CN101034152A

CN101034152A - 一种消除数字梯度信号时间抖动的方法

Info

Publication number: CN101034152A
Application number: CN 200710037787
Authority: CN
Inventors: 刘燕; 王鹤; 梅立雪; 李鲠颖
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: CN101034152B

Abstract

本发明涉及磁共振成像系统的数字梯度技术，公开了一种消除磁共振成像梯度抖动的方法：将数模转换器的内部时钟脉冲信号、计算机启动脉冲序列的触发信号，进行“与”操作后，用出现的脉冲上升沿来启动脉冲序列发生器工作；脉冲序列发生器经过延时后，送触发信号给数模转换器；当数模转换器内部时钟脉冲信号出现上跳时，输出梯度模拟信号到后续的梯度电路。该方法简单、有效的，消除了输出信号的不确定性，能从硬件上消除梯度时间抖动。

Description

一种消除数字梯度信号时间抖动的方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像(MRI)系统中的数字梯度技术，具体地说是涉及一种消除磁共振成像梯度抖动的方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)系统在医学临床上被广泛应用于人体各系统的诊断。它是利用射频脉冲激励处于静磁场中的氢质子来产生核磁共振信号，然后经计算机处理而成像的。MRI的空间定位是通过施加三个方向的梯度场来实现的，因此，磁共振成像(MRI)系统可以方便地对人体各部位进行任意断层扫描。

对常规磁共振成像(MRI)系统而言，梯度波形因时间上的抖动而引起的伪影相对比较小，但是在一些特殊序列，如螺旋式(spiral)扫描方法和投影重建扫描方法中，梯度时间抖动所造成影响就不能忽略了。所以，为了提高磁共振的成像质量，如何简便、有效的防止或减少梯度时间抖动所造成不利影响，是一个迫切需要解决的问题。

发明内容

在磁共振成像(MRI)系统中，为了避免由于梯度波形时间抖动而引起的伪影，本发明提出了以下的技术方案。

按照本发明的方法，其步骤是：

将数模转换器DAC的内部时钟脉冲信号、计算机启动脉冲序列的触发信号，进行“与”操作；在“与”操作后，当出现上跳脉冲时，以该上跳脉冲的上升沿作为START*触发信号，来启动脉冲序列发生器工作；脉冲序列发生器经过延时后，送出触发信号TRIG给数模转换器；当数模转换器内部时钟脉冲信号出现上跳时，数模转换器输出梯度模拟信号到后续的梯度电路，此时输出的梯度模拟信号，消除了输出信号在输出起始时间上的不确定性，进而消除了磁共振成像的梯度抖动问题。

计算机可以是主从型计算机、也可以是工控机，或者个人计算机、或PC机形式的个人计算机、或苹果机形式的个人计算机；所谓的计算机还可以是一种名称和实际内容不完全相符合的智能装置。

本发明的有益效果是：采用简单、有效的方法，从硬件上消除梯度时间抖动，去除了由于梯度波形时间抖动而引起的伪影。硬件修改过程简单，不需要对现有的硬件进行大的修改；另外，对于软件可以不作修改、或稍作修改。

附图说明

图1是脉冲序列发生器的工作流程图

图2是梯度波形发生器工作流程图

图3是使用现有技术的波形图

图4是使用现有技术的波形图

图5是本发明组成的示意图

图6是使用本发明技术的波形图

图7是使用本发明技术的波形图

1----计算机start信号；在现有技术中，计算机直接送给脉冲序列发生器的启动信号。

2----DAC clock信号，即数模转换器(DAC)内部时钟脉冲信号。

3----TRIG信号，即脉冲序列发生器发出的触发信号。

4----DAC输出，即数模转换器(DAC)的模拟信号输出。

5----START*信号。在本发明技术中，将数模转换器DAC的内部时钟脉冲信号、计算机启动脉冲序列的触发信号，进行“与”操作后而产生的触发信号，该触发信号送往脉冲序列发生器。

固定延时----脉冲序列发生器从收到启动信号、到向数模转换器(DAC)送出触发信号的等待时间。固定延时时间的大小，在设定脉冲序列发生器工作方式方法时予以设置；一旦设置完毕后，磁共振成像(MRI)系统在正常的运转中，脉冲序列发生器从收到启动信号、到向数模转换器(DAC)送出触发信号的等待时间，将是一个固定延时时间。

τ---从脉冲序列发生器送出触发信号、到数模转换器(DAC)输出模拟信号的延时。在现有的技术中，τ值的大小并不确定，如：在图3、图4中，τ1和τ2不相等。在本发明的技术中，τ值的大小是确定，如：在图6、图7中，τ3和τ4是相等的。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

磁共振成像(MRI)系统在医学临床上被广泛应用于人体各系统的诊断。它是利用射频脉冲，激励处于静磁场中的氢质子来产生磁共振信号，然后经计算机处理而成像的。磁共振成像(MRI)系统的空间扫描，是通过施加三个方向的梯度场来实现的，因此，磁共振成像(MRI)系统可以方便地对人体各部位进行任意断层扫描。此外，磁共振成像(MRI)系统还在科研，工、农业生产，以及无损检测、考古等很多领域和部门被应用。

对常规磁共振成像(MRI)系统而言，梯度波形因时间抖动而引起伪影的不良作用相对比较小，但是在一些特殊序列，如螺旋式(spiral)扫描方法和投影重建扫描方法中，梯度时间抖动所造成的影响，就不能忽略了。本发明解决的是梯度信号在时间上的抖动问题。

以下，先阐述在现有技术中，梯度信号是如何出现时间抖动的。

引起梯度信号在时间上抖动的根本原因是梯度系统的数字化设计。所谓梯度系统的数字化，实际上是指梯度预加重单元的数字化。早期的梯度预加重单元，通常采用模拟器件设计，梯度单元发出的梯度波形，经过梯度单元的模拟电路，进行预加重处理，然后送入梯度功放电路。近年来，对梯度预加重单元，一般采用基于数字信号处理器的设计。数字梯度预加重功能，需要数模转换器(DAC)以恒定不变的频率不断地进行输出，即由数模转换器的内部时钟不断的触发、进行不断的输出。由于器件制造技术的原因，目前高精度的、如24位的数模转换器(DAC)，其输出频率都不超过1MHz。也就是说，在梯度信号中，相邻两个点的时间间隔，一般在μs数量级。而μs数量级的时间精度，相对于磁共振成像系统的脉冲序列发生器(50MHz，20ns)来说是非常粗糙的。因此梯度单元的数字化，造成了梯度波形发生器和脉冲序列发生器在工作时序上的不同步。

作为磁共振成像系统的核心部件之一，脉冲序列发生器用于产生磁共振成像所需的各种脉冲序列，它的作用主要是实时控制磁共振成像系统中的接收机、频率源、梯度波形发生器等部件协同工作，其中的基本原理是：脉冲序列发生器通过发送触发(TRIG)信号来实现对各部件的协调、配合和控制。由于数模转换器(DAC)的内部时钟，明显慢于脉冲序列发生器的时钟，所以，每次从脉冲序列发生器送出触发(TRIG)信号、到数模转换器(DAC)输出，二者之间会有一个延时τ。想得到一幅2维的磁共振(MRI)图像，需要进行多次脉冲序列扫描，达到对图像进行相位编码，而相邻扫描的时间间隔，或称扫描重复时间，是由脉冲序列发生器来决定的。因此，在一般情况下，每次的τ都不一样，这就会引起信号的相位或幅度的抖动，从而造成图像上的伪影。

在磁共振成像系统中，脉冲序列发生器的功能主要是：实时控制磁共振成像系统中接收机、频率源、梯度波形发生器等部件的协调工作。工作开始前，脉冲序列编译器把需要的脉冲序列，编译成需要的事件和延时。计算机把编译好的事件和延时写入脉冲序列发生器的静态随机存取存储器(SRAM)中。脉冲序列发生器预读第一组延时及事件值，并等待工作开始(start)信号。当start信号到来时，脉冲序列发生器开始工作并计时，当所需要的延时到达时，脉冲序列发生器向指定的通道送出触发(TRIG)信号，同时开始下一个延时，如此循环，直到所有事件值结束。在本描述中，假设为：脉冲序列发生器的内部时钟周期是0.02μs。

当磁共振成像系统上电时，梯度波形发生器在内部时钟的驱动下就开始工作了，数模转换器(DAC)一直保持输出零电压，在脉冲序列启动执行之前，计算机将工作中使用到的波形数据，写入梯度波形发生器的静态随机存取存储器(SRAM)中，然后将第一组数据预写入数模转换器(DAC)的内部寄存器，最后等待脉冲序列发生器的触发(TRIG)信号和循环(CYCLE)信号。当TRIG信号到来时触发数模转换器(DAC)，再等到数模转换器(DAC)内部时钟脉冲出现上升沿时将模拟信号送后续梯度电路；同时在数模转换器(DAC)的内部寄存器中预存下一个数据值，等待下一次触发。CYCLE对梯度波形发生器的作用就是使内存地址复位，起到循环的作用。一般数模转换器(DAC)的内部时钟的周期，相对于脉冲序列发生器的时钟周期来说比较大，在本描述中，假设为：数模转换器(DAC)采用1.6μs的时钟周期，由于脉冲序列发生器的时钟周期相对来说非常短，在接下来的分析中将忽略它的影响。

下面结合图3和图4进行说明。由于脉冲序列发生器的工作周期很短(0.02μs)，而梯度波形发生器的工作周期相对较长(1.6μs)，这样每次工作中，脉冲序列发生器收到的start信号、数模转换器(DAC)内部时钟脉冲信号的最近的一次上升沿，二者之间的时间差值不是固定的，存在1.6μs时间上的不确定性，因此脉冲序列发生器向数模转换器(DAC)发出的TRIG信号和数模转换器(DAC)输出模拟梯度信号，二者之间的时间差值也是不固定的，同样存在1.6μs时间上的不确定性。所以就会导致在成像的每次扫描过程中，数模转换器(ADC)输出的梯度脉冲宽度都不同。将图3中的一组波形和图4中一组波形对比，可以看出，脉冲序列发生器发出的TRIG信号时间、数模转换器(DAC)输出模拟梯度信号时间，二者出现的时间差τ值并不固定，τ1不等于τ2，也就是输出的模拟梯度信号宽度，有大有小。这样，就会出现二个问题：第一，选层梯度的宽度抖动会使得层内相位重聚不够精确，这样就会损失一定的信噪比；第二，相位编码梯度和读梯度的抖动会造成相位的抖动和回波中心的抖动，这样就会引起伪影，特别是在spiral扫描序列和投影重建扫描序列等要求回波中心非常准确的序列中，问题更显得突出。

现在，对图3、图4波形组中出现“固定延时”的含义作出说明。图3、图4中的“固定延时”是指：当计算机的start信号的上升沿来临时(start信号会保持足够长时间的高电平)，脉冲序列发生器开始计时，等待计时结束后就向数模转换器(DAC)发出指令，由于计时等待的时间就是脉冲序列发生器内部累加一定脉冲个数的时间，并且，对于每一个实际的磁共振成像(MRI)系统而言，脉冲序列发生器内部累加的脉冲个数是事先设计、预置的，所以计时等待的时间，实质上就是一个固定延时时间。

上面，分析了在现有的数字梯度技术中，造成梯度信号时间抖动问题的原因在于：从脉冲序列发生器送出触发信号到数模转换器(DAC)输出模拟信号，每次所使用的时间是不同的，因而造成梯度打开时间缺乏稳定性，也就是讲，数模转换器(DAC)输出模拟梯度信号的起始位置，每次是不相同的，从而造成了磁共振成像的梯度抖动。下面，详细说明本发明是如何解决上述问题的。

实施例

以下结合图5、图6和图7，对本发明作出说明。

在本实施例中，使用数模转换器(DAC)内部时钟脉冲信号来同步脉冲序列发生器，它使得延时τ值在每次工作中都是相同的，这样就能消除梯度时间抖动，从而消除梯度伪影。

现在，对图6、图7波形组中出现“固定延时”的含义作如下说明。

在图5、图6和图7中，用计算机的start触发信号与数模转换器(DAC)内部时钟脉冲信号，二个信号经过“与”门操作以后，得到新的START*信号代替了原先单独来源于的计算机的start信号。因此，代替后的脉冲序列发生器工作方式为：当计算机的start信号的上升沿来临时(start信号会保持足够长时间的高电平)，脉冲序列发生器并不立即进入计时等待状态，而是等待数模转换器(DAC)的内部时钟脉冲信号的上升沿到来时，它才开始计时，由于计时等待的时间就是脉冲序列发生器内部累加一定脉冲个数的时间，并且，对于每一个实际的磁共振成像(MRI)系统而言，脉冲序列发生器内部累加的脉冲个数是事先设计、预置的，所以计时等待的时间实质上就是一个固定延时时间。

根据以上所述，脉冲序列发生器收到了START*信号后，经过一个固定延时的等待时间后再向数模转换器(DAC)发送TRIG触发信号。

从图6和图7可以看出，如果固定延时时间小于一个数模转换器(DAC)内部时钟周期，则固定延时加τ值之和，等于一个数模转换器(DAC)内部时钟周期，由于固定延时时间、数模转换器(DAC)内部时钟周期都是固定的，所以τ值也是固定的。τ值所代表的意义为：从脉冲序列发生器发送TRIG触发信号、到数模转换器(DAC)输出模拟梯度信号所需的延时时间。

如果固定延时时间大于一个、小于二个数模转换器(DAC)内部时钟周期，则固定延时加τ值等于二个数模转换器(DAC)内部时钟周期，同样的道理，τ值也是固定的。

脉冲序列发生器的固定延时时间和数模转换器(DAC)内部时钟周期的关系为：

当(N-1)个内部时钟周期＜固定延时时间＜N个内部时钟周期时，则有

固定延时时间+τ值时间＝N个内部时钟周期

所以，τ值时间＝N个内部时钟周期-固定延时时间

上述关系公式中，N个数模转换器(DAC)内部时钟周期、脉冲序列发生器的固定延时时间，在每一个实际使用的地方都是固定的，所以，τ值时间也是固定的。

在图6、图7中，假设的是：脉冲序列发生器的固定延时时间小于一个数模转换器(DAC)内部时钟周期，可以方便地分析出：尽管计算机start信号和数模转换器内部时钟脉冲信号(DAC clock信号)不同步，但运用了本发明后，τ3值和τ4值是相等的。当然，脉冲序列发生器的固定延时时间大于一个数模转换器(DAC)内部时钟周期，τ3值和τ4值也是相等的。

按照以上阐述的原理和推导的关系式，说明采用本发明的技术方案，其τ值全部是固定的。这样就保证了每次工作时，从脉冲序列发生器送出触发信号、到数模转换器(DAC)输出模拟信号所用的时间是相同的。这就保证了梯度信号打开时间的稳定性，从而消除了梯度延迟不确定而带来的伪影。

其他说明。

1.本发明所讲的计算机，可以是主从型计算机；也可以是工控机；还可以是个人计算机，如PC机或苹果机；甚至是一种智能装置。

2.为了对脉冲序列发生器的通用工作原理有所了解，可以参考阅读申请号为03150591.0、名称为《一种核磁共振脉冲序列发生器》的发明专利申请公开说明书。

Claims

1.一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其步骤是：

2.根据权利要求1所述的一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其特征是，所述的计算机是主从型计算机。

3.根据权利要求1所述的一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其特征是，所述的计算机是工控机。

4.根据权利要求1所述的一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其特征是，所述的计算机是个人计算机。

5.根据权利要求1或4所述的一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其特征是，所述的个人计算机是PC机或苹果机。

6.根据权利要求1所述的一种消除磁共振成像梯度抖动的方法，其特征是，所述的计算机是一种智能装置。