專利名稱：一種心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械的相關領域，特別涉及一種心血管磁共振成像中呼吸信號的 自反饋輔助方法，尤其適用于對呼吸的穩定性要求較高的磁共振冠狀動脈成像中。
背景技術：
冠心病是危害人類健康的重大疾病，每年由此產生的醫療費用已過千億元人民 幣，給國家和人民帶來沉重的經濟負擔。心血管病已成為日益迫切的重大社會公共問題，若 不能對其進行有效防治，將影響到人民健康素質的全面提高和國民經濟的高速發展。尋找 一種真正無創、無X射線的方法在冠心病的早期診斷、危險分層、治療決策和療效評價等方 面，起著十分重要的作用。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的臨床應用日益廣泛，在冠心 病的診斷中發揮越來越重要的作用，對先天性心臟病、心肌病等疾病的診斷有不可替代的 價值。由于MRI成像時間相對較長，心血管MRI圖像質量常受呼吸運動偽影的影響。因此， 如何有效地降低呼吸運動偽影影響是能否做出正確診斷的必要保證。有學者提出在心血管 MRI中通過多次屏氣抑制呼吸運動偽影，射頻脈沖激發和信號采集只在屏氣相進行，這一技 術的出現有效地減少了常規心血管MRI圖像的呼吸運動偽影，因此在臨床被廣泛地應用。 由于冠狀動脈具有管徑細小、走行迂曲等特點，因此冠狀動脈成像所需時間較長，屏氣法不 能順利完成掃描。90年代末，有學者提出采用自由呼吸導航技術完成CMRA，在整個檢查過程中，被 試者自由呼吸，通過前瞻性導航波對膈肌位置實時監測，再經預先設定的校正因子對心臟 位置實時校正，在此基礎上完成圖像重建。呼吸導航技術的應用，增加了被試者的依從性， 也擴大了成像的覆蓋范圍。但主要缺點是，因為只在呼吸周期特定時相進行圖像采集，因此 其所需檢查時間較長；若患者在相對較長的時間內呼吸不均勻、頻繁改變呼吸頻率，則易引 起導航效率下降、采集時間延長、圖像質量降低甚至檢查失敗。因此，傳統呼吸導航技術成 為制約MRI在冠狀動脈成像臨床廣泛應用的主要瓶頸。常規的CMRA檢查中，受試者躺在磁共振病床上，磁共振成像系統掃描的同時，受 試者不接受任何的反饋信息，檢查過程中不能獲知自己呼吸頻率及幅度情況。如果采用射 頻屏蔽投影系統給受試者實時投影自己的呼吸導航波形，供其自主調整呼吸模式提供一 個反饋平臺，將可以提高呼吸導航效率，利于在較短時間內完成檢查。在此過程中，如僅將 機器操作界面上的呼吸導航波形圖直接反饋給受試者，常需要檢查前對其進行充分訓練， 這對于高齡文化程度較低的患者常常存在一定困難，而且，患者有時出于緊張，反而不能很 好地配合。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法。為實現上述目的，本發明的一種心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，該方法包括步驟1)通過壓力傳感器將綁縛于受試者腹部呼吸感應帶的氣壓信號轉換成電壓信 號；2)通過增益放大器對壓力傳感器輸出的電信號進行增益放大處理；3)再由模擬信號數字采樣模塊將進行增益放大處理后的電信號轉換成數字信號 后，輸出采樣數據；4)再通過數據處理模塊對采樣數據進行去噪處理，計算平均值；5)最終，經由顯示模塊輸出導航波。作為上述技術方案的一種改進，所述的增益放大器采用可編程增益放大器，用于 設置從0. 5 16以2的整數次冪遞增。當不同ADC輸入電壓信號范圍差距較大或需要放 大一個具有較大直流偏移的信號時，可編程增益放大器是非常有用的。作為上述技術方案的又一種改進，所述的模擬信號數字采樣模塊的采樣頻率為 IOOKHz。作為上述技術方案的再一種改進，所述的去噪處理為多次采樣后，去掉采樣數據 中的數個最大值和最小值。作為上述技術方案的另一種改進，所述的步驟5)中，顯示模塊將實時接受到的二 進制數據還原成對應的采樣值以導航波的形式顯示在導航窗口上；且該導航窗口還顯示有 一呼吸導航帶，該呼吸導航帶為核磁共振掃描所設定的呼吸幅度范圍。作為上述技術方案的另一種改進，所述的壓力傳感器采用硅壓阻式傳感器。作為上述技術方案的另一種改進，所述的硅壓阻式傳感器為半敏感電橋硅壓阻式 傳感器或全橋硅壓阻式傳感器。作為上述技術方案的另一種改進，所述的呼吸信號的自反饋輔助方法還包括存儲 的步驟通過一存儲模塊存儲呼吸信號，以為呼吸訓練和磁共振導航提供參考數據。本發明的優點在于，本發明的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法， 可以實現基于自反饋呼吸導航下的改良磁共振全心冠狀動脈成像。本發明可以基于呼吸導航信號自反饋實時調整的冠狀動脈MR成像。傳統呼吸導 航技術MR成像時，患者不能獲知自己呼吸頻率及幅度情況，出于完全的自由呼吸狀態。采 用射頻屏蔽投影系統給患者實時反饋呼吸幅度及頻率變化情況，使患者能夠在檢查過程中 自主調節呼吸幅度和頻率，主動性延長呼氣末的相對平臺期，從而快速完成體部磁共振成 像檢查。此外，由于呼吸導航信號較為復雜，并不直觀，因此直接將此信號反饋給受試者很 難接受并完成自主調整。因此，本發明通過開發交互式游戲界面軟件實現后，供受試者檢查 前進行呼吸訓練及檢查中實時進行呼吸幅度及呼吸頻率調整。在此系統中，呼吸導航波形 信息采用常規手段還可被轉化成交互性游戲界面，這使得患者容易通過游戲界面調整自身 呼吸幅度完成訓練。本發明的基于自反饋呼吸導航下的磁共振全心冠狀動脈成像方法的應用在冠心 病的無創性早期診斷、危險分層、治療決策和療效評價等方面，將起著十分重要的作用。
圖1是本發明的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法的流程示意圖2a是本發明一實施例中的全橋硅壓阻式傳感器的示意圖；圖2b是本發明一實施例中的半敏感電橋硅壓阻式傳感器的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
，對本發明的結構進行進一步詳細的說明。如圖1所示，采用本發明的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，將 呼吸感應帶綁縛與受試者腹部，氣壓信號經壓力傳感器轉換成電壓信號后，通過增益放大 器進行自動增益控制，再由模擬信號數字采樣模塊進行數字采樣，再對采樣數據處理去 噪，計算平均值；最后，由串口輸出，即通過二進制編碼后將數據通過串口輸出。壓力傳感器可以采用硅壓阻式傳感器(PRT)監測吸入和呼出時對應壓力的降低 和增加。PRT 一般配置為一個緊密的惠斯登電橋。當有壓力施加到PRT的敏感電橋時(見 圖2a所示)，對角橋臂的電阻值將發生相同方向、相同大小的改變。當一個對角橋臂上的兩 個電阻值在壓力的作用下增加時，另外一個對角橋臂的電阻值降低，反之亦然。對于半敏感 電橋PRT (見圖2b所示)，則只有半邊橋臂的電阻值發生改變。不管是全橋還是半敏感電 橋的PRT傳感器都具有高靈敏度(> lOmv/v)、良好的線性和溫度穩定性、無信號滯回等優 點，其測量范圍可上至破壞性極限。本例中，壓力傳感器采用Freescale公司生產的MPXV10GC6U，技術參數0 to IOkPa (0 to 1. 45psi)35mV 全量程。自動增益控制采用Silicon Laboratories的C8051F124片內增益控制模塊；可編 程增益放大器增益可以用軟件設置從0. 5到16以2的整數次冪遞增當不同ADC輸入電壓 信號范圍差距較大或需要放大一個具有較大直流偏移的信號時可編程增益放大器是非常 有用的。模擬信號數字采樣模塊采用Silicon Laboratories的C8051F124片內12位ADC 模塊。采樣頻率IOOKHz。采樣數據處理，去噪，計算平均值。其中，去噪多次采樣后，去掉采樣數據中的數 個最大值和最小值。計算平均值將去噪后的數據計算平均值，獲得多次采樣的平均值。然 后，經串口輸出通過二進制編碼后將數據通過串口輸出。最后，顯示模塊實現串口設備自動連接功能，并將實時接受到的二進制數據還原 成對應的采樣值以導航波的形式顯示在導航窗口上。并且向遠端網絡上的顯示終端同步發 送采樣數據，這樣遠端網絡上的電腦可以同步顯示導航波。電腦軟件接受數據顯示導航波電腦軟件實現串口設備自動連接功能，并將實時 接受到的二進制數據還原成對應的采樣值以導航波的形式顯示在導航窗口上。并且向遠端 網絡上的顯示終端同步發送采樣數據，這樣遠端網絡上的電腦可以同步顯示導航波。實際應用中，受試者通過觀看自己呼吸產生的同步的導航波信號，調整呼吸幅度， 使呼氣末信號正好顯示在呼吸導航帶內。呼吸導航帶為核磁共振掃描所設定的呼吸幅度范 圍。這樣就可以實現穩定的周期性掃描。同時還可以實現受試者在掃描前的呼吸訓練功能，可以使受試者在體部磁共振檢 查前完成進行交互式呼吸方式訓練，獲得個體特異性的最佳呼吸方式；在體部磁共振檢查中通過本系統將個體呼吸導航波信號實時反饋給受試者，使受試者可以在檢查中實時調整 自身呼吸幅度及呼吸頻率，高質量完成體部磁共振檢查。 最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。盡管參 照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發明 的權利要求范圍當中。
權利要求
一種心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，該方法包括步驟1)通過壓力傳感器將綁縛于受試者腹部呼吸感應帶的氣壓信號轉換成電壓信號；2)通過增益放大器對壓力傳感器輸出的電信號進行增益放大處理；3)再由模擬信號數字采樣模塊將進行增益放大處理后的電信號轉換成數字信號后，輸出采樣數據；4)再通過數據處理模塊對采樣數據進行去噪處理，計算平均值；5)最終，經由顯示模塊輸出導航波。
2.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的增益放大器采用可編程增益放大器，用于設置從0. 5 16以2的整數次冪遞增。
3.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的模擬信號數字采樣模塊的采樣頻率為ΙΟΟΚΗζ。
4.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的去噪處理為多次采樣后，去掉采樣數據中的數個最大值和最小值。
5.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的步驟5)中，顯示模塊將實時接受到的二進制數據還原成對應的采樣值以導航波 的形式顯示在導航窗口上；且該導航窗口還顯示有一呼吸導航帶，該呼吸導航帶為核磁共 振掃描所設定的呼吸幅度范圍。
6.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的壓力傳感器采用硅壓阻式傳感器。
7.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的硅壓阻式傳感器為半敏感電橋硅壓阻式傳感器或全橋硅壓阻式傳感器。
8.根據權利要求1所述的心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，其特征在 于，所述的呼吸信號的自反饋輔助方法還包括存儲的步驟存儲呼吸信號，以為呼吸訓練和 磁共振導航提供參考數據。
全文摘要
本發明涉及一種心血管磁共振成像中呼吸信號的自反饋輔助方法，該方法包括步驟1)通過壓力傳感器將綁縛于受試者腹部呼吸感應帶的氣壓信號轉換成電壓信號；2)通過增益放大器對壓力傳感器輸出的電信號進行增益放大處理；3)再由模擬信號數字采樣模塊將進行增益放大處理后的電信號轉換成數字信號后，輸出采樣數據；4)再通過數據處理模塊對采樣數據進行去噪處理，計算平均值；5)最終，經由顯示模塊輸出導航波。本發明可以實現基于自反饋呼吸導航門控的改良磁共振全心冠狀動脈成像。
文檔編號A61B5/055GK101972146SQ20101027303
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月3日 優先權日2010年9月3日
發明者李坤成, 楊旗, 胡晨曦 申請人:首都醫科大學宣武醫院