面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置及方法

摘要

本发明公开一种面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置及方法，包括振动发生器和桥接机构，振动发生器包括“T”型推杆，“T”型推杆圆面边缘通过振动端支撑薄膜与振动端密闭气仓密封连接，振动端密闭气仓内设有振动端密封薄膜，“T”型推杆圆面下侧设有相对的平衡弹簧；桥接机构包括微型气缸、气压表和桥接头；桥接头内设有桥接端密封薄膜，桥接头下边缘通过桥接端支撑薄膜与“工”型推杆上圆面边缘连接，“工”型推杆两侧设有拉簧。本发明通过提高导管内部气体压强，使机械波在导管内的传播速度更快、能量损失更少。增强了对人体内部组织中的激励，使弹性成像质量更高。

说明书

技术领域

本发明属于磁共振弹性成像技术领域，涉及一种磁共振弹性成像的外部激 励技术，具体是一种面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置和方法。

背景技术

弹性是人体组织的力学属性，是一种重要的物理性质。正常组织间的弹性 模量不尽相同，正常组织与病理组织相比，两者的弹性更是存在较大差异。组 织的弹性大小和变化情况，直接反映其组成架构，且与其生物特性、生理病态 息息相关。

传统的成像方法，如超声、CT和传统的磁共振成像，都不能提供组织的生 物力学属性，而磁共振弹性成像作为一种新型的无创成像方法，可以直观显示 和量化人体内部组织弹性，并对组织的弹性进行成像，使“影像触诊”成为可 能。

磁共振弹性成像的基本原理是：利用磁共振成像技术，通过弹性波激励装 置产生弹性波，由组织表面传导到组织内部，在弹性波的作用下，组织内部产 生质点位移，利用磁共振相位对比技术获得相位差，可检测微小位移，根据获 得的波动相位图逆推反演被检测组织的弹性系数分布图，即磁共振弹性图。可 见，提供一种高效的激励技术是磁共振弹性成像的关键。

传统的激励系统主要采用气动法，气动激励系统一般由振动发生器、传导 机构和吸附头组成。振动发生器由信号发生器、功率放大器和振动台组成。传 导机构采用塑料软管密封一段空气实现传导。考虑到磁共振弹性成像系统对装 置磁兼容性的要求，在临床上需要将振动发生器置于远离扫描台的地方，以免 其电磁场和导磁构件对磁共振过程产生干扰，因此，传导机构中塑料软管的长 度至少需要3-5米。

当振动发生器输出的机械波能量一定时，由于气体的可压缩性，形成了一 个类似低通滤波器的结构，使得部分机械波的能量传递效率明显下降。到达人 体的机械波振幅变小，能够穿透人体组织，到达成像目标点的能量则更小，严 重影响到成像质量。

若采用液体介质取代气体，并用液压式振动发生器取代电磁式振动发生器， 作为能量源。液体介质与气体不同，具有不可压缩性，因此传导过程的能量损 失较小，传递效率高。但是，液体的质量远大于气体，传递随需要的总能量也 远大于气体介质。此外，液压式振动发生器的激励频率低于40Hz，无法满足磁 共振弹性成像的频率要求。

申请公布号CN 104000591 A公开了一种磁共振弹性成像主动吸附式桥接激 励装置，旨在解决现有的在磁共振弹性成像中弹性波转化效率低的问题。

基于此，本发明提供的技术方案在气体介质的基础上，提供一种面向磁共 振弹性成像的气动增压激励装置和方法，显著提高机械波传递效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置和方 法，旨在提高磁共振弹性成像中机械波的传递效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置，包括振动发生器和桥接机构， 所述振动发生器包括依次连接的信号发生器、功率放大器和振动台，振动台上 固定有“T”型推杆，“T”型推杆圆面边缘通过振动端支撑薄膜与振动端密闭气 仓密封连接：

所述的振动端密闭气仓内设有振动端密封薄膜，所述的“T”型推杆圆面下 侧设有相对的平衡弹簧；

所述的桥接机构包括微型气缸、气压表和桥接头，振动端密闭气仓通过塑 料导管与桥接头相连，塑料导管靠近振动台一侧断开，形成两个自由端，两个 自由端分别接入四通连接器相对的两个接口，四通连接器另外两个接口分别连 接有微型气缸与气压表；

所述的桥接头内设有桥接端密封薄膜，桥接头下边缘通过桥接端支撑薄膜 与“工”型推杆上圆面边缘连接，所述的“工”型推杆两侧设有拉簧。

所述的平衡弹簧上端与“T”型推杆圆面下侧固定，下端设在支撑板上，支 撑板一端固定在振动台内壁上；所述的拉簧上端与桥接头边缘固定，下端设在 “工”型推杆下圆面上。

所述的平衡弹簧与拉簧下端位置可调，调节方法为：螺栓穿过固定螺母， 并与弹簧相连，旋转螺栓便可调节弹簧长度。

所述的振动端密封薄膜、桥接端密封薄膜均为弹性薄膜，其材质可以为任 意一种磁共振兼容的有弹性的有机聚合物，包括但不局限于硅胶薄膜。

所述的“工”形推杆采用尼龙非金属材料；平衡拉簧采用乳胶软管。

本发明还提供了一种面向磁共振弹性成像的气动增压激励方法，该气动增 压激励方法包括下述顺序的步骤：

打开微型气缸的阀门，通过微型气缸向密封增压气仓内气体增压，增压压 强达到气压表设定值时，停止增压，关闭阀门；

调节平衡弹簧、拉簧使“T”型推杆和“工”型推杆回到平衡位置；

将“工”型推杆对准人体检测部位；

启动信号发生器和功率放大器。

本发明的有益效果：在现有磁共振弹性成像的气动激励装置基础上，本发 明采用了气动增压激励装置，并解决了增压带来的密闭、弹性和力平衡问题， 通过提高导管内部气体压强，使机械波在导管内的传播速度更快、能量损失更 少。增强了对人体内部组织中的激励，使弹性成像质量更高。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为装置简化模型；

图3为装置振幅频率曲线。

附图序号说明：1、振动台；2、平衡弹簧；3、“T”型推杆；4、振动端密 封薄膜；5、振动端支撑薄膜；6、密封增压气仓；7、四通连接器；8、气压表； 9、微型气缸；10、阀门；11、桥接端密封薄膜；12、拉簧；13、“工”型推杆； 14、桥接端支撑薄膜；15、桥接头；16、塑料导管。

具体实施方式

如附图1所示，本发明面向磁共振弹性成像的气动增压激励装置主要包括 两大部分：振动发生器和桥接机构。

振动发生器包括信号发生器、功率放大器和振动台1，信号发生器与功率放 大器相连，功率放大器与振动台1相连。桥接机构包括微型气缸9、气压表8和 桥接头15，微型气缸9和气压表8分别连接在四通连接器7相对的两个接口上。 振动台1和桥接头15通过塑料导管16与四通连接器7另外的两个接口相连。

为了保障机械波的有效传递，在塑料导管两端的密闭结构必须采用弹性支 持方式。采取增压措施后，提高了塑料导管内密闭气柱的密度，也抬高了气柱 的内部压力。气柱内力作用到弹性支撑上，使其偏离了平衡位置，严重妨碍机 械波的传递。因此需要增加新的弹性结构，专门平衡气柱内力。

为了得到密闭气柱，在振动端，添加振动端密封薄膜4，具有密闭作用，同 时也具有弹性，不妨碍机械波传递。增压以后，振动端密封薄膜4受气柱内力 作用向外凸出，偏离平衡位置，向下推移“T”形推杆3，导致其偏离平衡位置， 影响到振动发生器的正常工作。为此，增加平衡弹簧2，施加向上的推力，让“T” 形推杆3回到平衡位置。在“T”形推杆3周围，有振动端支撑薄膜5，将“T” 形推杆3维持在垂直中线上，避免其在压力作用下左右偏移摇晃。

在桥接端，密闭和平衡方法与振动端类似。桥接端密封薄膜11起到密闭作 用。增压以后，桥接端密封薄膜11向外凸出，挤压“工”形推杆13。为平衡这 种挤压作用，增加平衡拉簧12。在“工”形推杆13的周围，同样有桥接端支撑 薄膜14，保持推杆的水平稳定。与振动端不同，桥接端的所有器件都不宜采用 金属材质。“工”形推13杆可采用尼龙等非金属材料；而平衡拉簧12则可以采 用乳胶软管。

在塑料导管16上靠近振动端的一侧，有四通连接器7连接气压表8、微型 气缸9和阀门10。通过微型气缸充气，增大塑料导管内部气柱的压力，达到设 定值。

当增压设定值不同时，密闭气柱的内力也不同，用于与之平衡的外力也不 同。就平衡弹簧2和拉簧12而言，为提供不同的平衡力，使弹簧的一端固定， 另一端位置可调。一个便捷的调节方法是，螺栓穿过固定螺母，并与弹簧相连， 旋转螺栓便可调节弹簧长度，提供不同的平衡力。

面向磁共振弹性成像的气动增压激励方法：

在使用本增压装置前，先打开阀门10，通过微型气缸9向密封增压气仓6 内气体增压。

用微型气缸9增压时，注意观察气压表8的读数是否达到设定值。当密封 增压气仓6内气体压强达到所需设定值时，停止增压，并关闭阀门10，

然后调节平衡弹簧2和拉簧12使“T”型推杆3和“工”型推杆13回到平 衡位置。

将“工”型推杆13对准人体检测部位。启动信号发生器和功率放大器，由 信号发生器产生一低频正弦信号，经功率放大器放大后输入给振动台1，振动台 1输出预定幅度和频率的机械振动，产生弹性波。然后振动台1带动“T”型推 杆3同步振动。“T”型推杆3振动的同时，通过振动端密封薄膜4不断压缩和 拉伸密封增压气仓6内的气体，弹性波在密封增压气仓6内高效传播，并带动 桥接端密封薄膜11做往复运动，进而使“工”型推杆13一起做机械振动。气 动激励方法，通过增加传导机构内的气体压强，使机械波在气管内的传播速度 更快、能量损失更少，显著增强了振动在人体内部组织中的传播效果，使弹性 成像图的质量更好。

增压激励原理：

本发明可以简化为如图2所示的模型。其中，塑料导管16形成的密封增压 气仓6内的密封气体可以看作一个气体弹簧，弹性系数为其中p为密闭 气体的压强；s为塑料导管16的横截面积；l为塑料导管16的总长度。假设“T” 型推杆3产生持续的激振力F＝Hsin(ωt+δ)，其中H为激振力的幅度，即激振力 的最大值；ω是激振力的角频率；δ是激振力的初相位，它们都是定值。m为“工” 形推杆13的质量。建立质点的运动方程有：

$m\frac{d^{2}x}{d{t}^2}=-\mathrm{kx}+H\sin (\mathrm{\omega t}+\delta ).$

自由振动的角频率它只与系统本身特性有关，包括质量m和刚度 k。将质点运动微分方程变换成：

$\frac{d^{2}x}{d{t}^2}+{\omega }_n^{2}x=h\sin (\mathrm{\omega t}+\delta ),$

其中得到它的解为：

x＝Asin(ω_nt+α)+Bsin(ωt+δ)，

其中上式表明：无阻尼受迫振动的运动规律是由两个简谐振动合成 的：第一部分是固有频率的自由振动，第二部分是激振力频率的受迫振动。在 实际振动系统中阻尼总是存在，自由振动部分会逐渐衰减。因此只需着重讨论 受迫振动的特征。

在简谐激振的条件下，系统的受迫振动为简谐振动，其振动频率等于激振频 率，振幅大小B与运动起始条件无关，而与振动系统的固有频率有关，并与激 振力的幅度H、激振力的频率ω有关。B与ω的关系如图3所示，该曲线称为振 幅频率曲线。在曲线中，当ω大于ω_n时，B为负值，此时振动相位与激振力的相 位相反，相差180度，由于习惯上把振幅取正值，所以图中B为绝对值。本发 明的装置中，密闭气柱的固有频率较小，激振频率ω总是比系统固有频率ω_n要大 (ω>ω_n)，即本发明装置实际只存在右侧的单调下降曲线。将气体弹簧的弹性系 数k带入B中可得该公式中h、s、l、m均为定值。对一个设定的激 励频率ω，当增大密闭气柱的压强p时，可知B的绝对值会增大，即“工”型推杆 的振幅会变大。机械振动在气体中的传播速度和气体的密度成正比，增大密闭 气柱的压强p可以提高密闭气柱内气体密度，从而可以提高机械振动的传播速 度。所以，通过增压，可以使机械波在密闭气柱中传播时能量损失更少，速度 更快，显著提高弹性成像图的成像质量。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术 人员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， 只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明 的保护范围。