检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置

1.本发明属于核磁共振技术领域，涉及检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置。


背景技术：

2.近年来便携式单边核磁共振技术在食品分析和质量控制、材料科学、地球物理等领域得到广泛应用。其结构开放、体积较小、便于移动，能够在任意位置从任意角度对物体进行无损检测，同时采用永磁铁提供主磁场，价格低廉、能耗较低，再加上其可以提供传统核磁共振所给予的包括弛豫时间t1、t2成像、扩散系数d，甚至是化学位移等诸多信息。皮肤烧伤是一种常见病症，而目前针对皮肤烧伤程度的判断以及烧伤后皮肤康复情况的诊断，还没有准确且无创的方法，临床上主要通过医生的主观判断及患者切身感受，这种方法较为粗略、主观，容易造成烧伤深度进一步加深。现有的医疗诊断方法如计算机断层成像(ct)、磁共振成像(mri)等，虽可以对人体皮肤进行成像，但是体积较大，难以进行临床实时监护与测量；现有的高频超声成像系统可以得到皮肤的图像，但是无法区分真皮深处的血管炎症和水肿。因此临床上迫切需要一种量化的、准确的方法来判断烧伤患者皮肤的烧伤深度和恢复程度，以准确制定治疗和康复方案。本发明提出一种用于全层皮肤检测的手持式低梯度单边核磁共振装置，仅依靠永磁体构建主磁场，配有射频收发一体线圈，实现磁共振信号的测量和全层皮肤快速检测。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置，该装置包括：
6.单边永磁体结构和射频收发一体线圈4；
7.所述单边永磁体结构包括三组磁铁结构；
8.所述三组磁铁结构分别为左侧磁铁组1、中间磁铁2和右侧磁铁组3；
9.所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3在同一水平面；
10.所述中间磁铁2位于左侧磁铁组1和右侧磁铁组3之间，且位于左侧磁铁组1和右侧磁铁组的水平面下方；
11.所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3规格相同；
12.在xyz坐标系中，所述左侧磁铁组1的磁极指向为z方向，中间磁铁2的磁极指向为-y方向，右侧磁铁组3的磁极指向为-z方向；
13.在单边永磁体结构上方产生由左侧磁铁组1指向右侧磁铁组3的主磁场b0，磁极指向为y方向，且在中间磁铁的几何中心区域产生均匀磁场，中间磁铁的几何中心区域为检测目标区域5；
14.所述主磁场b0的磁感应强度小于等于100mt，检测目标区域5的中心顺垂直于磁场方向的磁场梯度g为2.96t/m；
15.单边永磁体结构产生的磁场分布采用有限元法计算，通过麻雀搜索算法对单边永磁体结构参数进行优化；
16.所述射频收发一体线圈4采用的是收发一体式双层平面线圈，采用时谐场逆方法和流函数法进行设计，用于产生与主磁场正交的激励射频磁场，并接收设置于检测目标区域的被测样品激发后产生的回波信号。
17.可选的，所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3的大小为：长度为25.4mm，高度为12.7mm，宽度12.7mm；所述中间磁铁2的大小为：长度为50.8mm，高度为12.7mm，宽度为25.4mm。
18.可选的，所述通过麻雀搜索算法对单边永磁体结构参数进行优化具体为：
19.单边永磁体结构的空间位置表示为n
×
d矩阵x:
[0020][0021]
其中n为永磁体结构的数量，d为永磁体结构待优化结构参数的维度；第i个永磁体结构在空间的位置是xi＝(x
i,1
,x
i,2
,
…
,x
i,d
)；单边永磁体结构的适应值表示为向量f
x
:
[0022][0023]
麻雀搜索算法的寻优能力基于三种部分：发现者、加入者和警戒者，三者共同搜索最优永磁体结构；每一代发现者的位置更新公式如下：
[0024][0025]
其中，t表示当前迭代次数，t表示总迭代次数，表示第i个永磁体结构中第j维参数于t次迭代时的信息量，α是[0,1]的随机数，r是一个随机数表示当前的预警值，r∈[0,1]，st表示安全值，st∈[0.5,1]，q是服从正态分布的随机数，l是一个1
×dj
的矩阵，dj是该磁铁组第j维参数的维度，该矩阵内每个元素全部为1；
[0026]
每一代加入者的位置更新公式如下：
[0027][0028]
其中，是目前发现者所占据的最优位置，x
worst
则表示当前全局最差的位置；a是一个1
×
d的矩阵，其中每个元素随机赋值为1或-1，并且a
+
＝a
t
(aa
t
)-1
，表示a
+
的第j维
的值；当时，加入者将积极追随发现者向着更好的位置进行移动；当时，适应值较低的第i个加入者需要移动到其他位置，结合exp函数特性摆脱当前较差的位置以获得更好的适应值；
[0029]
每一代警戒者的位置更新公式如下：
[0030][0031]
其中，其中是当前的全局最优位置；β作为步长控制参数，是服从均值为0，方差为1的正态分布的随机数；k∈[-1,1]是一个随机数，fi则是当前磁铁组的适应值；fg和fw分别是当前全局最佳和最差的适应值；ε是最小的常数，以避免分母出现零；当fi》fg时，表示警戒者处于边缘位置，适应值较低，需向中心位置靠拢；当fi＝fg时，表示处于中间位置永磁体结构的适应值较低，该永磁体结构需要去其他位置来提高适应值；
[0032]
磁场仿真时，将fov按照一定的步长沿z轴方向进行切面，得到n1个切面；对每个切面上的两个中轴按相同步长采样，每条中轴上得到n2个磁感应强度bi，任意一条中轴上的均匀度pi计算公式如下：
[0033][0034]
其中bc为切面中点的磁感应强度；通过公式(6)求出一个切面内两中轴的均匀度p
xi
和p
yi
，均匀度h1表达式如下：
[0035][0036]
计算每个切面均匀度bh：
[0037][0038]
其中，b
max
为切面内磁感应强度最大值，b
min
是切面内磁感应强度最小值；通过公式(8)对每个切面的bh求解后，得到均匀度h2：
[0039][0040]
结合公式(7)和(9)，永磁体结构适应值的评估函数h如下：
[0041]
h＝(h1+h2)
·
(|g-2|+|g-3|)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0042]
其中g是检测目标区域沿着z轴的磁场梯度，在永磁体结构设计时为了保持g的大小为2～3t/m的低梯度，公式(10)中利用(|g-2|+|g-3|)来评估适应值。
[0043]
可选的，所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3的磁铁牌号为ndfe1，中间磁铁2磁铁牌号为ndfe2；
[0044]
左侧磁铁组1和右侧磁铁组3的间距为d1；左侧磁铁组1和右侧磁铁组3的下底面和
中间磁铁2的上底面在z轴方向的间距为d2，左侧磁铁组1和右侧磁铁组3的组内间距为d3，中间磁铁2的组内间距为d4，中间磁铁2的宽度为w；
[0045]
可选的，所述单边永磁体结构为五个钕铁硼磁铁，所述射频收发一体线圈采用时谐场逆方法和流函数法进行设计，根据主磁场的分布设计出与主磁场正交和相关的匹配射频场；设射频收发一体线圈的布线区域的长度为lx、宽为ly；射频收发一体线圈所在平面内表面电流密度分为两个分量：平行主磁场b0的电流密度分量和垂直于主磁场b0的电流密度分量；电流密度分量表示为，
[0046][0047]
p
mn
为需要求得的系数；
[0048]
由电流连续性原理得，在y＝0平面的电流密度的流函数表示为：
[0049][0050]
则由毕奥萨法尔定理得检测目标区域roi空间中的每个点的磁场分量
[0051][0052]
r表示场点到源点的距离,s0表示电流密度所在的平面；
[0053][0054]
式中,(x,y,z)表示roi中任意一场点坐标,(x0,y0,z0)表示电流密度平面上任意一源点坐标；
[0055]
射频场与主磁场匹配的一方面是射频线圈产生的射频场b1矢量应与单边磁体产生的各高度上主磁场b0矢量处处正交，即：
[0056]
b1⊥
b0[0057]
展开为
[0058]b0xb1x
+b
0yb1y
+b
0zb1z
＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0059]
射频场与主磁场匹配的另一方面是射频场b1的磁场模值大小应与单边磁体产生的主磁场b0在磁场模值大小成比例；从而在检测目标区域同一平面上的每个自旋氢质子能同时翻转到同一平面上，进而在射频场与主磁场匹配的条件下得到高分辨率的相关谱和高信噪比；这就要满足
[0060]
||b1||
∝
||b0||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0061]
展开成等式为
[0062][0063]
k值射频场b1与单边磁体产生的主磁场b0的比值，通常是千分之几；
[0064]
将电流密度三角函数级数表达式代入磁场表达式中，得出第i个目标场点与第l个电流密度源点之间的关系，i＝1,
···
,q，l＝m
×
n+n；l＝1,
···
,m
×
n，表示为：
[0065][0066]
有
[0067][0068]
p
mn
＝p
l
,k
mn,i
＝k
l,i
,d
mn,i
＝d
l,i
,h
mn,i
＝h
l,i
；
[0069]
其中m、n和q的取值根据实际由计算机内存资源确定；产生特定目标射频场，在长宽分别为-l
x
/2≤x≤l
x
/2,-ly/2≤y≤ly/2的有限电流密度平面内计算出p
l
，在根据p
l
计算出该平面内电流密度两个正交分量j
x
(x,z)和jz(x,z)，即时谐场目标场法，接着采用留函数法即以流函数等值线算出实际的布线轨迹。
[0070]
可选的，所述单边核磁共振装置还包括铝壳，单边永磁体结构和射频收发一体线圈均设置在铝壳内。
[0071]
本发明的有益效果在于：本发明提供的这种用于浅层皮肤检测的小型核磁共振装置，结构简单、体积小巧、重量轻盈、性能可靠，可实现核磁共振的信号测量，便于现场无侵入性检测。
[0072]
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
[0073]
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：
[0074]
图1为本发明检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置的整体示意图；
[0075]
图2为永磁体初始结构及待优化变量示意图；
[0076]
图3为麻雀搜索算法优化永磁体结构流程图；
[0077]
图4为检测目标区域中心沿z轴方向磁感应强度示意图；
[0078]
图5为检测目标区域磁感应强度等势面示意图；
[0079]
图6是检测目标区域内射频场与主磁场正交和相关的匹配示意图。
[0080]
图7是射频线圈结构示意图。
[0081]
附图标记：1-左侧磁铁组；2-中间磁铁；3-右侧磁铁组；4-射频收发一体线圈；5-检测目标区域。
具体实施方式
[0082]
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。
[0083]
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。
[0084]
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。
[0085]
请参阅图1～图7，图1为检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置的整体示意图，如图1所示，检测全层皮肤的手持式低梯度单边核磁共振装置，该装置包括：
[0086]
单边永磁体结构和射频收发一体线圈4；
[0087]
所述单边永磁体结构包括三组磁铁结构；
[0088]
所述三组磁铁结构分别为左侧磁铁组1、中间磁铁2和右侧磁铁组3；
[0089]
所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3在同一水平面；
[0090]
所述中间磁铁2位于左侧磁铁组1和右侧磁铁组3之间，且位于左侧磁铁组1和右侧磁铁组的水平面下方；
[0091]
所述左侧磁铁组1和右侧磁铁组3规格相同；
[0092]
在xyz坐标系中，所述左侧磁铁组1的磁极指向为z方向，中间磁铁2的磁极指向为-y方向，右侧磁铁组3的磁极指向为-z方向；
[0093]
在单边永磁体结构上方产生由左侧磁铁组1指向右侧磁铁组3的主磁场b0，磁极指向为y方向，且在中间磁铁的几何中心区域产生均匀磁场，中间磁铁的几何中心区域为检测
目标区域5；
[0094]
所述主磁场b0的磁感应强度小于等于100mt，检测目标区域5的中心顺垂直于磁场方向的磁场梯度g为2.96t/m；
[0095]
永磁体结构产生的磁场分布采用有限元法计算，通过麻雀搜索算法对永磁体结构参数进行优化；所述射频收发一体线圈4采用的是收发一体式双层平面线圈，采用时谐场逆方法和流函数法进行设计，用于产生与主磁场正交的激励射频磁场，并接收设置于检测目标区域的被测样品激发后产生的回波信号。
[0096]
所述永磁体初始结构由三组合计六块磁铁构成，每组两块磁铁，三组磁铁按类似品字形排列，左右两组磁铁规格牌号相同，磁极指向相反，左侧组磁极指向竖直向上(z方向)，右侧组为竖直向下(-z方向)；中间组的磁极指向水平且与左右两组磁铁在该位置产生磁场同向(-y方向)，其牌号规格可与左右两组磁铁不一致。永磁体初始化时，我们规定左右两侧磁铁组的四枚磁铁大小为：长度为，高度为，宽度12.7mm；中间组磁铁的大小为：长度为，高度为，宽度25.4mm。因此在磁体结构中心上方产生由左侧磁铁组指向右侧磁铁组(y方向)的主磁场b0。永磁体初始结构待优化7个参数包括：左右两组磁铁牌号ndfe1、中间组磁铁牌号ndfe2、左右两组磁铁组间的间距d1、左右两组磁铁下底面和中间组磁铁上底面在z轴方向的间距d2、左右两组磁铁组内间距d3、中间磁铁组内间距d4和中间磁铁的宽度w。永磁体初始结构及待优化变量如图2所示。
[0097]
对永磁体结构永磁体初始完成后，利用麻雀搜索算法对所有永磁体结构进行结构寻优，麻雀搜索算法优化永磁体结构流程如图3所示。
[0098]
检测目标区域中心沿z轴方向磁感应强度如图4所示。
[0099]
永磁体最优结构的检测目标区域磁场具有高均匀性特点，磁感应强度等势面分布如图5所示。
[0100]
由于本发明中既定检测目标区域的主磁场是与皮肤表面平行且沿其垂直皮肤深度方向衰减，为了保证射频场b1与主磁场b0正交，那么射频场的方向必须同为皮肤的垂直方向。于是，射频线圈采用时谐场逆方法和流函数法进行设计，根据主磁场的分布设计出与主磁场正交和相关的匹配射频场。图6是检测目标区域内射频场与主磁场正交和相关的匹配示意图。图7是射频线圈结构示意图，由于双层线圈结构相同仅展示一层线圈结构。
[0101]
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。