一种降低磁共振成像设备电磁噪声的主动降噪系统

摘要

本发明涉及一种降低磁共振成像设备电磁噪声的主动降噪系统，属于核磁共振技术领域，包括依次连接的电磁噪声采集传感器、前置放大器、信号调理电路、信号采集电路以及噪声处理模块；所述电磁噪声采集传感器用于实时采集磁共振成像系统中的电磁噪声信号数据，并通过前置放大器进行低噪高增益放大，然后通过信号调理电路的高通、低通滤波处理，最后使用信号采集电路对信号进行采样；所述噪声处理模块用于根据所述电磁噪声信号数据对磁共振射频接收线圈中接收到的电磁噪声进行抑制或者消除。本发明能够有效去除磁共振成像系统中的电磁噪声。

说明书

技术领域

本发明属于核磁共振技术领域，涉及一种降低磁共振成像设备电磁噪声的主动降噪系统。

背景技术

目前，磁共振成像系统需要在专门的屏蔽环境(例如，特殊的屏蔽房、屏蔽舱、屏蔽笼等)中工作，屏蔽系统在提高磁共振信号信噪比的同时也大大增加了磁共振系统的重量和体积限制了现有磁共振成像系统的使用场景。为了摆脱屏蔽系统的限制，实现磁共振系统的轻量化、小型化乃至可移动化，便于将磁共振成像系统部署于医院任何无屏蔽但是有需要的科室、救护车以及进行床旁监护，就需要解决电磁噪声的主动降噪问题。由于磁共振成像系统一般工作在多噪声源的复杂电磁环境中，电磁噪声是动态变化，噪声的频段有时与磁共振信号频段有所重叠，且噪声信号强度会接近甚至高于磁共振信号的强度，因此传统的频域滤波或者阈值去噪法不仅不能有效的去除电磁噪声甚至还会滤除有用的磁共振信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种降低磁共振成像设备电磁噪声的主动降噪系统，减少或者消除电磁噪声对于没有屏蔽系统的磁共振成像设备的影响，可以保证磁共振成像设备在任何没有屏蔽的环境下使用，同时大幅减小了整个系统的重量及体积。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种降低磁共振成像设备电磁噪声的主动降噪系统，包括依次连接的电磁噪声采集传感器、前置放大器、信号调理电路、信号采集电路以及噪声处理模块；所述电磁噪声采集传感器用于实时采集磁共振成像系统中的电磁噪声信号数据，并通过前置放大器进行低噪高增益放大，然后通过信号调理电路的高通、低通滤波处理，最后使用信号采集电路对信号进行采样；所述噪声处理模块用于根据所述电磁噪声信号数据对磁共振射频接收线圈中接收到的电磁噪声进行抑制或者消除。

进一步，所述电磁噪声采集传感器包括一个或多个电磁噪声采集线圈，放置于磁体内部但又在静态磁场之外，接收不到磁共振信号的位置。

进一步，所述电磁噪声采集线圈为单匝或多匝螺线管型、鞍型、表面型或者封装于柔性PCB板上的线圈，与射频接收线圈平行或者与其中轴线夹角为30度、45度或60度放置。

进一步，所述电磁噪声采集传感器包括一个或多个电流传感器，耦合于各内部连接线位置；所述各内部连接线位置包括：设备电源线以及谱仪与梯度功率放大器连接线、谱仪与射频功率放大器连接线、射频功率放大器与射频线圈连接线、梯度功率放大器与梯度线圈连接线。

进一步，所述电流传感器为开环式或闭环式霍尔电流传感器，单磁环、双磁环、多磁环嵌套或屏蔽双磁环磁通门电流传感器，电流互感器中的一种或多种。

进一步，所述电磁噪声采集传感器包括一个或多个电场耦合传感器，放置于设备供电电源线上，采集以位移电流形式通过外部干扰源与人体躯干之间的杂散分布电容耦合到磁共振信号采集通道中的噪声。

进一步，所述电场耦合传感器为感应电极式电场传感器、球形电场传感器、基于光电效应的电场传感器中的一种或多种。

进一步，所述电场耦合传感器为双感应电极差动输出的电场耦合传感器，包括环形的传感器载体板，所述传感器载体板中心位置设有PCB基板，所述PCB基板上蚀刻有传感器感应电极，还包括线路锁紧结构，用于将所述电场耦合传感器套设在供电电源线上。

进一步，所述信号采集电路采用采样卡或者FPGA及其外围电路构成。

进一步，所述噪声处理模块的工作步骤如下：

在频域或者小波域对测量得到的电磁噪声信号进行分析并提取其特征，进而从每个频域上的频率范围或者小波分析中每个分解层对应的频率范围上利用寻优算法，计算得到使得辐射噪声检测通道与磁共振信号通道的噪声数据相差最小的转移矩阵，所述寻优算法包括最小二乘法和梯度下降法；所述噪声转移矩阵用于将电磁噪声采集系统测量得到的实时电磁噪声转化为磁共振成像系统所受到的电磁噪声，最后将磁共振信号减去噪声采集系统测量的实时噪声数据与转移矩阵的乘积，从而提高磁共振信号信噪比；

当电磁噪声采集传感器有多个通道时，首先，计算各个噪声通道的权重，在某一时刻，用皮尔森相关系数计算各通道噪声信号与磁共振通道纯噪声信号的相似程度，来表示各噪声通道的权重，用各通道的转移系数乘上对应的权重构成转移系数矩阵；最后，在回波信号出现期间，将由各噪声通道信号构成的噪声信号矩阵乘上对应的转移系数矩阵并与磁共振信号相减，实现多通道电磁噪声主动降噪。

本发明的有益效果在于：本发明能够有效去除磁共振成像系统中的电磁噪声。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1无屏蔽环境中磁共振成像设备受到多个电磁噪声源影响示意图；

图2多通道电磁噪声实时采集系统框图；

图3电磁噪声采集系统传感器放置示意图；

图4(a)双感应电极差动输出电场耦合传感器结构图；(b)电场耦合传感器测量示意图；

图5磁共振通道信号与某一路电磁噪声参考通道信号示意图；

图6单一通道电磁噪声主动降噪算法流程图。

图7多通道电磁噪声主动降噪算法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

针对磁共振成像设备在无屏蔽系统的环境中受到的多个电磁噪声源的影响如图1所示。对于无屏蔽的磁共振成像系统采用多通道电磁噪声实时采样系统来采集多噪声源的电磁噪声信号数据，整体的系统框图如图2所示。图3为电磁噪声采集系统传感器放置示意图，多个电磁噪声采集线圈放置于靠近磁共振成像系统射频接收线圈但是又在静态磁场之外的位置以达到接收环境电磁噪声但又不会接收到磁共振信号的目的，用于采集图2中的辐射电磁噪声信号。其中，电磁噪声采集线圈可以是单匝或多匝螺线管型、鞍型、表面型或者封装于柔性PCB板上的线圈且与射频接收线圈平行或者与其中轴线夹角为30度、45度、60度等角度放置。同时，通过多个传感器，例如将霍尔电流传感器(开环式、闭环式)、磁通门电流传感器(单磁环、双磁环、多磁环嵌套、屏蔽双磁环)、电流互感器等电流传感器耦合于设备电源线以及谱仪与梯度功率放大器、谱仪与射频功率放大器、射频功率放大器与射频线圈、梯度功率放大器与梯度线圈等内部连接线位置，用于采集图2中的传导电磁噪声信号。此外，还可以利用多个传感器，例如感应电极式电场传感器、球形电场传感器、基于光电效应的电场传感器等电学与光学电场耦合传感器放置于设备供电电源线上，采集以位移电流形式通过外部干扰源与人体躯干之间的杂散分布电容耦合到磁共振信号采集通道中的噪声，用于采集空间分布电容效应耦合噪声信号。其中，图4(a)所示的是一种双感应电极差动输出的电场耦合传感器，其中1为传感器感应电极，感应电极蚀刻在2所示的PCB基板上，传感器通过绝缘螺丝固定3所示的传感器载体上，图中4为采用聚氨酯材料制作的与传感器同轴布置的线路锁紧结构。如图4(b)所示，该传感器可以直接卡在传输线上进行测量，而且其输出的信号满足自积分条件，无需额外的积分电路。

在图3中，磁共振信号与各通道的噪声信号经过各自的前置放大器进行低噪高增益放大，然后通过信号调理电路的高通、低通滤波等处理，最后使用采样卡或者FPGA及其外围电路构成的信号采集电路对信号进行采样。磁共振通道信号与某一路电磁噪声参考通道信号示意图如图5所示。

以图5为例，上图为信号通道采集到的磁共振信号，下图为某一路噪声通道采集到的纯噪声信号，其中仅有T2时刻磁共振通道有回波信号，因此可以利用T1时刻的两组测量数据进行校准测量。对于两者的小波特征或者频谱特征进行提取，再使用最小二乘法或梯度下降等寻优算法方法得到使得两组噪声数据误差最小的转移系数。最后，利用噪声关系在时间上的一致性，在回波信号出现期间(T2)，将噪声通道信号乘以转移系数，与磁共振信号相减，即可实现对电磁噪声的抑制或者消除，达到主动降噪目的。具体的单一通道电磁噪声主动降噪算法流程图如图6所示。

当电磁噪声采集系统有多个通道时，首先，计算各个噪声通道的权重。可以在如图5中的T1时刻，用各通道噪声信号与磁共振通道纯噪声信号的相似程度来表示各噪声通道的权重，其中该相似程度可以用皮尔森相关系数等方法来计算。然后，通过上文所述的方法计算各个噪声通道与磁共振通道的噪声转移系数。之后，用各通道的转移系数乘上对应的权重构成转移系数矩阵。最后，在回波信号出现期间，将由各噪声通道信号构成的噪声信号矩阵乘上对应的转移系数矩阵并与磁共振信号相减，既可以实现多通道电磁噪声主动降噪的目的。具体的多通道电磁噪声主动降噪算法流程图如图7所示。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。