專利名稱：一種磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種檢測方法，具體地說是一種磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法。
背景技術：
磁共振成像(MRI)系統(tǒng)是一個復雜的臨床醫(yī)學影像系統(tǒng)。圖1顯示了現(xiàn)代磁共振成像系統(tǒng)的結構，其中包括主磁體1，梯度線圈2，梯度放大器3，梯度波形發(fā)生器4，射頻線圈5，T/R開關6，前置放大器7，接收機8，射頻信號源9，射頻功放10，脈沖序列發(fā)生器11以及系統(tǒng)主時鐘12。整個MRI設備由三大系統(tǒng)組成。由主磁體及其附件(圖1未示出)組成的系統(tǒng)稱為磁體系統(tǒng)；由射頻線圈(發(fā)射)、射頻功放、射頻信號源所組成的子系統(tǒng)稱為射頻發(fā)射系統(tǒng)，由射頻線圈(接收)、前置放大器、接收機所組成的子系統(tǒng)稱為射頻接收系統(tǒng)，射頻發(fā)射和接收線圈可以共用一個線圈，同時它們也共用一個系統(tǒng)主時鐘，接收和發(fā)射系統(tǒng)組成磁共振成像系統(tǒng)中的射頻系統(tǒng)。由梯度波形發(fā)生器，梯度放大器和梯度線圈組成的是梯度系統(tǒng)。
為了獲得不受偽影和外界干擾的清晰圖像，需要磁共振成像系統(tǒng)中的上面提到的三大系統(tǒng)均正常工作。實際上在磁共振成像中，要得到一幅2維MRI圖像(n×m)需要進行n次采集數(shù)據(jù)，每次采集m個數(shù)據(jù)點。圖像偽影的產(chǎn)生可以看作是每次采集得到的核磁共振信號受到了擾動，而且這種額外干擾的因素是來自多方面的。假設每次采集得到的核磁共振信號為S(t)，它是由射頻接收線圈接收到的核磁共振信號A(t)經(jīng)過接收機放大(增益為G)與檢波(參考信號為B)之后得到的
S(t)＝A(t)·G·B(t)(1)核磁共振信號A(t)的初始幅度和相位取決于射頻激發(fā)脈沖(射頻發(fā)射系統(tǒng))，其隨時間的演化由靜態(tài)磁場B0(磁體系統(tǒng))和梯度磁場(梯度系統(tǒng))決定。G和B(t)都是描述射頻接收系統(tǒng)的?？梢?，MRI系統(tǒng)中的任何部分出現(xiàn)異常，都可能導致偽影或干擾，嚴重地影響圖像質量。因此為了消除圖像偽影，需要有效地找出偽影產(chǎn)生的具體原因。
判斷偽影是否由梯度產(chǎn)生的辦法非常簡單，通?？梢酝ㄟ^關閉和打開梯度系統(tǒng)，比較采集到的核磁共振信號相位抖動情況來判斷。
相對而言，判斷偽影產(chǎn)生的原因是磁體系統(tǒng)還是射頻系統(tǒng)就比較復雜了，因為他們通過(1)式中的A(t)耦合著。目前，人們通常采用一種名為“Loop Back”的測試方法來測試磁共振成像系統(tǒng)的故障或進行安裝調試，其連接方式如圖2所示，圖3給出了其內(nèi)部結構。在此方法中，射頻信號源輸出特定的調制信號如軟脈沖激發(fā)(Sinc)、三角波(Tri-Angle)等調制信號，輸出到射頻功放，經(jīng)過一個衰減器后輸入到成像系統(tǒng)的前放，由接收機進行放大接收和采樣，如果發(fā)射通道和接收通道都正常工作，則處于接收信號鏈末端的數(shù)字接收機將解調接收得到正確的基帶信號。使用此方法能夠判定系統(tǒng)發(fā)射通道和接收通道的工作情況。例如，為了測試頻率源輸出信號和接收機本振信號是否相干時，可以采用此方法把頻率源輸出的信號直接輸入到接收機中，如果接收機每次接收到的信號相位都保持一致，則可以認為頻率源與接收機具有很好的相干性。利用此方法還可以測試射頻功放的諧波失真、接收機帶寬、增益、T/R門控隔離度以及是否存在信號干擾等等。
通常在MRI系統(tǒng)中，接收通道和發(fā)射通道共用一個時鐘源，該時鐘源稱為系統(tǒng)時鐘或者主時鐘。假設系統(tǒng)時鐘發(fā)生了漂移，發(fā)射通道的信號可以表示為S(t)trans=ei{A0[ω0+δω(t)]·t+φ0}---(2)]]>
通常射頻系統(tǒng)輸出信號的頻率與系統(tǒng)主時鐘不一致，為了得到所需的信號頻率，往往需要進行頻率合成。在這里我們引入發(fā)射通道的倍頻系數(shù)A0來表示發(fā)射通道實際輸出信號的頻率。上式中的ω0為系統(tǒng)主時鐘的頻率，δω(t)為系統(tǒng)主時鐘的漂移量。φ0為發(fā)射通道的初始相位。同樣，接收通道中本地振蕩器(本振)的信號可以表示為S(t)rec=ei{A1[ω0+δω(t)]·t+φ1}---(3)]]>其中，A1為接收通道的倍頻系數(shù)。ω0為系統(tǒng)主時鐘的頻率，δω(t)為系統(tǒng)主時鐘的漂移量。φ1為發(fā)射通道的初始相位。在通常情況下，為了解調得到基帶信號，發(fā)射通道的信號頻率應等于接收機本振的頻率，即A0＝4。經(jīng)過接收機本振解調濾波后，基帶信號可以表示為S(t)base=ei(φ0-φ1)---(4)]]>由上式可知，即使系統(tǒng)主時鐘的頻率發(fā)生了漂移，只要射頻信號源和接收機工作正常，還是能夠保持每次采樣信號的初始相位一致。因此，采用“Loop Back”方法只能夠檢測射頻系統(tǒng)中除系統(tǒng)時鐘以外的其它部分的工作情況。
為了彌補上述方法的缺陷，一個較為直接的方法是在通過“LoopBack”方法對射頻系統(tǒng)進行測試的基礎上，使用一臺具有更高頻率精度，更小相位噪聲的信號源，如PTS(Programmable Test Sources)公司的頻率源產(chǎn)品，代替系統(tǒng)的主時鐘，再進行核磁共振實驗。此時如果發(fā)現(xiàn)核磁信號的初相位抖動現(xiàn)象消除則可肯定是原系統(tǒng)時鐘發(fā)生故障，否則，可以確定是由于磁體等因素引起了圖像偽影。雖然此方法能夠判定是磁體系統(tǒng)還是射頻系統(tǒng)導致圖像偽影。但是，此方法也有一定的局限性。首先，該方法使用了造價昂貴、體積龐大的高精度頻率源作為成像系統(tǒng)的主時鐘。其次，將外部時鐘源與MRI系統(tǒng)連接需要考慮阻抗匹配和電壓匹配等因素。最后，也是最重要的，“Loop Back”方法無法對射頻線圈進行測試，因此它對射頻系統(tǒng)的測試是不完整的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足而提供的一種簡單、易行的磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于它包括以下具體步驟成像檢測正?！鷻z測結束，非正?！P掉梯度系統(tǒng)；對核磁信號進行檢測正?！蘩硖荻认到y(tǒng)直至成像檢測正常→檢測結束，非正?！鷮ι漕l系統(tǒng)進行檢測正?！鷮Υ朋w進行修理直至成像檢測正?！鷻z測結束，非正?！蘩砩漕l系統(tǒng)直至射頻檢測正常→成像檢測正?！鷻z測結束，非正常→對磁體進行修理直至成像檢測正?！鷻z測結束。
所述射頻系統(tǒng)的檢測是將一石英晶體放置在主磁體的線圈中，用一個射頻激發(fā)脈沖對石英晶體進行多次照射，并采集石英晶體產(chǎn)生的機械共振信號，采集得到的信號相位保持相干，則射頻系統(tǒng)正常；采集得到的信號相位發(fā)生漂移或者抖動，則射頻系統(tǒng)自身存在故障。
本發(fā)明除了在磁共振成像(MRI)儀器的日常維護中可以簡便而有效地判別磁共振圖像偽影的來源，還對磁共振成像(MRI)儀器的初次安裝調試有一定指導意義，本發(fā)明中所采用的樣品是使用非常廣泛而且價格十分低廉的石英晶體，從而可以大大降低磁共振成像(MRI)設備的維護費用。


圖1為磁共振成像系統(tǒng)結構示意2為現(xiàn)有檢測方法的連接示意3為現(xiàn)有射頻系統(tǒng)檢測方法流程4為本發(fā)明檢測方法的連接示意5A為石英晶體信號產(chǎn)生示意5B為本發(fā)明中所采用的激發(fā)石英晶體的脈沖序列圖6為本發(fā)明流程圖具體實施方式
要對磁共振成像(MRI)射頻系統(tǒng)進行完整檢測，必須把射頻線圈包括在內(nèi)，這時“Loop Back”方法就比較困難了。原因是該方法的接收信號來源于發(fā)射通道，這就要求儀器支持同時進行射頻信號的發(fā)射和接收。但是，當包含射頻線圈之后，為了保護接收機(特別是前置放大器)不被射頻激發(fā)脈沖的高壓擊穿，在射頻發(fā)射的時候，對接收機輸入端作了短路保護。另外，為了避免發(fā)射通道的噪聲或干擾串進接收機，在信號接收期間對發(fā)射通道進行了隔離。圖1中的T/R開關即起到此作用。因此在這情況下，MRI儀器將不再允許同時進行發(fā)射和接收。
在這種條件下，觀測樣品被激發(fā)之后產(chǎn)生的自由感應衰減(FID)信號是唯一的選擇。然而，核磁共振樣品的信號不可避免地受到主磁場的影響，故無法判斷其抖動到底來源于射頻系統(tǒng)還是磁體系統(tǒng)。因此在本發(fā)明中，我們采用了一片石英晶體作為實驗樣品，對射頻系統(tǒng)進行完整檢測。
在本發(fā)明中，我們用石英晶體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的核磁共振樣品，石英晶體被放置在主磁體的射頻線圈中。隨后，用一個射頻激發(fā)脈沖對石英晶體進行照射，這樣就在射頻線圈空間內(nèi)產(chǎn)生了較強的射頻場。由于石英晶體的壓電效應，外部的較強電磁場能夠使其產(chǎn)生受迫機械振動，當射頻頻率和石英晶體的固有頻率相近時，石英晶體就發(fā)生了機械共振效應，其振動幅度達到最大值。當撤除射頻脈沖后，石英晶體的機械振動還將保持其固有的共振頻率持續(xù)振蕩。由于阻尼作用，其振幅將逐漸減小。而石英晶體的機械振動又會在附近空間內(nèi)產(chǎn)生高頻振蕩電磁場，進而被射頻接收線圈所感應到。由于石英晶體的機械振動來源于磁共振激發(fā)脈沖的激勵，屬受迫振動，所以其振動相位和激發(fā)脈沖的相位相干，如附圖5所示。石英晶體產(chǎn)生的信號可以表示為，S(t)=A0ei(ω0t+φ0)·e-t/τ---(5)]]>其中ω0為激發(fā)脈沖的頻率，t為時間，τ石英晶體的阻尼系數(shù)。從上式可見，石英晶體產(chǎn)生的信號與磁場強度無關，其相位只與激發(fā)脈沖的相位相關。當石英晶體產(chǎn)生的微弱信號被射頻線圈檢測到，隨后經(jīng)過前置放大器放大，并且被接收機本振解調，接收機的本振信號可以表示為SLO(t)=A0ei[(ω0+δω)t+φ1]---(6)]]>其中，δω代表系統(tǒng)主時鐘的漂移。最后得到的基帶信號可以表示為S(t)bas=A0ei(δωt+φ1-φ0)·e-t/τ---(7)]]>從上式我們可以看出，如果此時系統(tǒng)的主時鐘發(fā)生了漂移，那么接收到的石英晶振信號的相位也將發(fā)生變化。
在上述過程中，石英晶體產(chǎn)生的高頻振蕩電磁場與普通核磁共振樣品產(chǎn)生的宏觀磁化矢量相似之處在于，兩者都與射頻激發(fā)脈沖的相位有關。它們的不同之處在于，石英晶體的FID信號不依賴于主磁場大小的改變而發(fā)生變化，而且和激發(fā)其振蕩的射頻脈沖保持相干。對于普通的核磁共振樣品，其共振頻率與主磁場的頻率成正比，此時，如果主磁場的發(fā)生改變，那么核磁共振信號的相位也將發(fā)生漂移。
當每次采樣的磁共振信號相位發(fā)生漂移時，可以使用一塊固有共振頻率與該磁共振系統(tǒng)的共振頻率較接近的石英晶體作為測試樣品，放入射頻(接收)線圈中。隨后，使用射頻脈沖對石英晶體進行激發(fā)，然后采集石英晶體產(chǎn)生的共振信號。如果每次采集得到的信號相位都保持相干，則說明射頻系統(tǒng)(包括系統(tǒng)主時鐘和射頻線圈在內(nèi))工作正常。如果采集得到石英晶體的信號相位發(fā)生漂移或者抖動，那么就說明射頻系統(tǒng)自身存在著故障。
實施例以下結合附圖對本發(fā)明特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術人員的理解如附圖1所示，一個典型的磁共振成像系統(tǒng)一般由如下部件組成主磁體1、梯度線圈2、梯度放大器3、梯度波形發(fā)生器4、射頻線圈5、T/R開關6、前置放大器7、接收機8、射頻信號源9、射頻功放10、脈沖序列發(fā)生器11、系統(tǒng)主時鐘12以及控制計算機組成。主磁體1產(chǎn)生磁共振成像所需要的主磁場；梯度放大器3，梯度線圈2產(chǎn)生樣品的空間編碼；射頻信號源9和射頻功放10產(chǎn)生激發(fā)樣品的射頻脈沖樣品的核磁共振信號經(jīng)前放7放大后被接收機8進一步放大、混頻和采樣。脈沖序列發(fā)生器11用于產(chǎn)生磁共振成像的各種脈沖序列。
附圖2所示的是現(xiàn)有“Loop Back”檢測方法的連接示意圖。因為射頻功放10輸出的射頻信號幅度很大，為防止損壞前置放大器7，所以在這里需要加一個衰減系數(shù)較大的衰減器13。經(jīng)過衰減的信號輸入前置放大器7，并且由接收機8接收，解調和采樣，最后得到磁共振的基帶信號。上述各部件的內(nèi)部結構圖如附圖3所示。在磁共振成像中，往往需要進行選擇性激發(fā)，為了快速切換射頻信號的頻率、相位和幅度，在頻率源中通常采用數(shù)控振蕩器(NCO)14產(chǎn)生數(shù)字化的射頻信號，然后經(jīng)過模數(shù)轉換器(DAC)15轉變成模擬射頻信號輸出。射頻信號經(jīng)過衰減器和前放后被接收機再進行放大19、混頻16A，16B、濾波17A，17B和采樣18A，18B。由于磁共振系統(tǒng)的主時鐘頻率往往低于數(shù)控振蕩器的時鐘，所以通常采用鎖相環(huán)20來實現(xiàn)NCO的高頻時鐘。
附圖4是本發(fā)明所用的檢測方法的連接示意圖。此圖和附圖1不同之處在于，本發(fā)明中的實驗樣品是一塊固有共振頻率與成像系統(tǒng)共振頻率(工作頻率)相近的石英晶振21。本發(fā)明中樣品產(chǎn)生的信號不是核磁共振信號，而是由石英晶振的機械振動而產(chǎn)生的FID信號，它不受主磁場強度漂移的影響。工作過程如下首先由射頻信號源輸出一個射頻脈沖，經(jīng)過射頻功放放大。然后，T/R開關6被打開，此時由射頻功放產(chǎn)生的大功率信號通過射頻線圈照射到石英晶體上。與此同時，前放和接收機系統(tǒng)被T/R開關關閉。當射頻持續(xù)照射晶體持續(xù)一段時間之后，T/R開關關閉，射頻脈沖被撤銷。再等待一段時間之后，T/R開關切換，打開前級放大器和接收機系統(tǒng)，對信號進行接收和采樣，并且把采樣得到的數(shù)據(jù)傳送給主機做進一步的處理。在上述整個過程中，T/R開關和接收機8采樣由脈沖序列發(fā)生器11控制。
附圖5是石英晶體信號的產(chǎn)生示意圖。附圖5A所示，當石英晶體21受到一個較強的接近其固有共振頻率的射頻照射22時，晶體21產(chǎn)生機械振動，因此它的振動相位和激發(fā)的射頻脈沖的相位保持相干，被射頻脈沖激發(fā)后，石英晶體產(chǎn)生FID信號23，它的相位與激發(fā)脈沖22相干，幅度逐漸衰減。此時，如果系統(tǒng)的主時鐘、鎖相環(huán)以及接收機本振頻率發(fā)生漂移，而石英晶體的振動仍然和激發(fā)的射頻脈沖相干，那么就會引起接收到的信號發(fā)生相位漂移。附圖5B所示的是采用本發(fā)明的測試方法所用的脈沖序列，其中，tacq為磁共振系統(tǒng)的死時間，主要用于避免前置放大器和接收機的飽和，線圈振鈴對信號產(chǎn)生的干擾。對于0.3T的磁共振成像系統(tǒng)，可以采用與其共振頻率接近的12.768MHz石英晶體。也可以采用市場上廉價的晶體振蕩器，這時需要去除其金屬外殼(至少要取掉金屬外殼的一面)。本發(fā)明對射頻系統(tǒng)完整檢測的具體實施方案如下第一步，選擇去除金屬外殼的共振頻率為12.768MHz的石英晶體作為實驗樣品。
第二步，采用頻率為12.768的射頻單脈沖實驗激發(fā)石英晶體產(chǎn)生射頻信號。
第三步，等待死時間tacq如100us后對石英晶體的信號進行采樣，保存。
第四步，計算信號的初相位值，并且返回到第二步，重復實驗若干次。
第五步，最后分析每次采樣到的石英信號的相位抖動情況。
附圖6為本發(fā)明中所采用的流程圖，它描述了本發(fā)明中所提出的磁共振成像系統(tǒng)的完整檢測方法。
權利要求
1.一種磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于它包括以下具體步驟成像檢測正?！鷻z測結束，非正?！P掉梯度系統(tǒng)；對核磁信號進行檢測正常→修理梯度系統(tǒng)直至成像檢測正?！鷻z測結束，非正常→對射頻系統(tǒng)進行檢測正?！鷮Υ朋w進行修理直至成像檢測正常→檢測結束，非正常→修理射頻系統(tǒng)直至射頻檢測正?！上駲z測正常→檢測結束，非正常→對磁體進行修理直至成像檢測正?！鷻z測結束。
2.根據(jù)權利要求書1所述的磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于所述射頻系統(tǒng)的檢測是將一石英晶體放置在主磁體的線圈中，用一個射頻激發(fā)脈沖對石英晶體進行多次照射，并采集石英晶體產(chǎn)生的機械共振信號，采集得到的信號相位保持相干，則射頻系統(tǒng)正常；采集得到的信號相位發(fā)生漂移或者抖動，則射頻系統(tǒng)自身存在故障。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁共振成像系統(tǒng)的檢測方法，特點是射頻系統(tǒng)的檢測是將一石英晶體放置在主磁體的線圈中，用一個射頻激發(fā)脈沖對石英晶體進行多次照射，并采集石英晶體產(chǎn)生的機械共振信號，采集得到的信號相位保持相干，則射頻系統(tǒng)正常；采集得到的信號相位發(fā)生漂移或者抖動，則射頻系統(tǒng)自身存在故障。本發(fā)明除了在磁共振成像(MRI)儀器的日常維護中可以簡便而有效地判別磁共振圖像偽影的來源，還對磁共振成像(MRI)儀器的初次安裝調試有一定指導意義，本發(fā)明中所采用的樣品是使用非常廣泛而且價格十分低廉的石英晶體，從而可以大大降低磁共振成像(MRI)設備的維護費用。
文檔編號G01N24/08GK1718158SQ20051002766
公開日2006年1月11日 申請日期2005年7月11日 優(yōu)先權日2005年7月11日
發(fā)明者王鶴, 徐勤, 劉穎, 李鯁穎 申請人:華東師范大學