CN1718158A - 一种磁共振成像系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振成像系统的检测方法，特点是射频系统的检测是将一石英晶体放置在主磁体的线圈中，用一个射频激发脉冲对石英晶体进行多次照射，并采集石英晶体产生的机械共振信号，采集得到的信号相位保持相干，则射频系统正常；采集得到的信号相位发生漂移或者抖动，则射频系统自身存在故障。本发明除了在磁共振成像(MRI)仪器的日常维护中可以简便而有效地判别磁共振图像伪影的来源，还对磁共振成像(MRI)仪器的初次安装调试有一定指导意义，本发明中所采用的样品是使用非常广泛而且价格十分低廉的石英晶体，从而可以大大降低磁共振成像(MRI)设备的维护费用。

Description

一种磁共振成像系统的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体地说是一种磁共振成像系统的检测方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)系统是一个复杂的临床医学影像系统。图1显示了现代磁共振成像系统的结构，其中包括主磁体1，梯度线圈2，梯度放大器3，梯度波形发生器4，射频线圈5，T/R开关6，前置放大器7，接收机8，射频信号源9，射频功放10，脉冲序列发生器11以及系统主时钟12。整个MRI设备由三大系统组成。由主磁体及其附件(图1未示出)组成的系统称为磁体系统；由射频线圈(发射)、射频功放、射频信号源所组成的子系统称为射频发射系统，由射频线圈(接收)、前置放大器、接收机所组成的子系统称为射频接收系统，射频发射和接收线圈可以共用一个线圈，同时它们也共用一个系统主时钟，接收和发射系统组成磁共振成像系统中的射频系统。由梯度波形发生器，梯度放大器和梯度线圈组成的是梯度系统。

为了获得不受伪影和外界干扰的清晰图像，需要磁共振成像系统中的上面提到的三大系统均正常工作。实际上在磁共振成像中，要得到一幅2维MRI图像(n×m)需要进行n次采集数据，每次采集m个数据点。图像伪影的产生可以看作是每次采集得到的核磁共振信号受到了扰动，而且这种额外干扰的因素是来自多方面的。假设每次采集得到的核磁共振信号为S(t)，它是由射频接收线圈接收到的核磁共振信号A(t)经过接收机放大(增益为G)与检波(参考信号为B)之后得到的：

S(t)＝A(t)·G·B(t)                                    (1)

核磁共振信号A(t)的初始幅度和相位取决于射频激发脉冲(射频发射系统)，其随时间的演化由静态磁场B0(磁体系统)和梯度磁场(梯度系统)决定。G和B(t)都是描述射频接收系统的。可见，MRI系统中的任何部分出现异常，都可能导致伪影或干扰，严重地影响图像质量。因此为了消除图像伪影，需要有效地找出伪影产生的具体原因。

判断伪影是否由梯度产生的办法非常简单，通常可以通过关闭和打开梯度系统，比较采集到的核磁共振信号相位抖动情况来判断。

相对而言，判断伪影产生的原因是磁体系统还是射频系统就比较复杂了，因为他们通过(1)式中的A(t)耦合着。目前，人们通常采用一种名为“Loop Back”的测试方法来测试磁共振成像系统的故障或进行安装调试，其连接方式如图2所示，图3给出了其内部结构。在此方法中，射频信号源输出特定的调制信号如：软脉冲激发(Sinc)、三角波(Tri-Angle)等调制信号，输出到射频功放，经过一个衰减器后输入到成像系统的前放，由接收机进行放大接收和采样，如果发射通道和接收通道都正常工作，则处于接收信号链末端的数字接收机将解调接收得到正确的基带信号。使用此方法能够判定系统发射通道和接收通道的工作情况。例如，为了测试频率源输出信号和接收机本振信号是否相干时，可以采用此方法把频率源输出的信号直接输入到接收机中，如果接收机每次接收到的信号相位都保持一致，则可以认为频率源与接收机具有很好的相干性。利用此方法还可以测试射频功放的谐波失真、接收机带宽、增益、T/R门控隔离度以及是否存在信号干扰等等。

通常在MRI系统中，接收通道和发射通道共用一个时钟源，该时钟源称为系统时钟或者主时钟。假设系统时钟发生了漂移，发射通道的信号可以表示为：

$S{\left(t\right)}_{\mathrm{trans}}=e^{i\left\{A_0\right[{\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\δ\ω}\left(t\right)]\·t+{\mathrm{\φ}}_0\}}---\left(2\right)$

通常射频系统输出信号的频率与系统主时钟不一致，为了得到所需的信号频率，往往需要进行频率合成。在这里我们引入发射通道的倍频系数A₀来表示发射通道实际输出信号的频率。上式中的ω₀为系统主时钟的频率，δω(t)为系统主时钟的漂移量。φ₀为发射通道的初始相位。同样，接收通道中本地振荡器(本振)的信号可以表示为：

$S{\left(t\right)}_{\mathrm{rec}}=e^{i\left\{A_1\right[{\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\δ\ω}\left(t\right)]\·t+{\mathrm{\φ}}_1\}}---\left(3\right)$

其中，A₁为接收通道的倍频系数。ω₀为系统主时钟的频率，δω(t)为系统主时钟的漂移量。φ₁为发射通道的初始相位。在通常情况下，为了解调得到基带信号，发射通道的信号频率应等于接收机本振的频率，即A₀＝4。经过接收机本振解调滤波后，基带信号可以表示为：

$S{\left(t\right)}_{\mathrm{base}}=e^{i({\mathrm{\φ}}_0-{\mathrm{\φ}}_1)}---\left(4\right)$

由上式可知，即使系统主时钟的频率发生了漂移，只要射频信号源和接收机工作正常，还是能够保持每次采样信号的初始相位一致。因此，采用“Loop Back”方法只能够检测射频系统中除系统时钟以外的其它部分的工作情况。

为了弥补上述方法的缺陷，一个较为直接的方法是在通过“LoopBack”方法对射频系统进行测试的基础上，使用一台具有更高频率精度，更小相位噪声的信号源，如PTS(Programmable Test Sources)公司的频率源产品，代替系统的主时钟，再进行核磁共振实验。此时如果发现核磁信号的初相位抖动现象消除则可肯定是原系统时钟发生故障，否则，可以确定是由于磁体等因素引起了图像伪影。虽然此方法能够判定是磁体系统还是射频系统导致图像伪影。但是，此方法也有一定的局限性。首先，该方法使用了造价昂贵、体积庞大的高精度频率源作为成像系统的主时钟。其次，将外部时钟源与MRI系统连接需要考虑阻抗匹配和电压匹配等因素。最后，也是最重要的，“Loop Back”方法无法对射频线圈进行测试，因此它对射频系统的测试是不完整的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种简单、易行的磁共振成像系统的检测方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种磁共振成像系统的检测方法，其特征在于它包括以下具体步骤：成像检测：正常→检测结束，非正常→关掉梯度系统；对核磁信号进行检测：正常→修理梯度系统直至成像检测正常→检测结束，非正常→对射频系统进行检测：正常→对磁体进行修理直至成像检测正常→检测结束，非正常→修理射频系统直至射频检测正常→成像检测：正常→检测结束，非正常→对磁体进行修理直至成像检测正常→检测结束。

所述射频系统的检测是将一石英晶体放置在主磁体的线圈中，用一个射频激发脉冲对石英晶体进行多次照射，并采集石英晶体产生的机械共振信号，采集得到的信号相位保持相干，则射频系统正常；采集得到的信号相位发生漂移或者抖动，则射频系统自身存在故障。

本发明除了在磁共振成像(MRI)仪器的日常维护中可以简便而有效地判别磁共振图像伪影的来源，还对磁共振成像(MRI)仪器的初次安装调试有一定指导意义，本发明中所采用的样品是使用非常广泛而且价格十分低廉的石英晶体，从而可以大大降低磁共振成像(MRI)设备的维护费用。

附图说明

图1为磁共振成像系统结构示意图

图2为现有检测方法的连接示意图

图3为现有射频系统检测方法流程图

图4为本发明检测方法的连接示意图

图5A为石英晶体信号产生示意图

图5B为本发明中所采用的激发石英晶体的脉冲序列

图6为本发明流程图

具体实施方式

要对磁共振成像(MRI)射频系统进行完整检测，必须把射频线圈包括在内，这时“Loop Back”方法就比较困难了。原因是该方法的接收信号来源于发射通道，这就要求仪器支持同时进行射频信号的发射和接收。但是，当包含射频线圈之后，为了保护接收机(特别是前置放大器)不被射频激发脉冲的高压击穿，在射频发射的时候，对接收机输入端作了短路保护。另外，为了避免发射通道的噪声或干扰串进接收机，在信号接收期间对发射通道进行了隔离。图1中的T/R开关即起到此作用。因此在这情况下，MRI仪器将不再允许同时进行发射和接收。

在这种条件下，观测样品被激发之后产生的自由感应衰减(FID)信号是唯一的选择。然而，核磁共振样品的信号不可避免地受到主磁场的影响，故无法判断其抖动到底来源于射频系统还是磁体系统。因此在本发明中，我们采用了一片石英晶体作为实验样品，对射频系统进行完整检测。

在本发明中，我们用石英晶体代替传统的核磁共振样品，石英晶体被放置在主磁体的射频线圈中。随后，用一个射频激发脉冲对石英晶体进行照射，这样就在射频线圈空间内产生了较强的射频场。由于石英晶体的压电效应，外部的较强电磁场能够使其产生受迫机械振动，当射频频率和石英晶体的固有频率相近时，石英晶体就发生了机械共振效应，其振动幅度达到最大值。当撤除射频脉冲后，石英晶体的机械振动还将保持其固有的共振频率持续振荡。由于阻尼作用，其振幅将逐渐减小。而石英晶体的机械振动又会在附近空间内产生高频振荡电磁场，进而被射频接收线圈所感应到。由于石英晶体的机械振动来源于磁共振激发脉冲的激励，属受迫振动，所以其振动相位和激发脉冲的相位相干，如附图5所示。石英晶体产生的信号可以表示为，

$S\left(t\right)=A_0{e}^{i({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_0)}\·e^{-t/\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

其中ω₀为激发脉冲的频率，t为时间，τ石英晶体的阻尼系数。从上式可见，石英晶体产生的信号与磁场强度无关，其相位只与激发脉冲的相位相关。当石英晶体产生的微弱信号被射频线圈检测到，随后经过前置放大器放大，并且被接收机本振解调，接收机的本振信号可以表示为：

$S_{\mathrm{LO}}\left(t\right)=A_0{e}^{i[({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\δ\ω})t+{\mathrm{\φ}}_1]}---\left(6\right)$

其中，δω代表系统主时钟的漂移。最后得到的基带信号可以表示为：

$S{\left(t\right)}_{\mathrm{bas}}=A_0{e}^{i(\mathrm{\δ\ωt}+{\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_0)}\·e^{-t/\mathrm{\τ}}---\left(7\right)$

从上式我们可以看出，如果此时系统的主时钟发生了漂移，那么接收到的石英晶振信号的相位也将发生变化。

在上述过程中，石英晶体产生的高频振荡电磁场与普通核磁共振样品产生的宏观磁化矢量相似之处在于，两者都与射频激发脉冲的相位有关。它们的不同之处在于，石英晶体的FID信号不依赖于主磁场大小的改变而发生变化，而且和激发其振荡的射频脉冲保持相干。对于普通的核磁共振样品，其共振频率与主磁场的频率成正比，此时，如果主磁场的发生改变，那么核磁共振信号的相位也将发生漂移。

当每次采样的磁共振信号相位发生漂移时，可以使用一块固有共振频率与该磁共振系统的共振频率较接近的石英晶体作为测试样品，放入射频(接收)线圈中。随后，使用射频脉冲对石英晶体进行激发，然后采集石英晶体产生的共振信号。如果每次采集得到的信号相位都保持相干，则说明射频系统(包括系统主时钟和射频线圈在内)工作正常。如果采集得到石英晶体的信号相位发生漂移或者抖动，那么就说明射频系统自身存在着故障。

实施例

以下结合附图对本发明特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如附图1所示，一个典型的磁共振成像系统一般由如下部件组成：主磁体1、梯度线圈2、梯度放大器3、梯度波形发生器4、射频线圈5、T/R开关6、前置放大器7、接收机8、射频信号源9、射频功放10、脉冲序列发生器11、系统主时钟12以及控制计算机组成。主磁体1产生磁共振成像所需要的主磁场；梯度放大器3，梯度线圈2产生样品的空间编码；射频信号源9和射频功放10产生激发样品的射频脉冲：样品的核磁共振信号经前放7放大后被接收机8进一步放大、混频和采样。脉冲序列发生器11用于产生磁共振成像的各种脉冲序列。

附图2所示的是现有“Loop Back”检测方法的连接示意图。因为射频功放10输出的射频信号幅度很大，为防止损坏前置放大器7，所以在这里需要加一个衰减系数较大的衰减器13。经过衰减的信号输入前置放大器7，并且由接收机8接收，解调和采样，最后得到磁共振的基带信号。上述各部件的内部结构图如附图3所示。在磁共振成像中，往往需要进行选择性激发，为了快速切换射频信号的频率、相位和幅度，在频率源中通常采用数控振荡器(NCO)14产生数字化的射频信号，然后经过模数转换器(DAC)15转变成模拟射频信号输出。射频信号经过衰减器和前放后被接收机再进行放大19、混频16A，16B、滤波17A，17B和采样18A，18B。由于磁共振系统的主时钟频率往往低于数控振荡器的时钟，所以通常采用锁相环20来实现NCO的高频时钟。

附图4是本发明所用的检测方法的连接示意图。此图和附图1不同之处在于，本发明中的实验样品是一块固有共振频率与成像系统共振频率(工作频率)相近的石英晶振21。本发明中样品产生的信号不是核磁共振信号，而是由石英晶振的机械振动而产生的FID信号，它不受主磁场强度漂移的影响。工作过程如下：首先由射频信号源输出一个射频脉冲，经过射频功放放大。然后，T/R开关6被打开，此时由射频功放产生的大功率信号通过射频线圈照射到石英晶体上。与此同时，前放和接收机系统被T/R开关关闭。当射频持续照射晶体持续一段时间之后，T/R开关关闭，射频脉冲被撤销。再等待一段时间之后，T/R开关切换，打开前级放大器和接收机系统，对信号进行接收和采样，并且把采样得到的数据传送给主机做进一步的处理。在上述整个过程中，T/R开关和接收机8采样由脉冲序列发生器11控制。

附图5是石英晶体信号的产生示意图。附图5A所示，当石英晶体21受到一个较强的接近其固有共振频率的射频照射22时，晶体21产生机械振动，因此它的振动相位和激发的射频脉冲的相位保持相干，被射频脉冲激发后，石英晶体产生FID信号23，它的相位与激发脉冲22相干，幅度逐渐衰减。此时，如果系统的主时钟、锁相环以及接收机本振频率发生漂移，而石英晶体的振动仍然和激发的射频脉冲相干，那么就会引起接收到的信号发生相位漂移。附图5B所示的是采用本发明的测试方法所用的脉冲序列，其中，t_acq为磁共振系统的死时间，主要用于避免前置放大器和接收机的饱和，线圈振铃对信号产生的干扰。对于0.3T的磁共振成像系统，可以采用与其共振频率接近的12.768MHz石英晶体。也可以采用市场上廉价的晶体振荡器，这时需要去除其金属外壳(至少要取掉金属外壳的一面)。本发明对射频系统完整检测的具体实施方案如下：

第一步，选择去除金属外壳的共振频率为12.768MHz的石英晶体作为实验样品。

第二步，采用频率为12.768的射频单脉冲实验激发石英晶体产生射频信号。

第三步，等待死时间t_acq如：100us后对石英晶体的信号进行采样，保存。

第四步，计算信号的初相位值，并且返回到第二步，重复实验若干次。

第五步，最后分析每次采样到的石英信号的相位抖动情况。

附图6为本发明中所采用的流程图，它描述了本发明中所提出的磁共振成像系统的完整检测方法。

Claims (2)

1、一种磁共振成像系统的检测方法，其特征在于它包括以下具体步骤：成像检测：正常→检测结束，非正常→关掉梯度系统；对核磁信号进行检测：正常→修理梯度系统直至成像检测正常→检测结束，非正常→对射频系统进行检测：正常→对磁体进行修理直至成像检测正常→检测结束，非正常→修理射频系统直至射频检测正常→成像检测：正常→检测结束，非正常→对磁体进行修理直至成像检测正常→检测结束。

2、根据权利要求书1所述的磁共振成像系统的检测方法，其特征在于所述射频系统的检测是将一石英晶体放置在主磁体的线圈中，用一个射频激发脉冲对石英晶体进行多次照射，并采集石英晶体产生的机械共振信号，采集得到的信号相位保持相干，则射频系统正常；采集得到的信号相位发生漂移或者抖动，则射频系统自身存在故障。

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