[發(fā)明專利]一種惰性氣體原子核通道裝置及磁共振成像方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610094660.X
• 申請(qǐng)日: 2016-02-22
• 公開（公告）號(hào): CN105785293B
• 公開（公告）日: 2018-02-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周欣;韓葉清;孫獻(xiàn)平;石磊;劉買利;葉朝輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G01R33/32
• 分類號(hào): G01R33/32;G01R33/28
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所42001
• 代理人: 李鵬,王敏鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超極化惰性氣體磁共振成像和波譜領(lǐng)域，具體涉及一種惰性氣體原子核通道裝置，通過混頻實(shí)現(xiàn)惰性氣體原子核特定射頻脈沖發(fā)射和射頻信號(hào)接收，還提供了一種磁共振成像方法，適用于超極化惰性氣體（例如，氙、氦、氪等）的磁共振成像和波譜。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的人體磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）作為一種無放射性、無侵入的影像技術(shù)，是基于人體中氫原子核（質(zhì)子）進(jìn)行磁共振成像，能夠?qū)θ梭w大部分組織和器官進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能成像，在醫(yī)學(xué)診斷和研究中顯示了諸多無法比擬的優(yōu)越性，在人類健康和公共衛(wèi)生事業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用。但是，現(xiàn)在的通用型氫原子核磁共振成像系統(tǒng)對(duì)肺部疾病的診斷方面能力有限，因?yàn)榉尾恐饕怯煞闻萁M成的空腔結(jié)構(gòu)，在肺部里的氫原子核密度比正常組織低1000倍，導(dǎo)致肺部氫原子核磁共振信號(hào)十分微弱，因此，肺部一直是傳統(tǒng)磁共振成像的“盲區(qū)”。目前，醫(yī)院使用的傳統(tǒng)氫原子核磁共振成像方法對(duì)于肺部進(jìn)行磁共振影像，其僅僅以“黑洞”形式顯影，無法獲得有價(jià)值的結(jié)構(gòu)或者功能方面的信息。

利用激光光泵和自旋交換技術(shù)，可以產(chǎn)生激光極化的氙-129，氦-3、氪-83等惰性氣體，使得它們的原子核自旋高度極化。因?yàn)楹舜殴舱裥盘?hào)的強(qiáng)度（S）與原子核的極化度（P₀）正相關(guān)，因此，發(fā)展的激光光泵和自旋交換方法能夠增強(qiáng)惰性氣體的磁共振信號(hào)超過10,000倍，通常稱為“超極化”。因?yàn)?，肺部氫原子核的低密度，所以，讓肺部吸入超極化的惰性氣體，用超極化惰性氣體核磁共振信號(hào)作為新的信號(hào)源，可以實(shí)現(xiàn)肺部超極化惰性氣體磁共振成像。特別地，對(duì)于超極化惰性氣體氙-129，因?yàn)槠淠軌蛉苋胙汉椭荆虼耍材軌蜻M(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)腦部功能可視化，有望成為肺部和腦部早期疾病診斷的新工具。

超極化惰性氣體磁共振成像使用的成像核不是傳統(tǒng)的氫原子核，而是使用了惰性氣體氙-129、氦-3、氪-83等的原子核。因?yàn)闅湓雍伺c惰性氣體原子核具有不同的旋磁比，在特定B₀場強(qiáng)下，旋進(jìn)的拉莫爾頻率之間也存在差異（ω_H>ω_X），例如，氫原子核的磁共振頻率要比惰性氣體氙-129的高3.6倍。通用磁共振成像儀的氫原子核通道不能實(shí)現(xiàn)對(duì)惰性氣體氙-129原子核的射頻脈沖激發(fā)及其磁共振信號(hào)接收。因此，在通用的磁共振成像儀上，需要加入一套新的惰性氣體氙-129原子核成像通道，完成對(duì)惰性氣體原子核的射頻脈沖激發(fā)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)惰性氣體氙-129原子核磁共振回波信號(hào)的接收及信號(hào)處理，得到使用超極化惰性氣體氙-129填充的人體肺部結(jié)構(gòu)和功能信息，或含有溶解態(tài)超極化惰性氣體氙-129的血液輸送到腦部，對(duì)腦部功能信息進(jìn)行探測(cè)。

現(xiàn)有的異核磁共振頻譜成像技術(shù)是在磁共振成像技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能探測(cè)到異核（例如³¹P等）的物理化學(xué)環(huán)境，可用于活體生化分析；以及，2011年杜克大學(xué)發(fā)明了¹⁹F的肺部磁共振成像技術(shù)等。氫原子核磁共振成像設(shè)備的射頻系統(tǒng)分為發(fā)射鏈、射頻線圈和接收鏈。發(fā)射鏈包括脈沖包絡(luò)發(fā)生器、頻率合成、調(diào)制器以及射頻功率放大器。接收鏈包括射頻放大器、解調(diào)器和AD轉(zhuǎn)換器。這些模塊多是窄帶頻率特性，通用磁共振成像系統(tǒng)的射頻組件只工作于氫原子核的共振頻率，而常規(guī)能探測(cè)到異核的雙頻系統(tǒng)需要內(nèi)置兩套頻率合成、調(diào)制器、射頻功放、線圈、接收放大器、解調(diào)器和AD轉(zhuǎn)換器，分別工作于不同原子的共振頻率上。通常地，異核磁共振頻譜成像原始數(shù)據(jù)在氫原子核磁共振成像的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)時(shí)間維，因此，異核磁共振成像速度要比氫原子核磁共振慢得多，需采集大量成像數(shù)據(jù)，花費(fèi)很長的采集時(shí)間。現(xiàn)有的商業(yè)人體磁共振成像儀通常只配備了僅僅一個(gè)氫原子核通道，如何發(fā)展一種新型、快速異核磁共振成像方法？是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的問題。超極化惰性氣體技術(shù)的發(fā)展，為快速異核磁共振成像方法提供了一個(gè)解決的方法。發(fā)展新型惰性氣體原子核通道是實(shí)現(xiàn)超極化惰性氣體磁共振成像方法的關(guān)鍵步驟之一。

本發(fā)明專利提出一種惰性氣體原子核通道裝置及磁共振成像方法，在不改動(dòng)通用型磁共振成像譜儀的條件下，在單頻氫原子核系統(tǒng)上增加雙頻功能，采用“外置”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)惰性氣體原子核磁共振成像。其組成主要包括外置的發(fā)射混頻器、射頻功率放大器、線圈和前置放大器、接收混頻器。充分利用單頻氫原子核磁共振成像譜儀中已有單元設(shè)備，本外置結(jié)構(gòu)不含調(diào)制/解調(diào)器、接收放大器、AD轉(zhuǎn)換器等。通過混頻調(diào)整激發(fā)脈沖頻率和回波信號(hào)頻率，控制惰性氣體原子核線圈的激發(fā)和接收，對(duì)通用磁共振成像譜儀硬件進(jìn)行改造，從而，能夠?qū)崿F(xiàn)超極化惰性氣體（例如氙-129等）的快速磁共振成像。