一种用于多核磁共振的多源频谱谱仪控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种用于多核磁共振的多源频谱谱仪控制系统，包括：扫描控制器，接收用户通过所述主计算机发出的控制指令、成像序列和配置参数，将所述配置参数分发给相应的硬件模块，执行所述成像序列产生硬件触发信号，控制所述硬件模块按时序要求协调工作；多元射频发生器，与所述扫描控制器电性相连，用于产生射频脉冲信号以激励多种成像物体产生共振；多元梯度发生器，与所述扫描控制器电性相连，用于从所述成像序列中解析出多种梯度波形，驱动梯度线圈产生多种用于空间编码的梯度磁场；多元射频接收器，与所述扫描控制器电性相连，用于将磁共振信号进行处理后传送给所述扫描控制器，再由所述扫描控制器回传给主计算机进行图像重建。
【专利说明】
一种用于多核磁共振的多源频谱谱仪控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及频谱仪技术，尤其涉及一种多元频谱谱仪控制系统，它按照成像脉冲脉冲序列的要求，产生多种射频和梯度脉冲，接收和处理多种磁共振信号，完成多元MRI的扫描过程。
【背景技术】
[0002]在MRI(MagneticResonance Imaging，磁共振成像)系统中，谱仪(Spectrometer)是整个系统的核心部件，它负责按照成像脉冲序列的要求，以特定的时序产生射频和梯度脉冲，接收和处理磁共振信号，完成MRI扫描的过程。谱仪的技术含量很高，其性能的优劣直接影响到磁共振成像的质量，MRI厂商的竞争越来越体现为谱仪技术的竞争。国外MRI谱仪的研究水平较高，但进口商用谱仪的价格昂贵，且相关技术资料高度保密。国内对谱仪的研究起步较晚，技术尚不成熟，与国外先进水平仍有一定差距。
[0003]谱仪在MRI系统中的位置向上与主计算机相连，向下通过功放与磁场中的线圈相连，在整个系统中起着核心控制的作用，它的主要功能包括:1)接收用户从主计算机传送过来的成像序列和参数，按时序要求产生各脉冲的全部硬件开关信号。2)产生特定带宽的射频激励波形，并对波形的频率、相位、幅度进行调制。3)根据成像序列的要求和对成像环不良影响的补偿，计算x、y、z三路梯度信号的波形。4)控制射频脉冲信号和梯度信号按照成像序列设定的精确时序，分别经射频功率放大器和梯度功率放大器后，驱动射频和梯度线圈产生实际的射频激励磁场和梯度编码磁场。5)对接收线圈中感应出的并经前置功放增强后的磁共振信号，进行模数转换得到数字信号，然后进行解调、滤波和抽取等预处理获得K空间数据，最后送到主计算机进行傅里叶变换成像。
[0004]由此可见，谱仪具有强大的信号处理功能，控制整个MRI系统的成像时序和各种波形信号的产生、接收和处理，对成像的质量有着至关重要的影响。然而，目前现有的谱仪技术主要都是针对H质子成像的单频谱谱仪。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术中的不足，研制出适宜于多核磁共振成像的多元频谱谱仪控制系统。
[0006]为达上述目的，本发明提出一种用于多核磁共振的多源频谱谱仪控制系统，包括:
[0007]扫描控制器，与一主计算机相连，负责与主计算机进行通信;所述扫描控制器接收用户通过所述主计算机发出的控制指令、成像序列和配置参数，将所述配置参数分发给相应的硬件模块，执行所述成像序列产生硬件触发信号，控制所述硬件模块按时序要求协调工作；
[0008]多元射频发生器，与所述扫描控制器电性相连，在所述扫描控制器的配置参数和触发信号的控制下，所述多元射频发生器产生包含多种频率、带宽、相位、幅度的射频脉冲信号，从而激励多种成像物体产生共振；
[0009]多元梯度发生器，与所述扫描控制器电性相连，用于从所述成像序列中解析出多种梯度波形，驱动梯度线圈产生多种用于空间编码的梯度磁场；
[0010]多元射频接收器，与所述扫描控制器电性相连，用于将磁共振信号进行处理后传送给所述扫描控制器，再由所述扫描控制器回传给主计算机进行图像重建。
[0011]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，所述扫描控制器包括FPGA和若干外围存储器，通过以太网接口与所述主计算机相连。
[0012]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，所述多元射频发生器包括FPGA、存储器和DAC，所述射频脉冲信号由DAC转换成模拟信号进行输出，经射频功放后在射频线圈中产生多种射频磁场，激励多种成像物体产生共振。
[0013]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，所述多元梯度发生器包括DSP、存储器、FPGA和DAC，DSP用于计算出序列中的多种梯度波形，FPGA用于将并行数据转换为DAC所需的串行输入数据，DAC用于将多种梯度波形转换成模拟信号输出。
[0014]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，所述多元射频接收器包括FPGA和ADC，所述磁共振信号经前置放大后输入所述多元射频接收器，由ADC将其转换为数字信号。
[0015]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，多源频谱谱仪控制系统在硬件上划分为三块板卡，所述扫描控制器所在的板卡构成主板，所述多元射频发生器和多元射频接收器组成一块子板，所述多元梯度发生器构成另一块子板，每块板卡上均有一块FPGA，板卡之间使用针式接插头进行连接，子板直接插在主板提供的插槽上，中间不需要排线连接。
[0016]根据本发明提出的多源频谱谱仪控制系统，其中，所述FPGA的型号为EP3C120F780芯片。
[0017]与现有技术相比，本发明具有通过一次扫描可同时发射和接收多种频率的射频脉冲，并得到多种原子核的成像信息的功能。本发明要求含有多个发射和接收通道，并且彼此相互独立，来实现高速并行发射和接收，以减少病人扫描过程中的影像伪影，并能在获取多核成像数据的同时不显著延长扫描时间。此外利用本发明的多源频谱谱仪控制系统进行扫描，可以获得多种原子核各个层面的影像图像，通过重建及融合等一系列后处理技术，为疾病的诊断提供更多的影像信息，使疾病的诊断和治疗达到精准化。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的多源频谱谱仪控制系统的硬件结构示意图；
[0019]图2是本发明的多源频谱谱仪控制系统的软件组成模块示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021 ]本发明的多元频谱谱仪控制系统，包括硬件部分和软件部分。其中硬件部分包括扫描控制器、多元射频发生器、多元梯度发生器和多元射频接收器，而软件部分与硬件部分相配套，能够实现用户的多种成像需求，获取高质量的磁共振图像，其中软件部分主要由进行命令和数据处理的核心模块和其他外围程序模块构成。作为多元MRI系统的核心部件，本发明的多元频谱谱仪控制系统按照成像脉冲序列的要求，以特定的时序产生多种射频和梯度脉冲，接收和处理多种磁共振信号，完成多元MRI扫描的过程。
[0022]随着集成电路和数字信号处理技术的发展，MRI谱仪的数字化是大势所趋。本发明以FPGA(Field Programmable Gate Array)、DSP(Digital Signal Processor)、ADC(Analog to Digital Converter)、DAC(Digital to Analog Converter)等IC芯片为主设计了这套数字化多元频谱谱仪控制系统，它的硬件架构如图1所示。
[0023]各模块的组成和功能为:
[0024]I)扫描控制器
[0025]由FPGA和若干外围存储器组成，对外与主计算机使用以太网接口相连，负责与主计算机进行通信，接收用户的控制指令、成像序列和参数并进行解释，对将参数分发相应的硬件模块，执行序列产生硬件触发信号，控制其他模块按时序要求协调工作，接收并缓冲射频接收器传送来的多种磁共振信号数据，回传给主计算机进行图像重建。
[0026]2)多元射频发生器
[0027]由FPGA、存储器和DAC组成，对外与射频功放相连。射频发生器在扫描控制器的参数配置和时序触发控制下，产生多种频率、带宽、相位、幅度的射频脉冲信号，由DAC转换成模拟信号进行输出，经射频功放后在射频线圈中产生多种射频磁场，激励成多种像物体产生共振。
[0028]3)多元梯度发生器
[0029]由DSP、存储器、FPGA和DAC组成，对外与梯度功放相连。DSP计算出序列中的多种梯度波形，FPGA将并行数据转换为DAC所需的串行输入数据，DAC将多种梯度波形转换成模拟信号输出，经梯度功放后驱动梯度线圈产生多种用于空间编码的梯度磁场。
[°03°] 4)多元射频接收器
[0031]由FPGA和ADC组成，对外与前置功放相连。磁共振信号经前置放大后输入射频接收器，由ADC将其转换为数字信号，然后进行解调滤波等一系列数字信号处理，处理结果传送给扫描控制器。
[0032]在本发明的设计中，将谱仪在硬件上划分为3块板卡，扫描控制器所在的板卡构成主板，多元射频发生和接收器组成一块子板，多元梯度发生器构成另一块子板，每块板卡上均有一块FPGA。板卡之间使用针式接插头进行连接，子板直接插在主板提供的插槽上，中间不需要排线连接，以提高数据传输速度，避免触发信号传输延迟的不确定性。这样设计的多元频谱谱仪具有体积小、结构精简、稳定性好、定时精度高、成本低等优点，通过合理选择ADC和DAC芯片的频率覆盖范围，即可实现对低场永磁型和高场超导型MRI系统的兼容。
[0033]FPGA 选型
[0034]在硬件系统的设计中，FPGA芯片用来进行信号的控制和处理，在每个模块中都起着重要的作用:在扫描控制器中，负责时序的解释和参数分发、触发信号的产生、K空间数据的缓冲管理和上传等;在射频发射器中，它的任务是管理基带波形的选择以及配置DAC;在梯度发生器中，主要用来实现梯度数据的分流和并-串转换;在射频接收器中，负责ADC的配置管理和对接收到的磁共振信号的预处理。
[0035]目前主流的FPGA生产厂商包括XiIinx、Altera、Ac tel和Latt ice等，芯片种类繁多，在结构和性能上各有特色。在综合考虑了FPGA的内部资源、可用引脚个数、速度、功耗和成本等关键因素的基础上，我们在设计中选择了Altera公司CycloneI 11系列的EP3C120F780芯片。CycloneIII系列是基于台积电(TaiwanSemiconductor ManufacturingCompany，TSMC)65nm工艺设计的低功耗、低成本、大容量的FPGA芯片。EP3C120F780是这个系列中性能最高的型号，它主要具有以下特点:
[0036]I)低功耗
[0037]EP3C120F780专门针对低功耗进行了优化，采用的工艺和体系结构改进技术包括使用低K绝缘、可变沟道长度和氧化层厚度、多晶体管阈值电压等，在85°C的极端环境下，静态功耗只有170mW。另外，Altera公司重视功耗分析的精确性，是唯一能够利用工具包在低成本系列中进行85°C和最差情况下芯片功耗估算的可编程逻辑供应商，开发人员可以利用Quartus II的Power Play工具进行功耗的估算、分析和自动优化。低功耗有利于在高集成度的环境中减少发热量，降低对散热系统的要求，增强系统对极端环境的适应能力，提高系统的稳定性。
[0038]2)资源丰富
[0039]包含119,088个逻辑单元(logicelement，LE)、432个M9K存储器模块、3.8Mbits的片内存储器总容量、
[0040]288个18 X 18bit的嵌入式乘法器，可以实现丰富的数字逻辑功能。随着FPGA设计规模的扩大，对时钟管理的要求不断提高，EP3C120F780内置20个全局时钟网络和4个增强型PLL，提供了高级时钟管理功能，包括动态新配置、级联能力、可编程相移、外部时钟输出、可编程占空比、锁定探测、扩谱输入时钟等，简化了电路整体布板，提供了性价比很高的时序控制功能。另外，时钟系统在没有使用时，还可以关闭，以节省功耗。
[0041]3)强大的I/O接口支持
[0042]EP3C120F780提供了531个用户自定义的I/O端口，支持多种单端和差分接口标准，支持驱动阻抗匹配和片内串行终端匹配，能够同时与众多IC功能芯片直接相连。另外，支持多种高速外部存储器接口，包括DDR、DDR2、SDR SDRAM和QDRII SRAM，最高传输速度可达400Mbps。在Quartus II软件中还提供了针对DDR和QDR存储器物理层接口的自动校正宏功能，它简化了时序收敛的要求，利用片内PLL的动态重设特性对功率、电压和温度的改变进行校正。
[0043]4)嵌入式 DSP
[0044]将内部的嵌入式乘法器、存储资源和外部接口进行整合，可以构成一个嵌入式数字信号处理(DSP)系统。
[0045]Altera提供的了DSP系统的IP核(Intellectual Property core)，可以实现数字滤波、快速傅里叶变换(FFT)、图像处理等功能。DSP Builder软件提供了Math WorksSimulink、MATLAB和Quartus II之间的接口，方便进行各种信号处理算法的设计和实现。
[0046]基于上述特点，本发明使用EP3C120F780在谱仪硬件平台中实现与其他芯片的连接，完成信号生成、控制和处理任务，提高了系统的集成度，降低了成本。
[0047]软件系统设计
[0048]软件系统主要指在主计算机上供用户使用的谱仪控制软件，它与谱仪的硬件系统相配套，能够实现用户的多种成像需求，获取高质量的磁共振图像。软件系统主要由进行命令和数据处理的核心模块和其他外围程序模块构成。
[0049]如图2所示，本发明的软件核心模块包括测试模块、序列生成模块、控制模块、数据处理模块、数据封装模块和网络通信模块，各模块的功能为:I)测试模块，供谱仪开发人员和系统工程师使用，开放了对谱仪中主要硬件模块的访问接口，用于进行谱仪的系统检测和功能调试。2)序列生成模块，负责将MRI成像所用的序列文件和参数文件编译成谱仪硬件平台所需要的数据信息。3)控制模块，分析用户的操作命令、谱仪当前的状态和MRI扫描过程中出现的中断信息并做出相应的响应。4)数据处理模块，对谱仪上传的磁共振数据进行后处理，包括相位补偿、傅里叶变换成像、图像增强等。5)数据封装模块，根据既定的封装协议，给上层模块的数据添加表征该数据特征和目的地的数据头，进行封装，以便在谱仪端得到正确的分发处理;对来自网络通信模块的数据包，通过协议进行解析，找出数据的特征和目的地，并发送给相应的模块。6)网络通信模块，负责完成主计算机端和谱仪的通信交互，实现数据的收发处理。
[0050]软件系统的核心模块是用户能够在主计算机端对谱仪进行控制并实施成像扫描的必要部分，但要丰富和完善系统的功能，还需要一些其他的外围程序模块。外围模块包括程序界面、应用模块、文件存储管理模块以及程序调用接口模块。程序界面内容主要包括主菜单、图形显示窗口、操作按钮、命令行输入窗口、序列编辑窗口等，具有功能直观和操作便利的特点。应用模块包括参数定量模块、涡流补偿模块、匀场模块和其他特殊应用模块，辅助用户进行成像参数的设置和实现特殊的成像要求。文件存储管理模块将磁共振K空间数据、图像数据等存为指定格式的文件，并完成文件的读取、存储和管理等操作。程序调用接口模块为谱仪的软件系统提供了支持当前医学图像存储、传输、归档的通用标准协议DICOM(Digital Imaging and Communicat1n in Medicine)的标准接口，并通过预留Active X或者DLL接口，方便其他软件调用。
[0051]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0052]本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0053]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种用于多核磁共振的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，包括: 扫描控制器，与一主计算机相连，负责与主计算机进行通信;所述扫描控制器接收用户通过所述主计算机发出的控制指令、成像序列和配置参数，将所述配置参数分发给相应的硬件模块，执行所述成像序列产生硬件触发信号，控制所述硬件模块按时序要求协调工作； 多元射频发生器，与所述扫描控制器电性相连，在所述扫描控制器的配置参数和触发信号的控制下，所述多元射频发生器产生包含多种频率、带宽、相位、幅度的射频脉冲信号，从而激励多种成像物体产生共振； 多元梯度发生器，与所述扫描控制器电性相连，用于从所述成像序列中解析出多种梯度波形，驱动梯度线圈产生多种用于空间编码的梯度磁场； 多元射频接收器，与所述扫描控制器电性相连，用于将磁共振信号进行处理后传送给所述扫描控制器，再由所述扫描控制器回传给主计算机进行图像重建。2.根据权利要求1所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，所述扫描控制器包括FPGA和若干外围存储器，通过以太网接口与所述主计算机相连。3.根据权利要求1所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，所述多元射频发生器包括FPGA、存储器和DAC，所述射频脉冲信号由DAC转换成模拟信号进行输出，经射频功放后在射频线圈中产生多种射频磁场，激励多种成像物体产生共振。4.根据权利要求1所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，所述多元梯度发生器包括DSP、存储器、FPGA和DAC，DSP用于计算出序列中的多种梯度波形，FPGA用于将并行数据转换为DAC所需的串行输入数据，DAC用于将多种梯度波形转换成模拟信号输出。5.根据权利要求1所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，所述多元射频接收器包括FPGA和ADC，所述磁共振信号经前置放大后输入所述多元射频接收器，由ADC将其转换为数字信号。6.根据权利要求1所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，多源频谱谱仪控制系统在硬件上划分为三块板卡，所述扫描控制器所在的板卡构成主板，所述多元射频发生器和多元射频接收器组成一块子板，所述多元梯度发生器构成另一块子板，每块板卡上均有一块FPGA，板卡之间使用针式接插头进行连接，子板直接插在主板提供的插槽上，中间不需要排线连接。7.根据权利要求2-6中任一项所述的多源频谱谱仪控制系统，其特征在于，所述FPGA的型号为EP3C120F780芯片。
【文档编号】G01R33/54GK105891754SQ201610121429
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月3日
【发明人】申宝忠
【申请人】哈尔滨医科大学