CN1588111A - 一种消除被动式射频开关中波形失真的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核磁共振技术，具体的讲是涉及一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，该方法采用的是一种软脉冲波形补偿的方法，即首先设置一个交越失真偏移量δ，再把0幅度两侧的波形数据上移或下移一段偏移量δ，其中交越失真偏移量δ的选择是以刚好消除二极管的交越失真时的偏移量δ为最佳偏移量，也就是刚好能够使软脉冲波形的基底电压从0上移至二极管的导通电压Vth时的偏移量δ，其优点是，不需要改变现有探头结构，只需要通过波形变换就可以消除被动式射频开关中的波形失真。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振技术，具体的讲是涉及一种消除被动式射频开关中波形失真的方法。
背景技术
核磁共振仪器的探头一般包括发射和接收两个线圈。发射线圈用来激发样品中满足共振条件的原子核，而接收线圈的作用就是接收被激发的共振原子核给出核磁共振信号(自由感应衰减，FID)。在电路结构上，发射与接收可以使用一个线圈，也可以使用两个独立的线圈。为了仪器正常工作，探头必须满足以下条件：在激发期间，要避免射频脉冲的高电压将接收通道的前置放大器击穿；在接收期间，要避免发射通道的噪声进入接收通道，因此探头中除了有射频接收和发射线圈之外，还包括一些射频开关。目前在核磁共振探头中常用的射频开关有主动式和被动式两种。主动式射频开关一般采用PIN二极管，利用外加控制电压来达到电路的导通或断开。其优点是导通完全，缺点是需要复杂的外部高压控制电路。而被动式射频开关是利用一般高频二极管本身具有的开关特性。其显著优点是电路简单，无需任何附属电路。缺点是会引起射频信号的波形交越失真。原因是二极管存在的导通电压，对硅半导体而言，二极管的导通电压一般在0.6-1.0V之间。在宽带激发时，波形失真引起的效应一般可以忽略。然而，对于选择激发实验，例如磁共振成像中的选层，射频信号的波形失真对实验结果的影响非常显著。
下面以单线圈探头结构为例来讨论，得出的结论同样也适用于双线圈探头。单线圈探头的电路原理如图1所示，主要包括两大部分：射频线圈和射频开关。射频线圈一般采用串联谐振或并联谐振的电路结构，用于发射射频和接收FID信号。由于采用了单线圈的结构，因此必须要有相应的射频开关把发射和接收通道隔离开来。如图1所示，射频开关由二极管D1、D2、D3、D4和传输线组成。在射频脉冲激发期间，二极管D1-D4因射频高压而导通，可近似为短路。接收机端的λ/4线使接收机端的阻抗由0阻抗变换成高阻抗(开路)，而射频线圈端的λ/2线起到了短路的作用。因此，发射机输出的射频功率直接输入到射频线圈中，而不会进入接收机。当接收FID信号时，由于射频线圈上感应到的电压信号是非常小的，不能导通二极管，D1-D4均截止。因此FID信号直接从射频线圈进入接收机。同时，发射机的噪声也因二极管截止而不能进入接收机。
上述射频开关的主要优点是：1、它能根据信号大小自动切换发射通道和接收通道；2、能在大功率信号下工作。但是上述射频开关也有一个明显的不足之处，那就是它会使射频信号失真。这主要是由于射频开关部分采用了二极管来隔离发射和接收通道，在射频脉冲作用期间虽然这些二极管可近似为短路，但其实低于二极管导通电压的信号被截掉了，会使射频信号失真。在核磁共振仪器中，一般使用硬脉冲或软脉冲作为激发脉冲。对于硬脉冲来说，这种失真只会在激发频率两侧产生一定的谐波，而这些谐波一般都在激发带宽之外，因此不会对激发产生什么影响。软脉冲一般用于选择激发实验或者磁共振成像序列中。软脉冲波形经过二极管以后同样会产生一定的失真，通过计算机模拟可以看出这一失真会对激发特性产生一定的影响。图2给出了一个标准的软脉冲波形(Guass加权Sinc波形)，并用密度矩阵计算出了其激发轮廓。图3模拟了一个标准的软脉冲波形(Guass加权Sinc波形)通过射频开关以后的波形(失真波形)，并用密度矩阵计算了其激发轮廓。从图2和图3的软脉冲波形的比较可以看出通过二极管以后，软脉冲波形产生一定的失真，低于二极管导通电压的那一部分信号被截掉了。通过计算软脉冲的激发轮廓可以看出因射频开关二极管导致的信号波形失真会引起激发轮廓的矩形系数变差，造成激发不均匀。如果激发不均匀，会导致层与层之间有部分重叠，影响选片效果。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术中被动式射频开关的不足之处，提供一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，该方法采用的是一种软脉冲波形补偿的方法，用以克服二极管交越失真导致的射频波形失真。
成像脉冲序列中用到的软脉冲波形一般都是归一化的波形，存储在波形文件中，编写脉冲序列时需要从波形文件中载入软脉冲波形数据。如图2所示左边的波形就是一个归一化的软脉冲波形。
本发明的思路是，导致失真的原因是低于二极管导通电压的那一部分信号被截掉了，而要消除波形失真只需要使软脉冲波形的基底电压不小于二极管的导通电压Vth(即把软脉冲波形的基底电压从0上移至Vth)，因此需要修改标准的软脉冲波形，使软脉冲波形向上或向下平移一段偏移量。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
本发明方法采用如下几个步骤：
1、从波形文件中读取一组归一化的软脉冲波形数据，存储在波形数组中；
2、设置一个交越失真偏移量δ，然后把波形数组中的每一点波形数据都乘上1-δ，使软脉冲波形数据的最大幅度为1-δ；
3、在第二步的基础上，把软脉冲波形数据中大于等于0的数据加上δ，小于0的数据减去δ，即相当于把0幅度两侧的波形数据上移或下移了一段偏移量δ，经过平移以后的数据最终还是归一化的数据。
上述方法中的交越失真偏移量δ设置需根据实验结果选择一个最佳的偏移量，选择的原则是以刚好消除二极管的交越失真时的偏移量δ为最佳偏移量，也就是刚好能够使软脉冲波形的基底电压从0上移至二极管的导通电压Vth时的偏移量δ。
本发明的优点是，不需要改变现有探头结构，只需要通过波形变换就可以消除被动式射频开关中的波形失真。
附图概述
附图1为单线圈探头电路结构；
附图2为Gauss加权的Sinc波形及其激发轮廓；
附图3为通过二极管以后的Gauss加权的Sinc波形及其激发轮廓；
附图4为波形补偿的软件界面；
附图5为标准软脉冲波形及其通过射频开关以后的输出波形包络；
附图6为补偿以后的软脉冲波形及其通过射频开关以后的输出波形包络。
具体技术方案
以下结合附图通过实施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：
按照上述方法，我们编制了一个小软件。软件界面如图4所示。软件的主要功能是首先从文件中读取一组归一化的波形数据，然后调节交越失真偏移量δ，最后把调节完以后的波形数据存盘。
上述软件的功能具体如下：
1、波形文件中读取一组归一化的软脉冲波形数据，存储在波形数组中；
2、设置一个交越失真偏移量δ，该量的范围限制在大于0，并且小于或等于0.3的范围之内，然后把波形数组中的每一点波形数据都乘上1-δ，使软脉冲波形数据的最大幅度为1-δ；
3、在第二步的基础上，把软脉冲波形数据中大于等于0的数据加上δ，小于0的数据减去δ，即相当于把0幅度两侧的波形数据上移(＞＝0)或下移(＜0)了一段偏移量δ，经过平移以后的数据最终还是归一化的数据。
交越失真偏移量的设置需要根据实验来确定，运行上述软件调节交越失真偏移量的具体过程如下：
1、把从射频开关输出的波形直接接到示波器上观察；
2、在软件上设置输入一个交越失真偏移量，然后运行脉冲序列，在示波器上观察软脉冲波形输出；
3、重复第2步过程，直到找到一个最佳的交越失真偏移量δ，即此时刚好能够克服二极管交越失真。
根据上述过程，得到的结果如图5和图6所示。图5是一个标准的软脉冲波形从射频开关输出以后通过示波器观察到的结果，图6是经过波形补偿以后的软脉冲波形从射频开关输出以后通过示波器观察到的结果，图6波形补偿中的交越失真偏移量为0.07。比较图5和图6可以看出，没有经过补偿的软脉冲波形通过射频开关产生比较大的失真，经过补偿以后输出的软脉冲波形几乎没有失真。
Claims (4)
1、一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，其特征在于该方法采用如下几个步骤：(1)从波形文件中读取一组归一化的软脉冲波形数据，存储在波形数组中；(2)设置一个交越失真偏移量δ，然后把波形数组中的每一点波形数据都乘上1-δ，使软脉冲波形数据的最大幅度为1-δ；(3)在第二步的基础上，把软脉冲波形数据中大于等于0的数据加上δ，小于0的数据减去δ。
2、根据权利要求1所述的一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，其特征在于所述的交越失真偏移量δ限制在大于0，并且小于或等于0.3的范围之内。
3、根据权利要求1或2所述的一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，其特征在于所述的交越失真偏移量δ的最佳值是能够使软脉冲波形的基底电压从0上移至二极管的导通电压Vth时的偏移量δ。
4、根据权利要求1所述的一种消除被动式射频开关中波形失真的方法，其特征在于可通过示波器观察射频波形输出来调节交越失真偏移量δ。
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