CN104820197A - 一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，包括中央控制器、系统总线、多个前置放大器，其中：各个前置放大器均包括控制器；中央控制器通过系统总线与前置放大器的控制器连接，用于将控制信号传送至各个前置放大器；各个前置放大器并联在系统总线上，各个前置放大器中用于接收来自中央控制器的控制信号的接口彼此相同；控制器用于根据中央控制器的控制信号调整前置放大器的工作状态，并将前置放大器的工作状态上传至中央控制器。本发明能够有效解决控制信号复杂、增减前置放大器困难的问题，并且前置放大器能够提供足够的增益和很低的噪声系数，前置放大的效果好。

Description

一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统

技术领域

本发明属于核磁共振仪器领域，更具体地，涉及一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统。

背景技术

核磁共振仪器是应用核磁共振原理研制生产的，它通过向被测物体发射高功率脉冲信号激发被测物体原子核的共振现象，并测量原子核的宏观磁化矢量在核磁共振仪器接收线圈中产生的微弱信号由此得到被测物体信息。由于接收线圈中的信息微弱，因此必须使用前置放大器。在核磁共振波谱仪或成像仪中，高功率脉冲信号和微弱的核磁共振信号需要分时通过前置放大器，前置放大器要完成发射大功率脉冲信号与接收的微弱核磁共振信号的开关切换，做到两者信号互不干扰，并且对于微弱信号需要提供足够的增益和很低的噪声系数。另外，前置放大器还需要将核磁共振信号进行下变频处理，以便进行数字化处理。

为了得到较好的测量效果，核磁共振波谱仪或成像仪均需要使用几个到几十个前置放大器，以实现多种原子核检测或并行接收的目的，所有前置放大器均需要在控制器的控制下按一定的逻辑关系协调工作。国内外的公开文献和专利提到的核磁共振波谱仪前置放大器均只涉及各通道低噪声放大部分，以及发射、工作状态检测部分，缺少前置放大器的结构布局、控制方式，以及放大后信号的处理方法。现有技术均使用一个控制器对多个前置放大器进行控制，如图1、3所示。通讯控制器101、逻辑控制器102共同组成前置放大器的控制器，其外部接口包括电源接口、通信接口、门控信号接口；控制器输出多组控制线缆1004、1005、…100n，分别连接至各个前置放大器，线缆中传输的信号包括电源、地、逻辑控制信号等。

现有技术文献(例如专利文献US7123090B2、US5545999、CN200920181229.4、CN201020127030.6等)使用的方法均为上述的使用一个控制器(即，通讯控制器101、逻辑控制器102共同组成前置放大器的控制器)对多个前置放大器进行控制的方法，采用这种控制方式的前置放大器其缺点在于：

1)受限于控制器的输出引脚数量，导致控制器所能控制的前置放大器数量有限，使这种前置放大器只能应用于只需要少量前置放大器的场合；

另一方面，在核磁共振波谱仪或成像仪的实际使用中，前置放大器的数量往往不是一定的，而是需要根据使用需求任意添加前置放大器的数量，现有技术方法其控制器均为每个前置放大器定制，在原有基础上增加任何前置放大器均需要对已有前置放大器的控制器进行修改，这种技术无法适应根据需要任意增加或取消前置放大器数量的需求；

2)由于各个前置放大器的控制需求存在显著的差别，用于连接各个前置放大器的控制线缆各式各样，难以统一，为批量化生产增加了难度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其中通过对其关键的前置放大器布局、控制方式、信号流向方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决控制信号复杂、增减前置放大器困难的问题，并且前置放大器能够提供足够的增益和很低的噪声系数，前置放大的效果好。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，该前置放大系统包括中央控制器、系统总线、以及多个前置放大器，其中：

所述各个前置放大器均包括控制器；

所述中央控制器通过所述系统总线与所述各个前置放大器的控制器连接，用于将控制信号传送至所述各个前置放大器；

所述各个前置放大器通过所述系统总线接收到的控制信号的信号内容彼此保持一致；所述各个前置放大器中的所述控制器通过通信地址标识提取所述控制信号中与相应前置放大器对应的控制命令，并根据所述控制命令调整所述相应前置放大器的工作状态；此外，所述控制器还用于将所述相应前置放大器的工作状态上传至所述中央控制器。

作为本发明的进一步优选，所述各个前置放大器均包括相互匹配设置的第一滤波器、大功率快速收发切换开关、四分之一波长线、第二滤波器、双向定向耦合器、检波模块、低噪声放大器和混频器；其中，

该第一滤波器与所述大功率快速收发切换开关相连，用于输入核磁共振波谱仪或成像仪的功率放大器信号；

该大功率快速收发切换开关依次通过所述第二滤波器和所述双向定向耦合器与所述检波模块相连，用于向核磁共振波谱仪或成像仪的探头发射上述功率放大器信号或者接收来自所述探头的信号；

此外，该大功率快速收发切换开关还依次通过所述四分之一波长线和所述低噪声放大器与所述混频器相连，用于对来自所述探头的信号进行放大和混频处理以得到前置放大信号，并向核磁共振波谱仪或成像仪输出此前置放大信号；

所述系统总线与各个所述前置放大器之间的连接接口均相同，并且该系统总线则用于对各个所述前置放大器中的所述大功率快速收发切换开关执行切换操作，从而起到调整所述前置放大信号输出的作用。

作为本发明的进一步优选，该前置放大系统还包括显示器，所述显示器与所述中央控制器连接，用于显示所述各个前置放大器的工作状态。

作为本发明的进一步优选，所述中央控制器通过CAN总线与外部进行通信。

作为本发明的进一步优选，所述中央控制器与前置放大器之间使用SPI通信。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明提出的一种使用控制方法的前置放大系统，即，各个前置放大器均具有自己独立的控制器，实现分布式的控制。多个前置放大器组合在一起时，每个前置放大器的外部通信和控制接口完全一致，各个前置放大器可通过统一的接口单独进行控制，前置放大器的数量可以无限制地扩展，并根据实际需要，安装任意数量的前置放大器，而无需对原有系统做任何修改。

中央控制器通过系统总线与前置放大器的控制器连接,各个前置放大器均并联在系统总线上。由于采用并联结构，通过系统总线传送至各个前置放大器的控制信号保持一致，各个前置放大器的控制器可以通过例如通信地址标识接收对应的通信控制命令，完成各个前置放大器工作状态的控制。

与现有技术使用的控制线缆相比，本发明系统总线十分简单，前置放大器数量的扩展不再受线缆数量的限制，可以实现根据需要任意添加或删减，且不对现有系统产生影响。

采用这种分布式的控制方式，由于从中央控制器输出到各个前置放大器的若干路信号均保持一致，前置放大器的数量将不再受到控制器输出引脚数量的限制；对于新增加的前置放大器，除了从中央控制器引出已有的若干路控制信号外，仅需对新增的前置放大器单独设置发射/接收门控信号即可，操作简单，可灵活的对前置放大器进行增减。另外，由于从中央控制器输出到各个前置放大器的若干路信号均保持一致，系统总线的型号可以统一，使前置放大器的生产更加便利，也为大规模生产核磁共振波谱仪或核磁共振成像仪提供了便利。

2.每个前置放大器均设置有双向耦合器和功率检波器，双向耦合器与功率检波器相连，实现前置放大器与负载间的前向信号和反射信号的幅度检波处理，可完成信号过载、负载失配报警功能和负载调谐，确保前置放大器工作于安全状态。

另外，通过将中央控制器与显示器连接，可实时显示各个前置放大器的工作状态、调谐状态和报警状态等，实现对前置放大系统全方位的监控。

附图说明

图1是背景技术中逻辑控制器、控制线缆与各前置放大器的连接示意图；

图2是本发明中央控制器、系统总线与各前置放大器的连接示意图；

图3是背景技术中前置放大系统结构示意图；

图4是本发明前置放大系统的结构示意图；

图5是本发明前置放大器的内部结构示意图。

图1－5中附图标记的含义如下：101为通讯控制器；102为逻辑控制器；1004、1005、…100n均为控制线缆；104、105、…10n均为前置放大器；

201为TFT显示器；202为中央控制器；203为系统总线；204、205、…20n均为前置放大器；

11为滤波器；12为大功率快速收发切换开关；13为四分之一波长线；14为滤波器；15为双向定向耦合器；16为检波模块；17为低噪声放大器；18为混频器；19为前置放大器控制器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明提出的前置放大器结构如图4所示。前置放大器系统由中央控制器、显示器和多个前置放大器组成。

图1、2为背景技术和本发明的控制连接线缆信号图。与背景技术控制器由通讯控制器101和逻辑控制器102组成不同，本发明的控制器仅有中央控制器202，其完成与外部系统(例如核磁共振波谱仪或成像仪的其他部分)的通信交互，并将通信内容分发至受中央控制器202控制的前置放大器204、205、…20n的控制器19。

中央控制器202仅设有一个前置放大器控制接口，与控制线203相连，控制线203上设有多个连接器，前置放大器204、205、…20n并联于控制线203上。

一个前置放大器需要一个发射门控信号和一个接收门控信号，用于控制各个部件工作的时序逻辑。现有技术中，用于控制各个前置放大器104、105、…10n的(n-3)路发射门控信号和(n-3)路接收门控信号由外部输入逻辑控制器102，逻辑控制器102将(n-3)路发射门控信号和(n-3)路接收门控信号转换为相应的控制信号，并经控制线缆1004、1005、…100n中与对应前置放大器相连的线缆组输出。

现有技术中的前置放大器104、105、…10n的控制需求自不相同，逻辑控制器102需要根据前置放大器104、105、…10n各自的控制需求定制其控制信号，控制信号直接用于前置放大器104、105、…10n各个功能部件的控制。除电源线7.5V、15V和地线GND外，前置放大器104、105、…10n的控制信号各不相同，对应为控制线缆1004、1005、…100n，控制线缆中控制信号线的数量从几根到几十根不等。

如图2所示，本发明采用分布式控制方法，中央控制器202与前置放大器204、205、…20n之间使用一根系统总线203连接，系统总线203除传输电源7.5V、15V和地GND外，只有数量有限的几根通信控制信号线：SCLK、CS、DI、DO，前置放大器204、205、…20n的接口完全相同，各个前置放大器204、205、…20n并联在系统总线203上，各个前置放大器内部的控制器19通过通信地址标识接收对应的通信控制命令，完成各个前置放大器工作状态的控制。

与背景技术使用的控制线缆相比，本发明系统总线十分简单，前置放大器数量的扩展不再受线缆数量的限制，可以实现根据需要任意添加或删减，且不对现有系统产生影响。

背景技术一般使用RS232、RS485等串行通信技术对前置放大器进行控制，本发明的中央控制器202使用CAN总线与外部进行通信，与RS232、RS485等串行通信技术相比，CAN总线有其显著的优势：传输速率高、通信自动校验、多节点通信、安全性高，使本发明提出的前置放大器系统可以直接接入现有使用CAN总线的核磁共振波谱仪或成像仪，且控制方式更加简单。

中央控制器202除控制各个前置放大器工作外，还负责各个前置放大器的工作状态和报警状态，并使用TFT显示器201显示。

前置放大器需要对各自的负载进行调谐工作，背景技术使用数码管、LED灯组成线条等方式对负载的调谐值进行显示，无法直观地知晓负载在各个频率点的调谐情况，在调谐偏移很大时显示值基本没有参考意义。本发明则使用TFT显示器代替，直接显示各个前置放大器负载的调谐曲线，使用者可以更加直观方便地判断负载调谐情况。

图5所示为本发明的前置放大器结构图。前置放大器由发射、接收、控制3个功能部分组成：

1)滤波器11、大功率快速收发切换开关12、四分之一波长线13、滤波器14、双向定向耦合器15组成前置放大器的发射功能部分。

2)低噪声放大器17、混频器18组成前置放大器的接收功能部分。

3)前置放大器控制器19外部与系统总线203相连，接收中央控制器202的控制命令，并向中央控制器202上传前置放大器的工作状态。前置放大器控制器19完成前置放大器内所有功能部件的电源、逻辑控制，使前置放大器按指令完成指定的工作。

滤波器11和大功率快速收发切换开关12分时复用作用于大功率射频信号发射和接收的微弱核磁信号，由带通滤波器、低通滤波器、帯阻滤波器等各种型号组成，可根据各个前置放大器的需求灵活选择配置。

大功率快速收发切换开关12由PIN二极管对和四分之一波长线13组成，在控制器19的控制下，将前置放大器切换为发射通道开启或接收通道开启状态。

低噪声放大器17由第一级低噪声放大芯片和第二级固定增益集成放大芯片组成，实现前置放大器的低噪声放大。

双向耦合器15和检波模块16组合实现前置放大器与负载间的前向信号和反射信号的幅度检波处理，可完成信号过载、负载失配报警功能和负载调谐，确保前置放大器工作于安全状态。

混频器18将接收到的信号进行下变频，其输入端设有开关可选择多个输入，除完成前置放大器自身模块的处理外，还可以输入其他模块的信号，以减少系统成本。

控制器19为前置放大器各个功能模块提供电源，并按中央控制器202的输入命令，和外部系统输入的发射门控、接收门控控制前置放大器的工作，同时将各个部件的工作状态上传至中央控制器202，使前置放大器的工作状态处于可控、可视状态。

各前置放大器采用模块化结构设计，每个前置放大器为一个单独的模块，模块内布局设计完全相同。每个前置放大器自身组成一个单独的模块，各个前置放大器的接口、结构相同，仅内部电路参数存在微小差别，模块化的设计减少了各模块之间的相互干扰和耦合，也实现了前置放大器加工成本的下降，机械结构的一致性使得在原有前置放大器204、205、…20n的基础上可以直接增加前置放大器模块。前置放大器可通过任意数量的组合满足核磁共振波谱仪和成像仪的使用需求，在使用过程中也可以随时增加或删减前置放大器数量，不需要对现有系统进行任何修改。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，该前置放大系统包括中央控制器(202)、系统总线(203)、以及多个前置放大器，其中：

所述各个前置放大器均包括控制器(19)；

所述中央控制器(202)通过所述系统总线(203)与所述各个前置放大器的控制器(19)连接，用于将控制信号传送至所述各个前置放大器；

所述各个前置放大器通过所述系统总线(203)接收到的控制信号的信号内容彼此保持一致；所述各个前置放大器中的所述控制器(19)通过通信地址标识提取所述控制信号中与相应前置放大器对应的控制命令，并根据所述控制命令调整所述相应前置放大器的工作状态；此外，所述控制器(19)还用于将所述相应前置放大器的工作状态上传至所述中央控制器(202)。

2.如权利要求1所述用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，所述各个前置放大器均包括相互匹配设置的第一滤波器(11)、大功率快速收发切换开关(12)、四分之一波长线(13)、第二滤波器(14)、双向定向耦合器(15)、检波模块(16)、低噪声放大器(17)和混频器(18)；其中，

该第一滤波器(11)与所述大功率快速收发切换开关(12)相连，用于输入核磁共振波谱仪或成像仪的功率放大器信号；

该大功率快速收发切换开关(12)依次通过所述第二滤波器(14)和所述双向定向耦合器(15)与所述检波模块(16)相连，用于向核磁共振波谱仪或成像仪的探头发射上述功率放大器信号或者接收来自所述探头的信号；

此外，该大功率快速收发切换开关(12)还依次通过所述四分之一波长线(13)和所述低噪声放大器(17)与所述混频器(18)相连，用于对来自所述探头的信号进行放大和混频处理以得到前置放大信号，并向核磁共振波谱仪或成像仪输出此前置放大信号；

所述系统总线(203)与各个所述前置放大器之间的连接接口均相同，并且该系统总线(203)则用于对各个所述前置放大器中的所述大功率快速收发切换开关(12)执行切换操作，从而起到调整所述前置放大信号输出的作用。

3.如权利要求1所述用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，该前置放大系统还包括显示器(201)，所述显示器(201)与所述中央控制器(202)连接，用于显示所述各个前置放大器的工作状态。

4.如权利要求1-3任意一项所述用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，所述中央控制器(202)通过CAN总线与外部进行通信。

5.如权利要求1-4任意一项所述用于核磁共振波谱仪或成像仪的前置放大系统，其特征在于，所述中央控制器(202)与前置放大器之间使用SPI通信。