CN117075011A - 一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，包括电源控制箱、计算机、谱仪、多核主控盒、若干选择开关、线圈接口盒、射频功放模块、前置低噪声放大器以及二级放大器。本发明在常规的磁共振射频系统中添加多核主控盒以及对应的各个选择开关，通过使用多核主控盒控制不同核素线圈对应的接口盒，使本发明能够在不更换线圈接口盒的情况下完成多个核素的扫描，使后期氢核结构像与其余核素的功能像精准配准，同时缩短了扫描时间，保证了图像质量。并且不同核素的工作链路能够并行工作，在同时完成多个核素扫描基础上，即使低场下某些核素之间的频率相差较小，也不会发生不同核素信号与噪声串扰的现象。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是涉及一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统及其方法。
背景技术
磁共振成像（MRI）或是一种广泛应用在医学成像上的技术，用于显示人体体内结构或生物组织结构，具有图像分辨率高、软组织对比度高、任意多方位成像、成像参数丰富和无电离辐射等优点。
MRI技术的发展已经从传统的氢核成像扩展到对人体组织中的13C, 19F, 23Na等其他核素进行可视化，以对某些特定疾病或某些器官的特定功能进行定量或者定性分析，同时也进一步促进了药物研发。一般来说，氢核成像用于得到人体器官或者组织的结构像，而功能像则依赖于对其余核素进行成像。
现有的磁共振系统基本用于氢核成像，若要完成多核成像，除了要解决线圈的切换问题，其余所涉及到的接口盒，发射、接收链路等一系列部件也需要进行相应的切换以完成磁共振多核成像。此外，为了有效捕捉到生理信号，系统的切换效率也至关重要，对多核系统的性能也是一个重要考验。
现有的磁共振系统大多为单核成像系统，服务于人体软组织氢核成像；随着科技发展以及相关科研需求的增长，多核成像逐渐进入大众视野。宽带谱仪虽然可以在一定频段内发射多个频率的脉冲信号，但是在射频系统只能支持单核素成像的情况下，仍然无法满足多核成像的需求。
少部分能够支持多核成像的系统则只配备了单一的射频链路，即一次扫描只能完成一种核素信号的采集，并且不同核素的激发间隙需要更换不同核素的线圈接口盒才能完成多核成像。在延长了成像时间的同时，也无法保证多次扫描时被试的生理状况与位置是否改变，并且为后期功能像与结构像的配准增加了难度。
还存在一种在系统链路中额外添加多路复用器的方案，线圈通道选择射频多路复用器与低噪声前置放大器电相连，用于供选择射频线圈通道。滤波通道选择射频多路复用器，其输入端与线圈选择射频多路复用器相连，其输出端与射频带通滤波器相连，用于供选择滤波通道。该种方案会将采集不同的核素的信号集成在一条链路上，针对频率相近的核素，如元素1H和19F，在磁场强度为1.5T时对应的谐振频率分别为63.8Mhz以及60Mhz，当利用该系统采集这两个核素的信号，集成后的信号通过中心频率为63.8Mhz带通滤波器时，因为要尽可能保留氟元素的信号且滤波器的带宽有一定限制，无法去除在采集氢核信号（60Mhz）时耦合进入系统的噪声。
因此亟需提供一种新型的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统及其方法来解决上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统及其方法，能够高效率地在不同核素工作链路之间进行切换，搭配不同种类的线圈，无需进行接口盒的更换就能够完成多个核素同时成像，保证功能像和结构像的精准叠加，减少成像时间，提高成像质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，包括：
谱仪，是核磁共振系统的控制台，控制整个系统的射频脉冲激发、信号采集、数据运算；
多核主控盒，用于分配谱仪发送的指令至各个选择开关，协调系统各个链路的有序工作，保证系统的正常运行；
线圈接口盒，包括多核线圈接口盒，用于接收射频功放模块发送的各核发射信号，并传送至对应发射线圈以及发送收发一体线圈的接收信号至二级放大器；
选择开关，包括连接多核主控盒与各个核素链路的射频功放的发射选择开关、连接多核主控盒与各个核素链路的二级放大器的接收选择开关、正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关，正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关的输入端接收谱仪由多核主控盒发送的多核主控信号、输出端连接各个核素线圈接口盒；
射频功放模块，用于接收发射选择开关发射的各核发射信号，并将各核发射信号进行放大后发送至各核的线圈接口盒；
还包括置于接收线圈与接收选择开关之间的前置低噪声放大器以及二级放大器。
在本发明一个较佳实施例中，所述系统还包括电源控制箱、计算机；
电源控制箱，用于为谱仪、各核二级放大器提供电源；
计算机，与谱仪连接，用于接收谱仪发送的数字信号处理生成图像，并发送控制命令至谱仪。
在本发明一个较佳实施例中，针对收发一体线圈的系统，所述正交驱动选择开关接收来自多核主控盒的多核主控信号后，发送至对应线圈接口盒，使收发一体线圈切换至发射模式或者接收模式，若需要切换至发射模式，线圈接口盒将传送来自射频功放的发射信号至对应线圈。
在本发明一个较佳实施例中，针对同时具备发射线圈与接收线圈的系统，所述线圈接口盒传送发射信号到发射线圈之外，在接收线圈工作时，所述线圈驱动选择开关会发送指令至线圈接口盒，使线圈接口盒发送失谐信号至发射线圈，保证接收线圈的正常工作状态。
在本发明一个较佳实施例中，所述发射选择开关接收到多核主控盒的命令后，选择特定链路的射频功放模块传输来自谱仪的发射信号，使对应的发射线圈开始工作，产生射频场。
在本发明一个较佳实施例中，所述接收选择开关接收到多核主控盒的命令后，选择接收特定核素接收线圈捕捉到的信号，并发送至谱仪。
在本发明一个较佳实施例中，所述线圈接口盒、前置低噪声放大器、二级放大器均由无磁部件组成。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换方法，采用如上所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，包括以下步骤：
所述系统包括单发射链路、单接收链路、收发一体线圈链路；
在单发射链路中，扫描人员在控制系统中选定特定的核素后，即可选择相应线圈开始扫描，此时所述多核主控盒将选择线圈的多核切换控制信号发送至发射选择开关，同时谱仪将多核发射信号经发射选择开关发送至对应的射频功放，经线圈接口盒激发特定的发射线圈产生射频场；
在单接收链路中，被激发的生理信号被接收线圈采集后，将先后经过前置低噪声放大器、二级放大器依次进行噪声抑制、放大信号，同时多核主控盒发送指令至接收选择开关，选择特定核素链路开始进行接收，信号被发送至谱仪再经计算机处理生成图像；
在收发一体线圈链路中，多核正交驱动选择开关在接收到多核主控盒的信号后，会发送相应信号至对应的线圈接口盒，使线圈切换至所需要的发射模式或接收模式，处于发射模式时，射频功放将发射信号经线圈接口盒发送至线圈；处于接收模式时，线圈采集到的信号经接口盒和二级放大器处理后进入接收选择开关，待接收到多核主控盒的指令后，接收选择开关将信号传输进入谱仪进行后处理。
在本发明一个较佳实施例中，在单接收链路中，所述线圈驱动选择开关收到多核主控盒的指令，发送指令至线圈接口盒，使接口盒发送失谐信号至发射线圈，将该链路的发射线圈失谐，保证接收线圈的正常工作。
本发明的有益效果是：
（1）本发明在常规的磁共振射频系统中添加多核主控盒以及对应的各个选择开关，谱仪通过向多核主控盒发送指令，多核主控盒再通过各个选择开关选择特定核素对应的发射以及接收链路，并选择对应的线圈工作模式，有序完成多核成像，因此接收链路与发射链路并行工作，且不同核素的链路也并行工作，采集到的信号不会互相干扰；
（2）本发明扩展了常规磁共振系统的功能，使系统除了能够完成氢核成像，对人体软组织进行扫描之外，还能够完成对其余核素的成像，提供如某些早期疾病筛查、药物开发等功能，为前沿科学研究提供硬件支持；
（3）本发明使用多核主控盒控制不同核素线圈对应的接口盒，使本发明能够在不更换线圈接口盒的情况下完成多个核素的扫描，使后期氢核结构像与其余核素的功能像精准配准，同时缩短了扫描时间，保证了图像质量；
（4）本发明使不同核素的工作链路能够并行工作，在同时完成多个核素扫描基础上，即使低场下某些核素之间的频率相差较小，也不会发生不同核素信号与噪声串扰的现象。
附图说明
图1是本发明用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统一较佳实施例的结构框图；
图2是所述单发射链路的流程示意图；
图3是所述单接收链路的流程示意图；
图4是所述收发一体线圈链路的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，包括电源控制箱、计算机、谱仪、多核主控盒、若干选择开关、线圈接口盒、射频功放模块、前置低噪声放大器以及二级放大器。
谱仪，是核磁共振系统的控制台，控制整个系统的射频脉冲激发、信号采集、数据运算等功能。谱仪内部包括频率合成器、正交解调器、发射机，T/R开关，低通滤波器，模数转换器等等。
多核主控盒，用于分配谱仪发送的指令至各个选择开关，协调系统各个链路的有序工作，保证系统的正常运行。
线圈接口盒，包括多核线圈接口盒，用于接收射频功放模块发送的各核发射信号，并传送至对应发射线圈以及发送收发一体线圈的接收信号至二级放大器。如图1所示，该系统中包括X核接口盒、Y核接口盒、Z核接口盒。
选择开关，包括连接多核主控盒与各个核素链路的射频功放的发射选择开关、连接多核主控盒与各个核素链路的二级放大器的接收选择开关、正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关，正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关的输入端接收谱仪由多核主控盒发送的多核主控信号、输出端连接各个核素线圈接口盒。
射频功放模块，用于接收发射选择开关发射的各核发射信号，并将该射频信号进行放大后发送至各核的线圈接口盒。射频功放是发射系统中的主要部分。在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的放大，获得足够的射频功率以后，才能馈送到发射末端辐射出去。如图1所示，该系统中包括X核射频功放模块、Y核射频功放模块、Z核射频功放模块。
前置低噪声放大器以及二级放大器依次置于接收线圈与接收选择开关之间。前置低噪声放大器主要用作无线接收设备的中、高频前置放大器，信号探测灵敏度高，紧邻接收线圈安置，抑制噪声的同时可放大信号，提高接收电路信噪比，改善成像效果。二级放大器对经过前置低噪声放大器的信号进行二次放大。
电源控制箱，用于为谱仪、各核二级放大器提供电源。
计算机，与谱仪连接，用于接收谱仪发送的数字信号处理生成图像，并发送控制命令至谱仪。
进一步的，所述线圈接口盒、前置低噪声放大器、二级放大器需要在磁体间内运行，则这些模块需要由无磁部件组成，否则会对成像效果产生影响。
具体的，所述发射选择开关分别连接多核主控盒与各个核素链路的射频功放，接收到多核主控盒的命令（多核切换控制信号）后，选择特定链路的射频功放模块传输来自谱仪的多核发射信号，使对应的发射线圈开始工作，产生射频场。
所述接收选择开关分别连接多核主控盒与各个核素链路的二级放大器，接收到多核主控盒的命令后，选择接收特定核素接收线圈捕捉到的信号，并发送至谱仪。
所述正交驱动选择开关向收发一体线圈所对应的线圈接口盒发射信号，选择发射模式或者接收模式。
磁共振多核成像系统中一般配套多个线圈，可存在多种不同的工作模式，谱仪通过向线圈驱动选择开关发射多核主控信号，选择特定的线圈工作或者使特定的线圈处于不工作状态。本示例中，如图1所示，包括X核收发一体线圈、Y核收发一体线圈、Z核发射线圈、Z核接收线圈。整个系统的工作链路包括单发射链路、单接收链路、收发一体线圈链路。
针对收发一体线圈的系统，正交驱动选择开关接收来自多核主控盒的信号后，发送至对应线圈接口盒，使收发一体线圈切换至指定状态（发射模式或者接收模式），若需要切换至发射功能，线圈接口盒将传送来自射频功放模块的发射信号至线圈；
针对同时具备发射线圈与接收线圈的系统，线圈接口盒除去需要传送发射信号到发射线圈之外，在接收线圈工作时，线圈驱动选择开关会发送指令至线圈接口盒，使线圈接口盒发送失谐信号至发射线圈，保证接收线圈的正常工作状态。
需要明确的是，对于不同核素的工作链路，在搭配使用的线圈几何结构能够相互兼容的情况下，例如，1H收发一体线圈与19F发射线圈和接收线圈组合，在扫描过程中是能够并行工作的。当系统选定1H成像序列开始扫描后，多核主控盒通过线圈驱动选择开关与正交驱动选择开关将向1H核接口盒分别发射线圈选择信号与正交驱动信号，选定该1H收发一体线圈进行工作，并调整至发射模式。同时系统内部的19F发射线圈与接收线圈在线圈驱动选择开关的命令下进入失谐状态，以保证1H核收发一体线圈的工作状态。
完成氢核的发射和接收后，再选定相应的19F成像序列进行扫描。同样地，当19F发射线圈处于工作状态时，1H收发一体线圈与19F接收线圈均处于失谐状态，待发射线圈激发后，几乎同时接收线圈开始工作捕捉生理信号，完成19F成像。
本发明在传统磁共振射频链路中添加多核主控盒，使各个核素的工作链路能够并行工作，互不干扰；在发射链路中添加发射选择开关，接收链路中添加接收选择开关，在收发一体的线圈链路中添加正交驱动选择开关，并且额外添加线圈驱动选择开关控制使发射线圈在接收线圈工作时失谐。通过使用多核主控盒控制不同核素线圈对应的接口盒，使本发明能够在不更换线圈接口盒的情况下完成多个核素的扫描，使后期氢核结构像与其余核素的功能像精准配准，同时缩短了扫描时间，保证了图像质量。并且不同核素的工作链路能够并行工作，在同时完成多个核素扫描基础上，即使低场下某些核素之间的频率相差较小，也不会发生不同核素信号与噪声串扰的现象。
该系统在常规的磁共振射频系统中添加多核主控盒以及对应的各个选择开关。谱仪通过向多核主控盒发送指令，多核主控盒再通过各个选择开关选择特定核素对应的发射以及接收链路，并选择对应的线圈工作模式，有序完成多核成像。进而扩展了常规磁共振系统的功能，使系统除了能够完成氢核成像，对人体软组织进行扫描之外，还能够完成对其余核素的成像，提供如某些早期疾病筛查，药物开发等功能，为前沿科学研究提供硬件支持。
利用本发明所述系统，本发明还提供一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换方法，包括以下步骤：
（1）在单发射链路中，扫描人员在控制系统中选定特定的核素后，即可选择相应线圈开始扫描，此时所述多核主控盒将选择线圈的多核切换控制信号发送至发射选择开关，同时谱仪将多核发射信号经发射选择开关发送至对应的射频功放模块，经线圈接口盒激发特定的发射线圈产生射频场，流程图参见图2；
具体的，多核切换控制信号与多核发射信号的发送过程可以认为几乎同时进行，相差时间为微秒级别。
（2）在单接收链路中，被激发的生理信号被接收线圈采集后，将先后经过前置低噪声放大器、二级放大器依次进行噪声抑制、放大信号，同时多核主控盒发送指令至接收选择开关，选择特定核素链路开始进行接收，信号被发送至谱仪再经计算机处理生成图像，同时线圈驱动选择开关收到多核主控盒的指令，发送指令至线圈接口盒，使接口盒发送失谐信号至发射线圈，将该链路的发射线圈失谐，保证接收线圈的正常工作，流程图参见图3；
（3）在收发一体线圈链路中，多核正交驱动选择开关在接收到多核主控盒的信号后，会发送相应信号至对应的线圈接口盒，使线圈切换至所需要的发射模式或接收模式，处于发射模式时，射频功放将发射信号经线圈接口盒发送至线圈；处于接收模式时，线圈采集到的信号经接口盒和二级放大器处理后进入接收选择开关，待接收到多核主控盒的指令后，接收选择开关将信号传输进入谱仪进行后处理，流程图参见图4。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，包括：
谱仪，是核磁共振系统的控制台，控制整个系统的射频脉冲激发、信号采集、数据运算；
多核主控盒，用于分配谱仪发送的指令至各个选择开关，协调系统各个链路的有序工作，保证系统的正常运行；
线圈接口盒，包括多核线圈接口盒，用于接收射频功放模块发送的各核发射信号，并传送至对应发射线圈以及发送收发一体线圈的接收信号至二级放大器；
选择开关，包括连接多核主控盒与各个核素链路的射频功放的发射选择开关、连接多核主控盒与各个核素链路的二级放大器的接收选择开关、正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关，正交驱动选择开关、线圈驱动选择开关的输入端接收谱仪由多核主控盒发送的多核主控信号、输出端连接各个核素线圈接口盒；
射频功放模块，用于接收发射选择开关发射的各核发射信号，并将各核发射信号进行放大后发送至各核的线圈接口盒；
还包括置于接收线圈与接收选择开关之间的前置低噪声放大器以及二级放大器。
2.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，所述系统还包括电源控制箱、计算机；
电源控制箱，用于为谱仪、各核二级放大器提供电源；
计算机，与谱仪连接，用于接收谱仪发送的数字信号处理生成图像，并发送控制命令至谱仪。
3.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，针对收发一体线圈的系统，所述正交驱动选择开关接收来自多核主控盒的多核主控信号后，发送至对应线圈接口盒，使收发一体线圈切换至发射模式或者接收模式，若需要切换至发射模式，线圈接口盒将传送来自射频功放的发射信号至对应线圈。
4.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，针对同时具备发射线圈与接收线圈的系统，所述线圈接口盒传送发射信号到发射线圈之外，在接收线圈工作时，所述线圈驱动选择开关会发送指令至线圈接口盒，使线圈接口盒发送失谐信号至发射线圈，保证接收线圈的正常工作状态。
5.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，所述发射选择开关接收到多核主控盒的命令后，选择特定链路的射频功放模块传输来自谱仪的发射信号，使对应的发射线圈开始工作，产生射频场。
6.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，所述接收选择开关接收到多核主控盒的命令后，选择接收特定核素接收线圈捕捉到的信号，并发送至谱仪。
7.根据权利要求1所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，所述线圈接口盒、前置低噪声放大器、二级放大器均由无磁部件组成。
8.一种用于磁共振多核成像的自适应射频切换方法，采用如权利要求1至7任一项所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换系统，其特征在于，包括以下步骤：
所述系统包括单发射链路、单接收链路、收发一体线圈链路；
在单发射链路中，扫描人员在控制系统中选定特定的核素后，即可选择相应线圈开始扫描，此时所述多核主控盒将选择线圈的多核切换控制信号发送至发射选择开关，同时谱仪将多核发射信号经发射选择开关发送至对应的射频功放，经线圈接口盒激发特定的发射线圈产生射频场；
在单接收链路中，被激发的生理信号被接收线圈采集后，将先后经过前置低噪声放大器、二级放大器依次进行噪声抑制、放大信号，同时多核主控盒发送指令至接收选择开关，选择特定核素链路开始进行接收，信号被发送至谱仪再经计算机处理生成图像；
在收发一体线圈链路中，多核正交驱动选择开关在接收到多核主控盒的信号后，会发送相应信号至对应的线圈接口盒，使线圈切换至所需要的发射模式或接收模式，处于发射模式时，射频功放将发射信号经线圈接口盒发送至线圈；处于接收模式时，线圈采集到的信号经接口盒和二级放大器处理后进入接收选择开关，待接收到多核主控盒的指令后，接收选择开关将信号传输进入谱仪进行后处理。
9.根据权利要求8所述的用于磁共振多核成像的自适应射频切换方法，其特征在于，在单接收链路中，所述线圈驱动选择开关收到多核主控盒的指令，发送指令至线圈接口盒，使接口盒发送失谐信号至发射线圈，将该链路的发射线圈失谐，保证接收线圈的正常工作。
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Denomination of invention: An adaptive radio frequency switching system and method for magnetic resonance multinuclear imaging Granted publication date: 20240102 Pledgee: Anhui Feixi Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Shaomai Branch Pledgor: Anhui Fuqing Medical Equipment Co.,Ltd. Registration number: Y2024980042008 |