磁共振谱仪及其扫描方法、射频发射和接收方法与流程

本公开涉及医疗设备领域，尤其涉及一种磁共振谱仪及其扫描方法、射频发射和接收方法。

背景技术：

磁共振成像(magneticresonanceimaging，mri)是利用磁体产生的恒定磁场，通过射频系统和梯度系统对受检体的激发，产生磁共振信号，然后通过接收系统对信号进行采集和重建，从而获得受检体图像的方法。

磁共振谱仪是实现磁共振成像的设备，相关技术中，磁共振谱仪通常包括控制模块，与控制模块连接的用于扫描、重建等功能的计算机单元，以及各种硬件执行单元，其中，控制模块基于背板结构，通过控制总线与各种硬件执行单元进行电气连接。在磁共振成像过程中，计算机单元与各种硬件执行单元之间通过控制模块实现相互之间的通信。

随着磁共振成像的发展，计算机单元和硬件执行单元之间的通信要求也越来越高，现有采用控制总线进行通信时，控制模块每次只能访问一个硬件执行单元，因此通信效率比较低；并且由于控制总线可支持接口的数量有限，因此限制了磁共振谱仪的可扩展性。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开提供一种磁共振谱仪及其扫描方法、射频发射和接收方法。

具体地，本公开是通过如下技术方案实现的：

根据本公开实施例的第一方面，提出了一种磁共振谱仪，包括路由器、计算机单元和硬件执行单元，所述计算机单元包括若干个计算机模块，所述硬件执行单元包括若干个硬件执行模块，所述路由器配置有若干个第一光口，所述若干个第一光口分别与所述计算机模块或所述硬件执行模块一一对应光纤连接；所述路由器接收计算机模块发送的数据包并转发至硬件执行单元或其他计算机模块，路由器接收硬件执行单元发送的数据包并转发至计算机单元。

作为优选，所述路由器还包括第一处理器，所述第一处理器与所述若干个第一光口电连接。

作为优选，所述若干个计算机模块包括扫描计算机模块、至少一个序列计算机模块以及至少一个重建计算机模块；

所述扫描计算机模块，用于接收用户输入的扫描参数，生成并向路由器发送包含扫描参数的第一数据包，以及接收由重建计算机模块生成、经路由器转发而来的包含重建图像的第四数据包；

所述序列计算机模块，用于接收包含扫描参数的第一数据包，解析所述扫描参数并进行序列计算，输出硬件控制参数，生成并向路由器发送包含硬件控制参数的第二数据包；

所述重建计算机模块，用于接收由硬件执行单元生成、经路由器转发而来的包含扫描数据的第三数据包，根据所述扫描数据进行图像重建，并发送包含重建图像的第四数据包，所述扫描数据由硬件执行单元采集获得。

作为优选，所述扫描计算机模块、序列计算机模块、重建计算机模块分别由单个计算机组件构成。

作为优选，所述扫描计算机模块、序列计算机模块、重建计算机模块三者或其中的任意两个合为一体，由同一个计算机组件构成。

作为优选，所述计算机组件内设有计算机主体、通用接口、第二处理器以及第二光口，所述通用接口连接计算机主体，所述第二处理器分别与所述通用接口、所述第二光口电连接，所述第二光口通过光纤连接所述第一光口；所述第二处理器用于第二光口与通用接口之间的协议转换。

作为优选，所述硬件执行模块设有第三光口、第三处理器以及外围电路，所述第三处理器分别与所述第三光口、所述外围电路电连接，所述第三光口与所述硬件执行单元对应的第一光口通过光纤连接；所述第三处理器根据收到的控制信号驱动外围电路以执行相应的操作，采集数据并发送包含扫描数据的第三数据包。

作为优选，所述若干个硬件执行模块包括至少一个射频发射模块、至少一个射频接收模块和至少一个梯度模块。

作为优选，所述若干个硬件执行模块还包括门控采集模块、磁体监控模块、病床模块中的一个或多个。

作为优选，所述路由器还包括第一时钟子模块，所述第三处理器内还设有第二时钟子模块，所述第二时钟子模块与所述第一时钟子模块产生相干时钟信号。

根据本公开实施例的第二方面，提出了一种基于上述磁共振谱仪的磁共振扫描方法，包括如下步骤：

所述路由器将来自计算机单元的包含控制参数的数据包转发至硬件执行单元；

所述路由器接收到硬件执行单元的包含扫描数据的数据包后转发至计算机单元，所述扫描数据为硬件执行单元根据所述控制参数执行磁共振扫描时采集得到。

作为优选，所述若干个计算机模块包括扫描计算机模块、序列计算机模块以及重建计算机模块时，所述路由器将来自计算机单元的控制信号转发至硬件执行单元，具体为：

所述路由器接收来自扫描计算机模块的第一数据包，并转发至序列计算机模块，所述第一数据包包含用户输入的扫描参数；

所述路由器接收来自序列计算机模块的第二数据包，并转发至各个硬件执行模块，所述第二数据包包含序列计算机模块根据扫描参数进行序列计算转换得到的硬件控制参数。

作为优选，所述若干个计算机模块包括扫描计算机模块、序列计算机模块以及重建计算机模块时，所述路由器接收到硬件执行单元的扫描数据后转发至计算机单元，具体为：

所述路由器接收来自硬件执行单元的第三数据包，并转发至重建计算机模块，所述第三数据包包含硬件执行单元根据硬件控制参数执行磁共振扫描并采集得到的扫描数据；

所述路由器接收来自重建计算机模块的第四数据包，并转发至扫描计算机模块，所述第四数据包包含重建计算机模块根据扫描数据进行图像重建得到的重建图像。

作为优选，所述第二数据包到达硬件执行单元中各个硬件执行模块的时间相同。

根据本公开实施例的第三方面，提出了一种基于上述磁共振谱仪的射频发射和接收方法，包括如下步骤：所述路由器接收来自射频发射模块的数据包，转发至射频接收模块。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：通过路由器将计算机单元、硬件执行单元连接起来组成光纤通信的拓扑网络，提升了磁共振谱仪的系统工作效率，提高了系统可靠性，加快了整体扫描速度。

附图说明

图1是本公开磁共振谱仪的一种结构框图；

图2是本公开磁共振谱仪的一种应用实例的结构框图；

图3是本公开磁共振谱仪中计算机组件的一种结构框图；

图4是本公开磁共振谱仪中硬件执行模块的一种结构框图；

图5是本公开磁共振谱仪所采用数据包格式的示意图；

图6是本公开磁共振谱仪所采用的第二数据包中硬件控制参数部分的一种示意图；

图7是本公开磁共振谱仪扫描过程中的数据同步示意图；

图8是本公开磁共振谱仪扫描过程中的开始扫描命令的数据包分发示意图；

图9是本公开磁共振扫描方法的流程图；

图10是本公开磁共振扫描方法的另一种流程图。

图中，1-计算机单元，2-路由器，3-硬件执行单元，10-计算机模块，11-扫描计算机模块，12-序列计算机模块，13-重建计算机模块，21-第一处理器，22-第一光口，23-时钟源第一时钟子模块，24-电源子模块，25-，30-硬件执行模块，31-射频发射模块，32-梯度模块，33-射频接收模块，34-门控采集模块34，35-磁体监控模块，36-病床模块，37-其他模块，100-计算机组件，101-计算机主体，102-通用接口，103-第二处理器，104-第二光口，205-开始数据包发送子模块，301-第三光口，302-第三处理器，303-外围电路，311-同步子模块。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一光口也可以被称为第二光口，类似地，第二光口也可以被称为第一光口。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

如图1所示，磁共振谱仪包括路由器2、计算机单元1和硬件执行单元3，计算机单元1包括若干个计算机模块10，硬件执行单元3包括若干个硬件执行模块30，所述路由器2配置有若干个第一光口22，所述的第一光口22分别与所述计算机模块10或所述硬件执行模块30一一对应光纤连接；所述路由器2接收计算机模块10发送的数据包并转发至硬件执行单元3或其他计算机模块10，路由器2接收硬件执行单元3发送的数据包并转发至计算机单元1。

其中，在实际应用时，计算机单元1可以位于操作间，硬件执行单元3可以位于设备间，路由器2可以集成安装在磁共振谱仪的机柜上。

路由器2为一光纤路由器，还包括与第一光口22电连接的第一处理器21，用于作为磁共振谱仪运行时钟源的第一时钟子模块23以及为路由器2内部模块供电的电源子模块24。在一个实施例中，上述第一处理器21可以为fpga。

路由器2设置有多个第一光口22，形成分布式拓扑结构，扩展性和适应性更强，使多个功能模块之间通过光纤连结实现相互协同工作，提高执行的操作效率，可以提升磁共振谱仪在配置时的灵活性，提高整体的扫描效率。

如图2所示，所述的硬件执行单元3可以包含射频发射模块31、梯度模块32、射频接收模块33等多个硬件执行模块30。此外，门控采集模块34、磁体监控模块35、病床模块36、其他模块37等多种磁共振设备常见模块中的一种或多种也可以作为硬件执行模块30。

射频发射模块31用于驱动射频线圈输出符合要求的射频脉冲，可以是发射控制器加上射频功率放大器，也可以是集成的数字接口射频功率放大器；梯度模块32用于驱动三个方向的梯度线圈，提供梯度磁场，可以是梯度功率放大器；射频接收模块33用于控制接收线圈进入调谐状态，采集接收线圈接收到的信号；门控采集模块34用于生理信号门控成像并采集和监控；磁体监控模块35用于对磁体的磁场状况进行监控；病床模块36用于病床的检查和定位；其他模块37可以是通话装置、视频监视装置、氦气及水冷却装置、氧气检测器等。

以上可作为硬件执行单元3内置的模块，各硬件执行模块30的数量均可以按照实际需求进行设置。图2中示例性地设置了分别与第一光口22光纤连接的两个射频发射模块31、两个梯度模块32以及由四个射频接收模块32，该设计能够提升射频发射强度，梯度控制效率以及射频接收效果；另外，门控采集模块34、磁体监控模块35、病床模块36、其他模块37各为一个。

如图4所示，上述硬件执行模块30均可采用具有第三光口301、第三处理器302以及外围电路303的内部结构。所述第三处理器302分别与所述第三光口301、所述外围电路303电连接，所述第三光口301通过光纤与所述硬件执行单元3对应的第一光口22连接。所述第三处理器302处理第三光口301接收到的其他模块发送的数据包，对所述数据包处理后发送至外围电路303；所述第三处理器302在扫描过程中，采集外围电路303的扫描数据或工作数据并打包通过第三光口301发送至计算机单元1或其它硬件执行单元3实现对外通信。上述结构，使光电转换部分和外围电路303分离，因此能够兼容不同类型的硬件执行模块30，适应性好。

其中，第三处理器302可以为fpga，外围电路303包括模数混合模块(模数转换器和数模转换器)、模拟信号模块(放大器，信号调理)和数字io(控制高低电平)等多个模块电路；第三处理器302内还设有用于外部的时钟模块产生相干时钟信号的第二时钟子模块，保证各个硬件执行单元3和磁共振谱仪的时间同步，保证磁共振扫描的效果。第三处理器302设有寄存器(register，缩写为reg)，作为序列有关的内部存储单元；第三处理器302还设有用于序列同步的同步子模块311，同步子模块311可以是实体的硬件，也可以是部署在第三处理器302上的软件。

实际使用时，硬件执行单元3收到计算机单元1发来的数据包后，根据数据包内含有的硬件控制参数执行磁共振扫描，采集得到扫描数据，生成含有扫描数据的数据包并转发至路由器2。

如图2所示，计算机单元1可以包括一个扫描计算机模块11、至少一个序列计算机模块12以及至少一个重建计算机模块13等。扫描计算机模块11、序列计算机模块12、重建计算机模块13和硬件执行模块30之间的协作关系如下。

扫描计算机模块11接收用户输入的扫描参数，生成并向路由器2发送包含扫描参数的第一数据包；还接收由重建计算机模块13生成、路由器2转发而来的包含重建图像的第四数据包。第一数据包可以包含开始扫描命令，所述的扫描命令包含扫描参数，扫描参数主要是描述序列按照时间顺序需要产生的物理梯度波形和射频波形，以及信号采集带宽和增益等物理信息。

序列计算机模块12接收包含扫描参数的第一数据包，解析所述扫描参数并依据时间序列转换为硬件控制参数，生成并向路由器2发送包含开始扫描命令与硬件控制参数的第二数据包。第二数据包经由路由器2转发至对应的硬件执行模块30。

其中，序列计算机模块12的解析所述扫描参数并依据时间序列转换为硬件控制参数，具体为：序列计算机模块12根据扫描参数按照时间顺序进行展开，依次转换得到多组按时间顺序驱动相对应硬件执行模块的硬件控制参数。

以射频发射为例，扫描参数定义有射频发射开始时间、射频发射循坏周期、射频发射次数以及射频发射波形参数表等，序列计算机模块12根据射频发射循环周期和射频发射次数在时间轴上产生一个或多个射频发射的序列，转换得到射频发射模块31按时间顺序需要执行的硬件控制参数。

包含开始扫描命令与硬件控制参数的第二数据包到达各个硬件执行模块30的时间误差需要很小，才能保证各个硬件执行模块30之间时序的同步，而序列同步主要由序列计算机模块12、路由器2和第三处理器302中的同步子模块311来共同实现，详见后面的数据包相关的描述。

硬件执行模块30接收包含硬件控制参数的第二数据包，解析硬件控制参数并执行扫描等相应的操作，采集扫描数据，生成并向路由器2发送含有扫描数据的第三数据包。其中，采集扫描数据并生成及向路由器2发送含有扫描数据的第三数据包的为射频接收模块33。

重建计算机模块13接收包含扫描数据的第三数据包，根据所述扫描数据进行图像重建，并发送包含重建图像的第四数据包，所述扫描数据由硬件执行单元3采集获得。

以上计算机单元1、硬件执行单元3的各部分之间进行通信时所传输的数据包，包括第一数据包、第二数据包、第三数据包和第四数据包，都可采用如图5所示的数据包的格式。数据包包括：目的地址(destinationid)、源地址(sourceid)、数据类型(messagetype)、数据长度(length)以及数据内容(data)。

在一个可选的实现方式中，数据包可以选择如下设计，数据包包括32位的包头以及具体信息，所述具体信息即数据内容(data)。所述包头的32位数据依次为：8位的目的地址(destinationid)，表示要发送到哪里；8位的源地址(sourceid)，表示数据来自哪里；4位的数据类型(messagetype)，根据需要定义的数据包类型，可以实现读写模块寄存器等操作；以及12位的数据长度(length)，代表这个数据包的长度，数据包长度最大可以为4096。该设计能够保证模块之间数据传输顺畅。

数据包的传输支持广播的形式，例如当计算机单元1需要把相同的控制参数写入到不同的硬件执行模块30中时，只需要通过广播形式的传输一次就能实现，大大增加了硬件访问效率。

而第二数据包发往各个硬件执行模块30之间序列同步的实现，可以采用恢复时钟的方法，也可以选用电缆的形式来传输时钟信号和数据包。

第二数据包所包含的硬件控制参数，由序列计算机模块12根据扫描计算机11获得的扫描参数进行序列计算获得，包含addr(address，地址)、data(data，数据)和dur(duration，持续时间)。其中，addr指向对应硬件执行单元3中第三处理器302里的寄存器，data为要写入该寄存器的值，dur为写入的值的有效时间。一组addr、data和dur称为一个事件，多个事件构成扫描序列。

以控制射频发射幅度为例，第二数据包中对应的用于驱动射频发射模块的硬件控制参数，如图6所示。其中，addr_rf_amp是幅度控制的地址，data_rf_amp1、data_rf_amp2、data_rf_amp3分别表示依次写入的三种幅度大小，dur1、dur2、dur3分别为三种幅度持续的时间，三组数据构成三个事件。按上述硬件控制参数执行，射频发射模块31即可实现更新三次射频发射幅度的功能。

在一种可选的实施方式中，所述路由器2内设有第一时钟子模块23，所述第三处理器302内还设有第二时钟子模块，所述第二时钟子模块与所述第一时钟子模块可产生相干时钟信号。

在具体的实施过程中，各个硬件执行模块30的第二时钟子模块根据路由器2传输的光纤信号中的相位信息，提取出和路由器2中第一时钟子模块23相干的时钟信号，提取出来的时钟信号为恢复时钟。如图7所示，在恢复时钟和开始扫描命令的触发下，同步子模块311对每个事件进行解析并将事件中的data写入相应的寄存器，对对应的dur计时，进行对外围电路303的控制。通过事件这种机制，可以精确控制各个硬件执行模块30在执行控制命令时的时序。

在一示例中，将需要同步的硬件执行模块30与路由器2的通信速率大小都设为2gbps，第一处理器21内设有开始数据包发送子模块205。开始数据包发送子模块205可以是实体的硬件，也可以是部署在第一处理器21上的软件。如图8所示，当包含开始扫描命令和硬件控制参数的第二数据包到达第一处理器21时，第一处理器21会通过开始数据包发送子模块205以最高优先级占用路由器2内部数据路径，暂停发送普通数据传输队列的同一时刻将第二数据包广播出去。硬件执行模块30也以最高优先级解析第二数据包，这样能保证开始扫描命令在每个硬件执行模块30的触发时间基本一致。

在实际应用中，扫描、序列同步、重建等功能可以由一台计算机实现，也可以由两台或更多台计算机实现，另外，每一项功能也可以由多台计算机实现。图2中示例性地设置了由一台计算机组成的扫描计算机模块11、由两台计算机组成的序列计算机模块12和两台计算机组成的重建计算机模块13。两台甚至更多台计算机组成序列计算机模块12的设置，能够提高序列同步的效率，从而大大提高系统性能；两台甚至更多台计算机组成重建计算机模块13的设置，可以支持并行图像重建，加快重建磁共振图像的速度。

在一个可选的实现方式中，扫描计算机模块11、序列计算机模块12、重建计算机模块13均可以分别由单个计算机组件100构成。

在另一个可选的实现方式中，所述扫描计算机模块11、序列计算机模块12、重建计算机模块13三者或其中的任意两个合为一体，由同一个计算机组件100构成，剩下的模块可以为独立的计算机组件100。

如图3所示，计算机组件100内设置有计算机主体101、通用接口102、第二处理器103以及第二光口104，所述通用接口102连接计算机主体101，所述第二处理器103分别与所述通用接口102、所述第二光口104电连接，所述第二光口104通过光纤连接所述第一光口22；所述第二处理器103用于第二光口104与通用接口102之间的协议转换，如第二处理器103可以为fpga，通用接口102可以为pcie接口，第二处理器103负责pcie接口和光纤协议之间的转换。

其中，通用接口102、第二处理器103以及第二光口104可以集成在一张扩展卡上，通过卡槽连接在计算机主体101上，以方便维护及更换。

在上述实现方式中，扫描计算机模块11、序列计算机模块12、重建计算机模块13均采用计算机组件100的架构，在提高了兼容性的同时，可以降低磁共振谱仪的升级成本。

本公开实施例中，第一光口22可以根据其所支持带宽的不同，分为多个高速光口和多个低速光口，分别可以连接不同速度要求的设备。高速光口，如图2中的211-226用于连接有高速要求的模块，例如计算机单元1中的扫描计算机模块11、序列计算机模块12、重建计算机模块13以及硬件执行单元3中的射频发射模块31、梯度模块32和射频接收模块33等；低速光口，如图2中的231-246，用于连接需要低速即可满足要求的模块，例如硬件执行单元3中的门控采集模块34、磁体监控模块35、病床模块36及其他模块37等。

在本发明实施例的另一方面，还提出了一种基于上述磁共振谱仪的扫描方法，如图9所示，包括如下步骤：

步骤51，路由器2将来自计算机单元1的包含控制参数的数据包转发至硬件执行单元3；

步骤52，路由器2接收到硬件执行单元3的包含扫描数据的数据包后转发至计算机单元1，所述扫描数据为硬件执行单元3根据所述控制参数执行磁共振扫描时采集得到。

在所述若干个计算机模块10包括扫描计算机模块11、序列计算机模块12以及重建计算机模块13时，如图10所示，步骤51可具体为：

步骤511，所述路由器2接收来自扫描计算机模块11的第一数据包，并转发至序列计算机模块12，所述第一数据包包含用户输入的扫描参数；

步骤512，所述路由器2接收来自序列计算机模块12的第二数据包，并转发至硬件执行单元3，所述第二数据包包含序列计算机模块12根据扫描参数转换得到的硬件控制参数。

并且，步骤52可具体为：

步骤521，所述路由器2接收来自硬件执行单元3的第三数据包，并转发至重建计算机模块13，所述第三数据包包含硬件执行单元3根据硬件控制参数执行磁共振扫描并采集得到的扫描数据；

步骤522，所述路由器2接收来自重建计算机模块13的第四数据包，并转发至扫描计算机模块11，所述第四数据包包含重建计算机模块13根据扫描数据进行图像重建得到的重建图像。

具体的，所述步骤521中，第三数据包由硬件执行单元3的各个硬件执行模块30根据硬件控制参数执行磁共振扫描、由接收模块33采集扫描数据而生成，并通过路由器2转发。

其中，为了序列同步，所述第二数据包到达硬件执行单元3的各个硬件执行模块30的时间相同，保证各个硬件执行模块30之间时序的同步。

上述方法中对应步骤的实现过程，具体详见上述磁共振谱仪中计算机单元1、路由器2、硬件执行单元3各个部分的功能和作用的实现过程，此处将不再做详细阐述说明。

在本发明实施例的又一方面，还提出了一种基于上述磁共振谱仪的射频发射和接收方法，包括如下步骤：

所述路由器2接收来自射频发射模块31的数据包，转发至射频接收模块33。

在一种可选的实施方式中，射频发射模块31在发射射频以前，通过所述路由器2把包含发射前状态信息的数据包发送给射频接收模块33；射频接收模块33收到所述包含发射前状态信息的数据包后，将控制接收线圈处于失谐状态，并将包含失谐状态信息的数据包通过所述路由器2发送给射频发射模块31；当所述射频发射模块31收到包含失谐状态信息的数据包后进行射频的发射；所述射频发射模块31在发射射频后，通过所述路由器2把包含发射后状态信息的数据包发送给所述射频接收模块33。所述射频接收模块33收到所述包含发射后状态信息的数据包后，控制接收线圈进入调谐状态，准备接收扫描信号。

该设计中射频发射模块31通过路由器2转发的数据包就能确认射频接收模块33的状态，不需要额外的通信接口，从而在提高数据传输效率的同时简化了网络结构。

以上所述仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。