CN102551722A - 一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统。系统采用模块化设计思想，模块之间采用数字接口，不仅显著地提高模块之间信号质量还可以显著地降低系统成本及装机与维护难度，系统至少包括：操作显示单元；全数字化磁共振成像谱仪，其中集成了专用计算机、数字化射频激励发送单元、数字化NMR(核磁共振)信号数字接收单元、数字化梯度波形发送单元；数字化磁体管理及患者监控单元；数字梯度放大器；数字射频功率放大器；接收前端单元。本发明还提供了一种基于全数字化谱仪的磁共振成像方法，该方法借助于全数字化谱仪以数字方式控制系统中的各个部件，提高了控制精确度的同时也节省了扫描时间，提高了成像速度。

Description

一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统

技术领域

本发明涉及一种医用设备，具体涉及一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统。

背景技术

磁共振成像谱仪是磁共振成像系统中的核心设备。其结构直接决定了磁共振成像系统复杂度与成像质量。国内应用较多的是英国MR SOLUTIONS公司的MR6000谱仪(http://www.mrsolutions.co.uk/)，下面对其进行简要描述。

1.谱仪接收系统

该谱仪置于设备间内，其接收采样系统位于谱仪内，一般，随着接收通道的增加，从磁体间引出的同轴电缆数量也会相应增加，由于接收到的NMR信号电压是自由衰减信号(FID)的电压的最大值，由式1给出，可见其与磁场强度强成正比关系。

$V_{\max }=\mathrm{\ω}\×\mathrm{\Δv}\×M_{\mathrm{xy}}\×\frac{B_1}{I}---\left(1\right)$

所以对于低场(场强小于0.5特斯拉)而言，接收到的信号会非常微弱，约在微伏的数量级。从线圈感应的FID信号需要一级低噪声放大和二级增益放大之后才能通过同轴电缆送至MR6000谱仪接收端。为了满足系统成像信噪比的要求，一级的低噪声放大器必需满足低噪声系数的特性，一般小于1dB，这样其增益一般不会很大，约28dB左右。为了让谱仪端的模数转换器能发挥其特性，二级增益放大至少约30dB。如此以来在低场系统中，增加接收通道不仅需要增加同轴电缆数量，还需要增加同样数量的二级前置放大单元。如此以来系统成本增加的同时，大量的连接电缆及放大单元也会加大接收信号之间的干扰，致使成像系统的成像信噪比下降。

对于高场(场强大于0.5特斯拉)而言，虽然接收的NMR信号比低场系统强度大，但由于随着主场强度的增大，由Larmor公式(2)，接收NMR信号的频率会增大，例如3T场强系统，接收的信号中心频率为127.728MHz，一般，同轴电缆对高频信号的衰减远远大于低频信号，另外同轴电缆的接口处阻抗的不连续会加重这种衰减。所以在增加接收通道的同时，线缆数量的增加，带来的是接收NMR信号的高频衰减，成像系统的成像信噪比下降。

$f=\frac{{\mathrm{\γB}}_0}{2\mathrm{\π}}---\left(2\right)$

B₀：静磁场强度，γ：磁旋比，f：接收NMR信号频率

所以无论于低场系统还是高场系统，传统磁共振成像谱仪，如上例中的MR6000，随着接收通道的增加，系统成本增加的同时成像质量下降。

2.谱仪射频发送系统

传统磁共振谱仪系统如，MR6000谱仪，射频发送和其接收系统一样，也是由谱仪通过同轴电缆连接至射频功率放大器，另外还需要将射频输出开关信号通过同轴电缆连到射频功率放大器上。这种控制方式一则谱仪和射频功放没有完全电气隔离，二则谱仪处于被动地位，也即谱仪不能读到功放的实际工作状态，这对于系统的校准及维护带来很大的复杂度，不能实现对整个磁共振成像系统的远程维护，增加了维护成本。

3.谱仪的梯度发送系统

传统磁共振谱仪系统如，MR6000谱仪，梯度波形输出由D型连接器差分输出至梯度放大器，同样存在的谱仪和梯度放大器的电气不完全隔离的问题，另外，从谱仪送出的梯度波形的精确度直接影响着梯度放大器的输出电流，但是由于受到连接线、器件分布参数的影响梯度放大器得到的梯度波形的精确度很难与谱仪输出一致。另外对梯度放大器电流输出级的精确调整很难应用一些数字算法，这对梯度放大的设计带来一定的难度。

4.医师操作台

传统磁共振谱仪系统如，MR6000谱仪，与医师操作台是分离的，医师操作对磁共振成像系统的操作需要一台专用计算机与谱仪通过以太网或其他方式进行。如此以来不但增大了医师对谱仪的操作难度也使系统不稳定性增加，同样系统的成本也相应增加。

为了克服上述基于传统谱磁共振成像系统的一系列缺点及不足，需要一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统来提高成像质量及降低系统造价和维护成本。

发明内容

针对上述不足之处，本发明的目的在于提出一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，提高成像质量、降低系统造价和维护成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，全数字化谱仪集成了专用计算机及与该专用计算机连接的数字化NMR信号接收单元，数字化射频激励发送单元，数字化梯度波形发送单元和数字化磁体管理及患者监控单元；

所述数字化NMR信号接收单元具有N个接收通道，每个接收通道连接接收前端单元中的一个接收前端模块，发送数字控制信号到接收前端单元；所述接收前端模块具有M个接收模拟前端通道和一个对接收模拟前端通道传送的信号进行处理的数据处理单元。

所述数字化射频激励发送单元与数字射频功率放大器连接，将数字化射频激励波形发送至数字射频功率放大器，并通过数字射频功率放大器的控制接口，控制并读回功率放大后的输出功率与数字射频功率放大器的工作状态；

所述数字化梯度波形发送单元与数字梯度放大器连接，将数字化梯度波形发送至数字梯度放大器，控制并读回数字梯度放大器的输出电流、发射功率与工作状态；

所述数字化磁体管理及患者监控单元与磁体管理及患者监控前端连接，读取磁体系统的工作状态信息和对患者的监控信息。

所述专用计算机集成医师操作台功能，操作医师可提借助于连接于全数字化谱仪的显示设备和鼠标、键盘对系统近距离或远程操作。

所述专用计算机运行磁共振成像系统软件。

所述数字化NMR信号接收单元与接收前端单元、所述数字化射频激励发送单元与数字射频功率放大器、所述数字化梯度波形发送单元与数字梯度放大器、所述数字化磁体管理及患者监控单元与磁体管理及患者监控前端均通过高速数字光纤、电缆或无线方式连接。

所述接收前端模块把从线圈耦合的NMR信号经过阻抗匹配、低噪声信号调理、可变增益及带宽滤波，再经模数转换为未处理的数字NMR信号，M路未处理的数字NMR信号汇总至一个数据处理单元进行数字信号处理。

所述低噪声信号调理包括对信号的限幅、放大和滤波处理。

所述数据处理单元包括依次包括数字下变频单元，可变带宽滤波器和通道数据编码器。

所述接收前端模块内置于线圈内部，或者通过同轴电缆连接至线圈外部。

所述数字化射频激励发送单元通过总线接口接收来自专用计算机的控制数据，对波形表查表得到所要发射的射频波形经数字上变频变换为数字频带信号，再通过光电转换变为光信号经光纤传送至数字射频功率放大器。

所述数字化梯度波形发送单元通过总线接口接收来自专用计算机的梯度控制信息，在梯度发送单元控制器的控制下，对应X轴控制器、Y轴控制器、Z轴控制器，得到X、Y、Z方向上梯度控制信息，统一经梯度波形编码之后，由光电转换单元变为光信号经光纤传至数字梯度放大器。

本发明具有以下优点：

1.减少了接收通道连线数量。4接收通道磁共振成像系统，由4条同轴接收通道减少至1条光纤接收通道；16接收通道磁共振成像系统，由16条同轴接收通道减少至1条光纤接收通道；128接收通道磁共振成像系统，由128条同轴接收通道减少至4条光纤接收通道；

2.改善了接收NMR信号的传输质量，模拟NMR信号转换为处理的数字NMR信号进行传输，提高了系统成像信噪比；

3.对射频功率放大进行精确的数字控制；

4.对梯度放大器进行精确的数字控制；

5.减少了系统成本及维护成本。

附图说明

图1为基于全数字化谱仪的磁共振成像系统构成框图；

图2为接收前端模块构成框图；

图3为接模拟前端通道构成框图；

图4为单通道数字化NMR信号接收单元构成框图；

图5为数字化射频激励发送单元构成框图；

图6为数字化梯度波形发送单元构成框图；

图7为基于全数字化谱仪的磁共振成像系统成像方法步骤流程图；

图8为4通道接收前端单元构成框图；

图9为16通道接收前端单元构成框图；

图10为128通道接收前端单元构成框图；

图11为4通道数字化NMR信号接收单元构成框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，全数字化谱仪集成了数字化NMR信号接收单元；数字化射频激励发送单元；数字化梯度波形发送单元；数字化磁体管理及患者监控单元；专用计算机。

如图2、3、4所示，数字化NMR信号接收单元，具有N(N为整数)个高速数字接收通道和一个接收前端控制通道。每一高速数字接收通道，通过高速数字光纤，包括但不限于高速数字光纤，连接至接收前端单元中的一个接收前端模块。数字化NMR信号接收单元的接收单元控制通道通过高速数字光纤，连接至接收前端单元的控制接口。其中接收前端单元可分为接收模拟前端通道，接收数字前端两部分。接收模拟前端通道由阻抗匹配网络、低噪声信号调理单元、可变增益及带宽滤波单元、高速模数转换单元组成。接收模拟前端通道可以是一个独立的集成电路，也可以由分立器件组合而成，其负责将直接耦合的接收线圈感应NMR信号变为量化的数字信号。数据处理单元由数字下变频、可变带宽数字滤波器、通道数据编码组成。数据处理单元以FPGA器件实现，当然也可以用其它集成电路实现，其负责将已量化的NMR信号进行数字信号处理，处理后的NMR信号经高速光电转换模块，转换为光信号，通过高速数字光纤，传至谱仪的数字化NMR信号接收单元。

如图5所示，数字化射频激励发送单元，通过总线接口接收来自专用计算机的射频激励发送单元控制数据，对波形表查表得到所要发射的射频波形经数字上变频变换为数字频带信号，然后通过光电转换变为光信号经光纤传送至数字射频功率放大器。射频发送单元控制器接收来自数字射频功率放大器的状态信息供成像系统应用。

如图6所示，数字化梯度波形发送单元，通过总线接口接收来自专用计算机的梯度控制信息，在梯度发送单元控制器的控制下，对应X轴控制器、Y轴控制器、Z轴控制器，得到X、Y、Z方向上梯度控制信息，统一经梯度波形编码之后，由光电转换单元变为光信号经光纤传至数字梯度放大器。同时数字梯度放大器的输出电流、功率等一些状态信息以光信号形式用光纤传送至数字化梯度波形发送单元的控制接口，供成像系统应用。

其中，数字化磁体管理及患者监控单元，通过磁体管理及患者监控前端，将磁体系统的工作状态，如温度或其他相关信息通过数字光纤传送至谱仪。同时，也可以将患者的心电、呼吸等监控信息通过数字接口传送至谱仪。

其中，专用计算机运行着磁共振成像系统软件，全数字化磁共振成像谱仪通过它控制着成像系统中的各个单元或部件，如接收前端单元、数字梯度放大器、磁体管理及患者监控前端。另外，专用计算机还集成了医师操用台功能

本发明还公开了一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，该成像系统集成了数字NMR化接收单元、数字化射频发送单元、数字化梯度发送单元、数字磁体管理功能和数字患者监控单元。其中数字化NMR接收单元，支持N(N为整数)个NMR信号接收通道，在系统增加新的接收通道时，系统仅需要增加相应的模拟前端模块，系统互联的线缆数目并没有增加，成本没有成倍增加，也减轻了系统升级与维护成本；其中，数字化射频发送单元，将数字射频波形发送至数字射频功率放大器，同时可以精确控制射频功率放大器的输出功率；其中，数字化梯度发送单元，将数字梯度波形发送至数字梯度放大器，同时可以精确控制梯度放大器的输出电流，对于梯度放大器设计而言，可以应用精度更高的一些数字算法，以提高梯度放大器响应时间及输出电流准确度；其中数字磁体管理单元，可以将磁体的状态信息实时传送到谱仪，便于谱仪对磁体的实时控制，如匀场操作；其中，数字患者监控单元，可以将患者的心电、呼吸、位置等信息以数字信号的形式通过光纤实时传送到谱仪，以便一些高级扫描序列的应用需要；

如图7所示，本发明的磁共振成像以数字方式控制射频功率放大器，以数字方式控制梯度放大器；以数字方式传输NMR接收信号；与此同时，谱仪执行扫描序列时方法步骤：

步骤1，扫描开始；

步骤2，预扫描阶段，成像系统对接收前端单元、数字射频功率放大器、数字梯度放大器校正，工作状态检测，正常则进行步骤2，否则错误处理；

步骤3，扫描阶段，发出数字射频、数字梯度信号，接收数字NMR信号；

步骤4，成像重建阶段，成像软件对数字NMR信号进行图像重建，多序列排队情况下，进行步骤1；

步骤5，扫描完成，准备扫描下一序列。

该方法以全数字方式控制射频功率放大器、梯度放大器，提高了控制精度与灵活性；以全数字方式传输NMR接收信号，提高信号的传输质量，进而提高了成像的信噪比；多序列队列扫描时，在步骤4的成像重建阶段同时进行步骤2，以减少扫描时间，加快成像速度。

本发明基于全数字化谱仪的磁共振成像系统及方法，实施方式，可跟据市场需求灵活配置接收通道数。以下仅列出3种典型常用的实施方式，分别为4接收通道磁共振成像系统、16接收通道磁共振成像系统和128接收通道磁共振成像系统。当然，以下所列出的实施方式并不代表本发明所声明的全部实施方式，基于本发明思想的任何实施方式，仍在本发明的具体实施方式范围之内。

实施例(1)：1：4接收通道磁共振成像系统，如图8、11。

由于4接收通道磁共振成像系统应用比较广泛，现已装机的开放磁共振系统仍以4接收通道为主，所以4接收通道全数字化谱仪对现有老旧磁共振成像系统设备行升级改造仍有积极意义。4接收通道全数字化谱仪的接收前端单元，由4个接收模拟前端通道1～4、1个接收数据处理单元、控制单元、时钟管理和光电转换组成。每个接收模拟前端通道分别对应一个接收线圈(图中未标示)，接收模拟前端通道功能构成框图如图3所示，其作用将从接收线圈耦合的模拟NMR信号转换为直接数字NMR信号，4路直接数字NMR信号经接收数据处理单元的数字下变频、可变带宽滤波器、通道数据编码数字信号处理之后送至光电转换模块变为光信号经光纤送至谱仪的数字化NMR信号接收单元。数字化NMR信号接收单元，将来自接收前端的数字NMR信号经光电转换、通道数据解码、接收FIFO将4路NMR接收信号通过总线接口经系统总线送至系专用计算机，系统成像软件藉此对检查对象成像。

实施例(2)：2：16接收通道磁共振成像系统，如图9。

对于高场应用，16接收通道为全数字化谱仪的基本配置方式。16接收通道全数字化谱仪的接收前端单元，由8个接收模拟前端通道号1～16、1个接收数据处理单元、控制单元、时钟管理和光电转换组成。每个接收模拟前端通道分别对应2个接收线圈，接收模拟前端通道功能构成框图如图3所示，其作用将从接收线圈耦合的模拟NMR信号转换为直接数字NMR信号，16路直接数字NMR信号经接收数据处理单元的数字下变频、可变带宽滤波器、通道数据编码数字信号处理之后送至光电转换模块变为光信号经光纤送至谱仪的数字化NMR信号接收单元。数字化NMR信号接收单元，将来自接收前端的数字NMR信号经光电转换、通道数据解码、接收FIFO将16路NMR接收信号通过总线接口经系统总线送至系专用计算机，系统成像软件藉此对检查对象成像。

实施例(3)：3：128接收通道磁共振成像系统，如图10。

对于高场应用，128接收通道为全数字化谱仪的高级配置方式。此配置方式适合一些高级扫描序列应用。128接收通道全数字化谱仪具有4个接收前端单元和与之对应的4通道数字化NMR信号接收单元，每个接收前端单元由8个接收模拟前端通道号1～32、1个接收数据处理单元、控制单元、时钟管理和光电转换组成。每个接收模拟前端通道分别对应4个接收线圈，接收模拟前端通道功能构成框图如图3所示，其作用将从接收线圈耦合的模拟NMR信号转换为直接数字NMR信号，32路直接数字NMR信号经接收数据处理单元的数字下变频、可变带宽滤波器、通道数据编码数字信号处理之后送至光电转换模块变为光信号经光纤送至谱仪的4通道数字化NMR信号接收单元。4通道数字化NMR信号接收单元，将来自接收前端的4路数字NMR信号经4个光电转换、通道数据解码、接收FIFO将128路NMR接收信号通过总线接口经系统总线送至系专用计算机，系统成像软件藉此对检查对象成像。

Claims (10)

1.一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，全数字化谱仪集成了专用计算机及与该专用计算机连接的数字化NMR信号接收单元，数字化射频激励发送单元，数字化梯度波形发送单元和数字化磁体管理及患者监控单元；

所述数字化NMR信号接收单元具有N个接收通道，每个接收通道连接接收前端单元中的一个接收前端模块，发送数字控制信号到接收前端单元；所述接收前端模块具有M个接收模拟前端通道和一个对接收模拟前端通道传送的信号进行处理的数据处理单元。

所述数字化射频激励发送单元与数字射频功率放大器连接，将数字化射频激励波形发送至数字射频功率放大器，并通过数字射频功率放大器的控制接口，控制并读回功率放大后的输出功率与数字射频功率放大器的工作状态；

所述数字化梯度波形发送单元与数字梯度放大器连接，将数字化梯度波形发送至数字梯度放大器，控制并读回数字梯度放大器的输出电流、发射功率与工作状态；

所述数字化磁体管理及患者监控单元与磁体管理及患者监控前端连接，读取磁体系统的工作状态信息和对患者的监控信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述专用计算机集成医师操作台功能，操作医师可提借助于连接于全数字化谱仪的显示设备和鼠标、键盘对系统近距离或远程操作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述专用计算机运行磁共振成像系统软件。

4.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述数字化NMR信号接收单元与接收前端单元、所述数字化射频激励发送单元与数字射频功率放大器、所述数字化梯度波形发送单元与数字梯度放大器、所述数字化磁体管理及患者监控单元与磁体管理及患者监控前端均通过高速数字光纤、电缆或无线方式连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述接收前端模块把从线圈耦合的NMR信号经过阻抗匹配、低噪声信号调理、可变增益及带宽滤波，再经模数转换为未处理的数字NMR信号，M路未处理的数字NMR信号汇总至一个数据处理单元进行数字信号处理。

6.根据权利要求5所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述低噪声信号调理包括对信号的限幅、放大和滤波处理。

7.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述数据处理单元包括依次包括数字下变频单元，可变带宽滤波器和通道数据编码器。

8.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述接收前端模块内置于线圈内部，或者通过同轴电缆连接至线圈外部。

9.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述数字化射频激励发送单元通过总线接口接收来自专用计算机的控制数据，对波形表查表得到所要发射的射频波形经数字上变频变换为数字频带信号，再通过光电转换变为光信号经光纤传送至数字射频功率放大器。

10.根据权利要求1所述的一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统，其特征在于，所述数字化梯度波形发送单元通过总线接口接收来自专用计算机的梯度控制信息，在梯度发送单元控制器的控制下，对应X轴控制器、Y轴控制器、Z轴控制器，得到X、Y、Z方向上梯度控制信息，统一经梯度波形编码之后，由光电转换单元变为光信号经光纤传至数字梯度放大器。

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