CN106997033B - 一种多通道磁共振射频发射方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种多通道磁共振射频发射方法和装置，首先采用FPGA实现直接数字式频率合成器(DDS)功能和射频波形信号的调制，然后经过独立高性能的数字模拟转换器(DAC)芯片并行输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号。本发明基于现场可编程门阵列FPGA和数字模拟转换器DAC芯片，由FPGA实现多路信号的直接数字式频率合成(DDS)功能和射频信号的调制，然后经过高性能DAC并行输出多路相位、频率、幅度独立可调的射频脉冲信号，提供均匀的射频场，进而改善高场磁共振信号的质量。本发明能够有效解决现有技术方案无法实现各通道信号的独立调节难题，同时降低了复杂度和成本。

Description

一种多通道磁共振射频发射方法和装置

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，尤其涉及一种多通道磁共振射频发射方法和装置。

背景技术

射频信号发射装置是核磁共振成像谱仪的重要组成部分之一，它产生频率、相位和幅度可快速调整的射频信号，信号经过放大处理后激发静磁场中原子的核磁共振，从而获得可用于成像的磁共振信号。随着我国核磁共振成像系统的普及，高场超导磁共振系统越来越重要，因为更高场强意味着更好的图像质量和更准确的检查结果，特别是在神经、骨关节和血管成像方面，高场磁共振具有独特的优势。

高场磁共振成像设备具有扫描速度更快、分辨率更佳、信噪比更高的优势，它是磁共振技术的重要发展方向。但是高场磁共振设备也有其固有的技术难题，主要表现为：(一)射频场的不均匀性会带来抗电伪影，造成难以克服的图像伪影；(二)高场磁共振检查中热效应明显增大。多通道射频发射方法实现了输出多路相位、频率、幅度独立可调节的射频信号的功能，可根据患者实际情况智能调整各自的发射功率和波形，获得均匀的射频场，从而明显降低高场中固有的抗电效应和热效应问题，有效解决上述的高场磁共振成像中的技术难题。

目前，多通道射频发射方法主要有以下两种实现方法：一种是采用单路射频信号扩展为多路射频信号的实现方法，如图1所示，该方案采用功分器将单个射频发射源分为多路射频信号，然后使用移相器和衰减器来调整每路信号的相位和幅度，但是该方案不能实现各通道调制信号的独立调节，所有输出信号的调制方式都相同，仅存在相位和幅度的差别。另一种采用多路独立的DDS电路分别获得多路射频信号的实现方法，如图2所示，这种方案采用多个并行的DDS芯片和信号调制电路实现射频信号的产生和调制，由于各路信号单独使用一个专用DDS芯片和信号调制电路，所以可以实现对每一路信号的独立调制，但是该方案设计复杂度高，实现难度和成本均较高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种多通道磁共振射频发射方法和装置，基于现场可编程门阵列(FPGA,Field－Programmable Gate Array)和数字模拟转换器(DAC,Digital to analog converter)芯片，由FPGA实现多路信号的直接数字式频率合成(DDS,Direct Digital Synthesizer)功能和射频信号的调制，然后经过高性能DAC并行输出多路相位、频率、幅度独立可调的射频脉冲信号，提供均匀的射频场，进而改善高场磁共振信号的质量。

本发明提供的技术方案是：

一种多通道磁共振射频发射方法，首先采用FPGA实现直接数字式频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)功能和射频波形信号的调制，然后经过独立高性能的数字模拟转换器(DAC，Digital to analog converter)芯片并行输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号；包括如下步骤：

1)数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)芯片将载波信号的频率、幅度、相位等参数写入双端口随机存储器(DPRAM，Dual Port Random Access Memory)；DSP将调制波形文件存入DPRAM；

2)FPGA单元包括锁相环(PLL,Phase Locked Loop)时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器和增益调节器、串行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)；所述FPGA单元使用串行外设接口配置数模转换器的寄存器，读取DPRAM中的幅度参数，对增益调节器进行配置；

3)FPGA读取DPRAM中的频率、相位参数，完成对直接数字式频率合成器(DDS，Direct Digital Synthesizer)的IP核的配置；

4)FPGA控制射频开关，打开射频开关；

5)FPGA读取DPRAM中的波形文件数据，与DDS产生的载波数据相乘，得到数字射频信号(RF，Radio Frequency)，输出给数模转换器；

6)经数模转换之后的模拟信号，再经放大滤波后，输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号。

针对上述多通道磁共振射频发射方法，进一步地，步骤2)所述锁相环(PLL)时钟管理由Xilinx提供的IP核实现，用于为FPGA单元提供所需的时钟信号。

针对上述多通道磁共振射频发射方法，进一步地，步骤2)所述直接数字频率合成器通过Xilinx提供的IP核实现，用于生成特定载波信号。

针对上述多通道磁共振射频发射方法，进一步地，所述DPRAM读取通过采用Xilinx提供的IP核实现，用于从DPRAM中读取载波信号相位、频率、幅度参数和波形信号文件。

针对上述多通道磁共振射频发射方法，进一步地，所述串行外设接口用于配置数模转换单元；所述数模转换单元包括多个数模转换器和增益调节器芯片；所述数模转换器采用差分输入方式。

本发明还提供一种多通道磁共振射频发射装置，包括控制单元、FPGA单元、数据存储单元和数模转换单元；所述FPGA单元包括锁相环PLL时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器配置和串行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)；PLL时钟管理为FPGA单元提供所需的时钟信号；直接数字频率合成器生成特定的载波信号；SPI串行接口配置数模转换单元；数据存储单元存储载波参数和调制波形数据；所述控制单元将载波信号参数和调制波形文件写入双端口随机存储器，同时输出控制信号；FPGA单元从DPRAM中读取载波参数和波形信号文件，通过调制得到数字射频信号(RF)，经数模转换单元进行转换之后的模拟信号经放大滤波后，输出多路所需的射频信号。

针对上述多通道磁共振射频发射装置，进一步地，所述控制单元具体采用数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)芯片，将载波信号参数和调制波形文件写入双端口随机存储器(DPRAM)。

针对上述多通道磁共振射频发射装置，进一步地，所述载波信号参数包括载波的相位、频率、幅度参数。

针对上述多通道磁共振射频发射装置，进一步地，所述数模转换单元包括多个数模转换器和多个增益调节器。

针对上述多通道磁共振射频发射装置，进一步地，在本发明实施例中，所述FPGA单元采用Xilinx公司的Spartan-6系列xc6slx100芯片，使用VHDL硬件描述语言进行FPGA程序开发而得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于FPGA和DAC的多通道射频发射方法和装置，这种方法采用FPGA实现DDS功能和射频波形信号的调制，然后经过独立高性能的DAC并行输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号，此外,利用FPGA开发的灵活性和内置IP核的优势，降低了系统设计的复杂性和成本。因此，本发明能够有效解决现有技术方案无法实现各通道信号的独立调节的难题，同时降低设计和实现的复杂度和成本，对于高场磁共振成像系统的研究改进有重要意义。与现有技术相比，本发明有如下先进性：

(一)采用FPGA实现DDS功能和射频波形的调制，采用独立的高性能的DAC并行输出多路射频信号，在设计和高性能DAC选择上具有很好的灵活性；

(二)利用FPGA芯片提供的IP内核易于实现DDS功能和调制波形功能，降低方案设计实现难度和成本；

(三)实现并行输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频信号的功能；

(四)射频信号通道数容易扩展，理论上可输出任意多路的独立可调节的射频信号。

附图说明

图1是现有技术将单路射频信号扩展为多路射频信号的方法原理图；

图2是现有技术采用多路独立的DDS电路获得多路射频信号的方法原理图；

图1～图2中，RF₁～RF_n为多路(1～n路)数字射频信号(RF，Radio Frequency)。

图3为本发明提供的实现用于磁共振成像的多通道射频发射方法的多通道射频发射设备的结构框图；

多通道射频发射设备包括：控制单元、FPGA单元、数据存储单元和数模转换单元；其中FPGA单元包括锁相环(PLL,Phase Locked Loop)时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器配置和串行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)。

图4为本发明提供的多通道并行发射装置中的FPGA单元内部的结构框图；

FPGA单元包括：PLL时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器和增益调节器配置和串行SPI接口。

图5为本发明提供的多通道射频发射方法的工作流程框图。

图6为本实施例提供的四通道射频发射方法的电路实物图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种应用于磁共振成像的多通道射频发射方法，该方法基于FPGA和DAC芯片，实现各通道射频信号相位、频率、幅度快速独立地调节，同时降低难度和成本。

本发明提供的多通道射频发射装置包括控制单元、FPGA单元、数据存储单元和数模转换单元；其中FPGA单元包括锁相环(PLL,Phase Locked Loop)时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器配置和串行外设接口(SPI,Serial Peripheral Interface)；如图3所示：

A、控制单元：该单元采用数字信号处理(DSP，Digital Signal Processing)芯片，将载波的相位、频率、幅度等参数和调制波形文件写入双端口随机存储器(DPRAM，DualPort Random Access Memory)，同时输出控制信号。

B、FPGA单元：包括PLL时钟管理、直接数字频率合成器、数模转换器和增益调节器配置和串行SPI接口，如图4所示。

其中，PLL时钟管理由Xilinx提供的IP核实现，为FPGA单元提供所需的时钟信号；

直接数字频率合成器通过Xilinx提供的IP核实现，生成特定的载波信号；

DPRAM读取采用Xilinx提供的IP核实现，完成从DPRAM中读取载波信号相位、频率、幅度参数和波形信号文件的功能；

SPI串行接口用于配置数模转换单元，数模转换单元包括多个数模转换器和增益调节器芯片；

C、数据存储单元：采用高速存取、低功耗的DPRAM，用于存储载波信号的相位、频率、幅度等参数和调制波形数据。

D、数模转换单元：包括多片数模转换器和增益调节控制器，数模转换器采用差分输入方式，可有效减少外部干扰。

图5为本发明提供的多通道射频发射方法的工作流程框图。本发明提供的高场磁共振成像的多通道射频发射方法的工作流程主要包括：

1)DSP将载波信号的频率、幅度、相位等参数写入DPRAM，DSP将调制波形文件存入DPRAM；

2)FPGA使用SPI接口配置数模转换器的寄存器，FPGA读取DPRAM中的幅度参数，对增益调节器进行配置；

3)FPGA读取DPRAM中的频率、相位参数，完成对DDS的IP核的配置；

4)FPGA控制射频开关，打开射频开关；

5)FPGA读取DPRAM中的波形文件数据，与DDS产生的载波数据相乘，得到数字射频信号(RF，Radio Frequency)，输出给数模转换器；

6)数模转换之后的模拟信号经放大滤波后得到最终的输出信号。

其中，PLL时钟管理为FPGA提供所需的时钟信号。

实施例一：

本实施例采用本发明提供的多通道磁共振射频发射方法实现了四通道射频发射，可同时发射四路相位、频率、幅度可独立调节的射频信号，图6为本实施例提供的四通道射频发射方法的电路实物图。以下结合图3和图4具体叙述本发明的具体实施。

A)本实施例中的DSP芯片为控制单元，如图3所示，输出两路载波信号的相位、频率、幅度参数到DPRAM，同时输出两路调制信号波形文件和控制信号到FPGA单元。

B)如图3所示，本实施例中的FPGA单元，采用Xilinx公司的Spartan-6系列xc6slx100芯片设计开发，使用VHDL硬件描述语言进行FPGA的程序开发。Spartan-6系列芯片内置许多常用的IP内核，明显降低开发设计难度，此外，VHDL语言具有支持模块化设计，易于修改和移植的特征，很大程度上缩短开发周期。FPGA单元是本发明的核心部分，实现了时钟管理，DDS，信号调制，DPRAM读取以及DAC芯片配置等功能。FPGA单元内部的具体结构如图4所示，其中：

B1)PLL时钟管理器采用Xilinx提供的IP核实现，为FPGA单元提供多种时钟信号。

B2)数字频率合成器采用Xilinx提供的IP核实现，生成特定载波信号的功能。

B3)DPRAM读取采用Xilinx提供的IP核实现，从DPRAM中读取载波信号参数。

B4)SPI串行接口用于配置数模转换单元的芯片，本实施例中数模转换单元包括两个数模转换器AD9122和两个增益调节器芯片AD5660。

B5)控制单元输出的控制信号触发FPGA单元，该单元的实施可以分为两路：数据信号处理和参数配置信号处理。A.数据信号处理：在时钟信号作用下，读取DPRAM中两路调制信号的波形文件和载波信号的参数。其中，载波信号的相位、频率参数用于配置DDS的IP核，从而生成特定相位、频率的载波信号。把该信号作为载波信号，调制读取的调制信号，得到特定的数字脉冲信号。B.参数配置信号处理：在时钟信号作用下，两个AD9122芯片和AD5660芯片的参数信号，通过SPI串行接口配置到芯片寄存器中。

最终，FPGA单元输出两路调制后的数字脉冲信号，并且完成两个AD9122和两个AD5660芯片的配置。

C)数模转换单元主要包括数模转换器和增益调节器。本实施例中数模转换器采用AD9122芯片，AD9122芯片是一款双通道、16位数模转换器，具有很高的动态范围和采样速率，同时能将一路信号转化为两路正交信号，从而有效减少DAC芯片的使用数量。增益控制器采用低功耗、单通道、16位数模转换器AD5660，控制输出信号的增益。

两路数字信号通过数模转换单元得到四路两两正交的模拟信号，模拟信号经放大器(AMP，amplifier)、低通滤波器(LPF，Low Pass Filter)的放大和滤波处理后输出到线圈，感应出所需的射频场。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种多通道磁共振射频发射方法，首先采用FPGA实现直接数字式频率合成器功能和射频波形信号调制，然后经过独立高性能的数字模拟转换器芯片并行输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号；包括如下步骤：

1)数字信号处理芯片将载波信号的频率、幅度、相位参数写入双端口随机存储器；数字信号处理芯片将调制波形文件存入双端口随机存储器；双端口随机存储器通过采用Xilinx提供的IP核实现，用于从所述双端口随机存储器中读取载波信号相位、频率、幅度参数和波形信号文件；

2)FPGA单元包括锁相环时钟管理、直接数字式频率合成器、数模转换器配置、增益调节器配置、串行外设接口；所述FPGA单元使用串行外设接口配置数模转换器的寄存器，读取所述双端口随机存储器中的幅度参数，对增益调节器进行配置；所述锁相环时钟管理由Xilinx提供的IP核实现，用于为FPGA单元提供所需的时钟信号；3)FPGA读取所述双端口随机存储器中的频率、相位参数，完成对直接数字式频率合成器的IP核的配置；

4)FPGA控制射频开关，打开射频开关；

5)FPGA读取所述双端口随机存储器中的波形文件数据，与所述直接数字式频率合成器产生的载波数据相乘，得到数字射频信号，输出给数模转换器；

6)经数模转换之后的模拟信号，再经放大滤波后，输出多路相位、频率、幅度可独立调节的射频脉冲信号。

2.如权利要求1所述多通道磁共振射频发射方法，其特征是，步骤2)所述直接数字式频率合成器通过Xilinx提供的IP核实现，用于生成特定载波信号。

3.如权利要求1所述多通道磁共振射频发射方法，其特征是，所述串行外设接口用于配置数模转换单元；所述数模转换单元包括多个数模转换器和增益调节器芯片；所述数模转换器采用差分输入方式。

4.一种多通道磁共振射频发射装置，包括控制单元、FPGA单元、数据存储单元和数模转换单元；所述FPGA单元包括锁相环时钟管理、直接数字式频率合成器、数模转换器配置、增益调节器配置和串行外设接口；锁相环时钟管理为FPGA单元提供所需的时钟信号；直接数字式频率合成器生成特定的载波信号；串行外设接口配置数模转换单元；数据存储单元存储载波参数和调制波形数据；所述控制单元将载波信号参数和调制波形文件写入双端口随机存储器，同时输出控制信号；FPGA单元从所述双端口随机存储器中读取载波参数和波形信号文件，通过调制得到数字射频信号，经数模转换单元进行转换之后的模拟信号经放大滤波后，输出多路所需的射频信号。

5.如权利要求4所述多通道磁共振射频发射装置，其特征是，所述控制单元具体采用数字信号处理芯片，将载波信号参数和调制波形文件写入所述双端口随机存储器。

6.如权利要求4所述多通道磁共振射频发射装置，其特征是，所述载波信号参数包括载波的相位、频率、幅度参数。

7.如权利要求4所述多通道磁共振射频发射装置，其特征是，所述数模转换单元包括多个数模转换器和多个增益调节器芯片。

8.如权利要求4所述多通道磁共振射频发射装置，其特征是，所述FPGA单元采用Xilinx公司的Spartan-6系列xc6slx100芯片，使用VHDL硬件描述语言进行FPGA程序开发而得到。