CN1207559C

CN1207559C - 一种数字化核磁共振控制台装置

Info

Publication number: CN1207559C
Application number: CN 00128170
Authority: CN
Inventors: 刘朝阳; 裘鉴卿; 叶朝辉
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: CN1361418A

Abstract

本发明公开了一种数字化核磁共振控制台装置，该装置主要由脉冲程序控制器、射频通道和采样系统组成，采用总线式控制，使得控制模块能放置在系统总线背板的任意位置，可自动查询附加模块的标志，并检测其类型，使用了多模式可变采样频率的中频直接采样技术，本发明适用于核磁共振成像仪以及核磁共振波谱仪，使用方便、可靠性高、可扩展性强、能直接应用于高场的核磁共振仪器。

Description

一种数字化核磁共振控制台装置

本发明涉及核磁共振领域，尤其涉及核磁共振成像仪以及核磁共振波谱仪的数字化控制台装置。

九十年代以前，核磁共振控制台装置的射频通道采用的是模拟电路技术，射频信号幅度、频率和相位的调整精度有限、切换速度较慢，不能满足现代核磁共振实验中特形射频脉冲对于幅度、频率和相位的高速切换及精确调整的需求。

目前采用数字化核磁共振控制台技术方案的有美国和英国的两家公司。美国Tecmag公司生产的Apollo/LF产品(1998年)采用的方案为：整个系统采用了基于多数字信号处理器(DSP)的主从式脉冲程序发生器；发射机使用了频率和相位连续可调的直接数字频率合成器；接收机部分主要为高速模拟/数字转换器(14bit/10MHz)与专用数字正交下变频与数字抽取滤波器。该产品存在如下缺陷：1、由于系统设计的原因脉冲程序发生器中的主从模块之间的连接只能采用跳线方式，严重影响系统的可靠性；2、各模块必须放置在系统的指定位置，影响系统的可扩展性；3、发射机中DDS参考频率较低(50MHz)，无法直接应用在高场(高工作频率)的仪器中；4、虽然系统采用了中频直接采样技术，系统的中频频率和采样频率仍较低，分别为12.5MHz和10MHz。这些因素决定了系统只能工作在较低频率范围内，无法满足高场、高分辨核磁共振仪器系统的需求。

另一种是英国Resonance Instrument公司生产的MARAN DRX产品。该产品除了有上一种方案的缺陷外，还存在着下列问题：一个是将射频发射与接收部分放置在一个单元中，由于发射和接收部分间存在着相互干扰，影响了系统的信噪比；另一个是在阵列成象系统中只需要多路接收通道，但该产品只能同时提供多路发射和多路接收通道，造成了硬件资源的浪费。

本发明的目的是提供一种数字化核磁共振控制台装置，该装置适用于核磁共振成像仪以及核磁共振波谱仪，使用方便、可靠性高、可扩展性强、能直接应用于高场的核磁共振仪器。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

数字化核磁共振控制台装置主要由主计算机、控制与数据接口模块、系统总线背板、主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制模块、梯度控制模块、辅助接口、发射机、接收机、梯度驱动及主时钟信号发生器组成。主脉冲程序控制模块对从脉冲程序控制模块和梯度控制模块的控制采用总线式，即使用相同的控制信号线，使得它们能放置在系统总线背板的任意位置；主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制和梯度控制模块可自动查询辅助接口、发射机、接收机和梯度驱动等附加模块的标志，能自动检测附加模块的类型；使用了多模式可变采样频率的中频直接采样技术；同时使用了高速模拟/数字转换技术、正交数字下变频技术、数字抽取滤波技术、高速数字信号处理技术及正交射频发射机技术。

将主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制模块和梯度模块通过系统控制接口模块由系统总线背板与主计算机连接，可实现程序和数据的高速实时传输。

一个主脉冲程序控制模块和1～30个从脉冲程序控制模块及梯度控制模块构成脉冲程序控制器，其中的每个模块都赋予了一个地址号。本发明的控制台装置在每次启动时自动检测系统配置，主计算机对主脉冲程序控制模块和1～30个从脉冲程序控制模块及梯度控制模块加载程序，使得它们的位置可以任意调换，简化了系统的调试，方便了系统的升级。射频通道及其他模块均由脉冲程序控制模块或梯度控制模块控制，采用子模块的方式附加在脉冲程序控制模块或梯度控制模块上。这样既简化系统总线背板的设计，又有利于批量化生产。

脉冲程序控制器可以有不同的配置。最小的配置为：控制台装置使用主脉冲程序控制模块控制数据采集系统，一个从脉冲程序控制模块控制射频脉冲(包括射频频率、幅度、相位和脉冲时间等)。这种配置组成了一个具有单发射和接收通道的核磁共振控制台装置，可以满足低成本仪器的需求(如脉冲核磁共振油料种子含油量分析仪)。将主脉冲程序控制模块改为控制辅助接口模块(如保护电路)，添加另一从脉冲程序控制模块控制数据采集系统，添加梯度脉冲控制模块，即可满足常规核磁共振成像仪的需求。本系统可选用1～30个从脉冲程序模块，因此，发射和/或接收通道数、辅助接口模块的多少具有很强的可伸缩性。

控制台装置还包括射频发射单元、射频接收机单元、梯度场单元及安全监控部件。射频发射单元中的数字频率直接合成技术(DDS)的参考频率为200～300MHz，可产生高达80MHz的射频信号供高场成象仪直接使用。对低于40MHz的射频信号，发射通道能产生正交的两路信号，由DDS的信号经滤波后可直接输出，特别适用于使用开放式正交平板发射线圈的核磁共振成像仪器。当仪器工作频率要求高于80MHz时，DDS可与频率综合器混频产生80～500MHz的射频信号，射频信号具有高稳定、低噪声、幅度、相位和频率都可灵活调节的特点。

接收机单元采用多模式多采样频率射/中频直接采样、数字正交检波(正交数字下变频)和数字抽取滤波技术。当工作频率为100kHz～80MHz时，使用多频率射频直接采样，采样频率最高为每秒采样65兆次(65MSPS)，对于不同的工作频段使用不同的采样频率，保证系统从100kHz～80MHz范围内的工作频率连续可调。当工作频率高于80MHz时，经混频将信号变换到37.5MHz的中频上直接采样。采样后的数字信号经正交数字下变频电路进行数字正交检波和抽取滤波(采用专用可编程芯片)。滤波后的数据通过脉冲程序控制器传送到系统总线背板，而后经系统控制接口模块到主计算机。

梯度脉冲控制模块具有数字涡流补偿等功能，其输出由梯度单元的数字模拟转换器转换后直接输入到梯度功放。

辅助接口模块含有可编程逻辑阵列芯片，用户可根据自己的需要设置。

系统控制软件基于微软的ActiveX技术，可运行于WindowsNT/98/2000或Linux等多种操作系统。

综上所述，本发明是具有高度可伸缩性、宽工作频率范围、高接收带宽的数字化核磁共振控制台装置。该装置可用于高场高分辨率核磁共振谱仪、核磁共振成象仪以及多种核磁共振专用分析仪器。

与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1、具有很宽的工作频率范围，可以在100KHz-500MHz的频率范围工作。

2、灵活的多模块、主从并行式、可扩展的脉冲程序控制器，各脉冲程序控制模块的位置可任意变换，使用简单、操作方便。

3、本发明的控制台装置各模块相对独立，可以单独升级到更高的性能，为系统的升级提供了方便。

4、本发明具有很强的可伸缩性，可以应用在多种规格的核磁共振系统：如核磁共振油料种子分析仪、核磁共振岩芯分析仪、核磁共振成象仪以及核磁共振谱仪等。

5、本发明具有即插即用功能，能自动检测模块并使用相应的驱动。

图1为数字化核磁共振控制台装置方框示意图。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明主要由主计算机、控制与数据接口模块、系统总线背板、主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制模块、梯度控制模块、辅助接口、发射机、接收机、梯度驱动及主时钟模块组成。

主计算机将控制指令和数据通过安装在内部的接口卡和连接电缆送至控制与数据接口模块，并接收数据与状态信息。

控制与数据接口模块包括系统接口、数字信号处理器和控制与数据接口。它首先把主计算机传输来的指令和数据缓冲存储在数字信号处理器的存储器中，经格式转换后，经过系统总线背板送到相应的脉冲程序或梯度控制模块上；同时，它还接收这些模块通过系统总线背板传来的数据，然后回传到主计算机。

主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制模块与梯度控制模块具有相同的结构，它包括可编程逻辑控制器、数字信号处理器和串口、扩展接口、缓冲器几个部分。可编程逻辑控制器主要功能是将系统总线背板的信号译码和数字信号处理器的信号与系统总线背板信号的双向缓冲。主脉冲程序模块对其他脉冲程序模块和梯度控制模块的控制也由它完成。串口、扩展接口和缓冲器主要实现数字信号处理器对外部设备的控制和接收外部设备传回的数据。

辅助接口包括可编程逻辑阵列接口和电平转换部分，其功能在于产生低速控制信号和接收外部状态信号。

外部同步信号则用于使整个控制台装置的运行与外部信号(如心电门控信号)同步。

发射机包括可编程逻辑阵列芯片接口、直接数字频率合成器和滤波器。可编程逻辑阵列芯片接口用于控制和读取直接数字频率合成器的状态。脉冲程序控制器还直接控制直接数字频率合成器的开关并产生控制其他外设的噪声门控信号。直接数字频率合成器产生频率、相位和幅度都可调的正交射频信号经过滤波器滤波后输出。

接收机包括可编程逻辑阵列接口、数字正交变频与抽取滤波器和模拟数字转换器。由核磁共振接收系统来的模拟信号首先由模拟/数字转换器转换为数字信号，再由数字正交变频与抽取滤波器变换后通过可编程逻辑阵列接口送回脉冲程序控制器。后者还通过可编程逻辑阵列接口控制数字正交变频与抽取滤波器和模拟/数字转换器，并直接控制数字正交变频与抽取滤波器开关，产生控制其他外设的噪声门控信号。

梯度驱动包括光电隔离器和3个20-24位的数字/模拟转换器。光电隔离器用于传输梯度控制模块到数字模拟转换器，并隔离两部分的电气连接。数字模拟转换器将数字信号转换为模拟的梯度控制信号。梯度门控控制梯度功率放大器的开关。

主时钟信号发生器产生的时钟信号缓冲后送到系统的各部分。

实施例1

最小系统模式

在最小模式下，系统包括：主计算机、控制与数据接口模块主时钟发生器模块、系统总线背板、发射机模块接收机模块和两个脉冲程序控制模块：主脉冲程序控制模块和一个从脉冲程序控制模块。

主计算机将控制指令和数据通过接口卡和连接电缆送至控制与数据接口模块。控制与数据接口模块首先把主计算机传输来的指令和数据缓存在数字信号处理器的存储器中，经过一定的格式转换后经过系统总线背板送到相应的脉冲程序控制模块上；同时，它还接收这些模块通过系统总线背板传来的数据，然后回传到主计算机。主脉冲程序模块控制接收机模块，从脉冲程序控制模块控制发射机模块。这种最小配置组成了一个具有单发射和接收通道的核磁共振控制台装置，可以满足低成本仪器的需求(如脉冲核磁共振油料种子含油量分析仪)。主时钟信号发生器产生的时钟信号缓冲后送到系统的各部分。

实施例2

常规模式

在常规模式下，系统包括：主计算机、控制与数据接口模块、系统总线背板、主脉冲程序控制模块、两个从脉冲程序模块、梯度控制模块、输出接口、发射机、接收机和梯度驱动模块。

主计算机将控制指令和数据通过内部安装的接口卡和连接电缆送至控制与数据接口模块。控制与数据接口模块首先把主计算机传输来的指令和数据缓存在数字信号处理器的存储器中，经过一定的格式转换后经过系统总线背板送到相应的脉冲程序控制模块或梯度控制模块上；同时，它还接收这些模块通过系统总线背板传来的数据，然后回传到主计算机。主脉冲程序控制模块控制从脉冲程序控制模块与梯度控制模块的工作，并通过辅助接口产生低速控制信号和接收外部状态信号。外部同步信号则用于使整个控制台装置的运行与外部信号，如心电门控信号同步。从脉冲程序控制模块1控制发射机产生频率、相位和幅度都可调的正交射频信号。由核磁共振接收系统来的模拟信号由接收机转换为数字信号并处理后送回从脉冲程序模块2，然后经系统总线背板由控制与数据接口模块将数据传回主计算机。梯度控制模块控制梯度模块产生梯度信号。

Claims

1、一种数字化核磁共振控制台装置，该装置主要由主计算机、控制与数据接口模块、系统总线背板、主脉冲程序控制模块、从脉冲控制模块、梯度控制模块、辅助接口、发射机、接收机、梯度驱动及主时钟信号发生器组成，其特征在于、(a)、主脉冲程序控制模块对从脉冲程序控制模块和梯度控制模块的控制采用总线式，即使用相同的控制信号线，使得它们能放置在系统总线背板的任意位置；(b)、主脉冲程序控制模块、从脉冲程序控制模块和梯度控制模块可自动查询辅助接口、发射机、接收机和梯度驱动附加模块的标志，能自动检测附加模块的类型；(c)、本控制台装置的接收机使用了多模式可变采样频率的中频直接采样技术；(d)、本控制台装置的接收机同时使用了高速模拟/数字转换技术、正交数字下变频技术、数字抽取滤波技术、高速数字信号处理技术；(e)本控制台装置的发射机使用了正交射频发射技术。