CN112611994A - 一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法 - Google Patents

一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法，所述成像系统包括：设于射频屏蔽室内的核磁共振线圈组、预极化线圈、参考通道、第一SQUID读出电路、程控运算处理器、检测通道和第二SQUID读出电路，及设于射频屏蔽室外的SQUID控制/数据采集器和上位机；本发明利用参考通道的输出来补偿检测通道所探测的磁信号，以此抵消检测通道中的涡流磁场脉冲，从而减小检测通道的输出漂移，使其输出信号的基线稳定。通过本发明提供的一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法，解决了现有技术中通过强预极化磁场脉冲及增大二阶梯度计尺寸来提高极低场核磁共振成像的信噪比时导致输出信号基线漂移的问题。

Description

一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法
技术领域
本发明涉及极低场核磁共振成像技术领域，特别是涉及一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法。
背景技术
核磁共振成像(MRI)是一种非侵入式的断层成像技术，它利用核磁共振现象从人体获得质子受激发后的电磁感应信号，通过空间编码来重建人体软组织的结构信息。其具有图像分辨率高，对人体组织尤其是软组织成像时对比度高等特点，且不会对人体造成损害，因此在临床医学诊断上获得了广泛应用。
目前，临床医学上常用的商业MRI设备磁场强度都在1T以上，只能通过超导磁体实现，导致其结构复杂、造价昂贵、维护成本高。而基于超导量子干涉器件(SQUID)的极低场核磁共振成像(ULF-MRI)工作磁场强度在百微T量级，传统的亥姆霍兹线圈即可实现，因此具有结构简单、成本低廉等优点；此外，某些特殊的病变组织，如前列腺癌、乳腺癌、中风等，在极低场下与正常组织的对比度更大；因此，极低场核磁共振成像在某些特殊疾病的诊断中具有更大的优势。由于图像信噪比与磁场强度正相关，为了提高极低场核磁共振成像的信噪比，可在极低场核磁共振成像中引入预极化磁场脉冲来提高初始信号的强度，还可增大SQUID输入端的二阶轴向梯度计尺寸来提高探测灵敏度。但是，强预极化磁场脉冲的引入会在系统射频屏蔽室上感应出很强的涡流磁场脉冲，涡流磁场脉冲的变化幅度远大于被检测信号的幅度，导致输出信号的基线漂移，严重时甚至会导致输出信号溢出；而且，在相同的预极化磁场脉冲强度下，随着二阶轴向梯度计尺寸的增大，输出信号的基线漂移更严重。
现有专利(US2013/0271145A1)公开了一种采用主动补偿方法将二阶轴向梯度计所在空间位置中的涡流磁场脉冲抵消掉的方案，如图1所示，在射频屏蔽室101内部绕制大量的补偿线圈104(包括底部线圈1041、侧边线圈1042及顶部线圈1043)，根据预极化线圈102产生的预极化磁场脉冲的空间响应特性，在实验过程中通过电流驱动器103施加一个与预极化磁场脉冲响应特性相同的电流信号到补偿线圈104中，使其产生的补偿磁场脉冲与预极化磁场脉冲在射频屏蔽室101上的响应大小相等、方向相反，从而使得感应的涡流最小。为了模拟涡流磁场脉冲在二阶梯度计位置处的变化特性，此方法需要安装大量的补偿线圈104，并需要优化底部线圈1041、侧边线圈1042及顶部线圈1043的匝数、位置等参数；同时，还需要很强的驱动电流来产生补偿磁场；此外，侧边线圈1042还会影响实验人的进出。可见，该方案具有非常明显的实际应用缺点。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法，用以解决现有技术中通过强预极化磁场脉冲及增大二阶梯度计尺寸来提高极低场核磁共振成像的信噪比时导致输出信号基线漂移的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种极低场核磁共振成像系统，所述极低场核磁共振成像系统包括：
核磁共振线圈组，用于产生多组核磁共振磁场脉冲；
预极化线圈，设于多组所述核磁共振磁场脉冲的辐射区域内，用于产生一预极化磁场脉冲；
至少一条参考通道，设于所述预极化线圈上方的低温恒温器内，用于探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；
至少一个第一SQUID读出电路，对应连接于所述参考通道的输出端，用于读取对应所述参考通道输出的电信号；
程控运算处理器，连接于所述第一SQUID读出电路的输出端，用于在学习阶段，根据补偿系数设置其电路参数；在检测阶段，对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
检测通道，设于所述预极化线圈上方的低温恒温器内，且连接于所述程控运算处理器的输出端，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号；
第二SQUID读出电路，连接于所述检测通道的输出端，用于读取所述检测通道输出的电信号；
SQUID控制/数据采集器，双向连接于所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路，用于控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路的工作状态，并在学习阶段，采集所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路输出的电信号，在检测阶段，采集所述第二SQUID读出电路输出的电信号；所述SQUID控制/数据采集器还将上位机输出的控制信号及补偿系数传输至所述程控运算处理器；
上位机，双向连接于所述SQUID控制/数据采集器，用于在学习阶段，对所述SQUID控制/数据采集器输出的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数；在检测阶段，对所述SQUID控制/数据采集器输出的一个电信号进行应用处理；所述上位机还通过所述控制信号控制所述程控运算处理器的工作状态；
其中，所述核磁共振线圈组、所述预极化线圈、所述参考通道、所述第一SQUID读出电路、所述程控运算处理器、所述检测通道和所述第二SQUID读出电路均设于射频屏蔽室内，所述SQUID控制/数据采集器和所述上位机则设于所述射频屏蔽室外。
可选地，所述参考通道包括：
第一磁探测传感器，用于探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；
第一SQUID电流计，连接于所述第一磁探测传感器的输出端，用于将所述第一磁探测传感器探测的磁信号转换为电信号；
所述检测通道包括：
第二磁探测传感器，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
第二SQUID电流计，连接于所述第二磁探测传感器的输出端及所述程控运算处理器的输出端，用于在学习阶段，将所述第二磁探测传感器探测到的磁信号转换为电信号；在检测阶段，先根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号。
可选地，所述参考通道包括：
第一磁探测传感器，用于探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；
第一SQUID电流计，连接于所述第一磁探测传感器的输出端，用于将所述第一磁探测传感器探测的磁信号转换为电信号；
所述检测通道包括：
第二磁探测传感器，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
互感耦合线圈，连接于所述第二磁探测传感器和所述程控运算处理器之间，用于在检测阶段，将所述补偿信号互感耦合至所述第二磁探测传感器中，以根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号传输至所述第二SQUID电流计；
第二SQUID电流计，连接于所述互感耦合线圈的输出端，用于将所述互感耦合线圈输出的磁信号转换为电信号。
可选地，在检测阶段，被测物置于所述第二磁探测传感器的正下方；此时，所述第一磁探测传感器与所述被测物之间的距离大于所述第二磁探测传感器与所述被测物之间距离的两倍。
可选地，所述第一磁探测传感器选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种；在所述参考通道的数量大于1条时，其中任一所述第一磁探测传感器均选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种。
可选地，所述第二磁探测传感器选自一阶轴向梯度计及二阶轴向梯度计中的一种。
可选地，所述程控运算处理器包括加法电路及比例乘法电路。
可选地，所述低温恒温器为低温杜瓦。
本发明还提供了一种基于如上所述的极低场核磁共振成像系统实现的基线校准方法，所述基线校准方法包括：
在学习阶段：
基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述检测通道探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数，并通过所述SQUID控制/数据采集器传输至所述程控运算处理器，所述程控运算处理器根据所述补偿系数设置其电路参数；
在检测阶段：
将被测物置于所述检测通道的正下方，之后基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态，所述上位机控制所述程控运算处理器处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述程控运算处理器；
所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
所述检测通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的一个电信号进行应用处理。
可选地，在所述预极化线圈的设定磁场值及设定持续时间不变的情况下，所述基线校准方法中的学习阶段只需执行一次。
可选地，所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure BDA0002849262930000051
的最小值以确定补偿系数a和b；其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure BDA0002849262930000052
的最小值以确定补偿系数a1-an和b1-bn，其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，n为大于1的正数。
可选地，所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝a+b*Uref得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号，a、b为补偿系数；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝(a1+b1*Uref1)+…+(an+bn*Urefn)得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，a1-an、b1-bn为补偿系数，且n为大于1的正数。
如上所述，本发明的一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法，利用参考通道的输出来补偿检测通道所探测的磁信号，以此抵消检测通道中的涡流磁场脉冲，从而减小检测通道的输出漂移，使其输出信号的基线稳定，进而提高系统的检测灵敏度和动态范围，更使得本发明所述极低场核磁共振成像系统可使用更大强度的预极化磁场脉冲和更大尺寸的磁探测传感器，以此进一步提高成像系统的信噪比。
附图说明
图1显示为现有技术中采用主动补偿方法将二阶轴向梯度计所在空间位置中的涡流磁场抵消方案对应的结构示意图。
图2显示为本发明一种极低场核磁共振成像系统的结构示意图。
图3显示为本发明另一张极低场核磁共振成像系统的结构示意图。
元件标号说明
101 射频屏蔽室 102 预极化线圈
103 电流驱动器 104 补偿线圈
1041 底部线圈 1042 侧边线圈
1043 顶部线圈
201 核磁共振线圈组 202 预极化线圈
203 低温恒温器 204 参考通道
2041 第一磁探测传感器 2042 第一SQUID电流计
205 第一SQUID读出电路 206 程控运算处理器
207 检测通道 2071 第二磁探测传感器
2072 第二SQUID电流计 208 第二SQUID读出电路
209 SQUID控制/数据采集器 210 上位机
211 被测物
301 核磁共振线圈组 302 预极化线圈
303 低温恒温器 304 参考通道
3041 第一磁探测传感器 3042 第一SQUID电流计
305 第一SQUID读出电路 306 程控运算处理器
307 检测通道 3071 第二磁探测传感器
3072 互感耦合线圈 3073 第二SQUID电流计
308 第二SQUID读出电路 309 SQUID控制/数据采集器
310 上位机 311 被测物
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
如图2和3所示，本实施例提供一种极低场核磁共振成像系统，所述极低场核磁共振成像系统包括：
核磁共振线圈组201/301，用于产生多组核磁共振磁场脉冲；
预极化线圈202/302，设于多组所述核磁共振磁场脉冲的辐射区域内，用于产生一预极化磁场脉冲；
至少一条参考通道204/304，设于所述预极化线圈202/302上方的低温恒温器203/303内，用于探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；
至少一个第一SQUID读出电路205/305，对应连接于所述参考通道204/304的输出端，用于读取对应所述参考通道204/304输出的电信号；
程控运算处理器206/306，连接于所述第一SQUID读出电路205/305的输出端，用于在学习阶段，根据补偿系数设置其电路参数；在检测阶段，对所述第一SQUID读出电路205/305输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
检测通道207/307，设于所述预极化线圈202/302上方的低温恒温器203/303内，且连接于所述程控运算处理器206/306的输出端，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号；
第二SQUID读出电路208/308，连接于所述检测通道207/307的输出端，用于读取所述检测通道207/307输出的电信号；
SQUID控制/数据采集器209/309，双向连接于所述第一SQUID读出电路205/305及所述第二SQUID读出电路208/308，用于控制所述第一SQUID读出电路205/305及所述第二SQUID读出电路208/308的工作状态，并在学习阶段，采集所述第一SQUID读出电路205/305及所述第二SQUID读出电路208/308输出的电信号，在检测阶段，采集所述第二SQUID读出电路208/308输出的电信号；所述SQUID控制/数据采集器209/309还将上位机210/310输出的控制信号及补偿系数传输至所述程控运算处理器206/306；
上位机210/310，双向连接于所述SQUID控制/数据采集器209/309，用于在学习阶段，对所述SQUID控制/数据采集器209/309输出的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数；在检测阶段，对所述SQUID控制/数据采集器209/309输出的一个电信号进行应用处理；所述上位机210/310还通过所述控制信号控制所述程控运算处理器206/306的工作状态；
其中，所述核磁共振线圈组201/301、所述预极化线圈202/302、所述参考通道204/304、所述第一SQUID读出电路205/305、所述程控运算处理器206/306、所述检测通道207/307和所述第二SQUID读出电路208/308均设于射频屏蔽室(图中未示出)内，所述SQUID控制/数据采集器209/309和所述上位机210/310则设于所述射频屏蔽室外。
作为示例，所述核磁共振线圈组201/301为现有极低场核磁共振成像所使用的多组核磁共振线圈，用以产生极低场核磁共振检测所使用的多组核磁共振磁场脉冲，本示例对其线圈类型及各组线圈所产生的磁场脉冲类型不做限定。
作为示例，所述预极化线圈202/302为现有极低场核磁共振成像为提高成像信噪比所增设的线圈，用以根据施加电流大小来控制其产生的预极化磁场脉冲大小，同时根据施加电流时间来控制预极化磁场脉冲的持续时间。实际应用中，所述预极化线圈202/302设于多组所述核磁共振磁场脉冲的辐射区域中心偏下位置。
作为示例，所述低温恒温器为低温杜瓦，用以为所述参考通道204/304及所述检测通道207/307提供低温环境，避免其受外界环境的影响，使其具有较高测量精度。
作为示例，如图2和3所示，所述参考通道204/304包括：
第一磁探测传感器2041/3041，用于探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；
第一SQUID电流计2042/3042，连接于所述第一磁探测传感器2041/3041的输出端，用于将所述第一磁探测传感器2041/3041探测的磁信号转换为电信号。
具体的，所述第一磁探测传感器2041/3041选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种；在所述参考通道的数量大于1条时，其中任一所述第一磁探测传感器2041/3041均选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种。可选地，所述参考通道204/304的数量为3条，其中一条所述参考通道204/304中的所述第一磁探测传感器2041/3041为磁强计，其中另一条所述参考通道204/304中的所述第一磁探测传感器2041/3041为一阶平面梯度计，其中再一条所述参考通道204/304中的所述第一磁探测传感器2041/3041为二阶平面梯度计，以此实现对0阶量、1阶量及2阶量的测量，从而使所述参考通道204/304可基于精度较低的磁探测传感器实现高精度测量，保证测量精度的同时降低系统成本；对应地，所述第一SQUID读出电路205/305的数量也为3个，其中，3个所述第一SQUID读出电路205/305的输入端分别与3条所述参考通道204/304的输出端一一对应连接，3个所述第一SQUID读出电路205/305的输出端均与所述程控运算处理器206/306的输入端连接，同时3个所述第一SQUID读出电路205/305还均与所述SQUID控制/数据采集器209/309双向连接。具体的，所述第一SQUID电流计2042/3042为现有任一种基于SQUID器件制作的电流计，所述第一SQUID读出电路205/305为现有任一种可实现对SQUID电流计进行电流读出的结构，本示例对其具体电路构成不做限定。
作为示例，所述程控运算处理器206/306包括加法电路和比例乘法电路，其受控于所述上位机；在学习阶段，所述程控运算处理器206/306接收所述上位机传输的补偿系数，并根据所述补偿系数设置加法电路的加法因子和比例乘法电路的乘法因子，以此完成电路参数设置；在检测阶段，所述程控运算处理器206/306根据设置好参数的加法电路和比例乘法电路对所述第一SQUID读出电路205/305输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号。
作为一示例，如图2所示，所述检测通道207包括：
第二磁探测传感器2071，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
第二SQUID电流计2072，连接于所述第二磁探测传感器2071的输出端及所述程控运算处理器206的输出端，用于在学习阶段，将所述第二磁探测传感器2071探测到的磁信号转换为电信号；在检测阶段，先根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器2071探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号。
此示例中，在检测阶段，所述程控运算处理器206输出所述补偿信号至所述第二SQUID电流计2072的反馈线圈中，并与所述第二磁探测传感器2071输出的所述感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲一同作为所述第二SQUID电流计2072的输入信号；此时，所述补偿信号与所述涡流磁场脉冲在所述第二SQUID电流计2072的输入端相互抵消，从而减小所述检测通道207中所述第二SQUID电流计2072的输出漂移，使其输出信号的基线稳定。
作为另一示例，如图3所示，所述检测通道307包括：
第二磁探测传感器3071，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
互感耦合线圈3072，连接于所述第二磁探测传感器3071和所述程控运算处理器306之间，用于在检测阶段，将所述补偿信号互感耦合至所述第二磁探测传感器3071中，以根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器3071探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号传输至所述第二SQUID电流计3073；
第二SQUID电流计3073，连接于所述互感耦合线圈3072的输出端，用于将所述互感耦合线圈3072输出的磁信号转换为电信号。
此示例中，在检测阶段，所述程控运算处理器306输出的所述补偿信号经由所述互感耦合线圈3072互感耦合至所述第二磁探测传感器3071中，以此抵消掉其中的涡流磁场脉冲，从而减小所述检测通道307中所述第二SQUID电流计3073的输出漂移，使其输出信号的基线稳定。需要注意的是，在学习阶段，由于所述程控运算处理器306受控于所述上位机不进行运算工作，故所述互感耦合线圈3072不进行互感耦合，而是将所述第二磁探测传感器3071输出的磁信号直接输出至所述第二SQUID电流计3073。
具体的，所述第二磁探测传感器2071/3071选自一阶轴向梯度计及二阶轴向梯度计中的一种；可选地，所述第二磁探测传感器2071/3071为二阶轴向梯度计，以提高所述检测通道207/307的测量精度。具体的，所述第二SQUID电流计2072/2072为现有任一种基于SQUID器件制作的电流计，所述第二SQUID读出电路208/308为现有任一种可实现对SQUID电流计进行电流读出的结构，本示例对其具体电路构成不做限定。
具体的，在检测阶段，被测物置于所述第二磁探测传感器2071/3071的正下方；此时，所述第一磁探测传感器2041/3041与所述被测物之间的距离大于所述第二磁探测传感器2071/3071与所述被测物之间距离的两倍，以此实现所述参考通道204/304中的所述第一磁探测传感器2041/3041探测的信号主要为所述涡流磁场脉冲。
实际应用中，在对体积较大的被测物进行核磁共振检测时，若现有一条检测通道207/307无法进行有效检测，则可对本实施例所述成像系统进行扩展，在现有一条检测通道207/307的基础上，增设新的检测通道及与其对应的第二SQUID读出电路和程控运算处理器，连接关系可参照现有检测通道、第二SQUID读出电路和程控运算处理器的连接关系，即新增的程控运算处理器连接于第一SQUID读出电路、SQUID控制/数据采集器及新增的检测通道，新增的检测通道连接于新增的第二SQUID读出电路，新增的第二SQUID读出电路连接于SQUID控制/数据采集器；此时，在学习阶段，所述上位机则需针对每一检测通道与参考通道输出的电信号进行运算处理以得到多个补偿系数，再通过SQUID控制/数据采集器将多个补偿系数分别传输至对应程控运算处理器中；在检测阶段，所述上位机则需对所有检测通道输出的电信号进行应用处理；同时，所述上位机还需对所有程控运算处理器的工作状态进行控制，所述SQUID控制/数据采集器还需对所有第二SQUID读出电路的工作状态进行控制，并采集所有第二SQUID读出电路输出的电信号。
作为示例，所述SQUID控制/数据采集器209/309为现有任一种可实现SQUID电流计控制及数据采集传输的结构，本示例对其具体电路构成不做限定；而所述上位机210/310则可以为计算机。
对应地，本实施例还提供了一种基于如上所述的极低场核磁共振成像系统实现的基线校准方法，所述基线校准方法包括：
在学习阶段：
基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述检测通道探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数，并通过所述SQUID控制/数据采集器传输至所述程控运算处理器，所述程控运算处理器根据所述补偿系数设置其电路参数；
在检测阶段：
将被测物置于所述检测通道的正下方，之后基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态，所述上位机控制所述程控运算处理器处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述程控运算处理器；
所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
所述检测通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的一个电信号进行应用处理。需要注意的是，此处所述应用处理是根据具体应用所做的不同处理，如所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的一个电信号进行图像重建以用于成像，或所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的一个电信号进行数据拟合以用于测量磁豫时间等。
作为示例，在所述预极化线圈的设定磁场值及设定持续时间不变的情况下，所述基线校准方法中的学习阶段只需执行一次。只有在所述预极化线圈的设定磁场值及/或设定持续时间发生改变的情况下，所述基线校准方法才需重新执行学习阶段，以便于重新确定补偿系数。需要注意的是，本示例所述基线校准方法中，学习阶段是在无被测物的情况下进行的。
作为示例，所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure BDA0002849262930000131
的最小值以确定补偿系数a和b；其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure BDA0002849262930000132
的最小值以确定补偿系数a1-an和b1-bn，其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，n为大于1的正数。
作为示例，所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝a+b*Uref得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号，a、b为补偿系数；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝(a1+b1*Uref1)+…+(an+bn*Urefn)得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，a1-an、b1-bn为补偿系数，且n为大于1的正数。
实际应用中，在对体积较大的被测物进行核磁共振检测时，若现有一条检测通道207/307无法进行有效检测，则可对本实施例所述成像系统进行扩展，在现有一条检测通道207/307的基础上，增设新的检测通道及与其对应的第二SQUID读出电路和程控运算处理器，连接关系可参照现有检测通道、第二SQUID读出电路和程控运算处理器的连接关系，即新增的程控运算处理器连接于第一SQUID读出电路、SQUID控制/数据采集器及新增的检测通道，新增的检测通道连接于新增的第二SQUID读出电路，新增的第二SQUID读出电路连接于SQUID控制/数据采集器；此时，在进行基线校准时：
对于学习阶段则是：多条检测通道分别探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，多个所述第二SQUID读出电路读取其各自对应的所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的每一检测通道与参考通道输出的至少两个电信号进行运算处理以得到多个补偿系数，并通过所述SQUID控制/数据采集器分别传输至对应的所述程控运算处理器，多个所述程控运算处理器根据传输过来的补偿系数设置其电路参数；
对于检测阶段则是：多个所述程控运算处理器分别对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到多个补偿信号；多条所述检测通道分别探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据其对应的所述程控运算处理器输出的补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号，多个所述第二SQUID读出电路读取其各自对应的所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的所有检测通道输出的电信号进行应用处理。
综上所述，本发明的一种极低场核磁共振成像系统及其基线校准方法，利用参考通道的输出来补偿检测通道所探测的磁信号，以此抵消检测通道中的涡流磁场脉冲，从而减小检测通道的输出漂移，使其输出信号的基线稳定，进而提高系统的检测灵敏度和动态范围，更使得本发明所述极低场核磁共振成像系统可使用更大强度的预极化磁场脉冲和更大尺寸的磁探测传感器，以此进一步提高成像系统的信噪比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (12)

1.一种极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述极低场核磁共振成像系统包括：
核磁共振线圈组，用于产生多组核磁共振磁场脉冲；
预极化线圈，设于多组所述核磁共振磁场脉冲的辐射区域内，用于产生一预极化磁场脉冲；
至少一条参考通道，设于所述预极化线圈上方的低温恒温器内，用于探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；
至少一个第一SQUID读出电路，对应连接于所述参考通道的输出端，用于读取所述参考通道输出的电信号；
程控运算处理器，连接于所述第一SQUID读出电路的输出端，用于在学习阶段，根据补偿系数设置其电路参数；在检测阶段，对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
检测通道，设于所述预极化线圈上方的低温恒温器内，且连接于所述程控运算处理器的输出端，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号；
第二SQUID读出电路，连接于所述检测通道的输出端，用于读取所述检测通道输出的电信号；
SQUID控制/数据采集器，双向连接于所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路，用于控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路的工作状态，并在学习阶段，采集所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路输出的电信号，在检测阶段，采集所述第二SQUID读出电路输出的电信号；所述SQUID控制/数据采集器还将上位机输出的控制信号及补偿系数传输至所述程控运算处理器；
上位机，双向连接于所述SQUID控制/数据采集器，用于在学习阶段，对所述SQUID控制/数据采集器输出的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数；在检测阶段，对所述SQUID控制/数据采集器输出的一个电信号进行应用处理；所述上位机还通过所述控制信号控制所述程控运算处理器的工作状态；
其中，所述核磁共振线圈组、所述预极化线圈、所述参考通道、所述第一SQUID读出电路、所述程控运算处理器、所述检测通道和所述第二SQUID读出电路均设于射频屏蔽室内，所述SQUID控制/数据采集器和所述上位机则设于所述射频屏蔽室外。
2.根据权利要求1所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述参考通道包括：
第一磁探测传感器，用于探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；
第一SQUID电流计，连接于所述第一磁探测传感器的输出端，用于将所述第一磁探测传感器探测的磁信号转换为电信号；
所述检测通道包括：
第二磁探测传感器，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
第二SQUID电流计，连接于所述第二磁探测传感器的输出端及所述程控运算处理器的输出端，用于在学习阶段，将所述第二磁探测传感器探测到的磁信号转换为电信号；在检测阶段，先根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号。
3.根据权利要求1所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述参考通道包括：
第一磁探测传感器，用于探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；
第一SQUID电流计，连接于所述第一磁探测传感器的输出端，用于将所述第一磁探测传感器探测的磁信号转换为电信号；
所述检测通道包括：
第二磁探测传感器，用于在学习阶段，探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲；在检测阶段，探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲；
互感耦合线圈，连接于所述第二磁探测传感器和所述程控运算处理器之间，用于在检测阶段，将所述补偿信号互感耦合至所述第二磁探测传感器中，以根据所述补偿信号对所述第二磁探测传感器探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号传输至所述第二SQUID电流计；
第二SQUID电流计，连接于所述互感耦合线圈的输出端，用于将所述互感耦合线圈输出的磁信号转换为电信号。
4.根据权利要求2或3所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，在检测阶段，被测物置于所述第二磁探测传感器的正下方；此时，所述第一磁探测传感器与所述被测物之间的距离大于所述第二磁探测传感器与所述被测物之间距离的两倍。
5.根据权利要求2或3所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述第一磁探测传感器选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种；在所述参考通道的数量大于1条时，其中任一所述第一磁探测传感器均选自磁强计、一阶平面梯度计、一阶轴向梯度计、二阶平面梯度计及二阶轴向梯度计中的一种。
6.根据权利要求2或3所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述第二磁探测传感器选自一阶轴向梯度计及二阶轴向梯度计中的一种。
7.根据权利要求1所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述程控运算处理器包括加法电路及比例乘法电路。
8.根据权利要求1所述的极低场核磁共振成像系统，其特征在于，所述低温恒温器为低温杜瓦。
9.一种基于如权利要求1-8任一项所述的极低场核磁共振成像系统实现的基线校准方法，其特征在于，所述基线校准方法包括：
在学习阶段：
基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述检测通道探测其所在位置处的所述涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数，并通过所述SQUID控制/数据采集器传输至所述程控运算处理器，所述程控运算处理器根据所述补偿系数设置其电路参数；
在检测阶段：
将被测物置于所述检测通道的正下方，之后基于所述预极化线圈产生一具有设定磁场值及设定持续时间的预极化磁场脉冲，并在所述预极化磁场脉冲关断后，基于多组所述核磁共振线圈组依次产生多组核磁共振磁场脉冲；
在多组所述核磁共振磁场脉冲施加结束后，所述SQUID控制/数据采集器控制所述第一SQUID读出电路及所述第二SQUID读出电路处于工作状态，所述上位机控制所述程控运算处理器处于工作状态；此时，
所述参考通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲和所述预极化磁场脉冲在关断后感应出的涡流磁场脉冲，并将其探测的磁信号转换为电信号，所述第一SQUID读出电路读取所述参考通道输出的电信号并传输至所述程控运算处理器；
所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号；
所述检测通道探测其所在位置处多组所述核磁共振磁场脉冲作用于被测物后所产生的感应磁场信号及所述涡流磁场脉冲，并根据所述补偿信号对其探测的磁信号进行补偿以抵消所述涡流磁场脉冲，再将补偿后的磁信号转换为电信号，所述第二SQUID读出电路读取所述检测通道输出的电信号并传输至所述SQUID控制/数据采集器；
所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的一个电信号进行应用处理。
10.根据权利要求9所述的基线校准方法，其特征在于，在所述预极化线圈的设定磁场值及设定持续时间不变的情况下，所述基线校准方法中的学习阶段只需执行一次。
11.根据权利要求9所述的基线校准方法，其特征在于，所述上位机对所述SQUID控制/数据采集器采集的至少两个电信号进行运算处理以得到所述补偿系数的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure FDA0002849262920000041
的最小值以确定补偿系数a和b；其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述上位机利用最小二乘法计算
Figure FDA0002849262920000051
的最小值以确定补偿系数a1-an和b1-bn，其中，Usig为所述第二SQUID读出电路读取的所述检测通道输出的电信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，n为大于1的正数。
12.根据权利要求11所述的基线校准方法，其特征在于，所述程控运算处理器对所述第一SQUID读出电路输出的电信号进行补偿运算以得到补偿信号的方法包括：
在所述参考通道的数量为1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝a+b*Uref得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref为所述第一SQUID读出电路读取的所述参考通道输出的电信号，a、b为补偿系数；
在所述参考通道的数量大于1条时，所述程控运算处理器基于Ucomp＝(a1+b1*Uref1)+…+(an+bn*Urefn)得到所述补偿信号，其中，Ucomp为所述补偿信号，Uref1-Urefn为多个所述第一SQUID读出电路读取的对应所述参考通道输出的电信号，a1-an、b1-bn为补偿系数，且n为大于1的正数。
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