CN108872893A - 一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，包括FPGA控制模块和若干路核素采样单元，每路核素采样单元均包括本振模块、功分器、多通道模数转换器和若干路正交下变频采样单元，每路正交下变频采样单元均包括前端可变增益放大器、正交解调器、低通滤波器、后端可变增益放大器，可实现对每一种核素多通道磁共振信号的并行接收；提高了系统的集成度和可扩展性；能够有效的抑制镜像频带的产生；同时能够进行宽频带的射频接收，实现了信号的全频段覆盖。

Description

一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机

技术领域

本发明涉及核磁共振仪器技术领域，具体涉及一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，适用于核磁共振成像仪或核磁共振波谱仪中，用于实现不同原子核产生的多通道核磁共振信号的并行采集与处理。

背景技术

核磁共振射频信号接收装置是核磁共振仪器必不可少的组成部分，用于实现核磁共振信号的解调、采样、滤波、存储和累加等功能。随着核磁共振技术研究领域的不断扩大，核磁共振仪器系统日益呈现向多核素采集和快速采集的方向发展。这些新的需求对核磁共振仪器的接收系统提出了更高的要求，一方面要求接收系统能够实现多核素磁共振信号的并行接收，用于获得不同原子核之间的多元磁共振信息；另一方面要求接收系统对每一种核素都能够实现多通道并行接收，用于加快采集速度，提高实验效率。

目前用于实现多核素磁共振信号多通道并行采集的接收机设计方案鲜有文献报道，特别是在磁共振成像领域，几乎都以氢原子核（¹H）的磁共振信号作为检测对象，对其他原子核（如²³Na，³¹P等，又称为杂核）的磁共振成像则由于信噪比低和横向弛豫时间短等因素而无法实现。近年来，随着磁共振成像系统磁场强度和仪器性能的不断提高，使得获取除¹H核以外的其他原子核的磁共振图像成为可能，这些技术革新不仅为获取杂核的磁共振图像提供了条件，也为同时观测多种原子核的磁共振图像、获得多元图像信息提供了基础。因此，如何实现多种核素磁共振成像信号的并行接收，已经成为高场磁共振成像仪器技术领域亟待解决的问题。

另一方面，随着磁共振成像中多通道相控阵接收线圈和并行重建技术的发展，要求磁共振接收机需要同时接收多个通道的磁共振信号以实现快速成像。对于核磁共振接收机多通道并行接收的设计，有相关文献提出了基于时分复用、频分复用和时/频分复用相结合的设计方案，用于实现同时对多个线圈输出的磁共振信号进行采集的功能。这些方案的目的是尽量使用较少的模数转换器（ADC）来实现多通道磁共振信号的并行采集，能够在一定程度上减少因多通道扩展而增加的成本。但是减少ADC数量的同时将会增加其他外部电路设计的复杂度，例如需要设计复杂的通道切换开关和窄带滤波器，这些外部电路将会引入开关调制噪声和通道间串扰，降低了各个通道的接收增益和动态范围，而且当接收通道数目进一步增加后，会急剧地增大ADC的采样速率和外围电路的设计难度，因此上述复用ADC的并行接收方案将不再适用。因此，如何更简单高效的实现对每一种核素多通道磁共振信号并行接收功能，是利用相控阵线圈和并行重建技术实现快速磁共振成像实验的前提。

综上所述，为了满足磁共振成像对多核素和多通道并行采集的需求，不仅要求核磁共振接收机具有多种核素同时采集的功能，而且要求每一种核素的信号采集都支持多通道并行接收，才能实现在采集多元化磁共振信息的同时进一步提高实验效率。然而，同时满足上述两个设计要求的核磁共振接收机方案目前还没有相关文献报道，属于技术空白领域，是核磁共振仪器技术领域亟待解决的关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提出了一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，可以实现多种核素磁共振信号的同时接收，且对每一路磁共振信号实现多通道并行接收。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，包括FPGA控制模块，还包括若干路核素采样单元，

每路核素采样单元均包括本振模块、功分器、多通道模数转换器和若干路正交下变频采样单元，

每路正交下变频采样单元均包括前端可变增益放大器、正交解调器、低通滤波器、后端可变增益放大器，

本振模块与功分器连接，功分器分别与各路正交下变频采样单元中的正交解调器连接，

前端可变增益放大器与正交解调器连接，正交解调器与低通滤波器连接，低通滤波器与后端可变增益放大器连接，后端可变增益放大器与多通道模数转换器连接，多通道模数转换与FPGA控制模块连接。

如上所述的FPGA控制模块还分别与存储器、通信接口和同步信号接口连接。

如上所述的本振模块、功分器、前端可变增益放大器、正交解调器、低通滤波器与后端可变增益放大器、FPGA控制模块布设在不同的PCB印制板上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1. 可实现多核素磁共振信号的并行接收，同时可实现对每一种核素多通道磁共振信号的并行接收；

2. 数字中频信号的解调、抽取、滤波功能都集成在单片FPGA中实现，提高了系统的集成度和可扩展性；

3. 采用正交解调的方式获得中频信号和基带信号，能够有效的抑制镜像频带的产生；

4. 能够进行宽频带的射频接收，覆盖了从低场强到高场强下的磁共振信号全频段共振频率；

5. 数模隔离，有效的减小了模拟信号与数字信号之间的干扰。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，包括FPGA控制模块8，还包括若干路核素采样单元，

每路核素采样单元均包括本振模块1、功分器3、多通道模数转换器7和若干路正交下变频采样单元，

每路正交下变频采样单元均包括前端可变增益放大器2、正交解调器4、低通滤波器5、后端可变增益放大器6，

本振模块1与功分器3连接，功分器3分别与各路正交下变频采样单元中的正交解调器4连接，

前端可变增益放大器2与正交解调器4连接，正交解调器4与低通滤波器5连接，低通滤波器5与后端可变增益放大器6连接，后端可变增益放大器6与多通道模数转换器7连接，多通道模数转换7与FPGA控制模块8连接。

FPGA控制模块8还分别与存储器9、通信接口10和同步信号接口11连接。

本振模块1、功分器3、前端可变增益放大器2、正交解调器4、低通滤波器5与后端可变增益放大器6、FPGA控制模块8布设在不同的PCB印制板上。

本振模块1，用于提供不同核素的本振信号，本振信号为宽频带射频信号；

前端可变增益放大器2（VGA），用于调整接收的磁共振射频信号的接收增益，并将调整增益后的磁共振射频信号输出到正交解调器4，可变增益放大器2的核心器件为AD8369；

功分器3，用于将本振模块1产生的本振信号分为多路，将各路本振信号分别传输到各路正交下变频采样单元中的正交解调器4，功分器3的核心器件为ZBSC-413+；

正交解调器4，用于接收本振信号和磁共振射频信号，并将磁共振射频信号的载波频率通过正交解调的方式搬移到中频处，抑制镜像频带的产生，输出正交混频之后的信号到低通滤波器5，正交解调器4的核心器件为ADE-11X；

低通滤波器5（LPF），用于抑制正交混频之后的信号中的高频带信号，输出所需要的模拟中频信号到后端可变增益放大器6（VGA），低通滤波器为7阶LC低通椭圆滤波器。

后端可变增益放大器6（VGA），用于调整模拟中频信号的接收增益，并将调整后的模拟中频信号输出到多通道模数转换器7，同一正交下变频采样单元中产生的各路模拟中频信号构成多通道模拟中频信号，可变增益放大器6的核心器件为AD8369；

多通道模数转换器7，用于多通道模拟中频信号进行数字采样，得到多通道数字中频信号后输出到FPGA控制模块8，多通道模数转换器7的核心器件为ADS6442；

FPGA控制模块8，用于将通过通信接口10接收到的脉冲序列数据存入存储器9；用于在脉冲序列同步信号有效时，从存储器中读取脉冲序列数据并进行数据解析获得多通道模数转换器7的采样控制信号，根据采样控制信号对多通道模数转换器7进行采样控制，读取多通道模数转换器7采样获得的多通道数字中频信号；用于对多通道数字中频信号进行数字解调、抽取和滤波后得到基带信号，然后将基带信号进行存储、累加和上传，同时控制前端可变增益放大器2和后端可变增益放大器6的增益值。基带信号最终保存在存储器9中，然后由通信接口10上传到上位机进行处理，FPGA控制模块8的核心器件为Xilinxxc7a100tfgg676pkg；

存储器9，用于存储FPGA控制模块8处理得到的基带信号以及上位机发送的脉冲序列数据，存储器9的核心器件为KVR16S11S8/4；

通信接口10，用于将FPGA控制模块8处理后的基带信号上传到上位机进行处理，同时接收上位机发送的脉冲序列数据并传送到FPGA控制模块8；用于将从FPGA控制模块8接收到的基带信号进行上传；

同步信号接口11，用于接收脉冲序列同步信号并传送到FPGA控制模块8。

上述同一核素采样单元中的正交下变频采样单元的个数至少为一个，正交下变频采样单元的个数取决于每一种核素对应的接收线圈通道数。核素采样单元个数至少为一个，核素采样单元的个数取决于接收核素的个数。

本发明的原理示意图如图1所示，采用可编程门阵列（FPGA，Field ProgrammableGateArray）作为系统的控制核心，完成脉冲序列数据的存储解析和各个模块电路的控制，结构紧凑，操作方便。对于不同核素的磁共振射频信号接收采用了不同的本振信号，当需要同时接收多个核素的磁共振信号时，只需设置各个本振模块输出与原子核共振频率对应的本振信号频率，即可实现多核素磁共振信号的并行解调。为了增加接收机的动态范围，本发明采用可变增益放大器(VGA, Variable Gain Amplifier)实现增益控制模块，用来调整射频信号和中频信号的增益。本发明采用正交解调的方式将磁共振射频信号的共振频率搬移到中频处，最大限度的消除了混频过程中产生的镜像频率。同时，为了防止模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）采样混叠，使用7阶LC低通椭圆滤波器对中频信号进行防混叠滤波，然后再使用ADC对中频信号数字化，低通椭圆滤波器同时也能够有效的抑制正交解调模块输出的高频带信号，获得需要的中频模拟信号。经过数字化之后的中频信号需要进行数字下变频处理后获得基带信号，本发明采用FPGA来实现数字下变频器 (DDC,Digital Down Converter)，与采用专用数字处理芯片进行数字下变频的方案相比具有更高的集成度和可扩展性。经过数字下变频后的基带信号被缓存到存储器中，如果需要对数据进行累加，则使用存储器对数据进行乒乓缓存并累加，处理完成的数据保存在存储器中提供给上位机读取。

为了实现多种核素磁共振信号的并行接收，本发明为每一种核素提供了独立的本振模块，用于对每一种核素的磁共振信号实现正交解调。具体实施方式如图1所示，假设有m种核素的信号需要并行接收，每种核素的信号包括n个通道（RF1_CH1～RF1_CHn……RFm_CH1～RFm_CHn），则相应的提供m组本振模块，用于为m种不同核素的磁共振信号提供正交解调时的本振信号。本振信号的频率取决于对应核素的共振频率，假设上述m种核素的共振频率依次是f₁，f₂…… f_m，中频频率为f_I，则m组本振信号的频率值依次设置为f₁+f_I，f₂+f_I……f_m+f_I，这样设置本振频率可以保证所有核素的中频信号频率都是f_I，更有利于中频信号的增益调整、模数转换和数字下变频处理。

同时，为了实现每一种核素磁共振信号的多通道并行接收，本发明为每一个接收通道的信号提供了独立的前端可变增益放大器（VGA）、正交解调器、低通滤波器（LPF）、后端可增益放大器和数模转换通道，保证每一个接收通道的信号能够并行的实现增益调整和数据采集。经过数字化之后的信号在FPGA中并行的实现数字下变频操作，提取出最终的基带信号。具体实施方式如图1所示，假设核素1有n个接收线圈同时接收磁共振信号，分别是“RF₁_CH₁，RF₁_CH₂ ……RF₁_CH_n”，则相应的为核素1提供n组前端可变增益放大器（VGA）、正交解调器、低通滤波器（LPF）、后端可增益放大器，其中n组正交解调器的本振信号由功分器的n个输出端提供，功分器的输入信号为对应核素的本振信号，以此来实现n个接收线圈上磁共振信号的并行接收功能。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，包括FPGA控制模块（8），其特征在于，还包括若干路核素采样单元，

每路核素采样单元均包括本振模块（1）、功分器（3）、多通道模数转换器（7）和若干路正交下变频采样单元，

每路正交下变频采样单元均包括前端可变增益放大器（2）、正交解调器（4）、低通滤波器（5）、后端可变增益放大器（6），

本振模块（1）与功分器（3）连接，功分器（3）分别与各路正交下变频采样单元中的正交解调器（4）连接，

前端可变增益放大器（2）与正交解调器（4）连接，正交解调器（4）与低通滤波器（5）连接，低通滤波器（5）与后端可变增益放大器（6）连接，后端可变增益放大器（6）与多通道模数转换器（7）连接，多通道模数转换（7）与FPGA控制模块（8）连接。

2.根据权利要求1所述的一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，其特征在于，所述的FPGA控制模块（8）还分别与存储器（9）、通信接口（10）和同步信号接口（11）连接。

3.根据权利要求1所述的一种多核素多通道并行采集核磁共振接收机，其特征在于，所述的本振模块（1）、功分器（3）、前端可变增益放大器（2）、正交解调器（4）、低通滤波器（5）与后端可变增益放大器（6）、FPGA控制模块（8）布设在不同的PCB印制板上。