CN100365425C - 一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振成像技术，具体的讲是涉及一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，该组合脉冲具有选择性激发的特点，可以直接使用C类射频功率放大器放大，其中正负相位的高速切换是通过硬件频率源的输出端接高速切换开关实现的，高速切换开关由脉冲序列发生器产生的输出信号直接控制产生正负相位脉冲，其优点是组合脉冲具有选择性激发的特点，可直接用于磁共振成像中，可以提高放大器的效率，有效解决了脉宽调制技术中最小脉宽的限制，可以提高分辨率，有效地解决了脉宽调制技术中由于快速开关的射频脉冲在经过射频放大器以后引起的失真问题。

Description

一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法

技术领域

本发明涉及核磁共振成像技术，具体的讲是涉及一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法。

背景技术

在核磁共振成像中选层是通过软脉冲结合选层梯度实现的。软脉冲是一种幅度受调制的射频脉冲，它具有选择性激发的特点。常用的软脉冲主要有SINC波形或GAUSS加权的SINC波形等。相对于软脉冲，还有一种等幅度的矩形射频脉冲，我们称之为硬脉冲，它是一种非选择性激发脉冲，常用于宽带激发的核磁共振实验中。不管软脉冲还是硬脉冲必须通过射频功率放大器放大以后才能激发样品。由于软脉冲是一种幅度受调制的射频脉冲，因此放大软脉冲的射频功率放大器必须采用线性功率放大器。硬脉冲是一种等幅度矩形射频脉冲，因此它可以使用非线性射频功率放大器进行射频信号放大。

功率放大器按照导通角可分为A，B，C三类。A类功率放大器是线性功率放大器，其导通角为360°，理想效率为50％。C类功率放大器属于非线性放大器，其导通角小于180°，理想效率大于78.5％。在磁共振成像中大部分序列都使用软脉冲作为激发脉冲，因此在磁共振成像中需要使用A类功率放大器。在核磁共振波谱实验中大部分序列使用硬脉冲，因此可以使C类功率放大器。A类功率放大器的效率比C类功率放大器低许多，对于相同的输出功率A类功率放大器所需的电源功率就要比C类功率放大器要高许多。另外，在没有射频信号输入时，A类功率放大器也存在“静态功耗”。因此A类功率放大器需要很好的散热条件保证这些器件正常工作。在核磁共振成像中，射频脉冲一般持续较短的时间，大部份时间是没有射频脉冲输入的，因此使用A类功率放大器效率是十分低下的。A类功率放大器在360°导通角范围内都能导通，因此A类功率放大器中产生的噪声很容易对样品造成干扰。为了避免在没有射频脉冲期间噪声对样品的干扰，还需要在A类功率放大器上附加一块Blanking电路。相对于C类功率放大器，A类功率放大器需要更多的散热设备以及附属电路，因此A类功率放大器的制作复杂度和制作成本要比C类功率放大器高许多。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，该方法是把软脉冲直接变换为正负相位组合脉冲，即把软脉冲中每一个波形点变换为一组正负相位组合脉冲，这种正负相位组合脉冲是一种等幅度的射频脉冲，它既可以代替软脉冲完成选择性激发，也可以使用C类功率放大器放大。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，其特征在于所述的正负相位组合脉冲具有选择性激发的特点，可以直接使用C类射频功率放大器放大，正负相位组合脉冲中每一点的正相位脉冲时间t₊和负相位脉冲时间t_-是根据如下关系式得到的：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{+}+t_{-}=t_p\\ t_{+}-t_{-}=(A_i/A)*t_p\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中A为归一化调制波形的最大幅度(A＝1)，A_i是归一化调制波形第i点的幅度，t_p为正负相位组合脉冲中每一点的持续时间(t_p＝T/N，T为正负相位组合脉冲的总脉宽时间，N为波形点个数)。

一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，其特征在于：A、首先按照成像序列要求产生一个归一化的波形数据；B、根据用户输入的激发脉冲持续时间T，计算出每一点的持续时间t_p，t_p＝T/N，N为波形点个数；C、把归一化的调制波形中的每一点分解为正负相位组合脉冲，正相位脉冲脉宽t₊和负相位脉冲脉宽t_-由(1)式计算得到；D、在脉冲序列编辑器中编写这组正负相位组合脉冲，先发正相位脉冲，再发负相位脉冲，正相位脉冲持续时间使用一个延时列表VDL1，负相位脉冲持续时间使用另一个延时列表VDL2，把第3步过程中计算的每一点的t₊值存入VDL1列表，把每一点的t_-值存入VDL2列表，正相位脉冲和负相位脉冲之间使用一个循环，每循环一次VDL1列表和VDL2列表的指针各往下步进一个值，这个循环展开以后就是一组正负相位组合脉冲。

上述的正负相位的高速切换是通过硬件频率源的输出端接高速切换开关实现的，高速切换开关由脉冲序列发生器产生的输出信号直接控制产生正负相位脉冲。

本发明的优点有如下四点：

(1)正负相位组合脉冲具有选择性激发的特点，可直接用于磁共振成像中；

(2)正负相位组合脉冲可以直接使用C类非线性射频功率放大器放大，可以提高放大器的效率；

(3)采用正负相位组合脉冲有效解决了脉宽调制技术中最小脉宽的限制，可以提高分辨率；

(4)采用正负相位组合脉冲可以高速切换相位，而不用开关射频幅度，

有效地解决了脉宽调制技术中由于快速开关的射频脉冲在经过射频放大器以后引起的失真问题。

附图概述

附图1为本发明幅度调制与脉宽调制的等效图(灰/白分别代表有/无射频脉冲)；

附图2为本发明脉宽调制中的单脉冲与正负相位组合脉冲的等效图(灰/白分别代表有/无射频脉冲)；

附图3为本发明测量软脉冲激发轮廓的脉冲序列；

附图4为本发明实验得到的常规SINC调幅软脉冲的激发轮廓图；

附图5为本发明测量正负相位组合脉冲激发轮廓的脉冲序列；

附图6为本发明实验得到的正负相位组合脉冲激发轮廓图。

具体技术方案

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

本实施例正负相位组合脉冲中每一点的正相位脉冲时间t₊和负相位脉冲时间t_-是根据归一化调制波形(如SINC波形)计算得到的，具体计算公式如(1)式所示。

依照本发明方法得出一组正负相位组合脉冲。

为了验证正负相位组合脉冲具有选择性激发的特点，本发明通过两个对比实验作了验证。第一个实验测量软脉冲的激发轮廓，使用的脉冲序列如图3所示。软脉冲使用了一个200点3瓣的SINC波形，脉宽为3200μs，通过实验得到的软脉冲的激发轮廓如图4所示。

第二个实验测量了正负相位组合脉冲的激发轮廓，使用的脉冲序列如图5所示。为便于与软脉冲的激发轮廓作比较，正负相位组合脉冲也使用了200点3瓣的SINC波形作为调制波形，整个组合脉冲总脉宽为3200μs，因此每一点的持续时间t_p＝3200/200＝16μs。每一点的正相位脉冲时间t₊和负相位脉冲时间t_-可根据(1)式计算得到。其他实验参数与第一个实验完全一致。实验得到的正负相位组合脉冲的激发轮廓如图6所示。从图4和图6比较可以看出，正负相位组合脉冲的激发轮廓与软脉冲的激发轮廓基本一致，因此正负相位组合脉冲可以取代软脉冲作为选择性激发脉冲，并且可以直接使用C类非线性射频功率放大器放大。

上述正负相位的高速切换是通过硬件实现的。DDS器件(如AD9854)可以直接输出四路正交的射频信号(0°/90°/180°/270°)，利用这个特性，我们可以在DDS器件的输出端接一个高速切换开关(例如AD8184)，由脉冲序列发生器产生的输出信号直接控制高速切换开关AD8184产生正负相位组合脉冲。

本发明方案的思路是：

本发明主要是为了实现一种能使用C类功率放大器放大的射频脉冲，并且这种射频脉冲必须具有选择性激发的特点。为了同时实现这两个条件，本发明首先提出了第一种方案，即把幅度调制的射频脉冲变换为脉宽调制的射频脉冲。假设一个软脉冲波形是由N个点组成的，该软脉冲波形的最大幅度为A，软脉冲波形两点之间的间隔时间为t_p。以这个波形中的第i点为例，第i点幅度为A_i。我们可以把这个波形点等效为有效脉冲时间(脉宽)为t_e(t_e＝(A_i/A)*t_p)，幅度为A的矩形脉冲。这样我们可以把软脉冲中的每个波形点等效为幅度相同，但脉宽不同的矩形脉冲。在采用脉宽调制的射频脉冲里，每点间隔时间仍为t_p，但每点占据的有效脉冲时间t_e(脉宽)与软脉冲波形中该波形点的幅度成比例。为简化起见，我们画了一个五点的幅度调制和脉宽调制的等效图，如图1所示。

上述第一种方案在理论上是完全可行的，但是实际上受制于硬件性能，以至于这种方案不能实用。硬件上的限制主要有两点：1、软脉冲中波形幅度非常小的点对应于脉宽非常小的脉冲，硬件上能实现的最小脉宽是有一定限制的，不能做到非常小的脉宽，这样会降低脉宽调制的分辨率；2、这种脉宽调制的射频脉冲开关时间非常快，在经过射频放大器放大以后会导致一定的上升沿和下降沿，引起脉宽调制中每个矩形脉冲失真，这样会使选择性激发的轮廓变形。

针对上述硬件上的限制，本发明对第一种方案作进一步改进。根据经典矢量模型，在接近共振条件下，一个单脉冲可以等效为两个相位相反的组合脉冲，如图2所示。假设在脉宽调制技术中两点之间的时间间隔为t_p，每点的有效脉冲时间(脉宽)为t_e，正相位脉冲时间和负相位脉冲时间分别为t₊和t_-。t₊和t_-满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{+}+t_{-}=t_p\\ t_{+}-t_{-}=t_e\end{array}\right.---\left(2\right)$

而t_e＝(A_i/A)*t_p，代入上式就得到(1)式的关系。

当然上述等效模型是在接近共振条件得到的，对于非共振条件的情况需要通过基于密度矩阵方法的计算机模拟加以分析。通过计算机模拟，证明这个等效性也是成立的。根据这一原理，我们可以把软脉冲直接变换为正负相位的组合脉冲，即把软脉冲中每一个波形点变换为一个正负相位组合脉冲，正相位脉冲时间为t₊，负相位脉冲时间为t_-，t₊和t_-由(1)式计算得到。采用正负相位组合脉冲可以有效地解决第一种方案中存在的两个限制。对于第一个限制，采用正负相位组合脉冲的分辨率要高于采用脉宽调制技术的分辨率。在核磁共振成像仪器中，脉宽是由脉冲序列发生器控制的。脉冲序列发生器有两个时间参数：最小脉宽t_mw和时间分辨率t_r(即时间步进值)。正负相位组合脉冲的时间分辨率ρ_c＝t_r/t_p，脉宽调制的时间分辨率ρ_s＝t_mw/t_p，这里t_p为软脉冲波形中两点之间的时间间隔。脉冲序列发生器能控制的时间分辨率t_r小于脉冲序列发生器能控制的最小脉宽t_mw(以我们的脉冲序列发生器为例，最小脉宽为300ns，而时间分辨率可达到20ns)，因此采用正负相位组合脉冲的分辨率要远高于采用脉宽调制技术的分辨率。对于第二个限制，采用正负相位组合脉冲，可以高速切换射频相位，而不用快速开关射频脉冲(切换射频幅度)，这样可以解决快速开关的射频脉冲在经过射频放大器放大以后引起的失真问题。

Claims (2)

1.一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，其特征在于，所述的实现方法是：A、首先按照成像序列要求产生一个归一化的波形数据；B、根据用户输入的激发脉冲持续时间T，计算出每一点的持续时间t_p，t_p＝T/N，N为波形点个数；C、把归一化的调制波形中的每一点分解为正负相位组合脉冲，正相位脉冲脉宽t₊和负相位脉冲脉宽t_-由(1)式计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{+}+t_{-}=t_P\\ t_{+}-t_{-}=(A_1/A)*t_P\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中A为归一化调制波形的最大幅度(A＝1)，A₁是归一化调制波形第i点的幅度，t_p为正负相位组合脉冲中每一点的持续时间(t_p＝T/N，T为正负相位组合脉冲的总脉宽时间，N为波形点个数)；D、在脉冲序列编辑器中编写这组正负相位组合脉冲，先发正相位脉冲，再发负相位脉冲，正相位脉冲持续时间使用一个延时列表VDL1，负相位脉冲持续时间使用另一个延时列表VDL2，把第3步过程中计算的每一点的t₊值存入VDL1列表，把每一点的t_-值存入VDL2列表，正相位脉冲和负相位脉冲之间使用一个循环，每循环一次VDL1列表和VDL2列表的指针各往下步进一个值，这个循环展开以后就是一组正负相位组合脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种具有选择性激发的正负相位组合脉冲的实现方法，其特征在于所述的正负相位的高速切换是通过硬件频率源的输出端接高速切换开关实现的，高速切换开关由脉冲序列发生器产生的输出信号直接控制产生正负相位脉冲。

Images