CN202710740U - 具有高速串行接口的磁共振接收线圈 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，线圈阵列和磁共振信号接收前端单元共同封装在线圈外罩之内，磁共振信号接收前端单元包括：将线圈感应的模拟NMR信号转换成数字NMR信号的模拟前端通道，以及数字前端发送单元，该单元将模拟前端通道输出的并行的数字NMR信号转换成串行数据，通过高速串行数据通道传送至全数字化磁共振成像谱仪。本实用新型模数转换功能位于接收线圈之内，对接收线圈所感应的NMR信号直接量化采样，减少了NMR信号在传输过程中损失，提高了系统成像质量；并具有通用性；省略了传统磁共振成像系统接收NMR信号链路中的器件，减少系统材料成本，缩短系统设计调试时间，简化系统复杂度，减少系统功耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种医用成像诊断设备，具体涉及一种具有高速串行接口的磁共振接收线圈。
背景技术
磁共振成像具有较高的软组织对比度与空间分辨率，且具有无电离辐射、无损伤等特点，因此成为了临床医学影像检查最重要的手段之一。随着超导磁体技术的发展，磁共振成像系统的主磁场不断提高，高场磁共振成像系统的应用越来越广泛。高场磁共振成像系统应用序列对系统成像的信噪比、空间分辨率、成像速度要求越来越高。系统中影响这三个要素的关键为接收信号链路，所以如何优化接收信号链路，成为研制开发磁共振系统的主要工作任务之一。为此很多磁共振设备厂商进行了不同方法的尝试，例如申请号为201010537429.6的《局部线圈装置中的MR信号传输》，申请号为200810212813.1的《用于从成像目标接收磁共振信号的系统和设备》等报道采用的中频采样结构，即接收线圈接收NMR信号之后经变频、增益调整、滤波之后变成某一频率相对低的中间频率供模数转换器件数字化处理。这显然在磁共振接收链路中增加了大量电子器件，这些电子器件只能增加由线圈感应NMR信号的电子噪声，而且对于多通道并行接收（接收通道大于4）应用来说，系统材料成本也会成倍增加。专利号为ZL200580031185.1的《具有动态范围控制的磁共振接收线圈》，接收信号链路采用直接采样，采样之后进行数据压缩再传给系统成像的数据存储器供重建处理。这种方式虽然取消了对线圈接收到NMR信号中间变频环节，但为保证足够的接收动态范围，需要对每一接收通道的增益进行特殊处理以便压缩从线圈感应的NMR信号。对于多通道并行接收而言，这种方式同样需要增加额外的增益处理器件，另外还需要在线圈侧做过多的数据压缩数字信号处理，这对噪声特别敏感的接收线圈来说，某种程度上降低了其接收灵敏度，加之该报道线圈通用性较差，只能用于其自家设备之上，相对维护难度及维护成本较高。
实用新型内容
针对现有技术的上述不足之处，本实用新型提供了一种具有高速串行接口的磁共振接收线圈，以优化磁共振成像系统多通道并行接收系统信号链路，解决高场磁共振成像系统NMR（磁共振）信号多通道并行接收信号链路互联复杂、NMR信号处理数据量大、开发成本及开发周期长、接收通道之间隔离度差、接收灵敏和信噪比低、通用性差等一系列应用难点。
本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：一种具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，线圈阵列和磁共振信号接收前端单元共同封装在线圈外罩之内，磁共振信号接收前端单元包括：
模拟前端通道：将线圈阵列感应的模拟NMR信号转换成数字NMR信号；接收数字前端发送单元的采样同步信号、带宽选择信号；
数字前端发送单元：将多条模拟前端通道输出的并行的数字NMR信号转换成串行数据，通过高速串行数据通道传送至全数字化磁共振成像谱仪；并接收来自全数字化磁共振成像谱仪的射频门控信号和时钟同步信号；发送失谐控制信号至线圈阵列。
所述模拟前端通道包括顺序连接的低噪声放大器、可调带宽滤波器、模数转换器。
所述线圈阵列中的每一个线圈环路与一个模拟前端通道相连。
所述多条模拟前端通道输出至一个数字前端发送单元。
所述数字前端发送单元包括：
数字串行编码单元：用于将模拟前端通道输出的数字NMR信号转换成串行数据，并通过高速串行数据通道传送至全数字化磁共振成像谱仪；
前端管理单元：接收全数字化磁共振成像谱仪的射频门控信号；输出失谐控制信号至线圈，输出采样同步信号至模拟前端通道的模数转换器，输出带宽选择信号至模拟前端通道的滤波器；输出编码控制信号至数字串行编码单元；
时钟管理单元：接收全数字化磁共振成像谱仪的同步信号；输出采样时钟至模拟前端通道；输出高速时钟和系统时钟至数字串行编码单元；
电源管理单元：接收前端管理单元的休眠控制信号；并给数字串行编码单元、时钟管理单元和模拟前端通道供电。
所述数字串行编码单元包括数据接收缓冲单元、数据编码单元、高速串行编码单元和驱动单元；
数据接收缓冲单元接收模拟前端通道中模数转换器的数据随路时钟信号和数据，还接收时钟管理单元的系统时钟和复位信号，将模拟前端通道的数字NMR数据在不同时钟控制下输出并行的NMR数据至数据编码单元和高速串行编码单元；
数据编码单元接收时钟管理单元的高速时钟和编码控制信号以及复位信号，将并行的NMR数据进行编码并输出至高速串行编码单元；
高速串行编码单元接收时钟管理单元的高速时钟、系统时钟和编码控制信号，将编码后的并行的NMR数据转换成串行数据，经驱动单元转换成光信号，由高速串行数据通道输出。
所述高速串行数据通道采用线缆或光纤，为多条。
所述数字串行编码单元采用专用数字集成电路或FPGA，并选用无磁器件或材料。
所述磁共振信号接收前端单元由电磁屏蔽材料封装在同一个PCB板基之上，其间互联信号以高密度互联技术实现。
本实用新型具有以下优点：
1.模数转换功能位于接收线圈之内，对接收线圈所感应的NMR信号直接量化采样，减少了NMR信号在传输过程中损失，提高了系统成像质量。
2.对于多通道接收应用而言，在增加接收通道数量同时，系统互联线没有显著增加，减小了系统成本。
3.该具有高速串行接口的磁共振接收线圈，具有通用性，可以适用于不同种类的数字磁共振成像谱仪。
4.可以长距离传送高速串行化的NMR信号。
5.多通道接收同步采样。
6.省略了传统磁共振成像系统接收NMR信号链路中混频器、本振、中频放大器、中频滤波器等一系列器件，减少系统材料成本，缩短系统设计调试时间，简化系统复杂度，减少系统功耗。
附图说明
图1为具有高速串行接口的磁共振线圈系统应用框图；
图2为具有高速串行接口的磁共振线圈构成框图；
图3为数字串行编码单元构成框图；
图4为前端管理单元框图；
图5为电源管理单元框图；
图6为1.5T 8通道相控阵列1通道串行输出头线圈框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
如图1所示为具有高速串行接口的磁共振线圈系统应用框图。整个成像系统分别由全数字化磁共振成像谱仪、医师操作台9、数字射频功率放大器、数字梯度放大器、磁体管理及患者监控前端、主磁体4、射频线圈5、梯度线圈6、由线圈阵列1和磁共振信号接收前端单元2构成的高速串口接收线圈等部件组成。
其中，全数字化谱仪集成了专用计算机及与该专用计算机连接的数字化NMR信号接收单元，数字化射频激励发送单元，数字化梯度波形发送单元和数字化磁体管理及患者监控单元；发送单元，数字化梯度波形发送单元和数字化磁体管理及患者监控单元；
其中，数字化NMR信号接收单元具有L个高速串行NMR信号数据接收通道，每个接收通道与接收线圈的高速串行NMR信号数据发送通道相连；
其中，数字化射频激励发送单元与数字射频功率放大器连接，将数字化射频激励波形发送至数字射频功率放大器；
其中，数字化梯度波形发送单元与数字梯度放大器连接，将数字化梯度波形发送至数字梯度放大器；
其中，数字化磁体管理及患者监控单元与磁体管理及患者监控前端连接，读取磁体系统的工作状态信息和对患者的监控信息。
其中，主磁体为超导磁体，射频线圈和梯度线圈位于其内。
如图2所示，线圈阵列1为相控阵多通道接收线圈，该线圈阵列和磁共振信号接收前端单元2共同封装在线圈外罩3之内，组成多通道磁共振接收线圈部件，即具有高速串行接口的磁共振线圈。该多通道磁共振接收线圈部件置于磁体腔7内，患者待检查部位8位于该多通道磁共振接收线圈部件内；
磁共振信号接收前端单元内的模拟前端通道包括低噪声放大器、可调带宽滤波器、模数转换器，外加模拟线性电源共同构成模拟集成电路；磁共振信号接收前端单元内的数字前端发送单元由数字电路组成，磁共振信号接收前端单元的实现方式为模拟数字混合集成电路或分立器件，无论哪种实现方式均以无磁器件或材料实现。
磁共振信号接收前端单元，为模拟数字混合电路，集成了N个模拟前端（N为整数）和N/M个数字前端发送单元（N为M的整数倍），每个模拟前端，对应接收线圈的一个接收通道，每个数字前端发送单元处理的通道数为N/M个（N为M的整数倍）。
模拟前端通道和模拟线性电源以及数字前端发送单元由电磁屏蔽材料封装在同一个PCB板基之上，其间互联信号以HDI（高密度互联）技术实现，模拟前端和数字前端发送单元分开可以有效减少数字器件的开关噪声对噪声敏感的前端单元产生影响。
N通道接收线圈部件集成了N(N为整数)模拟前端，N个模拟前端对应于1个数字前端发送单元，其将数字磁共振信号转换成L（L为整数）通道高速串行磁共振信号，大大减小了多通道接收线圈部件与成像谱仪之间的互连线缆。
N通道接收线圈部件，N个接收通道对应L（L为整数）个高速串行数据通道，实际配置情况依据具体应用的接收线圈及主磁场强度而定，如1.5T系统的4通道TORSO线圈，在80MHz的采样频率情况下，对于16位模数转换，仅需要一个6Gbps高速串行数据通道。
其中，低噪声放大器，经阻抗匹配直接与接收线圈的每个环路相连，其低阻输入特性，最大程度减少接收线圈各通道之间的耦合，其低噪声放大特性最大程度减少了附加在线圈所耦合NMR信号的电子噪声；
其中，可调带宽滤波器，带宽和插损连续可调，如此增加了线圈批量生产指标的稳定性，此功能由前端管理单元控制；
其中，模数转换器，采用带通采样技术，对模拟NMR信号直接采样，多通道并行同步采样，采样完成后自动休眠，电流模式的数字输出，由无磁材料封装及无磁制造工艺制成。
数字前端发送单元，由数字串行编码单元、前端管理单元、时钟管理单元及电源管理单元组成，其实现方式为专用数字集成电路或FPGA，无论哪种实现方式均以无磁器件或材料实现；
如图3所示，数字串行编码单元，包括模数转换单元数据接收缓冲单元（FIFO）、数据编码单元、高速串行编码单元、测试数据存储单元和驱动单元，其中接收数据缓冲单元缓冲数模转换的数字NMR信号数据，数据编码单元在时钟管理单元读时钟控制下，读取缓冲单元的数字NMR信号数据，经一定格式的编码如8B/10B之后（8B/10B编码适合长距离NMR信号传输之用）由高速串行编码单元，转换为高速串行数据流经驱动发送至全数字化谱仪的数字化NMR信号接收单元。
如图4所示，前端管理单元，由线圈失谐模块、接收带宽选择模块、采样同步模块、编码控制模块、时间控制模块和电源控制模块组成，各模块对应的功能为线圈控制功能、滤波器带宽及插损控制功能、采样同步功能、编码方式选择功能、时间控制功能和电源控制功能，线圈控制功能实现在射频激励发送时间段内，令前端管理单元自动休眠及线圈主动失谐的功能，最大程度减少线圈中的数字器件对成像系统的影响；滤波器带宽及插损控制功能实现对滤波器的带宽和插损进行数字控制；采样同步功能控制多通道数模转换同步采样；编码方式选择功能实现编码方式的选择和串行编码乱置的功能；时间控制功能对时钟管理单元监控及校准；电源控制功能控制电源管理单元的各种休眼及唤醒操作。
如图5所示，电源管理单元，监控模拟前端通道的低噪声线性电源工作状态及控制使其休眠，监控数字前端发送单元工作电源工作状态及控制使其休眠。
其中，时钟管理单元，接收来自全数字化谱仪的同步信号，并依据此信号调整模数转换采样时钟的相位；向高速串行编码单元提供工作时钟（即系统时钟）；向高速串行编码单元提供高速串行编码时钟（即高速时钟）；向模数转换器提供采样时钟。
实施例：1.5T 8通道相控阵列1通道串行输出头线圈，如图6所示。
8通道相控阵列头线圈1通道串行输出头线圈，分别由8个NMR信号接收环路构成，8个环路包围待检查部位-颅脑，每个线圈构成驻波谐振器，在63.86MHz处谐振，阻抗匹配至50Ω，在检查区域形成均匀的B1场。每个线圈环路输出与一个模拟前端通道相联，模拟前端通道将数字化的NMR信号发送至数字前端发送单元，8个模拟前端通道对应于1个数字发送前端发送单元，数字前端发送单元将接收到的8个数字NMR信号串行编码之后发送至全数字化谱仪。以模拟前端通道80MHz采样、16位模数转换为例，数字前端发送单元的NMR数据NMR信号传输速率80MHz*16*8=10.24Gbps，所以用一条NMR数据通道即可完成8通道相控阵列头线圈的NMR信号数据传输任务，节省了传统至少8条同轴线缆的NMR信号传输工作，线圈内的互联线与接口也相应大大减少，头线圈的外观也可以设计更人性化、小型化，减小待检查患者的心理不适与恐惧。
Claims (9)
1.一种具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，线圈阵列（1）和磁共振信号接收前端单元（2）共同封装在线圈外罩（3）之内，磁共振信号接收前端单元包括：
模拟前端通道：接收线圈阵列感应的模拟NMR信号和数字前端发送单元的采样同步信号、带宽选择信号，并输出数字NMR信号至数字前端发送单元；
数字前端发送单元：接收多条模拟前端通道输出的并行的数字NMR信号，还接收来自全数字化磁共振成像谱仪的射频门控信号和时钟同步信号；发送失谐控制信号至线圈阵列；输出串行数据，通过高速串行数据通道传送至全数字化磁共振成像谱仪。
2.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述模拟前端通道包括顺序连接的低噪声放大器、可调带宽滤波器、模数转换器。
3.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述线圈阵列中的每一个线圈环路与一个模拟前端通道相连。
4.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述多条模拟前端通道输出至一个数字前端发送单元。
5.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述数字前端发送单元包括：
数字串行编码单元：用于将模拟前端通道输出的数字NMR信号转换成串行数据，并通过高速串行数据通道传送至全数字化磁共振成像谱仪；
前端管理单元：接收全数字化磁共振成像谱仪的射频门控信号；输出失谐控制信号至线圈，输出采样同步信号至模拟前端通道的模数转换器，输出带宽选择信号至模拟前端通道的滤波器；输出编码控制信号至数字串行编码单元；
时钟管理单元：接收全数字化磁共振成像谱仪的同步信号；输出采样时钟至模拟前端通道；输出高速时钟和系统时钟至数字串行编码单元；
电源管理单元：接收前端管理单元的休眠控制信号；并给数字串行编码单元、时钟管理单元和模拟前端通道供电。
6.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述数字串行编码单元包括数据接收缓冲单元、数据编码单元、高速串行编码单元和驱动单元；
数据接收缓冲单元接收模拟前端通道中模数转换器的数据随路时钟信号和数据，还接收时钟管理单元的系统时钟和复位信号，将模拟前端通道的数字NMR数据在不同时钟控制下输出并行的NMR数据至数据编码单元和高速串行编码单元；数据编码单元接收时钟管理单元的高速时钟和编码控制信号以及复位信号，将并行的NMR数据进行编码并输出至高速串行编码单元；
高速串行编码单元接收时钟管理单元的高速时钟、系统时钟和编码控制信号，将编码后的并行的NMR数据转换成串行数据，经驱动单元转换成光信号，由高速串行数据通道输出。
7.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述高速串行数据通道采用线缆或光纤，为多条。
8.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述数字串行编码单元采用专用数字集成电路或FPGA，并选用无磁器件或材料。
9.根据权利要求1所述的具有高速串行接口的磁共振接收线圈，其特征在于，所述磁共振信号接收前端单元由电磁屏蔽材料封装在同一个PCB板基之上，其间互联信号以高密度互联技术实现。
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