CN1070043C - 一种消除心电通道中射频干扰信号的方法及电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种在磁共振成象(MRI)系统的心电图(ECG)通道中彻底抑制射频脉冲干扰的方法和电路，其中核心部件是一个电子模拟开关集成电路，利用MRI系统在扫描时提供的与射频脉冲同时出现的Blank信号来控制模拟开关的通断，使得当射频脉冲出现时，模拟开关断开，射频脉冲干扰无法通过，从而完全消除射频脉冲干扰对心电门控同步脉冲产生电路的影响，本发明具有逻辑关系清晰，结构简单，效果很好且基本不需调试的特点。
Description
本发明公开了一种磁共振成像系统中消除心电通道射频干扰信号的电路及方法。
在磁共振成像(MRI)系统的扫描对象中，对胸腔内器官的诊断占有相当的比例，由于人体心脏的搏动，如果不采取特殊措施而直接扫描成像的话，所获得的胸腔器官图像质量很差，难以满足临床诊断需求。因而在对胸腔器官进行扫描时，利用心脏ECG(心电图)信号的每一个周期内固定相位时刻来触发MRI扫描序列已成了MRI应用领域中首选和必备的技术手段，这就是所谓的“ECG门控”技术。采用这种“ECG门控”技术后，心脏搏动造成的运动伪影被最大限度地抑制，使得在对诸如心脏等胸腔器官扫描时也能得到有临床价值的MRI图像。
在一般情形下获取病人的ECG(心电图)信号已是一种成熟且司空见惯的技术，而在MRI系统中要想获得被扫描病人的理想心电图信号波形就要麻烦得多，原因在于在利用ECG门控技术对被扫描病人的胸腔器官进行扫描时，病人躺在磁体内且ECG胸导电极正好位于磁体中心这个MRI系统辐射射频功率最强的位置。这样，MRI系统扫描时所辐射出的射频脉冲(称作激励脉冲)的能量无可避免地通过胸导ECG(心电图)电极耦合到ECG通道中，且这种耦合甚至强到射频脉冲包络的幅度超过正常ECG信号波峰的幅度。尽管相对于MRI系统的射频而言ECG通道是一个低通滤波器，射频脉冲的射频能量基本被抑制掉了，但它的包络却落在ECG通道的通带之内，因而可以较为顺利地通过ECG通道，从而使得“ECG门控”技术中基于识别QRS波形(在这种方法中QRS波形和射频脉冲不可能同时出现)来决定在一个心电图周期内MRI系统扫描序列起始时刻的唯一性遭到了破坏。
从信号频谱的角度来看，MRI系统射频脉冲包络与ECG信号差别不大，基本上都落在同一个频带范围(0.5～100Hz)内，如果单纯采用滤波(无论是有源还是无源)的方法来滤除射频脉冲干扰似不大可能。
在MRI系统中采用“ECG门控”技术时滤除ECG通道中的射频脉冲干扰是众多MRI系统开发生产商单位共同面临的问题。美国专利USP-4887609发表了一种滤除ECG通道中射频干扰的方法和电路，它利用一个具有两种滤波通带(3DB)特性的有源滤波器，当ECG信号出现期间使得这个有源滤波器的通带为0～50Hz，使其得以顺利通过；而当ECG信号不出现时，使得有源滤波器的通带为0～5Hz，这样，只有接近直流的低频信号分量可以通过，从而达到在ECG通道中滤除干扰而获得干净完整的ECG信号波形的目的，但此方法依赖于对ECG信号中QRS波形起始时刻的识别，如果这种识别有误差就会降低对干扰噪声的滤除效果。
本发明的目的在于提供一种利用磁共振成象系统中Blank(消隐)信号来消除ECG(心电图)通道中射频脉冲干扰的方法和电路。
本发明的技术解决方案是通过以下方式实现的：在MRI系统中有一路称作Blank信号的正脉冲信号，这个Blank信号的正脉冲出现时刻是与发射的射频脉冲同步的，为本发明提供了一种有效抑制射频脉冲干扰的途径。
在ECG通道射频脉冲干扰消除电路中，它是由信号输入电路Ⅰ、波形处理电路Ⅱ、电子模拟开关集成电路Ⅲ及信号保持电路Ⅳ构成，核心部件是一个电子模拟开关集成电路，与磁共振成像系统中的射频脉冲叠加在一起的ECG信号输入到信号输入电路的输入端，而由磁共振成像系统提供的Blank信号输入到波形处理电路的输入端，电子模拟开关的输入端与信号输入电路的输出端连接，其控制端与波形处理电路的输出端连接，其输出端与波形保持电路的输入端连接。
本发明所述的方法就是利用磁共振成像系统在扫描时提供的与射频脉冲同步出现的Blank信号来控制电子模拟开关的通断，当射频脉冲出现在模拟开关的输入端时，经过波形处理后的Blank信号使得模拟开关断开，阻止射频脉冲的通过，此时电路输出端由于波形保持电路的作用而保持着Blank脉冲出现前一瞬间的电平；而当没有射频脉冲出现时，Blank脉冲也不出现，模拟开关保持开启，电路输出端的电平与电路输入端的电平一致。这样，射频脉冲得到了有效地抑制，在电路的输出端可以得到没有射频脉冲干扰的ECG信号波形。
本发明所述的方法和电路具有逻辑关系清晰，结构简单，效果很好且基本不需调试的特点。在实际工作时具有良好的效果，即使在MRI系统的射频脉冲干扰幅度超过ECG信号最大幅度的情形下，也能将这种射频脉冲干扰滤除掉，而对ECG信号本身几乎没有什么影响，从而使MRI系统中基于ECG信号的QRS波形识别的“ECG门控”技术得以很好地实现。
图1所示为本发明的原理框图。
图2所示为本发明的ABCDEF各点的波形图。
图3为本发明的电路图。
下面结合附图和实施例对本发明作详细的描述。
在图1中，一种用于消除ECG(心电图)通道中射频干扰的电路装置，它是由信号输入电路Ⅰ、波形处理电路Ⅱ、电子模拟开关集成电路Ⅲ及信号保持电路Ⅳ构成，其核心部件是模拟开关Ⅲ，与磁共振成像系统中的射频脉冲叠加在一起的ECG信号输入到信号输入电路Ⅰ的输入端，而由磁共振成像提供的Blank信号输入到波形处理电路Ⅱ的输入端，电子模拟开关Ⅲ的输入端与信号输入电路Ⅰ的输出端连接，其控制端与波形处理电路Ⅱ的输出端连接，其输出端与波形保持电路Ⅳ的输入端连接。
利用磁共振成像系统中Blank信号与射频脉冲基本同时出现的固定相位关系，当射频脉冲出现在模拟开关的输入端时，经过波形处理后的Blank信号使得模拟开关断开，阻止射频脉冲的通过，此时电路输出端由于波形保持电路的作用而保持着Blank信号出现前一瞬间的电平；而当没有射频脉冲出现时，Blank信号也不出现，模拟开关保持开启，电路输出端的电平与电路输入端的电平一致。这样，射频脉冲得到了有效地抑制，在电路的输出端可以得到没有射频脉冲干扰的ECG信号波形。
图2中，MRI系统ECG通道中与射频脉冲干扰叠加在一起的被干扰的ECG信号(如图2-A所示)传送到模拟开关的输入端A，由MRI系统提供的Blank脉冲信号(如图2-B所示)传送到波形处理电路的输入端B，经过波形处理电路中的后沿展宽、极性和逻辑电平转换等处理后在模拟开关的控制输入端E得到模拟开关的开关控制信号(如图2-E所示)，之所以要将Blank信号的后沿展宽是为了补偿由于MRI系统中功率开关的延时效应引起的射频脉冲后沿相对于Blank脉冲后沿的时间滞后，进行极性和逻辑电平转换的目的是为了将具有TTL逻辑电平的脉冲信号转换为满足模拟开关控制端要求的极性和逻辑电平(TTL的逻辑“0”和“1”分别对应于电平“0.5V”和“3.5V”；模拟开关控制端的逻辑“0”和“1”分别对应于“0.5V”和“11.5V”)。模拟开关的工作特性是在控制端输入为“1”电平时导通，而在为“0”电平时断开，这样在整个电路的输出端F即可得到完全滤除了射频脉冲干扰的正常ECG信号(如图2-F所示)。在模拟开关的输出端并接一个波形保持电路是为了使得当模拟开关断开时，在输出端F保持模拟开关断开前一瞬间的电平以消除可能由模拟开关断开而引起的正常ECG信号的波形畸变。
在图3中，由电阻R3,R4和R5，稳压二极管D1，二极管D2和D3构成信号输入电路Ⅰ，其中电阻R3的一端为本信号输入电路的输入端，另一端与电阻R4，二极管D2的阳极及二极管D3的阴极连接，D2的阴极与电源VC2连接，D3的阳极与电阻R5的一端及稳压二极管D1的阳极连接，D1的阴极与电源VC1连接，电阻R5的另一端与地连接。稳压二极管D1的两端电压为3.6V，其阳极电压被箝位在1.4V左右，D2连接到+12V电源VC2,D3连接到D1的阳极，D2和D3的限幅作用使得输入的和射频脉冲干扰叠加在一起的ECG信号的变化范围限定在0.8V～11.2V之间，以保证模拟开关的正常工作；
由U1,U2,U3,R1,C1和R2构成Blank信号的波形处理电路Ⅱ,U1(74LS122)是一个单稳态触发器，它工作于下降沿触发工作状态，U1的负脉冲触发输入端1与U2(74LS32)的一个输入端22连接在一起构成Blank波形处理电路的输入端，电容C1跨接在U1的外接电容端11和外接阻容端13之间，电阻R1的一端与U1的外接阻容端13连接，另一端与电源VC1连接，U1的正脉冲输出端8与U2的另一输入端12连接，U2的输出端32与U3(74LS26)的输入端13和23同时连接，U3的输出端33与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端与电源VC2连接。
Blank信号脉冲输入至U1的下降沿触发端1，在U1的正脉冲输出端8得到一个由Blank信号脉冲下降沿触发的正脉冲，其脉冲宽度为0.7R1C1，这个正脉冲连接至或门U2的一个输入端12,Blank信号本身连接至或门U2的另一个输入端22，这样在U2的输出端32得到比原Blank信号脉冲后沿延迟的脉冲信号，之所以需要这个后沿延迟是因为射频脉冲的后沿相对于Blank信号的后沿有一定时间(毫秒级)的滞后，U2的输出端32连接到U3的输入端13和23,U3是一个集电极开路高压输出与非门，它的输出端33连接模拟开关U4的控制端6，电阻R2是其上拉电阻，U3的作用是将其输入端的TTL电平脉冲信号转换为其输出端的满足U4的控制端逻辑电平要求的脉冲信号(“1”和“0”逻辑电平分别对应于+11.5V和+0.5V)。
模拟开关集成电路Ⅲ是本发明的核心器件，在本发明中模拟开关U4(MC14066)的工作电源为+5V～+15V，现选定为+12V，其控制端的“1”和“0”逻辑电平分别对应于+11.5V和+0.5V，电子模拟开关的输入端9与电阻R4相连，在U4的输入端9是电压变化范围为+0.8V-+11.2V的叠加有射频脉冲干扰的ECG信号，由于模拟开关本身的工作特性，当射频脉冲出现时，U4的控制端6与电阻R2及U3的输出端相连，U4的控制端6为“0”电平，模拟开关断开，且由于波形处理电路U1对Blank信号脉冲后沿的滞后使得U4肯定在射频脉冲干扰出现期间一直完全断开，当射频脉冲过后，U4的控制端6为“1”电平，模拟开关导通，ECG信号顺利通过模拟开关U4，在U4的输出端8并接了一个电容C2，这样在U4的输出端就得到完全滤除掉射频脉冲干扰的ECG信号。本发明采用了一个并接在模拟开关输出端的电容C2作为信号保持电路Ⅳ，目的是为了使得当模拟开关断开时，在输出端F保持模拟开关断开前一瞬间的电平，以消除可能由模拟开关断开引起的正常ECG信号的波形畸变。
本发明所述的方法和具体电路在实施时既可以作为一部份融合进MRI系统的ECG(心电图)通道中去，也可以作为一个单独的部件串接在MRI系统的ECG信号获取电路单元和ECG门控同步脉冲产生电路单元之间。
Claims (4)
1、一种消除心电通道中射频干扰信号的电路装置，包括信号输入电路(Ⅰ)、波形处理电路(Ⅱ)及信号保持电路(Ⅳ)，其特征在于：还有一个电子模拟开关集成电路(Ⅲ)，与磁共振成像系统中的射频脉冲叠加在一起的心电信号输入到信号输入电路(Ⅰ)的输入端，而由磁共振成像系统提供的消隐信号输入到波形处理电路(Ⅱ)的输入端，电子模拟开关(Ⅲ)的输入端与信号输入电路(Ⅰ)的输出端连接，电子模拟开关(Ⅲ)的控制端与波形处理电路(Ⅱ)的输出端连接，其输出端与波形保持电路(Ⅳ)的输入端连接。
2、根据权利要求1所述的一种消除心电通道中射频干扰信号的电路，其特征在于：由第三电阻(R3)，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，稳压二极管(D1)，第二二极管(D2)和第三二极管(D3)构成信号输入电路(Ⅰ)，其中第三电阻(R3)的一端为本信号输入电路的输入端，另一端与第四电阻(R4)，第二二极管(D2)的阳极及第三二极管(D3)的阴极连接，第二二极管(D2)的阴极与第二电源(VC2)连接，第三二极管(D3)的阳极与第五电阻(R5)的一端及稳压二极管(D1)的阳极连接，稳压二极管(D1)的阴极与第一电源(VC1)连接，第五电阻(R5)的另一端与地连接。
3、根据权利要求1所述的一种消除心电通道中射频干扰信号的电路，其特征在于：由第一集成电路(U1)，第二集成电路(U2)，第三集成电路(U3)，第一电阻(R1)，第一电容(C1)和第二电阻(R2)构成的消隐信号的波形处理电路(Ⅱ)，第一集成电路(U1)是一个单稳态触发器，它工作于下降沿触发工作状态，它的负脉冲触发输入端(1)与第二集成电路(U2)的一个输入端(22)连接在一起构成本波形处理电路的输入端，第一电容(C1)跨接在第一集成电路(U1)的外接电容端(11)和外接阻容端(13)之间，第一电阻(R1)的一端与第一集成电路(U1)的外接阻容端(13)连接，另一端与第一电源(VC1)连接，第一集成电路(U1)的正脉冲输出端(8)与第二集成电路(U2)的另一输入端(12)连接，第二集成电路(U2)的输出端(32)与第三集成电路(U3)的第一输入端(13)和第二输入端(23)同时连接，第三集成电路(U3)的输出端(33)与第二电阻(R2)的一端连接，第二电阻(R2)的另一端与第二电源(VC2)连接。
4、一种消除心电通道射频干扰信号的方法，其特征在于：利用磁共振成像系统在扫描时提供的与射频脉冲同步出现的消隐信号来控制电子模拟开关的通断，当射频脉冲出现在模拟开关的输入端时，经过波形处理后的消隐信号使得模拟开关断开，阻止射频脉冲通过，此时电路输出端由于波形保持电路的作用而保持着消隐信号出现前一瞬间的电平；而当没有射频脉冲出现时，消隐信号也不出现，模拟开关保持开启，电路输出端的电平与电路输入端的电平一致。这样，射频脉冲得到了有效地抑制，在电路的输出端可以得到没有射频脉冲干扰的ECG信号波形。
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