CN101339232B - 一种用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，包括以下步骤：(1)根据磁共振成像系统的主磁场强度及选层位置计算射频脉冲的中心频率ω₀；(2)通过对一个频率为射频脉冲的中心频率ω₀的两个相互正交模拟正弦或余弦信号进行采样得到数字载波信号序列S_C(n)；(3)根据基带信号的带宽计算出数字基带信号；(4)用数字基带信号对载波进行调制，得到数字射频信号；(5)将计算出的数字射频信号下载到硬件板卡的存储器中保存，待脉冲序列控制器发出触发信号后对数字射频信号进行D/A转换后输出。与现有技术相比，本发明可以避免繁琐的硬件设计，生成的波形准确，射频波形的精度大大提高，可用性强，受硬件误差影响很小。

Description

一种用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法。

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，以下简称MRI)是一种新兴的医学影像方法，它是利用磁场与射频脉冲使生物体内的氢核共振产生信号，经计算机处理而成像的。从1977年世界上第一台全身磁共振成像系统研制成功到现在，经过三十年的发展，MRI系统的性能不断提高、技术不断完善。由于其具有分辨率高、成像参数多、可任意层面断层成像、无电离辐射损伤等特点，MRI已经成为影像学检查中最先进、使用最广泛的工具之一，广泛应用于临床对人体各系统的检查。

磁共振成像系统利用射频(Radio Frequency，RF)脉冲对磁场中的氢核进行激发，使氢核产生磁共振信号。射频发送系统的作用就是按照成像序列的要求为MRI系统提供所需的射频脉冲信号，它主要由射频发生器、功率放大器和射频发送线圈三部分组成，射频发生器产生射频脉冲后需要经过功率放大器进行放大，然后驱动射频发送线圈以产生射频磁场。

射频发生器是磁共振谱仪中的一个重要模块，为MRI系统提供扫描序列所需的各种射频脉冲信号。射频脉冲就是频率处于射频波段的电磁波，用于激励处于磁场中的氢核，使之发生共振。整个射频发送工作过程如下：首先脉冲序列控制器触发启动射频脉冲生成器工作，射频振荡器按照序列的要求产生射频基带信号，该信号被送入频率合成器，进行频率校正，以完全满足序列的要求；然后对该信号进行滤波、放大处理，使其幅度提高；之后送入波形调制器进行信号调制，载波信号的中心频率等于氢核的共振频率；调制好的射频脉冲信号经过功率放大器进行放大，以达到一定的发射功率，经过一个阻抗匹配网络后进入射频发射线圈产生射频磁场。目前射频发生器设计基本都采用硬件来合成射频信号^[81，82]，频率的合成主要有三种方式：直接数字频率合成(Direct DigitalSynthesize，DDS)，直接模拟合成(Direct Anolog Synthesize，DAS)和锁相环(Phase-locked Loop，PLL)，其中DDS技术应用最多^[83-85]。这些方法都要进行复杂的硬件设计，可移植性差，且产生的射频波形容易受硬件误差影响。

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无需繁琐的硬件设计，形成的射频脉冲波形准确，可用性强、可以任意移植、受硬件条件的制约小的用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，所述磁共振成像系统包括射频脉冲生成器和用来产生触发信号以启动射频脉冲生成器的脉冲序列控制器，其特征在于：所述射频脉冲生成器通过以下步骤合成射频脉冲：

(1)、根据磁共振成像系统的主磁场强度及选层位置计算射频脉冲的中心频率ω₀：

ω₀＝γ(B₀+Z₁·G_z)

其中，γ为原子核的旋磁比，B₀为主磁场强度，Z₁为成像层面位置，Δ_z为成像物选层层面厚度，G_z为选层梯度；

(2)、通过对一个频率为射频脉冲的中心频率ω₀的两个相互正交模拟正弦或余弦信号进行采样得到数字载波信号序列S_C(n)：

S_C(n)＝cos(nτω₀)+i·sin(nτω₀)

其中，τ＝2π/ω_s，这里，ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀；

(3)、选择合适的基带信号，其中基带信号的带宽为Δω＝γΔzG_z，其中γ为原子核的旋磁比，Δz为成像物选层层面厚度然后根据基带信号的带宽计算出数字基带信号；

(4)、用数字基带信号对载波进行调制，得到数字射频信号；

(5)、将计算出的数字射频信号下载到硬件板卡的存储器中保存，待脉冲序列控制器发出触发信号后对数字射频信号进行D/A转换后输出。

上述步骤(3)中基带信号可以为方波信号、sinc信号、高斯信号等，当基带信号为方波信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为所述方波信号的初相位，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

当基带信号为sinc信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为所述sinc信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

当基带信号为高斯信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为所述高斯信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过数字计算合成数字射频脉冲，然后利用D/A板卡将数字信号转化为模拟信号并输出，这样可以避免繁琐的硬件设计，方便地对射频脉冲的频率、幅度以及相位进行控制，因此生成的波形准确，可用性强，受硬件误差影响很小；且产生的数字波形可以与不同的D/A板结合使用，射频脉冲波形可以任意移植，受硬件条件的制约小。因此使用本发明的射频脉冲的合成方法，可以使得射频波形的精度大大提高，发射波形的频率更准确，提高了磁共振成像的质量，避免了模拟电子技术形成高频波形时的误差。

附图说明

图1为本发明实施例射频脉冲波形合成发射技术原理图。

图2为本发明实施例射频脉冲波形合成技术流程图。

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所示，磁共振成像系统包括射频脉冲生成器和用来产生触发信号以启动射频脉冲生成器的脉冲序列控制器，本发明实施例中射频脉冲的合成方法，首先根据选择的成像脉冲序列和序列参数，选取基带信号，建立I通道和Q通道的数字基带信号数字波形，然后计算射频脉冲的中心频率，计算并形成数字载波信号序列sin(nτw₀)和cos(nτw₀)，对载波信号进行正交振幅调制后，生成数字射频信号。再将数字射频信号下载到硬件D/A板卡的存储器中，当板卡接收到由脉冲序列控制器传送的触发信号后开始工作，将数字射频信号转化为模拟信号，最后该信号经射频功放进行放大，驱动射频发送线圈产生射频磁场。

具体流程过程如下，参见图2所示：

(1)、根据磁共振成像系统的主磁场强度及选层位置计算射频脉冲的中心频率ω₀：

ω₀＝γ(B₀+Z₁·G_z)

其中，γ为原子核的旋磁比，B₀为主磁场强度，Z₁为成像层面位置，Δz为成像物选层层面厚度，G_z为选层梯度；

(2)、通过对一个频率为射频脉冲的中心频率ω₀的两个相互正交模拟正弦或余弦信号进行采样得到数字载波信号序列S_C(n)：

S_C(n)＝cos(nτω₀)+i·sin(nτω₀)

其中，τ＝2π/ω_s，这里，ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀；

(3)、根据具体的射频脉冲序列要求选择合适的基带信号，其中基带信号的带宽为Δω＝γΔzG_z，其中γ为原子核的旋磁比，Δz为成像物选层层面厚度，然后根据基带信号的带宽计算出数字基带信号f(n)；

这里，基带信号可以为方波信号、sinc信号、高斯信号等，不同的成像序列和实际成像的需要会选择不同的数字基带信号，因为数字基带信号对射频激发信号的频域宽度要求有所不同，但一般的，使用sinc基带信号的居多，其带宽较窄，符合大多数应用的需要。

当基带信号为方波信号，这时数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为所述方波信号的初相位，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

这时，I通道的基带信号数字波形为A(n)·cosθ(n)，Q通道的基带信号数字波形为A(n)·sinθ(n)。

当基带信号为sinc信号，这时数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为sinc信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

这时，I通道的基带信号数字波形为A(n)·cosθ(n)，Q通道的基带信号数字波形为A(n)·sinθ(n)。

当基带信号为高斯信号，这时数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中，

θ₀为高斯信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

这时，I通道的基带信号数字波形为A(n)·cosθ(n)，Q通道的基带信号数字波形为A(n)·sinθ(n)。

(4)、用数字基带信号对载波进行调制，得到数字射频信号S(n)：

S(n)＝Re[f(n)·S_c(n)]

＝A(n)·cos(nτω₀+θ(n))

＝I(n)·cos(nτω₀)-Q(n)·sin(nτω₀)

(5)、将计算出的数字射频信号S(n)下载到硬件板卡的存储器中保存，待脉冲序列控制器发出触发信号后对数字射频信号进行D/A转换后输出。

Claims (4)

1.一种用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，所述磁共振成像系统包括射频脉冲生成器和用来产生触发信号以启动射频脉冲生成器的脉冲序列控制器，其特征在于：所述射频脉冲生成器通过以下步骤合成射频脉冲：

(1)、根据磁共振成像系统的主磁场强度及选层位置计算射频脉冲的中心频率ω₀：

ω₀＝γ(B₀+Z₁·G_z)

其中，γ为原子核的旋磁比，B₀为主磁场强度，Z₁为成像层面位置，Δz为成像物选层层面厚度，G_z为选层梯度；

(2)、通过对一个频率为射频脉冲的中心频率ω₀的两个相互正交模拟正弦或余弦信号进行采样得到数字载波信号序列S_C(n)：

S_C(n)＝cos(nτω₀)+i·sin(nτω₀)

其中，τ＝2π/ω_s，这里，ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀；

(3)、选择合适的基带信号，其中基带信号的带宽为Δω＝γΔzG_z，其中γ为原子核的旋磁比，Δz为成像物选层层面厚度，然后根据基带信号的带宽计算出数字基带信号；

(4)、用数字基带信号对载波进行调制，得到数字射频信号；

(5)、将计算出的数字射频信号下载到硬件板卡的存储器中保存，待脉冲序列控制器发出触发信号后对数字射频信号进行D/A转换后输出。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，其特征在于：所述步骤(3)中基带信号为方波信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中， $\left\{\begin{array}{c}A\left(n\right)=1\\ \mathrm{\θ}\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right.$ $n=\mathrm{0,1,2},...,\frac{{\mathrm{a\ω}}_s}{2\mathrm{\π}}$

θ₀为所述方波信号的初相位，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

3.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，其特征在于：所述步骤(3)中基带信号为sinc信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中， $\left\{\begin{array}{c}A\left(n\right)=\frac{\sin \left(\mathrm{an\τ}\right)}{\mathrm{an\τ}}\\ \mathrm{\θ}\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right.,$ $n=\mathrm{0,1,2},...,\frac{{\mathrm{a\ω}}_s}{2\mathrm{\π}}$

θ₀为所述sinc信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统中射频脉冲的合成方法，其特征在于：所述步骤(3)中基带信号为高斯信号，这时所述数字基带信号为f(n)：

f(n)＝A(n)·cosθ(n)+i·A(n)·sinθ(n)

其中， $\left\{\begin{array}{c}A\left(n\right)=\mathrm{Aexp}[-\frac{{\left(\mathrm{n\τ}\right)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}]\\ \mathrm{\θ}\left(n\right)={\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right.,$ $n=\mathrm{0,1,2},...,\frac{{\mathrm{a\ω}}_s}{2\mathrm{\π}}$

θ₀为所述高斯信号的初相位，τ＝2π/ω_s，

ω_s为采样频率，满足ω_s＞2ω₀。

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