CN111695273A

CN111695273A - 一种磁共振扫描序列仿真平台

Info

Publication number: CN111695273A
Application number: CN202010757392.1A
Authority: CN
Inventors: 张双; 张涛; 吴林; 余洁; 解玺洁; 胡霞飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Neijiang Normal University
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China; Neijiang Normal University
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2020-09-22

Abstract

本发明公开一种磁共振扫描序列仿真平台，应用于电子信息技术领域，为了解决现有技术中缺乏一种能够从序列设计界面观察到所设计的扫描序列,使得序列设计者不需要借助磁共振成像系统的磁共振扫描序列仿真平台；本发明提供的仿真平台通过序列计算机和主控设备实现；主控设备完全在数字逻辑芯片完成产生数字的射频脉冲波形数据和实际的梯度波形数据，然后通过数字的采集模块，分别将发射脉冲波形数据和实际的梯度波形数据采集并上传至序列计算机进行观测；本发明可以实现序列设计者通过仿真平台的仿真结果明确判断设计的扫描序列是否跟预期一致；方便及时纠正设计错误。

Description

一种磁共振扫描序列仿真平台

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种磁共振扫描序列的仿真平台。

背景技术

磁共振扫描序列是指射频脉冲、梯度场和信号采集时刻等相关参数的设置及其在时序上的排列。磁共振成像主要依赖于四个因素：质子密度、T1、T2、流空效应，应用不同的磁共振扫描序列可以得到反映这些因素不同侧重点的图像。目前最基本、最常见的脉冲序列为SE序列，其它还包括GRE序列、IR序列等。

磁共振的扫描序列实现载体主要由谱仪平台实现，谱仪平台由序列计算机、重建计算机、主控设备和模拟设备单元组成，如图1所示。

序列计算机把时间序列和用户输入的参数解释成为硬件参数序列，并组包成硬件能知晓的格式发给主控设备，主控设备对将送往各类高速模拟外设的信息进行分类处理和同步触发，然后按照一定的同步动作发送到相应的高速模拟外设单元。重建计算机用于重建图像，重建图像的原始数据来自接收机接收到的磁共振信号，重建后的图像数据通过图像显示界面显示。序列计算机和重建计算机通过以太网进行通信。

主控设备用于连接各谱仪的高速设备，管理各个设备，使得所有设备形成于一个有机整体，另外各组成设备通过主控设备交互信息，实现同步。

模拟设备单元包括射频脉冲发射器、接收机、梯度波形发生器、门控采集模块等。

目前磁共振谱仪平台射频脉冲产生、梯度波形发生与接收机回路的测试验证需要将其与磁共振整机系统整合起来，尤其需要庞大的磁体产生均匀的强大的磁场，并且射频脉冲发生器需要射频信号放大器来产生实际需要的射频场，梯度波形发生器需要与梯度放大器和梯度线圈配合产生梯度场，接收机连接接收线圈对回波信号进行采集和数字信号处理。整个测试受到设备、场地、时间和人员的限制。

发明内容

为了解决磁共振扫描序列在谱仪平台进行测试和调试的方便快捷性问题，本发明提出一种磁共振扫描序列仿真平台，包括磁共振扫描序列的设计与回路监测功能。

本发明采用的技术方案为：一种磁共振扫描序列仿真平台，包括序列计算机与主控设备；

所述序列计算机界面包括3类窗口，第一类窗口接收用户输入的扫描参数，并生成扫描参数的第一数据包；第二类窗口为序列开发窗口，解析第一数据包并依据时间序列转换为硬件控制参数，然后向主控设备发送包含开始扫描命令与硬件控制参数的第二数据包；第三类窗口为设计序列的回路观测窗口，用于接收从主控设备所返回的数据，并进行分类显示；

所述主控设备包括参数解析模块、数字上变频模块、梯度波形生成器模块、发射门控模块、接收门控模块、系统同步信号模块、第一类信号回路采集模块以及第二类信号回路采集模块；

所述参数解析模块将收到的第二数据包解析为硬件执行参数，所述硬件执行参数包括：射频脉冲基带波形参数、主磁场中心频率参数、理想梯度波形数据参数、涡流校正参数、一阶匀场偏置参数、发射门控状态参数、接收采集门控状态参数、系统同步参数；

射频脉冲基带波形参数送往数字上变频模块；主磁场中心频率参数送往数字上变频模块和第一类回路采集模块；理想梯度波形数据参数、涡流校正参数、一阶匀场偏置参数送往梯度波形生成器模块；发射门控状态参数送往发射门控模块；接收采集门控状态参数将送往接收门控模块；系统同步参数送往系统同步信号模块；

第一类信号回路采集模块用于射频脉冲波形数据的回路采集；第二类信号回路采集模块用于低频波形数据和门控信号进行回路采集；第一类信号回路采集模块、第二类信号回路采集模块将采集的数据返回序列计算机。

本发明的有益效果：本发明提供的仿真平台，实现了能够从序列设计界面观察到所设计的扫描序列,使得序列设计者不需要借助磁共振成像系统的众多部件，即不需要磁体、线圈和放大器的配合，减少了对设备、人员、场地和时间的要求；

本发明的序列计算机由普通的惠普工作站实现，主控设备由一块电路板和板载数字逻辑芯片组成，电路板尺寸不超过200mm*100mm；整个仿真平台硬件成本低，体积小巧，使得序列设计者使用时不受场地的限制；

磁共振的序列开发团队一般配备多名序列开发者，开发者采用本发明所提供的仿真平台，可以随时对自己所设计的扫描序列进行回路观察，方便及时纠正设计错误；

通过本发明设计的仿真平台，可以实现从用户界面输入参数到硬件层算法的整个路径的运行情况进行实际仿真。

附图说明

图1为现有技术中磁共振的扫描序列实现载体功能框图；

图2为本发明提供的扫描序列的仿真平台；

图3为本发明的仿真平台中序列计算机功能框图；

图4为本发明的仿真平台中主控设备功能框图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

为了实现能够从序列设计界面观察到所设计的扫描序列,使得序列设计者不需要借助磁共振成像系统，即不需要磁体、线圈和放大器的配合，减少对设备、人员、场地和时间的要求。

本发明提出了一种精简的磁共振扫描序列仿真平台，包括：序列计算机和主控设备。所述序列计算机把时间序列和用户输入的参数解释成为硬件参数序列，并组包成硬件能知晓的格式发给主控设备，然后主控设备对射频脉冲基带波形数据进行数字上变频处理，实现幅度调制；同时主控设备根据梯度波形参数生成理想梯度波形数据，并且进行梯度预加重和一阶匀场运算，然后输出实际的梯度波形数据；接收机不会根据扫描序列的采集时刻命令进行发射脉冲波形数据的采集，而是在发射门控状态有效期间进行发射脉冲波形数据的采集。在主控设备设计了另外一个梯度波形采集单元，负责实际梯度波形数据的采集和上传。

本发明的主控设备完全在数字逻辑芯片完成以上所述的主控设备功能和相关算法。

本发明设计的精简的磁共振扫描序列仿真平台硬件结构简单，集成度高，非常方便序列设计者在办公区间进行所设计的扫描序列的仿真。通过该仿真平台，可以是实现把序列解释成为硬件参数，并组包成硬件能知晓的格式发给主控设备，在主控设备产生数字的射频脉冲波形数据和实际的梯度波形数据，然后通过数字的采集模块，分别将发射脉冲波形数据和实际的梯度波形数据采集并上传至序列开发界面进行观测。序列设计者通过仿真平台的仿真结果明确判断设计的扫描序列是否跟预期一致。

以下通过具体实施例对本发明的内容做进一步阐述：

如图2所示；序列计算机由普通的惠普工作站实现，主控设备由一块电路板和板载数字逻辑芯片组成，电路板尺寸不超过200mm*100mm。整个仿真平台硬件成本低，体积小巧，使得序列设计者使用时不受场地的限制。磁共振的序列开发团队一般配备多名序列开发者，基于仿真平台的体积小巧，成本低的优点，如果序列设计者配置了这种仿真平台，可以随时对自己所设计的扫描序列进行回路观察，方便及时纠正设计错误。

如图3所示，在序列计算机界面设计了3类窗口，第一类窗口用于接收用户输入的扫描参数；第二类窗口为序列开发窗口，负责时间序列的设计；第三类窗口为设计序列的回路观测窗口。

首先，第一类窗口接收用户输入的扫描参数生成扫描参数的第一数据包；第二类窗口解析所述扫描参数的第一数据包并依据时间序列转换为硬件控制参数，序列计算机根据扫描参数按照时间顺序进行展开，依次转换得到多组按时间顺序驱动相对应硬件执行模块的硬件控制参数，然后主控设备发送包含开始扫描命令与硬件控制参数的第二数据包。

如图4所示，包含开始扫描命令与硬件控制参数的第二数据包到达主控设备，在主控设备中将解析为如下硬件执行参数：射频脉冲基带波形参数，主磁场中心频率参数，理想梯度波形数据参数，涡流校正参数，一阶匀场偏置参数，发射门控状态参数，接收采集门控状态参数，系统同步参数等。

在实际的磁共振系统中，主控设备将连接多个模拟设备单元，包括射频脉冲发射器、接收机、梯度波形发生器等。在本发明中的仿真平台中，将多个模拟设备单元去掉，将这些模拟设备单元的硬件参数解析逻辑和其他数字逻辑移动到主控设备单元实现，这些模拟设备单元的模拟电路部分去掉。

主控设备在发射门控状态参数的发射有效期间，基于主磁场中心频率参数生成的本振信号，与射频脉冲基带波形参数进行混频运算，实现幅度调制，生成发射脉冲波形数据，这一个过程为数字上变频。

主控设备的梯度波形生成器根据梯度波形参数生成理想梯度波形数据，并且进行梯度波形的预加重，并且在三轴梯度波形上分别施加不同的偏置分量，将在梯度线圈上起到一阶匀场的效果，然后输出实际的梯度波形数据；具体如下：

梯度波形发生器还有一个专门的计算单元，对涡流校正参数包括的多组时间参数和幅度值参数进行递归函数计算，得到梯度波形预加重幅度信号数据和零阶主磁场调整频率控制字。在梯度波形发生器内部，梯度波形预加重幅度信号数据和一阶匀场偏置参数一起叠加到理想梯度波形数据上，然后输出实际的梯度波形数据。梯度波形发生器负责将零阶主磁场调整频率控制字送往数字上变频模块和第一类回路采集模块，分别用作数字上变频模块幅度调制的主磁场中心频率参数的修正值，以及第一类回路采集模块的正交解调的主磁场中心频率参数的修正值。

主控设备设计了两类信号回路采集模块，第一类模块是针对射频脉冲波形数据的回路采集；第二类模块针对低频波形数据和门控信号进行回路采集，低频波形数据属于一种时域变换缓慢的信号，而射频脉冲波形数据在时域变化迅速，这两类波形数据对采集模块的结构需求有差异，其差异性将会在下文中的第一类回路采集模块和第二类回路采集模块里具体描述。

所述第一类回路采集模块由正交混频与幅度解调、多采样率数字滤波器、有限长单位冲激响应滤波器、数据上传单元等组成，在正交混频环节，基于主磁场中心频率参数生成的本振信号与采集的射频脉冲波形数据进行混频相乘运算，这一个过程为正交混频和幅度解调，简称正交解调。

所述第一类回路采集模块不会根据扫描序列的接收门控状态参数的有效状态期间进行发射脉冲波形数据的采集，而是在发射门控状态参数的发射有效期间进行发射脉冲波形数据的采集和上传。所述第二类回路采集模块没有包含正交混频与幅度解调、多采样率数字滤波器、有限长单位冲激响应滤波器等功能模块，第二类回路采集模块将对采集对象直接采集和上传处理，第二类回路采集模块负责三轴实际的梯度波形数据回路采集和上传，同时负责发射门控和接收采集门控数字信号、系统同步信号的回路采集与上传。

其中，发射门控数字信号由发射门控模块根据发射门控状态参数生成，接收门控数字信号由接收门控模块根据接收采集门控状态参数生成，系统同步信号由系统同步信号模块根据系统同步参数生成的。

在序列计算机上的第三类窗口，接收到从主控设备两类信号回路采集模块返回的数据，实现分类显示，分别分为射频脉冲波形、发射门控波形、接收门控波形、选层梯度波形、相位编码梯度波形、频率编码梯度波形、系统同步信号。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims

1.一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，包括序列计算机与主控设备；

2.根据权利要求1所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述第二类窗口对扫描参数按照时间顺序进行展开，依次转换得到多组按时间顺序驱动相对应硬件执行模块的硬件控制参数。

3.根据权利要求1所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述数字上变频模块在发射门控状态有效期间对射频脉冲基带波形数据进行数字上变频处理，生成发射脉冲波形数据。

4.根据权利要求1所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述梯度波形生成器模块根据理想梯度波形数据参数生成理想梯度波形数据。

5.根据权利要求4所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述梯度波形生成器模块还包括计算单元，所述计算单元对涡流校正参数包括的多组时间参数和幅度值参数进行递归函数计算，得到梯度波形预加重幅度信号数据和零阶主磁场调整频率控制字。

6.根据权利要求5所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，梯度波形预加重幅度信号数据和一阶匀场偏置控制字一起叠加到理想梯度波形数据上，输出实际的梯度波形数据。

7.根据权利要求5所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，零阶主磁场调整频率控制字送往数字上变频模块和第一类信号回路采集模块，分别用作数字上变频模块幅度调制的本振修正值，以及第一类回路采集模块的正交解调的本振修正值。

8.根据权利要求1所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述分类显示包括：射频脉冲波形、发射门控波形、接收门控波形、选层梯度波形、相位编码梯度波形、频率编码梯度波形、系统同步信号。

9.根据权利要求1所述的一种磁共振扫描序列仿真平台，其特征在于，所述第一类信号回路采集模块包括正交混频与幅度解调单元、多采样率数字滤波器单元、有限长单位冲激响应滤波器单元以及数据上传单元。