專利名稱：一種消除心電通道中射頻干擾的方法及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種磁共振成像系統(tǒng)中消除心電通道射頻干擾信號的電路及方法。
在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)的掃描對象中，對胸腔內(nèi)器官的診斷占有相當(dāng)?shù)谋壤?，由于人體心臟的搏動，如果不采取特殊措施而直接掃描成像的話，所獲得的胸腔器官圖像質(zhì)量很差，難以滿足臨床診斷需求。因而在對胸腔器官進行掃描時，利用心臟ECG(心電圖)信號的每一個周期內(nèi)固定相位時刻來觸發(fā)MRI掃描序列已成了MRI應(yīng)用領(lǐng)域中首選和必備的技術(shù)手段，這就是所謂的“ECG門控”技術(shù)。采用這種“ECG門控”技術(shù)后，心臟搏動造成的運動偽影被最大限度地抑制，使得在對諸如心臟等胸腔器官掃描時也能得到有臨床價值的MRI圖像。
在一般情形下獲取病人的ECG(心電圖)信號已是一種成熟且司空見慣的技術(shù)，而在MRI系統(tǒng)中要想獲得被掃描病人的理想心電圖信號波形就要麻煩得多，原因在于在利用ECG門控技術(shù)對被掃描病人的胸腔器官進行掃描時，病人躺在磁體內(nèi)且ECG胸導(dǎo)電極正好位于磁體中心這個MRI系統(tǒng)輻射射頻功率最強的位置。這樣，MRI系統(tǒng)掃描時所輻射出的射頻脈沖(稱作激勵脈沖)的能量無可避免地通過胸導(dǎo)ECG(心電圖)電極耦合到ECG通道中，且這種耦合甚至強到射頻脈沖包絡(luò)的幅度超過正常ECG信號波峰的幅度。盡管相對于MRI系統(tǒng)的射頻而言ECG通道是一個低通濾波器，射頻脈沖的射頻能量基本被抑制掉了，但它的包絡(luò)卻落在ECG通道的通帶之內(nèi)，因而可以較為順利地通過ECG通道，從而使得“ECG門控”技術(shù)中基于識別QRS波形(在這種方法中QRS波形和射頻脈沖不可能同時出現(xiàn))來決定在一個心電圖周期內(nèi)MRI系統(tǒng)掃描序列起始時刻的唯一性遭到了破壞。
從信號頻譜的角度來看，MRI系統(tǒng)射頻脈沖包絡(luò)與ECG信號差別不大，基本上都落在同一個頻帶范圍(0.5~100Hz)內(nèi)，如果單純采用濾波(無論是有源還是無源)的方法來濾除射頻脈沖干擾似不大可能。
在MRI系統(tǒng)中采用“ECG門控”技術(shù)時濾除ECG通道中的射頻脈沖干擾是眾多MRI系統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)商單位共同面臨的問題。美國專利USP-4887609發(fā)表了一種濾除ECG通道中射頻干擾的方法和電路，它利用一個具有兩種濾波通帶(3DB)特性的有源濾波器，當(dāng)ECG信號出現(xiàn)期間使得這個有源濾波器的通帶為0~50Hz，使其得以順利通過；而當(dāng)ECG信號不出現(xiàn)時，使得有源濾波器的通帶為0~5Hz，這樣，只有接近直流的低頻信號分量可以通過，從而達到在ECG通道中濾除干擾而獲得干凈完整的ECG信號波形的目的，但此方法依賴于對ECG信號中的QRS波形起始時刻的識別，如果這種識別有誤差就會降低對干擾噪聲的濾除效果。
本發(fā)明的目的在于提供一種利用磁共振成象系統(tǒng)中Blank信號來消除ECG(心電圖)通道中射頻脈沖干擾的方法和電路。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是通過以下方式實現(xiàn)的在MRI系統(tǒng)中有一路稱作Blank信號的正脈沖信號，這個Blank信號的正脈沖出現(xiàn)時刻是與發(fā)射的射頻脈沖同步的，為本發(fā)明提供了一種有效抑制射頻脈沖干擾的途徑。
在ECG通道射頻脈沖干擾消除電路中，它是由信號輸入電路I、波形處理電路II、電子模擬開關(guān)集成電路III及信號保持電路IV構(gòu)成，核心部件是一個電子模擬開關(guān)集成電路，與磁共振成像系統(tǒng)中的射頻脈沖疊加在一起的ECG信號輸入到信號輸入電路的輸入端，而由磁共振成像系統(tǒng)提供的Blank信號輸入到波形處理電路的輸入端，電子模擬開關(guān)的輸入端與信號輸入電路的輸出端連接，其控制端與波形處理電路的輸出端連接，其輸出端與波形保持電路的輸入端連接。
本發(fā)明所述的方法就是利用磁共振成像系統(tǒng)在掃描時提供的與射頻脈沖同步出現(xiàn)的Blank信號來控制電子模擬開關(guān)的通斷，當(dāng)射頻脈沖出現(xiàn)在模擬開關(guān)的輸入端時，經(jīng)過波形處理后的Blank信號使得模擬開關(guān)斷開，阻止射頻脈沖的通過，此時電路輸出端由于波形保持電路的作用而保持著Blank脈沖出現(xiàn)前一瞬間的電平；而當(dāng)沒有射頻脈沖出現(xiàn)時，Blank脈沖也不出現(xiàn)，模擬開關(guān)保持開啟，電路輸出端的電平與電路輸入端的電平一致。這樣，射頻脈沖得到了有效地抑制，在電路的輸出端可以得到?jīng)]有射頻脈沖干擾的ECG信號波形。
本發(fā)明所述的方法和電路具有邏輯關(guān)系清晰，結(jié)構(gòu)簡單，效果很好且基本不需調(diào)試的特點。在實際工作時具有良好的效果，即使在MRI系統(tǒng)的射頻脈沖干擾幅度超過ECG信號最大幅度的情形下，也能將這種射頻脈沖干擾濾除掉，而對ECG信號本身幾乎沒有什么影響，從而使MRI系統(tǒng)中基于ECG信號的QRS波形識別的“ECG門控”技術(shù)得以很好地實現(xiàn)。


圖1所示為本發(fā)明的原理框圖。
圖2所示為本發(fā)明的ABCDEF各點的波形圖。
圖3為本發(fā)明的電路圖。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
在圖1中，一種用于消除ECG(心電圖)通道中射頻干擾的電路裝置，它是由信號輸入電路I、波形處理電路II、電子模擬開關(guān)集成電路III及信號保持電路IV構(gòu)成，其核心部件是模擬開關(guān)III，與磁共振成像系統(tǒng)中的射頻脈沖疊加在一起的ECG信號輸入到信號輸入電路I的輸入端，而由磁共振成像提供的Blank信號輸入到波形處理電路II的輸入端，電子模擬開關(guān)III的輸入端與信號輸入電路I的輸出端連接，其控制端與波形處理電路II的輸出端連接，其輸出端與波形保持電路IV的輸入端連接。
利用磁共振成像系統(tǒng)中Blank信號與射頻脈沖基本同時出現(xiàn)的固定相位關(guān)系，當(dāng)射頻脈沖出現(xiàn)在模擬開關(guān)的輸入端時，經(jīng)過波形處理后的Blank信號使得模擬開關(guān)斷開，阻止射頻脈沖的通過，此時電路輸出端由于波形保持電路的作用而保持著Blank信號出現(xiàn)前一瞬間的電平；而當(dāng)沒有射頻脈沖出現(xiàn)時，Blank信號也不出現(xiàn)，模擬開關(guān)保持開啟，電路輸出端的電平與電路輸入端的電平一致。這樣，射頻脈沖得到了有效地抑制，在電路的輸出端可以得到?jīng)]有射頻脈沖干擾的ECG信號波形。
圖2中，MRI系統(tǒng)ECG通道中與射頻脈沖干擾疊加在一起的被干擾的ECG信號(如圖2-A所示)傳送到模擬開關(guān)的輸入端A，由MRI系統(tǒng)提供的Blank脈沖信號(如圖2-B所示)傳送到波形處理電路的輸入端B，經(jīng)過波形處理電路中的后沿展寬、極性和邏輯電平轉(zhuǎn)換等處理后在模擬開關(guān)的控制輸入端E得到模擬開關(guān)的開關(guān)控制信號(如圖2-E所示)，之所以要將Blank信號的后沿展寬是為了補償由于MRI系統(tǒng)中功率開關(guān)的延時效應(yīng)引起的射頻脈沖后沿相對于Blank脈沖后沿的時間滯后，進行極性和邏輯電平轉(zhuǎn)換的目的是為了將具有TTL邏輯電平的脈沖信號轉(zhuǎn)換為滿足模擬開關(guān)控制端要求的極性和邏輯電平(TTL的邏輯“0”和“1”分別對應(yīng)于電平“0.5V”和“3.5V”；模擬開關(guān)控制端的邏輯“0”和“1”分別對應(yīng)于“0.5V”和“11.5V”)。模擬開關(guān)的工作特性是在控制端輸入為“1”電平時導(dǎo)通，而在為“0”電平時斷開，這樣在整個電路的輸出端F即可得到完全濾除了射頻脈沖干擾的正常ECG信號(如圖2-F所示)。在模擬開關(guān)的輸出端串接一個波形保持電路是為了使得當(dāng)模擬開關(guān)斷開時，在輸出端F保持模擬開關(guān)斷開前一瞬間的電平以消除可能由模擬開關(guān)斷開而引起的正常ECG信號的波形畸變。
在圖3中，由電阻R3，R4和R5，穩(wěn)壓二極管D1，二極管D2和D3和構(gòu)成信號輸入電路I，其中電阻R3的一端為本信號輸入電路的輸入端，另一端與電阻R4，二極管D2的陽極及二極管D3的陰極連接，D2的陰極與電源VC2連接，D3的陽極與電阻R5的一端及穩(wěn)壓二極管D1的陽極連接，D1的陰極與電源VC1連接，R5的另一端與地連接。穩(wěn)壓二極管D1的兩端電壓為3.6V，其陽極電壓被箝位在1.4V左右，D2連接到+12V電源VC2，D3連接到D1的陽極，D2和D3的限幅作用使得輸入的和射頻脈沖干擾疊加在一起的ECG信號的變化范圍限定在0.8V~11.2V之間，以保證模擬開關(guān)的正常工作；由U1，U2，U3，R1，C1和R2構(gòu)成的Blank信號的波形處理電路II，U1(74LS122)是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它工作于下降沿觸發(fā)工作狀態(tài)，U1的負(fù)脈沖觸發(fā)輸入端A1(1)與U2(74LS32)的一個輸入端(2)連接在一起構(gòu)成Blank波形處理電路的輸入端，電容C1跨接在U1的CEXT端(11)和REXT/CEXT端(13)之間，電阻R1的一端與U1的REXT/CEXT端(13)連接，另一端與電源VC1連接，U1的正脈沖輸出端(8)與U2的另一輸入端(1)連接，U2的輸出端(3)與U3(74LS26)的輸入端(1)和(2)同時連接，U3的輸出端(3)與電阻R2的一端連接，R2的另一端與電源VC2連接。
Blank信號脈沖輸入至U1的下降沿觸發(fā)端(2)，在U2的正脈沖輸出端Q(8)得到一個由Blank信號脈沖下降沿觸發(fā)的正脈沖，其脈沖寬度為0.7R1C1，這個正脈沖連接至或門U2的一個輸入端(1)，Blank信號脈沖本身連接至或門U2的另一個輸入端(2)，這樣在U2的輸出端得到比原Blank信號脈沖后沿延遲的脈沖信號，之所以需要這個后沿延遲是因為射頻脈沖的后沿相對于Blank信號的后沿有一定時間(毫秒級)的滯后，U2的輸出端(3)連接到U3的輸入端(1，2)，U3是一個集電極開路高壓輸出與非門，它的輸出端連接模擬開關(guān)U4的控制端(6)，R2是其上拉電阻，U3的作用是將其輸入端的TTL電平脈沖信號轉(zhuǎn)換為其輸出端的滿足U4的控制端邏輯電平要求的脈沖信號(“1”和“0”邏輯電平分別對應(yīng)于+11.5V和+0.5V)；模擬開關(guān)集成電路III是本發(fā)明的核心器件，在本發(fā)明中模擬開關(guān)U4(MC14066)的工作電源為+5V~+15V，現(xiàn)選定為+12V，其控制端的“1”和“0”邏輯電平分別對應(yīng)于+11.5V和+0.5V，電子模擬開關(guān)的輸入端(9)與電阻R4相連，在U4的輸入端(9)是電壓變化范圍為+0.8V~+11.2V的疊加有射頻脈沖干擾的ECG信號，由于模擬開關(guān)本身的工作特性，當(dāng)射頻脈沖出現(xiàn)時，U4的控制端(6)與電阻R2及U3的輸出端相連，U4的控制端(6)為“0”電平，模擬開關(guān)斷開，且由于波形處理電路U1對Blank信號脈沖后沿的滯后使得U4肯定在射頻脈沖干擾出現(xiàn)期間一直完全斷開，當(dāng)射頻脈沖過后，U4的控制端(6)為“1”電平，模擬開關(guān)導(dǎo)通，ECG信號順利通過模擬開關(guān)U4，在U4的輸出端(8)串接了一個電容C2，這樣在U4的輸出端就得到完全濾除掉射頻脈沖干擾的ECG信號。本發(fā)明采用了一個串接在模擬開關(guān)輸出端的電容C2作為信號保持電路IV，目的是為了使得當(dāng)模擬開關(guān)斷開時，在輸出端F保持模擬開關(guān)斷開前一瞬間的電平，以消除可能由模擬開關(guān)斷開引起的正常ECG信號的波形畸變。
本發(fā)明所述的方法和具體電路在實施時既可以作為一部份融合進MRI系統(tǒng)的ECG(心電圖)通道中去，也可以作為一個單獨的部件串接在MRI系統(tǒng)的ECG信號獲取電路單元和ECG門控同步脈沖產(chǎn)生電路單元之間。
權(quán)利要求
1.一種消除心電通道中射頻干擾信號的電路裝置，包括信號輸入電路(I)、波形處理電路(II)及信號保持電路(IV)，其特征在于還有一個電子模擬開關(guān)集成電路(III)，與磁共振成像系統(tǒng)中的射頻脈沖疊加在一起的心電信號輸入到信號輸入電路(I)的輸入端，而由磁共振成像系統(tǒng)提供的Blank信號輸入到波形處理電路(II)的輸入端，電子模擬開關(guān)(III)的輸入端與信號輸入電路(I)的輸出端連接，電子模擬開關(guān)(III)的控制端與波形處理電路(II)的輸出端連接，其輸出端與波形保持電路(IV)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除心電通道中射頻干擾信號的電路，其特征在于由電阻R3，R4和R5，穩(wěn)壓二極管D1，二極管D2和D3構(gòu)成信號輸入電路(I)，其中電阻R3的一端為本信號輸入電路的輸入端，另一端與電阻R4，二極管D2的陽極及二極管D3的陰極連接，D2的陰極與電源VC2連接，D3的陽極與電阻R5的一端及穩(wěn)壓二極管D1的陽極連接，D1的陰極與電源VC1連接，R5的另一端與地連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種消除心電通道中射頻干擾信號的電路，其特征在于由U1，U2，U3，R1，C1和R2構(gòu)成的Blank信號的波形處理電路(II)，U1是一個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它工作于下降沿觸發(fā)工作狀態(tài)，U1的負(fù)脈沖觸發(fā)輸入端A1(1)與“或門”U2的一個輸入端(2)連接在一起構(gòu)成本波形處理電路的輸入端，電容C1跨接在U1的CEXT端(11)和REXT/CEXT端(13)之間，電阻R1的一端與U1的REXT/CEXT端(13)連接，另一端與電源VC1連接，U1的正脈沖輸出端(8)與U2的另一輸入端(1)連接，U2的輸出端(3)與“與非門”U3的輸入端(1)和(2)同時連接，U3的輸出端(3)與電阻R2的一端連接，R2的另一端與電源VC2連接。
4.一種消除心電通道射頻干擾信號的方法，其特征在于利用磁共振成像系統(tǒng)在掃描時提供的與射頻脈沖同步出現(xiàn)的Blank信號來控制電子模擬開關(guān)的通斷，當(dāng)射頻脈沖出現(xiàn)在模擬開關(guān)的輸入端時，經(jīng)過波形處理后的Blank信號使得模擬開關(guān)斷開，阻止射頻脈沖通過，此時電路輸出端由于波形保持電路的作用而保持著Blank脈沖出現(xiàn)前一瞬間的電平；而當(dāng)沒有射頻脈沖出現(xiàn)時，Blank脈沖也不出現(xiàn)，模擬開關(guān)保持開啟，電路輸出端的電平與電路輸入端的電平一致。這樣，射頻脈沖得到了有效地抑制，在電路的輸出端可以得到?jīng)]有射頻脈沖干擾的ECG信號波形。
全文摘要
本發(fā)明提出一種在磁共振成象(MRI)系統(tǒng)的心電圖(ECG)通道中徹底抑制射頻脈沖干擾的方法和電路，其中核心部件是一個電子模擬開關(guān)集成電路，利用MRI系統(tǒng)在掃描時提供的與射頻脈沖同時出現(xiàn)的B lank信號來控制模擬開關(guān)的通斷，使得當(dāng)射頻脈沖出現(xiàn)時，模擬開關(guān)斷開，射頻脈沖干擾無法通過，從而完全消除射頻脈沖干擾對心電門控同步脈沖產(chǎn)生電路的影響，本發(fā)明具有邏輯關(guān)系清晰，結(jié)構(gòu)簡單，效果很好且基本不需調(diào)試的特點。
文檔編號A61B5/0402GK1138974SQ9510687
公開日1997年1月1日 申請日期1995年6月27日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月27日
發(fā)明者唐向陽, 胡曾千 申請人:深圳安科高技術(shù)有限公司