一种用于3T核磁共振成像仪的射频收发系统及成像方法与流程

一种用于3t核磁共振成像仪的射频收发系统及成像方法
1.技术领域
本发明涉及一种医疗电子设备，特别涉及一种用于3t核磁共振成像仪的射频收发系统及成像方法。


背景技术：

2.核磁共振成像仪器是医学影像技术的一大进步，具有成像效果清晰，检查部位和器官全面，辐射对人体影响小等优点。核磁共振成像仪器利用的是生物磁自旋技术，在外加恒定磁场的作用下人体内氢原子有序排列；在射频发射通道产生脉冲激发后，人体内氢原子共振，产生nmr信号，梯度磁场可赋予nmr信号频率和相位信息，射频接收通道检测到信号下变频后经过数字域傅里叶变换，转变为计算机可以处理的图像信息，最终形成器官图像。针对产生射频脉冲信号和检测接收共振信号射频收发系统，市面上使用最为广泛的是采用正交鸟笼线圈作为终端，射频收发系统也采用正交调制解调的方式，在线圈内产生均匀的磁场，梯度磁场才可以进行准确的空间编码。
3.该方法的特点是病患必须将全身放置于射频体线圈内，仪器也需要扫描全身后才可形成图像，而病患通常只期望检测身体的某一器官和部位，因此仪器每次扫描都会造成射频功耗高，扫描时间过长的缺陷。


技术实现要素：

4.本发明是基于天线阵列的理论，配合射频收发系统，针对病患期望扫描和成像的区域，产生局部均匀的磁场，以降低射频功耗，同时缩短接收和转换nmr信号的时间，达到节能省时的效果。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一方面提供一种用于3t核磁共振成像仪的射频收发系统，包括谱仪，所述谱仪用于输出序列信号和接收nmr信号，并处理nmr信号以形成器官图像，还包括柱体天线阵列和多个射频收发通道，其中，所述柱体天线阵列，包括多个天线单元，多个所述天线单元组成棱柱状的天线阵列，所述天线单元响应于序列信号的激发以产生磁场，并基于序列信号改变产生磁场的辐射方向和强度；所述柱体天线阵列还用于接收nmr信号；所述射频收发通道与天线单元对应，用于连接谱仪和天线单元，所述射频收发通道响应于谱仪的选取以打开或关闭。
6.通过采用上述技术方案，柱体天线阵列由多个天线单元组成，谱仪输出的序列信号能够通过射频收发单元传输到天线单元中，序列信号能够激发天线单元产生磁场，并改变天线单元产生磁场的辐射方向和强度；谱仪能够选取射频收发通道，控制射频收发通道
的打开或关闭；在使用时，谱仪选取部分射频收发通道打开，并输出序列信号，则只有部分天线单元接收到序列信号被激发，产生磁场；柱体天线阵列能够针对病患期望扫描和成像的区域，产生局部均匀的磁场，采集相应的图像信息，以降低射频功耗，同时缩短接收和转换nmr信号的时间，达到节能省时的效果。
7.优选地，所述柱体天线阵列包括8个平面，8个所述平面依次连接并形成八棱柱结构，每个所述平面包括2
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2个天线单元，所述射频发射通道和射频接收通道均设置有32个。
8.优选地，所述天线单元为微带贴片天线，所述微带贴片天线包括接地板、导体贴片、馈电接口和介质基板，所述接地板、导体贴片和馈电接口均设置在介质基板上，且所述导体贴片设置在介质基板的一侧，所述馈电接口和接地板设置在介质基板的另一侧。
9.优选地，所述射频收发通道包括射频发射通道、射频接收通道、环形器和收发开关，其中，所述射频发射通道，用于传输并处理谱仪输出到天线单元的序列信号；所述射频接收通道，用于传输并处理天线单元反馈到谱仪的nmr信号；所述环形器，包括三个端口，分别与射频发射通道的输出端、射频接收通道的输入端和天线单元的输入输出端连接，用于引导序列信号或nmr信号的方向；所述收发开关，用于控制射频发射通道和射频接收通道的启闭。
10.优选地，所述射频发射通道包括移相器、衰减器和功率放大器；其中，移相器，信号输入端与谱仪的信号输出端连接，预设有相位值，用于改变射频发射通道的相位；衰减器，信号输入端与移相器的信号输出端连接，预设有衰减值，用于改变射频发射通道的功率；功率放大器，信号输入端与衰减器的信号输出端连接，用于放大序列信号的功率，并将序列信号输入到天线单元中。
11.优选地，所述射频接收通道包括低噪声放大器，所述低噪声放大器通过环形器与天线单元连接，用于接收天线单元反馈的nmr信号并放大后输出。
12.优选地，所述环形器的其中一个端口与微带贴片天线中的馈电接口连接。
13.另一方面提供一种用于3t核磁共振成像仪的射频成像方法，包括以下步骤，s1，基于所需要的成像部位，确定柱体天线阵列内需要激活的天线单元；s2，基于需要激活的天线单元，打开相应的射频发射通道，输出序列信号改变天线单元的辐射方向和强度，产生局部均匀的磁场，以激活成像部位的氢原子；s3，关闭射频发射通道打开射频接收通道，接收氢原子共振产生的nmr信号，并将其转换为单幅图像信息；s4，重复步骤s1
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s3，获取多个单幅图像信息，并将多个单幅图像信息整合成完整的器官图像。
14.优选地，在步骤s2中，所述输出序列信号改变天线单元的辐射方向和强度的具体方法包括，s21，改变射频发射通道内衰减值和相位值；s22，所述射频发射通道内的衰减器和移相器分别基于衰减值和相位值，改变序列
信号的功率和相位；s23，通过射频功率放大器再次放大序列信号的功率后，将序列信号输出到天线单元。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果：柱体天线阵列由多个天线单元组成，谱仪输出的序列信号能够通过射频收发单元传输到天线单元中，序列信号能够激发天线单元产生磁场，并改变天线单元产生磁场的辐射方向和强度；谱仪能够选取射频收发通道，控制射频收发通道的打开或关闭；在使用时，谱仪选取部分射频收发通道打开，并输出序列信号，则只有部分天线单元接收到序列信号被激发，产生磁场；柱体天线阵列能够针对病患期望扫描和成像的区域，产生局部均匀的磁场，采集相应的图像信息，以降低射频功耗，同时缩短接收和转换nmr信号的时间，达到节能省时的效果。
16.附图说明：图1为本实施例柱体天线阵列的结构示意图；图2为本实施例射频收发系统的结构示意图；图3为本实施例微带贴片天线的结构示意图；图4为本实施例微带贴片天线的输入回波损耗示意图；图5为本实施例微带贴片天线的方向图；图6为本实施例中天线单元射频功率为500w，相位为0度时，柱体天线阵列内yoz平面的磁场分布图；图7为本实施例中天线单元射频功率为500w，相位为0度时，柱体天线阵列内xoy平面的磁场分布图；图8为本实施例中天线单元输出功率为10w，平面1和平面3的相位均为0度时柱体天线阵列内yoz平面的磁场分布图；图9为本实施例中天线单元输出功率为10w，平面1和平面7的相位均为0度时柱体天线阵列内yoz平面的磁场分布图；图10为本实施例中天线单元输出功率为10w，平面1相位为0度，平面3的相位为90度，xoy平面的磁场分布图；图11为本实施例中天线单元输出功率为10w，平面1相位为90度，平面3的相位为0度，xoy平面的磁场分布图；图12为本实施中成像方法的流程框图。
具体实施方式
17.下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
18.实施例1本实施例提供一种用于3t核磁共振成像仪的射频收发系统，包括柱体天线阵列、多个射频收发通道和谱仪。
19.参照图1和图2，柱体天线阵列包括多个天线单元，多个天线单元组成棱柱状的天线阵列，用于激发人体成像区域内的氢原子。射频收发通道的个数与天线单元的个数一致
且多个射频收发通道分别与多个天线单元通信连接。谱仪与多个射频收发通道连接，并选取射频收发通道，在选取到的射频收发通道中输出序列信号；序列信号在谱仪内生成时为数字信号，谱仪能够对序列信号进行da转换和上变频，使得序列信号从谱仪输出后为射频形式的信号；序列信号通过射频收发通道传输到天线单元后，天线单元响应于序列信号以改变输出磁场的辐射方向和强度；且序列信号的占空比能够调节天线单元的激活时间。
20.参照图1，结合天线的尺寸、人体的身高和核磁共振仪的尺寸，本实施例提供的柱体天线阵列包括8个平面，8个平面依次连接并形成八棱柱结构；每个平面均由2
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2个天线单元组成，共32个天线单元，则射频收发通道也设置有32个，且8个平面组成的柱体阵列天线为棱柱状，具有对称分布的特点；通过设置天线单元的功率和相位，能够实现可调控的磁场分布。
21.在使用时，柱体天线阵列包裹在病床上，能够在全方位照射到病床上的病人；通过使用柱面阵列来代替现有技术中使用较多的鸟笼线圈，无需调谐器件，能够节约成本并减小器件失效的风险。
22.天线单元采用如图3所示的微带贴片天线，微带贴片天线包括接地板、导体贴片、馈电接口和介质基板；其中，接地板、导体贴片和馈电接口均设置在介质基板上，且导体贴片设置在介质基板的一侧，馈电接口和接地板设置在介质基板的另一侧；该微带贴片天线的信号输入输出端为馈电接口，馈电接口与射频收发通道通信连接。本实施例使用的3t核磁共振成像仪器的共振频率为128mhz，为缩小微带贴片天线单元尺寸，介质基板采用ro3010板材，介电常数为10.2，该微带贴片天线的尺寸为如下表所示：微带贴片天线在128mhz时的输入回波损耗如图4所示，方向如图5所示，可看出其回损在
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20db以下，谐振效果良好，并且在天线正上方的辐射强度最大，满足本实施例的需求。
23.通过采用上述的微带贴片天线，当32个天线单元射频功率均为500w，相位为0度时，柱体内的yoz平面和xoy平面的磁场强度如图6和图7所示，其中心区域磁场强度均匀，场强约为3.7a/m。
24.8个平面组成柱体阵列后，其结构完全对称。在本实施例中，以平面1和平面3为例，使阵列内的天线单元输出功率为10w，平面1和平面3的相位均为0度，其余平面阵列关闭射频发射通道，无功率输出，得到如图8所示的yoz平面的磁场分布图，根据图8可见改变天线单元的功率，可以改变yoz平面的磁场分布，并且在小区域内达到局部均匀；同时，相比全通道开启达到全身范围内均匀磁场需要的输出500w功率降低至10w即可达到3.7a/m，极大地节约了功耗。以同样的方法测试互为对称的平面1和平面7，得到如图9所示的结果，同样可
以改变yoz平面磁场的分布。
25.同样以平面1和平面3为例，使阵列内的天线单元输出功率为10w，平面1相位为0度，平面3的相位为90度，其余平面阵列关闭射频发射通道，无功率输出，得到如图10所示xoy平面的磁场分布图，可见改变天线单元的相位，可以改变xoy平面的磁场分布，并且在小区域内达到局部均匀；能够极大地节约功耗。
26.且同时以平面1和平面3为例，使阵列内的天线单元输出功率为10w，平面1相位为90度，平面3的相位为0度，其余平面阵列关闭射频发射通道，无功率输出，得到如图11所示xoy平面的磁场分布图。对比图10和图11，可见改变相位能够改变xoy平面内的磁场分布。
27.综合上述，采用柱体天线阵列射频收发系统的方式作为3t核磁共振成像仪的射频系统，可有效改变线圈内的磁场分布，实现局部均匀，可缩短收集nmr信号和空间编码的时间；同时在局部磁场分布工作条件下又可以减少射频功放的功耗。
28.参照图2，射频收发通道即图中的通道1
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通道n，每个射频收发通道均包括射频发射通道、射频接收通道、环形器和收发开关；其中，射频发射通道用于传输谱仪输出到天线单元的序列信号；射频接收通道用于传输天线单元反馈到谱仪的nmr信号；环形器包括三个端口，分别与射频发射通道的输出端、射频接收通道的输入端和天线单元的输入输出端连接，用于引导序列信号或nmr信号的方向；收发开关，用于控制射频发射通道和射频接收通道的启闭。
29.在工作时，谱仪产生序列信号，序列信号用于控制天线单元的激发时间。序列信号从射频发射通道输入到天线单元中后，在传输的过程中，射频发射通道能够处理序列信号，改变序列信号的功率和相位；多个天线单元均接收到序列信号后，柱体天线阵列激发人体成像区域内的氢原子，并接收氢原子产生的nmr信号，将接收到nmr信号通过射频接收通道传输到谱仪中，完成成像的过程。
30.收发开关的本质与单刀双掷开关相似，其作用是控制系统的收发状态：当需要发射序列信号激发人体内氢原子时，系统处于发射状态，此时收发开关的状态为天线端口和发射端口导通，接收端口截止；当需要采集接收人体产生的nmr信号时，系统处于接收状态，此时收发开关的状态为天线端口和接收端口导通，发射端口截止，接收信号流向接收端后接的低噪声放大器由谱仪处理。
31.参照图2，射频发射通道包括移相器、衰减器和功率放大器。其中，移相器的信号输入端与谱仪的信号输出端，移相器的信号输出端与衰减器的信号输入端连接，衰减器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接，功率放大器的信号输出端与环形器的其中一个端口连接。
32.在工作过程中，谱仪输出的序列信号首先进入到移相器中，移相器中预设有相位值，用于改变射频发射通道的相位，序列信号通过移相器后，其相位值能够发生相应的改变；通过移相器后，序列信号进入到衰减器中，衰减器内预设有衰减值，用于改变射频发射通道的功率，序列信号通过衰减器后，其功率会发生改变，功率放大器用于放大序列信号的功率。
33.序列信号通过功率放大器的输出端后，进入到环形器的其中一个端口内，环形器的作用是单向传输信号，即当系统为发射状态时，进入到环形器的信号只从射频发射通道流向天线单元；当系统为接收状态时，天线单元接收到的信号只会流向射频接收通道。射频
发射通道输出序列信号到环形器时，环形器处于发射状态，则序列信号就通过环形器输入到天线单元中，天线单元接收到序列信号后，改变天线单元的辐射方向和强度；组成多通道天线阵列的天线单元均接收到序列信号，多个天线单元的辐射方向和强度发生改变后，就能够改变扫描区域内的磁场分布，从而实现对病患指定病变部位的扫描和成像，同时其余非期望成像的部位受到的辐射磁场强度最小，达到了节约射频功耗并且减少扫描序列时间的效果。
34.接收通道包括低噪声放大器，低噪声放大器通过环形器与天线单元连接。天线单元反馈的nmr信号进入环形器后，环形器将nmr信号输出到收发开关；收发开关的发射端口接有大功率负载，目的是为了防止发射系统末端短路或者开路，而引起信号全发射至功率放大器导致器件损坏，而有了大功率负载后，全发射的信号也会导向负载，不会损坏器件。
35.谱仪内还设置有数字处理模块，数字处理模块用于接收氢原子共振后产生的nmr信号，并将其转换为图像信息。收发开关接收到nmr信号后，输出到低噪声放大器中，低噪声放大器将其放大后输出至数字处理模块。
36.通过上述步骤，通过使用柱体天线阵列配合谱仪和射频收发通道，能够针对病患期望扫描和成像的区域，产生局部均匀的磁场，以降低射频功耗，同时缩短接收和转换nmr信号的时间，从而达到节能省时的效果。
37.实施例2本实施例提供一种用于3t核磁共振成像仪的射频成像方法，包括以下步骤，s1，基于所需要的成像部位，确定柱体天线阵列内需要激活的天线单元；成像部位即病患指定病变部位，通过医生的初步判断来选取，选取后，再选取柱体天线阵列内需要激活的天线单元。
38.s2，基于需要激活的天线单元，打开相应的射频发射通道，输出序列信号改变天线单元的辐射方向和强度，产生局部均匀的磁场，以激活成像部位的氢原子；被激活的天线单元能够在柱体天线阵列内形成局部均匀的磁场，这个局部均匀的磁场能够激发需要成像部位的氢原子。则其余非期望成像的部位受到的辐射磁场强度最小，不需要激发天线阵列内的所有天线单元，达到了节约射频功耗并且减少扫描序列时间的效果。
39.在步骤s2中，输出序列信号改变天线单元的辐射方向和强度的具体方法包括，s21，改变射频发射通道内衰减值和相位值；其中，衰减值设置在衰减器内，相位值设置在移相器内。
40.s22，所述射频发射通道内的衰减器和移相器分别基于衰减值和相位值，改变序列信号的功率和相位；s23，通过射频功率放大器再次放大序列信号的功率后，将序列信号输出到天线单元。相位和功率均通过射频发射通道调节后的序列信号输入到天线单元后，激发多个天线单元，使得多通道柱形天线阵列所产生的磁场也发生变化，从而激发成像区域内的氢原子。
41.s3，关闭射频发射通道打开射频接收通道，接收氢原子共振产生的nmr信号，并将其转换为单幅图像信息；氢原子共振产生的nmr信号通过射频接收通道接收，并输入到谱仪内，设置在谱仪内的数字处理模块就能将其转换为图像信息。且在接收的过程中，射频发射通道被关闭，此时并没有序列信号通过射频发射通道输出。
42.s4，重复步骤s1
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s3，获取多个单幅图像信息，并将多个单幅图像信息整合成完整
的器官图像。通过步骤s1
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s3获取到的图像为单幅图像信息，通过多次重复步骤s1
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s4，多次获取单幅图像信息，并将多次获取到的单幅图像信息进行填充处理，就能够形成完整的器官图像，完成成像的过程。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。