CN113296037A

CN113296037A - 一种高场磁共振梯度控制器

Info

Publication number: CN113296037A
Application number: CN202110555516.2A
Authority: CN
Inventors: 秦云; 吴林; 张涛
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2021-08-24

Abstract

本发明公开一种高场磁共振梯度控制器，应用于电子信息技术领域，针对现有技术存在的缺陷，本发明通过高速光纤链路与谱仪主控单元进行通信，谱仪主控单元将梯度控制器所需参数下发给梯度控制器，梯度控制器的取指译码模块输出梯度波形参数、梯度预加重参数、一阶匀场参数、高阶匀场参数和B0主频补偿参数等；梯度波形参数输入梯度波形生成模块，经该模块输出数字梯度波形信号，数字梯度波形信号经数模转换器转换成模拟梯度波形信号；梯度预加重参数在梯度预加重模块中计算得到预加重补偿量；一阶匀场参数在一阶匀场模块中计算得到一阶匀场补偿量。

Description

一种高场磁共振梯度控制器

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梯度控制器技术。

背景技术

作为磁共振成像设备的重要组成部分,主磁体负责在给定的空间范围内产生一个高均匀度的静磁场,而该区域磁场的均匀度直接影响成像质量的好坏，由于在主磁体加工制造和装配过程中存在误差,同时不可避免地会受到周围的铁磁材料的干扰,使得主磁场的均匀性受到严重影响,降低图像空间分辨率。因此,磁共振系统经常采用主动匀场的技术手段，对成像区域主磁场进行校正，以达到满足高空间分辨率成像所需的磁场均匀度。主动匀场大体又分为两种：一阶主动匀场和高阶主动匀场，以下简称一阶匀场和高阶匀场。一阶主动匀场就是在原有主磁场上叠加一个线性磁场用来补偿磁场的不均匀，可以直接用梯度线圈实现此功能，方法就是在X、Y、Z轴梯度线圈上施加适当的电流。高阶匀场需要配置专用高阶匀场线圈，产生空间上呈二阶或更高阶分布的局部磁场，可抵消主磁场中的高阶分量，高阶匀场线圈与一阶匀场的梯度场共同作用，使得主磁场更加均匀。而在一些低场磁共振设备上，一般不提供高阶匀场线圈，因此只能由X、Y、Z轴梯度线圈实现一阶匀场。

磁共振领域一般将3T及以上场强的磁共振统称为高场磁共振。在高场磁共振运行时，扫描物体内部的磁场不均匀性会引起显著的频率位移和散相，成像空间分辨率会受到更严重的磁敏感效应影响而降低。除此之外，扫描对象运动和磁体指标自身波动会造成扫描对象内部空间磁场分布的不均匀变化，这种二次磁场变化将在成像数据里引入复杂的生理噪声，降低成像图像空间分辨率。只有实时地补偿磁场的偏移，才能从根本上解决这个问题。精细脑科学研究与重大脑疾病早期诊断对脑成像的空间分辨率提出了越来越高的要求。在基础脑神经科学领域，经常需要对大脑进行磁共振高空间分辨率成像，由于梯度匀场线圈离脑部距离较远，静态匀场效率非常有限，使用动态匀场可以更好地提高匀场效率。一般通过B0场主频动态补偿和一阶片层匀场等技术手段来实时补偿磁场变化，进而提升磁场均匀度。

由于频率位移在超高场下的放大，局部磁场不均匀性更加严重，一阶匀场变得难以弥补愈加显著的局部不均匀磁场，对体型更小的动物如猕猴，尺寸远小于人，因而需要更高空间阶数的磁场分量来实现更有效的匀场，一般通过二阶和二阶以上的多组高阶梯度匀场线圈共同作用，以达到更佳的匀场效果。

由于在磁共振系统中存在金属介质，由法拉第电磁感应定律可知，当磁场中的梯度发生变化时，在磁场中的金属表面会产生电流以抵抗磁场的变化，这些电流会产生附加磁场。在这个过程中感应出的电流也就是涡流，它表现为一种随时间指数衰减的形式。这些涡流所产生的磁场对原磁场的变化起到减弱的作用，使得磁共振信号的选层、相位和频率梯度都发生偏移，这三个梯度磁场共同完成图像在空间中的定位，在磁共振系统中发挥着重要的作用。磁场的偏移会导致最后得到的回波信号产生失真，进而影响最终的成像结果，使其产生伪影畸变，一般对三轴梯度波形信号进行涡流效应的预补偿(下文统称梯度预加重)，以消除涡流效应对成像质量的影响，因此梯度预加重技术对磁共振成像具有重要意义。

综上所述，在高场磁共振系统中，B0场主频动态补偿、一阶片层匀场、高阶动态匀场和梯度预加重等技术对改善成像质量特别是提升图像空间分辨率有非常重要的影响。

传统的高场梯度控制器结构如图1所示，一般从低场简单升级而来，没有针对高场磁共振梯度系统的需求做定制化的研制。从公开的文献得知，现有的高场梯度控制器通常存在以下短板：

不支持一阶片层匀场和高阶动态匀场功能；

一阶匀场和梯度预加重在数字域直接跟三轴(X,Y,Z)梯度波形相加，该实现方式未充分利用梯度控制器数模转换器的全部分辨率，在数模转换过程中，一阶匀场和梯度预加重补偿量受数模转换器量化误差影响较大，经数模转换器得到模拟的一阶匀场和梯度预加重补偿量精度欠佳；

针对B0场的动态补偿，现有磁共振磁体预留单独物理控制通道，以对B0场进行补偿，该实现方法增加了磁共振系统的结构复杂度，同时补偿的实时性和补偿精度欠佳。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种高场磁共振梯度控制器。

本发明采用的技术方案为：一种高场磁共振梯度控制器，包括：取指译码模块、X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元、高阶匀场模块、高阶梯度匀场线圈电源驱动器、B0主频补偿模块、射频发射机、接收机；

取指译码模块根据谱仪主控单元下发的梯度控制器参数输出三轴梯度波形参数、三轴梯度预加重参数、三轴一阶匀场参数、高阶匀场参数和三轴B0主频补偿参数；

X轴梯度信号生成单元根据X轴的梯度波形参数、三轴梯度预加重参数、X轴的一阶匀场参数，生成X轴梯度信号；

Y轴梯度信号生成单元根据Y轴的梯度波形参数、三轴梯度预加重参数、Y轴的一阶匀场参数，生成Y轴梯度信号；

Z轴梯度信号生成单元根据Z轴的梯度波形参数、三轴梯度预加重参数、Z轴的一阶匀场参数，生成Z轴梯度信号；

高阶匀场模块将输入的高阶匀场参数打包成高阶梯度匀场线圈电源驱动器指定格式的通信协议包，并实时传输至高阶梯度匀场线圈电源驱动器；

B0主频补偿模块根据输入的三轴梯度波形参数和三轴零阶涡流补偿参数，输出B0主频补偿补偿量。

X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元各自均包括一个梯度预加重模块；这三个梯度预加重模块的输入均为三轴梯度波形参数和一阶涡流补偿参数，输出均为：PRE_XX、PRE_XY、PRE_XZ累加的结果，其中，PRE_XX为X轴梯度波形参数配合X轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量，PRE_XY为Y轴梯度波形参数配合Y轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量，PRE_XZ为Z轴梯度波形参数配合Z轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量。

X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元各自还包括：梯度波形生成模块、第一数模转换器、一阶匀场模块、幅值放大模块、第二数模转换器、幅值缩小模块、模拟滤波器、梯度放大器、梯度线圈；

梯度波形生成模块将输入的对应轴的梯度波形参数转换成该轴梯度波形数据，然后通过第一数模转换器输出该轴梯度波形数据；一阶匀场模块从取指译码模块输出的一阶匀场参数中提取该轴的一阶匀场参数；该轴的一阶匀场参数与该轴的梯度预加重补偿量求和后，经幅值放大模块进行放大处理，放大后的求和值经第二数模转换器转换成模拟量，转换后的模拟量经幅值缩小模块进行缩小处理，缩小后的该轴的模拟量与该轴的梯度波形数据累加，该轴的累加结果输入梯度功率放大器进行功率放大后送至该轴的梯度线圈。

B0主频补偿模块的计算过程为：X轴梯度波形参数和X轴零阶涡流补偿参数输入B0主频补偿计算单元计算得到X轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp X；Y轴梯度波形参数配合Y轴零阶涡流补偿参数计算得到Y轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Y；Z轴梯度波形参数配合Z轴零阶涡流补偿参数计算得到Z轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Z；然后，将B0_pre-empX、B0_pre-emp Y、B0_pre-emp Z累加到一起得到B0_pre-emp，B0_pre-emp即为B0主频补偿补偿量。

本发明的有益效果：本发明提出的高场磁共振梯度控制器实现方法和装置，支持高精度三轴梯度信号的生成，支持高精度的一阶匀场补偿量和梯度预加重补偿量的生成，支持一阶匀场补偿量在片层之间动态调整，支持对高阶梯度匀场线圈电源驱动器的实时动态控制；本发明的梯度控制器数模转换位宽不低于20位，输出梯度信号线性误差将小于±3mV。

附图说明

图1为传统梯度控制器结构；

图2为本发明的梯度控制器结构；

图3为本发明实施例给出的X轴梯度预加重计算过程示意图；

图4为本发明实施例给出的B0主频补偿计算单元计算过程示意图。

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。

如图2所示，本发明提出的高场梯度控制器，通过高速光纤链路与谱仪主控单元进行通信，谱仪主控单元将梯度控制器所需参数下发给梯度控制器，梯度控制器的取指译码模块输出梯度波形参数、梯度预加重参数、一阶匀场参数、高阶匀场参数和B0主频补偿参数等。

梯度波形参数输入梯度波形生成模块，经该模块输出数字梯度波形信号，数字梯度波形信号经数模转换器转换成模拟梯度波形信号。取指译码模块输出的梯度预加重参数送至梯度预加重模块，在梯度预加重模块中计算得到预加重补偿量。取指译码模块输出的一阶匀场参数送至一阶匀场模块，在一阶匀场模块中计算得到一阶匀场补偿量。

预加重补偿量和一阶匀场补偿量累加到一起，在数字域放大n倍，经数模转换器转换成模拟补偿信号，然后将该模拟补偿信号缩小n倍。模拟加法器将模拟梯度波形信号与预加重补偿量、一阶匀场补偿量累加到一起，经模拟低通滤波器送至梯度功率放大器。模拟低通滤波器将叠加到梯度波形上的高频分量去除，然后送至梯度功率放大器，经功率放大后送至X、Y、Z轴梯度线圈。

高阶匀场参数由梯度控制器取指译码模块送至高阶匀场模块，在高阶匀场模块装载到高阶梯度匀场线圈电源驱动器指定的通信协议包里，然后实时送至高阶梯度匀场线圈电源驱动器。

取指译码模块输出的B0主频补偿参数，即梯度涡流的零阶项参数，在梯度控制器B0主频补偿模块进行计算，得到B0场动态补偿的本振频率量，B0场动态补偿的本振频率量同时送至射频发射机和接收机，可对主磁场的频率漂移进行实时动态补偿。

本发明提出的梯度控制器，能生成高精度的空间定位梯度信号，梯度控制器数模转换位宽不低于20位，输出梯度信号线性误差将小于±3mV。

本发明的高场梯度控制器，通过高速光纤链路与谱仪主控单元进行通信。梯度控制器的取值译码模块负责从高速光纤通信协议包将以上提及的梯度控制器参数解析出来。取值译码模块输出的参数包括：三轴(X,Y,Z)梯度波形参数、一阶涡流补偿参数、零阶涡流补偿参数、一阶匀场参数和高阶匀场参数等。

梯度波形生成模块负责将三轴空间定位梯度波形参数转换成梯度波形数据，然后通过模数转换器输出。梯度控制器产生的梯度波形精度越高，就更能在三维成像空间精准地实现频率编码和相位编码，从而保证实现更佳的成像空间分辨率。由于数模转换器转换精度的限制，商业化谱仪的梯度信号发生器在1Msps转换速率下只能将数模转换器最高精度做到20位，为了突破模数转换器指标的限制，本发明利用面积补偿的手段将梯度波形精度扩展至24位。

比如现要输出一段梯度，值分别为A，B，C，D，E，且每个数值用24bit精度表达，每个点的持续时间均为T(us)；由于数模转换器件(DAC)位数为20bit，精度不够，低于计算得到的数值A，B，C，D，E，经过截断舍去低位，得到a，b，c，d，e，产生梯度误差s1，s2，s3，s4，s5。采用叠加法对该梯度的输出进行调整，达到该提高精度的方法取名为叠加法，从输出梯度值开始，不断累加截断的梯度值，当达到进位时，则直接加到当前输出的梯度值上，剩余部分继续向下累加。

s1+s2＝S+r1(其中S＝1*T)，将面积S加到第二个梯度输出中，则第二个梯度输出值调整为b+1；剩余的r1继续向下累加，累加到r1+s3+s4+s5＝S+r2，将面积S加到第二个梯度输出中，则第五个梯度输出值调整为e+1；剩余的r2继续向下累加。采用叠加法增加精度后的梯度输出，这五个点输出最后的面积误差仅为r2，实际后续还有梯度点继续输出，如此最终总的误差将会非常非常小，几乎可以忽略不计。

图3为X轴梯度预加重计算过程示意图，梯度预加重模块实现方式为：以X轴的梯度预加重计算为例，输入X轴梯度预加重计算单元的参数包括三轴(X,Y,Z)梯度波形参数和一阶涡流补偿参数(XX,XY,XZ)，X轴梯度波形参数配合一阶涡流补偿参数(XX)计算得到预加重补偿量PRE_XX；Y轴梯度波形参数配合一阶涡流补偿参数(XY)计算得到预加重补偿量PRE_XY；Z轴梯度波形参数配合一阶涡流补偿参数(XZ)计算得到预加重补偿量PRE_XZ。然后，将PRE_XX、PRE_XY、PRE_XZ累加到一起得到PRE_X，PRE_X即为X轴梯度波形的预加重补偿量。

Y轴和Z轴的梯度预加重补偿量的实现过程跟X轴一致。

一阶匀场实现方式为：一阶匀场模块从取值译码模块获取到一阶匀场参数，然后从一阶匀场参数中提取X轴的一阶匀场参数OFFSET_X。

Y轴和Z轴的一阶匀场实现方式跟X轴一致。

X轴梯度波形的预加重补偿量PRE_X与X轴一阶匀场参数OFFSET_X求和(sum)，将sum放大40倍或者20倍，然后将上步所得sum送至数模转换器，该数模转换器的转换位宽和转换率，跟X轴梯度波形数模转换器的指标完全一致。经数模转换器将PRE_X、OFFSET_X之和转换成模拟量，然后将该模拟量送至幅值缩小模块，缩放系数一般设置为1/40或者1/20。一般地，数模转换器的转换精度为20位，数模转换器的最低5位(LSB20-LSB15)受量化噪声干扰较大，相当于真正有效精度只有高15位(20-5＝15位)，如果不在数字域将PRE_X、OFFSET_X人为放大40倍同时模拟域再缩小40倍(2^5＝32，2^6＝64，40介于32与64之间)，因此，不在数字域将PRE_X、OFFSET_X人为放大40倍，相当于数模转换器最高6位(MSB20-MSB15)不能被有效利用，因此真正利用上数模转换器位数为：15-6＝9位。按照本发明提出的方法，则PRE_X、OFFSET_X之和可以充分利用数模转换器15位(MSB20-MSB6)的精度。

从幅值缩小模块输出信号跟X轴梯度波形数模转换器之后的模拟信号进行相加操作，即在X轴理想梯度波形信号上叠加了预加重补偿量和一阶匀场补偿量。下一级电路为低通模拟滤波器。

以上过程的实现过程和方式对Y轴梯度和Z轴梯度同样式样。

高阶匀场模块从取值译码模块获取到高阶匀场参数，并打包成高阶梯度匀场线圈电源驱动器指定格式的通信协议包，并实时传输至高阶梯度匀场线圈电源驱动器。

图4为B0主频补偿计算单元计算过程示意图。B0主频补偿计算单元的实现：输入该计算单元的参数包括三轴(X,Y,Z)梯度波形参数和零阶涡流补偿参数(X,Y,Z)。X轴梯度波形参数和X轴零阶涡流补偿参数输入B0主频补偿计算单元计算得到X轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp X；Y轴梯度波形参数配合Y轴零阶涡流补偿参数计算得到Y轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Y；Z轴梯度波形参数配合Z轴零阶涡流补偿参数计算得到Z轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Z。然后，将B0_pre-emp X、B0_pre-emp Y、B0_pre-emp Z累加到一起得到B0_pre-emp，B0_pre-emp即为B0主频补偿补偿量。B0主频补偿补偿量同时送至射频发射机和接收机，控制补偿量的时间精度能够做到1us，频率补偿量精度能达到1Hz。

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

1.一种高场磁共振梯度控制器，其特征在于，包括：取指译码模块、X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元、高阶匀场模块、高阶梯度匀场线圈电源驱动器、B0主频补偿模块、射频发射机、接收机；

2.根据权利要求1所述的一种高场磁共振梯度控制器，其特征在于，X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元各自均包括一个梯度预加重模块；这三个梯度预加重模块的输入均为三轴梯度波形参数和一阶涡流补偿参数，输出分别为：PRE_XX、PRE_XY、PRE_XZ累加的结果，其中，PRE_XX为X轴梯度波形参数配合X轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量，PRE_XY为Y轴梯度波形参数配合Y轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量，PRE_XZ为Z轴梯度波形参数配合Z轴的一阶涡流补偿参数计算得到预加重补偿量。

3.根据权利要求2所述的一种高场磁共振梯度控制器，其特征在于，X轴梯度信号生成单元、Y轴梯度信号生成单元、Z轴梯度信号生成单元各自还包括：梯度波形生成模块、第一数模转换器、一阶匀场模块、幅值放大模块、第二数模转换器、幅值缩小模块、模拟滤波器、梯度放大器、梯度线圈；

4.根据权利要求2所述的一种高场磁共振梯度控制器，其特征在于，B0主频补偿模块的计算过程为：X轴梯度波形参数和X轴零阶涡流补偿参数输入B0主频补偿计算单元计算得到X轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp X；Y轴梯度波形参数配合Y轴零阶涡流补偿参数计算得到Y轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Y；Z轴梯度波形参数配合Z轴零阶涡流补偿参数计算得到Z轴B0主频补偿补偿量B0_pre-emp Z；然后，将B0_pre-emp X、B0_pre-emp Y、B0_pre-emp Z累加到一起得到B0_pre-emp，B0_pre-emp即为B0主频补偿补偿量。