一种提高即时监护型磁共振成像信噪比的系统与方法
阅读说明：本技术 一种提高即时监护型磁共振成像信噪比的系统与方法 (System and method for improving signal-to-noise ratio of real-time monitoring type magnetic resonance imaging ) 是由 王慧贤 杨文晖 王铮 魏树峰 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种提高即时监护型磁共振成像信噪比的系统和方法,包括：整个磁共振成像系统安装在一个可移动的底座上,底座下部设置有机柜,所述的机柜内安装有谱仪系统信号增强装置的驱动电源、梯度及射频功放；底座上方安装有成像磁体,定位系统安装在成像磁体的内部,并且成像磁体内部还设置有信号增强装置,能自由移动,其具体位置由定位系统的指示确定；信号增强装置包括信号增强线圈和主动屏蔽线圈；信号增强线圈产生一个与主磁场方向相同的磁场,主动屏蔽线圈产生一个与主磁场方向相反的磁场,用于抵消信号增强线圈在主磁体上极板和下极板上的磁场,避免信号增强线圈对主磁体的影响；二者共同作用后,产生一个主磁场方向相同的信号增强磁场。(The invention relates to a system and a method for improving the signal-to-noise ratio of real-time monitoring type magnetic resonance imaging, comprising the following steps: the whole magnetic resonance imaging system is arranged on a movable base, the lower part of the base is provided with a cabinet, and a driving power supply, a gradient and a radio frequency power amplifier of a spectrometer system signal enhancement device are arranged in the cabinet; an imaging magnet is arranged above the base, the positioning system is arranged in the imaging magnet, a signal enhancement device is also arranged in the imaging magnet and can move freely, and the specific position of the imaging magnet is determined by the indication of the positioning system; the signal enhancement device comprises a signal enhancement coil and an active shielding coil; the signal enhancement coil generates a magnetic field in the same direction as the main magnetic field, and the active shielding coil generates a magnetic field in the opposite direction to the main magnetic field, so that the magnetic fields of the signal enhancement coil on the upper polar plate and the lower polar plate of the main magnet are counteracted, and the influence of the signal enhancement coil on the main magnet is avoided; the two act together to generate a signal enhancement magnetic field with the same main magnetic field direction.)
技术领域
本发明涉及医学影像技术领域，特别涉及一种提高即时监护型磁共振成像技术信噪比的系统与方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)是目前最好的医学成像诊断方法之一，已成为各大医院必备的设备。总体来说，传统全身磁共振成像设备在应用中存在以下问题：1)仅在放射科配置。由于传统设备体积巨大，运行复杂，对环境要求高，所以目前仅在放射科配备，配置量严重不足，总检测量小，诊断测试对病患针对性不足；2)传统MRI设备不能满足神经科、口腔科、产科、骨科、ICU等科室实际需求；3)对NICU婴儿等特殊患者不能及时诊断等。
即时监护型磁共振成像(Point OfCare Magnetic Resonance Imaging,简称POC-MRI)技术近年来磁共振成像技术发展的一个重要方向。作为全身磁共振成像设备的重要补充， POC-MRI技术使得磁共振成像装备不再局限于放射科应用，而是进入到专业的科室甚至门诊中，实现即时监护成像，比如专门用产科和儿科的新生儿磁共振成像装备，骨科的关节检查装备，口腔门诊检查，重症病房的脑监护成像装备等，这些装备体积小巧，使用灵活，底部安装滚轮后，甚至可以在各科室间移动。特别适用于科室化的监护成像应用、急诊应用、健康体查、应急应用和基层医疗卫生机构，与放射科的大型磁共振成像设备形成互补，在重症监护、分级诊疗、野战救护、抢险救灾等方面将发挥重要作用。
为了实现磁共振成像系统的便携可移动，系统必须轻量化。系统轻量化的代价是磁共振成像磁体主磁场强度的降低。用于POC-MRI的成像磁体其中心磁场强度通常都在2000Gs 以下，有的甚至只有几百高斯，而磁共振成像过程中的信号强度与主磁场强度的平方成正比，这就导致POC-MRI设备的信噪比大大降低，从而影响成像质量。
为了解决可移动便携式磁共振成像技术中信噪比较低的问题，常用的方法是增加信号采集次数进行平均处理，从而增强信噪比，然而增加信号采集次数意味着成像时间的增加，有的成像过程甚至需持续几十分钟的时间，这显然不利于可POC-MRI技术的应用。
发明内容
针对即时监护型磁共振成像技术中信噪比低的问题，本发明提出了一种可用于提高即时监护型磁共振成像信噪比的系统和方法。其基本原理是在成像位置上施加一个与主磁场方向相同的静磁场，该静磁场不参与磁共振成像过程中的空间编码(即在进行空间编码前撤销该静磁场)，也不用来改善原来静磁场的磁场均匀性(即该静磁场对均匀性并无特别要求)，只是用来增加磁共振成像过程中的净磁化矢量，从而达到提高信噪比的目的。
本发明的技术方案为：一种提高即时监护型磁共振成像信噪比的系统，包括：
整个磁共振成像系统安装在一个可移动的系统底座上，底座下部设置有机柜，所述的机柜内安装有谱仪系统信号增强装置的驱动电源、梯度及射频功放；
底座上方安装有成像磁体，定位系统安装在成像磁体的内部，并且成像磁体内部还设置有信号增强装置，能自由移动，其具体位置由定位系统的指示确定；所述信号增强装置包括信号增强线圈和主动屏蔽线圈；其中，
信号增强线圈和主动屏蔽线圈同轴放置，信号增强线圈产生一个与主磁场方向相同的磁场，主动屏蔽线圈产生一个与主磁场方向相反的磁场，用于抵消信号增强线圈在主磁体上极板和下极板上的磁场，避免信号增强线圈对主磁体的影响；信号增强线圈和主动屏蔽线圈二者作用距离、激励电流不同，二者共同作用后，在信号增强区域内产生一个主磁场方向相同的信号增强磁场。
进一步的，所述的信号增强装置中信号增强线圈和主动屏蔽线圈是两对完全相同的圆形导体线圈，纵向同轴放置，并且其轴线与磁共振成像磁体的主磁场方向平行，其中内侧的一对同轴线圈产生的磁场与磁共振成像磁体的主磁场方向相同，为信号增强线圈，外侧一对同轴线圈产生的磁场与内侧同轴线圈产生的磁场方向相反，为主动屏蔽线圈，用以抵消内侧线圈在磁共振成像磁体上下极板上产生的磁场。
进一步的，用于信号增强的电磁线圈与主磁体是分离的，电磁线圈能在主磁体内自由移动，在不需要时还能够移出主磁体。
进一步的，用于信号增强的电磁线圈其产生的磁场只在局部产生磁场，只作用于需要成像的部位，而不是覆盖整个主磁场区域。
根据本发明的另一方面，提出一种利用前述的系统提高磁共振成像信噪比的方法，包括如下步骤：
步骤1、对成像目标进行定位预扫描，确定需成像部位的位置；
步骤2、根据所确定的成像部位位置，利用定位系统将信号增强装置移动到需成像部位的位置上，使得信号增强装置的场中心位置与扫描部位的中心坐标重合；
步骤3、对信号增强装置激励电流，产生一个与主磁场方向相同的磁场，二者共同对成像部位进行极化，从而增大成像部位的净磁化矢量；
步骤4、撤销信号增强装置的激励电流，依照成像序列对成像部位进行成像。
进一步的，通过定位预扫描确定成像位置是指，在正式成像之前首先对成像目标进行矢、冠、轴三个方向进行快速成像，找到需要成像部位的具体位置，给出成像部位在磁共振成像系统坐标系中的坐标。
进一步的，将信号增强装置移动到需成像部位的位置上是指，利用手动移动或者自动移动的方式，将信号增强装置移动到需成像部位的位置。
进一步的，撤销信号增强装置的激励电流，依照成像序列对成像部位进行成像，是指信号增强磁场只持续一预定时间，并不参与磁共振成像过程中的时空编码。
进一步的，撤销信号增强装置的激励电流，其撤销时间远小于成像部位的纵向弛豫时间 (T1)，否则将影响信号增强效果；所述的远小于例如是小于10％。
所述步骤3中，由谱仪系统控制信号增强装置的驱动电源、梯度及射频功放完成成像脉冲序列；序列开始先施加一个持续预定时间GB脉冲，GB脉冲控制信号增强装置的驱动电源产生脉冲驱动电流，在信号增强装置内产生一个与成像磁体方向相同的磁场，二者磁场叠加，成像部位的净磁化矢量M0得到增强。
进一步的，对信号增强装置的控制可纳入到磁共振成像序列中，由磁共振成像系统的谱仪系统根据需要控制信号增强磁场的强度与持续时间。
有益效果：
本发明所述的信号增强方法，利用电磁线圈增加成像部位的极化磁场，增加成像部位的净磁化矢量，达到信号增强效果，其信号增强效果与信号增强线圈产生的磁场强度有关，假设信号增强线圈产生的磁场强度为800Gs，磁共振成像磁体的磁场强度为1000Gs，则其信号强度约提高80％(800/1000)，可有效改善监护型磁共振成像的图像质量。并且信号增强所采用的电磁线圈是一个独立部件，可根据需要移出/移入磁共振成像磁体，在使用时还可以在磁共振成像磁体内自由移动，结构简单，使用方便，便于实现。
附图说明
图1为应用本发明方法的
具体实施方式
的示意图，图中101为磁共振成像磁体，102为成像目标，103为信号增强装置，104为空间定位装置，105为磁共振成像谱仪，106为驱动电源，107为梯度及射频功放，108为系统底座。
图2为具体实施方式的信号增强装置结构图，201为信号增强线圈，202为主动屏蔽线圈，203为上极板，204为下极板，205为信号增强区。
图3为具体实施方式的控制脉冲序列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，整个磁共振成像系统安装在一个可移动的系统底座108上，系统底座108 带有轮子，方便移动。其中磁共振成像谱仪105、信号增强装置103的驱动电源106、梯度及射频功放107安装在系统底座108下部的机柜内，磁共振成像磁体101安装在底座上方，空间定位装置104安装在磁共振成像磁体101的内部，信号增强装置103放在磁共振成像磁体101内部，可自由移动，其具体位置由空间定位装置104的指示确定。
信号增强线圈如图2所示，在使用中信号增强线圈201和主动屏蔽线圈202同轴放置，信号增强线圈201产生一个与主磁场方向相同的磁场，主动屏蔽线圈202产生一个与主磁场方向相反的磁场，用于抵消信号增强线圈201在磁共振成像磁体的上极板203和磁共振成像磁体的下极板204上的磁场，避免信号增强线圈201对主磁体的影响。由于二者作用距离、激励电流不同，因此二者共同作用后，在信号增强线圈的信号增强区205内产生一个主磁场方向相同的信号增强磁场。
根据本发明的方法，信号增强装置是指可产生静磁场的电磁线圈。为了避免该电磁线圈对磁共振系统的不良影响，该电磁线圈还带有主动屏蔽功能。信号增强装置由同轴的两对(四个)完全相同的圆形导体线圈组成，并且其轴线与磁共振成像磁体的主磁场方向平行，其中内侧的一对(两个)同轴线圈产生的磁场与磁共振成像磁体的主磁场方向相同，为信号增强线圈，外侧一对(两个)同轴线圈产生的磁场与内侧同轴线圈产生的磁场方向相反，用以抵消内侧线圈在磁共振成像磁体上下极板上产生的磁场。为提高信号增强装置的效率，内侧的一对同轴线圈应尽可能远离外侧的一对同轴线圈。
根据本发明的一个实施例，用于信号增强的电磁线圈与主磁体是分离的，即信号增强装置是一个分离部件，可以根据需要自由移出/移入磁共振成像磁体。
根据本发明的一个实施例，将信号增强线圈移动到需成像部位的位置上是指，利用手动移动或者自动移动的方式，将信号增强线圈移动到需成像部位的位置坐标上。由于空间梯度编码的零点位于磁共振成像磁体的中心，因此通过预扫描确定的成像部位与空间梯度编码零点的相对位置实际上就是成像部位与磁共振成像磁体中心的相对位置，这里将磁共振成像磁体中心设为成像定位坐标系的原点，磁共振成像磁体主磁场方向为成像定位坐标系的Z轴，根据右手定则建立成像定位坐标系(笛卡尔坐标系)。成像部位的坐标可由预扫描图像测量得到，假设成像部位在成像定位坐标系的坐标为(1mm，2mm，3mm)，保持信号增强线圈的轴线与Z轴平行，将其轴线位置置于(1mm，2mm)处，轴线中心位于成像定位坐标系Z轴的零点位置，即信号增强线圈的中心位于坐标(1mm，2mm，0mm)处。
根据本发明的一个实施例，用于信号增强的电磁线圈其产生的磁场只在局部产生磁场，只作用于需要成像的部位，而不是覆盖整个主磁场区域。
根据所属的方法，对成像部位进行极化是指，对信号增强装置—电磁线圈施加激励电流，电磁线圈将产生一个激励磁场Bp，该磁场与成像系统的主磁场B0方向相同，因此在成像部位局部位置上存在一个B0+Bp的叠加磁场。由磁共振的原理可知，在绝对温度不变的情况下，净磁化矢量M0大小取决于外加磁场强度，磁场越高，M0越大。此时成像部位所形成的净磁化矢量M0与叠加磁场B0+Bp有关，净磁化矢量M0得到增加，图像的信噪比得到提高。
根据本发明的一个实施例，撤销信号增强装置的激励电流，依照成像序列对成像部位进行成像，是指信号增强磁场只持续一段时间(数秒或数十秒等，根据成像部位的弛豫时间而定)，并不参与磁共振成像过程中的时空编码，因此，理论上，有增强磁场存在时的MRI信号与没有增强磁场存在时的MRI信号之间的比为(B0+Bp)/B0，即信号增加的幅度与增强磁场与主磁场之间的比成正比关系。
根据本发明的一个实施例，撤销信号增强装置的激励电流，其撤销时间不能过长，应远小于成像部位的纵向弛豫时间(T1)，否则将影响信号增强效果。
根据本发明的一个实施例，对信号增强装置的控制可纳入到磁共振成像序列中，由磁共振成像系统的谱仪系统根据需要控制信号增强磁场的强度与持续时间。
根据本发明的一个实施例，在具体成像过程中，先将成像目标置入磁共振成像磁体101 的成像区域内，由磁共振成像谱仪105控制梯度及射频功放107进行矢、冠、轴三个方向快速成像，找到需要扫描的部位，由成像软件给出成像部位的中心在成像系统坐标系的具体坐标，空间定位装置104根据坐标引导信号增强装置103移动到相应位置，使得信号增强装置 103产生的磁场作用到成像部位上。由磁共振成像谱仪105控制信号增强装置的驱动电源 106、梯度及射频功放107完成图3所示的成像脉冲序列。
图3所示的成像脉冲序列是一个极化脉冲和一个自旋回波序列的组合，序列开始先施加一个持续时间100ms的GB脉冲，GB脉冲控制信号增强装置的驱动电源106产生脉冲驱动电流，在信号增强装置内产生一个与磁共振成像磁体101方向相同的磁场，二者磁场叠加，成像部位的净磁化矢量M0得到增强，之后按照正常自旋回波序列运行，最终获得信噪比得到提高的自旋回波图像。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
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