CN100354643C - 一种梯度预加强电路 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于磁共振成像MRI系统中的梯度预加强电路，其独特之处在于利用数控电位器DCP实现了数字控制和模拟调整部分的跨接，DCP可以根据数字控制量调节其电阻阵列中心抽头的位置，从而改变梯度预加强的幅度和时间常数；因此该电路既具有模拟式梯度预加强电路结构简单、无须计算的优点，又具有数字式梯度预加强电路可自动调整，一致性、可重复性好的优点。

Description

一种梯度预加强电路

技术领域

本发明涉及的是一种在磁共振成像(MRI)系统中为克服由于涡流的影响而造成梯度磁场上升沿变缓的梯度预加强电路。

背景技术

在MRI系统中，梯度磁场被用来确定空间位置。它是由梯度波形发生器(通常是磁共振成像谱仪的功能之一)根据序列要求输出梯度波形，激励梯度放大器输出梯度电流、驱动梯度线圈形成的。理想的梯度波形发生器输出、梯度放大器输出和梯度磁场波形见图1a、图1b、图1c。但在实际系统中由于铁磁性物质的存在，梯度电流跳变形成的梯度磁场的变化会在其中产生感应电流，即涡流。涡流衍生出的磁场方向与梯度磁场建立的方向相反，因此会延缓梯度磁场的建立，见图1d。这种延缓会对MRI系统成像的性能产生较大的影响。

克服涡流的影响、改善梯度磁场的建立波形有许多种方法。其中之一是采用梯度预加强(pre-emphasis)电路。梯度预加强是在梯度波形发生器的输出波形上(见图1e)或梯度放大器的输出电流上(见图1f)预先加上一个过冲，抵消涡流场的影响，加速梯度磁场的建立，见图1g。为了适应不同涡流场的情况，该过冲的幅度和时间常数都是可调的。

梯度放大器中X、Y、Z三路梯度一般都加有模拟式梯度预加强(有时称为涡流补偿)电路，如ANALOGIC公司的AN8253，COPLEY公司的MODEL231P等。这种电路由一个可调幅度的运算放大器+RC时间常数电路构成。见图2。为了组合出任意波形，通常有多级这样的电路并联，每级具有不同的时间常数。幅度和时间常数的调整采用手调多圈电位器。这种电路的优点是结构简单、无须做任何计算、成本极低。但同时也有很大的缺点。由于全部采用模拟器件，不适合用任何数字器件来控制，幅度和时间常数需人工用改锥调整，工作量极大而一致性、可重复性很差，也不能由计算机闭环控制实现自动调整。

近年来一些新开发的谱仪中的梯度波形发生器具备了数字式梯度预加强电路。如英国RI公司的MARAN DRX，美国TECMAG公司的APOLLO。这种电路用数字信号处理器(DSP)在数字域计算预加强过冲的幅度和时间常数，迭加到标准的梯度波形上，经数/模变换(DAC)后，驱动梯度放大器，见图3。这种电路的优缺点恰好和上一种相反：用DSP来计算和控制预加强过冲的幅度和时间常数，可实现自动调整，一致性、可重复性好。但由于必须用近似公式计算时间常数曲线的值，同时每改变一次幅度或时间常数都必须全部重新计算一次，因此计算量极大。在以上两种谱仪中，MARAN DRX提供4级梯度预加强，APOLLO提供5级，而它们专用于这个工作的DSP分别达到4片和6片，可见计算量之大。

发明内容

本发明的目的在于实现一种数模混合式梯度预加强电路，它采用数字控制，模拟调整的方式，因此它既具有模拟式梯度预加强电路结构简单、无须计算的优点，又具有数字式梯度预加强电路可自动调整，一致性、可重复性好的优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种梯度预加强电路，用于磁共振成像系统，其特点在于：包括：

一接口电路，用于与一控制主机连接传输幅度和时间常数值；

一数字控制电路，用于与所述接口电路连接，并输出调节所述幅度和时间常数值数字信号，所述数字控制电路包括单片机、存储器和地址扩展锁存器；

一幅度调节电路，用于接收未加强的梯度波形信号和接收所述数字控制电路的幅度调节数字信号，并输出第一混合信号；

一时间常数调节电路，用于接收所述幅度调节电路输出的混合信号以及接收所述数字控制电路的时间常数调节数字信号，并输出第二混合信号；

一波形迭加电路，用于接收所述未加强的梯度波形信号和所述第二混合信号，并输出迭加后的梯度波形信号。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：所述幅度调节电路和时间常数调节电路中幅度和时间常数的电阻值是通过数控电位器DCP来调节的。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：所述接口电路为串行口集成电路，用于所述主机与所述数字控制电路的数据转换与传递。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：所述存储器为可擦可编程只读存储器，所述存储器中存有控制所述单片机的程序。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：由所述数字控制电路输入到所述数控电位器DCP的控制指令中包含有唯一选定一个数控电位器DCP的数据。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：所述数控电位器DCP中还设有一寄存器，所述寄存器用于存储其电阻阵列中心抽头位置，所述寄存器为非易失性存储器。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于：所述数控电位器DCP接收的控制信号包括一个串行数据位和一个打入时钟位数字信号。

上述的一种梯度预加强电路，其特点在于，所述数控电位器DCP的控制指令中包含器件识别位和电位器识别位的组合数据。

本发明的技术解决方案通过采用数控电位器DCP来达到数字控制和模拟调整的两重要求。数控电位器DCP是一种数模混合器件，它内部有一个串联的电阻阵列，其电阻的数量决定了数控电位器DCP的分辩率，通常有32，64，100，256，1024等。每两个电阻之间的连接点通过一个电子开关连接到中心抽头端。电子开关则由用户通过总线接口控制通断，通断的位置决定了中心抽头端在电阻阵列中的位置，因而可以决定中心抽头端距电阻阵列两端的电阻值。改变通断的位置就可以改变这个电阻值。因此从电阻阵列两端和中心抽头来看，数控电位器DCP表现得就好象是一个普通的三端可调电位器一样，差别只在于普通的电位器是通过旋纽或工具手动连续可调的，而数控电位器DCP是通过总线输入指令步进调节的。

数控电位器DCP的这种工作方式为本发明提供了基础。本发明所述的梯度预加强电路就是用数控电位器DCP来代替模拟式梯度预加强电路中手调电位器，用通用计算机、单片计算机、DSP等数字控制器件通过DCP的总线接口来控制数控电位器DCP的抽头位置，从而调节梯度预加强电路中过冲波形的幅度和时间常数。

下面结合原理框图和实施例对本发明作详细的描述。

附图说明

图1a是理想的梯度波形发生器输出的波形示意图

图1b是理想的梯度放大器输出的波形示意图

图1c是磁共振成像(MRI)系统所需要的理想梯度磁场波形示意图

图1d反映涡流对波形的影响示意图

图1e、图1f和图1g是采用梯度预加强电路后相应输出的波形示意图

图2是现有的梯度预加强电路示意图

图3是另一种现有技术方案示意图

图4是本发明所采用的数控电位器DCP内部结构示意图

图5所示是本发明梯度预加强电路的示意框图

图6是本发明数据信号时序图

图7a是图5中数字控制电路示意图

图7b是图5中幅度调节电路和时间常数调节电路示意图

具体实施方式

在图5中，本发明所述的梯度预加强电路由主机接口电路1、数字控制电路2、幅度调节电路3、时间常数调节电路4、波形迭加电路5构成，主机根据用户输入的幅度和时间常数值，或根据MRI系统采集到的信号值，自动计算出幅度和时间常数的值，通过主机接口电路1下载到数字控制电路2。数字控制芯片接收到这些数值后将其转换成数控电位器DCP的指令格式，通过输入/输出端口传送到幅度调节电路3、时间常数调节电路4相应的数控电位器DCP中。经过幅度和时间常数处理后的梯度波形通过波形迭加电路4与原梯度波形相加输出至梯度放大器。

在图7a中，主机接口电路1由串行口集成电路U13实现，它的引脚11将来自单片机U14引脚11的数据流转换成标准的RS-232C电平，通过引脚14输出；同时它的引脚13将来自主机的标准RS-232C电平的数据流转换成单片机U14的电平，通过引脚12送到U14的引脚10。J1为去主机的D型接插件。

数字控制电路2由单片机U14，存储器U15，地址扩展锁存器U16构成。U15为32Kx8大小的可擦可编程只读存储器，用来存储单片机U14的程序，U16将地址总线的宽度从8位扩展至15位。U14的P0口(P00-P07)用作数据总线及低8位地址总线，P2口中P20-P26用作高7位地址总线，最高位P27用作U15的片选。P1口用作DCP的控制口，其中P10、P11分别用作X路梯度预加强电路的串行数据和时钟，P12、P13用于Y路，P14、P15用于Z路。由于三路梯度预加强电路完全一样，为简化起见，在图7b中只画出了X路的幅度、时间常数调节电路和波形迭加电路。

在图7b中，芯片U9-U12是4个数控电位器DCP芯片。每个芯片含有4个数控电位器DCP，因此总共有16个数控电位器DCP。每个数控电位器DCP芯片的左边两个数控电位器DCP(R0和R3，其三个端分别是RL0/RH0/RW0和RL3/RH3/RW3)与运算放大器U1A-U8A构成8级幅度调节电路，幅度调节通过数控电位器DCP的中心抽头端RW对RH端的来自J3输入的梯度波形分压实现，各级的分压可以各不相同，运算放大器U1A-U8A用作跟随器。每个数控电位器DCP芯片的右边两个数控电位器DCP(R1和R2，其三个端分别是RL1/RH1/RW1和RL2/RH2/RW2)与电容C8-C15、电阻R1、R2、R4、R5、R7、R8、R10、R11、R13、R14、R16、R17、R19、R20、R22、R23和运算放大器U1B-U8B构成8级时间常数调节电路，通过改变RW1和RW2的位置，就可以改变C8-C15、R1、R4、R7、R10、R13、R16、R19、R22和U9-U12中R1、R2构成的RC回路的时间常数，每级的时间常数可以各不相同，运算放大器U1B-U8B也用作跟随器。DCP的控制指令通过单片机的P10、P11口经数控电位器DCP芯片的数据端SI和时钟端SCK打入，它由3个串行字节组成，分别是验证字节、指令字节和数据字节，见图6。验证字节中的A0、A1是两位器件识别位，它与U9-U12中A0、A1相匹配可唯一选定一个数控电位器DCP芯片。而指令字节中的P0、P1可唯一选定一个数控电位器DCP芯片中4个数控电位器DCP之一。A0、A1、P0、P1的组合可唯一选定16个数控电位器DCP之一，这正好是本发明中数控电位器DCP的数目。因此本发明中的数控电位器DCP不需要另加片选电路，所有的数控电位器DCP芯片片选端/CS都接地。数据字节给出中心抽头端的位置送入数控电位器DCP中的中心抽头寄存器。本发明选用的数控电位器DCP是非易失的，这意味着即使关电，数控电位器DCP仍可以保存中心抽头的位置，所以一旦调整好梯度预加强的波形，可以像模拟电位器一样永久保存。

运算放大器U17和电阻R3、R6、R9、R12、R15、R18、R21、R24、R25、R26构成波形迭加电路。R3、R6、R9、R12、R15、R18、R21、R24与R25的比决定了各级预加强分量的相对大小，而R25与R26的比决定了总的预加强分量与原波形的相对大小。预加强后的梯度波形从J2输出。

本发明所述的梯度预加强电路在实施时既可以作为一部分融合进入谱仪中的梯度波形发生电路或梯度放大器的涡流补偿电路中，也可以作为一个单独的部件串接在无梯度预加强电路的谱仪和梯度放大器之间。

Claims (8)

1、一种梯度预加强电路，用于磁共振成像系统，其特征在于：包括：

一接口电路，用于与一控制主机连接传输幅度和时间常数值；

一数字控制电路，用于与所述接口电路连接，并输出调节所述幅度和时间常数值数字信号；所述数字控制电路包括单片机、存储器和地址扩展锁存器；

一幅度调节电路，用于接收未加强的梯度波形信号和接收所述数字控制电路的幅度调节数字信号，并输出第一混合信号；

一时间常数调节电路，用于接收所述幅度调节电路输出的混合信号以及接收所述数字控制电路的时间常数调节数字信号，并输出第二混合信号；

一波形迭加电路，用于接收所述未加强的梯度波形信号和所述第二混合信号，并输出迭加后的梯度波形信号。

2、根据权利要求1所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述幅度调节电路和时间常数调节电路中幅度和时间常数的电阻值是通过数控电位器DCP来调节的。

3、根据权利要求1所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述接口电路为串行口集成电路，用于所述主机与所述数字控制电路的数据转换与传递。

4、根据权利要求1所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述存储器为可擦可编程只读存储器，所述存储器中存有控制所述单片机的程序。

5、根据权利要求2所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：由所述数字控制电路输入到所述数控电位器DCP的控制指令中包含有唯一选定一个数控电位器DCP的数据。

6、根据权利要求2所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述数控电位器DCP中还设有一寄存器，所述寄存器用于存储其电阻阵列中心抽头位置，所述寄存器为非易失性存储器。

7、根据权利要求2所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述数控电位器DCP接收的控制信号包括一个串行数据位和一个打入时钟位数字信号。

8、根据权利要求5所述的一种梯度预加强电路，其特征在于：所述数控电位器DCP的控制指令中包含器件识别位和电位器识别位的组合数据。

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