CN110954853B - 一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置 - Google Patents

一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置，方法包括：分别产生梯度本体部分对应的数字波形和梯度预补偿部分对应的数字波形；将不同的数字波形分别进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；将得到的不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。装置包括：数字波形产生电路、多个模数转换电路和合成电路。本发明能够有效提高梯度波形的电压分辨率。

Description

一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置
技术领域
本发明涉及梯度波形优化技术领域，特别是涉及一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置。
背景技术
在磁共振成像中，磁自旋的空间编码可以通过梯度线圈所产生的梯度磁场来完成。梯度线圈所产生梯度磁场的线性度与激发梯度线圈的梯度波形有非常密切的关系。其中梯度波形中的预补偿部分补偿因涡流引起的梯度磁场的非线性变化效应。因此预补偿波形的电压及时间分辨率越高，则其补偿涡流引起的梯度场非线性效应的效果就越好。
目前产生带有预补偿的梯度波形的方法主要有两种：一种是使用模拟微分器或积分器产生预补偿部分的波形，这种方法非常容易受到器件及环境影响，例如温度、湿度、器件老化等。另一种方法是使用数模转换器产生梯度波形，使用这种方法产生梯度波形时，通常使用一路数模转换器同时产生梯度波形的本体部分及预补偿部分，梯度波形的产生、补偿、合成全部在数字域完成，其中，数模转换器的作用是将数字波形转换为外部设备所需要的模拟梯度波形信号。使用这种一路数模转换器来产生梯度波形的方案，其存在的问题是：商用数模转换器在满足较高的电压分辨精度时，则时间分辨率较低；或者在满足时间分辨率较高的高速转换时，其电压分辨率一般都较低。因此，采用单路的数模转换器方案无法实现在满足较高时间分辨率的情况下仍保持较高的电压分辨率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法及装置，能够有效提高梯度波形的电压分辨率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法，包括以下步骤：
(1)分别产生梯度本体部分对应的数字波形和梯度预补偿部分对应的数字波形；
(2)将不同的数字波形分别进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；
(3)将得到的不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。
所述步骤(1)中梯度本体部分对应的数字波形包括梯度上升数字波形、梯度保持数字波形和梯度下降数字波形，梯度预补偿部分对应的数字波形包括第一预加重数字波形和第二预加重数字波形。
所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括对不同的模拟波形所占梯度波形的比例分别进行调整的步骤。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种梯度预补偿波形数字分辨率提高装置，包括：数字波形产生电路，用于产生梯度本体部分对应的数字波形和预补偿部分对应的数字波形；若干个模数转换电路，用于对不同的数字波形进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；合成电路，用于将不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。
所述数字波形产生电路产生的梯度本体部分对应的数字波形包括梯度上升数字波形、梯度保持数字波形和梯度下降数字波形，产生的梯度预补偿部分对应的数字波形包括第一预加重数字波形和第二预加重数字波形。
每个所述模数转换电路后还连接有一个比例分压电路，所述比例分压电路用于对不同的模拟波形所占梯度波形的比例进行调整。
所述合成电路由数学运算电路构建而成。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用多路数模转换器分别产生梯度波形的不同部分，其对应的数字域所描述的波形不是一个完整的梯度激励波形，而是将梯度波形分为：梯度本体(包括但不限于梯度上升、梯度保持、梯度下降)以及预补偿波形，再将波形各部分所对应的数字波形送入数模转换器，通过数模转换器满幅度转换后，再通过比例分压网络、合成器后输出，由此可见，本发明是需要经过模拟电路合成后才可以获得外部设备所需要的梯度波形信号，如此最终合成的模拟波形电压分辨率会得到提高，实现最终输出的电压分辨率优于梯度波形发生器所选用的数模转换器所标称的电压转换精度，从而使得最终输出波形预补偿部分的电压分辨精度能够随着预补偿部分电压所占整个梯度波形比例的减小而提高，同时还可以保持最终输出时间分辨率，等于梯度波形发生器所选用的数模转换器所标称的时间分辨精度。另外，本发明可以实现梯度波形的满幅度输出以达到其后级电路(包括但不限于：窄带/宽带模拟信号放大器、带通/低通/高通/带阻/陷波模拟滤波器、模数转换器、梯度功放、梯度放大器、梯度线圈、电阻网络)对于输入信号的要求。本发明还可以根据实际磁共振扫描需要，通过调整分压网络的参数，实现满足扫描条件下任意比例的预补偿波形。
附图说明
图1是本发明实施方式产生的带有预补偿的梯度波形的示意图；
图2是本发明实施方式中的波形合成图；
图3是本发明实施方式中的硬件示意图；
图4是本发明实施方式中比例分压电路的电路图；
图5是本发明实施方式中合成电路的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的第一实施方式涉及一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法，包括以下步骤：分别产生梯度本体部分对应的数字波形和梯度预补偿部分对应的数字波形；将不同的数字波形分别进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；将得到的不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。
图1是本实施方式产生的带有预补偿的梯度波形的示意图，其显示了一种较优的波形分割方式，其中，预补偿部分占整个梯度波形的比例为10％。
现有技术是通过一个单路输出的数模转换器产生上述的带有预补偿的梯度波形，而单个数模转换器无法实现在其标称的转换速率(时间分辨率)下，使其最终输出的电压转换精度(电压分辨率)高于器件所标称的电压转换精度。
本实施方式中产生的梯度波形的各个数字波形部分，这些数字波形部分包括但不限于，梯度波形上升沿、梯度波形保持部分、梯度波形下降沿、梯度波形第一预加重部分和梯度波形第二预加重部分。如图2所示，这些数字波形部分经过数模转换后得到对应的模拟波形，将这些模拟波形最后通过一个加法器进行合成输出，如此能够在保持输出波形的时间分辨率不变的条件下，提高波形的数字电压分辨率。
由此可见，本实施方式被设计为多路数模转换分别产生梯度波形的不同部分，其对应的数字域所描述的波形不是一个完整的梯度激励波形，而是将梯度波形分为：梯度本体(包括但不限于梯度上升、梯度保持、梯度下降)以及预补偿波形(包括但不限于第一预加重、第二预加重)。将波形各部分所对应的数字波形分别进行数模转换，通过数模转换实现满幅度转换后得到对应的模拟波形，再对模拟波形进行合成得到、本实施方式由于采用了多路数模转换，因此可以实现最终输出的电压分辨率优于梯度波形发生器所选用的数模转换器所标称的电压转换精度，同时还可以保持最终输出时间分辨率，等于梯度波形发生器所选用的数模转换器所标称的时间分辨精度。
值得一提的是，本实施方式在将模拟波形进行合成前，还通过比例分压网络对不同的模拟波形所占梯度波形的比例分别进行调整，通过比例分压网络可以对预补偿部分进行调整，使其占整个梯度波形的比例为10％。如此可以实现最终输出波形预补偿部分的电压分辨精度能够随着预补偿部分电压所占整个梯度波形比例的减小而提高。另外，还可以根据实际磁共振扫描需要，通过调整比例分压网络的参数来实现满足不同扫描条件下任意比例的预补偿波形。
本发明的第二实施方式涉及一种梯度预补偿波形数字分辨率提高装置，如图3所示，该装置包括：数字波形产生电路，用于产生梯度本体部分对应的数字波形和预补偿部分对应的数字波形；多个模数转换电路，用于对不同的数字波形进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；合成电路，用于将不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。其中，所述数字波形产生电路产生的梯度本体部分对应的数字波形包括梯度上升数字波形、梯度保持数字波形和梯度下降数字波形，产生的梯度预补偿部分对应的数字波形包括第一预加重数字波形和第二预加重数字波形。其中，模数转换电路可以由一个或多个数模转换器构成。
每个所述模数转换电路后还连接有一个比例分压电路，所述比例分压电路用于对不同的模拟波形所占梯度波形的比例进行调整，其中，比例分压电路也可以由一个或多个比例分压网络构成。本实施方式中，一个比例分压电路对应一个数模转换器，其作用是将其所对应的数模转换器输出进行比例分压，比例分压电路的分压比可以根据系统需要任意设置。一般情况下，比例分压网络的分压比可以根据梯度波形中各部分波形所占梯度波形的比例而定。
在磁共振成像中，由于存在梯度涡流，作为涡流补偿的预补偿梯度波形部分，其幅度一般不会超过主波形幅度的20％，通常情况下都在10％以内。在产生梯度波形的本体部分时，其电压峰-峰值较大，对于电压分辨率的要求相对较低；在产生预补偿部分的波形时，由于该部分波形是为了抵消涡流所带来的非线性效应，而对波形的幅度(电压)分辨率却要求非常高，这直接关系到梯度补偿的效果。采用比例分压网络能够在压缩电压峰-峰值的同时提高波形的电压分辨率。例如，采用20Bit的DAC器件，满幅度时产生峰-峰值为10V的模拟电压，没有使用分压网络时，其分辨率是9.5μV。但是采用了10：1的分压网络后，峰-峰值10V就变成了1V，相应的分辨率也变成了0.95μV，这样幅度分辨率就提高了10倍，等效于采用23.3Bit的DAC器件所达到的分辨率。
图4给出了一种比例分压电路的电路图，其中，输出电压
Figure GDA0003115213880000051
其中，Vin为输入电压(即波形的幅值)，Ra和Rb分别为两个电阻的阻值，由此可见，只需要通过调节电阻值就可以实现对波形的调整。本实施方式中，预补偿波形的数模转换器输出后进入一个比例分压电路进行比例(10：1)衰减，用于产生梯度本体波形的数模转换器输出后进入另一个比例分压电路(10：9)，经过这两个比例分压电路的波形合成后即可得到图1梯度波形。本实施方式中的合成电路由数学运算电路构建而成，其中数学运算电路包括但不限于加法器、乘法器、除法器、减法器等具有波形合成功能的电路。图5给出了一种采用加法器的合成电路，使用时，只需将两个比例分压电路的输出分别与输入端Ui1和输入端Ui2相连即可。本实施方式将数模转换模块输出的满幅度波形，通过一次比例变换到能够满足磁共振系统对于梯度预先补偿波形及梯度本体的比例要求，其提高了数模转换器输出波形的电压分辨率(假设使用20bit数模转换器，通过10:1电阻网络后，电压分辨率可以提高到约为23.3bit)。
将本实施方式中使用的梯度波形优化技术用于在执行磁共振成像时，可以将梯度波形送入一个或多个后级电路，最终通过特定设备(包括但不限于：梯度线圈、梯度放大器)在扫描范围内形成梯度场。所述梯度线圈被用于对核自旋进行空间编码，使得能够重建具有空间分辨的图像。对“梯度线圈”或“一个梯度线圈”的引用应当被解释为是一个或多个梯度线圈或者一组梯度线圈。多个梯度线圈被用于磁共振成像系统中以执行在三个维度上的空间编码。针对圆柱形磁体，对称轴被称作Z轴。Z梯度线圈执行沿Z轴的编码。另外两个梯度线圈通常被用于生成沿X轴和Y轴的梯度。这另外两个轴通常被选择为使得它们彼此正交并且与Z轴垂直。对应于X轴和Y轴的梯度线圈通常分别被称作X梯度线圈和Y梯度线圈。由此可见，本实施方式的梯度预补偿波形数字分辨率提高装置可以产生用于激励梯度线圈的梯度波形。
不难发现，采用本实施方式的装置输出的波形能够实现：预补偿及本体部分所占整个梯度波形的比例均能满足后级电路对于输入波形的要求；预补偿波形的电压分辨率较其使用的数模转换器所标称的分辨率提高了约3.3bit；输出梯度波形的时间分辨率与其使用的数模转换器标称的时间分辨率相同。

Claims (6)

1.一种梯度预补偿波形数字分辨率提高方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分别产生梯度本体部分对应的数字波形和梯度预补偿部分对应的数字波形；
(2)将不同的数字波形分别进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；
(3)对不同的模拟波形所占梯度波形的比例分别进行调整；
(4)将调整后的不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形。
2.根据权利要求1所述的梯度预补偿波形数字分辨率提高方法，其特征在于，所述步骤(1)中梯度本体部分对应的数字波形包括梯度上升数字波形、梯度保持数字波形和梯度下降数字波形，梯度预补偿部分对应的数字波形包括第一预加重数字波形和第二预加重数字波形。
3.根据权利要求1所述的梯度预补偿波形数字分辨率提高方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用比例分压网络对不同的模拟波形所占梯度波形的比例分别进行调整。
4.一种梯度预补偿波形数字分辨率提高装置，其特征在于，包括：数字波形产生电路，用于产生梯度本体部分对应的数字波形和预补偿部分对应的数字波形；若干个模数转换电路，用于对不同的数字波形进行满幅度转换，得到不同的模拟波形；合成电路，用于将不同的模拟波形进行合成得到一路带有预补偿的梯度波形；其中，每个所述模数转换电路后还连接有一个比例分压电路，所述比例分压电路用于对不同的模拟波形所占梯度波形的比例进行调整。
5.根据权利要求4所述的梯度预补偿波形数字分辨率提高装置，其特征在于，所述数字波形产生电路产生的梯度本体部分对应的数字波形包括梯度上升数字波形、梯度保持数字波形和梯度下降数字波形，产生的梯度预补偿部分对应的数字波形包括第一预加重数字波形和第二预加重数字波形。
6.根据权利要求4所述的梯度预补偿波形数字分辨率提高装置，其特征在于，所述合成电路由数学运算电路构建而成。
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