專利名稱：磁性共振分析流量計(jì)及流量測量方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明一般涉及流體與限定容積(如管子)之間相對流量的測量法，具體而言，則涉及用核子或電子磁共振測量流體流量及成分。
背景技術(shù)：
利用磁共振研究流量的想法可回溯至早期先驅(qū)者的工作，例如在Mansfield.P；Morris.P.G.；的“NMR Imaging in Biomedicine”Advances inMagnelic Resonances，Supplemeut 2；1982；Academic Press，Inc.Orlando32887；P.235.第7.3.5節(jié)中所描述的。先前用于流量測量或流量映射的已有技術(shù)裝置依賴于兩種所眾知的方法，即飽和或非飽和自旋的“飛行時間”或利用沿流動方向上應(yīng)用梯度區(qū)域的“相編碼”。(Cho，Z.等人，“Foundations ofMedical Imaging；”John Wiley & Sons，Inc.，New York，1993，p.374-386)?！帮w行時間”法的示范為屬于Lew的美國專利號4,782,295，而“相編碼”法的示范則為屬于Maneval的美國專利號5,532,592。利用化學(xué)變換的化學(xué)成分分析在Slichter，C.P.Springer-Verlag，N.Y.1989所著“Principles ofMagnetic Resonance”中第三版第4章有所討論。
發(fā)明概述本發(fā)明的一較可取的方面是提供一種通用可應(yīng)用的簡化方法以便根據(jù)在包含有恒定且均勻的Larmor(拉莫爾)射頻激勵磁場H1的限定空間以內(nèi)的流自旋的靜止時間來非侵入地測量各種流量范圍的平均值或繪制出各種流量范圍的速度分布圖。
本發(fā)明的另一較可取的方面在于提供一測量或繪制信號圖的方法，該信號接收自在連續(xù)存在H1Larmor射頻激勵磁場中的限定空間以內(nèi)運(yùn)動著的自旋，其方法是通過周期性梯度場周期性地相調(diào)制H0強(qiáng)主磁場以便引起自旋發(fā)射出圍繞Larmor頻率中心的線或帶譜，其邊帶的振幅為自旋所發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號的振幅的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號則為在H1Larmor激勵磁場中限定空間以內(nèi)的自旋靜止時間的已知函數(shù)。
本發(fā)明的另一較可取的方面是提供一種方法，用以當(dāng)存在十分強(qiáng)的H1中心Larmor場時通過解調(diào)并然后將所接收到的信號同周期性梯度場的相調(diào)制頻率的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)起來而連續(xù)地測量來自相調(diào)制過的自旋所發(fā)射信號的十分弱的邊帶。
在本發(fā)明的另一較可取的方面中，相調(diào)制H0場的振幅在空間上加以有序化以允許從空間上繪制出在H1激勵Larmor場中的限定體積以內(nèi)的自旋靜止時間圖。
在本發(fā)明另一較可取的方面中，將脈沖Larmor射頻場和脈沖梯度場去除掉，從而減少或消除渦流、瞬變現(xiàn)象以及Gibbs剪切人工效應(yīng)(truncationartifact)。
本發(fā)明的另一較可取方面提供一方法，用以從H1Larmor激勵場的限定部分的已知幾何形狀內(nèi)的自旋靜止時間的測量或分布圖中測量或以圖表示自旋的速度或矢量(perfusion vector)，所述已知幾何形狀最好由與H1Larmor激勵場線圈正交纏繞的接收器線圈加以限定以便使噪聲和信號同H1Larmor激勵場的耦合基本上解除。
本發(fā)明另一較可取的方面是在H1Larmor激勵場限定部分的已知幾何形狀中提供流動速度或灌注矢量的測量或分布圖，它構(gòu)建自取決于用H1Larmor頻率激勵場的已知可調(diào)強(qiáng)度加以測量的H1Larmor頻率激勵場的限定部分內(nèi)的自旋靜止時間的測量，而并非顯著地依賴于未知的T1自旋晶格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散或影響自旋磁場、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的其他未知參數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，這些未知參數(shù)影響本發(fā)明的測量的信噪比，但并不明顯影響所限定的這些測量的終點(diǎn)。
本發(fā)明的再一個較可取的方面是同時執(zhí)行對流動材料的化學(xué)和物理分析。
本發(fā)明的又一個較可取的方面是一種用以執(zhí)行上述方法之一或多個方法的流量計(jì)。


圖1是按本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)建的核磁共振流量計(jì)實(shí)施例的截面，該截面是沿包括流量通道中心軸在內(nèi)的平面切取。
圖2圖解地示出H0場的導(dǎo)電或超導(dǎo)電螺線管主磁體和正交的鳥籠狀Larmor射頻H1線圈，后者可按本發(fā)明的另一實(shí)施例使用。
圖3為圖1流量計(jì)的截面圖，示意性地說明用于在檢測區(qū)段中產(chǎn)生調(diào)制場h的梯度線圈的位置。
圖4是圖1中所示流量計(jì)檢測區(qū)段的Larmor射頻激勵(回轉(zhuǎn))線圈的示意性說明。
圖5是圖1流量計(jì)檢測區(qū)段的射頻接收線圈的示意性說明。
圖6為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例，用于圖1流量計(jì)的信號處理電路的方框圖。
圖7a-7i是說明本發(fā)明一實(shí)施例的圖6電路工作的圖形和公式。
圖8為本發(fā)明一實(shí)施例的整個系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出一實(shí)施例，其中所有磁共振裝置中均需要的強(qiáng)大而又相對均勻的H0靜磁場同流量的中軸垂直加以放置。圖中示出按本發(fā)明原理所構(gòu)建的核磁共振流量計(jì)實(shí)施例的截面，該截面沿包括流量通道的中心軸在內(nèi)的平面切取。從管道4一末端2延伸至另一末端3的流量通道1延伸通過通常垂直于流體流動方向的恒定磁場，該恒定磁場由磁體組件5提供，該組件包含一對極面板6和7、永久性板磁體8和9以及相互連接的磁通道結(jié)構(gòu)10和11。借助于兩法蘭12和13連同由非鐵磁體材料制成的固定螺栓和間隔器14、15和16，將磁體組件5和管道4封裝成一單個整合組件。提供流量通道1的管道4由三部分組成；兩末端17和18由例如不銹鋼、青銅、塑料或玻璃之類的非鐵磁體材料制成，而NMR(核磁共振)檢測區(qū)段19由例如氟碳塑料、玻璃或陶瓷材料之類的零比價(zero parity)非導(dǎo)電的抗磁性材料作成。NMR檢測區(qū)段19包括繞在其外表面的發(fā)射線圈20和繞在靠近發(fā)射器線圈20入口的NMR檢測區(qū)段19的外表面上或處于其內(nèi)的接收器線圈21。將NMR檢測區(qū)段19以防泄漏配置形式連接到兩末端17和18，防泄漏配置可以包括環(huán)形密封22和23或結(jié)合耦合。極面板6和7是具有由例如硅鋼一類高質(zhì)量鐵磁材料制成的拋光面的板，用它們來在流體流動的方向中的相當(dāng)大的的長度上提供磁體兩極面間均勻的磁場。包括元件10和11在內(nèi)的磁通道結(jié)構(gòu)同樣由鐵磁材料制成。
圖2顯示出另一種但等效的裝置，其中H0場同流量的中軸對齊。該圖示出H0場的典型導(dǎo)電或超導(dǎo)電螺線管主磁體和本領(lǐng)域眾所周知的正交鳥籠狀射頻H1線圈。
選擇圖1或圖2中任一實(shí)施例的長度使得自旋速度測量范圍的最快部分的經(jīng)過時間比得上T1自旋晶格弛豫時間，以便提供合適的磁化使得所檢測到的信噪比在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是可接受的。較長的磁體區(qū)段改善了測量的信噪比，增加構(gòu)造的成本和裝置的尺寸，但正如以下揭示中將會變得不言自明那樣，并不明顯影響理論的終點(diǎn)。圖1儀器相似于Lew的美國專利號4,782,295中所述的儀器，而圖2儀器則相似于Mistretta的美國專利號5,408,180中所描述的儀器。
圖3描述一種方法，但并非僅有的方法，其中可為圖1的實(shí)施例提供H0的相調(diào)制周期性梯度分量h。在本發(fā)明的較佳方面，相調(diào)制周期性梯度為極低頻(ELF)或甚低頻(VLF)的梯度場。圖3說明一種方法，用以在對圖1實(shí)施例較佳的檢測區(qū)段中產(chǎn)生振幅h的調(diào)制場24，在實(shí)施例中的周期性頻率Ω場由通過梯度線圈25的周期性電流產(chǎn)生?？蓪⒂煞菍?dǎo)電的零比價順磁材料制成的間隔器23用于確保檢測區(qū)段。如本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的其他常規(guī)的梯度線圈配置可以與圖1或圖2相結(jié)合以便為H0主磁場提供在空間上周期性有序化的分量(參見Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert；“Applications of timevarying gradients in existing magnetic resonance imaging systems”Med.phys.，vol 13(2)，p164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S.)圖4示出對圖1實(shí)施例中檢測區(qū)段較為可取的Larmor射頻激勵(回轉(zhuǎn))線圈20。圖4示出H1Larmor頻率激勵場如何能持續(xù)垂直施加到在圖1的實(shí)施例中H0主磁場。常規(guī)的各種不同配置的H1射頻激勵線圈對于圖1的配置和圖2的配置為本技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知。如技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知，H1場的強(qiáng)度可由流經(jīng)電流放大器在射頻線圈中的射頻電流的振幅加以控制，而按照本發(fā)明，此電流強(qiáng)度可加以改變以改變接收器線圈中由自旋發(fā)射的信號分布。
圖5說明用于圖1配置的接收器線圈的較佳實(shí)施例。圖5表明對圖1實(shí)施例中檢測區(qū)段較為可取的長度L2的射頻線圈21。此接收器線圈以及可適合于圖1配置和圖2配置的其他部件在本技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。如本領(lǐng)域眾所周知，最好是把圖5的接收器線圈放置在靠近自旋流進(jìn)入至H1Larmor射頻激勵場的進(jìn)口處，并且最好正交纏繞至H1激勵場線圈的繞組上以使功率放大器噪聲和信號之間的耦合基本去除。接收器線圈的長度最好足夠短以使待測的最低流速的通過時間相對于T2*自旋-自旋和D擴(kuò)散時間效應(yīng)而言較短，T2*自旋-自旋和D擴(kuò)散時間按指數(shù)律地減少信號的幅度。這影響了測量的信噪比，但按照本發(fā)明并不明顯影響測量的理論終點(diǎn)。
圖6示出邊帶解調(diào)制檢測器27的較佳實(shí)施例，用于拒絕來自H1Larmor頻率射頻激勵場中的強(qiáng)中心帶信號，并通過同參照相調(diào)制頻率的整倍數(shù)的相互關(guān)系檢測到相關(guān)邊帶的振幅。(屬于Wollin的美國專利5,757,187，于此通過參考加以引入)。在圖6中，將磁共振流量計(jì)接收器線圈21的天線100耦合至阻抗匹配電路102，經(jīng)保護(hù)電路106饋送至噪聲匹配前置放大器104。將噪聲匹配前置放大器的輸出饋送至射頻放大器108，其輸出21傳送給雙平衡解調(diào)器110、112。將雙平衡解調(diào)器110、112的輸出經(jīng)加法放大器114饋送至交流積分器116和低頻放大器118。如圖8所示，每個解調(diào)器110和112由來自磁共振主射頻振蕩器28的正交輸出提供輸入。隨后，將解調(diào)器的輸出在加法器114相加以向積分器116(估計(jì)直流電J0()項(xiàng))和放大器118提供相關(guān)輸入，放大器118依次又饋送另外的雙平衡解調(diào)器120組，它們每個附加的相關(guān)的輸出同樣通過加法器122進(jìn)行加法和積分器124加以積分，從而估計(jì)出頻譜的每一邊帶成分的相對強(qiáng)度，Jn()。
圖7a-7i提供圖6的信號分析，示出解調(diào)和交互關(guān)聯(lián)技術(shù)以及可從中測得和繪制出自旋流動速率的概括輸出方程。如圖7a-7i提供圖6電路中信號處理的逐步數(shù)學(xué)分析。(Poularikas，Alexander D.，“The Transforms andApplications Handbook”，CRC-IEEE press，Boca Raton，F(xiàn)lorida，1996；pages29，185，214，221)。
圖8是本發(fā)明整體系統(tǒng)框圖。在圖8中，流量計(jì)組件26的接收器線圈輸出饋送給同步解調(diào)器和交互聯(lián)系檢測器27，用以用振蕩器28的Larmor射頻ω0進(jìn)行同步解調(diào)以及與來自分頻器29之相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍進(jìn)行交互關(guān)聯(lián)檢測。將解調(diào)器-檢測器27的輸出饋送給控制射頻功率放大器32的控制器30，放大器32的頻率受Larmor射頻ω0振蕩器28的控制，而其輸出則調(diào)節(jié)流量計(jì)組件26的H1Larmor射頻線圈中的電流，以便調(diào)節(jié)解調(diào)器-檢測器27的輸出至所需水平，如控制器30所設(shè)定的水平。這種控制器回路是為快速響應(yīng)加以設(shè)計(jì)，而射頻放大器32的電流輸出隨后就如在此所述測量流量速度。分頻器29饋?zhàn)陨漕l振蕩器28并控制放大器31的頻率Ω，饋送給流量計(jì)組件26中的相調(diào)制線圈25。如在伺服機(jī)構(gòu)理論中眾所周知，放大器31的增蓋以強(qiáng)阻慢響應(yīng)方式受控于控制器30的輸出，以確保如本發(fā)明中所述的最高信噪比水平。ω0Larmor頻率振蕩器28的頻率同樣以強(qiáng)阻甚低響應(yīng)方式受控于控制器30的輸出以確保通過對因物理變化或化學(xué)變換所引起H1射頻線圈上任何變化負(fù)載阻抗進(jìn)行補(bǔ)償，來保持最高的信噪比水平，如本領(lǐng)域所熟知(“Principles ofMagnetic Resonance”第三版，第4章，slichler，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，ch.2.8 p35-39)。Larmor射頻功率放大器32的電流輸出是所需的被測量數(shù)值，如此處所述，是平均流量速度的函數(shù)，并將它饋送給表計(jì)或其他合適的指示器或記錄裝置33。ω0Larmor頻率振蕩器29的頻率是流動材料的化學(xué)和物理成分的量度(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989)。
以前技術(shù)的飛行時間技術(shù)比較復(fù)雜，要求重復(fù)Larmor射頻脈沖，其間隔相對于隨溫度和分子成分而變化的T1(自旋晶格馳豫常數(shù))是較短。以前技術(shù)的相編碼技術(shù)要求自旋回波或受激回波序列中的梯度沿準(zhǔn)靜態(tài)的流量矢量。不采用脈沖技術(shù)的本發(fā)明，相對并不依賴于自旋馳豫和擴(kuò)散，并且在高雷諾數(shù)測量模式下能快速地響應(yīng)流量平均速度的變化，或在低雷諾數(shù)圖形模式下能快速地響應(yīng)速度分布的變化。
操作方法在操作的測量模式中最好調(diào)節(jié)H1Larmor頻率射頻線圈中電流的振幅來控制控檢測電路中被測邊帶的振幅。連續(xù)地施加H1場，且最好是非脈沖的。最大信號或最小的信號，或在所選邊帶的特定信號值最好作為用以測定速度分布平均值的終點(diǎn)加以選擇；而達(dá)到所選信號電平要求的H1射頻線圈中電流的大小乃是被測參數(shù)，且正如將要在這里加以表明的那樣，是已知的或接收器線圈的限定幾何形狀中自旋靜止時間的被測函數(shù)。
另一方面，在制圖模式中H1Larmor頻率激勵場的幅度最好保持恒定，主強(qiáng)H0場的相調(diào)制分量的幅度從空間上通過“梯度線圈”加以分布(Shenberg，Itzhak；Macovski，A1bert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med.Phys.，Vol.13(2)，pl164-169，Mar，1982，N.Y.，U.S)并將所接收的邊帶用于圖7(i)末尾方程式的矩陣近似中。轉(zhuǎn)置矩陣或用Cramer定則解之就提供信號分布的空間圖，正如屬于Wollin的美國專利№5,757,187中更為全面加以描述的那樣，這里通過參考完整加以引入。
正如圖8所示，控制器30將設(shè)計(jì)者所選邊帶的推測的振幅同設(shè)計(jì)者所選的控制系統(tǒng)(也即最大值(式17)，最小值(式18，19)，或優(yōu)化系統(tǒng)性能所選的某些中間值)相比較，并因而產(chǎn)生合理意義的誤差信號來調(diào)節(jié)Larmor射頻功率放大器32的增益以滿足該設(shè)計(jì)條件。Larmor射頻功率放大器32的輸出電流和線圈20中Larmor射頻激勵(回轉(zhuǎn))場強(qiáng)H1成比例，因此，是平均流量速度的一個量度(式17，18)。
一較慢的校正回路測量來自控制器30的均方誤差信號輸出，并調(diào)節(jié)相調(diào)制電流的幅度(按照式(25))。
相似地一甚低的校正回路調(diào)節(jié)Larmor射頻主振蕩器28的頻率以補(bǔ)償線圈負(fù)載中的變化，如本領(lǐng)域所熟知。(“Principles of Magnetic Resonance”，第三版，第4章，Slichter，C.P，Springer-Verlag，N.Y.1989)，允許對流動材料的化學(xué)和物理成分中的變化進(jìn)行評估。
操作理論眾所周知，置于恒定磁場中具有非零自旋或非零比價抗磁材料的固體或流體按照下式磁化m＝K1H0(1-e-t1/T1) (1)(參見Lew的美國專利4,901,018)式中m為介質(zhì)的磁化，K1是磁化系數(shù)，H0是鄰近同質(zhì)主磁場的較大靜態(tài)強(qiáng)度，t1為H0場中自旋的平均靜止時間，而T1則為自旋晶格弛豫時間，它是能量自旋轉(zhuǎn)移至周圍介質(zhì)的傳送率的量度。在進(jìn)入由H1激勵場所限定的測量區(qū)段之前，介質(zhì)已在統(tǒng)計(jì)學(xué)上獲得明顯的磁化。從其輸入到含有H1激勵場的測量區(qū)段的裝置長度的選擇要允許最快運(yùn)動著的自旋足夠磁化以產(chǎn)生在存在裝置總噪聲的情況下，獲得適合的信號強(qiáng)度，使得操作的每一模式都允許對所需測量進(jìn)行可靠的評估。這最好通過在較高流速下進(jìn)行測量或繪制時，添加額外的相同磁化區(qū)段來實(shí)現(xiàn)。
H0主磁場引起自旋旋進(jìn)到大約為Larmor頻率ω0，其中ω0＝γH0(2)γ為回旋磁性比，對每一自旋種類為一常數(shù)。如圖3那樣通過相調(diào)制線圈周期性地變化H0，使ω0周期性地變化以產(chǎn)生ω，其中ω＝γ(H0+hcosΩt) (3)式中h和Ω是H0之周期性分量的振幅和臨時頻率，ω而則為自旋圍繞H0軸旋進(jìn)到的瞬時角速度。通過現(xiàn)有梯度線圈組的時間-變化激勵可將振幅h作成一空間函數(shù)，用以用圖表示速度或灌注部分(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys，vol13(2)，p.164-169，MAR 1982，N.Y.，U.S.和屬于Wollin的美國專利5,412,322和5,757,187)。
H1激勵場正交加以施加到H0場，正如圖4中所示，并具有頻率ω0。它產(chǎn)生一角頻率ω1的自旋激勵或回轉(zhuǎn)，其中ω1=γH1=dθdt---(4)]]>此旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一垂直于H0場的磁化分量，它可通過其面積矢量垂直于H0場的接收器線圈中由它感生的電壓加以檢測，這是根據(jù)Maxwell的第二定律(參見這里引入的Wollin的美國專利№5,412,323和5,757,187)，正如在圖5所示范例的線圈中所檢測得到的那樣。
接收器線圈中感生的電壓具有頻帶或線頻譜。該譜由圍繞中心Larmar頻率平均分布的邊帶組成，相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍，Ω的振幅分布由對Sommerfeld積分的各種不同解加以限定，即Bessel，Neumann，或Hankel函數(shù)；而它的寬度正如圖7中所分析的，由H0靜態(tài)場的不均勻性和任何所施加的或固有的靜止梯度加以限定。
在H1Larmor射頻場存在下通過解調(diào)舍棄信號的中心ω0頻率，允許通過如圖6和7所示同參考相調(diào)制頻率Ω的整數(shù)倍的交互關(guān)聯(lián)對邊帶幅度進(jìn)行測定。這允許估計(jì)邊帶的幅度而無需利用脈沖技術(shù)，只要自旋在其傳送經(jīng)過由接收線圈所限定的幾何體積期間保留明顯的相干性即可。
在由H1Larmor射頻場激勵期間或之后，自旋通過許多不同機(jī)構(gòu)而迅速喪失其相位的相干性，其中某些是絕熱的，因而不涉及熵的變化。那些并非絕熱的則包括在局部磁場下的無源擴(kuò)散(由熱方程加以控制)，或者湍流置換或者隨機(jī)更改。凈的可檢測器性mt指與經(jīng)過H1場的傳送時間t2相關(guān)mt=K2(msinθ)e-(t2/T2+DK3t23)---(5)]]>式中θ為由H1場產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的余緯度，T2為自旋-自旋弛豫時間，D為介質(zhì)的無源擴(kuò)散常數(shù)，而K3則為包含γ和局部梯度場強(qiáng)的系數(shù)。指數(shù)項(xiàng)的作用是使在H1Larmor射頻場中帶有自旋的靜止時間t2的信號強(qiáng)度以指數(shù)方式降低，其作用表明，在慢的流量應(yīng)用中采用短的接收器線圈。若干個這樣短的線圈可以依次布置并串連起來以允許選擇最低待測的流速范圍。
圖5中接收器線圈范例最好正交于H1Larmor射頻激勵線圈加以纏繞以使激勵射頻功率放大器電路和接收器電路之間的噪聲耦合激勵信號耦合減至最少。
在經(jīng)過H1eLarmor射頻激勵場期間，自旋旋轉(zhuǎn)經(jīng)過余緯度角θ，正如在技術(shù)中眾所周知的那樣(Slichter，C.P.；“Principles of MagneticResonance”，Springer-Verlay，New York；第三版，1989，chapter2)。于是可檢測到的橫向磁化隨H1激勵場以內(nèi)自旋穿越收器線圈而變化，因?yàn)橛墒?4)可知ω1=dθdt=γH1---(6)]]>θ＝γH1t2(7)而由式(1)和式(5)mt＝K1K2H0(1-e--t1/T1)e-t2/T2*sinγH1t2(8)式中T2*為有效T2，它包括自旋-自旋弛豫、擴(kuò)散和局部場的均勻性等，正如技術(shù)上大家都很多知道的那樣。
定義t2=lv;t1=L1v---(9);(10)]]>式中v為每一流域速度分布中每一分量的速度。
于是對每一v的分量，總的接收器線圈橫向磁化MT乃為MT=KH0(1-e-L1vT1)∫0L2e-1vT2*sin(γH1vl)dlv---(11)]]>式中K是常數(shù)。
H0為主磁場強(qiáng)度，設(shè)計(jì)常數(shù)。
H1為激勵磁場強(qiáng)度，裝置中可以控制的。
L1是H0場的有效長度，對每一最大的流量范圍進(jìn)行選擇。
L2是接收器線圈的有效長度，對每一最小的流量范圍進(jìn)行選擇。
l是由每一介質(zhì)成分經(jīng)接收器線圈的敏感體積所經(jīng)過的距離；式(9)T1是介質(zhì)的自旋-晶格弛豫時間，它典型地介于1-5秒間的范圍。
T2*是有效的自由感應(yīng)衰減阻力系數(shù)，它典型地在50-500msec之間變化。
v是速度分布中每一分量的速度。
如果為L1磁化區(qū)段足夠長，即L1＞＞vT1(12)以及L2接收器線圈足夠短，即L2＜＜vT2*(13)則MT=KH0(1γH1)(1-cosγH1L2v)---(14)]]>對每一速度分布中速度v的每一分量。
對在接收器線圈以內(nèi)平均值為v的速度分布，最大凈磁化MT(max)為MT=KH0(1γH1)(2)---(15)]]>當(dāng)γH1L2v=π---(16)]]>或v=(γL2π)H1---(17)]]>時。
最小凈磁化為零或最小值，當(dāng)γH1L2v=2π---(18)]]>或v=(γL22π)H1---(19)]]>對質(zhì)子 或v＝(4.26×107)(4π×10-7)L2H1(20)v＝53.7L2H1H1以安培/米表示。例如，對4cm寬接收器線圈，V＝2.14H1米/秒。
(21)這樣，調(diào)節(jié)H1場強(qiáng)以獲取特定的邊帶信號就產(chǎn)生流量的平均速度。
正如在Wollin的美國專利5,757,187中及為全面地加以表示的那樣，對稱偶數(shù)空間自旋信號分布只產(chǎn)生偶數(shù)序邊帶，而非對稱奇數(shù)分布則僅產(chǎn)生奇數(shù)序邊帶；有圖7(i)和J(-n)(z)＝-1nJ(n)(z) (22)
(Jahnke，E.；Emde，F(xiàn).；函數(shù)表，第4版，Dover Publications，New York1945，p.128)。因此，若速度分布是對稱的，則將只有偶數(shù)序邊帶存在，使得第2邊帶的檢測較為可取，其最大值為 或 和 相調(diào)制頻率Ω的最小值必須大于Larmor頻率的帶寬Δω0(Shenberg，Itzhak；Macovski，Albert，“Applications of time-varyinggradients in existing magnetic resonance imaging systems”；Med，Phys.，Vol.13(2)，p.164-169，Mar.1982，N.Y，U.S.，eq.3)，它由主磁場H0的均勻性和任何施加的或內(nèi)在的靜止梯度加以確定。Δω0同樣確定最小的Johnson-Nyquist噪聲功率Pn，后者在圖7(c)每一邊帶中勻相等于Pn＝KbτΔω0(26)式中Kb是波爾曼(Boltzmann)常數(shù)，而τ則為絕對溫度。
在流量分布總平均流速的測定要求有湍流。垂直于流動中軸的流體動量的線性分量并不明顯地影響由平均磁場H0引起的磁化，由均勻H1激勵射頻Larmor場引起的自旋旋轉(zhuǎn)，或者由短接收器線圈引起的信號接收，因?yàn)楹推骄牧黧w動量相比，這種線性分量很小。相對慢的旋轉(zhuǎn)動量的分量允許絕熱的自旋同主磁場H0對齊(“Principles of Magnetic Resonance”第三版，chapter4，Slichter，C.P.，Springer-Verlag，N.Y.1989，p23)，且不應(yīng)使自旋明顯異相(dephase)，如果通過接收器線圈的經(jīng)過時間短的話。然而，大家知道強(qiáng)的動量平移和旋轉(zhuǎn)分量產(chǎn)生的“渦流”，這會導(dǎo)致信號衰減(Cho，Z.等人；“Foundations of Medical Imaging”，John Wiley&Sons，Inc.，NewYork，1993，P.374-386)，并且正如技術(shù)領(lǐng)域中那些熟練技術(shù)人員所知道的那樣，如果需要，通過適合的量計(jì)管設(shè)計(jì)方法以及通過流動條件能避免上述衰減(Spitzer，David W.，“Industrial Flow Measurement”，Instrument Societyof America，1990，p.97)對于低雷諾數(shù)下流動的較低層流動狀態(tài)，可以圖表示速度分布(Wollin的美國專利5,757,187)，或可如上測定平均值。然而，靠近管壁的十分慢的流動自旋將因T1和T2*影響遭受信號衰減而傾向與使所測的平均流速增加。
對于較低雷諾數(shù)下非均勻的速度分布圖，改變H1對信號分布或信號平均值的影響則遠(yuǎn)為復(fù)雜得多，并在屬于Maneval的美國專利5,532,592和屬于Wollin的美國專利5,757,187中對給圖或測量兩者展開了更為全面的討論。
因此，正如上述，控制H1激勵線圈中的電流以產(chǎn)生接收器電路輸出中所選的邊帶幅度來測量平均的流速。不均勻的速度分布圖可通過連續(xù)地倒置含有邊帶幅度的矩陣方程，近似圖7(i)積分加以繪制(Wollin的美國專利5,757,187)。轉(zhuǎn)動射頻ω0發(fā)生器到最大功率使之在H1激勵線圈和流動介質(zhì)之間匹配，就產(chǎn)生流動材料的化學(xué)和物理成分的估計(jì)(Slichter，op，cit.)。
應(yīng)指出雖然以上描述了核磁共振方法，但本發(fā)明的原理和實(shí)施例可適用于核子或者電磁共振。
雖然以上敘述涉及了用流量計(jì)測定管中流體的速度，但可用本發(fā)明較佳實(shí)施例的方法和裝置來測定流體中運(yùn)動著管子的速度(也即速度計(jì))。所以，由于上述和在圖1-3中示出的流量計(jì)測量管子和流體之間相對的速度，故可將流量計(jì)附于船或其他在流體中運(yùn)動的物體來測定船或其他運(yùn)動物體相對于固定或運(yùn)體著流體的速度。
另外，本發(fā)明的原理和實(shí)施例不僅適用于在管中運(yùn)動的液體或氣體流體，而且也適用于其他流體材料的流動，例如混合物、泥漿、混凝土、風(fēng)吹的微粒、粘性塑料以及適用于通過流量計(jì)裝置的固體材料的運(yùn)輸。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例現(xiàn)已加以敘述。那些熟練的技術(shù)人員將會明白，這樣一些實(shí)施例旨在舉例說明本發(fā)明。落在本發(fā)明的精神和范疇之內(nèi)的本發(fā)明的各種不同的其它實(shí)施例將是不言自明的。
權(quán)利要求
1.非侵入地測量材料和容器之間平均相對速度值的方法，其特征在于，包含對容器施加較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0；磁場H0在容器的檢測區(qū)段對較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0施加相調(diào)制的周期性分量h；對所述容器的檢測區(qū)段，施加Larmor射頻激勵(回轉(zhuǎn))場H1，正交于H0場；接收來自在容器的檢測區(qū)段中材料中旋轉(zhuǎn)相調(diào)制過的磁共振自旋的信號；以及從在容器的檢測區(qū)段材料內(nèi)的磁共振自旋中所測量的平均靜止時間來測定平均速度值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包含圓柱形管子，而所述檢測區(qū)段則包含對其施加場分量h和場H1的管子的區(qū)段。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述Larmor射頻激勵場H1施加到鄰近Larmor頻率ω0的接收器線圈的信號敏感的體積。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含通過以比Larmor頻率ω0小得多的頻率Ω，周期性地調(diào)制檢測區(qū)段中的場H0來周期性地相位調(diào)制檢測區(qū)段內(nèi)磁共振自旋。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包含通過與Larmor頻率ω0激勵磁場H1的頻率卷積，使來自由接收器線圈所接收的相位調(diào)制過的磁共振自旋的信號進(jìn)行解調(diào)；以及通過同相位調(diào)制周期性場分量h的調(diào)制頻率Ω的倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)來檢測所解調(diào)的信號。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)Larmor射頻激勵H1場的強(qiáng)度以產(chǎn)生由接收器線圈或線圈檢測到的最大、最小信號或在其它限定的信號電平。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含變換H1激勵場的一頻率ω0以產(chǎn)生匹配于容器內(nèi)運(yùn)動材料的阻抗。以及測量由其Larmor頻率變換帶來的運(yùn)動材料的化學(xué)和物理成分的變化。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含調(diào)節(jié)磁場H0的相調(diào)制周期性分量h的振幅以達(dá)到最大可得的所檢測的信號輸出。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含沿著管子軸運(yùn)動的液體或氣體流體。
10.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述材料包含泥漿、泥漿土、風(fēng)吹的微粒、粘性塑料或沿著管子軸運(yùn)動的固體材料。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，容器包含速度計(jì)，它相對于材料在運(yùn)動，并且測量或以圖顯示容器的平均速度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述容器包含流量計(jì)，它相對于運(yùn)動材料是靜止的，并且測量或以圖顯示運(yùn)動著材料的平均速度。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含通過周期性分量h周期性地改變H0主磁場以便相調(diào)制自旋并引起自旋發(fā)射出中心在Larmor頻率的線或帶譜，其邊帶振幅為由自旋所發(fā)射中心帶Larmor頻率信號的振幅的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號振幅則是檢測區(qū)段由位于靠近Larmor射頻激勵場H1處接收線圈以內(nèi)所含自旋靜止時間的已知被測函數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，還包含解調(diào)并且然后使所接收信號的邊帶同周期性分量場h的相調(diào)制頻率Ω的倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)以連續(xù)地測量或用圖表示相對的平均速度。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，Larmor射頻激勵場H1是連續(xù)的非脈沖的場。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含從空間上使周期性相位調(diào)制分量場h的振幅有序化以直接地從空間上以圖表示檢測區(qū)段內(nèi)自旋的靜止時間。
17.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，將接收器線圈正交纏繞于Larmor激勵場H1線圈，以便噪聲以及使信號均從Larmor激勵場H1去耦合，以及測量或以圖表示接收器線圈的信號敏感體積內(nèi)自旋的靜止時間用來測量或以圖表示自旋的速度成灌注矢量。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包含通過調(diào)節(jié)H1Larmor射頻激勵場的強(qiáng)度和分布測量檢測區(qū)段內(nèi)自旋的靜止時間；以及從那里構(gòu)造流速分布圖或估計(jì)出平均流速或灌注矢量；其中所述方法并不明顯地依賴于未知的T1自旋晶格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散，或者其它影響自旋磁化、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的未知參數(shù)。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，并不采用脈沖場來測定平均速度。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含變換射頻激勵場H1的頻率以補(bǔ)償材料中由化學(xué)變換引起的自旋磁共振頻率的變化或補(bǔ)償局部自旋環(huán)境內(nèi)的磁化變化，以及同時估計(jì)流動材料的物理和化學(xué)成分的變化。
21.一種速度測量儀器，其特征在于，包含圓柱形容器較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0的源施加至靠近容器檢測區(qū)段的較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0的相調(diào)制周期分量h源頭；靠近容器檢測區(qū)段的Larmor射頻激勵場H1的源頭；靠近容器檢測區(qū)段的接收線圈；以及電氣耦合至接收線圈的速度測量電路。
22.如權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于，所述圓柱形容器包含管子。
23.如權(quán)利要求22所述的儀器，其特征在于，較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0的源包含位于靠近管子的永久或電阻性磁場或者纏繞在管子上的螺線管磁體。
24.如權(quán)利要求23所述的儀器，其特征在于，相調(diào)制周期性分量h的源包含靠近所述管子的檢測區(qū)段纏繞的線圈。
25.如權(quán)利要求24所述的儀器，其特征在于，Larmor射頻激勵場H1的源包含靠近所述管子的檢測區(qū)段的圓柱形或鳥籠狀射頻發(fā)射線圈。
26.如權(quán)利要求25所述的儀器，其特征在于，接收器線圈正交于Larmor射頻激勵場H1發(fā)射線圈進(jìn)行纏繞。
27.如權(quán)利要求21所述的儀器，其特征在于，所述速度測定電路包含Larmor頻率振蕩器；提供參照相調(diào)制頻率的分頻器；通過同參照相調(diào)制頻率的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)來檢測所接收信號的邊帶振幅的邊帶檢測器；以及提供輸出速度信號的放大器。
28.一種速度測量儀器，其特征在于，包含提供材料的裝置；提供較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0的源的裝置；提供施加到較強(qiáng)而不隨時間變化的磁場H0的相調(diào)制周期性分量h的裝置；提供射頻激勵場H1的裝置提供接收來自材料的射頻信號的裝置；以及確定材料和提供材料的裝置之間相對速度的裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的儀器，其特征在于，提供材料用裝置提供運(yùn)動的材料，而確定裝置判定運(yùn)動材料的速度。
30.非侵入性地繪制運(yùn)動速度現(xiàn)場的速度分布圖，或測量其平均值的方法，其特征在于，包含直接確定材料內(nèi)運(yùn)動自旋的平均靜止時間，所述材料處于限定的空間內(nèi)遭受到連續(xù)的、非脈沖的H1Larmor射頻激勵場的作用。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包括對材料施加H0較強(qiáng)而不隨時間變化的主磁場；通過周期性梯度場h周期性地改變H-0強(qiáng)主磁場以便相位調(diào)制自旋，自旋于是發(fā)射出線或帶譜，中心處在Larmor頻率，其邊帶幅度是自旋所發(fā)射中心帶Larmor頻率信號的幅度的已知函數(shù)，所述發(fā)射的中心帶Larmor頻率信號幅度直接是H1Larmor射頻激勵場中限定空間以內(nèi)自旋的靜止時間的已知函數(shù)。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包含解調(diào)和然后使所接收信號的邊帶同周期性梯度場h的相調(diào)制頻率Ω的整倍數(shù)交互關(guān)聯(lián)而連續(xù)地測量或用圖表示相對的平均速度。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，還包含從空間上使周期性梯度h場進(jìn)行排列，并直接從空間上以圖表示自旋的平均靜止時間。
34.如權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于，接收器線圈正交纏繞在主H1 Larmor激勵場線圈上以便使來自H1Larmor激勵場的噪聲和信號均去耦合；以及測量或繪制接收器線圈信號敏感體積中自旋的停止時間以測量或繪制自旋的速度或灌注矢量。
35.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包含通過調(diào)節(jié)H1Larmor射頻激勵場的強(qiáng)度和分布測量限定空間內(nèi)自旋的靜止時間以及從中構(gòu)造流動速度分布圖或估計(jì)出平均的流速或灌注矢量；其中所述方法并不明顯依賴于未知的T1自旋品格、未知的T2自旋-自旋、未知的D擴(kuò)散或者其它影響自旋磁化、自旋擴(kuò)散或自旋相干性的未知參數(shù)。
36.如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，還包含變換H1射頻激勵場的頻率以補(bǔ)償因化學(xué)變換所引起材料中自旋磁共振頻率的變化或局部自旋環(huán)境中磁化的變化。同時估計(jì)在流動材料的物理和化學(xué)成分中的變化。
全文摘要
一種簡化的磁共振流量計(jì)和流量測量方法,它依據(jù)H
文檔編號G01F1/716GK1423743SQ00818423
公開日2003年6月11日 申請日期2000年11月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月16日
發(fā)明者E·沃林 申請人:沃林企業(yè)股份有限公司