專利名稱：磁性共振分析流量計(jì)及流量測(cè)量方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及流體與限定容積(如管子)之間相對(duì)流量的測(cè)量法，具體而言，則涉及用核子或電子磁共振測(cè)量流體流量及成分。
背景技術(shù)：
利用磁共振研究流量的想法可回溯至早期先驅(qū)者的工作，例如在Mansfield.P；Morris.P.G.；的“NMR Imaging in Biomedicine”Advances inMagnelic Resonances，Supplemeut 2；1982；Academic Press，Inc.Orlando32887；P.235.第7.3.5節(jié)中所描述的。先前用于流量測(cè)量或流量映射的已有技術(shù)裝置依賴于兩種所眾知的方法，即飽和或非飽和自旋的“飛行時(shí)間”或利用沿流動(dòng)方向上應(yīng)用梯度區(qū)域的“相編碼”。(Cho，Z.等人，“Foundations ofMedical Imaging；”John Wiley & Sons，Inc.，New York，1993，p.374-386)。“飛行時(shí)間”法的示范為屬于Lew的美國(guó)專利號(hào)4,782,295，而“相編碼”法的示范則為屬于Maneval的美國(guó)專利號(hào)5,532,592。利用化學(xué)變換的化學(xué)成分分析在Slichter，C.P.Springer-Verlag，N.Y.1989所著“Principles ofMagnetic Resonance”中第三版第4章有所討論。
發(fā)明概述本發(fā)明的一較可取的方面是提供一種通用可應(yīng)用的簡(jiǎn)化方法以便根據(jù)在包含有恒定且均勻的Larmor(拉莫爾)射頻激勵(lì)磁場(chǎng)H1的限定空間以內(nèi)的流自旋的靜止時(shí)間來非侵入地測(cè)量各種流量范圍的平均值或繪制出各種流量范圍的速度分布圖。
本發(fā)明的另一較可取的方面在于提供一測(cè)量或繪制信號(hào)圖的方法，該信號(hào)接收自在連續(xù)存在H1Larmor射頻激勵(lì)磁場(chǎng)中的限定空間以內(nèi)運(yùn)動(dòng)著的自旋，其方法是通過周期性梯度場(chǎng)周期性地相調(diào)制H0強(qiáng)主磁場(chǎng)以便引起自旋發(fā)射出圍繞Larmor頻率中心的線或帶譜，其邊帶的振幅為自旋所發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號(hào)的振幅的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號(hào)則為在H1Larmor激勵(lì)磁場(chǎng)中限定空間以內(nèi)的自旋靜止時(shí)間的已知函數(shù)。
本發(fā)明的另一較可取的方面是提供一種方法，用以當(dāng)存在十分強(qiáng)的H1中心Larmor場(chǎng)時(shí)通過解調(diào)并然后將所接收到的信號(hào)同周期性梯度場(chǎng)的相調(diào)制頻率的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)起來而連續(xù)地測(cè)量來自相調(diào)制過的自旋所發(fā)射信號(hào)的十分弱的邊帶。
在本發(fā)明的另一較可取的方面中，相調(diào)制H0場(chǎng)的振幅在空間上加以有序化以允許從空間上繪制出在H1激勵(lì)Larmor場(chǎng)中的限定體積以內(nèi)的自旋靜止時(shí)間圖。
在本發(fā)明另一較可取的方面中，將脈沖Larmor射頻場(chǎng)和脈沖梯度場(chǎng)去除掉，從而減少或消除渦流、瞬變現(xiàn)象以及Gibbs剪切人工效應(yīng)(truncationartifact)。
本發(fā)明的另一較可取方面提供一方法，用以從H1Larmor激勵(lì)場(chǎng)的限定部分的已知幾何形狀內(nèi)的自旋靜止時(shí)間的測(cè)量或分布圖中測(cè)量或以圖表示自旋的速度或矢量(perfusion vector)，所述已知幾何形狀最好由與H1Larmor激勵(lì)場(chǎng)線圈正交纏繞的接收器線圈加以限定以便使噪聲和信號(hào)同H1Larmor激勵(lì)場(chǎng)的耦合基本上解除。
本發(fā)明另一較可取的方面是在H1Larmor激勵(lì)場(chǎng)限定部分的已知幾何形狀中提供流動(dòng)速度或灌注矢量的測(cè)量或分布圖，它構(gòu)建自取決于用H1Larmor頻率激勵(lì)場(chǎng)的已知可調(diào)強(qiáng)度加以測(cè)量的H1Larmor頻率激勵(lì)場(chǎng)的限定部分內(nèi)的自旋靜止時(shí)間的測(cè)量，而并非顯著地依賴于未知的T1自旋晶格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散或影響自旋磁場(chǎng)、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的其他未知參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，這些未知參數(shù)影響本發(fā)明的測(cè)量的信噪比，但并不明顯影響所限定的這些測(cè)量的終點(diǎn)。
本發(fā)明的再一個(gè)較可取的方面是同時(shí)執(zhí)行對(duì)流動(dòng)材料的化學(xué)和物理分析。
本發(fā)明的又一個(gè)較可取的方面是一種用以執(zhí)行上述方法之一或多個(gè)方法的流量計(jì)。


圖1是按本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)建的核磁共振流量計(jì)實(shí)施例的截面，該截面是沿包括流量通道中心軸在內(nèi)的平面切取。
圖2圖解地示出H0場(chǎng)的導(dǎo)電或超導(dǎo)電螺線管主磁體和正交的鳥籠狀Larmor射頻H1線圈，后者可按本發(fā)明的另一實(shí)施例使用。
圖3為圖1流量計(jì)的截面圖，示意性地說明用于在檢測(cè)區(qū)段中產(chǎn)生調(diào)制場(chǎng)h的梯度線圈的位置。
圖4是圖1中所示流量計(jì)檢測(cè)區(qū)段的Larmor射頻激勵(lì)(回轉(zhuǎn))線圈的示意性說明。
圖5是圖1流量計(jì)檢測(cè)區(qū)段的射頻接收線圈的示意性說明。
圖6為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，用于圖1流量計(jì)的信號(hào)處理電路的方框圖。
圖7a-7i是說明本發(fā)明一實(shí)施例的圖6電路工作的圖形和公式。
圖8為本發(fā)明一實(shí)施例的整個(gè)系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一實(shí)施例，其中所有磁共振裝置中均需要的強(qiáng)大而又相對(duì)均勻的H0靜磁場(chǎng)同流量的中軸垂直加以放置。圖中示出按本發(fā)明原理所構(gòu)建的核磁共振流量計(jì)實(shí)施例的截面，該截面沿包括流量通道的中心軸在內(nèi)的平面切取。從管道4一末端2延伸至另一末端3的流量通道1延伸通過通常垂直于流體流動(dòng)方向的恒定磁場(chǎng)，該恒定磁場(chǎng)由磁體組件5提供，該組件包含一對(duì)極面板6和7、永久性板磁體8和9以及相互連接的磁通道結(jié)構(gòu)10和11。借助于兩法蘭12和13連同由非鐵磁體材料制成的固定螺栓和間隔器14、15和16，將磁體組件5和管道4封裝成一單個(gè)整合組件。提供流量通道1的管道4由三部分組成；兩末端17和18由例如不銹鋼、青銅、塑料或玻璃之類的非鐵磁體材料制成，而NMR(核磁共振)檢測(cè)區(qū)段19由例如氟碳塑料、玻璃或陶瓷材料之類的零比價(jià)(zero parity)非導(dǎo)電的抗磁性材料作成。NMR檢測(cè)區(qū)段19包括繞在其外表面的發(fā)射線圈20和繞在靠近發(fā)射器線圈20入口的NMR檢測(cè)區(qū)段19的外表面上或處于其內(nèi)的接收器線圈21。將NMR檢測(cè)區(qū)段19以防泄漏配置形式連接到兩末端17和18，防泄漏配置可以包括環(huán)形密封22和23或結(jié)合耦合。極面板6和7是具有由例如硅鋼一類高質(zhì)量鐵磁材料制成的拋光面的板，用它們來在流體流動(dòng)的方向中的相當(dāng)大的的長(zhǎng)度上提供磁體兩極面間均勻的磁場(chǎng)。包括元件10和11在內(nèi)的磁通道結(jié)構(gòu)同樣由鐵磁材料制成。
圖2顯示出另一種但等效的裝置，其中H0場(chǎng)同流量的中軸對(duì)齊。該圖示出H0場(chǎng)的典型導(dǎo)電或超導(dǎo)電螺線管主磁體和本領(lǐng)域眾所周知的正交鳥籠狀射頻H1線圈。
選擇圖1或圖2中任一實(shí)施例的長(zhǎng)度使得自旋速度測(cè)量范圍的最快部分的經(jīng)過時(shí)間比得上T1自旋晶格弛豫時(shí)間，以便提供合適的磁化使得所檢測(cè)到的信噪比在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是可接受的。較長(zhǎng)的磁體區(qū)段改善了測(cè)量的信噪比，增加構(gòu)造的成本和裝置的尺寸，但正如以下揭示中將會(huì)變得不言自明那樣，并不明顯影響理論的終點(diǎn)。圖1儀器相似于Lew的美國(guó)專利號(hào)4,782,295中所述的儀器，而圖2儀器則相似于Mistretta的美國(guó)專利號(hào)5,408,180中所描述的儀器。
圖3描述一種方法，但并非僅有的方法，其中可為圖1的實(shí)施例提供H0的相調(diào)制周期性梯度分量h。在本發(fā)明的較佳方面，相調(diào)制周期性梯度為極低頻(ELF)或甚低頻(VLF)的梯度場(chǎng)。圖3說明一種方法，用以在對(duì)圖1實(shí)施例較佳的檢測(cè)區(qū)段中產(chǎn)生振幅h的調(diào)制場(chǎng)24，在實(shí)施例中的周期性頻率Ω場(chǎng)由通過梯度線圈25的周期性電流產(chǎn)生?？蓪⒂煞菍?dǎo)電的零比價(jià)順磁材料制成的間隔器23用于確保檢測(cè)區(qū)段。如本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的其他常規(guī)的梯度線圈配置可以與圖1或圖2相結(jié)合以便為H0主磁場(chǎng)提供在空間上周期性有序化的分量(參見Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert；“Applications of timevarying gradients in existing magnetic resonance imaging systems”Med.phys.，vol 13(2)，p164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S.)圖4示出對(duì)圖1實(shí)施例中檢測(cè)區(qū)段較為可取的Larmor射頻激勵(lì)(回轉(zhuǎn))線圈20。圖4示出H1Larmor頻率激勵(lì)場(chǎng)如何能持續(xù)垂直施加到在圖1的實(shí)施例中H0主磁場(chǎng)。常規(guī)的各種不同配置的H1射頻激勵(lì)線圈對(duì)于圖1的配置和圖2的配置為本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知。如技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，H1場(chǎng)的強(qiáng)度可由流經(jīng)電流放大器在射頻線圈中的射頻電流的振幅加以控制，而按照本發(fā)明，此電流強(qiáng)度可加以改變以改變接收器線圈中由自旋發(fā)射的信號(hào)分布。
圖5說明用于圖1配置的接收器線圈的較佳實(shí)施例。圖5表明對(duì)圖1實(shí)施例中檢測(cè)區(qū)段較為可取的長(zhǎng)度L2的射頻線圈21。此接收器線圈以及可適合于圖1配置和圖2配置的其他部件在本技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。如本領(lǐng)域眾所周知，最好是把圖5的接收器線圈放置在靠近自旋流進(jìn)入至H1Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)的進(jìn)口處，并且最好正交纏繞至H1激勵(lì)場(chǎng)線圈的繞組上以使功率放大器噪聲和信號(hào)之間的耦合基本去除。接收器線圈的長(zhǎng)度最好足夠短以使待測(cè)的最低流速的通過時(shí)間相對(duì)于T2*自旋-自旋和D擴(kuò)散時(shí)間效應(yīng)而言較短，T2*自旋-自旋和D擴(kuò)散時(shí)間按指數(shù)律地減少信號(hào)的幅度。這影響了測(cè)量的信噪比，但按照本發(fā)明并不明顯影響測(cè)量的理論終點(diǎn)。
圖6示出邊帶解調(diào)制檢測(cè)器27的較佳實(shí)施例，用于拒絕來自H1Larmor頻率射頻激勵(lì)場(chǎng)中的強(qiáng)中心帶信號(hào)，并通過同參照相調(diào)制頻率的整倍數(shù)的相互關(guān)系檢測(cè)到相關(guān)邊帶的振幅。(屬于Wollin的美國(guó)專利5,757,187，于此通過參考加以引入)。在圖6中，將磁共振流量計(jì)接收器線圈21的天線100耦合至阻抗匹配電路102，經(jīng)保護(hù)電路106饋送至噪聲匹配前置放大器104。將噪聲匹配前置放大器的輸出饋送至射頻放大器108，其輸出21傳送給雙平衡解調(diào)器110、112。將雙平衡解調(diào)器110、112的輸出經(jīng)加法放大器114饋送至交流積分器116和低頻放大器118。如圖8所示，每個(gè)解調(diào)器110和112由來自磁共振主射頻振蕩器28的正交輸出提供輸入。隨后，將解調(diào)器的輸出在加法器114相加以向積分器116(估計(jì)直流電J0()項(xiàng))和放大器118提供相關(guān)輸入，放大器118依次又饋送另外的雙平衡解調(diào)器120組，它們每個(gè)附加的相關(guān)的輸出同樣通過加法器122進(jìn)行加法和積分器124加以積分，從而估計(jì)出頻譜的每一邊帶成分的相對(duì)強(qiáng)度，Jn()。
圖7a-7i提供圖6的信號(hào)分析，示出解調(diào)和交互關(guān)聯(lián)技術(shù)以及可從中測(cè)得和繪制出自旋流動(dòng)速率的概括輸出方程。如圖7a-7i提供圖6電路中信號(hào)處理的逐步數(shù)學(xué)分析。(Poularikas，Alexander D.，“The Transforms andApplications Handbook”，CRC-IEEE press，Boca Raton，F(xiàn)lorida，1996；pages29，185，214，221)。
圖8是本發(fā)明整體系統(tǒng)框圖。在圖8中，流量計(jì)組件26的接收器線圈輸出饋送給同步解調(diào)器和交互聯(lián)系檢測(cè)器27，用以用振蕩器28的Larmor射頻ω0進(jìn)行同步解調(diào)以及與來自分頻器29之相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)檢測(cè)。將解調(diào)器-檢測(cè)器27的輸出饋送給控制射頻功率放大器32的控制器30，放大器32的頻率受Larmor射頻ω0振蕩器28的控制，而其輸出則調(diào)節(jié)流量計(jì)組件26的H1Larmor射頻線圈中的電流，以便調(diào)節(jié)解調(diào)器-檢測(cè)器27的輸出至所需水平，如控制器30所設(shè)定的水平。這種控制器回路是為快速響應(yīng)加以設(shè)計(jì)，而射頻放大器32的電流輸出隨后就如在此所述測(cè)量流量速度。分頻器29饋?zhàn)陨漕l振蕩器28并控制放大器31的頻率Ω，饋送給流量計(jì)組件26中的相調(diào)制線圈25。如在伺服機(jī)構(gòu)理論中眾所周知，放大器31的增蓋以強(qiáng)阻慢響應(yīng)方式受控于控制器30的輸出，以確保如本發(fā)明中所述的最高信噪比水平。ω0Larmor頻率振蕩器28的頻率同樣以強(qiáng)阻甚低響應(yīng)方式受控于控制器30的輸出以確保通過對(duì)因物理變化或化學(xué)變換所引起H1射頻線圈上任何變化負(fù)載阻抗進(jìn)行補(bǔ)償，來保持最高的信噪比水平，如本領(lǐng)域所熟知(“Principles ofMagnetic Resonance”第三版，第4章，slichler，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，ch.2.8 p35-39)。Larmor射頻功率放大器32的電流輸出是所需的被測(cè)量數(shù)值，如此處所述，是平均流量速度的函數(shù)，并將它饋送給表計(jì)或其他合適的指示器或記錄裝置33。ω0Larmor頻率振蕩器29的頻率是流動(dòng)材料的化學(xué)和物理成分的量度(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989)。
以前技術(shù)的飛行時(shí)間技術(shù)比較復(fù)雜，要求重復(fù)Larmor射頻脈沖，其間隔相對(duì)于隨溫度和分子成分而變化的T1(自旋晶格馳豫常數(shù))是較短。以前技術(shù)的相編碼技術(shù)要求自旋回波或受激回波序列中的梯度沿準(zhǔn)靜態(tài)的流量矢量。不采用脈沖技術(shù)的本發(fā)明，相對(duì)并不依賴于自旋馳豫和擴(kuò)散，并且在高雷諾數(shù)測(cè)量模式下能快速地響應(yīng)流量平均速度的變化，或在低雷諾數(shù)圖形模式下能快速地響應(yīng)速度分布的變化。
操作方法在操作的測(cè)量模式中最好調(diào)節(jié)H1Larmor頻率射頻線圈中電流的振幅來控制控檢測(cè)電路中被測(cè)邊帶的振幅。連續(xù)地施加H1場(chǎng)，且最好是非脈沖的。最大信號(hào)或最小的信號(hào)，或在所選邊帶的特定信號(hào)值最好作為用以測(cè)定速度分布平均值的終點(diǎn)加以選擇；而達(dá)到所選信號(hào)電平要求的H1射頻線圈中電流的大小乃是被測(cè)參數(shù)，且正如將要在這里加以表明的那樣，是已知的或接收器線圈的限定幾何形狀中自旋靜止時(shí)間的被測(cè)函數(shù)。
另一方面，在制圖模式中H1Larmor頻率激勵(lì)場(chǎng)的幅度最好保持恒定，主強(qiáng)H0場(chǎng)的相調(diào)制分量的幅度從空間上通過“梯度線圈”加以分布(Shenberg，Itzhak；Macovski，A1bert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med.Phys.，Vol.13(2)，pl164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S)并將所接收的邊帶用于圖7(i)末尾方程式的矩陣近似中。轉(zhuǎn)置矩陣或用Cramer定則解之就提供信號(hào)分布的空間圖，正如屬于Wollin的美國(guó)專利№5,757,187中更為全面加以描述的那樣，這里通過參考完整加以引入。
正如圖8所示，控制器30將設(shè)計(jì)者所選邊帶的推測(cè)的振幅同設(shè)計(jì)者所選的控制系統(tǒng)(也即最大值(式17)，最小值(式18，19)，或優(yōu)化系統(tǒng)性能所選的某些中間值)相比較，并因而產(chǎn)生合理意義的誤差信號(hào)來調(diào)節(jié)Larmor射頻功率放大器32的增益以滿足該設(shè)計(jì)條件。Larmor射頻功率放大器32的輸出電流和線圈20中Larmor射頻激勵(lì)(回轉(zhuǎn))場(chǎng)強(qiáng)H1成比例，因此，是平均流量速度的一個(gè)量度(式17，18)。
一較慢的校正回路測(cè)量來自控制器30的均方誤差信號(hào)輸出，并調(diào)節(jié)相調(diào)制電流的幅度(按照式(25))。
相似地一甚低的校正回路調(diào)節(jié)Larmor射頻主振蕩器28的頻率以補(bǔ)償線圈負(fù)載中的變化，如本領(lǐng)域所熟知。(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P，Springer-Verlag，N.Y.1989)，允許對(duì)流動(dòng)材料的化學(xué)和物理成分中的變化進(jìn)行評(píng)估。
操作理論眾所周知，置于恒定磁場(chǎng)中具有非零自旋或非零比價(jià)抗磁材料的固體或流體按照下式磁化m＝K1H0(1-e-t1/T1) (1)(參見Lew的美國(guó)專利4,901,018)式中m為介質(zhì)的磁化，K1是磁化系數(shù)，H0是鄰近同質(zhì)主磁場(chǎng)的較大靜態(tài)強(qiáng)度，t1為H0場(chǎng)中自旋的平均靜止時(shí)間，而T1則為自旋晶格弛豫時(shí)間，它是能量自旋轉(zhuǎn)移至周圍介質(zhì)的傳送率的量度。在進(jìn)入由H1激勵(lì)場(chǎng)所限定的測(cè)量區(qū)段之前，介質(zhì)已在統(tǒng)計(jì)學(xué)上獲得明顯的磁化。從其輸入到含有H1激勵(lì)場(chǎng)的測(cè)量區(qū)段的裝置長(zhǎng)度的選擇要允許最快運(yùn)動(dòng)著的自旋足夠磁化以產(chǎn)生在存在裝置總噪聲的情況下，獲得適合的信號(hào)強(qiáng)度，使得操作的每一模式都允許對(duì)所需測(cè)量進(jìn)行可靠的評(píng)估。這最好通過在較高流速下進(jìn)行測(cè)量或繪制時(shí)，添加額外的相同磁化區(qū)段來實(shí)現(xiàn)。
H0主磁場(chǎng)引起自旋旋進(jìn)到大約為L(zhǎng)armor頻率ω0，其中ω0＝γH0(2)γ為回旋磁性比，對(duì)每一自旋種類為一常數(shù)。如圖3那樣通過相調(diào)制線圈周期性地變化H0，使ω0周期性地變化以產(chǎn)生ω，其中ω＝γ(H0+hcosΩt) (3)式中h和Ω是H0之周期性分量的振幅和臨時(shí)頻率，ω而則為自旋圍繞H0軸旋進(jìn)到的瞬時(shí)角速度。通過現(xiàn)有梯度線圈組的時(shí)間-變化激勵(lì)可將振幅h作成一空間函數(shù)，用以用圖表示速度或灌注部分(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys，vol13(2)，p.164-169，MAR 1982，N.Y.，U.S.和屬于Wollin的美國(guó)專利5,412,322和5,757,187)。
H1激勵(lì)場(chǎng)正交加以施加到H0場(chǎng)，正如圖4中所示，并具有頻率ω0。它產(chǎn)生一角頻率ω1的自旋激勵(lì)或回轉(zhuǎn)，其中ω1=γH1=dθdt---(4)]]>此旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一垂直于H0場(chǎng)的磁化分量，它可通過其面積矢量垂直于H0場(chǎng)的接收器線圈中由它感生的電壓加以檢測(cè)，這是根據(jù)Maxwell的第二定律(參見這里引入的Wollin的美國(guó)專利№5,412,323和5,757,187)，正如在圖5所示范例的線圈中所檢測(cè)得到的那樣。
接收器線圈中感生的電壓具有頻帶或線頻譜。該譜由圍繞中心Larmar頻率平均分布的邊帶組成，相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍，Ω的振幅分布由對(duì)Sommerfeld積分的各種不同解加以限定，即Bessel，Neumann，或Hankel函數(shù)；而它的寬度正如圖7中所分析的，由H0靜態(tài)場(chǎng)的不均勻性和任何所施加的或固有的靜止梯度加以限定。
在H1Larmor射頻場(chǎng)存在下通過解調(diào)舍棄信號(hào)的中心ω0頻率，允許通過如圖6和7所示同參考相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍的交互關(guān)聯(lián)對(duì)邊帶幅度進(jìn)行測(cè)定。這允許估計(jì)邊帶的幅度而無需利用脈沖技術(shù)，只要自旋在其傳送經(jīng)過由接收線圈所限定的幾何體積期間保留明顯的相干性即可。
在由H1Larmor射頻場(chǎng)激勵(lì)期間或之后，自旋通過許多不同機(jī)構(gòu)而迅速喪失其相位的相干性，其中某些是絕熱的，因而不涉及熵的變化。那些并非絕熱的則包括在局部磁場(chǎng)下的無源擴(kuò)散(由熱方程加以控制)，或者湍流置換或者隨機(jī)更改。凈的可檢測(cè)器性mt指與經(jīng)過H1場(chǎng)的傳送時(shí)間t2相關(guān)mt=K2(msinθ)e-(t2/T2+DK3t23)---(5)]]>式中θ為由H1場(chǎng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的余緯度，T2為自旋-自旋弛豫時(shí)間，D為介質(zhì)的無源擴(kuò)散常數(shù)，而K3則為包含γ和局部梯度場(chǎng)強(qiáng)的系數(shù)。指數(shù)項(xiàng)的作用是使在H1Larmor射頻場(chǎng)中帶有自旋的靜止時(shí)間t2的信號(hào)強(qiáng)度以指數(shù)方式降低，其作用表明，在慢的流量應(yīng)用中采用短的接收器線圈。若干個(gè)這樣短的線圈可以依次布置并串連起來以允許選擇最低待測(cè)的流速范圍。
圖5中接收器線圈范例最好正交于H1Larmor射頻激勵(lì)線圈加以纏繞以使激勵(lì)射頻功率放大器電路和接收器電路之間的噪聲耦合激勵(lì)信號(hào)耦合減至最少。
在經(jīng)過H1eLarmor射頻激勵(lì)場(chǎng)期間，自旋旋轉(zhuǎn)經(jīng)過余緯度角θ，正如在技術(shù)中眾所周知的那樣(Slichter，C.P.；“Principles of MagneticResonance”，Springer-Verlay，New York；第三版，1989，chapter2)。于是可檢測(cè)到的橫向磁化隨H1激勵(lì)場(chǎng)以內(nèi)自旋穿越收器線圈而變化，因?yàn)橛墒?4)可知ω1=dθdt=γH1---(6)]]>θ＝γH1t2(7)而由式(1)和式(5)mt＝K1K2H0(1-e--t1/T1)e-t2/T2*sinγH1t2(8)式中T2*為有效T2，它包括自旋-自旋弛豫、擴(kuò)散和局部場(chǎng)的均勻性等，正如技術(shù)上大家都很多知道的那樣。
定義t2=lv;t1=L1v---(9);(10)]]>式中v為每一流域速度分布中每一分量的速度。
于是對(duì)每一v的分量，總的接收器線圈橫向磁化MT乃為MT=KH0(1-e-L1vT1)∫0L2e-1vT2*sin(γH1vl)dlv---(11)]]>式中K是常數(shù)。
H0為主磁場(chǎng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)常數(shù)。
H1為激勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)度，裝置中可以控制的。
L1是H0場(chǎng)的有效長(zhǎng)度，對(duì)每一最大的流量范圍進(jìn)行選擇。
L2是接收器線圈的有效長(zhǎng)度，對(duì)每一最小的流量范圍進(jìn)行選擇。
l是由每一介質(zhì)成分經(jīng)接收器線圈的敏感體積所經(jīng)過的距離；式(9)T1是介質(zhì)的自旋-晶格弛豫時(shí)間，它典型地介于1-5秒間的范圍。
T2*是有效的自由感應(yīng)衰減阻力系數(shù)，它典型地在50-500msec之間變化。
v是速度分布中每一分量的速度。
如果為L(zhǎng)1磁化區(qū)段足夠長(zhǎng)，即L1＞＞vT1(12)以及L2接收器線圈足夠短，即L2＜＜vT2*(13)則MT=KH0(1γH1)(1-cosγH1L2v)---(14)]]>對(duì)每一速度分布中速度v的每一分量。
對(duì)在接收器線圈以內(nèi)平均值為v的速度分布，最大凈磁化MT(max)為MT=KH0(1γH1)(2)---(15)]]>當(dāng)γH1L2v=π---(16)]]>或v=(γL2π)H1---(17)]]>時(shí)。
最小凈磁化為零或最小值，當(dāng)γH1L2v=2π---(18)]]>或v=(γL22π)H1---(19)]]>對(duì)質(zhì)子 或v＝(4.26×107)(4π×10-7)L2H1(20)v＝53.7L2H1H1以安培/米表示。例如，對(duì)4cm寬接收器線圈，V＝2.14H1米/秒。
(21)這樣，調(diào)節(jié)H1場(chǎng)強(qiáng)以獲取特定的邊帶信號(hào)就產(chǎn)生流量的平均速度。
正如在Wollin的美國(guó)專利5,757,187中及為全面地加以表示的那樣，對(duì)稱偶數(shù)空間自旋信號(hào)分布只產(chǎn)生偶數(shù)序邊帶，而非對(duì)稱奇數(shù)分布則僅產(chǎn)生奇數(shù)序邊帶；有圖7(i)和J(-n)(z)＝-1nJ(n)(z) (22)
(Jahnke，E.；Emde，F(xiàn).；函數(shù)表，第4版，Dover Publications，New York1945，p.128)。因此，若速度分布是對(duì)稱的，則將只有偶數(shù)序邊帶存在，使得第2邊帶的檢測(cè)較為可取，其最大值為 或 和 相調(diào)制頻率Ω的最小值必須大于Larmor頻率的帶寬Δω0(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys.，Vol.13(2)，p.164-169，Mar.1982，N.Y，U.S.，eq.3)，它由主磁場(chǎng)H0的均勻性和任何施加的或內(nèi)在的靜止梯度加以確定。Δω0同樣確定最小的Johnson-Nyquist噪聲功率Pn，后者在圖7(c)每一邊帶中勻相等于Pn＝KbτΔω0(26)式中Kb是波爾曼(Boltzmann)常數(shù)，而τ則為絕對(duì)溫度。
在流量分布總平均流速的測(cè)定要求有湍流。垂直于流動(dòng)中軸的流體動(dòng)量的線性分量并不明顯地影響由平均磁場(chǎng)H0引起的磁化，由均勻H1激勵(lì)射頻Larmor場(chǎng)引起的自旋旋轉(zhuǎn)，或者由短接收器線圈引起的信號(hào)接收，因?yàn)楹推骄牧黧w動(dòng)量相比，這種線性分量很小。相對(duì)慢的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量的分量允許絕熱的自旋同主磁場(chǎng)H0對(duì)齊(“Principles of Magnetic Resonance”第三版，chapter4，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，p23)，且不應(yīng)使自旋明顯異相(dephase)，如果通過接收器線圈的經(jīng)過時(shí)間短的話。然而，大家知道強(qiáng)的動(dòng)量平移和旋轉(zhuǎn)分量產(chǎn)生的“渦流”，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減(Cho，Z.等人；“Foundations of Medical Imaging”，John Wiley&Sons，Inc.，NewYork，1993，P.374-386)，并且正如技術(shù)領(lǐng)域中那些熟練技術(shù)人員所知道的那樣，如果需要，通過適合的量計(jì)管設(shè)計(jì)方法以及通過流動(dòng)條件能避免上述衰減(Spitzer，David W.，“Industrial Flow Measurement”，Instrument Societyof America，1990，p.97)對(duì)于低雷諾數(shù)下流動(dòng)的較低層流動(dòng)狀態(tài)，可以圖表示速度分布(Wollin的美國(guó)專利5,757,187)，或可如上測(cè)定平均值。然而，靠近管壁的十分慢的流動(dòng)自旋將因T1和T2*影響遭受信號(hào)衰減而傾向與使所測(cè)的平均流速增加。
對(duì)于較低雷諾數(shù)下非均勻的速度分布圖，改變H1對(duì)信號(hào)分布或信號(hào)平均值的影響則遠(yuǎn)為復(fù)雜得多，并在屬于Maneval的美國(guó)專利5,532,592和屬于Wollin的美國(guó)專利5,757,187中對(duì)給圖或測(cè)量?jī)烧哒归_了更為全面的討論。
因此，正如上述，控制H1激勵(lì)線圈中的電流以產(chǎn)生接收器電路輸出中所選的邊帶幅度來測(cè)量平均的流速。不均勻的速度分布圖可通過連續(xù)地倒置含有邊帶幅度的矩陣方程，近似圖7(i)積分加以繪制(Wollin的美國(guó)專利5,757,187)。轉(zhuǎn)動(dòng)射頻ω0發(fā)生器到最大功率使之在H1激勵(lì)線圈和流動(dòng)介質(zhì)之間匹配，就產(chǎn)生流動(dòng)材料的化學(xué)和物理成分的估計(jì)(Slichter，op，cit.)。
應(yīng)指出雖然以上描述了核磁共振方法，但本發(fā)明的原理和實(shí)施例可適用于核子或者電磁共振。
雖然以上敘述涉及了用流量計(jì)測(cè)定管中流體的速度，但可用本發(fā)明較佳實(shí)施例的方法和裝置來測(cè)定流體中運(yùn)動(dòng)著管子的速度(也即速度計(jì))。所以，由于上述和在圖1-3中示出的流量計(jì)測(cè)量管子和流體之間相對(duì)的速度，故可將流量計(jì)附于船或其他在流體中運(yùn)動(dòng)的物體來測(cè)定船或其他運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于固定或運(yùn)體著流體的速度。
另外，本發(fā)明的原理和實(shí)施例不僅適用于在管中運(yùn)動(dòng)的液體或氣體流體，而且也適用于其他流體材料的流動(dòng)，例如混合物、泥漿、混凝土、風(fēng)吹的微粒、粘性塑料以及適用于通過流量計(jì)裝置的固體材料的運(yùn)輸。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例現(xiàn)已加以敘述。那些熟練的技術(shù)人員將會(huì)明白，這樣一些實(shí)施例旨在舉例說明本發(fā)明。落在本發(fā)明的精神和范疇之內(nèi)的本發(fā)明的各種不同的其它實(shí)施例將是不言自明的。
權(quán)利要求
1.非侵入地測(cè)量材料和容器之間平均相對(duì)速度值的方法，其特征在于，包含對(duì)容器施加較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0；磁場(chǎng)H0在容器的檢測(cè)區(qū)段對(duì)較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0施加相調(diào)制的周期性分量h；對(duì)所述容器的檢測(cè)區(qū)段，施加Larmor射頻激勵(lì)(回轉(zhuǎn))場(chǎng)H1，正交于H0場(chǎng)；接收來自在容器的檢測(cè)區(qū)段中材料中旋轉(zhuǎn)相調(diào)制過的磁共振自旋的信號(hào)；以及從在容器的檢測(cè)區(qū)段材料內(nèi)的磁共振自旋中所測(cè)量的平均靜止時(shí)間來測(cè)定平均速度值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包含圓柱形管子，而所述檢測(cè)區(qū)段則包含對(duì)其施加場(chǎng)分量h和場(chǎng)H1的管子的區(qū)段。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1施加到鄰近Larmor頻率ω0的接收器線圈的信號(hào)敏感的體積。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含通過以比Larmor頻率ω0小得多的頻率Ω，周期性地調(diào)制檢測(cè)區(qū)段中的場(chǎng)H0來周期性地相位調(diào)制檢測(cè)區(qū)段內(nèi)磁共振自旋。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包含通過與Larmor頻率ω0激勵(lì)磁場(chǎng)H1的頻率卷積，使來自由接收器線圈所接收的相位調(diào)制過的磁共振自旋的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；以及通過同相位調(diào)制周期性場(chǎng)分量h的調(diào)制頻率Ω的倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)來檢測(cè)所解調(diào)的信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)Larmor射頻激勵(lì)H1場(chǎng)的強(qiáng)度以產(chǎn)生由接收器線圈或線圈檢測(cè)到的最大、最小信號(hào)或在其它限定的信號(hào)電平。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含變換H1激勵(lì)場(chǎng)的一頻率ω0以產(chǎn)生匹配于容器內(nèi)運(yùn)動(dòng)材料的阻抗。以及測(cè)量由其Larmor頻率變換帶來的運(yùn)動(dòng)材料的化學(xué)和物理成分的變化。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含調(diào)節(jié)磁場(chǎng)H0的相調(diào)制周期性分量h的振幅以達(dá)到最大可得的所檢測(cè)的信號(hào)輸出。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含沿著管子軸運(yùn)動(dòng)的液體或氣體流體。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含泥漿、泥漿土、風(fēng)吹的微粒、粘性塑料或沿著管子軸運(yùn)動(dòng)的固體材料。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，容器包含速度計(jì)，它相對(duì)于材料在運(yùn)動(dòng)，并且測(cè)量或以圖顯示容器的平均速度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包含流量計(jì)，它相對(duì)于運(yùn)動(dòng)材料是靜止的，并且測(cè)量或以圖顯示運(yùn)動(dòng)著材料的平均速度。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含通過周期性分量h周期性地改變H0主磁場(chǎng)以便相調(diào)制自旋并引起自旋發(fā)射出中心在Larmor頻率的線或帶譜，其邊帶振幅為由自旋所發(fā)射中心帶Larmor頻率信號(hào)的振幅的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號(hào)振幅則是檢測(cè)區(qū)段由位于靠近Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1處接收線圈以內(nèi)所含自旋靜止時(shí)間的已知被測(cè)函數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包含解調(diào)并且然后使所接收信號(hào)的邊帶同周期性分量場(chǎng)h的相調(diào)制頻率Ω的倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)以連續(xù)地測(cè)量或用圖表示相對(duì)的平均速度。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1是連續(xù)的非脈沖的場(chǎng)。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含從空間上使周期性相位調(diào)制分量場(chǎng)h的振幅有序化以直接地從空間上以圖表示檢測(cè)區(qū)段內(nèi)自旋的靜止時(shí)間。
17.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，將接收器線圈正交纏繞于Larmor激勵(lì)場(chǎng)H1線圈，以便噪聲以及使信號(hào)均從Larmor激勵(lì)場(chǎng)H1去耦合，以及測(cè)量或以圖表示接收器線圈的信號(hào)敏感體積內(nèi)自旋的靜止時(shí)間用來測(cè)量或以圖表示自旋的速度成灌注矢量。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含通過調(diào)節(jié)H1Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)的強(qiáng)度和分布測(cè)量檢測(cè)區(qū)段內(nèi)自旋的靜止時(shí)間；以及從那里構(gòu)造流速分布圖或估計(jì)出平均流速或灌注矢量；其中所述方法并不明顯地依賴于未知的T1自旋晶格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散，或者其它影響自旋磁化、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的未知參數(shù)。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，并不采用脈沖場(chǎng)來測(cè)定平均速度。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含變換射頻激勵(lì)場(chǎng)H1的頻率以補(bǔ)償材料中由化學(xué)變換引起的自旋磁共振頻率的變化或補(bǔ)償局部自旋環(huán)境內(nèi)的磁化變化，以及同時(shí)估計(jì)流動(dòng)材料的物理和化學(xué)成分的變化。
21.一種速度測(cè)量?jī)x器，其特征在于，包含圓柱形容器較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0的源施加至靠近容器檢測(cè)區(qū)段的較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0的相調(diào)制周期分量h源頭；靠近容器檢測(cè)區(qū)段的Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1的源頭；靠近容器檢測(cè)區(qū)段的接收線圈；以及電氣耦合至接收線圈的速度測(cè)量電路。
22.如權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于，所述圓柱形容器包含管子。
23.如權(quán)利要求22所述的儀器，其特征在于，較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0的源包含位于靠近管子的永久或電阻性磁場(chǎng)或者纏繞在管子上的螺線管磁體。
24.如權(quán)利要求23所述的儀器，其特征在于，相調(diào)制周期性分量h的源包含靠近所述管子的檢測(cè)區(qū)段纏繞的線圈。
25.如權(quán)利要求24所述的儀器，其特征在于，Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1的源包含靠近所述管子的檢測(cè)區(qū)段的圓柱形或鳥籠狀射頻發(fā)射線圈。
26.如權(quán)利要求25所述的儀器，其特征在于，接收器線圈正交于Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)H1發(fā)射線圈進(jìn)行纏繞。
27.如權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于，所述速度測(cè)定電路包含Larmor頻率振蕩器；提供參照相調(diào)制頻率的分頻器；通過同參照相調(diào)制頻率的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)來檢測(cè)所接收信號(hào)的邊帶振幅的邊帶檢測(cè)器；以及提供輸出速度信號(hào)的放大器。
28.一種速度測(cè)量?jī)x器，其特征在于，包含提供材料的裝置；提供較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0的源的裝置；提供施加到較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)H0的相調(diào)制周期性分量h的裝置；提供射頻激勵(lì)場(chǎng)H1的裝置提供接收來自材料的射頻信號(hào)的裝置；以及確定材料和提供材料的裝置之間相對(duì)速度的裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的儀器，其特征在于，提供材料用裝置提供運(yùn)動(dòng)的材料，而確定裝置判定運(yùn)動(dòng)材料的速度。
30.非侵入性地繪制運(yùn)動(dòng)速度現(xiàn)場(chǎng)的速度分布圖，或測(cè)量其平均值的方法，其特征在于，包含直接確定材料內(nèi)運(yùn)動(dòng)自旋的平均靜止時(shí)間，所述材料處于限定的空間內(nèi)遭受到連續(xù)的、非脈沖的H1Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)的作用。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)材料施加H0較強(qiáng)而不隨時(shí)間變化的主磁場(chǎng)；通過周期性梯度場(chǎng)h周期性地改變H-0強(qiáng)主磁場(chǎng)以便相位調(diào)制自旋，自旋于是發(fā)射出線或帶譜，中心處在Larmor頻率，其邊帶幅度是自旋所發(fā)射中心帶Larmor頻率信號(hào)的幅度的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號(hào)幅度直接是H1Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)中限定空間以內(nèi)自旋的靜止時(shí)間的已知函數(shù)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含解調(diào)和然后使所接收信號(hào)的邊帶同周期性梯度場(chǎng)h的相調(diào)制頻率Ω的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)而連續(xù)地測(cè)量或用圖表示相對(duì)的平均速度。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包含從空間上使周期性梯度h場(chǎng)進(jìn)行排列，并直接從空間上以圖表示自旋的平均靜止時(shí)間。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，接收器線圈正交纏繞在主H1 Larmor激勵(lì)場(chǎng)線圈上以便使來自H1Larmor激勵(lì)場(chǎng)的噪聲和信號(hào)均去耦合；以及測(cè)量或繪制接收器線圈信號(hào)敏感體積中自旋的停止時(shí)間以測(cè)量或繪制自旋的速度或灌注矢量。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包含通過調(diào)節(jié)H1Larmor射頻激勵(lì)場(chǎng)的強(qiáng)度和分布測(cè)量限定空間內(nèi)自旋的靜止時(shí)間以及從中構(gòu)造流動(dòng)速度分布圖或估計(jì)出平均的流速或灌注矢量；其中所述方法并不明顯依賴于未知的T1自旋品格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散或者其它影響自旋磁化、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的未知參數(shù)。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包含變換H1射頻激勵(lì)場(chǎng)的頻率以補(bǔ)償因化學(xué)變換所引起材料中自旋磁共振頻率的變化或局部自旋環(huán)境中磁化的變化。同時(shí)估計(jì)在流動(dòng)材料的物理和化學(xué)成分中的變化。
全文摘要
一種簡(jiǎn)化的磁共振流量計(jì)和流量測(cè)量方法,它依據(jù)H
文檔編號(hào)G01F1/716GK1423743SQ00818423
公開日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2000年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月16日
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