一种惰性气体原子核通道装置及磁共振成像方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种惰性气体原子核通道装置，包括磁共振控制系统、射频发生器、射频放大与模数转换器、频率合成器、第一混频器、第二功率放大器、第二T/R开关、惰性气体原子核线圈、第二前置放大器、第二混频器。本发明专利技术还公开了一种磁共振成像的方法。本发明专利技术对射频激发脉冲和回波信号的频率进行升降调控，可实现超极化惰性气体（氙、氦、氪等）磁共振成像，使得超极化惰性气体在肺部、脑部磁共振成像成为可能，拓展了磁共振成像的探测范围。本发明专利技术结构简单，操作简捷，将氢原子核磁共振成像仪升级为用于超极化惰性气体原子核的多核磁共振成像系统。

【技术实现步骤摘要】
一种惰性气体原子核通道装置及磁共振成像方法
本专利技术涉及超极化惰性气体磁共振成像和波谱领域，具体涉及一种惰性气体原子核通道装置，通过混频实现惰性气体原子核特定射频脉冲发射和射频信号接收，还提供了一种磁共振成像方法，适用于超极化惰性气体（例如，氙、氦、氪等）的磁共振成像和波谱。
技术介绍
传统的人体磁共振成像（MRI，MagneticResonanceImaging）作为一种无放射性、无侵入的影像技术，是基于人体中氢原子核（质子）进行磁共振成像，能够对人体大部分组织和器官进行结构和功能成像，在医学诊断和研究中显示了诸多无法比拟的优越性，在人类健康和公共卫生事业中发挥了巨大的作用。但是，现在的通用型氢原子核磁共振成像系统对肺部疾病的诊断方面能力有限，因为肺部主要是由肺泡组成的空腔结构，在肺部里的氢原子核密度比正常组织低1000倍，导致肺部氢原子核磁共振信号十分微弱，因此，肺部一直是传统磁共振成像的“盲区”。目前，医院使用的传统氢原子核磁共振成像方法对于肺部进行磁共振影像，其仅仅以“黑洞”形式显影，无法获得有价值的结构或者功能方面的信息。利用激光光泵和自旋交换技术，可以产生激光极化的氙-129，氦-3、氪-83等惰性气体，使得它们的原子核自旋高度极化。因为核磁共振信号的强度（S）与原子核的极化度（P0）正相关，因此，发展的激光光泵和自旋交换方法能够增强惰性气体的磁共振信号超过10,000倍，通常称为“超极化”。因为，肺部氢原子核的低密度，所以，让肺部吸入超极化的惰性气体，用超极化惰性气体核磁共振信号作为新的信号源，可以实现肺部超极化惰性气体磁共振成像。特别地，对于超极化惰性气体氙-129，因为其能够溶入血液和脂肪，因此，也能够进一步地实现脑部功能可视化，有望成为肺部和脑部早期疾病诊断的新工具。超极化惰性气体磁共振成像使用的成像核不是传统的氢原子核，而是使用了惰性气体氙-129、氦-3、氪-83等的原子核。因为氢原子核与惰性气体原子核具有不同的旋磁比，在特定B0场强下，旋进的拉莫尔频率之间也存在差异（ωH>ωX），例如，氢原子核的磁共振频率要比惰性气体氙-129的高3.6倍。通用磁共振成像仪的氢原子核通道不能实现对惰性气体氙-129原子核的射频脉冲激发及其磁共振信号接收。因此，在通用的磁共振成像仪上，需要加入一套新的惰性气体氙-129原子核成像通道，完成对惰性气体原子核的射频脉冲激发，并实现对惰性气体氙-129原子核磁共振回波信号的接收及信号处理，得到使用超极化惰性气体氙-129填充的人体肺部结构和功能信息，或含有溶解态超极化惰性气体氙-129的血液输送到脑部，对脑部功能信息进行探测。现有的异核磁共振频谱成像技术是在磁共振成像技术基础上发展起来的，能探测到异核（例如31P等）的物理化学环境，可用于活体生化分析；以及，2011年杜克大学专利技术了19F的肺部磁共振成像技术等。氢原子核磁共振成像设备的射频系统分为发射链、射频线圈和接收链。发射链包括脉冲包络发生器、频率合成、调制器以及射频功率放大器。接收链包括射频放大器、解调器和AD转换器。这些模块多是窄带频率特性，通用磁共振成像系统的射频组件只工作于氢原子核的共振频率，而常规能探测到异核的双频系统需要内置两套频率合成、调制器、射频功放、线圈、接收放大器、解调器和AD转换器，分别工作于不同原子的共振频率上。通常地，异核磁共振频谱成像原始数据在氢原子核磁共振成像的基础上增加了一个时间维，因此，异核磁共振成像速度要比氢原子核磁共振慢得多，需采集大量成像数据，花费很长的采集时间。现有的商业人体磁共振成像仪通常只配备了仅仅一个氢原子核通道，如何发展一种新型、快速异核磁共振成像方法？是一个具有挑战的问题。超极化惰性气体技术的发展，为快速异核磁共振成像方法提供了一个解决的方法。发展新型惰性气体原子核通道是实现超极化惰性气体磁共振成像方法的关键步骤之一。本专利技术专利提出一种惰性气体原子核通道装置及磁共振成像方法，在不改动通用型磁共振成像谱仪的条件下，在单频氢原子核系统上增加双频功能，采用“外置”结构实现惰性气体原子核磁共振成像。其组成主要包括外置的发射混频器、射频功率放大器、线圈和前置放大器、接收混频器。充分利用单频氢原子核磁共振成像谱仪中已有单元设备，本外置结构不含调制/解调器、接收放大器、AD转换器等。通过混频调整激发脉冲频率和回波信号频率，控制惰性气体原子核线圈的激发和接收，对通用磁共振成像谱仪硬件进行改造，从而，能够实现超极化惰性气体（例如氙-129等）的快速磁共振成像。
技术实现思路
为了克服传统肺部氢原子核磁共振成像的“黑洞”问题，本专利技术提供了一种惰性气体原子核通道装置，还提供一种磁共振成像方法，以超极化的惰性气体（例如，氙-129等）原子核为信号源，通过混频器将脉冲激发频率降到惰性气体原子核的拉莫尔频率ωX，并对接收到的惰性气体原子核回波信号进行升频至氢核的拉莫尔频率ωH，可以在商业磁共振成像仪上直接实现超极化惰性气体的磁共振成像。其工作过程为：从通用核磁共振成像谱仪中的射频功率放大器的输入端，引出以氢原子核共振频率为基频的发射脉冲控制信号，先经外部混频器降频为惰性气体氙-129原子核共振频率为基频的发射脉冲控制信号，再经由工作于这个频率的外置射频功放、线圈、前置放大器实现磁共振信号的激励与采集。然后，通过接收混频器把接收信号的升频为以氢原子核共振频率为基频的包络信号，输送到原单频磁共振控制系统的线圈接收端口。这样，单频氢原子核磁共振控制系统可以不改变状态的情况下激励、接收和处理惰性气体原子氙-129的核磁共振信号。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术措施：一种惰性气体原子核通道装置，包括磁共振控制系统，磁共振控制系统与射频发生器的输入端连接，射频发生器的输出端与第一混频器的第一输入端连接，第一混频器的第二输入端与频率合成器的输出端连接，第一混频器的输出端通过第二功率放大器、第二T/R开关的发射通道与惰性气体原子核线圈连接，惰性气体原子核线圈依次通过第二T/R开关的接收通道、第二前置放大器与第二混频器的第一输入端连接，第二混频器的第二输入端与频率合成器的输出端连接，第二混频器的输出端通过射频放大与模数转换器和磁共振控制系统连接，磁共振控制系统与第二T/R开关连接。一种磁共振成像的方法，包括以下步骤：射频发生器将磁共振控制系统输出的序列脉冲经过数模转换、合成中心频率为氢原子核拉莫尔频率ωH的标准射频信号；频率合成器产生中心频率为设定拉莫尔频率ωY的频率信号，其中ωY=ωH-ωX，ωH为氢原子核拉莫尔频率，ωX为惰性气体原子核拉莫尔频率；第一混频器将中心频率为氢原子核拉莫尔频率ωH的标准射频信号和中心频率为设定拉莫尔频率ωY的频率信号合成为中心频率为惰性气体原子核拉莫尔频率ωX的射频脉冲信号；第二功率放大器将中心频率为惰性气体原子核拉莫尔频率ωX的射频脉冲信号放大后通过第二T/R开关的发射通道传送到惰性气体原子核线圈；在放大后的中心频率为惰性气体原子核拉莫尔频率ωX的射频脉冲信号的驱动下，惰性气体原子核线圈发射设定波形、脉宽、功率和重复周期的射频脉冲，射频脉冲将能量耦合到实验对象的自旋核上，产生射频回波信号磁化强度MX，射频脉冲激发结束后，射频回波信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惰性气体原子核通道装置，包括磁共振控制系统（1），其特征在于，磁共振控制系统（1）与射频发生器（2）的输入端连接，射频发生器（2）的输出端与第一混频器（9）的第一输入端连接，第一混频器（9）的第二输入端与频率合成器（8）的输出端连接，第一混频器（9）的输出端通过第二功率放大器（10）、第二T/R开关（11）的发射通道与惰性气体原子核线圈（12）连接，惰性气体原子核线圈（12）依次通过第二T/R开关（11）的接收通道、第二前置放大器（13）与第二混频器（14）的第一输入端连接，第二混频器（14）的第二输入端与频率合成器（8）的输出端连接，第二混频器（14）的输出端通过射频放大与模数转换器（7）和磁共振控制系统（1）连接，磁共振控制系统（1）与第二T/R开关（11）连接。

【技术特征摘要】
1.一种惰性气体原子核通道装置，包括磁共振控制系统(1)、射频发生器(2)、第一功率放大器(3)、第一T/R开关(4)、氢原子核线圈(5)、第一前置放大器(6)、射频放大与模数转换器(7)，其特征在于，还包括频率合成器(8)、第一混频器(9)、第二功率放大器(10)、第二T/R开关(11)、惰性气体原子核线圈(12)、第二前置放大器(13)、第二混频器(14)，磁共振控制系统(1)与射频发生器(2)的输入端连接，射频发生器(2)的输出端与第一混频器(9)的第一输入端连接，第一混频器(9)的第二输入端与频率合成器(8)的输出端连接，第一混频器(9)的输出端通过第二功率放大器(10)、第二T/R开关(11)的发射通道与惰性气体原子核线圈(12)连接，惰性气体原子核线圈(12)依次通过第二T/R开关(11)的接收通道、第二前置放大器(13)与第二混频器(14)的第一输入端连接，第二混频器(14)的第二输入端与频率合成器(8)的输出端连接，第二混频器(14)的输出端通过射频放大与模数转换器(7)和磁共振控制系统(1)连接，磁共振控制系统(1)与第二T/R开关(11)连接。2.一种利用权利要求1所述装置进行磁共振成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：射频发生器(2)将磁共振控制系统(1)输出的序列脉冲经过数模转换、合成中心频率为氢原子核拉莫尔频率ωH的标准射频信号；频率合成器(8)产生中心频率为设定拉莫尔频率ωY的频率信号，其中ωY＝ωH-ωX，ωH为氢原子核拉莫尔频率，ωX为惰性气体原子核拉莫尔频率；第一混频器(9)将中心频率为氢原子核拉莫尔频率ωH的标准射频信号和中心频率为设定拉莫尔频率ωY的频率信号合成为中心频率为惰性气...

【专利技术属性】
技术研发人员：周欣，韩叶清，孙献平，石磊，刘买利，叶朝辉，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42