一种适用于核磁共振扫描自动调整FOV的方法和装置

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，具体涉及一种适用于核磁共振扫描自动调整FOV的方法和装置。

背景技术

磁共振成像(MRI)技术作为一种能反映多维信息的无损伤的诊断手段，在医学病理诊断和基础科学研究方面得到了广泛的应用。

在MRI谱仪系统中，在对被扫描物体进行扫描的过程中是要求被扫描物体在预设的基准位置上保持静止不动的，但是在实际扫描过程中会出现一些被扫描物体偏离了基准位置的情况，例如在对活体进行长时间扫描的过程中，被扫描活体可能会发生位置偏移，或者用传送带运送被扫描物体的实际摆放位置可能会偏离固定的标准位置，在这些情况下，如果不对被扫描物体进行相应的位置调整，扫描观察到的部位和预期想要观察的部位是有偏差的，按照现有的核磁共振扫描技术，如果要消除这些偏差，就需要重新调整被扫描物体的位置，或者需要对被扫描的活体重新进行定位片扫描，或者需要重新摆放被扫描物体与基准位置吻合，这样重新确定好被扫描物体的位置后再重新开启正式扫描，甚至有时扫描过程需要中断后重新再做，这样是非常浪费时间的，而且不能保证后面的扫描过程中被扫描物体不会再次发生位置偏移的情况。

发明内容

针对现有扫描技术的不足，本发明提供了一种适用于核磁共振扫描自动调整FOV的方法和装置，在被扫描物体的摆放位置偏离了预设基准位置时，或者在扫描过程中被扫描物体发生了位置偏移等情况下，通过对原始参数进行实时的调整和对逻辑梯度进行适当的逻辑矫正，不需要重新摆放被扫描物体和不中断扫描过程，系统实现自动调整FOV，完成对被扫描物体的正确部位的扫描。该方法实施后，扫描过程不增加时间，同时对扫描体保持静止的要求降低，特别适合对婴幼儿或者动物等不方便让其保持静止的活体进行扫描，对于一些需要摆放在固定基准位置扫描的被扫描物体的摆放位置要求也不需要那么苛刻，可以提高扫描的效率。而且采用数字化处理的方式进行调整让FOV的调整的更加精确。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

空间位置监测模块，通过摄像头实时监测被扫描物体在扫描过程中的相对于基准位置的位移以及方位变化，并给出具体的角度参数和平移参数。基准位置的获取，可以是序列定位扫描时记录被扫描物体的当前位置和方向作为基准位置，也可以是系统中预设的一个固定的标准基准位置。每次切换序列扫描时，重新拍摄被扫描物体的位置和方向，并计算此时被扫描物体的位置相对于基准位置的变化，同时把位置变化信息转化为数字化的位置变化参数，包括沿坐标轴平移的参数和绕三个坐标轴旋转的角度参数。

序列扫描控制系统，包括一个三角函数计算模块，旋转矩阵计算模块和平移参数计算模块，三角函数计算模块根据空间位置监测模块反馈的角度变化参数，计算出三角函数值(sin值和cos值)。旋转矩阵计算模块根据三角函数值可以计算出用于坐标轴进行角度旋转的旋转矩阵。平移参数计算模块可以根据平移参数计算出发射和接收模块需要调整的频率值和相位值大小。

参数调整校正模块，包括逻辑梯度旋转模块和发射接收调整模块，逻辑梯度旋转模块完成对逻辑梯度波形的旋转矩阵调整，发射接收模块可以调整发射频率值或者接收的频率值和相位值来改变被扫描物体的选层和位置，从而完成对被扫描物体FOV的调整。

所述三角函数计算模块，方法为：

采用cordic算法，Cordic算法是采用迭代旋转逼近的方式求解三角函数，通过迭代旋转逼近的方式求解出角度变化参数的正弦(sin)和余弦(cos)三角函数值，实现上只需要对一组移位寄存器和加法器复用就可以完成三角函数的计算，硬件开销很小，适合于对计算实时性要求不高的场合中运用。算法经过n次旋转迭代之后求得的坐标点计算公式为：

X

Y

其中(X

如果起点(X

所述旋转矩阵计算模块，方法为：

根据三角函数计算模块计算出来的三角函数值，可以求得到坐标轴旋转操作的矩阵表达式，旋转操作可以用矩阵乘法运算来完成，按X、Y、Z三个坐标轴依次进行旋转操作的三个旋转矩阵R

先按X轴旋转α角度，方法为：

y′＝ycosα-zsinα

z′＝ysinα+zcosα

x′＝x

其中(x,y,z)为旋转之前的坐标轴，(x′,y′,z′)为旋转之后的坐标轴，α为被扫描体在原坐标系中绕X轴旋转的角度，其旋转方向遵循右手定则，用矩阵表达式描述为：

再按y轴旋转β角度，方法为：

z′＝zcosβ-xsinβ

x′＝zsinβ+xcosβ

y′＝y

其中(x,y,z)为旋转之前的坐标轴，(x′,y′,z′)为旋转之后的坐标轴，β为被扫描体在原坐标系中绕y轴旋转的角度，其旋转方向遵循右手定则，用矩阵表达式描述为：

再按Z轴旋转γ角度，方法为：

x′＝xcosγ-ysinγ

y′＝xsinγ+ycosγ

′

z＝z

其中(x,y,z)为旋转之前的坐标轴，(x′,y′,z′)为旋转之后的坐标轴，γ为被扫描体在原坐标系中绕z轴旋转的角度，其旋转方向遵循右手定则，用矩阵表达式描述为：

用三个旋转矩阵可以用旋转三次完成对X、Y、Z轴的旋转，最终的旋转结果可以用三个旋转矩阵通过矩阵乘法得到一个总的旋转矩阵R

R

为了方便后面计算表达，用h

所述平移参数计算模块，包括乘法器、加法器和除法器，计算出扫描体在新的坐标轴上投影变化参数，其方法为：

假设D

/>

求解等式可得：

根据三个坐标轴上的位移投影参数D

所述逻辑梯度旋转模块，包括乘法器和加法器，把输入的三路逻辑梯度din_read，din_phase，din_slice和旋转矩阵R

[dout_x,dout_y,dout_z]＝[din_read,din_phase,din_slice]×R

其中dout_x，dout_y，dout_z表示完成旋转矩阵调整后的逻辑梯度波形，对上式进行整理得到：

dout_x＝h

dout_y＝h

dout_z＝h

逻辑梯度波形din_read，din_phase，din_slice经过上面的矩阵旋转调整处理后，可以正确地投影到移位之后的扫描体的物理梯度方向上。

所述发射接收调整模块，通过扫描体位移在新坐标系中的三个坐标轴上的位移投影参数D

当D

f

其中f

当D

f

其中f

当D

θ

其中θ

通过上面公式计算出调整过的发射频率或者接收频率或者接收相位，可以正确地选择用户期望看到的扫描层面和位置上。

综上所述，本发明具有以下优点及效果：

1、能够实时监测扫描体位置变化情况，并自动调整FOV，不需要中断扫描重新定位扫描，节省了扫描时间。

2、能够实时监测扫描体位置变化情况并进行自动调整，使扫描的部位和希望观察的部位是一致的。

3、采用数字化处理方式进行调整，具有很高的精度，调整部分的模块是用FPGA中的乘法器和加法器实现，消耗的逻辑资源比较少。

附图说明

图1为本发明系统结构图

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例所述一种适用于核磁共振扫描自动调整FOV的方法，包括一个三目摄像头监控模块处理，和一片Xilinx7系列型号的现场可编程门阵列(FPGA，Field-ProgrammableGateArray)。在FPGA中包含：序列扫描控制系统，参数调整校正模块。

在本实施例中，所有模块均流水化操作，除预设参数值外，所有寄存器初始值均为0，本实施中所有操作都是100MHz时钟下完成的，时钟周期为10ns，整个装置工作流程从扫描定位片开始，空间位置监测模块拍摄一张照片作为后面位置变化判断的基准位置照片，在正式扫描的过程中，每次切换扫描序列之前拍摄被扫描物体的实时位置照片，通过最新位置照片和基准位置照片的对比，计算出被扫描物体位置相对于扫描定位片时的位置偏移的情况，并转化为数字化的角度参数和平移参数，用于调整。

在每次切换扫描序列进行扫描之前，旋转矩阵计算模块收到空间位置监测模块发送的角度参数和平移参数，进行一次调整参数计算处理，先用三角函数计算模块把偏移的角度参数转化为对应的正弦(sin)和余弦(cos)三角函数值，具体是用Cordic算法，只需要复用一组移位寄存器和加法器，用迭代旋转逼近的方式就可求解三角函数，其迭代n次之后的公式为：

X

Y

其中(X

根据系统精度要求，可以修改cordic迭代的次数以达到精度要求，数字信号处理中，20bit位宽，16次迭代计算出来的sin和cos值，其误差小于0.0004％。迭代次数确定了，K值也确定了，当n＝16时，由查表得到常数K＝0.6073。

假如起点是X轴上的单位向量(1,0)，则经过多次迭代之后，角度旋转到了预定的角度θ，其模值经过伸缩因子修正后得到的单位向量在横坐标和纵坐标上的投影，分别就是角度θ的cos(θ)值和sin(θ)值。

求出角度θ的cos(θ)值和sin(θ)值之后，再根据平移参数，求出旋转矩阵R

R

在每一次切换扫描序列进行扫描之前需要更新一下旋转矩阵R

逻辑梯度处理模块是在每次序列扫描进行的时候工作，其工作时钟是100MHz，对输入的三路逻辑梯度波形din_read，din_phase，din_slice和旋转矩阵R

[dout_x,dout_y,dout_z]＝[din_read,din_phase,din_slice]×R

其中dout_x，dout_y，dout_z表示完成旋转矩阵调整后的逻辑梯度波形，对上式进行整理得到：

dout_x＝h

dout_y＝h

dout_z＝h

逻辑梯度波形经过上面的矩阵乘法处理后，可以正确地投影到新的旋转坐标系中的物理梯度方向上，因为逻辑梯度din_read，din_phase，din_slice的更新周期为1us，逻辑梯度处理模块的工作时钟是100MHz，所以在计算矩阵乘法的时候，只需要一组乘法器和加法器，采用时分复用的方式可以完成矩阵乘法运算，节省了逻辑资源。

针对位置平移的调整，需要修改发射或者接收的频率值或者相位值，具体操作是根据扫描体位移在新坐标系中的三个坐标轴上的位移投影参数D

当D

f

其中f

当D

f

其中f

当D

θ

其中θ

调整的方式是更新扫描参数，把计算得到的变化的参数叠加到原始扫描参数上，这里不需要额外的硬件逻辑就可以实现调整过程。