CN102520381A

CN102520381A - 一种用于磁共振系统的数据采集装置

Info

Publication number: CN102520381A
Application number: CN2011104528997A
Authority: CN
Inventors: 姜忠德; 梁广平; 李鹏宇; 唐昕
Original assignee: SUZHOU ANKE MEDICAL SYSTEM CO Ltd
Current assignee: SUZHOU ANKE MEDICAL SYSTEM CO Ltd
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，包括 N 通道接收电路、采集控制单元、存储单元、主控设备以及终端设备，采集控制单元与主控设备和终端设备进行通信，接收来自主控设备的通道选择和采集长度等采集控制信息，实现时序控制状态机，接收 N 通道接收电路输出的并行数据流，转换成串行数据流写入存储单元。本发明可以灵活的实现与各种多通道射频接收线圈的配合使用，实现对多路核磁共振信号的采集处理，并且可以任意的选择以及组合采集通道；本发明的设计不需要复杂的时序控制方法和控制电路，也不需要高端的高密度 FPGA 器件和大容量缓存，成本低廉，并且系统稳定可靠，适合长时间运行。

Description

一种用于磁共振系统的数据采集装置

技术领域

本发明属于磁共振领域，具体涉及一种用于磁共振系统的数据采集装置。

背景技术

磁共振成像(MRI)设备是上世纪八十年代以来发展起来的医学诊断设备，它无创伤地获取人体各部位任意断层的图像，可获得清晰的软组织图像，得到人体解剖学信息，是当今发现和诊断早期癌症及其他多种疾病最先进的临床诊断设备，在国际医学界和技术界均受到重视。磁共振系统包括磁体、梯度线圈、射频发射线圈、射频接收线圈和谱仪等部件组成。磁体将样品磁化，产生一个宏观的纵向磁化矢量。射频发射线圈将电磁波发射到样品中，由此通过核磁共振现象激励样品中的质子旋转。梯度线圈实现对不同位置的质子进行编码。接收线圈获取激励的磁共振信号通过放大传送到谱仪中。谱仪是整个磁共振系统的中心控制器件，控制整个系统的时序运行，并且将接收线圈接收到的磁共振信号进行模数转换存储送到上位机中进行图像重建，得到磁共振图像。近年来，射频接收线圈技术不断的发展，由于多通道射频线圈能提供更好的信噪比，更均匀的射频接收场，而且可以与sense、smash等并行采集方法结合，减少成像时间，因此多通道射频接收线圈越来越多的应用到临床中。多通道射频线圈获取多路的核磁共振采集信号，这就要求与通道数相对应的模数转化器(ADC)和数字下混频(DDC)等器件以及控制采集时序更复杂的可编程逻辑器件(FPGA)。多通道采集必然会带来数据量成倍增加，所以要求更大的存储器件以及更合理的时序控制电路。

发明内容

本发明实现了一种用于核磁共振成像的数据采集装置，可以实现单通道和多通道的切换以及任意多通道的选择与组合，并且可以在系统通道数变化时灵活进行扩展。

本发明所述数据采集装置包括N通道接收电路、采集控制FPGA、存储器件DPRAM、主控设备和终端设备。

进一步的，N通道接收电路包括实现磁控阵信号接收的N个接收通道，每个接收通道包括必要的射频接收线圈(Coil)、放大电路、数模转换芯片(ADC)和数字下变频芯片(DDC)。射频接收线圈采集的核磁共振信号经过前置放大器以及可控增益放大器放大后通过下混频电路将高频信号下混到中频，然后通过ADC转换芯片得到数字信号，数字信号进入到数字下变频芯片(DDC)中进行正交混频得到基带信号，再经过抽取滤波器和FIR低通滤波器得到核磁共振数据。

进一步的，采集控制单元包括时序控制状态机和并串转换单元，N个接收通道的通道开关分别与并串转换单元相连，并串转换单元输出串行数据流，所述时序控制状态机与并串转换单元相连。

进一步的，采集控制FPGA与主控设备和终端设备进行通信，接收来自主控设备的通道选择和采集长度等采集控制字，实现时序控制状态机，接收N通道接收电路输出的并行数据流，转换成串行数据流写入存储器件DPRAM。

进一步的，主控设备为磁控阵系统的核心控制器，向终端设备和采集控制FPGA发送采集控制字和启动命令等参数，控制采集系统的运行。

进一步的，存储器件DPRAM接收并缓存来自采集控制FPGA的串行数据流，并等待终端设备读取。

进一步的，终端设备与主控设备和采集控制FPGA通信，读取DPRAM中的采集数据，进行K空间重排和图像重建等磁控阵后处理操作。

本发明的有益效果是：按照本发明的设计，可以灵活的实现与各种多通道射频接收线圈的配合使用，实现对多路核磁共振信号的采集处理，并且可以任意的选择以及组合采集通道；本发明的设计不需要复杂的时序控制方法和控制电路，也不需要高端的高密度FPGA器件和大容量缓存，成本低廉，并且系统稳定可靠，适合长时间运行；本发明的设计在系统扩展时，只需要很小的软件修改和FPGA控制修改，而免去了芯片升级的麻烦，维护和升级方便。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的多通道数据采集装置示意图。

图2为本发明的FPGA工作原理示意图。

图3为本发明的为八通道采集时序控制图。

具体实施方式

实施例：如图1所示，本发明所述数据采集装置包括N通道接收电路、采集控制FPGA、存储器件DPRAM、主控设备和终端设备。N通道接收电路包括实现磁控阵信号接收的N个接收通道；每个接收通道包括必要的接收线圈(Coil)、放大电路、数模转换芯片(ADC)和数字下变频芯片(DDC)。采集控制FPGA与主控设备和终端设备进行通信，接收来自主控设备的通道选择和采集长度等采集控制字，实现时序控制状态机，接收N通道接收电路输出的并行数据流，转换成串行数据流写入存储器件DPRAM。主控设备为磁控阵系统的核心控制器，向终端设备和采集控制FPGA发送采集控制字和启动命令等参数，控制采集系统的运行。存储器件DPRAM接收并缓存来自采集控制FPGA的串行数据流，并等待终端设备读取。终端设备与主控设备和采集控制FPGA通信，读取DPRAM中的采集数据，进行K空间重排和图像重建等磁控阵后处理操作。如图2所示的采集控制单元包括时序控制状态机和并串转换单元，N个接收通道的通道开关分别与并串转换单元相连，并串转换单元输出串行数据流，所述时序控制状态机与并串转换单元相连。

数据采集装置工作时，具体工作流程如下：

步骤一：系统上电启动，主控设备首先进行初始化操作：根据当前系统的通道数设置采集控制字，包括通道选择控制字和采集长度控制字。通道选择控制字的每一个bit位都唯一对应一个采集通道，该bit位控制采集控制FPGA内的通道选择开关的打开关闭状态，只有在开关打开时，该通道的数据才会被采集，否则不采集；采集长度控制字控制每个通道采集数据的长度。然后将通道选择控制字和采集长度控制字发送给采集控制FPGA和终端设备，并发送一个采集启动命令，启动采集过程。

步骤二：采集控制FPGA接收来自主控设备的通道选择控制字和采集长度控制字，进行通道开关和采集长度控制初始化操作。

步骤三：采集控制FPGA收到采集启动命令后启动采集控制状态机，把由通道选择控制字指定的处于打开状态通道数据转换成串行数据流写入存储器件DPRAM，并对数据流长度进行计数。

步骤四：当数据流长度计数值与采集长度控制字相等时，采集完成，采集控制FPGA退出采集过程，并向终端设备发送中断，等待主控设备新的采集控制字和采集启动命令。

步骤五：终端设备接收来自采集控制FPGA的中断，读取存储器件DPRAM中的数据。

如图3所示，以N＝8为例，所述步骤三包括如下子步骤：

系统启动工作开始时，采集控制FPGA处于状态S00，FPGA等待接收来自主控设备的通道采集开关控制字和采集启动命令，收到采集开始命令后启动状态机，等待各个通道的DDC模块输出的有效数据。

当收到第一个有效数据时进入状态S01，在此状态下判断1通道的采集开关是否被打开，如果打开则将1通道的第一个有效数据输出，然后退出该状态进入状态S02；如果1通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S02。

在S02状态中，判断2通道的采集开关是否被打开，如果打开则将2通道数据输出，然后退出该状态进入状态S03；如果2通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S03。

在S03状态中，判断3通道的采集开关是否被打开，如果打开则将3通道据输出，然后退出该状态进入状态S04；如果3通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S04。

在S04状态中，判断4通道的采集开关是否被打开，如果打开则将4通道数据输出，然后退出该状态进入状态S05；如果4通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S05。

在S05状态中，判断5通道的采集开关是否被打开，如果打开则将5通道数据输出，然后退出该状态进入状态S06；如果5通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S06。

在S06状态中，判断6通道的采集开关是否被打开，如果打开则将6通道数据输出，然后退出该状态进入状态S07；如果6通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S07。

在S07状态中，判断7通道的采集开关是否被打开，如果打开则将7通道数据输出，然后退出该状态进入状态S08；如果7通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S08。

在S08状态中，判断8通道的采集开关是否被打开，如果打开则将8通道数据输出，然后退出该状态进入状态S00；如果8通道采集开关关闭，则直接退出该状态进入状态S00。

循环执行以上S00到S08状态直到采集数据长度计数器与采集长度控制字相等。

所述单通道采集模式是指：N个通道中只有一个通道被打开，可能是N个通道中的任意一个，比如通道5，则系统运作时只有S05状态需要输出数据，其它状态均不需要输出直接跳转到各自对应的下一状态。

所述多通道采集模式和任意组合的多通道子集采集模式是指：N个通道中的任意几个或者全部被打开，则时序控制状态机在经过所有状态时都会对对应的通道开关进行判断，开关打开则执行数据输出操作，否则不执行输出操作。

所述数据采集装置还具有以下特点：

控制复杂度低：主控设备、终端设备以及FPGA之间的通信不需要复杂的通信协议，大大降低系统软件和FPGA程序开发难度，控制简单有效，系统运行稳定可靠。

器件选型要求低，成本低廉：采集装置对采集控制FPGA的芯片选型要求不高，不需要大容量、高密度和高速器件，低成本的普通FPGA即可实现；由于采集控制FPGA输出数据流为串行，存储器件并不局限于DPRAM，相同容量的FIFO或者FPGA内部的片内缓存均可替代DPRAM，控制简单。

可维护性和可扩展能力强：当系统进行升级，需要匹配不同的射频接收线圈时，通道数发生变化时，在FPGA管脚数量和DPRAM容量允许的情况下，只需要主控设备在通道选择控制字中为每一个新增加的通道分配通道选择控制位，同时采集控制FPGA在状态机中添加相同数量的状态即可，不需要把FPGA替换为高密度FPGA，也不需要对系统程序进行大修改。当系统通道数成倍增加时，还有另一种简单方式可以实现通道扩展，大大降低系统复杂度：采用两套完全相同的N通道接收电路、采集控制FPGA和存储器件，这两套电路共享相同的主控设备和终端设备。终端设备通过片选信号选择读取哪一套电路中的存储器件。

Claims

1.一种用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，包括N通道接收电路、采集控制单元、存储单元、主控设备以及终端设备，采集控制单元与主控设备和终端设备进行通信，接收来自主控设备的通道选择和采集长度等采集控制信息，实现时序控制状态机，接收N通道接收电路输出的并行数据流，转换成串行数据流写入存储单元。

2.根据权利要求1所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述N通道接收电路包括实现磁控阵信号接收的N个接收通道，每个接收通道包括接收线圈、放大电路、数模转换芯片和数字下变频芯片，接收线圈通过放大电路与数模转换芯片相连，数模转换芯片与数字下变频芯片相连。

3.根据权利要求2所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述采集控制单元包括时序控制状态机和并串转换单元，N个接收通道的通道开关分别与并串转换单元相连，并串转换单元输出串行数据流，所述时序控制状态机与并串转换单元相连。

4.根据权利要求3所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述采集控制单元通过FPGA实现。

5.根据权利要求3所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述存储单元为DPRAM或FIFO或FPGA内部的片内缓存。

6.根据权利要求1所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述主控设备为磁控阵系统的核心控制器。

7.根据权利要求2所述的用于磁共振系统的数据采集装置，其特征在于，所述接收通道为8个。