CN103760507A

CN103760507A - 一种实现发射源和接收源相位同步的方法及装置

Info

Publication number: CN103760507A
Application number: CN201410001287.XA
Authority: CN
Inventors: 汤伟男; 高家红
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-01-02
Filing date: 2014-01-02
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2034-01-02
Also published as: CN103760507B

Abstract

本发明涉及磁共振成像领域，具体是一种在磁共振成像中实现发射源和接收源相位同步的方法及装置。该方法及装置通过直接数字频率合成技术和可编程数字逻辑产生与待成像物的拉莫频率同频的参考频率源，并能实时地输出其相位。在激发和解调前，将发射和接收相位各自切换为该参考源相位，实现基于同一个参考源的相位调制，从而保证了发射和接收源的相位同步。其优点是该方法不依赖于发射源和接收源之间的频率关系，因此无需在序列运行中插入额外的“频率回绕”延时，也无需严格地同步更新发射和接收源的频率，对序列的编写和设计没有特殊的要求，是适用于磁共振成像的一种普遍方法及装置。

Description

一种实现发射源和接收源相位同步的方法及装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，具体涉及一种在磁共振成像中实现发射源和接收源相位同步的方法及装置。

背景技术

发射装置和接收装置是磁共振谱仪的两个重要组成部分，发射装置用来发生射频脉冲以激发样品产生磁共振信号，接收装置用来采集磁共振信号。在现代化磁共振谱仪中，发射装置和接收装置通常均采用直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）分别实现发射调制的频率源（以下简称为发射源）和接收解调的频率源（以下简称为接收源），解调后磁共振信号的相位取决于发射源相位（以下简称为发射相位）和接收源相位（以下简称为接收相位）的差。

在常规的磁共振波谱仪中，发射频率和接收频率总是保持一致，因此发射相位和接收相位可以维持固定相位差即相位同步，这样接收得到的磁共振信号的相位是稳定的。但在磁共振成像中，为了进行多层面的选择性激发，发射源需要在扫描过程中反复进行频率切换（用于选择性激发不同的层面），而接收源在信号采集时保持拉莫频率ω₀不变，因此发射源和接收源在多层面激发的序列扫描中难以保证相位同步关系，这样接收得到的磁共振信号的相位就会产生波动，从而影响信号累加和相位梯度编码的正确性。

在多层面激发成像中，为了实现发射源和接收源之间的相位同步关系，通常采用一种叫做“频率回绕（Frequencyrewinding）”的技术。为了简化说明，选择激发两个层面，相位编码为两次，每个层面在不同相位编码下采集一个回波。如图1所示，接收频率始终固定为ω₀，设在第一个相位编码（PE1）期间从t_1,1时刻起发射源从初始选层频率ω₀切换至下一个选层频率ω₁(ω₁>ω₀)，那么在t_1,2时刻发射相位会超前接收相位，超前的相位为(ω₁-ω₀)×(t_1,2-t_1,1)。在t_1,2时刻起将发射频率从ω₁切换至回绕频率ω₁′(ω₁′<ω₀)，如果满足条件(ω₁-ω₀)×(t_1,2-t_1,1)＝(ω₀-ω₁')×(t_2,1-t_1,2)，那么在t_2,1时刻接收相位会恰好和发射相位保持一致。这样在第二个相位编码（PE2）期间，当发射频率从t_2,1时刻起切换回初始选层频率ω₀后，发射源和接收源仍然可以保持固定的相位差，因此在数据采集时可以保证回波信号具有正确的相位。否则，即使不加相位编码梯度，相同层面的不同回波也会具有不同的相移，则无法进行正确的相位编码操作。在实际的多层面成像扫描中，发射源可以经过多次切换回绕频率以实现发射和接收的相位同步。该方法虽然有效，但是需要精确计算回绕频率或回绕延时，还要在序列执行过程中多次插入额外的回绕延时，增加了脉冲序列设计复杂度和执行的时间。

李鲠颖等人提出另一种“快速频率切换（Fast-frequencyswitching，FFS）”的方法（中国专利ZL200410053153.9；中国专利ZL200610116891.2；NingRuipeng,DaiYidong,YangGuang,LiGengying,Adigitalreceiverwithfastfrequency-andgain-switchingcapabilitiesforMRIsystems,Magn.Reson.Mater.Phy.,2009,22:333-342）。如图2所示，当PE1期间需要选层脉冲激发时，该方法在t_1,1时刻将接收频率切换至和发射频率相同的频率ω₁，而在信号解调前（如在t_1,2时刻）再把发射频率和接收频率同时切换至拉莫频率ω₀，这样当PE2期间，发射和接收频率又会在t_2,1时刻同时切换至同一个选层频率，因此，理论上，发射源和接收源可以在序列执行的过程中始终保持同频和同步，从而保证发射源和接收源具有固定的相位差。但是该方法仍然依赖于发射源和接收源的频率关系，在实际操作中，难以保证发射源和接收源能够严格地保证同步更新，需要在解调后将发射和接收频率同步回绕至初始频率对更新延时进行补偿。此外，在偏中心采集和多次频率连续切换的情况下，发射和接收之间频率更新的延时会导致不同层面的回波初始相位产生误差。

发明内容

针对上述现有技术的不足之处，本发明的目的是提供一种在磁共振成像中实现发射源和接收源相位同步的方法及装置，特别对于多层面（multi-slice）扫描序列、偏中心视野（off-centerFOV）扫描序列以及采用相位循环（phasecycling）技术的扫描序列，能够保证其接收信号具有正确的相位信息。

为了实现上述目的，本发明由以下技术方案完成：

一种实现发射源和接收源相位同步的方法，包括以下步骤：

1）在执行脉冲序列前，产生与待成像物的拉莫频率同频的参考频率源（以下简称为参考源），并实时地输出其相位；

2）在执行脉冲序列期间，在发射源产生选层激发脉冲前，将发射相位切换为当前参考源输出相位，作为发射初相位；在接收源解调信号前将接收相位切换为当前参考源输出相位，作为接收初相位；所述发射源产生选层激发脉冲和所述接收源解调信号之间的延时为固定值。

进一步地，上述脉冲序列由磁共振谱仪产生，具体说是由磁共振谱仪的序列管理器产生的，磁共振谱仪在工作时，通过执行脉冲序列，并根据序列设定的时序产生射频脉冲信号，梯度波形信号，和采集磁共振信号的一系列物理过程；发射源和接收源在磁共振谱仪执行脉冲序列的过程中分别对射频脉冲信号进行调制和对磁共振接收信号进行解调。

进一步地，所述参考源在可编程逻辑器件中采用数字频率合成DDS技术产生。

进一步地，步骤1）中，输出参考源的相位至磁共振谱仪的外部总线控制器，当需要产生相位切换的时候由外部总线控制器输出至外部总线接口上。

在发射相位和接收相位设置之前均需要将发射源NCO（数字控制振荡器）和接收源NCO的相位累加器清零，发射相位设置前从参考源获取参考相位并与预先设定的相位偏移量相加得到新的发射初相位，并置入发射源NCO的相位累加器中并更新；接收相位设置前从参考源获取参考相位并与预先设定的相位偏移量相加得到新的接收初相位，并置入接收源NCO的相位累加器中并更新。

由于选层激发脉冲前发射相位和信号解调前接收相位均基于同一个参考相位，因此只要保证选层激发脉冲和信号解调之间的延时是固定值，就能使发射源和接收源实现相位同步关系。

一种实现发射源和接收源相位同步的装置，包括：

发射源，所述发射源包括第一可编程逻辑器件、数模转换器及其外围电路；

接收源，所述接收源包括第二可编程逻辑器件、模数转换器及其外围电路；

和序列控制电路，所述序列控制电路包括第三可编程逻辑器件和序列管理器；

所述第一可编程逻辑器件、第二可编程逻辑器件、第三可编程逻辑器件通过直接数字频率合成技术分别实现发射源的NCO、接收源的NCO和参考源的NCO；所述参考源的NCO产生中心频率与待成像物的拉莫频率同频的振荡信号，并实时输出其相位；

所述序列管理器产生所述发射源和接收源的同步信号并控制所述发射源产生选层激发激发脉冲和所述接收源信号解调之间的延时为固定值；所述发射源通过所述第三可编程逻辑器件上设置的外部总线接口接收参考源的当前输出相位，将其设置为发射初相位，所述接收源通过所述第三可编程逻辑器件上设置的外部总线接口接收参考源的当前输出相位，将其设置为接收初相位。

进一步地，所述数模转换器配合第一可编程逻辑器件，用于产生射频脉冲信号，即射频发射；模数转换器配合第二可编程逻辑器件，用于采样磁共振信号，即射频接收。

进一步地，所述序列管理器为DSP或MCU。

进一步地，所述第一可编程逻辑器件、第二可编程逻辑器件、第三可编程逻辑器件为FPGA或者CPLD。

进一步地，所述发射源的NCO、接收源的NCO分别包括两个部分：相位累加器和相位幅度转换器，所述相位累加器用来产生合成频率的相位信息，所述相位幅度转换器将所述相位转换成对应的幅度值。

进一步地，所述发射源的NCO、接收源的NCO和参考源的NCO均具有相同的精度，并采用同一个系统时钟。

本发明的优点是，本发明提供的一种在磁共振成像中实现发射源和接收源相位同步的方法，不依赖于发射源和接收源之间的频率关系，因此，无需在序列运行中插入额外的“频率回绕”的延时，也无需严格地同步更新发射源和接收源的频率，对序列的编写和设计没有特殊的要求，既可以应用在低场永磁和高场超导的磁共振成像谱仪中，也可以应用于不同发射源和接收源的架构，是适用于磁共振成像的一种普遍方法。

附图说明

附图1为现有技术采用“频率回绕”保持发射源和接收源相位同步的示意图；

附图2为现有技术采用“同时切换发射和接收源的频率”以保持发射源和接收源相位同步的示意图；

附图3为“基于参考频率源切换发射和接收相位”以保持发射源和接收源相位同步的示意图；

附图4为发射源、接收源和参考频率源的硬件结构框图；

附图5为多层面梯度回波序列的时序图。

其中：

100—发射源；101—第一可编程逻辑器件；102—数模转换器；110—接收源；111—第二可编程逻辑器件；112—模数转换器；120—序列控制电路；121—序列管理器；122—第三可编程逻辑器件；130—外部总线接口。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明作进一步详细说明，以便于本领域技术人员的理解。

图3是采用该方法激发两个层面时相位切换的一个示意图，在理想情况下，考虑接收频率和参考频率始终保持一致，因此，接收源和参考源相位始终保持同步关系。当PE1期间激发第一个层面时，发射，接收和参考频率均为ω₀。由于在t_1,1时刻需要激发第二个层面，发射频率切换至ω₁(ω₁>ω₀)，发射相位也切换至参考源相位φ_1,1；而在信号解调前t_1,2时刻将接收相位切换至参考源相位φ_1,2。此后在PE1结束前，发射相位都会超前接收相位。直到PE2期间的t_2,1时刻，发射频率又切换回ω₀，发射相位也切换至新的参考源相位φ_2,1，而此时接收相位和参考源相位也同为φ_2,1，使得发射和接收的相位关系重新保持一致。

在实际应用中，接收频率在序列运行过程中并不会保持拉莫频率而不变，作为示例，如当成像物体不在预先定位的读方向视野中心时，就需要改变接收频率产生偏中心的视野（Off-CenterFOV）进行扫描。此时，尽管接收源和参考源不再始终保持同一频率，但从图3可知，若激发n个层面和进行m次相位编码，激发和解调时所对应的发射和接收的相位差为φ_i,_j+1-φ_i,_j＝ω₀(t_i,j+1-t_i,j),i＝1,2,...,m,j＝0,2,...,n-1，因此可以理解的是，当序列将每次激发和解调之间的延时设置为固定值时，无论是相同层面还是不同层面，发射和接收的相位差总会保持相同。

本实施例中要切换发射和接收相位，实现基于参考源输出的相位调制，需从硬件和软件两方面加以实现。

在硬件上，如图4所示，作为示例，可以分别设置独立的发射源和接收源，以及序列控制电路。发射源100主要由第一可编程逻辑器件101、数模转换器102及其外围电路（未示出）构成。接收源110主要由第二可编程逻辑器件111、模数转换器112及其外围电路（未示出）构成。序列控制电路120主要由序列管理器121和第三可编程逻辑器件122构成，其中，序列管理器121用来控制序列的运行并产生所述发射源和接收源的同步信号，可以是不同公司的不同型号的DSP或MCU，作为示例，如TI公司的C2000系列的DSP；而第三可编程逻辑器件122用来实现其他电路与序列控制电路的外部总线接口130。第一至第三可编程逻辑器件101、111、122可以是不同公司的不同型号的FPGA或者CPLD，作为示例，如Xilinx公司的Spartan-6系列的FPGA。第一可编程逻辑器件101、第二可编程逻辑器件111和第三可编程逻辑器件122采用直接数字频率合成DDS技术实现的数字控制振荡器NCO，可以分别实时地输出所述发射源、接收源和参考源的信号及其相位，其中所述发射源的NCO、接收源的NCO分别包括两个部分：相位累加器和相位幅度转换器，相位累加器用来产生合成频率的相位信息，然后相位幅度转换器将相位转换成对应的幅度值；实现对输出信号的频率、相位以及幅度的快速切换以满足磁共振成像的需求。发射源100和接收源110除了各自频率源的NCO外，还可以存储用户设定的发射和接收的相位信息。所述第三可编程逻辑器件122中的参考源NCO可以产生中心频率与待成像物的拉莫频率同频的振荡信号。所述发射源的NCO、接收源的NCO和参考源的NCO均具有相同的精度，并采用同一个系统时钟。

对于发射源100，在脉冲序列执行期间，当序列管理器121产生同步信号需要更新发射源频率（即改变选层激发频率）时，所述发射源NCO的相位累加器会被清零，同时通过外部总线接口130获取所述参考源NCO当前的输出相位，并将其设置为发射初相位。对于接收源110，当序列管理器121产生同步信号需要同步接收相位时，所述接收源NCO的相位累加器会被清零，同时通过外部总线接口130获取所述参考源NCO当前的输出相位，并将其设置为接收初相位。

在软件上，通过基于汇编语言或C/C++的序列编译平台实现所述发射和接收源的相位同步的控制，在所述序列编译平台的函数库中，所述发射和接收相位均由独立的函数及参数进行控制，所述序列函数会产生对应的同步信号，用于对齐所述发射源和接收源的时序以便完成相应的相位切换。序列中的延时同样采用独立的函数及参数进行控制，通过循环地执行序列管理器的指令以实现计时功能，从而保证激发和解调之间的精确延时。所述序列编译平台还允许用户预先设置发射和接收相位的偏移量，将这些相位信息以列表的形式下传至硬件以实现例如相位循环（phasecycling）的功能。

下面以多层面梯度回波为例，详细说明如何实现发射源和接收源之间的相位同步。

如图5所示，脉冲序列沿着时基自左手边朝右手边行进。射频脉冲RF产生小角度的自旋翻转，在此刻施加选层梯度Gs对预设定的成像层面进行选择性激发。在层面激发之后施加相位编码梯度Gp和读梯度Gr，其中相位编码梯度Gp对激发自旋进行相位编码，而读梯度Gr使自旋散相。在自旋散相后，通过极性相反的读梯Gr度使自旋聚相以产生回波信号Echo。通过模数转换器采集该回波信号，并以一定的时间间隔重复执行该脉冲序列，在每次重复Loop中改变相位编码梯度Gp进行不同的相位编码，这样得到二维的原始数据用于最终的图像重建。

在脉冲序列执行前，所述序列管理器首先初始化相位列表并将其写入所述发射源和接收源的内存中，接着同步所述发射源、接收源和参考源的NCO的相位。在脉冲序列执行时产生的TxSync和RxSync分别为所述发射源和接收源的同步信号，所述同步信号会触发所述第一和第二可编程逻辑器件中的状态机完成相位的切换，具体为：当所述发射源收到TxSync信号后，会从所述外部总线接口读取所述参考源当前的输出相位φ_j，并将φ_j与所述内存中的发射相位偏移量φ_{tx_offset}相加得到新的发射相位φ_tx，同时清零所述发射源NCO的相位累加器，将发射初相位值更新为φ_tx；当所述接收源收到RxSync信号后，会从所述外部总线接口读取所述参考源当前的输出相位φ_j+1，然后将φ_j+1与所述内存中的接收相位偏移量φ_{rx_offset}相加得到新的接收相位φ_rx，同时清零所述接收源NCO的相位累加器，将接收初相位值更新为φ_rx。所述第一和第二可编程逻辑器件会在脉冲序列执行期间自动步进当前内存地址，使其获得下一个相位偏移量，并基于所述参考源的相位依次切换发射和接收相位，使所述发射和接收源在激发多个层面时实现相位同步。

Claims

1.一种实现发射源和接收源相位同步的方法，包括以下步骤：

1）在执行脉冲序列前，产生与待成像物的拉莫频率同频的参考源，并实时地输出其相位；

2.如权利要求1所述的实现发射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，由磁共振谱仪执行脉冲序列。

3.如权利要求2所述的实现发射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，所述参考源的相位通过所述磁共振谱仪的外部总线控制器输出到外部总线接口。

4.如权利要求2所述的实现发射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，所述参考源在所述磁共振谱仪的可编程逻辑器件中采用数字频率合成DDS技术产生。

5.一种实现发射源和接收源相位同步的装置，包括：

所述序列管理器执行脉冲序列并产生所述发射源和接收源的同步信号；所述发射源通过所述第三可编程逻辑器件上设置的外部总线接口接收参考源的当前输出相位，将其设置为发射初相位，所述接收源通过所述第三可编程逻辑器件上设置的外部总线接口接收参考源的当前输出相位，将其设置为接收初相位。

6.如权利要求5所述的实现发射源和接收源相位同步的装置，其特征在于，所述数模转换器配合第一可编程逻辑器件，用于产生射频脉冲信号，即射频发射；所述模数转换器配合第二可编程逻辑器件，用于采样磁共振信号，即射频接收。

7.如权利要求5所述的实现发射源和接收源相位同步的装置，其特征在于，所述序列管理器为DSP或MCU。

8.如权利要求5所述的实现发射源和接收源相位同步的装置，其特征在于，所述第一可编程逻辑器件、第二可编程逻辑器件、第三可编程逻辑器件为FPGA或者CPLD。

9.如权利要求5所述的实现发射源和接收源相位同步的装置，其特征在于，所述发射源的NCO、接收源的NCO分别包括两个部分：相位累加器和相位幅度转换器，所述相位累加器用来产生合成频率的相位信息，所述相位幅度转换器将所述相位转换成对应的幅度值。

10.如权利要求5所述的实现发射源和接收源相位同步的装置，其特征在于，所述发射源的NCO、接收源的NCO和参考源的NCO均具有相同的精度，并采用同一个系统时钟。