CN103197269A - 全数字化多通道单板mri谱仪 - Google Patents

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潘文宇
朱剑锋
李璟
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Abstract

本发明涉及一种全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：包括***主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块，***主控模块向上与用户操作的主计算机相连，实现数据和指令的交互；射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向上均与***主控模块相连，射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向下均与功率放大***连接，功率放大***实现发射/接收信号的增强；***主控模块设置有多个用于监测MRI***中各种参数和输出辅助控制信号的I/O接口，主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块均集成于一块电路板上，相互之间直接采用电路布线相连。与现有技术相比，本发明的谱仪结构精简、精度高、体积小、成本低。

Description

全数字化多通道单板MRI谱仪
技术领域
本发明涉及一种全数字化多通道单板MRI谱仪。
背景技术
磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是医学影像领域中的一种高新技术，它利用特定的射频脉冲和经过空间编码的磁场，使生物体内的氢核共振产生信号，经计算机处理而成像。自20世纪70年代问世以来，MRI技术发展迅速，由于其具有对比度高、成像参数多、可任意层面断层成像、无骨伪影干扰、无电离辐射等特点，目前已经成为影像学检查中最先进的工具之一，广泛应用于人体各部位的临床检查。MRI***可以根据主磁场的强度进行分类：磁场强度低于0.5T的是低场永磁型磁共振，而磁场强度高于1.0T的称为高场磁共振，主磁场由超导线圈产生。根据拉莫尔定理：
Figure BDA00002880008800011
B0为主磁场强度，为旋磁比，对于MRI使用的氢核旋磁比为42.58MHz/T，f0就是共振频率。可见，磁场强度越大，共振频率越高，对***信号处理能力的要求就越高。
MRI***包括主计算机、谱仪、功率放大器、主磁体、射频线圈和梯度线圈等组成部分。谱仪作为成像扫描的控制平台，是整个MRI***的核心部件，控制着MRI***的工作时序及各种信号的产生、发射、接收和处理，其功能的完善程度决定了成像扫描的多样性和便利性，其性能的优劣直接影响到磁共振图像的质量。
传统的MRI谱仪在射频信号的发射、接收和梯度信号的控制上采用模拟电路处理，电路元件多、精度较低、通用性差，随着数字技术的发展和IC芯片制造的进步，模拟谱仪正逐步被市场所淘汰。现有的数字化谱仪主要应用在低场MRI***中，而面对高场的应用需求，通常都需要在数字射频模块的基础上引入模拟混频单元，没有实现全数字化的处理。另外，常规的MRI谱仪均由多块板卡组成，采用总线方式连接，通常还需要运行操作***，资源消耗大、结构复杂、体积大、价格昂贵，在市场应用中有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种结构精简、精度高、体积小、成本低的全数字化多通道单板MRI谱仪。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：包括***主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块，***主控模块向上与用户操作的主计算机相连，实现数据和指令的交互；射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向上均与***主控模块相连，射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向下均与功率放大***连接，功率放大***实现发射/接收信号的增强；***主控模块设置有多个用于监测MRI***中各种参数和输出辅助控制信号的I/O接口；主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块均集成于一块电路板上，相互之间直接采用电路布线相连。
所述***主控模块包括FPGA芯片、千兆以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器，其中，千兆以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器均与FPGA芯片相连。
所述射频发射模块包括DUC模块、DAC模块和第一接口电路，DUC模块的输入端与FPGA芯片相连，DUC模块的输出端与DAC模块的输入端相连，DAC模块的输出端与第一接口电路相连。
所述射频接收模块包括ADC模块、DDC模块和第二接口电路，ADC模块的输入端与第二接口电路相连，ADC模块的输出端与DDC模块的输入端相连，DDC模块的输出端与FPGA芯片相连。
所述梯度模块包括DSP模块、DAC模块和第三接口电路，DSP模块与FPGA芯片相连，DAC模块的输入端与FPGA模块相连，DAC模块的输出端与第三接口电路相连。
与现有技术相比，本发明的优点在于：所有的功能模块集成在单块电路板上，去除了复杂的总线控制，同时可以兼容低场和高场MRI***，并且在信号的处理上实现了全数字化，摆脱了对模拟混频单元的依赖，该谱仪具有结构精简、精度高、体积小、成本低等特点，既可以用于医学临床检查，也可以方便地用于科研单位的磁共振成像研究。
附图说明
图1为本发明实施例中全数字化多通道单板MRI谱仪的功能模块连接框图；
图2为本发明实施例中全数字化多通道单板MRI谱仪的电路连接框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1和2所示的全数字化多通道单板MRI谱仪，包括***主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块，***主控模块向上与用户操作的主计算机相连，实现数据和指令的交互；射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向上均与***主控模块相连，射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向下均与功率放大***连接，功率放大***实现发射/接收信号的增强；***主控模块设置有多个用于监测MRI***中各种参数和输出辅助控制信号的I/O接口；主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块均集成于一块电路板上，相互之间直接采用电路布线相连。
***主控模块包括FPGA芯片、千兆以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器，其中，千兆以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器均与FPGA芯片相连。FPGA芯片内部通过编程，实现不同的逻辑功能，分别对接射频发射模块、射频接收模块和梯度模块，一方面简化了结构，减少了布线复杂度，另一方面使得各模块之间的同步得以在FPGA内部实现。考虑到FPGA芯片需要实现的功能较丰富，并且外接元件较多，因此本实施例中FPGA芯片选择工作时钟不低于400MHz、逻辑单元个数300K以上、片内存储容量8Mb以上、用户可定义I/O引脚数不少于400个的FPGA芯片。在主控模块中，FPGA对从PC机下载的扫描序列进行解释并将参数分发给其他模块，扫描开始后，FPGA按序列要求在特定的时间点精确产生3路触发信号，分别控制射频发射、射频接收和梯度模块协调同步工作。在扫描过程中，FPGA需将射频接收模块获取的磁共振成像K空间数据进行缓存并实时上传给PC机。另外，FPGA还通过多功能I/O端口实现用户自定义的工作状态监控、心电门控输入、呼吸门控输入、射频门控输出和其他辅助功能。当进行工作状态监控时，FPGA实时将状态信息上传给PC机，如果出现意外情况将即时启动应急保护处理程序，保障病人和磁共振***的安全。以太网控制芯片负责实现谱仪与PC机之间的交互，为了保证多通道数据的传输速度，本发明选用的芯片支持千兆以太网协议。PSRAM是一种伪SRAM存储器，其内部存储颗粒与SDRAM相似，而外部接口与SRAM相似。与SDRAM相比，PSRAM不需要复杂的控制和刷新机制，提升了应用的便利性；与SRAM相比，PSRAM具有更大的容量，大幅降低的价格，具有良好的性价比。基于以上特点，PSRAM在容量、速度、便利性和成本上取得了平衡，因此本发明选用其作为谱仪的主要存储芯片，总容量256Mb以上，其与FPGA相连，缓存成像序列参数和经射频接收模块采集处理后的K空间数据。多功能I/O端口总共16通道，包括4路ADC、4路DAC和8路数字I/O通道，其中射频输出和接收的门控信号是谱仪对射频功放的必选控制信号，通过数字I/O通道输出，其余通道可根据用户需要进行自定义。常见的功能包括监测环境温度、射频SAR值、电源状态等参数，接收心电、呼吸等门控输入，输出同步、***时钟信号等。此处对A/D、D/A的性能要求不高，从节约成本和电路布线方便考虑，选用串行的ADC和DAC芯片，精度不低于10bit，采样率100KSPS以上。
射频发射模块包括DUC模块、DAC模块和第一接口电路，DUC模块的输入端与FPGA芯片相连，DUC模块的输出端与DAC模块的输入端相连，DAC模块的输出端与第一接口电路相连，为了满足高级应用的需求，本发明设计的射频发射模块具有相互独立的双通道输出，射频发射采用正交幅度调制的方法产生磁共振成像所需的射频脉冲。在射频发射模块中，FPGA芯片负责缓存基带波形以及载波的幅度、频率和相位参数，对DUC模块和DAC模块进行相应的配置，在射频发射的触发信号到来时，控制DUC模块和DAC模块工作产生调制后的射频脉冲。DUC模块内置DDS，将低频的基带波形调制到高频载波上，可以调节的参数包括幅度、频率和相位。DAC模块负责将调制后的数字射频波形转换成模拟信号。第一接口电路将射频信号进行滤波放大后进行输出。DUC模块和DAC模块可以是分别独立的两块芯片，也可以是一块集成的芯片。为了布线方便和精简结构，本发明选用了内部集成DUC和DAC的一体化芯片，共两片组成双通道，每一通道可以单独配置和输出，而出于兼容高场和低场磁共振成像的应用要求，芯片选择需满足以下条件：DUC模块的基带波形精度不低于14bit，频率调制范围应不小于0～150MHz，最小调频精度小于1Hz，最小调相精度小于0.1°，DAC模块的精度不低于14bit，数模转换采样率高于400MSPS。
所述射频接收模块包括ADC模块、DDC模块和第二接口电路，ADC模块的输入端与第二接口电路相连，ADC模块的输出端与DDC模块的输入端相连，DDC模块的输出端与FPGA芯片相连。谱仪接收到的模拟磁共振信号首先由接口电路进行滤波和放大，然后经ADC进行模数转换成为数字信号。磁共振信号是一种调制信号，其有效信号被调制在高频载波上，需要进行正交解调以获取信号的实部I和虚部Q，正交解调通过DDC实现。DDC内置的NCO（数控振荡器）产生频率与载波相同、相位正交的两路参考信号，分别与磁共振信号相乘，获得成像所需的基带信号实部IR和虚部QR。ADC和DDC可以是独立的两片芯片，也可以是集成的一片芯片。为了简化结构和提高稳定性，本发明选用的是内部集成ADC和DDC的一体化芯片，每片芯片有两个输入通道，共用两片实现四通道接收，满足主流磁共振多通道正交接收线圈（0°、90°、180°、270°）的要求。为了符合磁共振成像的需要，芯片性能应满足以下条件：ADC精度不低于14bit，采样率不低于100MSPS，DDC内置NCO频率覆盖范围不小于0～150MHz，最小调频精度小于1Hz。两路基带信号IR和QR进入FPGA后，进一步滤波去除高频噪声，按照成像矩阵分辨率的要求进行多级抽取降低数据率，得到K空间数据的实部IK和虚部QK。K空间数据由FPGA缓存在***主控模块的PSRAM中，再由主控模块负责上传给PC。另外FPGA还负责对ADC和DDC进行参数配置和触发控制。
梯度模块包括DSP模块、DAC模块和第三接口电路，DSP模块与FPGA芯片相连，DAC模块的输入端与FPGA模块相连，DAC模块的输出端与第三接口电路相连。DSP模块接收FPGA芯片传递来的成像序列中与梯度相关的参数，据此进行梯度波形的计算，包括基础波形计算、方向变换、匀场偏置和补偿涡流影响的预加重计算等。DSP模块选择需要满足以下条件：浮点型，支持32bit以上数据长度，主频不低于400MHz，片内总存储空间不小于4Mb，支持DMA数据传输和外部中断。FPGA芯片负责控制DSP模块工作，将梯度相关参数传递给DSP模块，并获取梯度计算的结果。一方面，因为梯度数据包括X、Y、Z三路，而DSP模块输出的梯度数据是三路间隔输出的，所以FPGA芯片需要对数据进行分发，将每路梯度的数据分别缓存在一个FIFO中。另一方面，DSP模块输出的数据是并行的，而DAC的输入是串行的，所以FPGA需要先进行并-串转换（PSC，Parallel-Series Convert），再将数据传输给DAC，并配以相应的位同步和帧同步时钟。DSP和DAC均由FPGA输出的触发信号进行控制，以按照扫描序列的要求完成同步协调工作。DAC实现梯度波形的数模转换，因为磁共振成像中对梯度信号的精度要求较高，所以芯片选择需满足以下条件：串行输入，精度不低于20bit，转换率不低于100KHz，信噪比高于100dB。第三接口电路负责对梯度信号进行放大、滤波和单端转差分处理，最后输出的X、Y、Z三路梯度均为差分模拟信号。
本发明设计的全数字化多通道单板谱仪以单片FPGA芯片为核心，由主控模块控制射频发射、射频接收和梯度模块协调工作，所有功能集成在单块电路板上，双通道射频输出，四通道磁共振信号采集，兼容低场和高场***，可满足主流磁共振成像应用的需求。

Claims (5)

1.一种全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：包括***主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块，***主控模块向上与用户操作的主计算机相连，实现数据和指令的交互；射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向上均与***主控模块相连，射频发射模块、射频接收模块和梯度模块向下均与功率放大***连接，功率放大***实现发射/接收信号的增强；***主控模块设置有多个用于监测MRI***中各种参数和输出辅助控制信号的I/O接口；主控模块、射频发射模块、射频接收模块和梯度模块均集成于一块电路板上，相互之间直接采用电路布线相连。
2.根据权利要求1所述的全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：所述***主控模块包括FPGA芯片、以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器，其中，以太网控制芯片、PSRAM模块、多路ADC和DAC转换器均与FPGA芯片相连。
3.根据权利要求2所述的全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：所述射频发射模块包括DUC模块、DAC模块和第一接口电路，DUC模块的输入端与FPGA芯片相连，DUC模块的输出端与DAC模块的输入端相连，DAC模块的输出端与第一接口电路相连。
4.根据权利要求2所述的全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：所述射频接收模块包括ADC模块、DDC模块和第二接口电路，ADC模块的输入端与第二接口电路相连，ADC模块的输出端与DDC模块的输入端相连，DDC模块的输出端与FPGA芯片相连。
5.根据权利要求2所述的全数字化多通道单板MRI谱仪，其特征在于：所述梯度模块包括DSP模块、DAC模块和第三接口电路，DSP模块与FPGA芯片相连，DAC模块的输入端与FPGA模块相连，DAC模块的输出端与第三接口电路相连。
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