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一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法

阅读：75发布：2020-05-15

专利汇可以提供一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法，首先收集超极化气体；研究对象获得超极化气体；在一次屏气内，固定射频脉冲的激发角度θ，采集研究对象的超极化气体的磁共振波谱，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减信号 FID1，以及在固定重复时间TR2下的超极化气体的自由感应衰减信号 FID2；将FID1、FID2进行处理，得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1。本发明可以同时获得角度和T1的解析解，并缩短采样时间，降低对硬件的要求，工程实现和数据处理简单易行。，下面是一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、收集超极化气体；
步骤2、研究对象获得超极化气体；
步骤3、在一次屏气内，固定射频脉冲的激发角度θ，采集研究对象的超极化气体的磁共振波谱，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减信号FID1，以及在固定重复时间TR2下的超极化气体的FID信号FID2，
其中，定义可变重复时间TR1为TR1(i)，TR1(i)＝a(i-1)+b，i＝1，2，…，N，N≥2，a>0，b>
0，且i、N、a、b均为实数，N为射频脉冲激发次数，
定义固定重复时间TR2为TR2(j)，TR2(j)＝b，j＝1，2，…，N+1，且j为实数；
步骤4、将步骤3中获得的自由感应衰减信号FID1和自由感应衰减信号FID2进行处理，得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1，具体包括以下步骤：
步骤4.1、将自由感应衰减信号FID1、自由感应衰减信号FID2组合排序，得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的自由感应衰减信号FID3，
定义变定重复时间TR3为TR3(k)，在1≤k≤N时，TR3(k)＝a(k-1)+b，在N定义自由感应衰减信号FID3为FID3(k)，在1≤k≤N时，FID3(k)＝FID1，在N步骤4.2、将自由感应衰减信号FID3进行快速傅立叶变换得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F1，并对超极化气体的波谱F1进行相位校正，得到相位校正后的研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F2，计算波谱F2的实部积分值M，定义实部积分值M为M(p)，p＝1，2，…，2N+1，且P为实数；
步骤4.3、对实部积分值M进行自归一化，得到研究对象在累加可变重复时间TR4下的超极化气体的信号S1；
定义信号S1为S1(i)，S1(i)＝(M(i+1+N)*M(1))/(M(i+1)*M(N+1))，
步骤4.4、对超极化气体的信号S1进行前向自归一化，得到研究对象在累减可变重复时间TR5下的超极化气体的弛豫信号S2，
其中，定义弛豫信号S2为S2(i)，i＝1时，S2(1)＝S1(1)/S1(1)，2≤i≤N时，S2(i)＝S1(i)/S1(i-1)，
定义累减可变重复时间为TR5(i)，TR5(i)＝TR1(i)-TR2(i)；
步骤4.5、对弛豫信号S2进行求自然对数计算，得到自然对数信号S3；
步骤4.6、定义自然对数信号S3为S3(i)，对自然对数信号S3根据公式S3(i)＝(1/T1)*TR5(i)进行最小二乘拟合，得到研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1；
步骤4.7、对实部积分值M的后N+1项进行自归一化，得到研究对象的超极化气体的射频脉冲衰减信号S4；
其中，定义射频脉冲衰减信号S4为S4(j)，S4(j)＝M(j+N)/M(N+1)；
步骤4.8、根据射频脉冲衰减信号S4，获得射频脉冲衰减信号S5，定义射频脉冲衰减信号S5为S5(i)，i＝1时，S5(1)＝S4(1)/S4(1)，2≤i≤N时，
步骤4.9、对射频脉冲衰减信号S5根据公式S5(i)＝(cosθr)i-1进行最小二乘拟合，得到实际的射频脉冲的激发角度θr。

说明书全文

一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及磁共振波谱技术领域，具体涉及一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法。适用于以超极化气体为造影剂的射频脉冲激发角度精确控制、T1测量等。

背景技术

[0002] 磁共振波谱(Magnetic Resonance Spectroscopy,MRS)根据样品中的观测核在磁场中受到射频(radiofrequency,RF)脉冲的激励而发生核磁共振的现象，利用电子系统接收到样品产生的磁共振信号，将所得数字信号进行频谱变换，可以重建出磁共振波谱。常规的MRS多用于水或脂质中的H原子。对于惰性气体原子，通常利用自旋交换光泵的方法，使得其非热平衡时的磁化矢量远高于稳态，即惰性气体核获得了较高的极化度，这种方法称为超极化气体技术。H2气和惰性气体在室温条件下，核自旋极化度一般为10-6量级，而超极化技术可将惰性气体的核自旋极化度增加4-5个量级。但是，这时超极化气体处于非稳态，由于自旋-晶格弛豫(T1弛豫)及射频脉冲激发，其非热平衡极化度会迅速衰减，且不可恢复。这导致超极化气体MRS不同于常规的质子MRS。

[0003] 在超极化气体磁共振实验中，RF脉冲模块需要输出特定的电压值以实现对观测核的可控翻转角度激发，并且样品的T1测量中也需要精确的电压控制。此外，一方面，受仪器硬件限制，实验中只能设置有限个数不同激发角度的RF脉冲；另一方面，在人体和动物肺部超极化实验中，通常需要屏气采集数据，这需要短的采集时间。目前常用的测量RF脉冲角度θ的方法易受T1弛豫影响，采样时间过长，拟合误差较大，需要设置多个激发角度，对硬件要求较高。

[0004] 此外，还有利用磁共振成像方法进行超极化气体的激发角度测量，但是这些方法需要多次屏气，导致采集时间较长并且容易受到不同屏气下气体量不同的影响。因此，针对上述问题，需要发展一种用于超极化气体波谱的角度和T1快速测量方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法。

[0006] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

[0007] 一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1、收集超极化气体；

[0009] 步骤2、研究对象获得超极化气体；

[0010] 步骤3、在一次屏气内，固定射频脉冲的激发角度θ，采集研究对象的超极化气体的磁共振波谱，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减信号FID1，以及在固定重复时间TR2下的超极化气体的FID信号FID2，

[0011] 其中，定义可变重复时间TR1为TR1(i)，TR1(i)＝a(i-1)+b，i＝1，2，…，N，N≥2，a>0，b>0，且i、N、a、b均为实数，N为射频脉冲激发次数，

[0012] 定义固定重复时间TR2为TR2(j)，TR2(j)＝b，j＝1，2，…，N+1，且j为实数；

[0013] 步骤4、将步骤3中获得的自由感应衰减信号FID1和自由感应衰减信号FID2进行处理，得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1，具体包括以下步骤：

[0014] 步骤4.1、将自由感应衰减信号FID1、自由感应衰减信号FID2组合排序，得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的自由感应衰减信号FID3，

[0015] 定义变定重复时间TR3为TR3(k)，在1≤k≤N时，TR3(k)＝a(k-1)+b，在N

[0016] 定义自由感应衰减信号FID3为FID3(k)，在1≤k≤N时，FID3(k)＝FID1，在N

[0017] 步骤4.2、将自由感应衰减信号FID3进行快速傅立叶变换得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F1，并对超极化气体的波谱F1进行相位校正，得到相位校正后的研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F2，计算波谱F2的实部积分值M，定义实部积分值M为M(p)，p＝1，2，…，2N+1，且P为实数；

[0018] 步骤4.3、对实部积分值M进行自归一化，得到研究对象在累加可变重复时间TR4下的超极化气体的信号S1；

[0019] 定义信号S1为S1(i)，S1(i)＝(M(i+1+N)*M(1))/(M(i+1)*M(N+1))，[0020] 步骤4.4、对超极化气体的信号S1进行前向自归一化，得到研究对象在累减可变重复时间TR5下的超极化气体的弛豫信号S2，

[0021] 其中，定义弛豫信号S2为S2(i)，i＝1时，S2(1)＝S1(1)/S1(1)，2≤i≤N时，S2(i)＝S1(i)/S1(i-1)，

[0022] 定义累减可变重复时间为TR5(i)，TR5(i)＝TR1(i)-TR2(i)；

[0023] 步骤4.5、对弛豫信号S2进行求自然对数计算，得到自然对数信号S3；

[0024] 步骤4.6、定义自然对数信号S3为S3(i)，对自然对数信号S3根据公式S3(i)＝(1/T1)*TR5(i)进行最小二乘拟合，得到研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1；

[0025] 步骤4.7、对实部积分值M的后N+1项进行自归一化，得到研究对象的超极化气体的射频脉冲衰减信号S4；

[0026] 其中，定义射频脉冲衰减信号S4为S4(j)，S4(j)＝M(j+N)/M(N+1)；

[0027] 步骤4.8、根据射频脉冲衰减信号S4，获得射频脉冲衰减信号S5，定义射频脉冲衰减信号S5为S5(i)，i＝1时，S5(1)＝S4(1)/S4(1)，2≤i≤N时，

[0028] 步骤4.9、对射频脉冲衰减信号S5根据公式S5(i)＝(cosθr)i-1进行最小二乘拟合，得到实际的射频脉冲的激发角度θr。

[0029] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0030] 1、无需设置多个长的重复时间，显著地缩短了采样时间。并且，可同时测量超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1和射频脉冲的激发角度θ；

[0031] 2、使用单个激发角度，降低了对硬件的要求；

[0032] 3、工程实现和数据处理方法简单易行。附图说明

[0033] 图1为本发明方法的流程示意图。其中TR是重复时间，T1是研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数。

具体实施方式

[0034] 下面结合具体实例给出本发明的具体实施过程以及效果。

[0035] 本发明公开的一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法，包括以下步骤：

[0036] 步骤1、收集超极化气体。其中超极化气体包括3He或129Xe或131Xe或83Kr等。收集得到的超极化气体保存为气态或固态，其中固态在使用时升华为气态。

[0037] 步骤2、研究对象获得超极化气体。研究对象包括液体或固体或生物组织或动物或人等。

[0038] 步骤3、在一次屏气内，固定射频脉冲的激发角度θ，采集研究对象的超极化气体的磁共振波谱，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减(FID)信号FID1，以及在固定重复时间TR2下的超极化气体的FID信号FID2。具体包括以下步骤，[0039] 步骤3.1、固定射频脉冲的激发角度θ，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减信号FID1。其中，定义可变重复时间TR1为TR1(i)，TR1(i)＝a(i-1)+b，i＝1，2，…，N，N≥2，a>0,b>0，且i、N、a、b均为实数，N为射频脉冲激发次数；

[0040] 步骤3.2、固定射频脉冲的激发角度θ，得到研究对象在固定重复时间TR2下的超极化气体的自由感应衰减信号FID2。其中，定义固定重复时间TR2为TR2(j)，TR2(j)＝b，j＝1，2，…，N+1，且j为实数。

[0041] 步骤4、将步骤3中获得的自由感应衰减信号FID1和自由感应衰减信号FID2进行处理，得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1。具体包括以下步骤，

[0042] 步骤4.1、将自由感应衰减信号FID1、自由感应衰减信号FID2组合排序，得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的自由感应衰减信号FID3。

[0043] 其中，定义变定重复时间TR3为TR3(k)，在1≤k≤N时，TR3(k)＝a(k-1)+b，在N

[0044] 步骤4.2、将自由感应衰减信号FID3进行快速傅立叶变换得到研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F1，并对超极化气体的波谱F1通过实部积分最大值的方法进行相位校正，得到相位校正后的研究对象在变定重复时间TR3下的超极化气体的波谱F2，计算超极化气体的波谱F2的实部积分值M，定义实部积分值M为M(p)，p＝1，2，…，2N+1，且P为实数；

[0045] 步骤4.3、对实部积分值M进行自归一化，得到研究对象在累加可变重复时间TR4下的超极化气体的信号S1，

[0046] 其中，定义信号S1为S1(i)，S1(i)＝(M(i+1+N)*M(1))/(M(i+1)*M(N+1))，i＝1，2，…，N，且i为实数；

[0047] 步骤4.4、对超极化气体的信号S1进行前向自归一化，得到研究对象在累减可变重复时间TR5下的超极化气体的弛豫信号S2，

[0048] 其中，定义弛豫信号S2为S2(i)，i＝1时，S2(1)＝S1(1)/S1(1)，2≤i≤N时，S2(i)＝S1(i)/S1(i-1)，

[0049] 定义累减可变重复时间为TR5(i)，TR5(i)＝TR1(i)-TR2(i)，i＝1，2，…，N，且i为实数；

[0050] 步骤4.5、对弛豫信号S2进行求自然对数计算，得到自然对数信号S3；

[0051] 步骤4.6、定义自然对数信号S3为S3(i)，对自然对数信号S3根据公式S3(i)＝(1/T1)*TR5(i)和最小二乘拟合方法，拟合得到研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1；

[0052] 步骤4.7、对实部积分值M的后N+1项进行自归一化，得到研究对象的超极化气体的射频脉冲衰减信号S4，其中，定义射频脉冲衰减信号S4为S4(j)，S4(j)＝M(j+N)/M(N+1)，j＝1，2，…，N+1，且j为实数；

[0053] 步骤4.8、根据射频脉冲衰减信号S4，获得射频脉冲衰减信号S5，定义射频脉冲衰减信号S5为S5(i)，i＝1时，S5(1)＝S4(1)/S4(1)，2≤i≤N时，且i为实数；

[0054] 步骤4.9、对射频脉冲衰减信号S5根据公式S5(i)＝(cosθr)i-1，i＝1，2，…，N，且i为实数，进行最小二乘拟合，得到实际的射频脉冲的激发角度θr；

[0055] 由以结果可知，采用本发明所述方法可以同时得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1。

[0056] 综上所述，本发明一种基于超极化气体波谱的角度和T1同时测量方法，首先收集超极化气体；研究对象获得超极化气体；在一次屏气内，固定射频脉冲的激发角度θ，采集研究对象的超极化气体的磁共振波谱，得到研究对象在可变重复时间TR1下的超极化气体的自由感应衰减信号FID1，以及在固定重复时间TR2下的超极化气体的自由感应衰减信号FID2；将FID1、FID2进行处理，得到实际的射频脉冲的激发角度θr和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1。具体优势如下：

[0057] 1、射频脉冲的激发角度θ和研究对象的超极化气体的自旋-晶格弛豫时间常数T1均具有解析解。涉及到θ和T1的方程均为单一类型的初等函数，因此具有解析解。

[0058] 2、可以同时测量θ和T1，并缩短采样时间。由于采用变定重复时间的方法，无需设置多个长的重复时间，因此能显著降低采样时间。

[0059] 3、使用单个激发角度，降低对硬件的要求。采样中用1个固定的射频脉冲激发角度，仅需1个射频脉冲对象模块就能实现。

[0060] 4、工程实现和数据处理方法简单易行。采样中使用1个固定的射频脉冲激发角度、可变和固定的重复时间，仅需调整脉冲序列模块的时序就能实现。数据处理时，将T1和θ分离后均可以基于初等函数进行处理，简单易行。

[0061] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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