CN203535205U - 一种用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于磁共振成像系统中的多通道数据接收模块。该数据接收模块由A/D转换单元、采集控制单元(包括数字控振荡器(NCO)、多速率数字滤波器组、数据缓存区)组成。磁共振信号经A/D转换单元采样和采集控制单元数字解调后，得到的I/Q数据流，在一定的时序控制下，经数据缓存区传送至网络接口单元。本实用新型的设计可以对多个通道的磁共振信号直接高速采集，具有很好的重构性和并行数据处理能力，并可扩展至32通道。本实用新型的设计采用FPGA夹层卡单板结构，集成度高、成本低，控制简单，具有一定的通用性，可应用于磁共振成像系统中。

Description

一种用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块

技术领域

本实用新型属于磁共振成像领域，涉及一种用于磁共振成像系统的多通道数据接收技术。 

背景技术

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)利用磁场和射频脉冲使生物体内的氢核共振产生信号，经计算机处理而成像。自MRI用于临床诊断以来，越来越受到影像工作者和临床医生的欢迎，成为一些疾病诊断必不可少的检查手段。磁共振成像系统由磁体、射频、梯度、谱仪等子系统组成。谱仪是磁共振成像系统的关键设备之一，谱仪的主要作用是根据临床应用选择不同的成像序列和参数，产生射频脉冲信号及梯度磁场信号，其性能优劣是决定磁共振成像质量的重要因素。磁共振成像中，射频接收线圈接收磁共振信号，对图像的信噪比有重要作用。近年来，随着磁共振技术的发展，多通道射频接收线圈越来越多的应用到临床中。多通道射频接收线圈将获得多路磁共振信号，这就要求谱仪中磁共振信号接收模块能够接收多路信号。在已有的磁共振成像系统中，大多采用专用的数字信号处理芯片(如AD6620、AD6636)作为谱仪中的磁共振信号接收模块的核心，但专用芯片可重构性差、灵活性差、动态范围低、结构复杂。采用FPGA(Field-programmable gate array，现场可编程门阵列)实现多通道磁共振信号的接收，具有扩展性强，很好的并行数据处理能力和可重构性。 

磁共振成像系统中采集多通道磁共振信号能提高图像质量和空间分辨率，增加采集速度，减少运动伪影，缩短采集时间，加快患者通过率。 

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，它用于磁共振成像中多路磁共振信号的接收。 

本实用新型的多通道数据接收模块包括A/D转换单元、采集控制单元，所述A/D转换单元与采集控制单元相连；所述采集控制单元包括数字控制振荡器、多速率数字滤波器组、数据缓存区。 

多通道磁共振信号由A/D转换单元采样，采样数据送至采集控制单元，解调后得到的I/Q数据流在主控单元的控制下，经数据缓存区传送至网络接口单元。 

进一步的，采集控制单元通过可编程FPGA芯片实现。 

进一步的，数据缓存区为FPGA内部双端口存储器。 

进一步的，采集控制单元通过并行外部接口与主控单元通信，通过主控单元实现对采集控制单元的参数配置及时序控制。 

进一步的，A/D转换单元与采集控制单元传输的为LVDS信号。 

进一步的，数据缓存区为双缓存结构，FPGA按照一定控制时序将数字解调器输出的I/Q数据流按照一定顺序存入数据缓存区上半部中；K空间的一条扫描线的点数采完后，FPGA向网络接口单元发送中断，并开始采下一条扫描线的数据，按乒乓结构存入数据缓存区的下半部，依次轮转。 

本实用新型的有益效果是： 

按照本实用新型的设计，可以实现对多个通道的磁共振信号的直接高速采集； 

本实用新型的设计采用可编程FPGA芯片实现多路磁共振信号的接收、处理； 

本实用新型的设计采用FPGA夹层卡结构(FMC标准)，集成度高、成本低，控制简单和通用性强； 

本实用新型的设计具有很好的可重构性和可编程性，能在本实用新型的基础上扩展至32通道； 

本实用新型采用分时复用的方式将数据缓存在FPGA片上存储器中，以乒乓操作方式产生中断让网络接口单元读取I/Q数据； 

本实用新型的设计采用LVDS串行数据接口； 

按照本实用新型的设计，应用于磁共振成像中能提高图像质量和空间分辨率。 

下面结合附图进一步说明本实用新型的目的是如何实现的： 

附图说明

图1所示为本实用新型的多通道数据接收模块的结构框图。 

图2所示为本实用新型的多通道数据接收模块原理图。 

具体实施方式

如图1所示为本实用新型的多通道数据接收模块的结构框图。所述多通道数据接收模块包括A/D转换单元、采集控制单元(FPGA)。 

A/D转换单元包括ADC驱动电路和ADC转换电路。ADC驱动电路完成磁共振信号的放大、抗混叠滤波等功能。在A/D转换之前加抗混叠滤波器可避免出现频率混叠。ADC转换电 路采用模数转换器ADS5263实现，其为TI推出的首款面向磁共振成像等医疗应用的四通道模数转换器。ADS5263具有14位与16位分辨率模式，其中，14位为低功耗模式，16位为高速度、高分辨率模式。差分非线生±0.4LSB，积分非线性±3.0LSB，输入为30MHz信号时，信噪比为82.6dBFS。ADS5263采样率最高可达150MSPS，输出为LVDS电平信号。其中，LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低电压差分信号，是一种低摆幅的差分信号技术，信号可在差分PCB线对上以几百Mbps的速率传输。LVDS接口由于采用低压、低电流驱动方式，可实现低噪声和低功耗。本实用新型中，A/D转换单元与采集控制单元之间传输的为LVDS信号。 

本实用新型中ADS5263使用16位分辨率模式、采样速率f_s=100MSPS，此条件下，可将输入模拟信号无失真转换为数字信号，采样后的信号以源同步的方式进入FPGA作数字解调、抽取、滤波。 

FPGA芯片作为本实用新型的数据接收模块的核心，主要负责多通道磁共振信号的直接数字下变频、I/Q数据流的控制。本实用新型中采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片。在本实用新型中，数字控制振荡器、多速率数字滤波器组通过FPGA实现。数据缓存区为FPGA内部双端口存储器，双端口存储器可对存储器中任何位置上的数据进行并行、独立的存取操作，是一种高速工作的存储器。 

本实用新型中采用FPGA夹层卡结构(FMC标准)，FMC标准将I/O接口与FPGA分离，简化I/O接口设计，提高数据吞吐量，采用FMC夹层结构使数据接收通道数达到8个且易于实现通道数的扩展。 

主控单元是磁共振谱仪的控制中心，通过并行外部接口与采集控制单元通信，实现对采集控制单元的参数配置，包括：数字控制振荡器的频率、相位、数据抽取率，滤波器参数，待采集的通道数、采样点数等。 

网络接口单元完成磁共振谱仪与用户计算机之间的通信与数据交换，网络接口单元读取的数据缓存区中的I/Q数据流并通过以太网或光纤传输至上位机做后处理。 

如图2所示为本实用新型的数字接收模块原理图。多通道磁共振信号由A/D转换单元采样后，采样数据送至FPGA中，在FPGA内部完成数字解调、抽取、滤波，得到的I/Q数据流在主控单元的时序控制下，将抽取滤波后的I/Q数据流分时复用的缓存在FPGA内部双端口RAM(数据缓存区)中，并以乒乓操作的方式产生中断让网络接口单元完成I/Q数据的读取。 

数字控制振荡器(NCO)产生正弦、余弦信号。A/D采样后的数字信号分别与NCO的实部和虚部相乘，解调出数字信号的同相分量(I)和正交分量(Q)。本实用新型中，频率字和相位字的精度为48位。 

数字解调后的数字信号的速率依然为100MSPS，需要对该数字信号进行抽样，但抽样会造成信号混叠，因此必须设计抽样滤波器对信号进行滤波。本实用新型中采用三级可变比率滤波抽样方法实现对数字信号的抽样。包括CIC5(5级梳妆滤波器)、CIC补偿滤波器、FIR滤波器(Finite Impulse Response，有限脉冲响应)。CIC滤波器(Cascade、Integrator Comb，梳妆滤波器)非常适用于高速抽取或插值系统中。 

数字控制振荡器(NCO)将A/D转换后的数字信号解调为24位I/Q数据，由数字滤波器组将高速率信号抽取、滤波为低速率信号，在主控单元的控制下，分时复用地将数据缓存至FPGA内部的双端口RAM中。 

数据接收模块工作时，具体工作流程如下： 

步骤一：系统上电后，主控单元对FPGA内部的数字控制振荡器(NCO)、滤波器组进行参数配置，包括：频率、相位、数据抽取率等； 

步骤二：主控单元对FPGA进行设置，包括待采集的通道数、每次的采样点数； 

步骤三：磁共振信号送入A/D转换单元，A/D转换单元在时钟控制下对其进行采样； 

步骤四：主控单元控制FPGA，触发数据采集； 

步骤五：经过A/D采样之后的数据送至DDC，经数字解调后输出I、Q数据； 

步骤六：数字解调后的I、Q数据送至数字滤波器进行抽取、滤波； 

步骤六：FPGA按照一定控制时序，将数字滤波后的I、Q数据按照一定顺序存入数据缓存区； 

步骤七：K空间的一条扫描线的点数采完后，FPGA向网络接口单元发送中断，并开始采下一条扫描线的数据，按乒乓结构存入数据缓存区的下半部，依次轮转。 

步骤八：网络接口单元收到中断后，从数据缓存区读出每一个回波的I、Q数据。 

所述多通道数据接收模块具有以下特点： 

采用单板结构，集成度高、成本低； 

具有很好的可重构性，便于系统升级，在FPGA资源允许的情况下，可扩展至32通道甚至更多的通道数； 

本实用新型的设计控制简单，具有一定的通用性。 

Claims (9)

1.一种用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，该数据接收模块由A/D转换单元、采集控制单元组成，所述A/D转换单元与采集控制单元相连；所述采集控制单元包括数字控制振荡器、多速率数字滤波器组、数据缓存区。 

2.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于所述采集控制单元通过可编程FPGA芯片实现。 

3.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于所述数据缓存区为FPGA内部双端口存储器。 

4.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于所述采集控制单元通过并行外部接口与主控单元通信。 

5.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于多通道磁共振信号由A/D转换单元采样，采样数据送至采集控制单元，得到的I/Q数据流在一定的时序控制下经数据缓存区传送至网络接口单元。 

6.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于采用分时复用的方式将抽取、滤波后的数据缓存在FPGA片上存储器中，以乒乓操作方式产生中断让网络接口单元读取I/Q数据。 

7.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于所述A/D转换单元与所述采集控制单元之间传输的为LVDS信号。 

8.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于采用FPGA夹层卡结构，数据接收通道数为8个。 

9.根据权利要求1所述的用于磁共振成像系统的多通道数据接收模块，其特征在于A/D转换单元采用ADS5263。 

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