材质格栅。格栅的每个方格孔维3×3×3mm3，方格块的PVC边厚1mm。通过扫描该层，在所获图像上测量任意两个方格顶点间距离，与真实距离比较，可获得轴向方向图像的几何畸变程度。格栅分为上下3层，层间PVC厚度1mm，通过测量不同层间方格顶点间距离，可以获得矢状和冠状方向的几何畸变。如图2所示。
②由不同直径通孔组成的高对比度(极限分辨率)组件，在PMMA基板上含有5排不同直径的通孔，孔径为5mm、2.5mm、1mm、0.5mm、0.2mm，相同直径通孔的间隔等同于其直径。如图3所示。通过扫描该层，在所获得的图像上观察通孔图像，如相同直径的孔清晰可见且信号互不连接的，则满足此条件的最小孔径为极限可视宽度。
③由楔形等腰直角三角块组成的定位准确性测试组件，两等腰直角三角形交叉放置。如图4所示。扫描该层时，将定位线放置在两三角块长边交叉处。如定位准确，则图像中三角块所形成的黑色长条暗带长度相等。如定位系统存在偏差，则两黑色长条不等长。
④由含缝长条形PVC组成层偏差测量组件，PVC长方形块长6mm，宽6mm，含有2条45度1mm宽的缝，两缝正交。扫描该层，则影像上会出现两条对称分布的亮信号(缝内浸满测试液所致)，测量亮信号的半高宽，计算两半高宽的乘积并开方，得实际层厚，同设定层厚相比较，可得层厚设定偏差。
⑤无实物的溢流层组件，用于测量信噪比。扫描该层时，所得图像可用于选择感兴趣区，通过获得信号、噪声和方差数值，可计算的图像信噪比。
BOLD仿真信号模块包含定位准确性测试组件和BOLD信号仿真组件。定位准确性测试组件结构与基本成像检测模块内的一致。
BOLD信号仿真组件外形为15×15×13cm3的仿真脑。仿真脑为0.5％-1％硫酸铜、0.3％-0.5％氯化钠、1％-1.25％琼脂糖、0.100％-0.125％Gd-DTPA(二乙烯三胺五乙酸钆)的水凝胶，可仿真磁共振下人脑灰质的T1和T2弛豫值。
其外观形态由“中国数字人”标准脑图像仿真获得，并配准ICBM标准脑。具备仿真人大脑、小脑、脑室、沟回的结构外形。水凝胶含有丰富的氢质子，可在磁共振扫描时产生类似人脑亮度的高信号。
仿真脑内部含有三个小的长方形容积空间，空间约3375mm3(约占125个27mm3功能磁共振成像体素，3-4个扫描层面)。空间内含有直径≦2mm的圆形线圈，线圈为单股，胶皮包裹，由体模长轴方向进入空间，环绕350度后，由长轴方向穿出空间。如图5所示。线圈在空间内固定，空间内充盈磁共振标准测试液(纯净水、硫酸铜和氯化钠)。
两个长方形容积空间位于体模短轴方向，分别位于仿真脑的额叶、海马部位，分别距离表面沟回1cm、5cm，用于仿真人脑的额叶、海马(海马和杏仁核具有较低的bold信号)区域的BOLD信号，仿真人脑认知功能区域。一个长方形容积空间位于体模长轴方向，位于仿真脑的扣带回部位，距离表面沟回3cm，用于仿真人脑的扣带回的BOLD信号。
三个长方形容积空间内的线圈接线两端穿出体模，接线连接外部电源控制器。接线长度≥5M，保证体模处于扫描状态时，外部电源控制器可通过波导板放置在外部操作室控制台。如图6所示。
外部电源控制器为可编程控制器，通过编程设定电源的接通、持续、关断；接通/关断时间、持续时间、频率和次数。
BOLD仿真模块可用于磁共振功能成像。常规扫描仿真脑组件时，三个线圈均处于关断状态。长方形容积空间内的水分子、凝胶中的水分子均处于正常的磁共振信号成像。任务态扫描时，外部电源控制器配合扫描序列，按照设定脉冲频率，接通和关断，使线圈内产生脉冲电流。脉冲电流(持续时间≤6ms)改变了长方形容积空间内水分子所处的局部磁场均匀性，导致T2*时间改变，与常规扫描T2*出现1-3％的信号差异。常规扫描和任务态扫描的信号差异交替持续出现，持续时间≥6Min。从而实现仿真人脑BOLD信号的功能。
外部电源控制器包含光纤接收器、频率-电压转换器和电流驱动器，远程控制线圈。外部电源控制器通过编程，可实现三个容积空间内线圈的同时和独立接通/关断(≥200/S)，高低电流切换(1mA或≦0.5mA)，仿真一个或多个功能区的BOLD信号仿真；也可实现三个容积空间内线圈的顺序独立接通/关断(间隔时间≤6ms)，高低电流切换，用于不同功能区的脑连接分析仿真。
体模附带图像后处理软件。软件可安装于Windows系列平台和Linux平台，软件用于对各种厂家磁共振系统所获得的脑功能磁共振序列图像(.img/.dcm格式)进行格式不变的脑轮廓提取。即功能磁共振图像处理过程中的“去头皮”操作，同时自动将外部电源控制器的激发序列数据导入常规磁共振图像处理软件(SPM、AFNI、FSL等)。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：包括两个活动连接的独立壳体，第一壳体内设置有BOLD仿真信号模块，第二壳体内设置有基本成像检测模块；
所述BOLD仿真信号模块包括定位准确性测试组件和BOLD信号仿真组件，所述定位准确性测试组件包括两个交叉放置的定位块，所述定位块上设置有由等腰直角三角块形成的楔形通道，所述BOLD信号仿真组件包括用于磁共振功能成像的仿真脑；
所述基本成像检测模块，包括相互独立的定位准确性测试组件、几何畸变测试组件、高对比度组件和层偏差测量组件，所述几何畸变测试组件为多层格栅结构，以仿真各方向的图像的几何畸变程度；所述高对比度组件包括基板以及在基板上设置的多排孔径不同的通孔；所述层偏差测量组件包括基层以及在基层上设置的成正交的两条缝隙。
2.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述第一壳体和第二壳体均为有机玻璃的圆筒形壳体，且两个壳体的直径相同，第一壳体的高度大于第二壳体的高度。
3.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述第一壳体和第二壳体外侧均设置有卡口，通过所述卡口，两个壳体连接在一起。
4.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：
所述几何畸变测试组件，包括多层格栅，每个格栅的方格孔维相同，且方格的边厚度相同，通过扫描每层，在所获图像上测量任意两个方格顶点间距离，与真实距离比较，获得轴向方向图像的几何畸变程度，通过测量不同层间方格顶点间距离，获得矢状和冠状方向的几何畸变。
5.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述高对比度组件的基板上设置有多排不同直径的通孔，且每排还有多个通孔，同一排的通孔直径相同，相同直径通孔的间隔等同于其直径，通过扫描，在所获得的图像上观察通孔图像，若相同直径的孔清晰可见且信号互不连接的，则满足此条件的最小孔径为极限可视宽度。
6.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述定位准确性测试组件的定位块上的楔形呈交叉布设，且两个定位块的长边交叉处设置有定位线，若扫描图像中所形成的黑色长条暗带长度相等则说明定位准确，否则定位存在偏差。
7.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述层偏差测量组件的基层上设置有呈45°的缝隙，两缝隙正交，且缝隙的宽度相同，通过扫描的图像上两条缝隙形成的信号，计算确认实际层厚，获得层厚设定偏差。
8.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述BOLD信号仿真组件外形的仿真脑为含0.5％-1％硫酸铜、0.3％-0.5％氯化钠、1％-1.25％琼脂糖、0.100％-0.125％Gd-DTPA的水凝胶，用于仿真磁共振下人脑灰质的T1和T2弛豫值。
9.如权利要求1所述的一种磁共振功能成像质量检测体模，其特征是：所述仿真脑的额叶部位、海马部位对应于第一壳体的横向短轴方向分别设置有一个空腔，仿真脑的扣带回部位对应于第一壳体的纵向长轴线方向分别设置有一个空腔，每个空腔内均设置有线圈；
或者，所述线圈沿第一壳体的纵向轴线方向延伸出第一壳体，通过连接线连接外部电源控制器；
或者，所述外部电源控制器为可编程控制器，控制电源与各个线圈的接通、持续或关断，同时控制接通/关断时间、持续时间、频率和次数。
10.基于如权利要求1-9中任一项所述的检测体模的检测方法，其特征是：包括：
常规扫描仿真脑组件时，三个线圈均处于关断状态，空腔内的水分子、凝胶中的水分子均处于正常的磁共振信号成像；
任务态扫描时，外部电源控制器配合扫描序列，按照设定脉冲频率，接通和关断，使相应的空腔内线圈产生脉冲电流，脉冲电流改变了空腔内水分子所处的局部磁场均匀性，导致T2*时间改变；
常规扫描和任务态扫描的信号差异交替持续出现，实现仿真人脑BOLD信号，对获得的脑功能磁共振序列图像进行脑轮廓提取。
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