CN110916662B - 一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于：本发明采用便携式核磁共振系统、机械振动激励装置和控制台建构系统架构，所述便携式核磁共振系统主要包括NMR频谱仪、功率放大器、前置放大器、收发切换模块、便携式磁体模块和探头；所述便携式核磁共振系统作用于人体时对器官、组织无损伤、无创口，实现安全准确、定量、非侵入性器官弹性检测。系统精简、科学合理、设备简便优化、重量轻、体积小、携带方便；一键操作、无操作者依赖性、可重复性高；广泛适用床旁检测和快速筛查；无需成像，测量时间短，运动敏感梯度具有一定的运动频率选择性，测量过程不易受运动影响，准确性高。克服了现有技术的不足。
Description
技术领域
本发明涉及一种核磁共振医学检测技术领域，尤其涉及一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统。
背景技术
弹性是生物组织的一个重要的机械力学参数，它表征了组织在机械外力作用下的形变难易程度。组织弹性的变化与其生理病理状态密切相关，据此可以区分正常与病理组织。目前，基于组织弹性已经在肿瘤诊断以及肝脏纤维化的分级和康复评估中得到了积极的应用。在传统医学上，医生通过触诊来定性地判断组织弹性大小，进而诊断病变，诊断结果误差大，受操作者主观影响大。近年来，基于超声/核磁共振的非侵入式弹性定量技术方兴未艾。基于超声的弹性定量方法利用超声波测量剪切波在组织内传播的速度，进而组织的弹性模量估算值，但测量过程易受运动影响，对操作者依赖性强。而基于常规核磁共振的弹性定量技术则是利用一个相位对比度成像脉冲序列，采集得到在剪切力的作用下生物组织内的应变分布图，再经过一定的弹性成像算法进行图像处理，得到组织弹性定量分布图。由于需要成像，这种方法耗时较长，也易受运动影响，且检测成本高，在常规临床检测中普遍适用性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，合理地解决了现有技术的超声波弹性检测对操作者依赖性大、对运动敏感的区分率低和采用磁共振的弹性成像检测的扫描时间太长、且价格高昂、设备资源紧张、不能适用床旁检测和快速筛查的问题。
本发明的技术原理：
剪切波在组织传播过程中，其波速与剪切弹性模量近似满足如下关系：
G＝ρv2 (1)
其中，G是剪切弹性模量，ρ是组织密度，v是波速。
在实际中，通常认为软组织密度接近水密度，因此ρ可取水的密度值。同时，所述剪切波在组织中传播的速度与其波长满足关系：
v＝λf (2)
其中，λ是波长，f是频率。由式(1)～(2)可知，只要求得剪切波在组织传播过程中的波长或波速，即可确定组织的剪切弹性模量。
本发明基于便携式核磁共振原理，其脉冲序列如图4所示，通过外部的简谐振动激励装置，在组织内产生一个剪切波，然后以便携式磁体产生的静态梯度作为运动敏感梯度将组织的振动信息编码到一维图像的相位中，其相位可以表示为：
其中，γ是磁旋比，N是振动周期数，T是简谐振动周期，
为运动敏感梯度，
为振幅，
是波矢量，
是质点位置矢量，α是简谐振动的初始相位。从式(3)可以看出，一维图像的相位与组织振动造成的位移成简单的线性关系。因此，通过一维图像的相位曲线即可估算剪切波在组织中的波长，再由式(2)计算出剪切波传播速度，最终通过式(1)，即可获得组织的剪切弹性模量。
本发明采用如下技术方案：
一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于：
所述便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统由便携式核磁共振系统、机械振动激励装置和控制台组成，所述便携式核磁共振系统主要包括NMR频谱仪、功率放大器、前置放大器、收发切换模块、便携式磁体模块和探头，所述NMR频谱仪设有发射(Tx)和门控(GATE)单向信号通路与一台功率放大器连接，设有收发转换门控(T/R GATE)与收发切换模块连接，所述功率放大器将发射信号放大后与收发切换模块连接，所述收发切换模块与所述探头连接，所述收发切换模块用于切换所述便携式核磁共振系统处于发射状态或接收状态，发射状态下，所述探头发射射频脉冲；接收状态下，所述探头用于接收器官弹性检测靶位受激发后产生的核磁共振回波信号，所述NMR频谱仪不设梯度控制模块，因此也无需设置相应的梯度线圈，所述便携式磁体模块设有单边磁体，所述单边磁体设置为与目标检样器官相邻的身体表面贴合的人体工程学弧曲面，背面连接设有磁轭，背面磁场强度迅速衰减，所述单边磁体产生一个静态磁场，所述静态磁场在ROI范围内存在AP-LR平面内的线性或近似线性梯度，所述AP-LR平面为医学影像中所定义人体前后方向与左右方向形成的切面，其中A为Anterior的缩写，P为Posterior的缩写，L为Left的缩写，R为Right的缩写，在ROI范围之外，磁场均匀性迅速衰减；所述机械振动激励装置设有主动驱动器和被动驱动器，所述主动驱动器与所述NMR频谱仪连接，接收NMR频谱仪发出的驱动控制信号并产生简谐振动，所述被动驱动器与主动驱动器通过气动方式连接并贴合安放在目标检样器官相邻的身体表面；所述主动驱动器产生的简谐振动经由气动管传递到紧贴在组织表面的被动驱动器上，所述被动驱动器产生振动后在组织内部产生剪切波，所述剪切波在AP方向上传播，引起组织内质点在LR方向上做简谐振动，所述控制台与所述NMR频谱仪连接，控制运行磁共振脉冲序列指令，并接收NMR频谱仪采集到的核磁共振回波信号，完成实时数据处理，构成所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统。
进一步地，为分析组织内剪切波的波长或波速，对采集到的回波数据做傅里叶变换，得到空间域内的一维组织轮廓，所述一维组织轮廓的相位即是在剪切波传播方向上组织的空间相位曲线，其分布满足式
所表达的正弦曲线，式中，φ为剪切波传播方向上组织的空间相位，γ是磁旋比，N是振动周期数，T是简谐振动周期，
为运动敏感梯度，
为振幅，
是波矢量，
是质点位置矢量，α是简谐振动的初始相位，由此即可确定剪切波在组织内传播的波长或波速，再由波速与剪切弹性模量的关系式G＝ρν2，式中，G是剪切弹性模量，v是波速，ρ是组织密度，对于软组织，ρ通常取为水的密度值，即运算出组织的弹性模量值。
进一步地，所述便携式磁体模块由稀土永久磁性材料构成，体积小、重量轻，支持手持或支架挂载，便于调整到适合受检者的仰卧、俯卧、坐姿或站姿体位。
进一步地，所述AP方向为剪切波传播方向，LR方向为组织内质点做简谐振动的位移方向，所述AP方向和LR方向相互垂直。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开了一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，合理地解决了现有技术的超声波弹性检测对操作者依赖性大、对运动敏感的区分率低和采用磁共振的弹性成像检测的扫描时间太长、且价格高昂、设备资源紧张、不能适用床旁检测和快速筛查的问题。
本发明采用便携式核磁共振系统、机械振动激励装置和控制台建构系统架构，所述便携式核磁共振系统主要包括NMR频谱仪、功率放大器、前置放大器、收发切换模块、便携式磁体模块和探头；所述便携式核磁共振系统作用于人体时对器官、组织无损伤、无创口，实现安全准确、定量、非侵入性器官弹性检测。系统精简、科学合理、设备简便优化、重量轻、体积小、携带方便；一键操作、无操作者依赖性、可重复性高；广泛适用床旁检测和快速筛查；无需成像，测量时间短，运动敏感梯度具有一定的运动频率选择性，测量过程不易受运动影响，准确性高。克服了现有技术的不足。
附图说明
图1是本发明所采用的系统架构示意图。
图2是本发明便携式磁体结构示意图。
图3是本发明便携式磁体磁场示意图。
图4是本发明弹性测量的脉冲序列示意图。
图中所示：1-单边磁体、2-人体工程学弧曲面、3-磁轭、4-手柄、5-感兴趣区域(ROI)。
具体实施方式
通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。
实施例
如图1-4所示一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于：
所述便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统由便携式核磁共振系统、机械振动激励装置和控制台组成，所述便携式核磁共振系统主要包括NMR频谱仪、功率放大器、前置放大器、收发切换模块、便携式磁体模块和探头，所述NMR频谱仪设有发射(Tx)和门控(GATE)单向信号通路与一台功率放大器连接，设有收发转换门控(T/R GATE)与收发切换模块连接，所述功率放大器将发射信号放大后与收发切换模块连接，所述收发切换模块与所述探头连接，所述收发切换模块用于切换所述便携式核磁共振系统处于发射状态或接收状态，发射状态下，所述探头发射射频脉冲；接收状态下，所述探头用于接收器官弹性检测靶位受激发后产生的核磁共振回波信号，所述NMR频谱仪不设梯度控制模块，因此也无需设置相应的梯度线圈，所述便携式磁体模块设有单边磁体，所述单边磁体设置为与目标检样器官相邻的身体表面贴合的人体工程学弧曲面，背面连接设有磁轭，背面磁场强度迅速衰减，所述单边磁体产生一个静态磁场，所述静态磁场在ROI范围内存在AP-LR平面内的线性或近似线性梯度，所述AP-LR平面为医学影像中所定义人体前后方向与左右方向形成的切面，其中A为Anterior的缩写，P为Posterior的缩写，L为Left的缩写，R为Right的缩写，在ROI范围之外，磁场均匀性迅速衰减；所述机械振动激励装置设有主动驱动器和被动驱动器，所述主动驱动器与所述NMR频谱仪连接，接收NMR频谱仪发出的驱动控制信号并产生简谐振动，所述被动驱动器与主动驱动器通过气动方式连接并贴合安放在目标检样器官相邻的身体表面；所述主动驱动器产生的简谐振动经由气动管传递到紧贴在组织表面的被动驱动器上，所述被动驱动器产生振动后在组织内部产生剪切波，所述剪切波在AP方向上传播，引起组织内质点在LR方向上做简谐振动，所述控制台与所述NMR频谱仪连接，控制运行磁共振脉冲序列指令，并接收NMR频谱仪采集到的核磁共振回波信号，完成实时数据处理，构成所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统。
进一步地，为分析组织内剪切波的波长或波速，对采集到的回波数据做傅里叶变换，得到空间域内的一维组织轮廓，所述一维组织轮廓的相位即是在剪切波传播方向上组织的空间相位曲线，其分布满足式
所表达的正弦曲线，式中，φ为剪切波传播方向上组织的空间相位，γ是磁旋比，N是振动周期数，T是简谐振动周期，
为运动敏感梯度，
为振幅，
是波矢量，
是质点位置矢量，α是简谐振动的初始相位，由此即可确定剪切波在组织内传播的波长或波速，再由波速与剪切弹性模量的关系式G＝ρv2，式中，G是剪切弹性模量，v是波速，ρ是组织密度，对于软组织，ρ通常取为水的密度值，即运算出组织的弹性模量值。
进一步地，所述便携式磁体模块由稀土永久磁性材料构成，体积小、重量轻，支持手持或支架挂载，便于调整到适合受检者的仰卧、俯卧、坐姿或站姿体位。
进一步地，所述AP方向为剪切波传播方向，LR方向为组织内质点做简谐振动的位移方向，所述AP方向和LR方向相互垂直。完成所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统的实施。
当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于：
所述便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统由便携式核磁共振系统、机械振动激励装置和控制台组成，所述便携式核磁共振系统主要包括NMR频谱仪、功率放大器、前置放大器、收发切换模块、便携式磁体模块和探头，所述NMR频谱仪设有发射(Tx)和门控(GATE)单向信号通路与一台功率放大器连接，设有收发转换门控(T/R GATE)与收发切换模块连接，所述功率放大器将发射信号放大后与收发切换模块连接，所述收发切换模块与所述探头连接，所述收发切换模块用于切换所述便携式核磁共振系统处于发射状态或接收状态，发射状态下，所述探头发射射频脉冲；接收状态下，所述探头用于接收器官弹性检测靶位受激发后产生的核磁共振回波信号，所述NMR频谱仪不设梯度控制模块，因此也无需设置相应的梯度线圈，所述便携式磁体模块设有单边磁体，所述单边磁体设置为与目标检样器官相邻的身体表面贴合的人体工程学弧曲面，背面连接设有磁轭，背面磁场强度迅速衰减，所述单边磁体产生一个静态磁场，所述静态磁场在ROI范围内存在AP-LR平面内的线性或近似线性梯度，所述AP-LR平面为医学影像中所定义人体前后方向与左右方向形成的切面，其中A为Anterior的缩写，P为Posterior的缩写，L为Left的缩写，R为Right的缩写，在ROI范围之外，磁场均匀性迅速衰减；所述机械振动激励装置设有主动驱动器和被动驱动器，所述主动驱动器与所述NMR频谱仪连接，接收NMR频谱仪发出的驱动控制信号并产生简谐振动，所述被动驱动器与主动驱动器通过气动方式连接并贴合安放在目标检样器官相邻的身体表面；所述主动驱动器产生的简谐振动经由气动管传递到紧贴在组织表面的被动驱动器上，所述被动驱动器产生振动后在组织内部产生剪切波，所述剪切波在AP方向上传播，引起组织内质点在LR方向上做简谐振动，所述控制台与所述NMR频谱仪连接，控制运行磁共振脉冲序列指令，并接收NMR频谱仪采集到的核磁共振回波信号，完成实时数据处理，构成所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统。
2.根据权利要求1所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于，为分析组织内剪切波的波长或波速，对采集到的回波数据做傅里叶变换，得到空间域内的一维组织轮廓，所述一维组织轮廓的相位即是在剪切波传播方向上组织的空间相位曲线，其分布满足式
所表达的正弦曲线，式中，φ为剪切波传播方向上组织的空间相位，γ是磁旋比，N是振动周期数，T是简谐振动周期，
为运动敏感梯度，
为振幅，
是波矢量，
是质点位置矢量，α是简谐振动的初始相位，由此即可确定剪切波在组织内传播的波长或波速，再由波速与剪切弹性模量的关系式G＝ρν2，式中，G是剪切弹性模量，ν是波速，ρ是组织密度，对于软组织，ρ通常取为水的密度值，即运算出组织的弹性模量值。
3.根据权利要求1所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于，所述便携式磁体模块由稀土永久磁性材料构成，体积小、重量轻，支持手持或支架挂载，便于调整到适合受检者的仰卧、俯卧、坐姿或站姿体位。
4.根据权利要求1所述一种便携式核磁共振器官弹性无创定量检测系统，其特征在于，所述AP方向为剪切波传播方向，LR方向为组织内质点做简谐振动的位移方向，所述AP方向和LR方向相互垂直。
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