CN112147705B - 一种气体磁共振成像层厚测定方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气体磁共振成像层厚测定装置，包括组织等效模体，还包括厚测试模具，层厚测试模具包括进气导气软管、三通阀、模具本体、出气导气软管和单向阀。进气导气软管与模具本体的入气口连接，进气导气软管与三通阀其中一个端口连接，另外两个端口分别连接气体采样袋和装有氮气的注射器，出气导气软管与模具本体的出气口连接，单向阀设置在出气导气软管上。本发明还公开了一种气体磁共振成像层厚测定方法，本发明容易制作且成本低廉，操作流程简单。且图像信号强度良好，层厚测定系统误差小。

Description

一种气体磁共振成像层厚测定方法和装置
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种气体磁共振成像层厚测定装置，还涉及一种气体磁共振成像层厚测定方法。
背景技术
磁共振成像(Magnetic resonance imaging，MRI)是一种无创无电离辐射的临床医学影像学方法,具有分辨率高、组织穿透深度高、软组织对比强、能够进行多参数成像等很多优点，在临床上应用广泛。然而，由于其信号来源于人体水中质子，而人体肺部属于空腔结构，因此，传统质子磁共振成像对人体肺部的影像学诊断十分有限。近些年，超极化气体(3He和129Xe)磁共振成像已经发展成为一种富有潜力的新型肺部结构和功能诊断评估手段，具有广泛的临床应用价值。
按照中华人民共和国医药行业标准《YY-T 0482-2010医用成像磁共振设备主要图像质量参数的测定》要求，医用磁共振设备在进行验收试验和稳定性试验时需要测定图像质量参数，包括信噪比、均匀性、层厚、几何畸变、空间分辨力和鬼影等。其建议的层厚测试模具由两个薄的能产生磁共振信号的材料斜板相面对构成，斜板用无磁共振激活材料封闭。
与传统的质子磁共振成像相比，由于超极化129Xe MRI的特殊性，超极化129Xe图像的层厚测定模具具有以下特点：
1.特殊结构。对于传统的质子磁共振成像，层厚测试模具内填充硫酸铜水溶液或者硅油(Wey H,Huang J C,Hsu Y Y,et al.Image quality testing using an oil-filled ACR MRI phantom at 3T[J].Medical Physics,2006,33(6))，采用聚丙烯或者有机玻璃的球状与圆柱状的封闭结构。而由于129Xe MRI采用气体造影剂，其层厚测定模具必须能传输和贮存超极化129Xe且保证气密性，因此层厚测定模具还需要有相应的气路来控制超极化129Xe气体流动。
2.额外的负载。对于质子磁共振成像，产生磁共振信号的物质如水和硅油，本身可以作为线圈负载。而用于超极化129Xe磁共振成像的人体RF线圈适用于肺部，仅有层厚测定模具会导致线圈严重失谐，因此需要一个额外的负载来模拟胸部的负载性质，同时也必须为测试模体预留空间。
3.图像信噪比低。当前超极化129Xe人体磁共振成像研究采用的气体多为超极化129Xe和N2的混合气体(Xie J,Li H,Zhang H,et al.Single breath-hold measurement ofpulmonary gas exchange and diffusion in humans with hyperpolarized Xe-129 MR[J].NMR IN BIOMEDICINE,2019,32(5))。129Xe的旋磁比仅为1H的27.64％，且超极化129Xe气体的129Xe核自旋密度远低于水中1H核的密度，因此对于超极化129Xe磁共振成像而言，其层厚测定图像信噪比较低。
4.图像均匀度差。由于超极化129XeMRI采用气体造影剂，从超极化129Xe气体充入层厚测定模具到开始成像时间很短，层厚测定模具内超极化129Xe气体扩散不均匀会导致信号强度的不稳定和不均匀，且超极化129Xe气体极化度在模体内不能通过弛豫而恢复，信号强度会随时间迅速衰弱，这不利于层厚的测定。
因此，需要开发一种适用于气体磁共振成像层厚测定的的方法和装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种气体磁共振成像层厚测定装置，还提供一种气体磁共振成像层厚测定方法，本发明采用组织等效模体来模拟胸部的负载性质，同时组织等效模体内部的空腔结构为层厚测定模具提供空间。层厚测试模具采用第一斜板形空腔和第二斜板形空腔传输和贮存超极化气体，与气路配合保证了装置的气密性。向层厚测定模具通入足量的超极化气体，排出层厚测定模具内的氮气，提高了超极化气体核自旋密度，从而提高图像信噪比。第一斜板形空腔和第二斜板形空腔之间有换气室使两斜板形空腔相连通，使气体分布更均匀，提高图像均匀度。本方案实施流程简单，便于实验操作，且图像信号强度良好，层厚测定误差小。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种气体磁共振成像层厚测定装置，包括组织等效模体，还包括厚测试模具，
层厚测试模具包括进气导气软管、三通阀、模具本体、出气导气软管和单向阀。
进气导气软管与模具本体的入气口连接，进气导气软管与三通阀其中一个端口连接，另外两个端口分别连接气体采样袋和装有氮气的注射器，出气导气软管与模具本体的出气口连接，单向阀设置在出气导气软管上。
模具本体包括模具结构基体，入气口和出气口分别设置在模具结构基体两端，模具结构基体内的两端分别设置有入气缓冲区和出气缓冲区，入气口与入气缓冲区连通，出气口和出气缓冲区连通，模具结构基体内中部设置有换气室，模具结构基体内设置有第一斜板形空腔和第二斜板形空腔，第一斜板形空腔和第二斜板形空腔交叉设置，第一斜板形空腔和第二斜板形空腔的中部均与换气室连通，第一斜板形空腔的斜顶和斜底分别与入气缓冲区顶部和出气缓冲区底部连通，第二斜板形空腔的斜顶和斜底分别与出气缓冲区顶部和入气缓冲区底部连通，模具结构基体内在换气室外周设置有蓄水室，蓄水室与模具结构基体上的进水口连通。
如上所述的第一斜板形空腔和第二斜板形空腔与模具结构基体底面的夹角α相同且均为10°～15°。
如上所述的模具结构基体为长方体，换气室为长方体，入气缓冲区和出气缓冲区为竖板空腔。
一种气体磁共振成像层厚测定装置，还包括组织等效模体，组织等效模体包括设置有夹层的组织等效模体外壳，组织等效模体外壳为筒状，组织等效模体外壳上设置有入水口，组织等效模体外壳中部为模体空腔，模体空腔内设置有海绵垫，层厚测试模具设置在海绵垫上。
一种气体磁共振成像层厚测定方法，包括以下步骤：
步骤1、将海绵垫置于模体空腔内使海绵垫上表面水平，将层厚测试模具搁置于海绵垫上，在层厚测试模具两旁加上沙袋使层厚测试模具固定；
步骤2、控制三通阀，使得装有氮气的注射器与入气口连通，装有氮气的注射器将足量的氮气注入层厚测试模具内，排出入气缓冲区、出气缓冲区、第一斜板形空腔、第二斜板形空腔和换气室内的空气，然后关闭三通阀；
步骤3、在向层厚测试模具内通入超极化气体前，先对蓄水室注水，并对蓄水室进行质子磁共振成像获得蓄水室图像，通过蓄水室图像来确定超极化气体磁共振成像的选层平面和选层位置；
步骤4、将超极化碱气体输入到气体采样袋，控制三通阀，使得气体采样袋与入气口连通，挤压气体采样袋使超极化气体进入层厚测试模具，通过单向阀排出第一斜板形空腔、第二斜板形空腔、换气室、入气缓冲区和出气缓冲区中的氮气；
步骤5、将超极化气体通入层厚测试模具后等待设定时间后再开始成像，完成成像后对图像按照斜板法进行后处理测定层厚。
如上所述的选层平面与层厚测试模具的底面平行，选层位置在层厚测试模具中心处。
如上所述的步骤5中，成像后，第一斜板形空腔和第二斜板形空腔均产生梯形信号强度剖面，分别测出两梯形信号强度剖面对应的半高宽ω1和ω2，层厚测量结果为tan(α)*(ω1*ω2)1/2，其中α为第一斜板形空腔和第二斜板形空腔(124)与模具结构基体底面的夹角α，
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明适用于超极化气体磁共振成像的层厚测定，通过层厚测试模具和组织等效模体相配合的方式，实验流程简单，容易得到质量良好的图像，层厚测定系统误差小。
2.本发明解决了超极化气体磁共振成像层厚测定面临的需要特殊结构和额外负载，图像信噪比低以及均匀度差的问题。本发明采用组织等效模体来模拟胸部的负载性质，同时组织等效模体内部的空腔结构为层厚测定模具提供空间。层厚测试模具采用若干反向的楔形材料构成的两个相对的斜板形空腔来传输和贮存超极化气体，与气路配合保证了装置的气密性。向层厚测定模具通入足量的超极化气体，排出层厚测定模具内的氮气，提高了超极化气体核自旋密度，从而提高图像信噪比。两个反向的斜板形空腔之间有换气室使两斜板形空腔相连通，使气体分布更均匀，提高图像均匀度。
3.本发明的层厚测定模具可以通过质子磁共振成像进行定位，便于超极化气体图像层厚测定时选层。层厚测定模具的两个反向的斜板形空腔之间还有蓄水室，蓄水室环绕换气室，在向层厚测定模具内通入超极化气体前，先对蓄水室进行质子磁共振成像，借助蓄水室图像来确定超极化气体磁共振成像选层位置，避免了由于选层位置的偏差导致的层厚测定误差。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为层厚测定模具的结构示意图；
图3为层厚测定模具的横向剖面示意图；
图4为层厚测试模具的纵向剖面示意图；
图5为组织等效模体的结构示意图；
图中：1-层厚测定装置，11-层厚测试模具，12-组织等效模体，
111-模具结构基体；112-入气口；113-出气口；114-入气缓冲区；115-第一斜板形空腔；116-蓄水室；117-换气室；118-进水口；119-进气导气软管；120-三通阀；121-单向阀；122-出气导气软管；123-出气缓冲区；124-第二斜板形空腔；
1201-组织等效模体外壳；1202-模体溶液；1203-入水口；1204-模体空腔；1205-海绵垫；
α-第一斜板形空腔和第二斜板形空腔与模具结构基体底面的夹角，A-层厚测试模具宽，B-层厚测试模具长，C-层厚测试模具高，D-换气室长，E-换气室宽，F-换气室高。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1～5所示，一种气体磁共振成像层厚测定装置，包括层厚测试模具11和组织等效模体12。
层厚测试模具11包括进气导气软管119、三通阀120、模具本体、出气导气软管122和单向阀121。
进气导气软管119与模具本体的入气口112连接，进气导气软管119与三通阀120其中一个端口连接，另外两个端口分别连接Tedlar气体采样袋喝装有氮气的注射器，出气导气软管122与模具本体的出气口113连接，单向阀121设置在出气导气软管122上。
模具本体包括模具结构基体111，入气口112和出气口113分别设置在模具结构基体111两端，模具结构基体111内的两端分别设置有入气缓冲区114和出气缓冲区123，入气口112与入气缓冲区114连通，出气口113和出气缓冲区123连通，模具结构基体111内中部设置有换气室117，模具结构基体111内设置有第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124。第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124交叉设置，第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124的中部均与换气室117连通。第一斜板形空腔115的斜顶和斜底分别与入气缓冲区114顶部和出气缓冲区123底部连通，第二斜板形空腔124的斜顶和斜底分别与出气缓冲区123顶部和入气缓冲区114底部连通。模具结构基体111内在换气室117外周设置有蓄水室116，蓄水室116与模具结构基体111上的进水口118连通。
优选的，第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124与模具结构基体111底面的夹角α为10°～15°。
模具结构基体111为长方体，换气室117为长方体，入气缓冲区114和出气缓冲区123为竖板空腔。
如图2～4所示，层厚测试模具11的结构基体111采用无磁共振激活的尼龙材料，第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124构成了两个相对的斜板形空腔，用来容纳超极化气体。气体从入气口112通过进气导气软管119进入层厚测试模具11，先通过入气缓冲区114，然后分别流入第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124中，最后通过出气缓冲区123后从出气口113排出。通过进水口118向蓄水室116内注水，之后可使用硅胶堵头堵住进水口118。换气室117使第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124相连通，使气体分布更均匀，提高图像均匀度；蓄水室116环绕换气室117，在向层厚测定模具11内通入超极化129Xe气体前，先对蓄水室116进行质子磁共振成像，借助蓄水室116图像来确定超极化129Xe磁共振成像选层位置，避免了由于选层位置的偏差导致的层厚测定误差。
组织等效模体12包括设置有夹层的组织等效模体外壳1201，组织等效模体外壳1201为筒状，组织等效模体外壳1201上设置有入水口1203，组织等效模体外壳1201中部为模体空腔1204，模体空腔1204内设置有海绵垫1205，层厚测试模具11设置在海绵垫1205上。
组织等效模体外壳1201尺寸和人体躯干尺寸相似，来模拟胸部的负载性质。组织等效模体12中心为椭圆柱状的模体空腔1204，旨在模拟肺部环境，同时为层厚测试模具11提供空间。模体溶液1202为氯化钠、水、蔗糖和苯甲酸和混合配制。其中蔗糖质量比为8.71％，氯化钠质量比为0.614％，苯甲酸质量比为0.1％，蔗糖与氯化钠使模体溶液的介电性质近似于人体躯干，苯甲酸用来防止溶液变质。通过入水口1203利用注射器将配制好的溶液注入组织等效模体外壳1201的夹层内，之后用硅胶堵头堵住入水口1203。在模体空腔1204内放置有海绵垫1205，用来搁置层厚测试模具11。
作为优选实施例，第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124与模具结构基体底部的夹角α为10°～15°。
作为优选实施例，层厚测试模具长B为190～210mm，层厚测试模具宽A为45～55mm，层厚测试模具高C为40～60mm。
作为优选实施例，换气室长D为50～60mm，换气室宽E为12～15mm，换气室高F为40～60mm。
一种气体磁共振成像层厚测定方法，包括以下步骤：
步骤1、将海绵垫1205置于模体空腔1204内使海绵垫1205上表面水平，将层厚测试模具11搁置于海绵垫1205上，在层厚测试模具11两旁加上沙袋使层厚测试模具11固定。
步骤2、控制三通阀120，使得装有氮气的注射器与入气口112连通，装有氮气的注射器将足量的氮气注入层厚测试模具11内，排出入气缓冲区114、出气缓冲区123、第一斜板形空腔115、第二斜板形空腔124和换气室117内的空气，然后关闭三通阀120。由于层厚测试模具11的出气口113的出气导气软管122上设置有单向阀121，外界空气无法从出气导气软管122进入层厚测试模具11内的空腔中(第一斜板形空腔115、第二斜板形空腔124、换气室117、入气缓冲区114和出气缓冲区123)，所以层厚测定模具11空腔内会保持充满氮气状态。
步骤3、在向层厚测试模具11内通入超极化129Xe气体前，先对蓄水室116注水，并对蓄水室116进行质子磁共振成像获得蓄水室图像，借助蓄水室图像来确定超极化129Xe磁共振成像的选层平面和选层位置。选层平面与层厚测试模具11的底面平行，选层平面与第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124呈10°～15°角度，选层位置在层厚测试模具11中心处(层厚测试模具11中心与第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124交汇中心相同，还与换气室117中心、以及蓄水室116中心相同)，所选层厚为8mm。
步骤4、将超极化129Xe升华至气体采样袋，控制三通阀120，使得Tedlar气体采样袋与入气口112连通，挤压气体采样袋使超极化129Xe气体进入层厚测试模具11。收集的超极化129Xe气体体积为250mL，远大于层厚测试模具11内的空腔(第一斜板形空腔115、第二斜板形空腔124、换气室117、入气缓冲区114和出气缓冲区123)总体积70mL，因此可以从出气口113经过出气导气软管122排出层厚测试模具11内的空腔中的氮气。由于出气出气导气软管122上接有单向阀121，使得氮气可以向外界排出，而外界空气无法进入11内的空腔。排出层厚测定模具11内的氮气提高了129Xe核自旋密度，从而提高图像信噪比。
步骤5、将超极化129Xe气体通入层厚测试模具11后等待3s再开始成像，使超极化129Xe气体在层厚测试模具11内扩散均匀。完成成像后对图像按照斜板法进行后处理测定层厚，第一斜板形空腔115和第二斜板形空腔124均会产生一个梯形信号强度剖面，分别测出两梯形信号强度剖面对应的半高宽ω1和ω2，层厚测量结果为tan(α)*(ω1*ω2)1/2。本实施例中，序列设置中层厚为8mm，图像层厚测定结果为7.9mm。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种气体磁共振成像层厚测定装置，包括组织等效模体(12)，其特征在于，还包括层厚测试模具(11)，
层厚测试模具(11)包括进气导气软管(119)、三通阀(120)、模具本体、出气导气软管(122)和单向阀(121)，
进气导气软管(119)与模具本体的入气口(112)连接，进气导气软管(119)与三通阀(120)其中一个端口连接，另外两个端口分别连接气体采样袋和装有氮气的注射器，出气导气软管(122)与模具本体的出气口(113)连接，单向阀(121)设置在出气导气软管(122)上，
模具本体包括模具结构基体(111)，入气口(112)和出气口(113)分别设置在模具结构基体(111)两端，模具结构基体(111)内的两端分别设置有入气缓冲区(114)和出气缓冲区(123)，入气口(112)与入气缓冲区(114)连通，出气口(113)和出气缓冲区(123)连通，模具结构基体(111)内中部设置有换气室(117)，模具结构基体(111)内设置有第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)，第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)交叉设置，第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)的中部均与换气室(117)连通，第一斜板形空腔(115)的斜顶和斜底分别与入气缓冲区(114)顶部和出气缓冲区(123)底部连通，第二斜板形空腔(124)的斜顶和斜底分别与出气缓冲区(123)顶部和入气缓冲区(114)底部连通，模具结构基体(111)内在换气室(117)外周设置有蓄水室(116)，蓄水室(116)与模具结构基体(111)上的进水口(118)连通。
2.根据权利要求1所述的一种气体磁共振成像层厚测定装置，其特征在于，所述的第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)与模具结构基体(111)底面的夹角α相同且均为10°～15°。
3.根据权利要求1所述的一种气体磁共振成像层厚测定装置，其特征在于，所述的模具结构基体(111)为长方体，换气室(117)为长方体，入气缓冲区(114)和出气缓冲区(123)为竖板空腔。
4.根据权利要求1所述的一种气体磁共振成像层厚测定装置，其特征在于，还包括组织等效模体(12)，组织等效模体(12)包括设置有夹层的组织等效模体外壳(1201)，组织等效模体外壳(1201)为筒状，组织等效模体外壳(1201)上设置有入水口(1203)，组织等效模体外壳(1201)中部为模体空腔(1204)，模体空腔(1204)内设置有海绵垫(1205)，层厚测试模具(11)设置在海绵垫(1205)上。
5.一种气体磁共振成像层厚测定方法，利用权利要求4所述的一种气体磁共振成像层厚测定装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将海绵垫(1205)置于模体空腔(1204)内使海绵垫(1205)上表面水平，将层厚测试模具(11)搁置于海绵垫(1205)上，在层厚测试模具(11)两旁加上沙袋使层厚测试模具(11)固定；
步骤2、控制三通阀(120)，使得装有氮气的注射器与入气口(112)连通，装有氮气的注射器将足量的氮气注入层厚测试模具(11)内，排出入气缓冲区(114)、出气缓冲区(123)、第一斜板形空腔(115)、第二斜板形空腔(124)和换气室(117)内的空气，然后关闭三通阀(120)；
步骤3、在向层厚测试模具(11)内通入超极化气体前，先对蓄水室(116)注水，并对蓄水室(116)进行质子磁共振成像获得蓄水室图像，通过蓄水室图像来确定超极化气体磁共振成像的选层平面和选层位置；
步骤4、将超极化气体输入到气体采样袋，控制三通阀(120)，使得气体采样袋与入气口(112)连通，挤压气体采样袋使超极化气体进入层厚测试模具(11)，通过单向阀(121)排出第一斜板形空腔(115)、第二斜板形空腔(124)、换气室(117)、入气缓冲区(114)和出气缓冲区(123)中的氮气；
步骤5、将超极化气体通入层厚测试模具(11)后等待设定时间后再开始成像，完成成像后对图像按照斜板法进行后处理测定层厚。
6.根据权利要求5所述的一种气体磁共振成像层厚测定方法，其特征在于，所述的选层平面与层厚测试模具(11)的底面平行，选层位置在层厚测试模具(11)中心处。
7.根据权利要求5所述的一种气体磁共振成像层厚测定方法，所述的步骤5中，成像后，第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)均产生梯形信号强度剖面，分别测出两梯形信号强度剖面对应的半高宽ω1和ω2，层厚测量结果为tan(α)*(ω1*ω2)1/2，其中α为第一斜板形空腔(115)和第二斜板形空腔(124)与模具结构基体(111)底面的夹角α。
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