CN116520223A - 一种高场谱仪射频收发装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高场谱仪射频收发装置，涉及磁共振成像技术领域，该装置中每一个成像核配置一个射频前端单元；射频前端单元包括上混频电路和下混频电路；中频脉冲发生模块将生成的中频脉冲信号通过中频切换单元发送至目标射频前端单元的上混频电路；目标射频前端单元为所选择的成像核配置的射频前端单元；上混频电路对中频脉冲信号进行混频操作，并将得到的射频脉冲信号发送至所选择的成像核的发射通道；下混频电路对多通道射频回波信号进行混频操作，并将得到的中频回波信号通过中频切换单元输送到多通道中频回波采集模块。本发明能够实现对全部成像核的射频信号的频率变换，进而实现高场磁共振多核成像功能。

Description

一种高场谱仪射频收发装置
技术领域
本发明涉及磁共振成像技术领域，特别是涉及一种高场谱仪射频收发装置。
背景技术
当前磁共振成像的主磁场场强越来越高，从3.0T、7T直到9.4T，这样就可以实现多种原子核的成像。目前主要是对1H原子核，也就是对生物体内的水分子成像，但近年来23Na、31P、13C、19F等原子核成像的应用日益增多，主要是用于研究病变、代谢以及神经传导，可以获取生物体更多的信息。
磁共振成像时，需要发生并且采集特定频率的射频信号。根据拉莫方程，不同成像核的射频信号的频率不一样，例如，当主磁场强度为9.4T时，1H、23Na的射频信号的频率分别约为400.25 MHz和105.84 MHz。由于射频信号高，根据奈奎斯特采样定理，难以直接生成或者采集，一般需要通过中频脉冲信号进行变频操作。当发射时，先产生中频脉冲信号，再通过上混频生成射频脉冲信号。当接收时，先将射频回波信号下混频得到中频回波信号，再对中频回波信号进行采样。并且，发射与接收共用同一个本振。然而，由于不同的成像核的频率差异很大，很难有一个频率变换电路（包括上混频与下混频）能够实现对全部成像核的射频信号的频率变换，这会造成频率变换电路非常复杂，对本振源与带通滤波器的性能要求很高，工程上难以实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种高场谱仪射频收发装置，能够实现对全部成像核的射频信号的频率变换，进而实现高场磁共振多核成像功能。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高场谱仪射频收发装置，包括一个谱仪、一个中频切换单元和多个射频前端单元；所述谱仪包括一个中频脉冲发生模块和一个多通道中频回波采集模块；其中，一个成像核配置一个所述射频前端单元，不同的成像核配置不同的所述射频前端单元；所述射频前端单元包括上混频电路和下混频电路；
所述中频脉冲发生模块，用于生成中频脉冲信号，并将中频脉冲信号通过所述中频切换单元发送至目标射频前端单元的上混频电路；所述目标射频前端单元为所选择的成像核配置的射频前端单元；
所述上混频电路，用于对接收到的中频脉冲信号进行混频操作，得到射频脉冲信号，并将射频脉冲信号发送至所选择的成像核的发射通道；
所述下混频电路，用于对多通道射频回波信号进行混频操作，得到中频回波信号，并将中频回波信号通过所述中频切换单元输送到所述多通道中频回波采集模块；所述多通道射频回波信号为所选择的成像核的多路接收通道发送的射频回波信号。
可选地，所述谱仪还包括一个序列控制模块；所述序列控制模块用于生成成像核选通电平，并将成像核选通电平发送至所述中频切换单元。
可选地，所述中频切换单元包括多个模拟多路复用器和多级驱动链路；所述多级驱动链路包括多个串联连接的总线驱动器；
其中，将多个所述模拟多路复用器分为第一模拟多路复用器和多个第二模拟多路复用器，将多个串联连接的总线驱动器分为第一总线驱动器和多个第二总线驱动器；
所述第一模拟多路复用器的第一输入端与所述中频脉冲发生模块连接，所述第一模拟多路复用器的第二输入端与所述第一总线驱动器的输出端连接，所述第一模拟多路复用器的输出端分别与各个所述射频前端单元的上混频电路连接；所述第一总线驱动器的输入端与所述序列控制模块的输出端连接；
所述第二模拟多路复用器的第一输入端与一个所述射频前端单元的下混频电路连接，不同的所述第二模拟多路复用器连接不同的所述射频前端单元的下混频电路；所述第二模拟多路复用器的第二输入端与所述第二总线驱动器的输出端连接，不同的所述第二模拟多路复用器的连接不同的所述第二总线驱动器；所有所述第二模拟多路复用器的输出端均与多通道中频回波采集模块连接。
可选地，所述射频前端单元还包括本振源和功率分配器；
所述本振源用于产生本振信号；所述功率分配器用于对本振信号进行功率分配器操作，生成多路本振子信号，并将一路本振子信号发送至上混频电路，将其他路本振子信号发送至下混频电路。
可选地，所述上混频电路包括依次连接的第一混频器、第一带通滤波器和第一放大器；所述第一混频器用于将接收到的本振子信号和中频脉冲信号进行混频操作。
可选地，所述下混频电路包括依次连接的第二放大器、第二混频器、第二带通滤波器和第三放大器；所述第二混频器用于将接收到的本振子信号和中频回波信号进行混频操作。
可选地，所述本振信号的频率是根据配置的成像核的射频信号的频率确定的。
可选地，所述多通道中频回波采集模块的采集方式为直接采样方式和数字下变频采样方式。
可选地，所述中频脉冲信号的频率在谱仪采样频率的1/2范围内。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过一个中频切换单元和多个射频前端单元能够实现对全部成像核的射频信号的频率变换，进而实现高场磁共振多核成像功能。此外，在成像过程中，能够在不同成像核之间进行快速而灵活地切换，以方便医生或者研究人员的操作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种高场谱仪射频收发装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的中频切换单元的总体功能框图；
图3为本发明实施例提供的上混频电路的总体功能框图；
图4为本发明实施例提供的下混频电路的总体功能框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种高场谱仪射频收发装置，包括一个谱仪、一个中频切换单元和多个射频前端单元；所述谱仪包括一个中频脉冲发生模块和一个多通道中频回波采集模块；其中，一个成像核配置一个所述射频前端单元，不同的成像核配置不同的所述射频前端单元；所述射频前端单元包括上混频电路和下混频电路。
所述中频脉冲发生模块，用于生成中频脉冲信号，并将中频脉冲信号通过所述中频切换单元发送至目标射频前端单元的上混频电路；所述目标射频前端单元为所选择的成像核配置的射频前端单元；所述上混频电路，用于对接收到的中频脉冲信号进行混频操作，得到射频脉冲信号，并将射频脉冲信号发送至所选择的成像核的发射通道；所述下混频电路，用于对多通道射频回波信号进行混频操作，得到中频回波信号，并将中频回波信号通过所述中频切换单元输送到所述多通道中频回波采集模块；所述多通道射频回波信号为所选择的成像核的多路接收通道发送的射频回波信号。
在本实施例中，所述谱仪还包括一个序列控制模块；该序列控制模块用于生成成像核选通电平，并将成像核选通电平发送至所述中频切换单元。
在本实施例中，如图2所示，所述中频切换单元包括多个模拟多路复用器和多级驱动链路；所述多级驱动链路包括多个串联连接的总线驱动器。优选地，所述总线驱动器设置在模拟多路复用器所在电路板上。
其中，将多个所述模拟多路复用器分为第一模拟多路复用器（在图2中，用模拟多路复用器1表示）和多个第二模拟多路复用器（在图2中，用模拟多路复用器2，...，模拟多路复用器N+1表示），将多个串联连接的总线驱动器分为第一总线驱动器（在图2中，用总线驱动器1表示）和多个第二总线驱动器（在图2中，用总线驱动器2，...，总线驱动器N+1表示）。所述第一模拟多路复用器的第一输入端与所述中频脉冲发生模块连接，所述第一模拟多路复用器的第二输入端与所述第一总线驱动器的一个输出端连接，所述第一模拟多路复用器的输出端分别与各个所述射频前端单元的上混频电路连接；所述第一总线驱动器的输入端与所述序列控制模块的输出端连接；所述第一总线驱动器的另一个输出端连接与该第一总线驱动器串联连接的第二总线驱动器的一个输入端。所述第二模拟多路复用器的第一输入端与一个所述射频前端单元的下混频电路连接，不同的所述第二模拟多路复用器连接不同的所述射频前端单元的下混频电路；所述第二模拟多路复用器的第二输入端与所述第二总线驱动器的输出端连接，不同的所述第二模拟多路复用器的连接不同的所述第二总线驱动器；所有所述第二模拟多路复用器的输出端均与多通道中频回波采集模块连接。
所述多级驱动链路的工作原理为：一个总线驱动器将成像核选通电平输出到模拟多路复用器，并将成像核选通电平输出到下一个总线驱动器，形成中继。这样，就能实现对多个成像核的射频发射与多路射频接收的控制。
通过总线驱动器的设置，使中频切换单元的模拟多路复用器受成像核选通电平的控制，选通输入与输出中的某一路，从而实现对所选择的成像核的信号到谱仪的选通，并切断其他成像核的信号与谱仪之间的连接。
假定成像核有M个，一般而言，M+1≤8。每个成像核有1个发射通道，N个接收通道。这些模拟多路复用器的路数需至少为成像核的数量加1，即保留一个不用的通道，当没有成像核被选上时，就选通这个不用的通道。其中，在图1中，1#成像核表示第一个成像核，同理M#成像核表示第M个成像核，中间为省略号，表示1与M之间的成像核。
中频脉冲发生模块产生的中频脉冲信号输入到第一模拟多路复用器，由谱仪的序列控制模块输出成像核选通电平，将中频脉冲信号输送到所选择的成像核的射频前端单元的上混频电路。
各个成像核的射频前端单元输出的多个接收通道的中频回波信号，分别输出到各第二模拟多路复用器，由谱仪的序列控制模块输出成像核选通电平，各第二模拟多路复用器输出的多路中频回波信号由多通道中频回波采集模块采集。
在本实施例中，射频前端单元，一方面负责将谱仪输出的中频脉冲信号上混到射频，并将输出的射频脉冲信号发送至相应的成像核的发射通道；另一方面，将从低噪前放馈送过来的多通道射频回波信号下混到中频，并将输出的中频回波信号发送至到谱仪中。
具体地，各个成像核的射频前端单元有各自的本振源和功率分配器；其中，所述本振源用于产生本振信号；所述功率分配器用于对本振信号进行功率分配器操作，生成多路本振子信号，并将一路本振子信号发送至上混频电路，将其他路本振子信号发送至下混频电路。
具体地，如图3所示，所述上混频电路包括依次连接的第一混频器（在图3中，用混频器1表示）、第一带通滤波器（在图3中，用带通滤波器1表示）和第一放大器（在图3中，用放大器1表示）；所述第一混频器用于将接收到的本振子信号和中频脉冲信号进行混频操作。
具体地，如图4所示，所述下混频电路包括依次连接的第二放大器（在图4中，用放大器2表示）、第二混频器（在图4中，用混频器2表示）、第二带通滤波器（在图4中，用带通滤波器2表示）和第三放大器（在图4中，用放大器3表示）；所述第二混频器用于将接收到的本振子信号和中频回波信号（即经过第二放大器后的中频回波信号）进行混频操作。
在本实施例中，谱仪配置有一个中频脉冲发生模块，基于直接数字合成技术输出一路中频脉冲信号，通过中频切换单元输送到所选择的成像核的射频前端单元的上混频电路。
具体地，针对每一个成像核，根据其射频信号的频率确定一合适的本振信号的频率，即所述本振信号的频率是根据配置的成像核的射频信号的频率确定的，从而得到中频脉冲信号的频率，并且，将中频脉冲信号的频率限制在谱仪采样频率的1/2范围以内，以满足奈奎斯特采样率，例如，当主磁场为9.4T时，1H的射频信号的频率约为400.25 MHz，此时本振信号的频率选为420 MHz，因而中频脉冲信号的频率为19.75 MHz，可以满足采样频率为60 MHz的情况。
在本实施例中，谱仪配置一个多通道中频回波采集模块，各成像核的多通道射频回波信号（理论上只有所选择的成像核才有该信号）经下混频后，输出到中频切换单元，由中频切换单元选通所选择的成像核的多通道中频回波采集模块，由多通道中频回波采集模块采集这些中频回波信号，采集的方式为直接采样方式+数字下变频采样方式。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）通过一个中频切换单元和多个射频前端单元能够实现对全部成像核的射频信号的频率变换，进而实现高场磁共振多核成像功能。在成像过程中，能够在不同成像核之间进行快速而灵活地切换，以方便医生或者研究人员的操作。
（2）技术方案较简明，设备紧凑。谱仪只需要配置一个中频脉冲发生模块和一个多通道中频回波采集模块，每个成像核的频率变换由其单独的射频前端单元实现，支持模块化的设计与调试。
（3）成像核的选通电平通过简单、低成本、高可靠的多级驱动，即可实现对多个成像核的射频发射与多路射频接收的控制，方便成像核与接收通道的扩展。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，包括一个谱仪、一个中频切换单元和多个射频前端单元；所述谱仪包括一个中频脉冲发生模块和一个多通道中频回波采集模块；其中，一个成像核配置一个所述射频前端单元，不同的成像核配置不同的所述射频前端单元；所述射频前端单元包括上混频电路和下混频电路；
所述中频脉冲发生模块，用于生成中频脉冲信号，并将中频脉冲信号通过所述中频切换单元发送至目标射频前端单元的上混频电路；所述目标射频前端单元为所选择的成像核配置的射频前端单元；
所述上混频电路，用于对接收到的中频脉冲信号进行混频操作，得到射频脉冲信号，并将射频脉冲信号发送至所选择的成像核的发射通道；
所述下混频电路，用于对多通道射频回波信号进行混频操作，得到中频回波信号，并将中频回波信号通过所述中频切换单元输送到所述多通道中频回波采集模块；所述多通道射频回波信号为所选择的成像核的多路接收通道发送的射频回波信号。
2.根据权利要求1所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述谱仪还包括一个序列控制模块；所述序列控制模块用于生成成像核选通电平，并将成像核选通电平发送至所述中频切换单元。
3.根据权利要求2所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述中频切换单元包括多个模拟多路复用器和多级驱动链路；所述多级驱动链路包括多个串联连接的总线驱动器；
其中，将多个所述模拟多路复用器分为第一模拟多路复用器和多个第二模拟多路复用器，将多个串联连接的总线驱动器分为第一总线驱动器和多个第二总线驱动器；
所述第一模拟多路复用器的第一输入端与所述中频脉冲发生模块连接，所述第一模拟多路复用器的第二输入端与所述第一总线驱动器的输出端连接，所述第一模拟多路复用器的输出端分别与各个所述射频前端单元的上混频电路连接；所述第一总线驱动器的输入端与所述序列控制模块的输出端连接；
所述第二模拟多路复用器的第一输入端与一个所述射频前端单元的下混频电路连接，不同的所述第二模拟多路复用器连接不同的所述射频前端单元的下混频电路；所述第二模拟多路复用器的第二输入端与所述第二总线驱动器的输出端连接，不同的所述第二模拟多路复用器的连接不同的所述第二总线驱动器；所有所述第二模拟多路复用器的输出端均与多通道中频回波采集模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述射频前端单元还包括本振源和功率分配器；
所述本振源用于产生本振信号；所述功率分配器用于对本振信号进行功率分配器操作，生成多路本振子信号，并将一路本振子信号发送至上混频电路，将其他路本振子信号发送至下混频电路。
5.根据权利要求4所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述上混频电路包括依次连接的第一混频器、第一带通滤波器和第一放大器；所述第一混频器用于将接收到的本振子信号和中频脉冲信号进行混频操作。
6.根据权利要求4所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述下混频电路包括依次连接的第二放大器、第二混频器、第二带通滤波器和第三放大器；所述第二混频器用于将接收到的本振子信号和中频回波信号进行混频操作。
7.根据权利要求4所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述本振信号的频率是根据配置的成像核的射频信号的频率确定的。
8.根据权利要求1所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述多通道中频回波采集模块的采集方式为直接采样方式和数字下变频采样方式。
9.根据权利要求1所述的一种高场谱仪射频收发装置，其特征在于，所述中频脉冲信号的频率在谱仪采样频率的1/2范围内。
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