CN112244813B - 一种低场核磁共振弹性测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低场核磁共振弹性测量方法及系统，包括以下步骤：S1、组织状态稳定后进行N次信号采集；S2、设在第一区域采集到的第一磁共振信号为S1(n，p)，在第二区域采集到的第二磁共振信号为S2(n，p)；S3、计算第一区域和第二区域距离；S4、将S1和S2降为一维列向量，用S1′和S2′表示；S5、对信号S1′和S2′做一维傅里叶变换，得到频率域信息，从中取出振动频率f对应的成分，记为K₁(f)和K₂(f)；S6、求信号S2′中频率为f的分量的相对于S1′频率为f的分量的延迟δ；S7、计算剪切波波长λ；S8、计算杨氏模量。本发明实现一种基于单边磁体磁共振系统，实现弹性测量，可以有效降低系统成本，在单边磁体磁共振系统上成功实现了弹性系数测量。

Description

一种低场核磁共振弹性测量方法及系统

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，尤其涉及一种低场核磁共振弹性测量方法及系统。

背景技术

磁共振弹性成像(Magnetic Resonance Elastography，MRE)是一种非侵入的弹性测量方法。其基本序列如图1所示。MRE通过外部施加的简谐振动激励装置，在组织内产生一个剪切波，然后利用序列中的运动敏感梯度(motionsensitivegradient，MSG)将组织的振动信息编码到图像的相位中。对于一个矩形梯度，其图像相位可以表示为：

其中，

为运动敏感梯度，

为振幅。从式(4)可以看出，图像相位与组织振动造成的位移成简单的线性关系。因此，通过MRE序列实际可以获得剪切波传播的位移图像。从位移图像上获得剪切波在组织中的波长，即可计算剪切波传播速度，进而获得组织的剪切弹性模量或杨氏模量。

在组织传播过程中，其波速与剪切弹性模量满足如下关系：

G＝ρν² (2)

其中，G是剪切弹性模量，ρ是组织密度，ν是波速。在组织不可压缩假设下，杨氏模量E与G满足：

E＝3G＝3ρν² (3)

在实际中，通常认为组织密度接近水密度，因此ρ取水的密度值。这样磁共振图像计算出的波长就能够计算出杨氏模量，实现真正意义上的弹性定量。

由于磁共振弹性成像技术的特殊性，其一要求剪切波发生装置具有磁兼容特性，其二需要高性能梯度场和高信噪比快速扫描序列等。因此，目前仅有少数厂家能提供磁共振弹性成像设备，价格非常昂贵。国内也只有极少数医院开展磁共振弹性成像检测。导致病人单次检测费用动辄数千元，医院设备紧张，病人排队时间长。

发明内容

本发明旨在提供一种低场核磁共振弹性测量方法及系统，实现一种基于低场核磁共振的弹性测量系统，尤其是基于单边磁体磁共振系统实现弹性测量，可以有效降低系统成本，在单边磁体磁共振系统上成功实现了弹性系数测量。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开一种低场核磁共振弹性测量方法，包括以下步骤：

S1、组织状态稳定后进行N次信号采集，相邻信号采集延迟Δm，每次信号采集首先用第一频率激发第一区域采集第一磁共振信号，间隔时间ΔT后，使用第二频率激发第二区域采集第二磁共振信号；

S2、设在第一区域采集到的第一磁共振信号为S1(n，p)，在第二区域采集到的第二磁共振信号为S2(n，p)，

其中n为第一维度，即测量次数，总共N次，

p为第二维度，即回波采集点数，总共P点，

振动发生器的频率为f；

S3、计算第一区域和第二区域距离：

其中，γ为拉莫尔频率，G为磁体的梯度场，f2和f1分别为双频线圈的两个频率；

S4、将S1和S2降为一维列向量，用S1′和S2′表示；

S5、对信号S1′和S2′做一维傅里叶变换，得到频率域信息，从中取出振动频率f对应的成分，记为K₁(f)和K₂(f)；

S6、求信号S2′中频率为f的分量的相对于S1′频率为f的分量的延迟δ，计算公式为

其中，T为振动的周期，

为取相位操作；

S7、计算剪切波波长λ

其中，mod()为取余函数，ΔT为第一区域和第二区域的采样时间间隔，d为第一区域和第二区域的距离；

S8、计算杨氏模量

E＝3ρλ²f²

其中ρ为被检物体密度，f为剪切波频率。

优选的，步骤S1中，使用弹性测量脉冲基本序列对第一区域和/或第二区域进行激发，弹性测量脉冲基本序列利用单边磁体的天然梯度实现对质子运动的编码。

优选的，弹性测量脉冲基本序列为自旋回波序列或CPMG脉冲序列。

优选的，步骤S4中，对S1和S2的第二维度做一维傅里叶变换，然后保留有效带宽内信号的模值或相位信息，并取第二维度平均值。

本发明还公开一种低场核磁共振弹性测量系统，包括低场核磁共振系统、机械振动激励装置、磁共振控制台；

低场核磁共振系统主要包括磁共振谱仪、射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、磁体、射频探头，磁体为具有天然的梯度场的单边磁体；

机械振动激励装置主要包括波形发生器、功率放大器、振动发生器、传动杆；

磁共振控制台连接射频功率放大器，磁共振谱仪通过收发转换开关连接射频探头，射频探头固连磁体，磁共振谱仪和收发转换开关之间设有射频功率放大器、前置放大器，磁共振谱仪、波形发生器、功率放大器、振动发生器依次串联，振动发生器驱动连接传动杆。

优选的，射频探头包括收发一体双频射频线圈。

本发明的有益效果：

1、本发明基于低场核磁共振，针对特定需求，对传统磁共振系统做了简化，使得系统更加轻巧便捷，也能产生更好的经济效益；

2、本发明基于核磁共振技术，测量过程不易受操作者手法的影响，准确性高，可重复性高；

3、本发明的检测区域比穿刺活检和超声弹性检测技术更大。

4、本发明采用特定频率的机械振动源，在磁共振脉冲序列设计过程和数据处理过程中，可以实现频率选择性编码和处理，从而使得测量过程不易受被捡物体运动的影响。

附图说明

图1为现有技术中MRE弹性成像基本序列，此处以运动敏感编码梯度施加在层面选择方向为例；

图2为低场核磁共振弹性测量系统的基本框图；

图3为剪切波在被检物体中的传播路径以及剪切波与激发区域之间关系的示意图；

图4为本发明中弹性测量脉冲序列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

一、低场核磁共振弹性测量系统构成

基于低场核磁的弹性测量系统主要由三部分组成：低场核磁共振系统、机械振动激励装置、控制台。

系统框图如图2所示，其中，低场核磁共振系统主要包括谱仪、射频功率放大器、前置放大器、收发转换开关、磁体和探头；

机械振动激励装置主要包括波形发生器、功率放大器、振动发生器和传动杆组成。

需要注意的是，磁体为特殊设计的单边磁体，具有天然的梯度场，可用于运动编码，因此无需传统磁共振系统中的梯度功率放大器和梯度线圈。探头为特殊设计的收发一体双频射频线圈。

扫描时，谱仪负责发射射频信号，经射频功率放大器放大射频信号后，由探头激发被检物体；然后通过探头接收磁共振信号，经前置放大器放大后，由谱仪采集并处理磁共振信号。同时，谱仪还要发出同步控制信号，控制波形发生器产生特定频率和特定强度的正弦波，经功率放大器放大后驱动振动发生器工作，并通过传动杆将振动传入被检物体，使得被检物体内部产生相应频率的剪切波。

图3给出了剪切波在被检物体中的传播路径以及剪切波激发区域之间的关系的示意图。双频射频线圈可以激发并接收图中激发区域1和激发区域2两个区域的信号。剪切波从振动源处向探头方向传播，会依次经过激发区域1和激发区域2，因此，激发区域1和激发区域2的物质会随剪切波发生振动，且激发区域1和激发区域2的振动存在一个相位差，该相位差由波速和两个区域的距离决定。本发明通过特定的磁共振序列，对区域1和区域2的信号进行运动编码并采集分析出相位信息，从而可以反推出波速。

二、弹性测量磁共振脉冲序列

弹性测量的脉冲序列如图4所示，在组织振动状态稳定后，以中心频率1激发区域1并采集相应磁共振信号，间隔时间ΔT后，以中心频率2激发区域2并采集相应磁共振信号。在接下来每一个重复时间中，振动源波形保持不变，但对激发区域1和激发区域2的信号采集，均延迟Δm，总共采集N次，则总延迟时间为N*Δm。其中，图中灰色小方块表示一个弹性测量脉冲基本序列，该脉冲序列为一个SE(自旋回波序列)或者CPMG脉冲序列，该序列可以利用单边磁体的天然梯度实现对质子运动的编码。

三、弹性系数计算方法

设在区域1采集到的磁共振信号为S1(n,p),在区域2采集到的磁共振信号为S2(n,p)，其中第一维度为测量次数，总共N次。第二维度为回波采集点数，总共P点。振动发生器的频率为f。

步骤1：计算激发区域1和激发区域2距离。

其中，γ为拉莫尔频率，G为磁体的梯度场，f2和f1分别为双频线圈的两个频率；

步骤2：对S1和S2的第二维度做一维傅里叶变换，然后保留有效带宽内信号的模值或相位信息，并取第二维度平均值。则S1和S2降为一维列向量，用S1′和S2′表示；

步骤3：对信号S1′和S2′做一维傅里叶变换，得到频率域信息，从中取出振动频率f对应的成分，记为K₁(f)和K₂(f)；

步骤4：求信号S2′中频率为f的分量的相对于S1′频率为f的分量的延迟，计算公式为

其中，T为振动的周期，

为取相位操作；

步骤5：计算剪切波波长

其中，mod为取余函数，ΔT为激发区域1和激发区域2的采样时间间隔，d为计算激发区域1和激发区域2距离；

步骤5：计算杨氏模量，杨氏模量即表征了物体的弹性

E＝3ρλ²f²

其中ρ为被检物体密度，f为剪切波频率。

当然，本发明还可有其它多种实施例，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根据本发明作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)

1.一种低场核磁共振弹性测量方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、组织状态稳定后进行N次信号采集，每次信号采集首先用第一频率激发第一区域采集第一磁共振信号，间隔时间ΔT后，使用第二频率激发第二区域采集第二磁共振信号；对第一区域和第二区域，相邻两次信号采集均延迟Δm；

S2、设在第一区域采集到的第一磁共振信号为S1(n，p)，在第二区域采集到的第二磁共振信号为S2(n，p)，

其中n为第一维度，即测量次数，总共N次，

p为第二维度，即回波采集点数，总共P点，

振动发生器的频率为f；

S3、计算第一区域和第二区域的距离：

其中，γ为拉莫尔频率，G为磁体的梯度场，f2和f1分别为双频线圈的两个频率；

S4、将第一磁共振信号S1和第二磁共振信号S2降为一维列向量，用S1^′和S2^′表示；

S5、对信号S1′和S2′做一维傅里叶变换，得到频率域信息，从中取出振动频率f对应的成分，记为K₁(f)和K₂(f)；

S6、求信号S2′中频率为f的分量的相对于信号S1′中频率为f的分量的延迟δ，计算公式为

其中，T为振动的周期，

为取相位操作；

S7、计算剪切波波长λ

其中，mod()为取余函数，ΔT为第一区域和第二区域的采样时间间隔，d为第一区域和第二区域的距离；

S8、计算杨氏模量

E＝3ρλ²f²

其中ρ为被检物体密度。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S1中，使用弹性测量脉冲基本序列对第一区域和/或第二区域进行激发，弹性测量脉冲基本序列利用单边磁体的天然梯度实现对质子运动的编码。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于：弹性测量脉冲基本序列为自旋回波序列或CPMG脉冲序列。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：步骤S4中，对S1和S2的第二维度做一维傅里叶变换，然后保留有效带宽内信号的模值或相位信息，并取第二维度平均值。

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