CN100386783C - 核磁共振控制台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核磁共振控制台，其特征在于射频信号发生单元、信号接收与处理单元和磁场梯度信号产生单元通过背板/扁平电缆进行连接；同时射频信号发生单元、信号接收与处理单元和磁场梯度信号产生单元又通过以太网交换机与主计算机连接。本发明系统通用性好、结构简单、可靠性高，实现容易、成本低廉，可以实现分布式控制台。
Description
技术领域
本发明涉及一种核磁共振控制台，尤其是涉及一种利用以太网进行数据传输的分布式核磁共振控制台装置。
背景技术
在核磁共振控制台中，各模块之间的数据通讯和同步是关键技术之一。目前，公知的核磁共振模块之间采用并行高速总线(背板，backplane)进行并行通讯和同步。
下面以美国Tecmag公司的Apollo控制台为例说明。该控制台主要包括射频发射机模块、射频接收机模块以及磁场梯度驱动模块等，这些模块之间通过一条专门设计的高速并行总线(背板)进行连接，以实现数据通讯与同步控制；同时，控制台上的系统接口模块、信号累加模块用两条60芯的电缆与主计算机进行数据传输。
射频发射机模块主要由两部分组成：事件控制部件与射频信号合成部件，后者包括双直接数字频率综合器、900MHz信号合成器与发射调制器等。系统接口模块把主计算机给出的控制程序和参数通过并行高速总线(背板)发送到事件控制部件；后者控制射频信号合成部件驱动射频功率放大器产生实验所需要的射频脉冲。
射频接收机模块包括事件控制部件、数字接收部件以及射频接收部件；在事件控制部件的控制下，由射频接收部件将前置放大器来的信号处理后，经过数字接收部件转换为数字信号，通过信号累加模块回送到主计算机。
磁场梯度驱动模块包括梯度模块部件和数字/模拟转换器。梯度模块部件的控制程序与参数同样由主计算机通过系统接口模块和并行高速总线(背板)发送，
在实验开始前，由系统接口模块将主计算机的指令和数据通过背板的并行数据总线发送到其他各模块，实验过程中各模块又通过背板上的其他信号线进行同步，并由背板的并行数据总线经过信号累加模块将实验得到的数据回送到主计算机。但是，这种技术要求背板总线具有高速数据传输能力，并且由于核磁共振控制台所需要的控制信号较特殊，一般需要对背板进行专门的设计，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了系统的可靠性。
其他控制台采用的结构与本系统基本相同。部分控制台系统接口模块与主计算机的通讯使用了以太网，但是其他部分使用的仍然是高速并行总线(背板)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用性好、结构简单、可靠性高、实现容易、成本低的核磁共振控制台，可实现分布式结构。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：主计算机与模块之间以及各模块之间的数据通讯都采样国际标准的以太网方式，并去掉了专用系统接口模块。
本发明包括：以太网交换机、射频信号发生单元、信号接收与处理单元、扁平电缆或背板、磁场梯度控制单元模块以及主计算机。射频信号发生单元、信号接收与处理单元和磁场梯度信号产生单元通过扁平电缆或背板进行连接；同时射频信号发生单元、信号接收与处理单元和磁场梯度信号产生单元又通过以太网交换机与主计算机连接。
在实验准备阶段，主计算机将各模块所需要的控制程序(脉冲序列)和实验参数通过网络直接下载到模块中；实验过程中，各模块通过背板上的同步信号进行同步并由信号接收与处理单元完成数据的采集；最后信号接收与处理单元将得到的数据通过网络回送到主计算机进行保存和处理。由于背板上仅有少量的同步信号线和电源，同时这些信号的脉冲时间比较长(最小脉冲宽度大于100ns)，所以可以采样简单的背板或采样标准的扁平电缆连接。在采用扁平电缆连接的情况下，控制台可以采用分布式。
本发明与现有技术相比具有以下优点和效果：
①采用了国际标准的以太网进行各单元之间的数据传输。
②仅需要使用低速总线背板或扁平电缆进行模块之间的同步控制。
③系统通用性好、结构简单、可靠性高，实现容易、成本低廉。
④可以实现分布式控制台。
附图说明
图1为核磁共振控制台系统结构图。
具体实施方式
下面结合对附图对本发明作进一步详细描述：
(1)以太网交换机：采样高速以太网结构，其中主计算机使用千兆以太网，其他模块使用100兆位/秒的传输速度。
(2)射频信号发生单元：核磁共振控制台可以有1～4个射频信号发生单元，所产生射频脉冲信号的频率与原子核自旋在实验所使用的磁场中的共振频率相对应，射频脉冲形状和脉冲宽度则取决于实验方法。本单元所使用的控制程序和实验参数用主计算机通过以太网发送到各单元中，控制程序的执行由背板/扁平电缆上的信号进行同步。
(3)信号接收与处理单元：核磁共振控制台中的信号接收与处理单元也可以有1～8个，用于对原子核自旋所产生的自由感应衰减(FID)信号进行检测；并由该单元将检测到的数据通过以太网回送到主计算机进行后处理和保存。
(4)背板/扁平电缆：本部件为控制台各单元提供同步信号和电源。由于同步信号具有信号线数量少，脉冲时间相对长(≥100ns)等特点，与采用全部数据信号都由背板实现的系统相比，本部件具有设计简单，成本低廉，可靠性高的特点。
(5)磁场梯度信号产生单元：该磁场梯度信号产生单元是现代核磁共振系统特别是核磁共振成像系统的关键部件之一。其功能为产生磁场梯度脉冲并驱动磁场梯度功率放大器。与射频信号发生单元相同，该单元所使用的控制程序和实验参数用主计算机通过以太网传输，控制程序的执行由背板/扁平电缆上的信号进行同步。
(6)主计算机：主计算机负责进行人机接口、生成控制程序并对实验产生的数据进行后处理和保存。
(7)以太网络控制器：功能为替代公知的核磁共振控制台中的高速数据总线背板，负责各模块单元与主计算机之间的数据传输。核心器件为LAN91C111、AX8819x或RTL8201。
(8)射频发射控制器：接收主计算机通过以太网络控制器(7)传送的控制程序和参数，控制射频信号合成与缓冲器(9)以产生实验所需要的射频脉冲。核心器件为S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(9)射频信号合成器：在射频发射控制器(8)的控制下产生合适的射频脉冲信号，以驱动射频功率放大器。核心器件为AD9854与PTS公司生产的PTS320。
(10)与(8)为相同部件。
(11)数据采样与控制器：控制射频与模拟信号处理单元(13)与模拟/数字转换器(12)，并将ADC得到的数据通过以太网控制器(10)回送到主计算机。核心器件为S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(12)模拟/数字转换器(ADC)：将模拟数据转换为数字信号。型号为ADS7862或AD9241。
(13)射频与模拟信号处理单元：对核磁共振系统前置放大器输出的射频信号进行放大、频率变换和滤波，使其能由模拟/数字转换器(13)转换为数字信号。主要元件型号为AD607。
(14)与(7)为相同部件。
(15)磁场梯度信号控制器：接收主计算机通过以太网络控制器(14)传送的控制程序和参数，通过数字/模拟转换器(16)输出磁场梯度脉冲。核心器件为S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(16)数字/模拟转换器(DAC)：将磁场梯度信号控制器(15)给出的数字信号转换为模拟信号。元件型号为AD9754。
上述所有元器件市场上均能购置。
根据图1所示，射频信号发生单元(2)、信号接收与处理单元(3)和磁场梯度信号产生单元(5)通过背板/扁平电缆(4)进行连接；同时射频信号发生单元(2)、信号接收与处理单元(3)和磁场梯度信号产生单元(5)又通过以太网交换机(1)与主计算机(6)连接。主计算机(6)将射频信号发生单元(2)、信号接收与处理单元(3)与磁场梯度控制单元(5)模块所需要的控制程序(脉冲序列)和实验参数通过网络直接下载到模块中；然后各模块通过背板/扁平电缆上的同步信号进行同步并由信号接收与处理单元(3)完成数据的采集；最后信号接收与处理单元(3)将得到的数据通过网络回送到主计算机(6)进行后处理和保存。
射频信号发生单元(2)由以太网络控制器(7)、射频发射控制器(8)、射频信号合成器(9)构成。射频发射控制器(8)分别与以太网络控制器(7)、射频信号合成器(9)和背板/扁平电缆(4)连接；通过以太网络控制器(7)从主计算机(6)取得控制程序和数据，并经过控制射频信号合成器(9)产生射频脉冲。
信号接收与处理单元(3)由以太网络控制器(10)、数据采样与控制器(11)、模拟/数字转换器(12)和射频与模拟信号处理单元(13)构成。数据采样与控制器(11)分别与以太网络控制器(10)、模拟/数字转换器(12)、射频与模拟信号处理单元(13)和背板/扁平电缆(4)连接。由接收核磁共振系统前置放大器提供的信号，经射频与模拟信号处理单元(13)放大和处理后由模拟/数字转换器(12)在数据采样与控制器(11)的控制下转换为数字信号，再通过以太网络控制器(10)回送到主计算机(6)。
磁场梯度信号产生单元(5)由以太网络控制器(14)、磁场梯度信号控制器(15)和数字/模拟转换器(16)构成。磁场梯度信号控制器(15)分别与以太网络控制器(14)、数字/模拟转换器(16)和背板/扁平电缆(4)连接。磁场梯度信号产生单元(5)的控制信号和数据通过以太网络控制器(14)从主计算机取得，并经过磁场梯度信号控制器(15)控制数字/模拟转换器(16)产生射频脉冲。
所有模块通过背板/扁平电缆(4)同步。
以上技术方案实现了一种高性能、高可靠性、低成本的基于以太网进行模块之间数据传输的分布式控制台，具有广阔的应用前景。
Claims (4)
1.一种核磁共振控制台，其特征在于射频信号发生单元(2)、信号接收与处理单元(3)和磁场梯度信号产生单元(5)通过背板/扁平电缆(4)进行连接；同时射频信号发生单元(2)、信号接收与处理单元(3)和磁场梯度信号产生单元(5)又通过以太网交换机(1)与主计算机(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振控制台，其特征在于射频信号发生单元(2)由以太网络控制器(7)、射频发射控制器(8)、射频信号合成器(9)构成，射频发射控制器(8)分别与以太网络控制器(7)、射频信号合成器(9)和背板/扁平电缆(4)连接。
3.根据权利要求1所述的一种核磁共振控制台，其特征在于信号接收与处理单元(3)由以太网络控制器(10)、数据采样与控制器(11)、模拟/数字转换器(12)和射频与模拟信号处理单元(13)构成，数据采样与控制器(11)分别与以太网络控制器(10)、模拟/数字转换器(12)、射频与模拟信号处理单元(13)和背板/扁平电缆(4)连接。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振控制台，其特征在于磁场梯度信号产生单元(5)由以太网络控制器(14)、磁场梯度信号控制器(15)和数字/模拟转换器(16)构成，磁场梯度信号控制器(15)分别与以太网络控制器(14)、数字/模拟转换器(16)和背板/扁平电缆(4)连接。
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