CN111474507B - 一种mr-ept谱仪专用多通道射频回波信号下变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MR‑EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，属于MR‑EPT成像领域，包括依次连接的本振信号产生模块、功分模块和混频调幅调相单元，及控制本振信号产生模块输出的本振信号频率和控制混频调幅调相单元调节输出信号幅度与相位的控制模块；所述混频调幅调相单元包括多个混频调幅调相模块，混频调幅调相模块包括依次连接的对射频回波信号进行抑制边带和阻抗匹配的射频信号处理模块、对功分模块输出的多通道本振信号和射频信号处理模块输出的射频信号进行混频的混频模块、滤波模块、放大模块、以及由控制模块控制移相的调相模块和由控制模块控制幅度调节的调幅模块。本发明解决了现有磁共振谱仪无法用于9.4T的超高磁场环境下进行MR‑EPT成像的问题。
Description
技术领域
本发明属于MR-EPT成像技术领域，涉及一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器。
背景技术
人体组织介电特性磁共振断层成像(MR-EPT)技术是近年来兴起的一个磁共振领域的研究热点，它主要目的是研究怎样从MRI医学影像中获取人体组织介电特性(EPS)分布信息。通过探测正常组织转变成癌变组织的整个生理变化过程，从而得到其介电特性变化过程，对癌症的早期诊断具有突破性的价值。
目前提出的在9.4T超高磁场环境下对人体氢核进行MR-EPT成像，成像精度高，且能有效反映人体组织的介电特性分布特征，可以为临床提供更可靠的支持。在9.4T的超高磁场下，氢核共振频率为400.25MHz左右，磁共振信号中心频率高，带宽窄，而传统磁共振系统的谱仪无法处理如此高频的射频回波信号，因此无法直接应用到9.4T超高磁场的MR-EPT谱仪中，需要通过下变频器将射频回波信号转变为低频段信号，以便传统磁共振谱仪对其进行快速傅里叶变换等算法处理。
MR-EPT系统具有多个回波信号接收线圈，每个接收线圈均输出一路射频回波信号，因此，需要将多路射频回波信号均进行下变频处理。射频回波信号的相位信息对于MR-EPT谱仪的成像质量至关重要，在多路射频回波信号下变频通道中，各通道引入的附加相移不尽一致，而为了保证成像质量，必须采取措施抑制各通道的相移，保证每个通道输出的信号相位均与下变频前一致。
因此，本发明针对上述问题，提出了一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，解决了现有磁共振谱仪无法用于9.4T的超高磁场环境下进行MR-EPT成像的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其输入端连接MR-EPT系统的回波信号接收线圈，输出端连接磁共振谱仪的回波信号输入端，包括依次连接的本振信号产生模块、功分模块和混频调幅调相单元，以及与混频调幅调相单元和本振信号产生模块连接的控制模块；
所述控制模块控制本振信号产生模块输出的本振信号频率，控制混频调幅调相单元调节输出信号的幅度和相位；
所述本振信号产生模块在控制模块的控制下，将参考时钟信号经锁相环后输出本振信号到功分模块；
所述功分模块将接收到的本振信号分为多通道本振信号后输出到混频调幅调相单元；
所述混频调幅调相单元包括多个混频调幅调相模块，所述混频调幅调相模块包括依次连接的射频信号处理模块、混频模块、滤波模块、放大模块、调相模块和调幅模块；
所述射频信号处理模块接收回波信号接收线圈输出的射频回波信号，对其进行阻抗匹配后抑制边带，再输出射频信号到混频模块；
所述混频模块接收功分模块输出的多通道本振信号和射频信号处理模块输出的射频信号，进行混频后输出混频信号到滤波模块；
所述滤波模块将混频信号进行滤波得到差频信号，再进行阻抗匹配后输出下变频信号到放大模块；
所述放大模块对下变频信号进行功率调整放大后输出中频信号到调相模块；
所述调相模块接收控制模块的控制信号，对中频信号进行移相后输出到调幅模块；
所述调幅模块接收控制模块的控制信号，对调相模块输出的中频信号进行幅度调节后输出。
进一步地，所述本振信号产生模块包括高稳参考时钟和锁相环；
所述高稳参考时钟输出参考时钟信号到锁相环；
所述锁相环接收高稳参考时钟输出的参考时钟信号和控制模块输出的控制信号，输出本振信号。
进一步地，所述功分模块采用多路功分器，输出多通道本振信号。
进一步地，所述混频调幅调相模块还包括与放大模块连接的稳压模块，为放大模块供电。
进一步地，所述射频信号处理模块包括阻抗匹配电路和两级带通滤波器，所述阻抗匹配电路对射频回波信号进行阻抗匹配后送往两级带通滤波器，两级带通滤波器用于抑制射频回波信号的边带，再输出射频信号。
进一步地，所述滤波模块包括两级差频滤波器和一个3dB衰减器，所述差频滤波器对混频信号进行滤波，滤去本振、和频信号以及其它干扰信号，所述3dB衰减器对滤波后的信号进行阻抗匹配，弥补插损。
进一步地，所述控制模块采用FPGA可编程逻辑控制器，通过通讯接口与上位机连接，实现在上位机上灵活控制下变频器的锁相环、调相模块和调幅模块，对锁相环、调相模块和调幅模块进行参数配置和状态信息读取。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，对400.25±5MHz射频回波信号进行下变频，信号首先进入混频调幅调相模块的射频信号处理模块进行抑制边带，本振信号产生模块产生的本振信号功分为多通道本振信号后，一起进入混频模块，由此将得到多种不同频率的分量，再利用滤波模块滤去本振、和频信号以及其它干扰信号得到差频信号，再经过阻抗匹配，弥补插损后进行相位保持和幅度调节，最终输出中频信号；本发明满足MR-EPT成像的需求，将超高磁场环境下的多路高频段射频回波信号下变频到低频段，且提供有效便捷的幅度、相位控制手段，以提供稳定、可调控性强、输出信号质量高的射频回波中频信号。
2.本发明中将MR-EPT系统中回波信号接收线圈接收到的高频段射频回波信号转换为传统磁共振谱仪能够直接处理的低频段中频信号，使得现有磁共振谱仪设备可以直接应用于MR-EPT系统中。
3.本发明中所述控制模块通过通讯接口与上位机连接，实现在上位机上灵活控制下变频器的锁相环、调相模块和调幅模块，对锁相环、调相模块和调幅模块进行参数配置和状态信息读取，可针对不同的应用场景，由上位机适应性地对各输出通道的输出频率、输出幅度以及移相量进行调节，调节操作极为方便。
4.本发明中通过调相模块和调幅模块对各通道间的相位偏移及幅度进行独立控制，各通道的放大模块单独连接稳压模块进行独立供电，输入输出间的干扰较小，通道间的泄露极小。
5.本发明在使用过程中通过调整各通道调相模块的移相量来抵消变频通道的本征相位偏移量，可以消除各通道对射频回波信号的相位偏移，提高了整个MR-EPT系统的成像精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器的结构框图；
图2是本发明混频调幅调相模块的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处描述和附图中示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，解决了现有磁共振谱仪无法用于9.4T的超高磁场环境下进行MR-EPT成像的问题。
一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其输入端连接MR-EPT谱仪的回波信号接收线圈，输出端连接磁共振谱仪，包括依次连接的本振信号产生模块、功分模块和混频调幅调相单元，以及与混频调幅调相单元和本振信号产生模块连接的控制模块；
所述控制模块控制本振信号产生模块输出的本振信号频率，控制混频调幅调相单元调节输出信号的幅度和相位；
所述本振信号产生模块在控制模块的控制下，将参考时钟信号经锁相环后输出本振信号到功分模块；
所述功分模块将接收到的本振信号分为多通道本振信号后输出到混频调幅调相单元；
所述混频调幅调相单元包括多个混频调幅调相模块，所述混频调幅调相模块包括依次连接的射频信号处理模块、混频模块、滤波模块、放大模块、调相模块和调幅模块；所述射频信号处理模块接收回波信号接收线圈输出的射频回波信号，对其进行抑制边带，再进行阻抗匹配后输出射频信号到混频模块；所述混频模块接收功分模块输出的多通道本振信号和射频信号处理模块输出的射频信号，进行混频后输出混频信号到滤波模块；所述滤波模块将混频信号进行滤波得到差频信号，再进行阻抗匹配后输出下变频信号到放大模块；所述放大模块对下变频信号进行功率调整放大后输出中频信号到调相模块；所述调相模块接收控制模块的控制信号，对中频信号进行移相后输出到调幅模块；所述调幅模块接收控制模块的控制信号，对调相模块输出的中频信号进行幅度调节后输出。
本发明对400.25±5MHz射频回波信号进行下变频，信号首先进入混频调幅调相模块的射频信号处理模块进行抑制边带，本振信号产生模块产生的本振信号功分为多通道本振信号后，一起进入混频模块，由此将得到多种不同频率的分量，再利用滤波模块滤去本振、和频信号以及其它干扰信号得到差频信号，再经过阻抗匹配，弥补插损后进行相位保持和幅度调节，最终输出中频信号；本发明满足MR-EPT成像的需求，将超高磁场环境下的多路高频段射频回波信号下变频到低频段，且提供有效便捷的幅度、相位控制手段，以提供稳定、可调控性强、输出信号质量高的射频回波中频信号。
下面结合实施例和附图对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
本发明的较佳实施例，提供了一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其输入端连接MR-EPT系统的回波信号接收线圈，输出端连接现有磁共振谱仪的回波信号接收端，如图1所示，包括依次连接的本振信号产生模块、功分模块和混频调幅调相单元，以及与混频调幅调相单元和本振信号产生模块连接的控制模块；
所述控制模块控制本振信号产生模块输出的本振信号频率，控制混频调幅调相单元调节输出信号的幅度和相位；
所述本振信号产生模块在控制模块的控制下，将参考时钟信号经锁相环后输出本振信号到功分模块；
所述功分模块将接收到的本振信号分为多通道本振信号后输出到混频调幅调相单元，本实施例中通道数为n；
所述混频调幅调相模块单元包括多个混频调幅调相模块，数量与通道数一致的n所述混频调幅调相模块如图2所示，包括依次连接的射频信号处理模块、混频模块、滤波模块、放大模块、调相模块和调幅模块；
所述射频信号处理模块接收回波信号接收线圈输出的射频回波信号，其频率大约为400.25±5MHz，对其进行阻抗匹配后抑制边带，再输出射频信号到混频模块；
所述混频模块接收功分模块输出的多通道本振信号和射频信号处理模块输出的射频信号，进行混频后输出混频信号到滤波模块；
所述滤波模块将混频信号进行滤波得到差频信号，再进行阻抗匹配后输出下变频信号到放大模块；
所述放大模块对下变频信号进行功率调整放大后输出中频信号到调相模块；
所述调相模块接收控制模块的控制信号，对中频信号进行移相后输出到调幅模块；
所述调幅模块接收控制模块的控制信号，对调相模块输出的中频信号进行幅度调节后输出，通过调相模块和调幅模块对各通道间的相位偏移及幅度进行独立控制，各通道的放大模块单独连接稳压模块进行独立供电，输入输出间的干扰较小，通道间的泄露极小。
进一步地，所述本振信号产生模块包括高稳参考时钟和锁相环；
所述高稳参考时钟输出频率为10MHz的参考时钟信号到锁相环；
所述锁相环采用型号为ADF4110，接收高稳参考时钟输出的参考时钟信号和控制模块输出的控制信号，输出本振信号，实现控制模块对本振信号产生模块输出的本振信号频率的实时调节。
进一步地，所述功分模块采用多路功分器，型号为JCPS-8-850，输出多通道本振信号。
进一步地，所述混频调幅调相模块还包括与放大模块连接的稳压模块，采用型号为ADM7150的线性稳压器，为放大模块供电。
进一步地，所述射频信号处理模块包括阻抗匹配电路和两级型号为SXBP-404的带通滤波器，所述阻抗匹配电路对射频回波信号进行阻抗匹配后送往两级带通滤波器，两级带通滤波器用于抑制射频回波信号的边带，再输出射频信号。
进一步地，所述滤波模块包括两级型号为PBP-35N的差频滤波器和一个3dB衰减器，所述差频滤波器对混频信号进行滤波，滤去本振、和频信号以及其它干扰信号，所述3dB衰减器对滤波后的信号进行阻抗匹配，弥补插损。
具体地，所述混频模块采用型号为JMS-2MH的混频器；
所述放大模块采用型号为ADL5536的放大器；
所述调相模块采用型号为JSPHS-446的移相器；
所述调幅模块采用型号为RF470A的幅度调节器。
进一步地，所述控制模块采用型号为XC3S200AN的FPGA可编程逻辑控制器，通过通讯接口与上位机连接，实现在上位机上灵活控制下变频器的锁相环、调相模块和调幅模块，对锁相环、调相模块和调幅模块进行参数配置和状态信息读取，可针对不同的应用场景，由上位机适应性地对各输出通道的输出频率、输出幅度以及移相量进行调节，调节操作极为方便。
具体地，使用前对设置有本发明的射频回波信号下变频器的磁共振谱仪进行系统校准，系统校准过程中测量各通道对射频回波信号的本征相位偏移量，使用过程中通过自动调整各通道调相模块的移相量来抵消变频通道的本征相位偏移量，以达到消除各通道对射频回波信号的相位偏移，提高整个MR-EPT系统的成像精度，实现高精度MR-EPT成像的目的。
本发明对400.25±5MHz射频回波信号进行下变频，信号首先进入混频调幅调相模块的射频信号处理模块进行抑制边带，本振信号产生模块产生的本振信号功分为多通道本振信号后，一起进入混频模块，由此将得到多种不同频率的分量，再利用滤波模块滤去本振、和频信号以及其它干扰信号得到差频信号，再经过阻抗匹配，弥补插损后进行相位保持和幅度调节，最终输出中频信号；本发明满足MR-EPT成像的需求，将超高磁场环境下的多路高频段射频回波信号下变频到低频段，且提供有效便捷的幅度、相位控制手段，以提供稳定、可调控性强、输出信号质量高的射频回波中频信号；将MR-EPT系统中回波信号接收线圈接收到的高频段射频回波信号转换为传统磁共振谱仪能够直接处理的低频段中频信号，使得现有磁共振谱仪设备可以直接应用于MR-EPT系统中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其输入端连接MR-EPT系统的回波信号接收线圈，输出端连接磁共振谱仪的回波信号接收端，其特征在于：包括依次连接的本振信号产生模块、功分模块和混频调幅调相单元，以及与混频调幅调相单元和本振信号产生模块连接的控制模块；
所述控制模块控制本振信号产生模块输出的本振信号频率，控制混频调幅调相单元调节输出信号的幅度和相位；
所述本振信号产生模块在控制模块的控制下，将参考时钟信号经锁相环后输出本振信号到功分模块；
所述功分模块将接收到的本振信号分为多通道本振信号后输出到混频调幅调相单元；
所述混频调幅调相单元包括多个混频调幅调相模块，所述混频调幅调相模块包括依次连接的射频信号处理模块、混频模块、滤波模块、放大模块、调相模块和调幅模块；
所述射频信号处理模块接收回波信号接收线圈输出的射频回波信号，对其进行阻抗匹配后抑制边带，再输出射频信号到混频模块；
所述混频模块接收功分模块输出的多通道本振信号和射频信号处理模块输出的射频信号，进行混频后输出混频信号到滤波模块；
所述滤波模块将混频信号进行滤波得到差频信号，再进行阻抗匹配后输出下变频信号到放大模块；
所述放大模块对下变频信号进行功率调整放大后输出中频信号到调相模块；
所述调相模块接收控制模块的控制信号，对中频信号进行移相后输出到调幅模块；
所述调幅模块接收控制模块的控制信号，对调相模块输出的中频信号进行幅度调节后输出。
2.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述本振信号产生模块包括高稳参考时钟和锁相环；
所述高稳参考时钟输出参考时钟信号到锁相环；
所述锁相环接收高稳参考时钟输出的参考时钟信号和控制模块输出的控制信号，输出本振信号。
3.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述功分模块采用多路功分器，输出多通道本振信号。
4.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述混频调幅调相模块还包括与放大模块连接的稳压模块，为放大模块供电。
5.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述射频信号处理模块包括阻抗匹配电路和两级带通滤波器，所述阻抗匹配电路对射频回波信号进行阻抗匹配后送往两级带通滤波器，两级带通滤波器用于抑制射频回波信号的边带，再输出射频信号。
6.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述滤波模块包括两级差频滤波器和一个3dB衰减器，所述差频滤波器对混频信号进行滤波，滤去本振、和频信号以及其它干扰信号，所述3dB衰减器对滤波后的信号进行阻抗匹配，弥补插损。
7.根据权利要求1所述的一种MR-EPT谱仪专用多通道射频回波信号下变频器，其特征在于：所述控制模块采用FPGA可编程逻辑控制器，通过通讯接口与上位机连接，实现在上位机上灵活控制下变频器的锁相环、调相模块和调幅模块，对锁相环、调相模块和调幅模块进行参数配置和状态信息读取。
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