CN108872900A - 一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,包括用数据输入模块、预加重参数模块、输入数据复用器、预加重参数复用器、补偿信号计算单元、多路解复用器、数据求和模块和DAC控制模块。本发明基于单片数字集成电路芯片实现,采用多通道复用器和解复用器实现对补偿信号计算单元的时分复用,能够在提高数字预加重计算精度和增加输出通道数的情况下,成倍地减少数字集成电路芯片中逻辑资源的使用量,极大地提高了数字预加重的计算效率和逻辑资源使用率,实现多通道、高精度的核磁共振数字预加重功能。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振仪器技术领域,具体涉及一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,用于减小由于梯度涡流引起的梯度磁场畸变和失真。
背景技术
在核磁共振成像系统中,梯度系统用于产生线性变化的梯度磁场进行空间编码。梯度系统主要包括梯度波形发生器、梯度功率放大器和梯度线圈等部件。由于梯度线圈处于磁体内部,而磁体内往往包含很多金属部件,比如磁屏蔽外壳、超导线圈、匀场线圈、射频线圈和梯度线圈等,那么根据楞次定律,在梯度磁场的上升沿和下降沿的突变过程中,会在这些金属部件内部产生阻碍磁场变化的电流,这些感应出来的暂态电流称之为涡流(EddyCurrent)。涡流的存在会严重影响梯度磁场的变化,使梯度波形产生畸变,如果不进行补偿,则会在磁共振图像中形成伪影,影响图像质量,特别是在快速磁共振成像脉冲序列中,梯度磁场的变化速率更快,从而产生的涡流会更大,将会直接影响快速磁共振成像效果。因此,在磁共振成像系统中必须对涡流进行补偿。
目前涡流补偿采用的最普遍方法是对梯度电流进行预加重处理,这种方法是在梯度波形进入梯度功率放大器之前,由预加重滤波器给原始的梯度电流叠加上补偿电流,使梯度波形预失真,然后将预失真的波形输出到梯度功率放大器,最后在梯度线圈上得到经过补偿后的梯度波形。补偿电流的大小满足多组e指数函数的叠加形式,方向与涡流方向相反。其大小可以表示为:其中Ie(t)为叠加后的补偿电流,N为补偿滤波器的级数,Ai和τi分别为补偿电流曲线的幅度常数和时间常数。因此,使用梯度预加重的方法进行涡流补偿即变为寻找一组或多组合适的幅度常数Ai和时间常数τi,然后用这些参数产生补偿电流叠加到原始梯度上,使得补偿电流刚好与涡流的变化趋势相反,抵消涡流对梯度磁场的影响,从而达到补偿涡流的目的。梯度预加重补偿涡流的方法可以分为模拟预加重和数字预加重两类,模拟预加重使用模拟电子器件来调节预加重的幅度常数和时间常数,往往容易受到环境、温度和元件老化等问题的影响而导致预加重效果变差,同时由于使用大量模拟器件,导致模拟预加重模块体积较大且成本较高。近年来,随着电子技术和数字集成电路的发展,梯度数字预加重的方法被广泛应用于涡流补偿,数字预加重方法将幅度常数和时间常数都进行数字化,同时使用数字滤波器的瞬态响应来进行预加重波形的设计,从而克服了模拟预加重方案不稳定和高成本的问题。
梯度数字预加重的方法一般基于单片数字集成电路实现,常见的数字集成电路包括现场可编程门阵列(FPGA)芯片或数字信号处理器(DSP)芯片。数字预加重实现框图如图1所示,图中梯度数据输入模块用于产生原始梯度数据x(n),预加重计算模块用于产生不同补偿参数的涡流补偿信号y(n),梯度数据求和模块用于叠加原始梯度信号和涡流补偿信号,输出经过预加重后的梯度信号G(n),计算关系式为DAC控制模块用于生成DAC芯片的控制信号,控制DAC芯片将G(n)转换为模拟梯度信号,预加重参数分配模块用于产生不同的幅度常数A和时间常数τ,系统时钟模块用于产生各个模块的驱动时钟。图中补偿信号计算单元的差分方程可表示为:y(n)=A[x(n)-x(n-1)]+e-T/τ·y(n-1),A和τ分别幅度常数和时间常数。根据差分方程,补偿信号计算单元在单片数字集成电路中的实现框图如图2所示,每个补偿信号计算单元由若干乘法器(Product)、加法器(Add)和延时器(UnitDelay)构成,若需要实现多组不同幅度常数和时间常数涡流补偿信号的叠加,则通过复制N个补偿信号计算单元来实现。
上述基于单片数字集成电路实现梯度数字预加重的方案,虽然可以获得经过预加重之后的梯度信号,但是随着预加重补偿精度的提高和信号输出通道数的增加,现有方案需要成倍的增加补偿信号计算单元和预加重计算模块的数量,以保证每一路信号的输出都能够获得足够精度的预加重处理,而实现这些单元和模块的逻辑资源(如乘法器、加法器、延时器等)在数字集成电路芯片中数量有限且十分稀少,当预加重计算模块数量成倍增加后将超出芯片的逻辑资源容量,导致现有方案无法实现多通道、高精度的核磁共振数字预加重功能,限制了核磁共振技术的发展。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处,本发明提出了一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,包括补偿信号计算单元,其特征在于,还包括输入数据复用器、预加重参数复用器、多路解复用器和数据求和模块,
输入数据复用器、预加重参数复用器、补偿信号计算单元、多路解复用器的复用周期相同,每个复用周期由N个处理时间段构成,N个处理时间段分别与N个通道一一对应,
输入数据复用器,用于接收N个通道的原始输入数据,并用于在每个处理时间段输出对应通道的原始输入数据到补偿信号计算单元;
预加重参数复用器,用于在对应的处理时间段接收对应通道的预加重参数并发送到补偿信号计算单元;
补偿信号计算单元,用于根据接收到当前处理时间段对应通道的原始输入数据和预加重参数,计算对应的涡流补偿信号并输出到多路解复用器;
多路解复用器,用于在每个当前处理时间段将对应通道的涡流补偿信号输出到对应的数据求和模块;
数据求和模块,用于将对应的原始输入数据和对应的涡流补偿信号进行求和运算,得到预加重之后的通道数据。
一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,还包括数据输入模块和预加重参数模块,
数据输入模块,用于产生N个通道的原始输入数据,并将各个通道的原始输入数据分别输出到对应的数据求和模块,并将N个通道的原始输入数据输入到输入数据复用器;
预加重参数模块,用于产生N个通道的预加重参数,还用于将各个通道的预加重参数输出到对应的预加重参数复用器。
如上所述的每个通道的预加重参数由对应的M组预加重参数模块提供。
一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,还包括DAC控制模块,DAC控制模块用于接收数据求和模块输出的预加重之后的通道数据,将预加重之后的通道数据转换成串行外设总线数据,并输出到数模转换芯片;还用于产生控制数模转换芯片将串行外设总线数据转换为模拟信号的控制信号。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
本发明基于单片数字集成电路芯片实现,利用DAC数模转换芯片数据更新速率与数字集成电路芯片运算速率之间存在的时间差,把微秒级别的DAC数模转换芯片的数据更新周期划分为N个时间处理段,每个时间处理段划分为M个小时间片(其中N为输入数据的通道数,M为每个通道需要使用的预加重参数个数),然后在每个小时间片内完成各个通道涡流补偿信号的计算。本发明通过采用输入数据复用器和预加重参数复用器实现对多通道数据和多组预加重参数的分时选择输出,这样仅需要对一个补偿信号计算单元进行时分复用,就可以实现所有通道预加重补偿信号的计算功能,极大程度的减少了数字集成电路实现数字预加重功能的逻辑资源。对于时分复用计算后的补偿信号,本发明再通过一个多路解复用器将每个时间处理段的计算结果依次分配到对应的数据求和模块进行求和运算,依次求出每个通道预加重之后的数据输出到DAC控制模块。DAC控制模块则保持微妙级的时钟周期实现对DAC芯片的控制,因此每个通道的DAC数据更新速率最终并未发生变化,能够实现对每一个通道数据进行多参数预加重的功能。本发明能够在提高数字预加重计算精度和增加输出通道数的情况下,成倍地减少数字集成电路芯片中逻辑资源的使用量,极大地提高了数字预加重的计算效率和逻辑资源使用率,实现多通道、高精度的核磁共振数字预加重功能,解决了现有技术方案的缺点和不足。
附图说明
图1为现有技术方案实现数字预加重的原理示意图;
图2为现有技术方案实现数字预加重的实现框图;
图3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3所示,一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,包括:
数据输入模块1,用于产生N个通道的原始输入数据,并将各个通道的原始输入数据分别输出到对应的数据求和模块7,并将N个通道的原始输入数据输入到输入数据复用器3;
预加重参数模块2,用于产生N个通道的预加重参数,每个通道的预加重参数由对应的M组预加重参数模块提供;还用于将各个通道的预加重参数输出到对应的预加重参数复用器4;
输入数据复用器3、预加重参数复用器4、补偿信号计算单元5、多路解复用器6的复用周期相同,每个复用周期由N个处理时间段构成,N个处理时间段与N个通道一一对应,
输入数据复用器3,用于接收N个通道的原始输入数据,并用于在每个处理时间段输出对应通道的原始输入数据到补偿信号计算单元5;
预加重参数复用器4,用于在对应的处理时间段接收对应通道的预加重参数并发送到补偿信号计算单元5;
补偿信号计算单元5,用于根据接收到当前处理时间段对应通道的原始输入数据和预加重参数,计算对应的涡流补偿信号并输出到多路解复用器6;
多路解复用器6,用于在每个当前处理时间段将对应通道的涡流补偿信号输出到对应的数据求和模块7;
数据求和模块7,用于将对应的原始输入数据和对应的涡流补偿信号进行求和运算,得到预加重之后的通道数据输出到对应的DAC控制模块8;
DAC控制模块8,用于将预加重之后的通道数据转换成串行外设总线数据,并输出到数模转换芯片;还用于产生控制数模转换芯片将串行外设总线数据转换为模拟信号的控制信号;
本是实施例中,数据输入模块1、预加重参数模块2、输入数据复用器3、预加重参数复用器4、补偿信号计算单元5、多路解复用器6和数据求和模块7均基于现场可编程门阵列(FPGA)芯片实现,FPGA芯片使用的核心器件为Xilinx xc7a100tfgg676pkg,上述模块均基于Verilog硬件描述语言编程实现,外部DAC数模转换芯片使用的核心器件为AD5764CSU。
该装置基于单片数字集成电路实现。在图1的现有技术方案中,由于外部DAC数模转换芯片的数据更新速率在微秒(us)量级,因此系统时钟模块输出的驱动时钟周期也在us量级,以保证补偿信号计算单元的数据更新速率与DAC芯片的数据更新速率一致,防止更新速率过快导致数据丢失。
目前的数字集成电路芯片(FPGA或DSP)的运算速率都在纳秒(ns)级别甚至更高,利用DAC芯片数据更新速率与数字集成电路芯片运算速率之间的时间差,本发明创新性地将DAC控制模块对DAC数模转换芯片的控制信号与其他模块的驱动时钟(处理时间段)分开,使用纳秒(ns)级别的运算速率来计算预加重的补偿数据,而仍然保持DAC控制模块的更新速率不变,这样就能成倍地提高其他模块的时钟频率,使得在同样的DAC数据更新周期内,能够成倍地提高预加重数据的计算量,而不需要增加补偿信号计算单元5的数量。同时,由于每一个补偿信号计算单元的实现原理均相同,在提高时钟频率后还可以进一步减少补偿信号计算单元5的数量,最终仅需要对一个补偿信号计算单元5进行分时复用,即可在一个DAC数据更新周期内计算出所有通道不同补偿参数的预加重数据。本发明能够在提高数字预加重计算精度和增加输出通道数的情况下,成倍地减少数字集成电路芯片中逻辑资源的使用量,极大地提高了数字预加重的计算效率和逻辑资源使用率,实现多通道、高精度的核磁共振数字预加重功能,解决了现有方案的缺点和不足。
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 (4)
1.一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,包括补偿信号计算单元(5),其特征在于,还包括输入数据复用器(3)、预加重参数复用器(4)、多路解复用器(6)和数据求和模块(7),
输入数据复用器(3)、预加重参数复用器(4)、补偿信号计算单元(5)、多路解复用器(6)的复用周期相同,每个复用周期由N个处理时间段构成,N个处理时间段分别与N个通道一一对应,
输入数据复用器(3),用于接收N个通道的原始输入数据,并用于在每个处理时间段输出对应通道的原始输入数据到补偿信号计算单元(5);
预加重参数复用器(4),用于在对应的处理时间段接收对应通道的预加重参数并发送到补偿信号计算单元(5);
补偿信号计算单元(5),用于根据接收到当前处理时间段对应通道的原始输入数据和预加重参数,计算对应的涡流补偿信号并输出到多路解复用器(6);
多路解复用器(6),用于在每个当前处理时间段将对应通道的涡流补偿信号输出到对应的数据求和模块(7);
数据求和模块(7),用于将对应的原始输入数据和对应的涡流补偿信号进行求和运算,得到预加重之后的通道数据。
2.根据权利要求1所述的一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,其特征在于,还包括数据输入模块(1)和预加重参数模块(2),
数据输入模块(1),用于产生N个通道的原始输入数据,并将各个通道的原始输入数据分别输出到对应的数据求和模块(7),并将N个通道的原始输入数据输入到输入数据复用器(3);
预加重参数模块(2),用于产生N个通道的预加重参数,还用于将各个通道的预加重参数输出到对应的预加重参数复用器(4)。
3.根据权利要求2所述的一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,其特征在于,所述的每个通道的预加重参数由对应的M组预加重参数模块(2)提供。
4.根据权利要求1所述的一种时分复用核磁共振梯度数字预加重装置,其特征在于,还包括DAC控制模块(8),DAC控制模块(8)用于接收数据求和模块(7)输出的预加重之后的通道数据,将预加重之后的通道数据转换成串行外设总线数据,并输出到数模转换芯片;还用于产生控制数模转换芯片将串行外设总线数据转换为模拟信号的控制信号。
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