腦水腫檢測的開放式核磁共振系統(tǒng)構(gòu)建,神經(jīng)病學(xué)論文

腦水腫檢測的開放式核磁共振系統(tǒng)構(gòu)建,神經(jīng)病學(xué)論文開放式核磁共振〔opennuclearmagneticreson-ance,ONMR〕系統(tǒng)具有由永磁磁體構(gòu)成主磁場的磁體、系統(tǒng)體積小、質(zhì)量小、共振區(qū)域位于磁體一側(cè)等特點[1],具備良好的開放性，可用于對材料的分析和檢測[2].趙薇等設(shè)計了1種由鞍型線圈組成、能夠?qū)albach磁體的橫向磁場進行補償?shù)闹鎰驁鼍€圈[3].胡格麗等采用目的場方式方法設(shè)計了1組超導(dǎo)核磁共振成像系統(tǒng)梯度線圈[4].典型的主磁體按構(gòu)造分為U型磁體和桶狀磁體[5]以及Halbach磁體[6-7]等。含水量是材料的一個重要參數(shù)。大型油浸變壓器中絕緣油和絕緣紙的含水量對油紙絕緣性能的影響極為顯著[8].王有元等進行了水分對絕緣紙微觀特性影響的分子模擬研究[9]和水分對油紙絕緣熱老化速率的影響[10].許淵等采用介質(zhì)響應(yīng)技術(shù)檢測油紙絕緣的含水量[11],張致等采用頻域譜方式方法估計固體絕緣的含水量[12],為絕緣診斷提供參考信息。水中的1H原子核是核磁共振〔NMR〕經(jīng)常測定的磁性原子核之一。核磁共振能夠測定冰凍枯燥人紅細胞的含水量[13]、石油的含水量[14]、茶葉的含水量[15]和地下水分布[16].顱內(nèi)含水體積的變化情況能夠直接反映腦水腫病情的嚴重程度。在腦猝死〔腦梗死和腦出血〕、腦炎、顱內(nèi)腫瘤、腦損傷等病情的同時，通常都伴隨著腦水腫[17],顱內(nèi)含水體積的變化與病情的變化息息相關(guān)。針對計算機斷層掃描〔CT〕所用的X射線會對人體造成傷害、對軟組織分辨率不高和磁共振成像〔MRI〕儀器價格昂貴、體積大等問題，本文設(shè)計1種小型化的、價格低廉的、開放式核磁共振分析儀，通過檢測目的區(qū)域不同深度物體的核磁共振信號和被測物在不同含水體積情況下的核磁共振信號，來檢測頭顱中不同位置的含水體積。核磁共振系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于主磁體設(shè)計以及線圈的優(yōu)化選擇。本文首先分析主磁體構(gòu)造，使其磁場的梯度、均勻度以及精度知足要求；接著研究不同類型射頻〔RF〕線圈的磁場分布規(guī)律，挑選適宜搭建實驗系統(tǒng)的螺線型射頻線圈，使其磁場的平行度和均勻度知足要求；最后搭建核磁共振系統(tǒng)，以位于磁體目的區(qū)域不同深度位置的橡皮和不同含水體積的面粉為樣品，用實驗驗證系統(tǒng)的可靠性和準確性，為開放式核磁共振儀進一步應(yīng)用于臨床提供實驗支撐。1核磁共振儀主體技術(shù)1.1主磁體為了對顱內(nèi)疾病進行實時監(jiān)護，應(yīng)使磁體構(gòu)造能夠包圍人體頭顱，并在磁體構(gòu)造的中心區(qū)域構(gòu)成水平方向平坦分布、縱深方向梯度分布的磁場，便于對顱內(nèi)不同深度區(qū)域的含水體積信息進行檢測。本文設(shè)計得到了磁場條件優(yōu)良的主磁體。向永磁體制造廠商〔北京中科三環(huán)高技術(shù)股份有限公司〕購買所需磁體，即磁塊尺寸為30mm30mm100mm、相對磁導(dǎo)率r為1.05、剩磁的磁感應(yīng)強度Br為1.38T的釹鐵硼磁塊，并采用不導(dǎo)磁的不銹鋼材料制作支架，構(gòu)建實際的磁體模型，其主磁體構(gòu)造如此圖1所示。磁體磁場中心區(qū)域的尺寸為50mm50mm50mm.磁場中心區(qū)域yoz平面50mm50mm范圍磁場磁感應(yīng)強度Bz的計算值和測量值如此圖2所示。從圖2能夠看出，在yoz平面上的范圍為50mm50mm時，即磁場中心區(qū)域在y方向的寬度為50mm時，磁場沿水平方向平坦分布。主磁體在磁場中心區(qū)域內(nèi)磁場磁感應(yīng)強度幅值的測量值為0.063~0.1647T〔計算值為0.063~0.1635T〕，平均值的測量值為0.1077T〔計算值為0.1071T〕，磁場梯度的測量值為2.03T/m〔計算值為2.01T/m〕，磁場梯度較大，可為核磁共振系統(tǒng)提供良好的主磁場。1.2射頻線圈射頻線圈是裝在主磁體內(nèi)孔里的常規(guī)高頻脈沖線圈，射頻線圈由晶體振蕩器和功率放大器提供射頻電流工作，核磁共振信號也由同一個射頻線圈接收，接收到的信號經(jīng)過接收器和放大器進行模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換、信號平均，最后計算、存儲和顯示完成樣品的成像[18].主磁體的磁場方向必須跟射頻線圈的磁場方向垂直，被測物體處于主磁體磁場和射頻線圈磁場的共同磁場當中，因而射頻線圈的設(shè)計不能脫離主磁體磁場，需要根據(jù)主磁體磁場的特點進行設(shè)計，并搭建核磁共振實驗平臺驗證其可用性和匹配性[19].1.2.1不同射頻線圈磁場分析為了選取合適該系統(tǒng)的射頻線圈，對籠型線圈、單層八字線圈、雙層八字線圈以及螺線型線圈的磁場大小、方向及分布進行了研究，以產(chǎn)生磁場的磁感應(yīng)強度、均勻度以及平行度為標準進行挑選，最后選定螺線型線圈搭建實驗系統(tǒng)。采用外電路添加鼓勵的方式進行建模，線圈寬度為0.5mm,電流鼓勵為2A,匝間距為0.5mm,線圈外半徑為26mm,兩線圈之間距離為70mm.螺線型線圈構(gòu)造及磁感應(yīng)強度B的大小和方向如此圖3所示。從圖3能夠看出，螺線型線圈產(chǎn)生的磁場均勻度和平行度都較好，可用來設(shè)計核磁共振系統(tǒng)。1.2.2螺線型線圈的優(yōu)化選擇利用Maxwell對線圈進行建模擬真，建模需要消耗損費大量的時間，仿真時間也較長，對計算機的要求較高，而影響螺線型線圈磁場的因素較多，通過仿真建模來逐個研究影響因素是不切實際的。本文考慮到這些因素，通過算法編程，設(shè)置線圈內(nèi)半徑、線圈外半徑、線寬、匝間距、電流大小等參數(shù)建立了螺線型線圈的磁場計算方式方法，研究了不同影響因素對磁場的影響規(guī)律。研究得到，隨著匝間距的增加，磁感應(yīng)強度變小，磁場均勻度不變；匝間距在0.1~0.5mm范圍內(nèi)時線圈磁場磁感應(yīng)強度變化不大，匝間距大于0.5mm時，磁場磁感應(yīng)強度變?。浑S著2個線圈之間的距離變大，線圈中間位置處的磁感應(yīng)強度變小，磁場均勻度變化不大；在其他參數(shù)固定的條件下，線圈存在使得磁場磁感應(yīng)強度到達最大值的最優(yōu)外半徑。根據(jù)參數(shù)優(yōu)化，設(shè)線圈匝數(shù)為7匝，線圈外半徑為40mm,2個線圈之間的距離為40mm,匝間距為0.3mm,此時磁場磁感應(yīng)強度到達1mT,其均勻度為0.02mT,優(yōu)化選擇參數(shù)后的磁場磁感應(yīng)強度及其均勻度都有了明顯的改善，此時螺線型線圈在中間截面處只要z方向的值。2核磁共振實驗2.1實驗系統(tǒng)框架與實驗條件本文搭建的核磁共振系統(tǒng)構(gòu)造如此圖4所示。在搭建核磁共振實驗平臺時，射頻線圈通過電容匹配電路〔Cm、CT為匹配電容〕與電阻值50?的同軸電纜相連，使得射頻線圈的阻抗與實驗儀器阻抗相匹配，再將同軸電纜與實驗儀器相連，通過操作Prospa軟件進行實驗。實現(xiàn)核磁共振要知足的基本條件如下：1〕核有自旋〔磁性核〕；2〕有1個穩(wěn)恒的外磁場B0,能發(fā)生能級分裂。主磁場為均勻場，磁場越均勻、Zeeman能級寬度越窄、共振吸收峰越尖銳、信噪比越高都能使得信號越容易觀測；3〕有1個與主磁場和總磁矩所組成平面垂直的旋轉(zhuǎn)磁場B1;4〕若線圈磁場角頻率00==B〔0B為矢量B0的模〕，則發(fā)生核磁共振。華而不實為核的磁旋比，其計算式為【公式】2.2線圈PCB模型根據(jù)前面確定的線圈參數(shù)，畫出螺線型線圈的印刷電路板〔printedcircuitboard,PCB〕模型，如此圖5所示。圖5中：2個線圈中的A、A、B、B、C、C、D、D為螺桿連接點，都為直徑4.5mm的圓洞；AA、BB、CC、DD分別相連接用來固定板子；E、F、E、F為焊接點。在實驗中，將2個線圈用塑料螺釘固定，通過焊接點連接。E連接F,E、F與外電路相連。2.3磁體磁場測量與數(shù)據(jù)計算3維磁場測量平臺由1維磁場探針、1維貝爾高斯計、3維運動平臺〔由x、y、z這3個方向的高精度步進電機控制〕、運動控制器以及裝有控制測量軟件的計算機構(gòu)成，如此圖6所示。圖6中：磁場探針與高斯計相連，高斯計通過串口與計算機相連，磁場數(shù)據(jù)由探針測得，共同顯示在高斯計和測量軟件中；磁場探針固定在3維運動平臺上，運動平臺由運動控制器控制，通過串口連接在計算機上，由測量軟件控制可在1維直線和2維平面上運動；這樣通過2個串口便可在終端軟件上控制磁場探針運動，并記錄測量數(shù)據(jù)。分別測出在磁場中心區(qū)域？25mm、？15mm、?5mm、5mm、15mm和25mm這6個高度上的磁場磁感應(yīng)強度大小，然后計算得到各位置處的共振頻率，再利用阻抗分析儀測得線圈在每個共振頻率下的電阻R值、電感L值。將線圈放置在主磁體當中，進行數(shù)據(jù)測量，每個共振頻率位置處測量4組數(shù)據(jù)，最后求取平均值。測得線圈的阻抗參數(shù)，利用算法計算電容匹配電路中電容Cm、CT的值。在磁場中心區(qū)域中，不同坐標位置的層面上，主磁體磁場中心區(qū)域不同位置高度h處的各種數(shù)據(jù)〔磁場磁感應(yīng)強度平均值B、共振頻率f、電阻R、電感L、匹配電容Cm、CT〕如表1所示。2.4電路匹配與頻率調(diào)節(jié)根據(jù)計算出的匹配電容，完成電容匹配電路的計算，根據(jù)前面圖4中型等效電路來完成電容匹配電路的焊接。根據(jù)計算的參數(shù)來完成電路匹配，完成匹配后利用頻率分析儀驗證匹配的好壞。利用頻率分析儀來測量所匹配的電路所對應(yīng)的共振頻率，若此時對應(yīng)的共振頻率的測量值大于計算值，則講明選擇的電容CT過小，所以需要將CT值變大；反之則將CT變小。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到共振頻率的測量值與計算值一致。頻率匹配如此圖7所示。圖7中：f1、f2為幅值下降到總幅值d長度的0.707倍時所對應(yīng)的頻率；Q=f/f為表征線圈匹配好壞的參數(shù)；f為共振頻率；f=f2?f1為頻率差值；Q值越大，講明線圈的品質(zhì)因數(shù)越好。在共振頻率〔計算理論值〕為4.431MHz時匹配電路，在儀器測量中匹配頻率到達了4.4187MHz,精度到達了99.71%,f2=4.30901MHz,f1=4.21386MHz,f=0.09515MHz,因而計算得到Q=4.4187MHz/0.09515MHz=46.44,線圈品質(zhì)因數(shù)高。2.5核磁共振系統(tǒng)的建立圖8為利用Magritek核磁共振譜儀、Tomco射頻功率放大器、半環(huán)Halbach磁體、射頻線圈以及計算機搭建的開放式核磁共振系統(tǒng)。使用的脈沖信號為自旋回波序列〔carr-purcell-meiboom-gill,CPMG〕射頻脈沖序列，為用于測橫向弛豫時間2的常用脈沖序列，由90和180的射頻脈沖組成,其基本單元90-delay-〔180-delay〕n〔n為回波個數(shù)〕如此圖9所示[22].a1表示90脈沖的幅值衰減倍數(shù)，a2表示180脈沖的幅值衰減倍數(shù)，td1表示90和180脈沖的寬度，te表示回波時間，tr表示2個連續(xù)的90射頻脈沖間的時間間隔。圖9中，在90脈沖作用后，每隔回波時間te采用180脈沖重聚焦，并測量其回波信號，理論上回波信號峰值的連線將以橫向馳豫時間2為衰減時間常數(shù)作指數(shù)衰減，可用下式表示為[13]【公式2】式中：y0為測量信號的初始幅值；a為衰減系數(shù)；y為隨著時間變化的測量信號的幅值。2.5.1目的區(qū)域不同深度物體回波信號測量CPMG脈沖序列中90和180脈沖寬度td1為4s,90和180脈沖幅值衰減倍數(shù)a1和a2分別為?18dB和？12dB,回波時間te為110s,回波個數(shù)n為60,重復(fù)次數(shù)為2000次，重復(fù)時間tr為300ms.將橡皮分別放置在磁場中心區(qū)域？25mm〔7.213MHz〕、？15mm〔6.047MHz〕、？5mm〔5.158MHz〕、5mm〔4.168MHz〕、15mm〔3.515MHz〕和25mm〔2.782MHz〕這6個高度上〔射頻線圈隨樣品一起放置在不同高度上〕，單個高度上測得的核磁共振信號如此圖10所示。不同高度上橡皮的核磁共振信號如此圖11所示，將每個高度上的回波信號疊加。隨著縱深距離增加，疊加構(gòu)成信號的幅值隨高度而逐步衰減，原由于主磁體的磁感應(yīng)強度在縱深方向呈梯度衰減趨勢。本實驗證明，所設(shè)計的開放式核磁共振系統(tǒng)能夠獲得目的區(qū)域不同深度物體的核磁共振信號，通過測定核磁共振信號的峰值頻率能夠斷定樣品的放置位置深度。2.5.2目的區(qū)域物體不同含水體積信號的測量腦水腫是腦內(nèi)水增加導(dǎo)致腦容積增大的病理現(xiàn)象，顱內(nèi)含水體積的變化能夠直接反映出腦水腫病情的變化情況。物體含水體積不同，所測得的核磁共振信號也不同，這種不同能夠直接通過2的大小來表示。在實驗中，用1個容器內(nèi)部填充可攪拌物質(zhì)來模擬腦內(nèi)情況。被測物體為1個塑料容器，華而不實加面粉，通過參加定量清水來改變其含水體積。將被測物體放置在共振頻率計算值為4.431MHz位置處，測定2的大小。測得該位置處4組R、L值，其平均值分別為1.54556?、4.53082H,計算得到此時的匹配電容2Cm、CT值分別為99.5742pF和233.6086pF.電容選擇穩(wěn)定性好、絕緣性強、耐壓高的陶瓷電容。通過選擇不同大小的電容進行組合、電路匹配和頻率測量，選取最接近計算頻率的電容值。最后選取2Cm、CT的值分別為100pF、〔220+10+3.3〕pF,用Wobble測得匹配的頻率大小為4.453MHz,誤差僅為0.49%.搭建好整個系統(tǒng)，在核磁共振實驗Prospa軟件中進行最后Wobble頻率匹配。CT值影響匹配頻率值的大小，Cm值影響匹配頻率的品質(zhì)因數(shù)。圖12表示頻率匹配好壞的頻率掃描圖，頻率掃描響應(yīng)圖中越細越尖講明匹配的效果越好，共振吸收峰越尖銳，信噪比越高，越容易觀測。從圖12能夠看出，匹配的效果非常好，中心頻率參數(shù)設(shè)置為4.453MHz.另1個重要參數(shù)是脈沖寬度，通過進行脈沖寬度掃描，選擇使得信號最大的脈沖寬度值。圖13表示不同脈寬下核磁共振信號幅值的大小。從圖13能夠看到，在脈沖寬度為7s時得到最大核磁共振信號。其他參數(shù)通過不斷改變調(diào)試來選取，選取CpmgAdd信號〔核磁共振信號〕最好的參數(shù)值。實驗選取CPMG脈沖序列中90和180脈沖寬度td1為4s,幅值衰減倍數(shù)a1和a2分別為？21dB和？15dB,回波時間te為200s,回波個數(shù)n為4000,重復(fù)次數(shù)為256次，重復(fù)時間tr為5000ms.將被測物體放入系統(tǒng)中間位置，第1組數(shù)據(jù)為面粉中參加體積為1mL的水，從第2組開場往后每1組參加體積為0.2mL的水，即每1組的含水體積依次為1mL、1.2mL、1.4mL,依此類推，并攪拌均勻，進行實驗。圖14為參加水體積為2.4mL時的擬合結(jié)果，用t/ms表示后1組相對于前1組數(shù)據(jù)的增量，以此來表征信號的變化。圖14〔a〕表示未發(fā)生核磁共振時的曲線圖〔2=0.1ms〕；圖14〔b〕表示發(fā)生核磁共振時最后擬合成的曲線圖〔2=96.9ms〕。測得不同含水體積情況下表征核磁共振信號大小的2值，2為橫向弛豫時間，該值能夠表征被測物體內(nèi)部含有的H1的數(shù)量，H1數(shù)量越多，測得的核磁共振信號越大，2也會越大，2是核磁共振中一個很重要的參數(shù)，如表2所示。從表2中可出看出，隨著每次增加體積為0.2mL的水，2的值變大，t為后1組測得的2與前1組測得的2的差值，t的變化范圍都在5.5~7.5ms之間。在實際實驗中，這個值有一定誤差，由于在實驗中，隨著含水體積的增加