CN1555761A - 一种台式磁共振成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种台式磁共振成像仪，该成像仪主要由磁体，梯度系统、探头即接收/发射线圈、模拟部件以及核磁共振(NMR)谱仪控制台组成，其中核磁共振谱仪控制台采用一体化的设计方案，即由单台计算机完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务，其中的模拟部件中的射频放大器上集成有射频开关，射频开关由I/O口控制，所述的射频放大器采用的是开关型甲类放大器，其优点是系统结构简单、性能好，具有很高的性价比。

Description

一种台式磁共振成像仪

技术领域

本发明涉及核磁共振仪器，具体的讲是涉及一种台式磁共振成像仪。

背景技术

磁共振成像(MRI)技术具有无损伤、对比度高、多种参数选择等特点，因此在生物活体研究、医学诊断以及材料研究等领域占据了十分显著的地位。近年来，随着技术的进步与发展，其应用的深度与广度在不断拓展。然而，临床诊断用的“全身”MRI仪器的结构复杂、运行模式固定、绝对分辨率较低、体积庞大、安装运行环境要求苛刻，故在许多场合，例如野外作业、高分辨成像(≤100μm)和教学演示等，其应用受到极大限制。

通常，MRI仪主要由磁体、梯度系统、探头即接收/发射线圈、核磁共振(NMR)谱仪控制台和模拟部件等部分组成，其结构框图如图1所示。其中仪器的核心部分是谱仪控制台，它主要由主计算机、控制计算机、脉冲序列发生器、射频信号发生器、模拟/数字变换器和梯度波形发生器等部分组成。模拟部件包括三个部分：射频放大器、接收机和梯度放大器。执行脉冲序列时由脉冲序列发生器控制各个部件的工作。射频信号发生器产生的射频信号经过射频放大器放大之后，进入探头的发射线圈以激发被测样品。激发的过程非常短暂(数μs至数ms)，被激发后的样品将产生核磁共振信号，通过探头中的接收线圈接收，然后进入接收机放大，最后通过模数变换器(ADC)采集进计算机。梯度波形发生器产生的梯度波形通过梯度放大器放大以后进入梯度线圈产生三路XYZ梯度。

因为常规医用MRI的磁体必须设计成能够将人体放入，所以体积很大，导致梯度和射频线圈的效率均较低，进而影响了图像的绝对分辩率。不仅如此，为了操作方便，射频屏蔽需建造专门的屏蔽室。显然，这种仪器是不能考虑野外作业的，而且也不适合于高分辨成像。另外，为了仪器运行的安全可靠，扫描病人时采用固定工作模式。在这种模式下，操作人员仅能改变少数几个实验参数，因此无法满足教学演示的需要。事实上，教学演示不仅需要仪器能够详细演示磁共振成像的物理机理，而且对仪器的成本也有一定的要求。

发明内容

本发明的目的是根据上述产品的不足之处，提出了一种结构简单、能够分步演示核磁共振与磁共振成像基本原理、低成本的台式磁共振成像仪。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明主要由磁体，梯度系统、探头即接收/发射线圈、模拟部件以及核磁共振(NMR)谱仪控制台组成。

其中核磁共振谱仪控制台采用一体化的设计方案，即由单台计算机完成从对谱仪的实时控制到数据处理及显示的所有任务，改变了常规谱仪系统中的主从式结构。因此本发明中核磁共振谱仪控制台的组成是：一台计算机，以及插在其上的数字直接频率合成卡(DDS)、高速数据采集卡(ADC)和梯度波形发生器(DAC卡)，所述的三块卡与计算机之间均采用PCI接口通信。

所述的DDS卡采用了直接频率合成技术，可通过计算机任意设置其幅度、频率和相位；所述的ADC卡采用了高速采集芯片，其上集成有高速模拟开关，其最高采样速度可达10MHz，ADC卡具有交叉采样的功能，可通过高速模拟开关进行两路采样切换；DAC卡上设计了4路独立的数/模转换器。I/O(输入/输出)控制口直接集成在DDS卡上。

其中的模拟部件包括三个部分：射频放大器、射频接收机和梯度放大器。其中在射频放大器上集成有射频开关，射频开关由I/O口控制，所述的射频放大器采用的是开关型甲类放大器。

本发明具有下列优点：成像仪系统采用了一体化设计，在不降低系统性能指标和功能的前提下，大大简化了系统结构，具有很高的性价比。

1、采用了一体化的谱仪控制台，与常规主从式结构的谱仪控制台相比，大大简化了谱仪结构，从而使成像仪减小了体积，降低了成本，为其推广应用创造了有利条件。

2、发射通道的频率源部分采用了数字直接频率合成技术DDS，它具有极高的频率分辨率，极短的切换时间，以及数字调制功能。因此可通过计算机快速地切换DDS的幅度、频率和相位，为一体化设计提供了技术基础，增强了仪器的功能。

3、利用高速模拟开关器件，将正交检波的两路输出信号用同一个ADC进行采集，克服了不平衡而产生的镜像信号，提高了谱仪性能。

4、所有数字化部件都采用PCI(Peripheral Component Interconnect)接口，可以方便地与目前主流PC机或工控机连接。

附图概述

附图1为常规磁共振成像仪结构框图；

附图2为本发明结构框图；

附图3为磁体系统示意图；

附图4为射频功率放大级的原理图。

具体技术方案

以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图2-4所示，图中标号1-8为：磁体(1)(2)、磁场均匀区域(3)、探头外壳(4)、梯度线圈(5)(6)、射频接收/发射线圈(7)(8)。

实施例：本实施例主要由磁体，梯度系统、探头即接收/发射线圈、模拟部件以及核磁共振(NMR)谱仪控制台组成。

本实施例的磁体(1)、(2)的材料为钕铁硼，磁场强度为4700Gs，磁隙为40mm，磁场均匀区域(3)为呈直径10mm的球体状；射频接收/发射线圈(7)、(8)采用单线圈电路，用直径0.8mm漆包线绕成螺线管(内径10.5mm，长度15mm)，置于磁场均匀区范围内；探头(包括接收/发射线圈和阻抗匹配电路)的外壳(4)为金属铜或铝，保证良好的电磁屏蔽效果。在探头外面的两边安装了三组(x，y，z)正交的梯度线圈(5)、(6)。

除了磁体、梯度线圈和探头部分外，本实施例还包括谱仪控制台和模拟部件。其中谱仪控制台的组成是在一台个人计算机上插有一块数字直接频率合成(DDS)卡、一块高速数据采集(ADC)卡和一块梯度波形发生器(DAC)卡，三块卡都采用PCI接口与计算机通信。DDS卡采用了直接频率合成技术，可通过计算机任意设置其幅度、频率和相位。ADC卡采用了高速采集芯片，其上集成有高速模拟开关，最高采样速度可达10MHz，ADC卡具有交叉采样的功能，通过高速模拟开关进行两路采样切换，将正交检波的两路输出用同一个ADC进行采集，克服了不平衡而产生的镜像信号。DAC卡上设计了4路独立的数/模转换器，其中三路用来提供x，y，z梯度在工作期间所需的波形。I/O(输入/输出)控制口直接集成在DDS卡上，共有8位I/O控制线，可根据实际应用场合需要任意规定I/O控制线的用途。模拟部件包括三个部分：射频放大器、接收机和梯度放大器。其中在射频放大器上集成有射频开关，射频开关由I/O口控制，它的功能是将连续的射频信号变为射频脉冲。

与常规谱仪相比，本系统在三个方面做了简化。第一，与常规谱仪相比，本系统省去了以硬件方式实现的脉冲序列发生器，采用了基于PC机的软件化的脉冲序列发生器，即由PC机完成对脉冲序列的实时控制，主要通过在执行脉冲序列期间关闭中断来达到实时控制的目的，节省了硬件成本。第二，利用DDS幅度的可程控性，实现了软脉冲的直接数字合成。第三，利用高速模拟开关器件，将正交检波的两路输出用同一个ADC进行采集，克服了不平衡而产生的镜像信号。

如图2所示，实施例的具体工作流程是：在执行脉冲序列时，基于PC机的脉冲序列发生器根据核磁共振或者磁共振成像实验的要求执行相应的脉冲序列代码，直接去控制DDS卡、ADC卡、DAC卡和IO控制口等数字化部件。

本实施例在实际应用时，首先通过计算机设置DDS的激发频率、幅度和相位，产生激发射频信号；然后通过DDS卡上的I/O控制口去控制射频开关，使得频率源DDS上发出的射频信号通过射频开关产生指定宽度的射频脉冲；射频脉冲经过射频放大器放大以后直接进入探头中的射频发射线圈，样品被发射线圈的射频脉冲激发以后，探头中的接收线圈将感应到FID(自由感应衰减)信号；探头采用了常规的单线圈结构，其发射线圈和接收线圈共用，通过发射/接收开关(T/R Switch)进行转换；FID信号首先经过前置放大器(前置放大器通过发射/接收开关直接与接收线圈相连)，然后进入接收机；接收机的输出是经过检波以后的两路正交的低频信号；利用高速模拟开关器件，将两路输出用同一个ADC进行采集。

在实施例中，射频放大器必须是线性放大器，才能使射频激发软脉冲不失真。常规的线性射频功率放大器是采用“甲类”工作模式，这种放大器的效率很低。为了克服这一困难，本实施例采用了“开关型甲类”放大器，其原理如图4所示。因为在成像过程中，射频激发脉冲只占很少的时间，放大器在大部分时间内均处于“无任务”状态，所以我们可以用以控制电平，让放大器在有射频脉冲时工作于“甲类”模式，保证信号不失真，而在无信号时，让放大器不工作，这使得射频放大器的平均功耗大大下降。

数字频率源DDS卡和ADC采样卡均采用了PCI接口芯片PLX9052芯片；DDS器件采用了Analog Devices公司的AD9854；在Local端，使用了8位数据总线；在DDS中，数据总线直接引到DDS器件中，可编程逻辑器件对地址线和一些控制线进行译码后直接控制DDS器件，使用时只需要通过计算机设置DDS芯片的相应的寄存器值，即可输出相应的波形；而在ADC卡的设计中，为了保证实时性，在采样期间，AD采样卡是不受计算机干预的，AD芯片采集进的数据直接存入AD卡的SRAM中。因此在采样前需要预先设置采样点数和采样频率，采样结束以后，直接通过PCI总线读取SRAM中的数据。

因为核磁共振信号为两路正交的复数信号，所以需要两路独立的数据采集通道(ADC)。但是两路独立的数据采集器的参数(如增益、相移等)很难做到完全相同，因此可能会带来“镜像干扰”。克服这一问题的办法是采用“相位循环”技术，然而这需要额外增加工作时间。本实施例的数据采集仅用一片ADC芯片，通过一高速模拟开关进行交替的两路正交采样，得到正交复数信号。当然，还需要软件在付里叶变换程序中作了相应“相位”校正，以适应本硬件结构。

本实施例的软件系统除了实现了上述基于PC机的脉冲序列发生器外，还包括常规的一维核磁共振实验和常规的磁共振成像数据处理两部分。在一维核磁共振实验中，提供快速傅立叶变换、相位校正、基线校正、峰值提取、定标以及T1、T2拟合等过程。在常规的磁共振成像，提供标准的自旋回波和梯度回波成像脉冲序列。另外，在教学中为了演示磁共振成像的物理机理，我们将成像过程分解为若干个实验，起到循序渐进和直观生动的教学效果。

基于PC机的脉冲序列发生器原理是：产生脉冲序列需要一组事件和对应的延时，脉冲序列发生器就是根据事件控制字产生相应的电平来控制谱仪相关部件的工作状态并保持指定的延时。因此，用PC机来产生任意的脉冲序列是比较简单的。因为控制电平可以由I/O端口输出，而脉冲序列的延时是通过软件循环指令来实现的。一个LOOP指令一般为5个CPU时钟周期，因此可以把需要的延时换算成LOOP指令的循环次数即可。要实现基于PC机的脉冲序列发生器，必须要保证脉冲序列代码执行的实时性。因此需要在脉冲序列代码执行前关闭中断，保证脉冲序列执行期间的实时性。在采样期间及磁化矢量恢复期间，一般要开启中断，恢复到操作系统的正常状态。在Windows 98操作系统中实现起来比较方便，只要脉冲序列代码执行前加一条CLI关中断指令，在采样期间及磁化矢量恢复期间，用STI指令重新开启中断。而在Windows XP中，它的内部实现机制不同于Windows 98，在Windows XP中不能执行CLI、STI等特权指令。在Windows XP中要保证脉冲序列代码执行的实时性需要在脉冲序列代码执行前通过驱动程序把中断优先级设为最高，在脉冲序列代码执行完后再通过驱动程序把中断优先级恢复到原来的状态。采用以上方法，软件化的脉冲序列发生器的短期稳定度可达10^-7，长期稳定度在10^-6。

在运用本实施例实验时，除了采集核磁共振信号以外，还要用脉冲梯度磁场对核磁共振信号进行空间编码。在实验初始化阶段，计算机将实验所需的梯度波形数据和参数存入DAC卡上的内存中；实验启动后，DAC在脉冲序列的控制下，将梯度数据转换成模拟信号输出到梯度放大器内。梯度放大器的功能是将梯度信号的电流放大，并输出至梯度线圈上以便产生梯度磁场，完成对信号的空间编码过程。

同样，DAC卡也采用了PCI接口芯片PLX9052芯片。DAC芯片为AnalogDevices公司的DAC8222，配合OP470运算放大器进行缓冲输出。卡上设计了4路完全独立的DAC通道，其中三路用于产生实验所需的梯度波形，另一路备用。

本系统可以提供以下的实验：

1、核磁共振单脉冲实验；

2、核磁共振自旋回波实验；

3、自旋回波测量自旋-自旋驰豫时间T2实验；

4、核磁共振CPMG多回波实验；

5、CPMG多回波测量自旋-自旋驰豫时间T2实验；

6、反转-恢复法测量自旋-晶格驰豫时间T1实验；

7、饱和-恢复法测量自旋-晶格驰豫时间T1实验；

8、核磁共振软脉冲实验；

9、核磁共振软脉冲自旋回波实验；

10、一维频率编码磁共振成像实验；

11、一维相位编码磁共振成像实验；

12、二维相位编码磁共振成像实验；

13、二维自旋回波磁共振成像实验；

14、二维梯度回波磁共振成像实验。

Claims (7)

1、一种台式磁共振成像仪，主要由磁体，梯度系统、探头即接收/发射线圈、模拟部件以及核磁共振(NMR)谱仪控制台组成，其特征在于所述的核磁共振谱仪控制台由单台计算机，以及插在其上的数字直接频率合成卡(DDS)、高速数据采集卡(ADC)和梯度波形发生器(DAC卡)组成，三块卡与计算机之间均采用PCI接口通信，所述的模拟部件包括射频放大器、射频接收机和梯度放大器。

2、根据权利要求1所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于所述的单台计算机采用了基于PC机的软件化的脉冲序列发生器。

3、根据权利要求1所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于高速数据采集卡(ADC)上集成有高速模拟开关。

4、根据权利要求1所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于所述的DAC卡上设计了4路独立的数/模转换器。

5、根据权利要求1所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于所述的射频放大器采用的是开关型甲类放大器。

6、根据权利要求1所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于所述的射频放大器上集成有射频开关，射频开关由I/O(输入/输出)控制口控制。

7、根据权利要求1或5所述的一种台式磁共振成像仪，其特征在于所述的I/O控制口直接集成在DDS卡上，共有8位I/O控制线。