阅读说明：本技术 一种剪切波衰减系数测量方法与系统 (Shear wave attenuation coefficient measuring method and system ) 是由 吴子岳 王伟谦 罗海 陈潇 叶洋 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明实施例涉及一种剪切波衰减系数测量方法与系统,解决了超声检测法不能穿透某些介质导致测量失败的问题；剪切波衰减系数测量方法包括：包括：向振动状态稳定的被测物体施加核磁共振脉冲序列,并配合静态或可控梯度磁场进行运动编码,以检测所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号,分析处理所述核磁共振回波信号得到剪切波衰减系数；所述系统包括磁共振系统、机械振动激励装置和核磁共振控制台；本发明实施例基于低场核磁共振以非侵入式、非破坏式的方式测量固体或者半固体的衰减系数。(The embodiment of the invention relates to a method and a system for measuring a shear wave attenuation coefficient, which solve the problem of measurement failure caused by the fact that an ultrasonic detection method cannot penetrate certain media; the shear wave attenuation coefficient measuring method comprises the following steps: the method comprises the following steps: applying a nuclear magnetic resonance pulse sequence to a measured object with stable vibration state, and performing motion coding by matching with a static or controllable gradient magnetic field to detect nuclear magnetic resonance echo signals of at least two different positions of the measured object, and analyzing and processing the nuclear magnetic resonance echo signals to obtain a shear wave attenuation coefficient; the system comprises a magnetic resonance system, a mechanical vibration exciting device and a nuclear magnetic resonance console; the embodiment of the invention is used for measuring the attenuation coefficient of a solid or semisolid in a non-invasive and non-destructive mode based on low-field nuclear magnetic resonance.)

一种剪切波衰减系数测量方法与系统

技术领域

本发明实施例涉及一种剪切波衰减系数测量方法与系统。

背景技术

衰减系数又称衰减常数。是传播系数的实数部分。它包括两部分：经典吸收和分子吸收。经典吸收是由于空气的粘滞性、热传导效应以及空气分子转动等所产生的声能耗散，其大小与声波频率的平方成正比例，并且与空气温度和气压有关，这种吸收一般可以不考虑。分子吸收主要是空气中氧和氮分子振动弛豫效应所引起的，它与空气的温度和湿度密切相关，也随声波频率的增减而变化，但变化规律较为复杂。

衰减系数描述了波在物质中传播的衰减速率，是反映材料吸收性能的重要指标。在医学上，衰减系数可以反映组织的弹性、脂肪含量、含水量的变化等与生理病理状态密切相关的参数指标。

对于衰减系数的计算往往需要利用剪切波的振幅数据来进行。剪切波在介质中的衰减可以用如下公式描述

其中，A₀为剪切波的初始振幅，r为被测物体所在位置与振源的距离，α为衰减系数。

现有衰减系数的测量技术大多基于该衰减模型进行改进。该测量技术需要在介质内两点采集振幅，再根据式(1)算出衰减系数：

其中，A₁，A₂分别为波在被测物体内距振源不同距离两点的振幅，Δr为两点间距离，a为衰减系数。

剪切波的振幅数据需要经过测量得到。根据采集剪切波振幅的方式分类，常见的有驻波法和超声检测法。

驻波法为最直接的测量方法，适用于多种机械波。如图1所示，由发生器产生在固定长度介质内传播的驻波，其在介质内损耗大致遵循A＝A₀(1+R)e^-αr，其中，R为反射系数，α是介质的衰减系数，A和A₀分别为距振源r处与振源处振幅。因为发生器和接收器为同一材料制成，输出电压(U)和接收电压(U₀)与振幅成正比。可得

上述方法需将截取物质装盛在测量设备容器里，或将发生/接收器深入介质内测量传播信号振幅大小，其适用于气体和液体。

超声检测法是基于超声成像的测量方法；适用于固体内衰减系数的测量，即在施加一个外部激励振动，在组织内产生频率为ω的剪切波，并在波传播方向上选择两个相距Δr的点，分别距激励振源r₁，r₂。在选定两点用超声探头以同样的设定帧率激发采集到两条质点随时间振动曲线，后分别从两条振动曲线中利用卡尔曼滤波抽取出振动频率ω的信号，所抽取出信号幅度即为对应位置的振幅。

驻波法适用于液体和气体，测量时需要将探测器浸入物质内部或截取物质样本，适用范围较窄；超声检测衰减系数具有低成本、快速定量等优点，但超声波穿透性易受介质影响，容易导致测量失败。

发明内容

本发明实施例提供一种剪切波衰减系数测量方法与系统，解决了超声检测法不能穿透某些介质导致测量失败的问题。

第一方面，一种剪切波衰减系数测量方法，包括：向振动状态稳定的被测物体施加核磁共振脉冲序列，并配合静态或可控梯度磁场进行运动编码，以检测所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，分析处理所述核磁共振回波信号得到剪切波衰减系数。

结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述向振动状态稳定的被测物体施加核磁共振脉冲序列，并配合静态或可控梯度磁场进行运动编码，以检测所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括：向作简谐振动的、处于梯度磁场中的被测物体施加90°射频脉冲，根据振动源的频率确定至少一个180°射频脉冲的施加时刻并于该时刻向所述振动状态稳定的被测物体施加所述至少一个180°射频脉冲。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述测量所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括检测所述被测物体不同中心频率的核磁共振回波信号；

或包括检测磁体和/或探头与所述被测物体的不同位置处的核磁共振回波信号。

结合第一方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述测量所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括对每一个位置等间隔的调整振动源的初始相位用以获取该位置一系列的核磁共振回波信号。

结合第一方面或第一方面的第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述对每一个位置等间隔的调整振动源的初始相位，包括等间隔的调整所述振动源的初始相位，所述间隔大于2π。

结合第一方面或第一方面的上述任一种可能的实现方式，在第五种可能的实施方式中，所述分析处理所述核磁共振回波信号得到剪切波衰减系数，包括：

设S1(θ,n)为在第一位置采集到的核磁共振回波信号，S2(θ,n)为在第二位置采集到的核磁共振回波信号，θ表示振动源的初始相位，第二维n表示回波的点数；

分别对S1(θ,n)和S2(θ,n)的第二维做一维傅里叶变换，取最低频部分的相位，分别得到和

分别对

和做一维相位反卷折运算；

分别计算和

即分别计算

和

的峰值，得到

计算第一位置和第二位置处剪切波振幅

式(5)和(6)中，G为运动敏感梯度，γ为拉莫尔频率，T为剪切波振动周期，N为在整个运动编码持续时间内剪切波的周期数目；

按以下公式(7)运算出剪切波在组织内传播的衰减系数值

式(7)中α是衰减系数，r₁是第一位置距振源距离，r₂是第二位置距振源距离。

第二方面，一种用于实现所述的剪切波衰减系数测量方法的测量系统，包括

磁共振系统，用于按照核磁共振脉冲序列指令发射射频脉冲，定位被测物体空间位置，用于接收核磁共振回波信号；

机械振动激励装置，用于接收所述磁共振系统发出的射频脉冲信号并根据所述信号使被测物体产生简谐振动；

核磁共振控制台，控制磁共振系统运行核磁共振脉冲序列指令，接收磁共振系统采集到的核磁共振回波信号，对所述核磁共振回波信号分析处理。

结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述磁共振系统包括磁共振谱仪、射频功放、前置放大器、收发切换模块、磁体模块以及射频探头；

磁共振谱仪，用于向机械振动激励装置发送触发信号，所述磁共振谱仪通过射频功放与收发切换模块连接；

收发切换模块，用于切换所述磁共振系统的发射状态和接收状态；

射频探头，所述射频探头与收发切换模块连接；发射状态下，所述射频探头用于向被测物体发射射频脉冲；接收状态下，所述射频探头用于接收被测物体检测靶位受激发后产生的核磁共振回波信号；

磁体模块，用于产生静态梯度磁场对被测物体进行空间定位。

结合第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述机械振动激励装置包括信号发生器、功率放大器和振动发生器；

信号发生器，用于接收磁共振谱仪发出的触发信号并根据所述触发信号驱动振动发生器产生简谐振动；

振动发生器，所述振动发生器与传动杆连接；所述振动发生器通过传动杆作用于被测物体使所述被测物体产生简谐振动。

结合第二方面的第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，收发切换模块通过前置放大器与磁共振谱仪连接；所述振动发生器通过功率放大器与信号发生器连接。

本发明实施例的一种剪切波衰减系数测量方法与系统，基于磁共振原理以非侵入式，非破坏式的方式测量固体或者半固体的衰减系数；显然，避免了超声检测法不能穿透某些介质导致测量失败的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。

图1是驻波法测量衰减系数的原理示意图。

图2是本发明实施例的测量方法流程示意图。

图3是本发明实施例的系统结构示意图。

图4是本发明实施例增加梯度系统的结构示意图。

图5是本发明实施例的磁体模块磁场分布示意图。

图6是本发明实施例的核磁共振脉冲序列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种剪切波衰减系数测量方法与系统，用以解决现有技术中超声检测法不能穿透某些介质导致测量失败的问题。其中，方法和系统是基于同一发明构思的，由于方法及装置解决问题的原理相似，因此装置与方法的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

本发明中所涉及的多个，是指两个或两个以上。另外，在本发明的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

本发明实施例提供了一种剪切波衰减系数测量方法与系统，该方法与系统基于低场核磁共振原理实现，以非侵入式，非破坏式的方式测量固体或者半固体的衰减系数。本发明实施例的测量方法还具有低成本、测量时间短、定位准确、测量结果可重复性高的优点。具有既可以用于工业检测，也可以用于医学检测的特点。下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

参阅图2所示，本发明实施例提供一种剪切波衰减系数测量方法，包括：向振动状态稳定的被测物体施加核磁共振脉冲序列，并配合静态或可控梯度磁场进行运动编码，以检测所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，分析处理所述核磁共振回波信号得到剪切波衰减系数。

通过对被测物体施加核磁共振脉冲序列，对被测物体进行运动编码，定位被测物体的空间位置，采集至少两个不同位置的磁共振信号，最终由磁共振信号的相位信息和所测点与振动源的距离等信息直接计算出衰减系数。

可选地，所述向振动状态稳定的被测物体施加核磁共振脉冲序列，并配合静态或可控梯度磁场进行运动编码，以检测所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括：向作简谐振动的、处于梯度磁场中的被测物体施加90°射频脉冲，根据振动源的频率确定至少一个180°射频脉冲的施加时刻并于该时刻向所述振动状态稳定的被测物体施加所述至少一个180°射频脉冲。

如图5所示，在振动状态稳定后，施加一个90°射频脉冲，由于磁场梯度的存在，ROI范围内一定厚度内的自旋将被激发，根据振动源的频率可以确定180°脉冲的施加时刻。在180°脉冲之后，自旋聚相，在物质内不同两点检测回波信号并传回控制台完成计算。在实际中，可以通过部分运动编码缩短回波时间或多次信号累加来提高信噪比。此外，为了提高相位信噪比，可以施加多个180°脉冲。

定位被测物体的空间位置，可以使用梯度磁场作用与被测物体的方式来实现。梯度磁场主要用于空间定位，包括相位编码及频率编码，可以通过梯度磁场明确空间上的任意位置。本发明实施例的系统采用了特殊磁场分布的单边磁体，一般地，采用传统的低场磁共振系统或其他形式的磁体设计方案也能达到相同的目的。

可选地，测量所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括检测所述被测物体不同中心频率的核磁共振回波信号；或包括检测磁体和/或探头与所述被测物体的不同位置处的核磁共振回波信号。

本发明实施例需要测量两个位置的磁共振信号，可以通过改变中心频率的方式或者改变磁体、探头与被测物体的相对位置的方式实现。

可选地，所述测量所述被测物体至少两个不同位置的核磁共振回波信号，包括对每一个位置等间隔的调整振动源的初始相位用以获取该位置一系列的核磁共振回波信号。

优选地，对每个位置采集一组核磁共振回波信号；对每个位置的一组核磁共振回波信号的采集，可以通过对每一个位置等间隔的调整振动源的初始相位来获得，所述等间隔指的是各个振动状态下各个初始相位的差值固定；优选地，各个初始相位的等间隔的值大于2π。

可选地，所述分析处理所述核磁共振回波信号得到剪切波衰减系数，包括：

设S1(θ,n)为在第一位置采集到的核磁共振回波信号，S2(θ,n)为在第二位置采集到的核磁共振回波信号，θ表示振动源的初始相位，第二维n表示回波的点数；

分别对S1(θ,n)和S2(θ,n)的第二维做一维傅里叶变换，取最低频部分的相位，分别得到和

分别对

和

做一维相位反卷折运算；

分别计算和即分别计算

和

的峰值，得到

计算第一位置和第二位置处剪切波振幅

式(5)和(6)中，G为运动敏感梯度，γ为拉莫尔频率，T为剪切波振动周期，N为在整个运动编码持续时间内剪切波的周期数目；

按以下公式(7)运算出剪切波在组织内传播的衰减系数值

式(7)中α是衰减系数，r₁是第一位置距振源距离，r₂是第二位置距振源距离。

其中，当测量的位置为两个时，第一位置和第二位置与测量的两个位置一一对应；当测量的位置为3个及以上时，第一位置和第二位置为3个及以上的测量位置中的任意两个。

本发明实施例仅阐述采集了两个位置进行衰减系数计算的方法。实际上，可以采集两个以上的位置，用与本发明公开方法类似的方法测量衰减系数，都应属于本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤，而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

如图3所示，本发明实施例还提供一种用于实现所述的剪切波衰减系数测量方法的测量系统，包括磁共振系统，用于按照核磁共振脉冲序列指令发射射频脉冲，定位被测物体空间位置，用于接收核磁共振回波信号；机械振动激励装置，用于接收所述磁共振系统发出的射频脉冲信号并根据所述信号使被测物体产生简谐振动；核磁共振控制台，控制磁共振系统运行核磁共振脉冲序列指令，接收磁共振系统采集到的核磁共振回波信号，对所述核磁共振回波信号分析处理。

可选地，为便于携带所述磁共振谱仪和磁体模块均为便携式。所述磁共振系统为便携式低场磁共振系统，从而，使整体系统更轻巧便捷，成本更低。

核磁共振控制台发送核磁共振脉冲序列指令至机械振动激励装置，机械振动激励装置作用于被测物体使其产生简谐振动，被测物体在磁共振系统中通过梯度磁场进行空间位置定位，磁共振系统将被测物体的核磁共振回波信号接收后返回至核磁共振控制台；核磁共振控制台通过指令控制机械振动激励装置对每一个位置等间隔的调整振动源的初始相位来获得一系列核磁共振回波信号返回至核磁共振控制台；核磁共振控制台也可以通过指令以及相应的执行机构以改变中心频率的方式或者改变磁体、探头与被测物体的相对位置的方式来产生不同位置的核磁共振回波信号并将其返回至核磁共振控制台；核磁共振控制台接收到不同位置的一系列核磁共振回波信号后对所述核磁共振回波信号分析处理，得到衰减系数。

可选地，所述磁共振系统包括磁共振谱仪、射频功放、前置放大器、收发切换模块、磁体模块以及射频探头；磁共振谱仪，用于向机械振动激励装置发送触发信号，所述磁共振谱仪通过射频功放与收发切换模块连接；收发切换模块，用于切换所述磁共振系统的发射状态和接收状态；射频探头，所述射频探头与收发切换模块连接；发射状态下，所述射频探头用于向被测物体发射射频脉冲；接收状态下，所述射频探头用于接收被测物体检测靶位受激发后产生的核磁共振回波信号；磁体模块，用于产生静态梯度磁场对被测物体进行空间定位。

优选地，收发切换模块通过前置放大器与磁共振谱仪连接；所述振动发生器通过功率放大器与信号发生器连接。

具体地，如图3所示，磁共振谱仪通过射频功放与收发切换开关连接；磁共振谱仪通过前置放大器与收发切换开关连接；磁共振谱仪通过收发切换开关与射频探头连接；所述收发切换模块用于切换所述便携式磁共振系统处于发射状态或接收状态，发射状态下，所述探头发射射频脉冲；接收状态下，所述射频探头用于接收被测物体靶位受激发后产生的核磁共振回波信号。磁共振谱仪与机械振动激励装置通讯；磁共振控制台通过射频功放分别与磁共振谱仪和收发切换开关连接；所述磁体模块设于射频探头后侧；被测物体设于射频探头与机械振动激励装置的传动杆之间；传动杆将机械振动激励装置的振动传给被测物体，使被测物体在磁体模块的梯度磁场中作简谐振动。

优选地，若使用静态磁场，所述磁共振谱仪不设梯度控制模块，因此也无需设置相应的梯度线圈。磁体模块设有单边磁体，背面连接设有磁轭，背面磁场强度迅速衰减，所述单边磁体产生一个静态磁场，所述静态磁场在ROI范围内存在AP-LR平面内的线性或近似线性梯度，在ROI范围之外，磁场均匀地迅速衰减；磁体模块的磁场分布如图6所示。

可选地，若使用可控梯度磁场，如图4所示，所述磁共振系统还包括梯度系统；所述梯度系统包括梯度放大器和梯度线圈；所述梯度放大器与磁共振谱仪通讯，梯度放大器与梯度线圈连接；所述梯度线圈设于射频探头和磁体模块之间，用于对被测物体产生可控梯度磁场。

梯度系统由梯度放大器和梯度线圈组成，由磁共振谱仪控制，经由梯度放大器将信号放大后由梯度线圈在被测物体所在空间内形成梯度磁场；本实施方式中除脉冲序列和静态梯度磁场配合进行运动编码外，脉冲序列也可与梯度系统配合，利用梯度线圈产生的可控梯度磁场来进行运动编码。

优选地，所述磁共振谱仪设有发射和门控单向信号通路，所述磁共振谱仪通过发射和门控单向信号通路与射频功放连接；所述磁共振谱仪通过收发转换门控与收发切换开关连接，所述射频功放将发射信号放大后与收发切换开关连接，所述收发切换开关与所述射频探头连接。

可选地，机械振动激励装置包括信号发生器、功率放大器和振动发生器；信号发生器，用于接收磁共振谱仪发出的触发信号并根据所述触发信号驱动振动发生器产生简谐振动；振动发生器，所述振动发生器与传动杆连接；所述振动发生器通过传动杆作用于被测物体使所述被测物体产生简谐振动。

优选地，所述信号发生器为波形发生器，波形发生器向功率放大器发送50HZ正弦波进行放大，振动功率放大器与信号发生器连接，信号发生器与所述磁共振谱仪连接，接收磁共振谱仪发出的触发信号由信号发生器传递至振动发生器，振动发生器驱动传动杆产生简谐振动；所述简谐振动器经由传动杆紧贴在被测物质邻近表面上产生振动后在其内部产生剪切波，所述剪切波在AP方向上传播，引起组织内质点在LR方向上做简谐振动，所述核磁共振控制台与所述磁共振谱仪连接，控制运行磁共振脉冲序列指令，并接收磁共振谱仪采集到的核磁共振回波信号，完成实时数据处理。

本领域普通技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。