【毕业设计】磁共振成像系统中的呼吸及心周门控设备制作与测试

毕业设计（论文）题目磁共振成像系统中的呼吸及心周门控设备制作与测试院（部）系放射学院所学专业生物医学工程2013年6月1日摘要磁共振技术在医学中的应用，对临床医学特别是影像医学的发展产生了巨大的推动作用，已经成为现代医学影像领域中不可或缺的检查手段之一。在胸腹部的MRI检查时，人体的生理运动，如呼吸和心脏搏动，常可造成严重的运动伪影，给诊断带来极大的困难。为了减少生理运动伪影，保证成像质量，引入呼吸门控及心周门控技术。本研究是结合华润万东医疗装备股份有限公司核磁事业部的门控产品，在理解磁共振的结构和原理的基础上，对呼吸门控及心周门控电路板的焊接，门控盒的组装，排线的制作与连接，系统测试等一系列工作，进一步理解呼吸门控及心周门控系统工作原理，通过提出了系统测试的要点，分析其信号波形的意义，讨论了该系统的缺陷与不足，对系统的升级提供了参考。关键词磁共振；呼吸门控；心电门控；伪影ABSTRACTAPPLICATIONOFMAGNETICRESONANCETECHNOLOGYINMEDICALFIELD,PLAYEDATREMENDOUSROLEINPROMOTINGMEDICALIMAGINGANDCLINICALMEDICINEMRI（MAGNETICRESONANCEIMAGING）TECHNOLOGYHASBECOMEONEOFTHEINDISPENSABLEMEANSOFCHECKINGTHEFIELDOFMODERNMEDICALIMAGINGWHENWEDOANMRIEXAMINATIONOFCHESTANDABDOMEN,THEPHYSIOLOGICALMOVEMENTOFPEOPLE,SUCHASBREATHINGANDHEARTBEAT,CANOFTENRESULTINSERIOUSMOTIONARTIFACTS,ANDBRINGGREATDIFFICULTYTODIAGNOSISINORDERTOREDUCETHEPHYSIOLOGICALMOTIONARTIFACTS,TOENSURETHEIMAGINGQUALITYWECANUSERESPIRATORYGATINGANDCARDIACGATINGTECHNIQUESTODEALWITHTHESEPERIODICPHYSIOLOGICALMOVEMENTTHISSTUDYISBASEDONTHEPRODUCTOFCHINARESOURCESWANDONGMEDICALEQUIPMENTCO,LTDANDTHEUNDERSTANDINGOFTHESTRUCTUREANDPRINCIPLEOFMAGNETICRESONANCEBYASERIESOFWORKOFWELDINGONRESPIRATORYGATINGANDPARACARDIACGATEDCIRCUITBOARDASSEMBLY,GATEDBOX,CABLEPRODUCTIONANDCONNECTION,THESYSTEMTEST,TOFURTHERUNDERSTANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFRESPIRATORYGATINGANDCARDIACCYCLEGATINGSYSTEM,THISSTUDYPRESENTSTHEMAINPOINTSOFSYSTEMTESTING,ANALYSISESOFTHESIGNIFICANCEOFSIGNALWAVEFORM,DISCUSSESTHEDEFECTSOFTHESYSTEM,ANDPROVIDESREFERENCEFORSYSTEMUPGRADEKEYWORDSMAGNETICRESONANCERESPIRATORYGATINGCARDIACELECTRICALGATINGARTIFACTS目录第一章绪论11磁共振成像系统概述12磁共振的基本原理33磁共振成像中生理门控技术3第二章呼吸门控及心周门控中的信号51门控成像中的生理信号511心电信号512呼吸波信号62门控成像7第三章呼吸门控及心周门控的结构和工作原理91呼吸门控及心周门控的内外结构911电路结构及工作原理912呼吸门控及心周门控的外部结构122呼吸门控及心周门控的工作原理及特点1321使用方法和工作原理1322呼吸门控及心周门控设备特点14第四章呼吸门控及心周门控系统制作与测试151生产制作152系统测试163小结19第五章结论与展望21参考文献22致谢24第一章绪论1磁共振成像系统概述发明于20世纪70年代的磁共振成像技术是医学影像学发展史上的一次革命。MRI设备自20世纪80年代初被商品化并进入临床，至今已有30多年。这期间MRI技术得到了迅速发展，软件技术和硬件平台不断更新，临床领域不断扩大，MRI已经作为医学影像学的核心技术之一。正因如此，2003年的诺贝尔生理学医学奖授予了为磁共振发展做出重要贡献的美国科学家保罗劳特布尔和英国科学家彼得曼斯菲尔德。从NMR的发现到MRI装置的诞生，这中间经历了几代物理学家及医学家的长期努力。核磁共振属于原子核物理的研究范畴，1905年，爱因斯坦提出了质能方程EMC2，说明了物质和能量的同一性1。1911年，卢瑟福在粒子散射实验的基础上提出了原子的结构模型。1913年，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福结构的基础上，把量子概念应用于原子系统，使人们对氢原子核外电子分布规律有了进一步的认识。1946年，斯坦福大学的布洛赫和哈佛大学的珀赛尔分别在水和石蜡的实验中，彼此独立的发现了核磁共振现象，从此诞生了核磁共振这一新兴学科2。布洛赫和珀赛尔也因此共同荣获了1952年的诺贝尔物理学奖。此后，NMR早期主要被化学家和物理学家用来研究物质的分子结构、化学成分和反应过程。随着NMR理论的完善和研究的深入，应用范围逐渐扩展到了成像领域。1970年，美国纽约州立大学的达马迪安将肿瘤细胞植入大鼠中，并对其进行了NMR实验，结果发现正常组织与恶性组织的磁共振信号明显不同3。另外，在组织的偏转磁矩由激发态恢复到稳定态的过程中，会发出由布洛赫命名的T1和T2弛豫信号。次年，他的研究成果分别以“用NMR信号可诊断疾病”和“恶性组织中氢的T1时间延长”为题在科学杂志上发表。达马迪安还指出，由于水的特殊结构，使其具有很强的磁偶极子表现和NMR信号，因而利用NMR对生物体进行成像是可能的4。此结果预示着MRI设备在医学诊断中的广阔应用前景。1973年，美国纽约州立大学的劳特伯发现，在稳定的主磁场中叠加3个方向的线性梯度磁场GX、GY、GZ，可以选择性地激发成像物体，得到所需的成像层面。他使用自创的组合层析成像法对两个充水试管进行了成像，获取了第一幅二维磁共振图像。劳特伯在自然杂志发表了MRI设备空间定位方法（均匀静磁场上叠加梯度磁场），为磁共振成像技术奠定了基础5。1974年，英国诺丁汉大学曼斯菲尔德在成像方法上进行了开拓性研究并发明了回波平面成像技术，使图像质量更好、成像时间更快（可在100200MS内得到高分辨力的图像）。劳特伯和曼斯菲尔德因为在MRI领域的奠基性贡献而获得了2003年的诺贝尔生理学或医学奖。1975年，恩斯特研究出相位编码的成像方法。1977年，达马迪安建成历史上第一台全身磁共振成像装置，完成了首例动物活体肿瘤检测成像，并获得首张人体活体MRI设备图像6。1978年以后，磁共振成像技术进入全面发展的阶段。这一时期MRI的研究方向由实验过渡到了临床应用，侧重于加快成像速度、提高信噪比、改善图像质量，并且从大学和研究所的科研活动扩展到多厂商积极参与研发的商业行为。1980年前后，美国、英国、联邦德国、荷兰和日本等国纷纷进行磁共振成像系统的研制7。此外，许多有实力的公司如通用电气（GE）、西门子（SIEMENS）、飞利浦（PHILIPS）、佛纳（FONAR）、皮克（PIKER）、布鲁克（BRUKER）、东芝、日立等都开展了磁共振成像设备商品化的工作。商业公司的介入，有力地推动了MRI的医学应用，同时降低了设备成本8。1974年,北京分析仪器厂成功研制我国第一台NMR谱仪（BH201型,电磁铁,60MHZ,场强14T）,次年研制成改进型（BH02型）。1983年,中国科学院长春应用化学研究所研制成功我国第一台傅里叶变换NMR谱仪（CH100型，电磁铁,100MHZ）,1987年,中国科学院武汉物理研究所研制成功我国第一台360MHZ的超导NMR谱仪。但总的来看,与先进国家相比仍有很大差距,我国目前使用的NMR谱仪绝大多数仍依赖进口,至1999年初,我国进口的最高档NMR仪是美国VARIAN公司的500MHZ超导谱仪和德国布鲁克公司的600MHZ超导谱仪9。经过30多年的发展，如今MRI已经成为了最重要的医学成像技术之一，被广泛用于临床诊断和研究。随着超导技术的进步，GE、西门子和飞利浦等国外知名MRI设备供应商纷纷推出超导MRI产品。场强在15T以上的超导MRI设备除常规MRI、MRA功能外，还可进行扩散成像、灌注成像、质子谱成像、心脏功能成像、扩散张量成像（可得到白质纤维束成像）以及脑功能成像等特殊检10。华润万东也在2013年初推出了15T的超导磁共振。MRI被称为20世纪最重要的发明之一，其技术的迅猛发展和应用的快速普及证明它在医学诊断中正发挥着日益重要的作用。与其他影像技术相比，而MRI具有软组织对比分辨力最高，无创伤，可提供丰富的诊断信息，一次检查可获得解剖、生理、病理、器官运动、组织灌注及活性、代谢、心理和认识等信息，成像对比度高，亚毫米级空间分辨率便于病灶定位和介入引导,扫描方向灵活、多层和三维空间成像允许全方位地观察重要的解剖结构,快速和超快速的成像序列能够对生理运动、介入器具和介入引起的变化，进行近似实时的观察11，无需造影剂即可实现血管成像，无电离辐射伤害，无骨伪影干扰,实现“一站式”检查12。2磁共振的基本原理磁共振是一种物理现象。某些特定的原子核置于静磁场（或称外磁场）内,并受到一个适当的射频脉冲磁场的激励时,所出现的级收和放出射频脉冲磁场的电磁能的现象。即为磁共振现象。磁共振现象的产生,需要具备三个基本条件即特定原子的原子核（自旋质子）,静（外）磁场以及适当频率的射频脉冲磁场13。含单数质子的原子核,例如人体内广泛存在的氢原子核,即质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,就像一个小磁体。小磁体自旋轴的排列无一定规律,但如在均匀的强磁场中,则小磁体自旋轴将按磁力线的方向重新排列,在这种状态下,用特定频率的射频脉冲进激发,则作为小磁体的氢原子核吸收一定量的能量而发生磁共振,停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把所吸收的能量,逐步释放出来,并恢复到原来按磁场磁力线排列状态,这一恢复过程称为弛豫过程,而恢复到原来平衡状态所需的时间,则称之为弛豫时间,有两种弛豫时间,一种是自旋晶格弛豫时间,反映自旋核把吸收的能量传给周围核所需要的时间,称TL,另外一种是自旋自旋弛豫时间,反映高能级自旋核的能量传给低能级自旋核所需要的时间,称T214。人体不同器官的正常组织与病理组织的T1是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,T2也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础,MRI的成像有TL、T2和自旋核密度（P）等几个参数,其中T1与几尤为重要15。因此,获得选定层面中各种组织的TL（或T2值）,就可获得该层面中包括各种组织影像的图像。3磁共振成像中生理门控技术磁共振图像质量指标包括以下几方面噪声、信噪比、对比度,分辨力,伪影16。在胸腹部的MRI检查时，人体的生理运动如呼吸和心脏搏动常可造成严重的运动伪影，进而影响图像质量，对诊断带来极大的困难。为了减少生理运动造成的运动伪影，保证成像质量，需要对这些周期性的生理运动进行技术处理。这些技术包括心电门控技术、脉搏门控技术、呼吸门控技术及导航回波门控技术等17。本文着重讨论心电门控技术和呼吸门控技术分析其在磁共振成像系统的应用。呼吸门控技术是利用探测到的呼吸波来减少呼吸运动伪影的技术。呼吸波一般用弹性呼吸风箱带、呼吸压力垫及气囊腹带。目前GE公司设备上采用弹性呼吸带，而西门子公司和飞利浦公司的设备上则采用呼吸压力垫，华润万东的设备上则采用气囊腹带。气囊腹带和弹性呼吸带需要以合适的松紧度困扎在胸腹部，而呼吸压力垫只需要塞在采集线圈与腹壁之间即可。这三种装置都属于压力传感器。呼吸门控技术主要包括呼吸补偿和呼吸触发技术，都是通过调整软件运行参数，来达到生理运动伪影。心电门控技术主要包括回顾性心电门控和心电触发技术，前者是在整个心动周期中MR射频激发和信号采集都在进行，同时把采集到的心电信息融合到MRI系统中，把每个心动周期中相似的MRI信号用于重建一幅图像，进而减少伪影；后者是利用采集心动周期的心室舒张中期至下一个次心室收缩前夕这一特定时段的MR信号18。此时段心脏运动相对静止，可以明显减少运动伪影。心电门控容易受射频脉冲和梯度场变化的干扰，有时会影响门控质量，而且心电门控技术的实施需要往被测者身上粘贴电极，相对来讲不方便。脉搏门控技术一般利用指脉探测夹或指套，夹套手指末节，来探测脉搏随心动周期的变化波，作为门控信号取代心电门控。第二章呼吸门控及心周门控中的信号1门控成像中的生理信号11心电信号图21人体心电信号波形ECG（心电描记术）的工作原理是在每次心跳心肌细胞去极化的时候会在皮肤表面引起很小的电学改变，这个小变化被心电图记录装置捕捉并放大即可描绘心电图。在心肌细胞处于静息状态时，心肌细胞膜两侧存在由正负离子浓度差形成的电势差，去极化即是心肌细胞电势差迅速向0变化，并引起心肌细胞收缩的过程。在健康心脏的一个心动周期中，由窦房结细胞产生的去极化波有序的依次在心脏中传播，先传播到整个心房，经过“内在传到通路”传播至心室。如果在心脏的任意两面放置2个电极，那么在这个过程中就可以记录到两个电极间微小的电压变化，并可以在心电图纸或者监视器上显示出来，如图21所示。心电图可以反应整个心脏跳动的节律，以及心肌薄弱的部分。心房和和心室每收缩、舒张一次为一个心动周期。在心脏节律性活动的过程中，它的兴奋状态也发生周期性变化。这种变化可在体外加以观察和记录。心电图（ECG）就是心脏总电位变化在体外的表现。图21中的QRS复合波是心室去极化的标志，它出现后心室将剧烈收缩，使其运动量达到最大。因此，可以将R波作为心脏机械舒张的结束标志，生理学上称为舒张末期。如果这时采集心脏及其邻近部位的核磁共振信号，其图像将会受到运动伪影的严重干扰。QRS波过后不久（小于50MS），心脏的舒张运动开始（以T波为标志），因而可将T波看做心脏机械收缩的结束，生理学上称其为收缩末期。由于心脏的舒张缓慢、持续时间长（心脏舒张期约占心动周期的5/8），从收缩末期开始核磁共振信号采样是适宜的。磁共振成像的R波触发扫描就是根据这一原理进行的。12呼吸波信号图22人体呼吸信号波形呼吸波是由呼吸引起的胸廓机械运动形成的。将与传感器相连的弹力带束于胸廓起伏最明显处就可记录呼吸波（也有在鼻腔置入温度传感器以测定温度变化来得到呼吸波），呼吸波形如图22所示。呼吸周期可分为吸气和呼气两相。一般来说，胸廓总是随着呼吸而起伏运动着。但是，无论在吸气末还是在呼气末，肺的容量变化都比较缓慢，即这两个时段内胸廓运动幅度并不大，此时采集核磁共振信号时比较理想的，这就是呼吸波门控扫描的原理。由于有两个时段可以利用，呼吸波门控又有吸气门控和呼气门控之分。该技术是通过同步的方法对运动器官进行跟踪扫描，在通过压力电压传感器获得呼吸信号来控制RF脉冲触发，以减少伪影19。2门控成像图23呼吸门控触发技术华润万东所生产的呼吸门控是采用呼吸触发技术，其工作原理图如图23所示。一般人平静吸气后即开始呼气，从一次平静呼气末到下一次吸气前有一段时间为呼吸运动相对停止的平台期，所以一般以呼气末为触发点即扫描开始点，开始进行MR信号采集，到下一次吸气前停止采集即扫描停止点，是MR信号采集时段发生于呼吸运动相对停止的平台期。呼吸门控扫描一旦开始，序列就将以其固有周期重复执行，但信号的采样或读取只在呼吸门打开的情况下进行，即呼吸门关闭时不采样。也就是说，在呼吸波的控制下，呼吸门控序列仅在呼吸相得某一阶段实施采样，这样势必造成信号的丢弃。如果控制的好，舍弃的信号应该是呼吸运动所致变异最严重的信号，将明显减少呼吸运动伪影20。图24心电门控技术心周门控包括心电触发技术，是在R波波峰被探测后，经过一个延时，相当于进入心室舒张中期时刻，MR序列被触发启动，进行射频激发和信号采集，到下一次心室收缩前夕MR序列被暂停，这样基本保证在心室舒张中后期进行MR信号采集，如图24所示。但在低场磁共振系统中心脏成像技术还不能实现。第三章呼吸门控及心周门控的结构和工作原理1呼吸门控及心周门控的内外结构11电路结构及工作原理呼吸门控及心周门控的电路图，如图31所示图31呼吸及心周门控线路电路图呼吸门控及心周门控的电路结构图信号输入呼吸门控及心周门控系统的输入放大部分，经数模转换后传入单片机进行采集和信号处理，最后由串口输出。在此电路中用到的主要的处理器是ATMEL公司的AT89C52单片机。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O），同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和FLASH存储器结合在一起，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效地降低开发成本。呼吸门控及心周门控主要包括信号输入放大部分、模拟信号与数字信号转换部分、单片机主处理器以及串口输出四大部分。信号输入放大部分含有两路电路，一路是呼吸信号输入放大，该放大电路采用两级放大，第一级用AD620增益控制芯片，AD620是一种低成本，高精度的增益控制芯片，它只需一个外部电阻就可以设置增益的大小，其增益范围为1到10000。它具有低噪声，低输入偏置电流和低电源的特点。如图32所示图32呼吸门控放大电路呼吸门控中信号放大电路在第二级放大电路中，采用LM358运算放大器，它是有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。由于LM358运算放大器集成了两个运放，采用它既可以减少运放数量的使用，使设计更集成化，同时也减少了其它分立元件的使用，减少了噪声来源。它可以采用双电源供电也可以使用单电源供电，在实际应用电路采用5V和5V双电源进行供电，且在第一运放和第二运放即芯片的第一脚和第五脚间加入了一个电压偏置电路，提高第二个运放输入偏置的电位，使信号在线性放大区域放大，防止信号失真。另一路是心电信号输入放大电路，如图33所示图33心周门控放大电路心电信号放大电路该电路与心周信号输入放大电路不同，它只有一级放大电路，且只用了LM358的双运放中的一个运放，相对心周放大电路较为简单。双电源供电，使得信号输出失真较小。由传感器采集的信号经上述模拟放大电路放大后送到了由八位模数转换芯片ADC0848构成的模数转换器。ADC0848是一个8位的、多通道输入的连续近似模数转换器，多通道给的应用提供了许多方便，心周和心电信号分别占用了ADC0848的CH1和CH3两个输入通道。它将输入的心周或心电的模拟信号转换成8位数字信号通过DB0DB7共八根数据线输给单片机主处理器21。主处理器部分主要由单片机AT89C52和复位芯片MAX810及其它的配置电路构成。其中MAX810是一种单一功能的微处理器复位芯片，用于监控微控制器和其他逻辑系统的电源电压，它可以在上电、掉电和节电情况下向微控制器提供复位信号。当电源电压低于预设的门槛电压时，器件会发出复位信号，直到在一段时间内电源电压又恢复到高于门槛电压为止。在上电掉电或节电期间，复位会发出复位信号防止代码执行错误。MAX810是高电平有效复位输出。AT89C52是心周门控的核心部分，它主要负责信号的采集和处理，并负责与PC机的通信。P0口与ADC0848的八个数据输出通道相连。AT89C52的第九脚和第十九脚分别与复位芯片MAX810和晶振相连。其中晶振的频率为20MHZ7，具体如图34所示图34主处理器电路这部分主要将模数转换器送来的八位数字信号经过处理，并通过串口传送给计算机和MRI系统，将传感器采集的信号显示在电脑屏幕上，同时将采集到的信号与阈值信号相比，输出等间隔的脉冲输入MRI系统，配合系统工作，最终消除伪影22。输出部分采用了MAX232和74HCT125两种芯片。由于AT89C52输出的是标准的TTL/CMOS电平，无法与PC机上串口相匹配，于是使用MAX232串口芯片，它能将TTL/CMOS5V电平转换成/10V电平输出，也能将/10V的电平转换成5V的TTL/CMOS电平。这就使的心周门控能够与PC机进行实时通信。74HCT125是总线驱动芯片，它将处理器发出的芯片经其驱动再送给MRI系统中的谱仪。呼吸门控及心周门控电路图实际制作的电路板如图35所示图35呼吸门控及心周门控电路板12呼吸门控及心周门控的外部结构呼吸门控的外部结构主要有5/5V直流输出电源一个、呼吸门控及心周门控门控盒一个、心周门控传感器一套、呼吸门控传感器及腹带一套和串口线，如图36所示图36呼吸门控及心周门控门控盒图37测试用的呼吸门控串口接法呼吸门控及心周门控门控盒上有4个端口，分别是POWER、TRIG、SIG、PC。其中POWER与5/5V直流输出电源相连，TRIG与磁共振谱仪系统中主控模块的TRIG相接，PC端口通过串口线与计算机相连信号至传输控制台，而SIG端口先接与滤波器滤波（而非如图37测试所连）然后通过串口线分别与呼吸门控传感器和心周门控传感器相连。2呼吸门控及心周门控的工作原理及特点21使用方法和工作原理呼吸门控及心周门控使用方法简述如下检查前与被测者进行细心的交谈，消除被测者的恐惧心理，并明确均匀呼吸在检查过程中的重要性23】。训练被测者的呼吸。以尽可能满足信号采集要求。摆位时尽量让被测者保持舒适的体位24。把安置有气压传感装置的气囊带缚于被测者中下腹，然后采用绑扎腹带的方法,不可绑在肋缘以上以免限制胸式呼吸而适得其反，腹带压力要适中,以免人为造成呼吸频率的不规整25。将置有压力传感器的指夹夹套在被测者手指即可。呼吸门控及心周门控的工作原理1）被测者的正常呼吸运动引起腹部起伏，进而使缚于被测者腹部的气囊内气压发生变化，气压传感装置将该变化转化为电子信号；指套内有压力传感器，该装置采集到的压力变化转换为电信号并通过串口线输入给电子采集控制设备。2）电子采集控制设备将缚带式气压传感装置输出的电子信号，进行处理放大，输出心周波形信号到PC控制台，输出心周门控信号到谱仪系统的主控模块。3）心周门控配套序列利用电子采集控制设备输出到谱仪的心周门控信号，控制系统工作，使磁共振信号的激发和采集与被测者的心周节律同步，以避免成像中的心周伪影的形成。4）心周门控配套软件将电子采集控制设备输出到PC控制台的心周波形信号显示在监视器上，便于对系统状态监控和被测者的监护，同时，可以对电子采集控制设备的工作状态进行控制。22呼吸门控及心周门控设备特点呼吸门控及心周门控系统不仅使用方法简单方便，其如下特点也成为设备整体的亮点之一。A）采用气压传感方式，采集信号强，有效避免交叉感染；B）采用高速单片机控制，保证信号采集的实时性和准确性；C）实时输出可视化心周波形，便于对被测者的监护；D）配套心周门控专用成像序列；E）整个系统体积小、成本低，便于生产、安装和维护；F）具有电磁兼容性,确保心周门控信号采集设备接入MRI系统后，对系统的干扰，包括对主磁场、梯度场、射频场及磁共振接收信号和图像信噪比的影响，均在允许的范围内。确保MRI系统正常工作时，对心周门控设备的干扰在允许范围内。第四章呼吸门控及心周门控系统制作与测试呼吸门控及心周门控系统生产和调试在磁共振系统联调中占有重要位置，对于图像的质量保证有重要意义。1生产制作1）备料首先要准备好电烙铁、电路板、样板、门控盒，然后把所需的元器件备好。把串口连接线做好备齐。2）焊接电烙铁一般调到350进行工作，在焊接过程中应特别注意钽电容、铝电解电容、芯片的正负极，一旦焊反，芯片烧坏，钽电容和铝电解电容还会发生爆炸。对照样板完成各个元器件的焊接。反复检查几遍，查看是否有虚焊连焊的现象，若有这样的情况，及时修复解决。最后清除锡渣。焊好的呼吸门控及心周门控电路板如图41所示图41呼吸门控及心周门控电路板3）接线连接把串口线连接于板子的各个串口，并与门控盒上的各个接口相连如图42所示图42门控盒4）组装门控盒，完成制作工作。2系统测试在系统调试前，应先查看电路板元器件是否有虚焊、连焊，去除焊渣，测试测试点电压。系统调试步骤如下1）按如下方式连接线缆图43呼吸门控及心周门控盒子接口面（A）如图43所示/5V开关电源连接POWER端,为系统供电；TRIG端接磁共振控制器的DIGITALCONTROLMODULE模块的TRIG接口，为门控系统输入门控信号。如图44所示PC端由串口线经USB转接线接到测试电脑的USB口,把采集到的生理信号传送给计算机和MRI系统，将传感器采集的信号显示在电脑屏幕上，同时将采集到的信号与阈值信号相比，输出等间隔的脉冲输入MRI系统，配合系统工作，最终消除伪影；SIG端由串口线经滤波器接呼吸及心电传感器，用于生理信号的输入。图44呼吸门控及心周门控接口面（B）整机联调如图45所示图45整机联调图46门控系统与磁共振系统连接示意图图46为门控盒各端口与各个组件相连，及其所在方位。2）线缆连接好后，打开测试电脑,插上门控电源，查看门控与测试电脑连接的串口，打开配置文件，设置SERIALCOMMNUMX，然后打开软件MFCGATING运行门控系统，其初始波形如图47图47初始波形3）修改配置文件里的GATINGTYPE和SAMPLERATIO，查看信号是否正常（1）当GATINGTYPE1，SAMPLERATIO100时，设备作呼吸门控系统使用，轻按呼吸传感器的气囊，其波形如图48图48呼吸门控波形（2）当GATINGTYPE3，SAMPLERATIO40时，设备作心电门控系统使用，轻按心电传感器，其波形如图49所示图49心电门控波形其中红线为阈值线，绿线为采集到的信号，黄线为输入电平。测试时，可用鼠标在网格面上不同的位置单击，改变红线的位置以改变阈值的大小，以获得不同间隔的电平输出。（一般将红线设在采集信号绿线的中间位置）。3小结在生产调试过程中，首先应熟悉各个元器件，焊接时，应当注意安全，尽量避免虚焊、连焊及元器件正负极焊反的现象。在串口排线制作的时候注意线头的对应接口。在门控盒接口连接好后，接串口线联机调试，注意修改配置文件里的参数，以确定所选用门控类型。通过生产调试工作过程，逐渐发现，该系统结构简单，体积较小，整个系统比较稳定。但也有不足，比如说在门控盒设LED指示灯，显示所选门控类型；优化系统实现对一些特殊人群的适用范围，设定系统自检校正，避免出现误差以影响采集成像的质量，增加呼吸传感器及压力传感器的适用类型，以应用于强烈的呼吸和微弱的呼吸的特殊情况。第五章结论与展望本研究重点讨论了一种用于磁共振成像系统的呼吸及心周门控设备，分析了其电路结构及硬件组成。呼吸门控技术和心周门控技术（包括心电门控技术和脉搏门控技术，本文所提到的是脉搏门控近似代替心电门控技术），阐述了其调节磁共振成像系统的接收线圈接收MR信号的时间段，以确保磁共振成像专用呼吸及心周门控系统有效地采集被检测者的心周节律与心率周期，并将其转化为电子信号，提供给谱仪和工作站，以进行序列控制和后期信号处理。采用呼吸及心周门控技术可以显著的消除目前系统成像中的呼吸运动伪影，有效的提高图像分辨率和信噪比。但该系统设计结构简单，功能单一，可适用大多数情况的磁共振成像，对于特殊情况比如被测者心率不齐、紧张呼吸急促或者微弱等会造成图像质量问题，影响诊断。结构上设置指示灯以显示门控类型；增加传感器的类型，区分各类情况对应各灵敏度的传感器；优化系统，添加系统自校功能消除偏差，保证图像质量。增加各类的系统参数来加强其各项功能。在低场中，呼吸门控及心周门控系统设备仅应用于胸腹部检查，消除呼吸运动造成的图像伪影，所采集到的心电波形仅作为一种监护被检测者的心理情绪变化，确保图像采集工作继续的参考。在后续的临床诊断仍具有重要意义。通过实习开始踏足这个行业，逐渐了解到这个行业的行情，国产磁共振设备在国内的市场占有率远远低于以GE、西门子和飞利浦为首的国外MRI设备的市场占有率。究其原因，无非是技术方面的问题，从而影响成像的质量。目前国内公司虽然有自主研发的项目，但核心技术还是被国外厂商把持，国内厂商仍在努力研发。随着超导技术的进步，GE、西门子和飞利浦等国外MRI设备供应商纷纷推出超导MRI产品。场强在15T以上的超导MRI设备除常规MRI、MRA功能外，还可进行扩散成像、灌注成像、质子谱成像、心脏功能成像、扩散张量成像（可得到白质纤维束成像）以及脑功能成像等特殊检。华润万东医疗装备股份有限公司在2013年初推出了15T的超导磁共振，随着场强的提高，呼吸门控及心周门控系统也将有效的消除心脏功能成像上的伪影，从而使磁共振成像系统的图像信噪比得以提高。参考文献1潘文宇一种新型MRI谱仪的设计及关键技术研究D，中国科技大学2011142唐福元迅速崛起的影像诊断术J物理与工程,2002,1241453赵喜平磁共振成像M第一版北京科学出版社,20046104俎栋林核磁共振成像学M第一版北京高等教育出版社,200413175高上凯医学成像系统M第二版北京清华大学出版社,20101561626韩丰谈，朱险峰医学影像设备学M第二版北京人民卫生出版社，20102892907詹松华,吴沛宏,杨振燕,主编MRI临床医师必读M第一版北京科学出版社,2003,61128赵聪,刘正敏,周荷琴数字化磁