CN107329100B - 一种多核素多频共振同步成像系统 - Google Patents

一种多核素多频共振同步成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多核素多频共振同步成像系统，用于检测肿瘤离子动态平衡、能量代谢、分子靶点变化、肿瘤微环境变化，该系统可同时发射与1H、23Na、31P、19F四个核素对应的射频脉冲信号，并同步接收所述四核素的核磁共振负载信号；该多核素多频共振同步成像系统包括：信号激发系统、多核素多频信号激发与采集系统、磁化系统和成像系统；所述多核素多频信号激发与采集系统包括1H、23Na、31P、19F四个核素通道模块，每个核素通道模块均包括信号激发功放子模块和信号采集子模块；所述磁化系统包括磁体和射频发射线圈；所述成像系统包括信号前置放大器、信号采集命令模块、图像重建模块、图像后处理及显示模块和图像数据库。

Description

一种多核素多频共振同步成像系统
技术领域
本发明涉及成像系统，尤其涉及一种多核素多频共振同步成像系统，用于检测肿瘤离子动态平衡、能量代谢、分子靶点变化、肿瘤微环境变化。
背景技术
恶性肿瘤严重危害人类健康，是医学领域的重大难题。据《2015年中国肿瘤登记年报》最新统计数据显示：近10年来，我国恶性肿瘤发病率呈逐年上升趋势，截至2011年，恶性肿瘤年发病人数已达337万。世界肿瘤学权威杂志《A Cancer Journal for Clinicians》(CA)预测，2015年这一数字将达到430万，且由于发病机制尚不明确，缺乏前期针对性的诊断，肿瘤的平均5年生存率仅为36.9％，而肺癌等高发恶性肿瘤，5年生存率不足17％。
磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)系统是一种重要的成像设备。鉴于我国恶性肿瘤诊疗的严峻形势，突破现有技术瓶颈，研发出先进的肿瘤成像系统，提升肿瘤诊疗水平，是当前我国社会发展的迫切需求。分子靶点、代谢、离子、肿瘤微环境变化等不同层面的多分子事件共同驱动肿瘤发生发展，对其精确解析，是肿瘤成像研究的重大前沿问题，也是实现精确医疗的重要途径。
现有的MRI成像设备都为单频单核素成像系统，其所包含的信息比较单一，而生物体为复杂多分子体系，这些多分子核素之间存在各种不同形式和程度的耦合，所以急需新的成像系统来同时测量多个核素的核磁共振信息，为生物研究、临床医疗提供更直接的肿瘤细胞内信息以及精确治疗指导。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，研制出一种多核素多频磁共振同步成像系统，用于检测肿瘤离子动态平衡、能量代谢、分子靶点变化、肿瘤微环境变化，以便获得比现有技术中单核素磁共振同步成像系统更加直接全面的数据，在肿瘤成像等对成像要求很高的检测领域中具有广泛的实用价值。
医学研究领域的每一次跨越式发展，均伴随重大仪器的产生。从1895年伦琴发现X射线开始，CT、MRI、SPECT、PET、光学等设备相继问世，使肿瘤的在体研究完成了从“重叠成像—断层成像—分子影像”的跨越。但是，针对精准医疗设备的重大需求，肿瘤在体检测又提出了新的要求，即如何利用外源性19F靶向探针、内源性31P、23Na、1H等关键核素对分子靶点、能量代谢、离子动态平衡、肿瘤微环境变化等不同层面的生物信息，本发明的目的是研发出一套可以同时获得这些信息的新的成像系统，综合解析肿瘤发生、发展过程中复杂的多分子事件及相关影响。
为达上述目的，本发明提出一种多核素多频共振同步成像系统，包括：
信号激发系统、多核素多频信号激发与采集系统、磁化系统和成像系统；
所述信号激发系统包括多核素激发器；所述多核素激发器，有四个独立可控的通道，均包括射频功放；其中，在同一时刻，每个通道产生1H、23Na、31P、19F四个核素中的一个核素的拉莫尔频率的射频脉冲信号，四个所述射频脉冲信号经过所述射频功放进行放大后得到高能量的射频脉冲信号；所述高能量的射频脉冲信号进一步发送至在所述多核素多频信号激发与采集系统中的每个核素通道模块的激发功放子模块；
所述多核素多频信号激发与采集系统包括1H、23Na、31P、19F四个核素通道模块，其中每个核素通道模块均包括信号激发功放子模块和信号采集子模块；每个信号激发功放子模块，接收来自于所述信号激发系统的高能量的射频脉冲信号，产生脉冲信号，并将其发送至所述磁化系统；每个信号采集子模块，同步接收负载中1H、23Na、31P、19F四种核素受激发而产生的核磁共振负载信号，经过数据采集和模数转换处理后，发送至在所述成像系统中的信号前置放大器；
所述磁化系统包括磁体和射频发射线圈；所述磁体，产生主磁场B0，负载中的每个核素围绕主磁场B0以拉莫尔频率进动；所述射频发射线圈，接收来自于信号激发功放子模块的脉冲信号，以对负载实施射频激励；所述磁化系统，将从所述多核素多频信号激发与采集系统的四个核素通道模块接收的脉冲信号转化为电脉冲，产生磁场，激发负载中的1H、23Na、31P、19F四个核素；
所述成像系统包括信号前置放大器、信号采集命令模块、图像重建模块、图像后处理及显示模块和图像数据库；
所述信号前置放大器，接收来自于信号采集子模块的信号，将信号放大，并抑制噪声干扰，并将放大后的信号发送至所述图像重建模块；
所述信号采集命令模块，将信号采集命令发送至信号前置放大器，以控制所述信号前置放大器的信噪比；并将控制信号发送至所述图像重建模块，以重建从所述信号前置放大器传来的具有高信噪比的信号；
所述图像重建模块，接收来自于所述信号前置放大器的信号，并进行图像重建；
所述图像后处理及显示模块，对图形重建模块处理后的数据进一步处理，以获得更深层次的成像效果；
所述图像数据库，存储经过所述图像重建模块和所述图像后处理及显示模块处理后的图像数据。
本发明的系统从原子分子尺度的物理角度看具有复杂多分子体系的生物体，呈现出这些多分子的核素之间存在各种不同形式和程度的耦合联系。在物质结构MRI分析领域，多核素多频共振技术是阐明各种耦合体关系，解析物质分子结构的重要工具。
与现有技术中常规的单核素单频共振技术相比，本发明的多核素多频共振同步成像系统可以使图谱得到简化，包含更多在体信息，为明确肿瘤发生发展规律提供革新性工具，为精准医学提供强大技术支持。基于多核素多频共振原理，本发明实现系统多核成像，获取不同层次肿瘤多元分子信息，为肿瘤研究提供全新的视角及成像技术应用。本发明的该成像系统具有同时发射多个不同频率射频脉冲信号，以及同步接收因激发负载中多种原子核而产生的核磁共振(MR)负载信号的优点。本发明可做到同步多核素成像。
附图说明
图1是本发明的多核素多频共振同步成像系统的一个实施例的示意图。
图2是本发明的多核素多频共振同步成像系统的另一个实施例的示意图。
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。
磁共振成像(MRI)是利用射频电磁波(脉冲序列)对置于静磁场中的含有自旋不为零的原子核的物质进行激发，发生核磁共振，用感应线圈检测技术获得物质的组织驰豫信息和核素密度信息(采集共振信号)，用梯度磁场进行空间定位、通过图像重建，形成磁共振图像的方法和技术。产生核磁共振信号必须满足三个基本条件：(1)能够产生共振跃迁的原子核；(2)恒定的静磁场(外磁场、主磁场B0)；(3)产生一定频率电磁波的交变磁场，射频磁场。这三个基本条件，即：“核”：共振跃迁的原子核；“磁”：主磁场B0和射频磁场；“共振”：当射频磁场的频率与原子核进动的频率一致时原子核吸收能量，发生能级间的共振跃迁。
核磁共振是研究物质内部原子状况的一种有效手段，原理是检测被测组织的原子磁场与外磁场共振现象来了解被测组织内部的状况。核磁共振是利用核磁共振现象获取分子结构、样品内部结构信息的技术。当具有自旋的原子核的磁矩处于静止外磁场(主磁场B0)中时会产生进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋的原子核会吸收特定频率的无线电射频电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。在停止射频脉冲后，原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被物体外的接收器收录，经电子计算机处理获得图像，这就是核磁共振成像过程。
多通道并行成像技术的出现，使得快速成像发展到了一个全新的阶段。如何把多通道并行成像技术这项全新的技术与现有的成像技术相结合也一直是磁共振研究热点问题之一。
本发明的多核素多频共振同步成像系统，把多核素多频共振技术拓展，可同步采集19F、31P、23Na、1H的信号的系统。该系统可以同时发射多个不同频率射频脉冲信号，以及同步接收因激发负载中多种原子核而产生的核磁共振(MR)负载信号的多核磁共振同步成像系统。该系统将高极化度的1H质子极化转移到低级极化度的杂核上(如13C、31P、23Na等低灵敏度核素)，从而使低灵敏度核素信号得到增强，提高图像信噪比以及工作效率。以天然丰度低的13C为例，利用NOE效应的最佳信号增强效果可达3倍，采样累加的工作效率可提高9倍，这表明该多核素多频共振技术巨大的应用潜力。
基于多核素多频共振原理，本发明的多核素多频共振同步成像系统提出，以19F、31P、23Na、1H作为成像目标，兼顾内源、外源核素，通过对19F、31P、23Na、1H信号采集，获取不同层面生物信息，在体解析肿瘤多分子时间及相关影像因素。
为此，本发明的多核素多频共振同步成像系统，在常规磁共振成像设备基础上，使各个发射或接收通道具有同时发射激发信号和同步接收多种核素NMR信号的能力，做到同时发射射频信号、同步接收多核共振信号、同步成像，从而为精准医学提供创新性的研究工具和多角度的在体肿瘤直接信息。
现有的NMR成像技术为单核素成像设备，其成像所包含的信息比较单一，而生物体为复杂多分子体系，这些多分子核素之间存在各种不同形式和程度的耦合，所以急需新的成像系统来同步测量多个核素的核磁共振信息，为生物研究、临床医疗提供更直接的肿瘤细胞内的信息以及作用原理。为此本发明基于多核素多频同步共振原理，发明出多核素同步一体化肿瘤分子成像技术。兼顾内源、外源核素，利用多频多通道电子与时序控制技术、多核射频激发及信号采集技术、在体多元信息分析技术等关键技术，开发出多核素多频同步共振一体化肿瘤分子成像系统，可同步对19F、31P、23Na、1H信号采集，获取不同层面生物信息，在体解析肿瘤多分子事件及相关影像因素，为探讨其与肿瘤发生发展的内在联系，全面系统的阐释肿瘤发生发展规律，提供创新性的研究工具。
如图1所示，一种多核素多频共振同步成像系统的一个实施例，包括：信号激发系统、多核素多频信号激发与采集系统、磁化系统和成像系统；
如图1所示，所述信号激发系统包括多核素激发器；所述多核素激发器，有四个独立可控的通道，均包括射频功放(图未示出)；其中，在同一时刻，每个通道产生1H、23Na、31P、19F四个核素中的一个核素的拉莫尔频率的射频脉冲信号(这是为了实现，在稍晚些的时刻，多核素多频共振同步成像系统，在负载中同时激发1H、23Na、31P、19F四个核素产生的不同核磁共振负载信号)，四个所述射频脉冲信号经过所述射频功放进行放大后得到高能量的射频脉冲信号；所述高能量的射频脉冲信号进一步发送至在所述多核素多频信号激发与采集系统中的每个核素通道模块的激发功放子模块。
所述信号激发系统，之所以在同一时刻，同时产生1H、23Na、31P、19F四个核素中的一个核素的拉莫尔频率的射频脉冲信号，这是为了实现在稍晚些的时刻多核素多频共振同步成像系统可以在负载中同时激发由1H、23Na、31P、19F四个核素产生的不同核磁共振负载信号。在一个实施例中，所述负载是人体被测组织。在另一个实施例中，所述负载是动物被测组织。在再一个实施例中，所述负载是植物被测组织。
根据一个实施例，在所述信号激发系统的多核素激发器的四个通道中，每个通道的射频放大增益均大于15dB。
所述信号激发系统的多核素激发器的每个通道，包括射频功放。拉莫尔(Larmor)频率，也称为进动频率。其计算公式为：ω＝γ·B，式中ω为原子在磁场中进行拉莫尔进动时的角频率，γ为磁旋比(γ对于某一种磁性原子核来说是个常数)，B为主磁场B0的强度。原子核的进动频率ω与主磁场B0的场强B成正比。该射频功放将信号发送至在所述磁化系统中的射频发射线圈。当射频发射线圈产生与拉莫尔频率ω相同的射频磁场时，负载中低能级的原子核产生共振，跃迁到高能级。
在一个实施例中，信号激发系统基于现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)构架。
如图2所示，信号激发系统包括主控制器(Embedded PC)、接收控制器(R-Controller)、发射控制器(Tx-Controller)和序列控制器(Sequencer)。
其中，发射控制器又可以根据不同的配置程序进一步包括时序控制器(T-Controller)、频率控制器(F-Controller)和梯度控制器(G-Controller)。其中，时序控制器、频率控制器，分别用于控制所发射脉冲序列的时序、频率。
在该实施例中，序列控制器包括Altera公司的Cyclone II型的单片FPGA。
在该实施例中，主控制器为Acrosser Technology公司的AES-HM76Z1i71型号的嵌入式计算机，采用高效率i7处理器，确保对信号的快速处理。
在该实施例中，梯度控制器产生的梯度信号，经由梯度功放放大后，被梯度线圈接收，控制磁体X、Y、Z三个方向上的梯度场强。
在该实施例中，脉冲序列信号通过以太网输入至嵌入计算机中，由嵌入计算机以PCI总线数据格式将脉冲序列参数送入各控制器的DSP中，对参数进行处理和编译后写入FIFO储存器，FPGA从FIFO中读取脉冲序列数据并译码，将相应的门控和脉冲信号以低压差分信号的格式发送至接收控制器中。接收控制器将低压差分信号进行储存，根据不同的配置程序分别把时序控制信号、频率控制信号和梯度控制信号分配给发射控制器中的时序控制器、频率控制器和梯度控制器，来控制磁体X、Y、Z三个方向上所需的梯度信号。完成梯度场控制后，在所述接收控制器接收到来自于所述发射控制器的反馈信号之后，所述主控制器对所述序列控制器发出指令，所述序列控制器产生相应序列脉冲发送至所述射频功放。在脉冲序列的整个执行过程中，FIFO储存器中的数据都由DSP来控制，确保整个脉冲执行过程中能够连续输出信号。
如图1所示，所述多核素多频信号激发与采集系统包括1H、23Na、31P、19F四个核素通道模块，其中每个核素通道模块均包括信号激发功放子模块和信号采集子模块；每个信号激发功放子模块，接收来自于所述信号激发系统的高能量的射频脉冲信号，产生电压、电流脉冲信号，并将其发送至所述磁化系统；每个信号采集子模块，同步接收负载中1H、23Na、31P、19F四种核素受激发而产生的核磁共振负载信号，经过数据采集和模数转换处理后，发送至在所述成像系统中的信号前置放大器；
因此，本发明做到了“同步接收”。在一个实施例中，负载中四种核素受激发而产生的四个共振负载信号的时间差，不超过60分钟；在一个实施例中，负载中四种核素受激发而产生的四个共振负载信号的时间差，不超过30分钟；在一个实施例中，负载中四种核素受激发而产生的四个共振负载信号的时间差，不超过15分钟；在一个实施例中，负载中四种核素受激发而产生的四个共振负载信号的时间差，不超过5分钟。
在一个实施例中，在1H、23Na、31P、19F四个核素通道中，每个信号激发功放子模块都采用CPC公司的频率范围为10-130MHz，功率为8000W的3T8000M型号射频功率放大器，以便满足四核素射频发射线圈的激发功率。
信号采集子模块的性能直接决定了核磁共振信号的质量。在一个实施例中，每个信号采集子模块均包括射频接收线圈、A/D转换器和高速信号采集卡。
四个射频接收线圈分别接收负载中四个核素的核磁共振负载信号，发送至所述高速信号采集卡。1H、23Na、31P、19F四个核素通道的每个信号采集子模块中的射频接收线圈——即1H的射频接收线圈、23Na的射频接收线圈、31P的射频接收线圈、19F的射频接收线圈，分别接收负载中四个核素在弛豫过程中切割该射频接收线圈所产生的电信号。
所述高速信号采集卡，接收来自于所述射频接收线圈的射频脉冲信号，进行数据采集，将采集到的信号发送给所述A/D转换器；所述A/D转换器，接收来自于所述高速信号采集卡的信号，进行模数转换，发送至在所述成像系统中的信号前置放大器。
数据采集卡采用采集逻辑公司的、型号为AL8xGT的高速采集卡，最高3GS/s数据采集速率，512KB标准内存，最大4GB内存，带有四路编码器。
图2是一种多核素多频共振同步成像系统的另一个实施例。
如图2所示，所述多核素多频信号激发与采集系统包括梯度功放，即梯度功率放大器；
如图2所示，所述梯度控制器，产生梯度信号，发送至所述多核素多频信号激发与采集系统；
如图2所示，所述多核素多频信号激发与采集系统的梯度功放，接收来自于所述信号激发系统的梯度控制器的梯度信号，经过数模转换和放大处理后，将放大信号发送至在所述磁化系统中的梯度线圈；
如图2所示，所述磁化系统中的梯度线圈接收来自于所述多核素多频信号激发与采集系统的梯度功放的放大信号，以控制所述磁化系统的磁体X、Y、Z三个方向上的梯度场强。
在一个实施例中，梯度功放采用PCI公司的梯度功率放大器，型号为COPLEYCONTROLS Model C2118-2，是一个脉宽调制的数字控制梯度放大器系统。该梯度功放包括三个800VDC、220Arms、600Apk放大器和电源隔离电源，可进行三通道输出，用于精密控制系统。输入电压为380-480V，输入频率为50/60Hz，输入电流为150A。可持续输出+/-1050V。经过数模转换和放大处理后，放大信号的电压为直流电压，放大信号的电流为360A，放大信号的容量为756KVA。
如图1-2所示，所述磁化系统包括磁体和射频发射线圈；所述磁体，产生主磁场B0，负载中的每个核素围绕主磁场B0以拉莫尔频率进动；所述射频发射线圈，接收来自于信号激发功放子模块的电压、电流脉冲信号，以便在核磁共振系统中对负载实施射频激励；所述梯度线圈，产生线性变化的梯度磁场，用于扩散加权成像；所述磁化系统，将从所述多核素多频信号激发与采集系统的四个核素通道模块接收的脉冲信号转化为电脉冲，产生磁场，激发负载中的1H、23Na、31P、19F四个核素。
如图1-2所示，梯度线圈接收来自于所述多核素多频信号激发与采集系统的梯度功放的放大信号，以控制所述磁化系统的磁体X、Y、Z三个方向上的梯度场强，产生所需的梯度磁场。
根据一个实施例，所述磁化系统的强度为3T。
在一个实施例中，磁体包括超导主线圈和超导匀场线圈组合自屏蔽线圈。超导主线圈，产生主磁场B0。超导匀场线圈组合自屏蔽线圈，保证主磁场B0均匀度。超导主线圈浸泡在4.2K液氦中以保持其超导性。
在一个实施例中，射频发射线圈包括：1H的射频发射线圈，23Na的射频发射线圈，31P的射频发射线圈，19F的射频发射线圈。四个射频发射线圈分别接收来自射频功放的放大的信号，激发出与1H、23Na、31P、19F四个核素的拉莫尔频率(128MHz、33MHz、51.7MHz、120MHz)相同频率的磁脉冲信号。
如图1-2所示，所述成像系统包括信号前置放大器、信号采集命令模块、图像重建模块、图像后处理及显示模块和图像数据库；
所述信号前置放大器，接收来自于信号采集子模块的信号，由于非氢质子信号强度低，需要信号接收系统具有较高的信噪比，将弱信号放大，并抑制噪声干扰，并将放大后的信号发送至所述图像重建模块；
所述信号采集命令模块，将信号采集命令发送至信号前置放大器，以控制所述信号前置放大器的信噪比；并将控制信号发送至所述图像重建模块，以重建从所述信号前置放大器传来的具有高信噪比的信号；
所述图像重建模块，接收来自于所述信号前置放大器的信号，并进行图像重建；
所述图像后处理及显示模块，对图形重建模块处理后的数据进一步处理，以获得更深层次的成像效果；
所述图像数据库，存储经过所述图像重建模块和所述图像后处理及显示模块处理后的图像数据。
在一个实施例中，所述成像系统包括采样计算机和后台计算机。信号采集命令模块、图像重建模块、以及图像数据库，是采样计算机中的软件模块；图像后处理及显示模块，则是后台计算机中的软件模块。
在本发明的多核素多频共振同步成像系统中，信号激发系统的多核素激发器的四个独立可控的通道，高均匀度、高效率、可调谐、通道间低耦合；其中，在同一时刻，每个通道产生1H、23Na、31P、19F四个核素中的一个核素的拉莫尔频率的射频脉冲信号，四个所述射频脉冲信号经过射频功放进行放大后得到高能量的射频脉冲信号。
在本发明的多核素多频共振同步成像系统中，磁化系统的射频发射线圈产生与拉莫尔频率相同的射频磁场，作用于负载得到核磁共振信号，并将该信号发送至所述多核素多频信号激发与采集系统，同步成像。
本发明克服现有技术中的不足，研制出一种多核素多频磁共振同步成像系统，利用外源性19F靶向探针、内源性31P、23Na、1H等关键核素，检测肿瘤离子动态平衡、能量代谢、分子靶点变化、肿瘤微环境变化等不同层面的生物信息，以便获得比现有技术中单核素磁共振同步成像系统更加直接全面的数据，在肿瘤成像等对成像要求很高的检测领域中具有广泛的实用价值。
所谓同步成像是指四个不同频率的核素通道都独立具有成像能力。在一个实施例中，本发明的多核素多频共振同步成像系统可以由主计算机同时向信号激发系统发出指令，让信号激发系统同时通过相应的射频功放给四个不同的射频发射线圈分别施加频率分别为33MHz、51.7MHz、120MHz和128MHz的射频激励，然后射频接收线圈接收来自不同核素的磁共振信号，最后由成像系统同步完成各个通道的成像。该同步成像实施例的有益技术效果是，避免了不同核素各自单独成像、非同步成像时因肿瘤生理状态发生改变而造成的成像不准确的缺点，不但可以在同一生理状态下对肿瘤进行成像，而且，成像时间也大大缩短。
本发明的多核素多频共振同步成像系统，能通过同步成像，利用内源性1H关键核素，来检测“肿瘤微环境”变化——1H氢质子磁共振是从微观水平分析脑肿瘤代谢信息的无创性方法，在鉴别肿瘤时有重要价值。这是因为，1H是在人体中摩尔浓度最高的原子核。1H的磁化率在人体磁性原子核中也是最高的。因此，激发1H，可以产生强大的磁共振信号。在细胞微环境下，H+浓度的增高，导致细胞外基质的降解，促进了肿瘤新生。有研究表明，酸性环境可能会引起细胞运动迁移能力的改变和相关基因表达的变化，并促进肿瘤细胞的转移。在又一个实施例中，所述磁化系统中1H的激发频率为128MHz。
本发明的多核素多频共振同步成像系统，能通过同步成像，利用内源性23Na关键核素，来检测肿瘤“离子动态”——23Na钠离子MRI可以检测生物组织中钠离子浓度及其分布情况。细胞外的23Na钠离子浓度是固定的，正常组织细胞中细胞内液与外液之间的23Na钠离子存在明显的浓度梯度，肿瘤细胞内的钠离子浓度要高于正常细胞，组织中的23Na钠对病理变化相对敏感，任何一种能量代谢障碍或细胞膜完整性破坏均会导致细胞内液钠离子浓度增加。23Na钠离子MRI可以为判断组织的生存能力、细胞的完整性及其功能提供直接、定量的生物化学信息。在另一个实施例中，所述磁化系统中23Na的激发频率为33MHz。
本发明的多核素多频共振同步成像系统，能通过同步成像，利用内源性31P关键核素，来检测“能量代谢”——31P磁共振能动态地一次同时监测活细胞内多种含磷代谢物及pH变化，较好地应用于肿瘤细胞的能量代谢和磷脂代谢。高能磷酸化合物在生物机体的能量转换过程中起着很重要的作用，在机体内有很多高能磷酸化合物，其磷酸键中贮存有大量的能量。肿瘤细胞与人体正常细胞在能量代谢过程中存在差异，所以31P核磁共振信号就能反映出这些信息是来自肿瘤细胞还是来自正常细胞。在再一个实施例中，所述磁化系统中31P的激发频率为51.7MHz。
本发明的多核素多频共振同步成像系统，能通过同步成像，利用外源性19F靶向探针，来检测“分子靶点”变化——氟代指示剂19F核磁共振，在活体状态下对分子靶点进行成像，使肿瘤超早期被发现。为了实现机体内肿瘤目标靶点的特异性显影，要求分子探针在体内具有放大效应、较强的穿透能力、较长的半衰期以及较快的排出能力。而靶分子具有高分泌或者高表达、高亲和力等特点，并且能很好地代表靶点生物特性。通过使用高亲和性、高特异性和高灵敏度的分子探针，在活体上、在细胞和分子水平对生物学过程进行定性和定量研究。分子探针是指能准确回答生物医学问题的功能性物质。故必需具备高活性与高选择性等特征。正常体内含19F氟成分很少，测定时没有本底信号干扰，因此在体研究中引进氟代指示剂19F进行核磁共振研究是一种很好的方法。在又一个实施例中，所述磁化系统中19F的激发频率为120MHz。
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 (10)

1.一种多核素多频共振同步成像系统，其特征在于，包括：
信号激发系统、多核素多频信号激发与采集系统、磁化系统和成像系统；
所述信号激发系统包括多核素激发器；所述多核素激发器，有四个独立可控的通道，均包括射频功放；其中，在同一时刻，每个通道产生1H、23Na、31P、19F四个核素中的一个核素的拉莫尔频率的射频脉冲信号，四个所述射频脉冲信号经过所述射频功放进行放大后得到高能量的射频脉冲信号；所述高能量的射频脉冲信号进一步发送至在所述多核素多频信号激发与采集系统中的每个核素通道模块的激发功放子模块；
所述多核素多频信号激发与采集系统包括1H、23Na、31P、19F四个核素通道模块，其中每个核素通道模块均包括信号激发功放子模块和信号采集子模块；每个信号激发功放子模块，接收来自于所述信号激发系统的高能量的射频脉冲信号，产生脉冲信号，并将其发送至所述磁化系统；每个信号采集子模块，同步接收负载中1H、23Na、31P、19F四种核素受激发而产生的核磁共振负载信号，经过数据采集和模数转换处理后，发送至在所述成像系统中的信号前置放大器；
所述磁化系统包括磁体和射频发射线圈；所述磁体，产生主磁场B0，负载中的每个核素围绕主磁场B0以拉莫尔频率进动；所述射频发射线圈，接收来自于信号激发功放子模块的脉冲信号，以对负载实施射频激励；所述磁化系统，将从所述多核素多频信号激发与采集系统的四个核素通道模块接收的脉冲信号转化为电脉冲，产生磁场，激发负载中的1H、23Na、31P、19F四个核素；
所述成像系统包括信号前置放大器、信号采集命令模块、图像重建模块、图像后处理及显示模块和图像数据库；
所述信号前置放大器，接收来自于信号采集子模块的信号，将信号放大，并抑制噪声干扰，并将放大后的信号发送至所述图像重建模块；
所述信号采集命令模块，将信号采集命令发送至信号前置放大器，以控制所述信号前置放大器的信噪比；并将控制信号发送至所述图像重建模块，以重建从所述信号前置放大器传来的具有高信噪比的信号；
所述图像重建模块，接收来自于所述信号前置放大器的信号，并进行图像重建；
所述图像后处理及显示模块，对图形重建模块处理后的数据进一步处理，以获得更深层次的成像效果；
所述图像数据库，存储经过所述图像重建模块和所述图像后处理及显示模块处理后的图像数据。
2.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述信号激发系统，还包括主控制器、发射控制器、接收控制器和序列控制器；
所述发射控制器，包括时序控制器、频率控制器和梯度控制器；所述梯度控制器，产生梯度信号，发送至所述多核素多频信号激发与采集系统。
3.根据权利要求2所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述多核素多频信号激发与采集系统还包括梯度功放；所述梯度功放，接收来自于所述信号激发系统的梯度控制器的梯度信号，经过数模转换和放大处理后，将放大信号发送至在所述磁化系统；
所述磁化系统还包括梯度线圈，所述梯度线圈接收来自于所述多核素多频信号激发与采集系统的梯度功放的放大信号，以控制所述磁化系统的磁体在X、Y、Z三个方向上的梯度场强。
4.根据权利要求3所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述梯度功放，是PCI公司的梯度功率放大器COPLEY CONTROLS Model C2118-2。
5.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述信号激发系统的多核素激发器的每个通道的射频放大增益均大于15dB。
6.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述磁化系统的强度为3T。
7.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
所述磁化系统中，1H的激发频率为128MHz，23Na的激发频率为33MHz，31P的激发频率为51.7MHz，19F的激发频率为120MHz。
8.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
每个信号激发功放子模块均包括CPC公司的3T8000M型号射频功率放大器。
9.根据权利要求1所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
每个信号采集子模块均包括射频接收线圈、A/D转换器和高速信号采集卡；
四个射频接收线圈分别接收负载中四个核素的核磁共振负载信号，发送至所述高速信号采集卡；
所述高速信号采集卡，接收来自于所述射频接收线圈的信号，进行数据采集，将采集到的信号发送给所述A/D转换器；
所述A/D转换器，接收来自于所述高速信号采集卡的信号，进行模数转换，发送至在所述成像系统中的信号前置放大器。
10.根据权利要求9所述的多核素多频共振同步成像系统，其特征在于：
高速信号采集卡是AL8xGT。
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