CN106510711A - 一种用于高场磁共振成像的射频发射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高场磁共振成像的射频发射装置及方法，采用ARM处理器与可编程逻辑器件相结合的机制，并采用独立的、模块化的结构设计，包括：数据配置模块、本振功分模块、射频发生模块，以ARM处理器作为数据配置模块的核心芯片，将接收到的外部控制器数据传给可编程逻辑器件；以射频功分器作为本振功分模块的核心芯片，实现多路本振信号输出；以可编程逻辑器件作为射频发生模块的核心芯片，接收ARM处理器发来的参数，实现频率合成功能，可编程逻辑器件输出数字中频信号，经数模转换器转换为模拟中频信号，与功分后的每路本振信号混频得到射频信号并输出，从而实现了高分辨、高扩展、灵活性强的多路射频脉冲发生。

Description

一种用于高场磁共振成像的射频发射装置及方法

技术领域

本发明属于磁共振成像谱仪设计领域，涉及并行发射的射频脉冲合成与控制技术，具体涉及一种用于高场磁共振成像的射频发射装置及方法。

背景技术

在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)中，成像扫描仪发出特定频率、相位、幅度、包络以及脉宽的射频脉冲，激发人体组织产生磁共振信号，从而获得人体组织的图像。高场(3T及3T以上)条件下，由于射频频率的增加，单路射频激励将导致图像不均匀以及局部射频功率沉积加重等问题，多路射频并行激励是解决这一问题的主流技术方案。

目前国内大多数MRI厂商采用英国Oxford公司、MR Solutions公司的谱仪，这些谱仪只有单个射频发射通道，不具备并行发射的功能。国际上的高场MRI扫描仪基本被GE、Siemens、Philips三家公司所垄断，他们的产品都具有并行发射功能，但其谱仪设备的技术资料严格保密，相关技术细节从不对外公开。

目前，国内自主研发的磁共振成像谱仪主要应用于低场永磁系统与超导1.5T系统，已经研发并实现了多通道接收，但是在射频发射方面还只有单个通道。当前主要运用直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技术实现射频脉冲的发生，采用专用的DDS器件，在处理器或者可编程逻辑器件的控制下，利用DDS器件内部集成的运算单元和高速数模转换器来直接产生射频脉冲。例如中科院武汉物理与数学研究所设计的谱仪，由可编程逻辑器件产生基带调制信号，采用DDS器件(AD9957)来完成射频发生、调制和数模转换输出。华东师范大学设计的谱仪，由可编程逻辑器件进行控制，采用DDS器件(AD9854)来实现射频脉冲的发生。

然而，现有的技术存在如下问题：

(1)高场情况下，单通道的射频激励可能恶化图像的均匀性，以及加重局部射频功率沉积，对成像质量与安全性造成影响。

(2)专用的DDS器件可重构性差、灵活性不高，并且部分性能指标不理想。

(3)与谱仪序列发生器之间的紧耦合机制，使得多通道实现难度较大，扩展性较差。

发明内容

针对上述不足，本发明提出了一种用于高场磁共振成像的射频发射装置及方法，采用ARM处理器与可编程逻辑器件相结合的机制，采用独立的、模块化的控制结构，实现高分辨、高扩展、灵活性强的多路射频脉冲发生。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于高场磁共振成像的射频发射装置，包括：

数据配置模块，用于将发送给本装置的控制信号传给射频发生模块；

本振功分模块，用于将发送给本装置的本振信号分为多路本振信号后输出；

射频发生模块，又包括：

可编程逻辑器件，用于接收数据配置模块发来的控制信号，并在控制信号的控制下产生数字中频信号，以及

数模转换器，用于将可编程逻辑器件产生的数字中频信号转换为模拟中频信号；

所述射频发生模块用于将模拟中频信号与本振功分模块输出的每一路本振信号混频后将得到的射频信号输出。

进一步地，所述数据配置模块通过ARM处理器将接收到的控制信号传给射频发生模块。

进一步地，所述ARM处理器通过SPI总线与外部谱仪的序列发生器连接，通过本地并行总线与所述射频发生模块连接。

进一步地，所述ARM处理器支持连接多个所述射频发生模块。

进一步地，所述可编程逻辑器件还包括用于存储接收的控制信号的寄存器和片上双端口RAM。

进一步地，所述射频发生模块还包括在控制信号的控制下产生增益信号的另一数模转换器以及对信号幅度进行增益控制的模拟乘法器。

进一步地，所述射频发生模块能够同时实现两路射频脉冲的发生，即一个射频发生模块能够输出两个通道的射频信号。

一种用于高场磁共振成像的射频发射方法，包括以下步骤：

1)通过ARM处理器接收外部控制信号并传给可编程逻辑器件，同时将本振信号分为多路本振信号输出；

2)通过可编程逻辑器件接收ARM处理器发来的控制信号，在控制信号的控制下产生数字中频信号，将所述数字中频信号转换为模拟中频信号后与步骤1)输出的每路本振信号混频得到射频信号并输出。

进一步地，所述可编程逻辑器件在控制信号的控制下，基于直接数字频率合成DDS技术，产生指定频率、相位、幅度的数字中频信号。

进一步地，上述射频发射方法还包括：所述模拟中频信号经过低通滤波并进行增益控制后与步骤1)输出的每路本振信号混频，在射频开关的控制下得到射频脉冲。

本发明的有益效果在于：

(1)设计采用独立的模块化结构设计，便于扩展，支持多通道的射频发射，可灵活地接入外部谱仪。

(2)设计采用ARM处理器与可编程逻辑器件相结合的机制，控制灵活性较强。

(3)采用可编程逻辑器件实现中频数字脉冲的发生，具有较高的频率、相位与幅度精度，分别为32bits、16bits与16bits。

附图说明

图1为本发明技术路线整体架构图。

图2为本发明中ARM处理器进行数据接收与分发的流程图。

图3为本发明本振功分模块的结构图。

图4为本发明射频发生模块的结构图。

图5为本发明实现数字硬脉冲的流程图。

图6为本发明实现数字软脉冲的流程图。

图7为基于本发明利用示波器测量得到的连续正弦波的波形图。

图8为基于本发明利用示波器测量得到的单通道射频硬脉冲的波形图。

图9为基于本发明利用示波器测量得到的同时发生双通道射频软脉冲的波形图。

具体实施方式

本发明提出了一种新的技术方案，用于实现高场磁共振成像并行发射的射频脉冲合成与控制。

该方案采用ARM处理器与可编程逻辑器件相结合的机制，并采用独立的、模块化的结构设计，包括：数据配置模块、本振功分模块、射频发生模块。

如图1所示，该技术方案实现具体流程如下：

外部谱仪的序列发生器将射频发生的数据和参数通过高速串行总线(SPI)传输到数据配置模块的ARM处理器中，ARM处理器将接收到的数据和参数译码后通过本地并行总线传输给多个射频发生模块。同时，本振功分模块将外部谱仪的信号源输入的本振信号滤波、放大后功分为多路输出。每个射频发生模块的可编程逻辑器件将接收到的数据和参数译码后，实现频率合成功能，输出数字中频信号，经数模转换器转换为模拟中频信号，再经过滤波、放大之后，与本振功分模块输出的本振信号混频，得到指定幅度的射频信号并输出。

以下将对各模块的结构及功能进行详细描述。

(1)数据配置模块

设计中，数据配置模块作为同外部接口通信的唯一通道，承担数据编解码的功能，包括信号转换电路和ARM处理器电路。信号转换电路对接收的信号进行极性转换，以提高数据传输的稳定性。ARM处理器电路作为数据配置的核心芯片，与外部谱仪的序列发生器通过SPI总线连接，与内部的各路射频发生模块通过本地并行总线连接，将所有控制信号和数据实时地传给各路射频发生模块的可编程逻辑器件。

ARM处理器进行数据接收与分发的流程图如图2所示。ARM处理器每次接收两组指令分别为地址和数据，其中每组16bits。首先调用HAL_SPI_Receive函数接收一组16bits的地址并存入地址寄存器，得到一个函数返回值。若接受失败后将状态返回上层控制器，并直接结束本次接收操作；若接收成功后，对接收到地址译码，调用对应的数据寄存器。再次调用HAL_SPI_Receive函数接收一组16bits的数据并存入指定数据寄存器，得到一个函数返回值。若接受失败后将状态返回上层控制器，并直接结束本次接收操作；若接收成功后，调用FSMC接口将数据并行传输至可编程逻辑器件。结束本轮指令传输操作。

(2)本振功分模块

模块结构如图3所示。本振信号由外部谱仪的信号源给出，以射频功分器作为本振功分模块的核心芯片，经过滤波、放大模块后功分成八路，实现多路本振信号输出。

(3)射频发生模块

本发明中，每块射频发生模块同时实现两路射频脉冲的发生。

模块结构如图4所示。可编程逻辑器件通过本地并行总线获取来自数据配置模块的控制参数和数据后，存储到其片上相应的寄存器和双端口RAM上。可编程逻辑器件内部构建的功能模块主要包括：软脉冲相位和幅度存储器、相位累加器、运算器(加法器、乘法器)、正弦查找表、相关寄存器以及控制单元等。可编程逻辑器件在相位累加器的累加操作下进行相位累加，并通过内部构建的查找表完成相位到幅度的转换，最终实现DDS，产生指定频率、相位、幅度的中频数字脉冲。字长16bits的数模转换器用于完成中频数字脉冲的数模转换。其输出经过低通滤波后送到模拟乘法器，实现对信号幅度的增益控制。增益信号由另一数模转换器产生，字长为16bits。经过增益控制后得到的调制信号通过相应的放大与滤波电路，与本振功分模块传来的本振信号进行混频后，在射频开关的控制下得到射频脉冲。

实现射频脉冲发生的过程如下：

(1)射频硬脉冲发生

如图5所示，在可编程逻辑器件内部实现DDS，直接生成预定频率、相位的正弦信号，可编程逻辑器件受触发后，打开射频开关，射频信号输出，持续一段时间后关闭射频开关，从而得到射频硬脉冲。

(2)射频软脉冲发生

如图6所示，可编程逻辑器件译码从并行总线传来的波形数据(幅度、相位)、初始相位、频率字、调制波采样间隔和首末地址等参数后存到内部相应RAM和寄存器当中。同时在内部实现DDS，产生频率、初始相位可控的正弦信号。触发软脉冲产生，打开射频开关，启动射频软脉冲发生。此时，可编程逻辑器件内部构建的计数器开始计数，该计数器以软脉冲波形的采样间隔为(即调制的时间分辨率)周期，每当计数器计完一个周期时自动从软脉冲幅度存储器中依次读出调制波形幅度，并以系统时钟为周期与查找表的正弦输出数据相乘，截取高16位作为数字调幅波输出。当指定调制波形长度的数据全部从存储器读出后，计数器清零，停止对存储器的访问操作与数据运算，射频软脉冲输出结束。

基于本发明的实验结果采用泰克公司示波器DPO3034B进行测量，阻抗为50Ω，具体射频发生波形如图7～9所示，其中：

图7给出了连续正弦波的波形，信号频率为127.74MHz(对应于3T磁共振成像系统的主频)，幅度峰峰值为780mV，从该图可以看出正弦波波形正常光滑，无变形与毛刺，能够保证成像中不会激发不需要的成分或区域。

图8给出了单通道射频硬脉冲的波形，其脉宽为1ms，正弦信号频率为127.74MHz，该图表明所发硬脉冲整个脉冲范围内幅度平坦，上升沿与下降沿均很陡峭且无明显过冲，有助于准确测量磁共振信号的弛豫，以及无失真的体激发。

图9给出了同时发生双通道射频软脉冲的波形，上方的波形为3Sinc调制(两个副瓣)，下方的波形为5Sinc调制(四个副瓣)，软脉冲波形采样率均为256个点，调制的时间分辨率均为10μs。该图表明单个射频发生模块能够灵活地发生两路软脉冲，并且软脉冲波形完整无失真，有助于同时、精准地实现成像中选层或重聚。

Claims (10)

1.一种用于高场磁共振成像的射频发射装置，包括：

数据配置模块，用于将发送给本装置的控制信号传给射频发生模块；

本振功分模块，用于将发送给本装置的本振信号分为多路本振信号后输出；

射频发生模块，又包括：

可编程逻辑器件，用于接收数据配置模块发来的控制信号，并在控制信号的控制下产生数字中频信号，以及

数模转换器，用于将可编程逻辑器件产生的数字中频信号转换为模拟中频信号；

所述射频发生模块用于将模拟中频信号与本振功分模块输出的每一路本振信号混频后将得到的射频信号输出。

2.如权利要求1所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，所述数据配置模块通过ARM处理器将接收到的控制信号传给射频发生模块。

3.如权利要求2所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，所述ARM处理器通过SPI总线与外部谱仪的序列发生器连接，通过本地并行总线与所述射频发生模块连接。

4.如权利要求3所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，所述ARM处理器支持连接多个所述射频发生模块。

5.如权利要求1所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，所述可编程逻辑器件还包括用于存储接收的控制信号的寄存器和片上双端口RAM。

6.如权利要求1所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，所述射频发生模块还包括在控制信号的控制下产生增益信号的另一数模转换器以及对信号幅度进行增益控制的模拟乘法器。

7.如权利要求1所述的用于高场磁共振成像的射频发射装置，其特征在于，每一个射频发生模块输出两个通道的射频信号。

8.一种用于高场磁共振成像的射频发射方法，包括以下步骤：

1)通过ARM处理器接收外部控制信号并传给可编程逻辑器件，同时将本振信号分为多路本振信号输出；

2)通过可编程逻辑器件接收ARM处理器发来的控制信号，在控制信号的控制下产生数字中频信号，将所述数字中频信号转换为模拟中频信号后与步骤1)输出的每路本振信号混频得到射频信号并输出。

9.如权利要求8所述的用于高场磁共振成像的射频发射方法，其特征在于，所述可编程逻辑器件在控制信号的控制下，基于直接数字频率合成DDS技术，产生指定频率、相位、幅度的数字中频信号。

10.如权利要求8所述的用于高场磁共振成像的射频发射方法，其特征在于，还包括：所述模拟中频信号经过低通滤波并进行增益控制后与步骤1)输出的每路本振信号混频，在射频开关的控制下得到射频脉冲。