一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块，能够提高核磁共振成像质量、实时监测磁体温度和稳定系统工作频率。所述模块将核磁共振成像系统所需要的呼吸/心电门控、磁体温度采集和自动调谐等功能集成到由一个模拟微控制器和一个CPLD组成的微处理系统，并且通过背板总线集成到核磁共振成像系统谱仪内部，然后通过谱仪实现与计算机的网络通信。与实现所述功能的现有分立设备相比，该发明大大提高了系统的集成度，节省了硬件资源，便于维护和操作以及软硬件的升级，同时也方便和上位计算机之间通信。
【专利说明】—种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块，特别涉及一种集成到核磁共振成像系统谱仪当中的多功能采集模块，该模块主要是通过将核磁共振成像系统所需要的呼吸/心电门控、磁体温度采集和自动调谐等功能集成到同一个微处理系统，在提高核磁共振成像质量、实时监测磁体温度和稳定系统工作频率的同时提高了系统的集成度，方便了操作、维护以及软硬件的升级。
技术背景
[0002]本发则涉及的用于核磁共振成像系统的多功能采集模块主要集成了呼吸/心电门控，磁体温度采集和自动调谐电路三部分，它们在提高核磁共振成像质量、稳定磁体温度和系统工作频率方面有着重要的意义。
[0003]核磁共振成像系统主要由磁体、谱仪和计算机三部分组成。其中谱仪执行脉冲序列，控制射频信号的发射与接收，采集图像数据，是核磁共振成像系统中的核心部分。谱仪由多个工作模块组成，本文所要阐述的发明即是要集成到谱仪当中的一个功能相对独立的模块。
[0004]目前在核磁共振成像系统中，人体的呼吸、心跳等会使系统在成像时产生运动伪影，以致降低图像的分辨率和信噪比。因此为提高核磁共振图像质量，需要一种能控制核磁共振成像系统中成像序列的运行时间，使之与人体的呼吸、心跳的节律相同来消除运动伪影的设备。呼吸/心电门控就是这样的一种设备，它将由传感器获得的人体呼吸信号和心率信号经过放大、模数转换之后输入单片机中进行处理，以获得控制成像序列所需的门控信号。它在提高核磁共振成像的图像质量上有着重要的现实意义。
[0005]核磁共振成像系统的磁体会随着磁体温度变化而变化，随即会影响到主磁场，进而影响核磁共振成像系统的成像质量。因此对磁体温度采集和实时监测对保证成像质量十分重要。
[0006]核磁共振成像系统有一种接收线圈是柔性的。不同的人由于体型不同，在使用时会导致线圈形状改变，从而导致线圈电感发生变化，然而接收线圈是以固定的谐振频率(即核磁共振成像系统的工作频率)工作的，因此需要调节接收线圈变容二极管两端的电压来达到改变线圈电容的目的，从而保证线圈工作在固定的谐振频率。另一方面，接收线圈工作在谐振频率时，其接收到的信号强度最强，而当到线圈的工作频率发生偏移时，其接收到的信号强度也会降低。因此自动调谐设备的功能就是当谱仪检测到线圈的工作频率发生偏移时便产生一个加在线圈变容二极管两端的扫描电压，这时候变容二极管的电压会随着扫描电压而变化，当线圈接收到的信号强度再次达到最大时，说明线圈回到了其谐振频率，系统便将该电压值锁定，让线圈稳定在该工作频率，从而达到了自动调谐的目的。
[0007]目前在核磁共振成像系统中，呼吸/心电门控、磁体温度采集以及自动调谐功能都是采用分立的设备实现的，每一个分立设备与计算机的通信都是通过串口进行的，其最大的弊病就是:计算机串口资源经常不够用，而且容易烧坏；这些分立的设备使用起来繁琐而且稳定性差，设备软硬件的升级也比较麻烦。
[0008]针对这种情况，本发明设计了一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块，该模块将呼吸/心电门控、磁体温度采集以及自动调谐功能集成到同一个微处理系统，并通过背板总线集成到谱仪内部，然后通过谱仪和计算机进行通信。由于谱仪和计算机之间的通信只需要一根网线即可，因此该多功能采集模块大大提高了系统集成度，节省了硬件资源，同时也大大方便了系统设备的操作、维护以及软硬件的升级。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块，在提高核磁共振成像质量、实时监测磁体温度和稳定系统工作频率的同时提高了系统的集成度，节省了硬件资源，便于维护和操作以及软硬件的升级，同时也方便和上位计算机之间通信。
[0010]为实现上述目的，本发明提供了一种将呼吸/心电门控、磁体温度采集以及自动调谐功能集成到同一个微处理系统的多功能采集模块，其主要包括:信号调理电路、一个模拟微控制器ADUC845、一个型号为EPM570F256C的CPLD和自动调谐电路四个部分。
[0011]首先，信号调理电路是对来自传感器的呼吸、心电和温度信号进行放大、滤波等处理，其主要包含三路。第一路是呼吸信号调理电路，它由两级放大电路和单端转差分电路组成，第一级放大电路是由AD8221构成的增益控制级，输入差分信号输出相应的增益控制信号。第二级放大电路由双运放0P2177构成，可根据需要相应提高后一个运放的输入电平，提高输出信号的电位。连接在放大电路之后的是由AD8476构成的单端转差分电路，它提供所述模拟微控制器需要的差分输入信号；第二路是心电信号的调理电路，它由一级放大电路和单端转差分电路组成，其中0P2177的一格运放构成一级放大电路，AD8476构成的单端转差分电路；第三路是温度信号调理电路，其组成与所述的心电信号调理电路完全相同。
[0012]第二，模拟微控制器ADUC845，它的模拟输入端接收来自所述信号调理电路的差分信号并对其进行AD转换和处理，同时将处理后的信息通过CPLD和背板总线上传至谱仪，再由谱仪通过网线上传至PC机，以实现人机交互的操作方式。
[0013]第三，型号为EPM570F256C的CPLD，它分别与自动调谐电路、所述模拟微控制器ADUC845、以及背板总线相连，并且预留出一部分IO 口。它具有三个方面的功能:第一，它对来自所述ADUC845的数据进行存储，并在需要时将数据通过背板总线上传至谱仪和PC机；第二，通过程序设置产生一个循环线性变化的数字量给自动调谐电路，并由自动调谐电路将该数字量转换成线性对应的模拟电压值。第三，预留IO 口，以便于其他功能的扩展。
[0014]第四，自动调谐电路，用以将所述CPLD所发出的不同数字量转换成线性对应的模拟电压值。其主要由两部分电路组成。第一部分电路是由AD5344构成的数模转换电路，它直接与CPLD相连，将来自CPLD的数字量转换成0-5V的模拟电压值。第二部分由三级放大电路组成，第一级是由0PA364构成的增益控制电路，同相输出增益信号。中间级是由NPN型晶体管组成的共射极放大电路。第三级是由PNP型晶体管组成的射极跟随器。经过有源放大，自动调谐电路最后输出0-12V之间的射频扫描电压。
[0015]由上所述，与传统的技术相比，本发明具有如下的技术先进性:
[0016]a)采用具有多路差分输入，内置有24位ADC的模拟微控制器和具有256个IO的CPLD组成微处理系统，实现了多路信号的采集、处理和自动调谐等功能，提高了设备的集成度，节省了硬件资源。
[0017]b)将多功能采集模块通过背板总线集成到谱仪当中，便于维护和操作以及软硬件的升级，同时也方便和上位机之间的通信。
[0018]c)采用AD8476实现差分信号输入，提高了输入信号的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]从以下参照附图对优选实施例的详细描述，将使多功能采集模块的结构和特点更加清晰。
[0020]图1为核磁共振成像系统多功能采集模块的整体设计方案框图。其中虚线框内的部分是多功能采集模块的电路逻辑框图，虚线框外部分是和多功能采集模块连接的外围电子设备。
[0021]图2为呼/心电门控工作流程框图。
[0022]图3为在执行呼吸/心电门控功能时ADUC845模拟微控制内部程序工作流程图。
[0023]图4为多功能采集模块获得的呼吸信号曲线图。
[0024]图5为多功能采集模块获得的心电信号曲线图。
【具体实施方式】
[0025]一、以下参照附图描述实现本发明呼吸/心电门控功能的实施例。
[0026]1.对呼吸信号的采集和处理
[0027]气压传感器根据人体呼吸产生不同的差分信号并将信号送入附图1所示的增益控制电路，AD8221增益控制电路根据传感器送来的差分信号输出相应的增益控制信号，并送入后一级0P2117构成的放大电路进行信号放大，经过放大电路后信号已由差分变成单端形式，因此为了实现差分输入，最后再由AD8476将单端信号转为差分信号。
[0028]经过调理电路后呼吸信号后到达内置有24位A/D转换器的模拟微控制器ADUC845，然后ADUC845将处理后的信号经CPLD和背板总线上传至谱仪，再由谱仪通过网线上传至计算机如附图2所示。在计算机上测试者根据测试软件得到呼吸信号曲线图，如附图4所示。其中，测试外面上有三种曲线，绿线为获得的被测者的呼吸信号曲线，红线为门限值线(可根据需要人为设定)，黄线即为控制成像序列的门控信号。当测试者——操作者看到成像系统获得的图像不清晰或存在运动伪影时，可根据经验手动设置门限值，即改变测试软件界面上红线的位置，设定合适的门限值，此时，计算机将人为设定门限值的信息返回给ADUC845，ADUC845微处理系统根据设定的门限值输出相应的门控信号，即一系列脉冲送给谱仪以控制其成像序列运行时间，从而获得清晰的图像。其中脉冲的形成过成如附图3所示，在开始测试时，系统按默认值进行初始设定，设定初始门限值，并开始采集呼吸信号，ADUC845将采集来的呼吸信号与门限值进行比较，若呼吸信号高于门限值，则系统输出高电平，否则输出低电平，此时输出的高低电平便是控制成像序列运行时间的门控信号一脉冲序列，脉冲序列控制系统成像序列运行时间，若成像清晰没有伪影，则让系统继续正常工作，若成像不清晰或存在运动伪影，则可人为在计算机上重新设定门限值，产生新的门控序列，直到图像清晰不存在运动伪影为止。
[0029]2.对心电信号的采集和处理[0030]同样采集心电信号时压敏传感器将人体脉搏的跳动信号转为电信号，并将其送入附图1所不的由0P2177直接构成的心电信号放大电路,放大后的心电信号与呼吸信号一样由AD8476转为差分信号并输入ADUC845模拟微控制进行转换和处理。处理后在计算机上将获得如附图5所示的心电信号，同是也将脉冲序列送给谱仪进行控制成像序列成像。在成像过程中，心电信号门限值的设定流程与呼吸信号门限的设定相同如附图3所示，测试者将根据自身的经验设定门限值，直至获得清晰的图像为止。
[0031]二、以下参照附图描述实现本发明温度采集功能的实施例。
[0032]温度的采集过程如下:如附图1所示，信号从磁体的温度传感器进入信号调理电路，经过0P2177放大电路后被AD8476转为差分信号并输入模拟微控制器ADUC845，经过ADUC845转换和处理后的信号送入CPLD，在需要读取时，PC机通过谱仪的背板总线将CPLD中的数据读走。
[0033]三、以下参照附图描述实现自动调谐功能的实施例。
[0034]如附图1所示，当谱仪检测到接收线圈的工作频率偏离谐振频率时，便通过背板总线向多功能采集模块的CPLD发送指令以启动CPLD中的程序执行。该程序向自动调谐电路的DA转换器从O到255循环发送数据，DA将接收到的数据转换成0-5V之间变化模拟电压值，该模拟电压再经过三级放大电路被提高到0-12V并加到接收线圈变容二极管的两端，因此该0-12之间不断变化的扫描电压就会不断的改变变容二极管的电容。因为当接收线圈工作在谐振频率时，其接收到的信号强度最强，而当到线圈的工作频率发生偏移时，其接收到的信号强度也会降低。所以当线圈接收到的信号强度再次达到最大时，说明线圈回到了其谐振频率，此时谱仪便向多功能采集板的CPLD发送指令让CPLD将自动调谐电路的电压值锁定。此时便达到了调谐的目的。
[0035]通过以上4个实施例可以看到，以ADUC845和CPLD为核心的微处理系统实现了多路信号采集、处理和自动调谐功能，提高了设备的集成度，节省了硬件资源。并且多功能采集模块通过背板总线集成到谱仪当中，便于维护和操作以及软硬件的升级，同时也方便了和上位机之间的通信。
【权利要求】
1.一种用于核磁共振成像系统的多功能采集模块，包括:信号调理电路，对来自传感器的信号进行放大、滤波等处理；一个模拟微控制器，对经过所述信号调理电路处理的信号进行AD转换和处理，并将处理后的信号送至CPLD ;—个CPLD，分别与自动调谐电路、所述模拟微控制器、以及背板总线相连，并且预留出一部分IO 口便于其他功能的扩展；自动调谐电路，将所述CPLD所发出的不同数字量转换成线性对应的模拟电压。
2.根据权利要求1所述的信号调理电路，其包含三路。第一路是呼吸信号调理电路，它由两级放大电路和单端转差分电路组成，第一级放大电路是由AD8221构成的增益控制级，输入差分信号输出相应的增益控制信号。第二级放大电路由双运放0P2177构成，可根据需要相应提高后一个运放的输入电平，提高输出信号的电位。连接在放大电路之肝的是由AD8476构成的单端转差分电路，它提供所述模拟微控制器需要的差分输入信号；第二路是心率信号的调理电路，它由一级放大电路和单端转差分电路组成，其中0P2177的一格运放构成一级放大电路，AD8476构成单端转差分电路；第二路是温度彳目号凋理电路，其组成与所述的心率信号调理电路完全相同。
3.根据权利要求1所述的模拟微控制器，其型号为ADUC845,它的模拟输入端接收来自所述信号调理电路的差分信号并对其进行AD转换和处理，同时将处理后的信息通过CPLD和背板总线上传至谱仪，再由谱仪通过网线上传至PC机，以实现人机交互的操作方式。
4.根据权利要求1所述的CPLD，其型号为EPM570F256C，它有三个方面的功能:第一，它对来自所述ADUC845的数据进行存储，并在需要时将数据通过背板总线上传至谱仪和PC机；第二，通过程序设置产生一个循环线性变化的数字量给自动调谐电路，并由自动调谐电路将该数字量转换成线性对应的模拟电压值。第三，预留IO 口，以便于其他功能的扩展。
5.根据权利要求1所述的自动调谐电路，其主要由两部分电路组成。第一部分电路是由AD5344构成的数模转换电路，它直接与CPLD相连，将来自CPLD的数字量转换成0-5V的模拟电压值。第二部分由三级放大电路组成，第一级是由0PA364构成的增益控制电路，同相输出增益信号。中间级是由NPN型晶体管组成的共射极放大电路。第三级是由PNP型晶体管组成的射极跟随器。经过有源放大，自动调谐电路最后输出0-12V之间的射频扫描电压。
【文档编号】G01R33/567GK103969612SQ201310032406
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月28日 优先权日:2013年1月28日
【发明者】王为民, 施玉麟, 张俊宝, 汤伟男, 林先钗 申请人:北京大学