一種多通道磁共振成像設備的sar實時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：它包括若干功率測量單元和一數(shù)字信號處理單元，每一功率測量單元包括一雙向定向耦合器、一前向功率傳感器和一反向功率傳感器，數(shù)字信號處理單元包括若干模數(shù)轉換模塊、一微處理器和一存儲器；各功率測量單元分別設置在磁共振成像設備中每一通道的發(fā)射接收開關和射頻發(fā)射線圈之間，測量所在通道的瞬時通過功率，并將測量結果均傳輸至數(shù)字信號處理單元；數(shù)字信號處理單元對接收到的測量結果進行處理后輸出控制信號并傳輸至控制譜儀，由控制譜儀保持開通或關斷相應通道的功率放大器。本實用新型可以廣泛應用于以臨床診斷或科學研究為目的的磁共振成像設備中。
【專利說明】-種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種電磁波能量吸收率監(jiān)測系統(tǒng)，特別是關于一種多通道磁共振 成像設備的電磁能量吸收率SAR(Specific Absorption Rate)的實時監(jiān)測系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 磁共振成像是一種不需要射線和其它電離輻射就能產(chǎn)生人體內(nèi)部圖像的成像方 式，廣泛應用在臨床醫(yī)學和基礎科學，包括生物醫(yī)藥、遺傳基因、神經(jīng)科學、心理學、認知科 學等研究領域。磁共振成像的工作原理大致如下：磁體產(chǎn)生一個磁場強度較強的相對均勻 的基本磁場，即主磁場Btl場，然后在主磁場上迭加一個用于空間位置編碼的三維梯度磁場。 在磁共振成像時，為了產(chǎn)生和獲取磁共振信號，通常需要利用一個或者多個射頻發(fā)射線圈 發(fā)射射頻脈沖，產(chǎn)生一個垂直于主磁場Btl場的旋轉B1射頻場，激發(fā)人體內(nèi)的質子產(chǎn)生磁共 振現(xiàn)象，生成旋轉的橫向磁共振矢量Mxy。旋轉的橫向磁共振矢量Mxy切割一個或者多個射 頻接收線圈，射頻接收線圈接收人體發(fā)出的微弱磁共振信號，最后將獲取的磁共振信號通 過圖像重建得到磁共振圖像。
[0003] 近年來，為提高圖像信噪比，磁共振成像系統(tǒng)中主磁場的場強不斷增強（例如 主磁場強度包括〇. 2T (特斯拉）、0. 35T、I. 5T、3T、4. 7T、H和9. 4T等），然而場強的增 強會使射頻脈沖載頻的頻率升高，從而會在人體內(nèi)沉積更多的電磁能量。另一方面，現(xiàn) 有的磁共振成像技術要求快速成像能力，而快速成像需要磁共振掃描儀在單位時間內(nèi)向 患者發(fā)送更高重復頻率的射頻脈沖序列，這也導致受試者要承受更多的電磁能量。因此 FDA(Food and Drug Administration，美國食品藥物監(jiān)督管理局）和 IEC(International Electrotechnical Commission國際電工委員會）的標準規(guī)定了在磁共振成像中人體電磁 能量吸收率SAR)值不能超過規(guī)定的安全標準。由于現(xiàn)代的磁共振成像技術會使受試者承 受高SAR值，因此必須對磁共振成像中的SAR值進行實時監(jiān)測。
[0004] 對SAR值的實時監(jiān)測除了需要監(jiān)測整個觀察區(qū)域的SAR值，還包括監(jiān)測局部觀察 區(qū)域的SAR值。這是因為隨著磁共振成像系統(tǒng)主磁場場強的不斷增強和射頻頻率的不斷增 力口，隨之產(chǎn)生的射頻發(fā)射場的不均勻性問題越來越突出。為了解決上述問題，磁共振成像 系統(tǒng)發(fā)展了多通道并行發(fā)射技術，但是多通道并行發(fā)射技術由于各個通道間能量分布的 不均勻性，容易造成受試者體內(nèi)整體SAR值并沒有超過閾值而局部區(qū)域SAR值過高的現(xiàn)象， 產(chǎn)生高頻電磁傷害。因此，對局部SAR值的實時監(jiān)測也是非常重要的。在掃描中對受試者 的SAR值進行監(jiān)測，首先需要測量輸入射頻發(fā)射線圈的功率。在大功率射頻信號測量中，需 要用到射頻電路中常用的定向耦合器，而定向耦合器有限的隔離度會引入測量誤差，即方 向性誤差。方向性誤差取決于耦合信號中耦合輸出信號反射功率的大小，與反射系數(shù)直接 相關：反射系數(shù)越大，方向性誤差越大，反射系數(shù)越小，方向性誤差越小。傳統(tǒng)的測試方法將 各個定向耦合器的誤差歸為一個相同的誤差值，這個相同的誤差值一般取反射系數(shù)較大時 的誤差值，從而增加了不必要的冗余誤差。如果采用不同的反射系數(shù)對應不同誤差的形式， 可以避免不必要的冗余誤差。為了保證病人的安全，傳統(tǒng)監(jiān)測方法都是對整體射頻能量吸 收率進行監(jiān)測，對局部射頻能量吸收率則是將閾值除以一個較大的安全因子，或者將測量 值乘以一個較大的估計因子。對于不同的介質一些均勻激發(fā)的線圈的局部射頻能量吸收率 的最大值接近于整體射頻能量吸收率的1. 2?5倍，采用傳統(tǒng)監(jiān)測方法對人體SAR值進行 監(jiān)測時，得到的局部射頻能量吸收率的估計范圍過高，導致一些射頻序列不能在高場中運 行，是一個很大的浪費；而對于發(fā)射很不均勻的線圈，傳統(tǒng)監(jiān)測方法又不足以保證局部射頻 能量吸收率不超過安全標準。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述問題，本實用新型提供了一種能夠實時監(jiān)測受試者整體和局部射頻能量 吸收率的多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術方案：一種多通道磁共振成像設備的 SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：它包括若干功率測量單元和一數(shù)字信號處理單元；磁共振 成像設備中各通道發(fā)射鏈路均包括所述功率放大器、濾波器、發(fā)射接收開關和多通道射頻 發(fā)射線圈，各所述功率測量單元分別設置在每通道發(fā)射鏈路中所述發(fā)射接收開關和射頻發(fā) 射線圈之間，各所述功率測量單元測量所在通道的通過功率，并將測量結果均傳輸至所述 數(shù)字信號處理單元；所述數(shù)字信號處理單元對接收到的測量結果進行處理后輸出控制信號 并傳輸至控制譜儀，由控制譜儀保持開通或關斷相應通道的功率放大器。
[0007] 每一所述功率測量單兀包括一雙向定向f禹合器、一前向功率傳感器和一反向功率 傳感器；在磁共振成像設備的發(fā)射鏈路中，所述雙向定向耦合器的輸入端和輸出端分別連 接所在發(fā)射鏈路中所述發(fā)射接收開關的輸出端和射頻發(fā)射線圈的輸入端，所述雙向定向耦 合器的隔離端和耦合端分別連接所述前向功率傳感器和反向功率傳感器的輸入端，所述前 向功率傳感器和反向功率傳感器的輸出端分別連接所述信號處理單元；所述雙向定向耦合 器將功率放大器輸入的功率傳輸至射頻發(fā)射線圈，所述前向功率傳感器和反向功率傳感器 分別檢測所述雙向定向耦合器功率傳輸過程中從功率放大器傳輸至射頻發(fā)射線圈的功率 和從射頻發(fā)射線圈返回至功率放大器的功率，并將檢測到的功率信號轉換成電壓信號后傳 輸至所述數(shù)字信號處理單元。
[0008] 所述前向功率傳感器和反向功率傳感器均采用整流二極管或者檢波芯片。
[0009] 所述數(shù)字信號處理單元包括若干模數(shù)轉換模塊、一微處理器和一存儲器；所述模 數(shù)轉換模塊對接收到的電壓信號進行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳輸至所述微處理器，所述微處 理器將接收到的采樣數(shù)據(jù)傳輸至所述存儲器中進行存儲；所述微處理器采用滑動算法對接 收到的各通道10秒和6分鐘兩個時間窗內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行時間平均和加權求和后，得到10 秒和6分鐘兩個時間窗內(nèi)的整體和局部測量區(qū)域的平均SAR值，整體和局部測量區(qū)域的平 均SAR值分別與所述微處理器中預設的整體和局部安全閾值進行比較，所述微處理器輸出 控制信號并傳輸至控制譜儀，由控制譜儀關斷相應通道的功率放大器。
[0010] 所述功率測量單元和數(shù)字信號處理單元全部采用無磁性射頻元器件。
[0011] 本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本實用新型由于設置了 若干功率測量單元和一數(shù)字信號處理單元，通過功率測量單元中的前向功率傳感器和反向 功率傳感器分別檢測所在通道的前向功率和反向功率，數(shù)字信號處理單元根據(jù)前向功率和 反向功率計算各通道的瞬時通過功率測量值和反射系數(shù)；采用局部區(qū)域實時測量結果與仿 真實驗數(shù)據(jù)相結合的方法來確定局部區(qū)域的SAR值，因此本實用新型能夠實時監(jiān)測受試者 整體和局部射頻能量吸收率，且與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比能夠減小測量誤差。2、本實用新型 SAR值實時監(jiān)測系統(tǒng)的功率測量單元和數(shù)字信號處理單元由于全部采用無磁性射頻元器 件，可以置于磁體屏蔽室內(nèi)，放置在靠近終端多通道射頻發(fā)射線圈的地方，因此本實用新型 能夠實時測量到達射頻發(fā)射線圈的前向與反向功率，從而提高SAR值估算的準確度。3、本 實用新型根據(jù)磁共振成像設備中每一通道測量獲得的不同的反射系數(shù)，通過查詢預存的反 射系數(shù)與測量誤差的對應表格，來矯正瞬時通過功率的測量誤差，監(jiān)測受試者的整體與局 部SAR值，使不同的反射系數(shù)對應不同的誤差形式，因此本實用新型能夠有效地減小各通 道功率的測量誤差。4、與傳統(tǒng)的監(jiān)測方法相比，本實用新型除了對整個觀察區(qū)域的SAR值 進行監(jiān)測外，同時對局部SAR值進行了實時監(jiān)測；在進行局部區(qū)域測量時，采用各通道實時 測量結果與仿真實驗數(shù)據(jù)相結合的方法來確定局部區(qū)域的SAR值，因此本實用新型能夠有 效的避免單純監(jiān)測受試者整體SAR值帶來的局部SAR值超標的風險，從而有效的解決受試 者整體SAR值并沒有超過閾值，但受試者體內(nèi)局部承受SAR值過高的問題。5、本實用新型 采用功率測量單元對多通道發(fā)射線圈各通道的通過功率進行實時測量后，采用快速數(shù)字信 號處理單元對測量到的通過功率信號進行快速處理與計算，微處理器采用高速FPGA陣列 處理板，配合多路并行快速A/D模數(shù)轉換模塊、搭載大容量高速存儲器（如DDR2SDRAM)，配 合有效的滑動算法、預存儲的仿真實驗數(shù)據(jù)和快速通信協(xié)議方式（如UDP通信協(xié)議方式）， 能夠實時動態(tài)更新各通道的整體與局部SAR值數(shù)據(jù)，在磁共振實驗過程中實現(xiàn)對受試者的 整體與局部SAR值的實時與快速的監(jiān)測，確保其不超過國際人體實驗安全標準，有效的保 證了臨床磁共振成像系統(tǒng)的安全性與合法性?；谝陨蟽?yōu)點，本實用新型可以廣泛應用于 多通道發(fā)射磁共振成像設備中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1是本實用新型的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)的組成結構示意圖；
[0013] 圖2是本實用新型中10秒與6分鐘兩個時間窗內(nèi)的SAR值監(jiān)測計算方法流程圖；
[0014] 圖3是本實用新型中在At時間窗內(nèi)各通道滑動求和平均算法的流程圖；
[0015] 圖4是本實用新型中待監(jiān)測區(qū)域剖分成的若干局部測量區(qū)域的示意圖。

【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和實施例對本實用新型進行詳細的描述。
[0017] 如圖1所示，本實用新型的磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)包括若干功率測 量單元1和一數(shù)字信號處理單元2。磁共振成像設備中各通道發(fā)射鏈路均包括功率放大器 3、濾波器4、發(fā)射接收（Transmit and Receive)開關5和多通道射頻發(fā)射線圈6。其中，各 功率測量單元1分別設置在每通道發(fā)射鏈路中發(fā)射接收開關5和多通道射頻發(fā)射線圈6之 間。多通道射頻發(fā)射線圈6各功率測量單元1測量所在通道的通過功率，并將測量結果均 傳輸至數(shù)字信號處理單元2。數(shù)字信號處理單元2對接收到的測量結果進行處理后輸出控 制信號，并將控制信號傳輸至控制譜儀7,控制譜儀7根據(jù)接收到的控制信號保持開通或關 斷相應通道的功率放大器3。
[0018] 上述實施例中，如圖1所示，每一功率測量單元1包括一雙向定向f禹合器11、一前 向功率傳感器12和一反向功率傳感器13。在磁共振成像設備的多通道發(fā)射鏈路中，雙向定 向耦合器11的輸入端和輸出端分別連接所在發(fā)射鏈路中發(fā)射接收開關5的輸出端和射頻 發(fā)射線圈4的輸入端，雙向定向耦合器11的耦合端和隔離端分別連接前向功率傳感器12 和反向功率傳感器13的輸入端。前向功率傳感器12和反向功率傳感器13的輸出端分別 連接數(shù)字信號處理單元2。雙向定向耦合器11將功率放大器3輸入的功率傳輸至射頻發(fā) 射線圈4,前向功率傳感器12和反向功率傳感器13分別檢測功率傳輸過程中雙向定向耦 合器11從功率放大器3傳輸至射頻發(fā)射線圈4的功率（即前向功率）和從射頻發(fā)射線圈 4返回至功率放大器3的功率（即反向功率），并將檢測到的功率信號轉換成電壓信號后傳 輸至數(shù)字信號處理單元2。
[0019] 上述實施例中，前向功率傳感器12和反向功率傳感器13均可以采用整流二極管 或者檢波芯片。前向功率傳感器12和反向功率傳感器13分別將接收到的前向功率信號 和反向功率信號轉換成電壓信號并傳輸至輸出數(shù)字信號處理單元2,其中，功率信號和電壓 信號之間的轉換關系可以根據(jù)實際需要選擇線性對應關系、平方對應關系或指數(shù)對應關系 等。
[0020] 上述實施例中，如圖1所示，數(shù)字信號處理單元2包括若干模數(shù)轉換模塊21、一微 處理器22和一存儲器23。模數(shù)轉換模塊21在微處理器22的控制下對接收到的電壓信號 進行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳輸至微處理器22,微處理器22將接收到的采樣數(shù)據(jù)傳輸至存儲 器23中進行存儲；微處理器22采用滑動算法對接收到的各通道10秒和6分鐘兩個時間窗 內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行時間平均和加權求和，得到10秒和6分鐘兩個時間窗內(nèi)的整體和局部測 量區(qū)域的平均SAR值，并將整體和局部測量區(qū)域的平均SAR值分別與微處理器22中預設的 整體和局部安全閾值進行比較，當計算得到的整體和局部測量區(qū)域的平均SAR值超過預先 設定的安全閾值時，微處理器22輸出控制信號并傳輸至控制譜儀7,控制譜儀7根據(jù)接收到 的控制命令關斷相應通道的功率放大器3,停止實驗。
[0021] 在本實用新型中，微處理器22采用多路高速FPGA陣列，用于實現(xiàn)快速數(shù)字信號處 理功能。如圖1所示，該SAR值實時監(jiān)測系統(tǒng)中功率測量單元1和數(shù)字信號處理單元2全 部采用無磁性射頻元器件，使得該SAR值實時監(jiān)測系統(tǒng)可以置于磁體屏蔽室內(nèi)，放置在靠 近終端多通道射頻發(fā)射線圈6的地方，以實時測量到達射頻發(fā)射線圈4的前向與反向功率， 提高SAR值估算的準確度。
[0022] 基于本實用新型的多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，本實用新型提出 了一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測方法，如圖2所示，其包括以下步驟：
[0023] 1)在磁共振成像設備發(fā)射鏈路中每一通道的發(fā)射接收開關5和射頻發(fā)射線圈4之 間設置一包括若干功率測量單元1和一數(shù)字信號處理單元2的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)；每一功 率測量單元1均包括一雙向定向耦合器11、一前向功率傳感器12和一反向功率傳感器13 ; 數(shù)字信號處理單元2包括若干模數(shù)轉換模塊21、一微處理器22和一存儲器23。
[0024] 2)每一通道發(fā)射鏈路中的功率放大器3分別將其輸出功率依次通過濾波器4和發(fā) 射接收開關5傳輸至雙向定向耦合器11，每一通道的雙向定向耦合器11再分別將接收到的 功率傳輸至射頻發(fā)射線圈4。
[0025] 3)通過雙向定向耦合器11的耦合端和隔離端，前向功率傳感器12和反向功率傳 感器13分別檢測所在通道的前向功率和反向功率，并將檢測到的功率信號轉換成電壓信 號傳輸至數(shù)字信號處理單元2。
[0026] 4)模數(shù)轉換模塊21對接收到的電壓信號進行采樣，并將各路電壓采樣信號傳輸 至微處理器22。
[0027] 5)在存儲器23中預設電壓米樣信號與功率值 對應的表格，微處理器22根據(jù) 接收到的電壓采樣信號搜索預設在存儲器23中的相應功率值，得到相應通道的前向功率 Pif和反向功率Py其中，i為通道標號，i = 1，2, 3...，并根據(jù)各通道前向功率Pif和反向功 率Pt與瞬時通過功率測量值Mi的關系式：
[0028] Mi = Pir-Pif (1)
[0029] 計算得到各通道的瞬時通過功率測量值Mi ;根據(jù)各通道前向功率Pif和反向功率 Pk與反射系數(shù)h的關系式：

【權利要求】
1. 一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：它包括若干功率測 量單元和一數(shù)字信號處理單元；磁共振成像設備中各通道發(fā)射鏈路均包括所述功率放大 器、濾波器、發(fā)射接收開關和多通道射頻發(fā)射線圈，各所述功率測量單元分別設置在每通道 發(fā)射鏈路中所述發(fā)射接收開關和射頻發(fā)射線圈之間，各所述功率測量單元測量所在通道的 通過功率，并將測量結果均傳輸至所述數(shù)字信號處理單元；所述數(shù)字信號處理單元對接收 到的測量結果進行處理后輸出控制信號并傳輸至控制譜儀，由控制譜儀保持開通或關斷相 應通道的功率放大器。
2. 如權利要求1所述的一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：每一所述功率測量單兀包括一雙向定向f禹合器、一前向功率傳感器和一反向功率傳感器； 在磁共振成像設備的發(fā)射鏈路中，所述雙向定向耦合器的輸入端和輸出端分別連接所在發(fā) 射鏈路中所述發(fā)射接收開關的輸出端和射頻發(fā)射線圈的輸入端，所述雙向定向耦合器的隔 離端和耦合端分別連接所述前向功率傳感器和反向功率傳感器的輸入端，所述前向功率傳 感器和反向功率傳感器的輸出端分別連接所述信號處理單元；所述雙向定向耦合器將功率 放大器輸入的功率傳輸至射頻發(fā)射線圈，所述前向功率傳感器和反向功率傳感器分別檢測 所述雙向定向耦合器功率傳輸過程中從功率放大器傳輸至射頻發(fā)射線圈的功率和從射頻 發(fā)射線圈返回至功率放大器的功率，并將檢測到的功率信號轉換成電壓信號后傳輸至所述 數(shù)字信號處理單元。
3. 如權利要求2所述的一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述前向功率傳感器和反向功率傳感器均采用整流二極管或者檢波芯片。
4. 如權利要求1或2或3所述的一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征在于：所述數(shù)字信號處理單元包括若干模數(shù)轉換模塊、一微處理器和一存儲器；所述 模數(shù)轉換模塊對接收到的電壓信號進行采樣，并將采樣數(shù)據(jù)傳輸至所述微處理器，所述微 處理器將接收到的采樣數(shù)據(jù)傳輸至所述存儲器中進行存儲；所述微處理器采用滑動算法對 接收到的各通道10秒和6分鐘兩個時間窗內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)進行時間平均和加權求和后，得到 10秒和6分鐘兩個時間窗內(nèi)的整體和局部測量區(qū)域的平均SAR值，整體和局部測量區(qū)域的 平均SAR值分別與所述微處理器中預設的整體和局部安全閾值進行比較，所述微處理器輸 出控制信號并傳輸至控制譜儀，由控制譜儀關斷相應通道的功率放大器。
5. 如權利要求1或2或3所述的一種多通道磁共振成像設備的SAR實時監(jiān)測系統(tǒng)，其 特征在于：所述功率測量單元和數(shù)字信號處理單元全部采用無磁性射頻元器件。
【文檔編號】A61B5/055GK204207748SQ201420559960
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】燕新強, 薛蓉, 豐寶桐, 左真濤, 王喆, 李艷霞, 李志光, 卓彥, 馬創(chuàng)新, 魏龍 申請人:中國科學院生物物理研究所