提高DAC输出波形精度的方法、装置及磁共振系统与流程

本申请涉及磁共振成像系统中输出波形精度的控制领域，具体涉及一种提高DAC(Digital to analog converter，数字模拟转换器)输出波形精度的方法、装置及磁共振系统。

背景技术：

在磁共振成像系统中，为获得精确的图像信息，对被测体的每个体素的空间位置信息进行精确定位至关重要。目前，磁共振成像系统是通过梯度波形产生器产生梯度波形，再由梯度放大器对梯度波形放大后驱动三维梯度线圈，实现被测体的每个体素的空间定位。梯度波形的精度是影响空间定位精确性的重要因素之一。

磁共振成像系统是通过计算机将被测体的每个体素的空间位置信息数字编码后，输入至梯度波形产生器中的DAC，由DAC转换为所需的梯度波形。然而，在将被测体的每个体素的空间位置信息量化(即数字编码)时会产生量化误差，且该量化误差与数字编码的位数成正比。若量化误差过大，会导致被测体的体素空间定位不准、图像伪影等问题。

为了使得被测体的每个体素的空间定位更加准确，需要提供尽可能梯度波形的高精度的梯度值。但目前的DAC的输出精度有限，实际输出梯度波形的精度大小会存在一定误差。若使用更高精度的DAC则会带来较高的硬件成本，且由于加工工艺的限制，提供更高精度的DAC的能力也有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种提高DAC输出波形精度的方法、装置及磁共振系统，以解决现有技术中存在的较低精度的DAC输出波形精度较差的技术问题。

具体地，本申请是通过如下技术方案实现的：

一种提高DAC输出波形精度的方法，应用于具备数字编码能力并输出数字编码功能的器件上，包括：

S101，对被测体的每个体素的空间位置信息进行预设位数的数字编码，其中，所述数字编码的预设位数大于DAC的编码输入位数；

S102，根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，计算出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，并将各数字编码减去量化误差所得的剩余部分作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的新数字编码；

S103，累加各量化误差获得实时累加值，并将实时累加值与DAC的最低精度值进行比较，若实时累加值大于等于DAC的最低精度值，则进入步骤S104，否则，继续累加各量化误差；

S104，将累加的量化误差值以DAC最低精度值为单位补偿到当前被累加的量化误差所对应的新数字编码上，将补偿后的新数字编码作为DAC输入编码，并在获取剩余量化误差值后转步骤S103。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述步骤S102中，根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，确定出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，具体包括：

计算被测体的每个体素的空间位置信息数字编码的预设位数与DAC编码输入位数的差值；

截取被测体的每个体素的空间位置信息所对应的数字编码中从低位开始的差值大小位数的编码，将截取到的编码作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的量化误差。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的持续时间相同，所述DAC的最低精度值为一个最小的梯度波形幅度。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述量化误差的累加顺序与被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的顺序相同。

对应于本申请的一种提高DAC输出波形精度的方法，本申请还提供一种提高DAC输出波形精度的装置。

一种提高DAC输出波形精度的装置，应用于具备数字编码能力并输出数字编码功能的器件上，包括：

数字编码模块，用于对被测体的每个体素的空间位置信息进行预设位数的数字编码，其中，所述数字编码的预设位数大于DAC的编码输入位数；

计算处理模块，用于根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，计算出对应被测体的每个体素的空间位置信息数字编码产生的量化误差，并将各数字编码减去量化误差所得的剩余部分作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的新数字编码；

误差累加模块，用于累加各量化误差获得实时累加值，并将实时累加值与DAC的最低精度值进行比较，若实时累加值大于等于DAC的最低精度值，则通知误差补偿模块对新数字编码进行误差补偿，否则，继续累加各量化误差；

误差补偿模块，用于在实时累加值大于等于DAC的最低精度值时，以DAC最低精度值为单位补偿到当前被累加的量化误差所对应的新数字编码上，将补偿后的新数字编码作为DAC的输入编码，然后通知误差累加模块继续累加各量化误差。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述计算处理模块根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，确定出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，具体包括：

计算被测体的每个体素的空间位置信息数字编码的预设位数与DAC编码输入位数的差值；

截取被测体的每个体素的空间位置信息所对应的数字编码中从低位开始的差值大小位数的编码，将截取到的编码作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的量化误差。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的持续时间相同，所述DAC的最低精度值为一个最小的梯度波形幅度。

根据本申请提出的一种具体实施方式中，所述量化误差累加模块对量化误差的累加顺序与被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的顺序相同。

本申请还提供一种磁共振系统，包括梯度波形产生器，所述梯度波形产生器包括上述提高DAC输出波形精度的装置。

本申请的有益效果：本申请通过将每个体素的空间位置信息转换成位数较高(高于DAC的编码输入位数)的数字编码，再将数字编码产生的量化误差进行累加、补偿的操作过程，得到精度较高(高于将每个体素的空间位置信息数字编码成DAC编码输入位数的精度)的DAC输入编码，使得最终输入至DAC输入编码的误差较小，从而使得在不改变DAC精度(即分辨率)的情况下，通过提高输入至DAC的编码的精度来提高DAC输出波形的精度，即能够使得较低精度的DAC达到高精度DAC的使用效果。

附图说明

图1是本申请提供的一种提高DAC输出波形精度的方法流程图；

图2是本申请一可行实现方式提供的输出梯度波形；

图3对图2中的第一梯度和第二梯度的量化误差累加示意图；

图4是图2中的第三至第五梯度的量化误差累加示意图；

图5是图2中的输出梯度波形补偿后的示意图；

图6是本申请提供的一种提高DAC输出波形精度的装置的功能模块结构原理示意图；

图7是本申请提供的一种磁共振系统设备的硬件结构图。

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申请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、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

磁共振系统中，利用计算机将被测体的每个体素的空间位置信息数字编码后，输入至梯度波形产生器的DAC，由DAC进行D/A转换，输出所需梯度值的梯度波形。现有技术中，每个体素的空间位置进行数字编码的位数与DAC的编码输入位数相同，然而，实际使用的DAC的输出精度是有限的，会使得DAC输出梯度波形的精度存在一定的误差。

在将被测体的每个体素的空间位置信息转换成数字编码时，转换的数字编码位数不同会产生不同的量化误差，位数越多，量化误差越小。若量化误差过大，会导致被测体的体素空间定位不准、图像伪影等问题。

为解决上述问题，本申请提供一种提高DAC输出波形精度的方法及装置。其中，该提高DAC输出波形精度的方法及装置适用于磁共振系统中的梯度波形产生器，使得梯度波形产生器的DAC能够输出较高精度的梯度波形。

参见图1，为本申请提供的一种提高DAC输出波形精度的方法流程图，应用于具备进行数字编码并输出数字编码功能的器件上，例如计算机的CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、ARM(Advanced RISC Machine，微处理器)等器件。该方法可以包括以下步骤：

步骤S101，对被测体的每个体素的空间位置信息进行预设位数的数字编码，其中，数字编码的预设位数大于DAC的编码输入位数。

为了便于计算，本申请的一个例子中，可以通过计算机的CPU(中央处理器)对采集到的被测体的每个体素的空间位置信息对应的信号进行预设位数的数字编码。所述数字编码的预设位数在本申请中不作限制，只需该预设位数大于DAC编码输入位数即可，以保证数字编码时的精度。

由于在本例子中，计算机的CPU(中央处理器)将对应被测体的每个体素的空间位置的信息数字编码成比实际使用DAC的编码输入位数更高的预设位数(即该预设位数对应的精度高于实际DAC的精度)，相当于采用高于实际DAC精度的数值进行计算，以减小计算机的CPU(中央处理器)数字编码被测体的每个体素的空间位置信息时带来的量化误差。

磁共振系统中，实际使用DAC的编码输入位数是固定的，DAC的编码输入位数与DAC的精度成正比，可根据实际情况选择需要的DAC。

例如，假设实际DAC的编码输入位数为20位，即DAC能够对20位的数字编码进行D/A转换。本申请的例子中，在将对应被测体的每个体素的空间位置的信息进行数字编码时，将对应被测体的每个体素的空间位置的信息转换成24位的数字编码。然而，实际DAC只能同时转换20位的数字编码，如果直接将前述24位的数字编码输入DAC，需要丢弃其中的4位，DAC才能处理，这样就造成输入DAC的数字编码的不准确，进而导致DAC输出波形的不准确，故需要将24位的数字编码转换为实际DAC能够处理的数字编码位数。

步骤S102，根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，确定出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，并将各数字编码减去量化误差所得的剩余部分作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的新数字编码。

在数字编码时，由于被测体的每个体素的空间位置信息可能存在的小数位部分，数字编码的预设位数越高，每个体素的空间位置信息的小数部分数字编码的越多，越能精确地体现每个体素的空间位置信息的大小。

其中，被测体的每个体素的空间位置信息数字编码与DAC的预输出波形的幅度值相对应，新数字编码相当于直接将对应被测体的每个体素的空间位置信息转换为实际DAC编码输入位数的数字编码，即新数字编码的位数与DAC的编码输入位数相同。对于同一被测体的每个体素的空间位置信息，由于被测体的每个体素的空间位置信息存在的小数位部分，转换成预设位数的数字编码与该新数字编码之间可能会产生一个量化误差。由于对应被测体的每个体素的空间位置信息在数字编码后，该被测体的每个体素的空间位置信息的低位与转换后数字编码的低位相对应，故量化误差存在于对应被测体的每个体素的空间位置信息的数字编码的低位。

在本例子中，计算机的CPU(中央处理器)在输入数字编码至DAC之前，还会执行如下操作：

计算被测体的每个体素的空间位置信息数字编码的预设位数与DAC的编码输入位数之间的差值，即所述差值大小等于所述数字编码的预设位数减去DAC的编码输入位数；

截取每个被测体的每个体素的空间位置信息所对应的数字编码中从低位开始的差值大小位数的编码，将截取到的编码作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的量化误差。量化误差的位数即为所述数字编码的预设位数与DAC的编码输入位数的差值大小。

根据步骤S102，从预所述数字编码的低位开始，截取所述数字编码中的差值大小位数的编码后剩余的部分作为新数字编码，由此可见，本申请的预设位数的数字编码、量化误差以及新数字编码是一一对应的。

一个可行的实现方式是：DAC的编码输入位数为20位(即DAC能够同时处理20位的输入编码)，被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的预设位数为24位，若直接将这24位的数字编码输入实际DAC，需要丢弃24位的数字编码从低位开始的4位，获得新数字编码(该新数字编码即相当于将对应被测体的每个体素的空间位置信息直接转换为20位的数字编码)，DAC才能对实际输入的新数字编码进行D/A转换。

在输入数字编码至DAC前，从数字编码的低位开始截取4位后，可能产生的被测体的每个体素的空间位置信息的量化误差如果直接被丢弃，由于DAC输出精度的限制，DAC实际输出波形的精度会存在较大的误差。因此，本申请的计算机CPU(中央处理器)需要对新数字编码进一步处理，提高新数字编码的精度后再输入至DAC，从而使得DAC能够输出较高精度的波形。

步骤S103，累加各量化误差获得实时累加值，并将实时累加值与DAC能够输出的最低精度值进行比较，若实时累加值大于等于DAC最低精度值，则进入步骤S104，否则，继续累加各量化误差。

其中，对量化误差的累加顺序与各被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的顺序相同。

DAC的最低精度值为：累加各量化误差时，进位产生的进位数值大小。由于本申请使用的是数字编码，进位产生的进位数值为1，故DAC的最低精度值为可以识别的最小1个梯度波形幅度。

本申请的输出波形为梯度波形。可选地，对应被测体的每个体素的空间位置信息数字编码的持续时间相同，即CPU在该持续时间内，持续对被测体的同一体素的空间位置信息进行数字编码，在下一持续时间内，持续对被测体的另一体素的空间位置信息进行数字编码，以统一的时间标准进行梯度波形的调整，调整后的梯度波形更加精确。此时，DAC的最低精度值＝1个最小的梯度波形幅度*持续时间。

对被测体的每个体素的空间位置信息所对应的数字编码进行调整，相当于对同一持续时间内多个相同的被测体的每个体素的空间位置信息形成的面积的调整，相对于对点值大小的调整，对面积大小的调整获得的数字编码的精度更高。

按照累加顺序，对各量化误差进行累加，在达到进位时，则将该进位直接累加到当前输出的新数字编码上。

当实时累加值小于DAC的最低精度值时，将该实时累加值作为累加下一量化误差的数值，并将对应被测体的每个体素的空间位置信息的新数字编码作为DAC的输入编码，并发送所述新数字编码至所述DAC。

步骤S104，将累加的量化误差值以DAC最低精度值为单位补偿到当前被累加的量化误差所对应的新数字编码上，将补偿后的新数字编码作为DAC的输入编码，并在获取剩余量化误差差值后转步骤S103。

通过本申请公开的方案，经过补偿后的新数字编码的位数与实际DAC的编码输入位数相同，因此，在进行D/A转换的操作后，所述新数字编码被转换成模拟量输出，可以输出较为精确的波形。

参见图2，在另一个可行的实现方式中，输出一段包含5个逐渐上升梯度的波形，横坐标为输出时间t(单位：μs)，纵坐标为被测体的每个体素的空间位置信息对应的梯度波形幅度数值的大小。其中，假设每个梯度波形对应一个被测体的一个体素的空间位置信息，对5个梯度波形对应的被测体的每个体素的空间位置信息数字编码至预设位数，假设分别得到A、B、C、D和E，进一步假设被测体的每个体素的空间位置信息的持续时间均为T(单位：μs)，对每段梯度波形进行处理即相当于对该段梯度波形的面积大小进行处理。

如果直接利用DAC的编码输入位数来对被测体的各个体素的空间位置信息进行数字编码，数字编码相应的输出数值可能会低于A、B、C、D和E，这是由于DAC的编码输入位数小于预设位数而可能产生量化误差。

在本申请中，从低位开始，对A、B、C、D和E截取差值(差值＝预设位数-DAC编码输入位数)位数的编码，获得对应的a、b、c、d和e，同时，将量化误差s1、s2、s3、s4和s5分别从对应的A、B、C、D和E截断(即各段数字编码舍去相应的量化误差)，获得对应的a、b、c、d和e(即新数字编码)，即a＝A-s1，b＝B-s2，c＝C-s3，d＝D-s4，e＝E-s5。

接着，对量化误差s1、s2、s3、s4和s5依次进行叠加，参见图3，对s1和s2的面积大小进行累加，获得实时累加值S＝s1+s2＝s+r1；

其中，s为DAC的最低精度值；

r1为剩余值，并作为累加下一量化误差s3的数值。

本申请中，由于采用数字编码进行计算，DAC的最低精度值设置为对量化误差累加达进位时持续时间内的面积大小，s＝1*T；

将s累加到当前累加的量化误差s2所对应的截断该量化误差后的梯度B(即第二梯度)上，即第二个梯度的输出值调整为(b+1*T)，并将剩余的r1与后续梯度的量化误差进行累加。

参见图4，对r1、s3、s4和s5进行累加，获得实时累加值S＝r1+s3+s4+s5＝s+r2；其中，r2为这5段梯度的最终误差。

将s累加到当前输出的第五梯度上，将第五梯度的输出值调整为(e+1*T)。

至此，计算机的CPU(中央处理器)采用累加法对5个梯度进行了调整，输出调整后的梯度波形图，参见图5。通过累加减小输出梯度的误差，使得最终误差较小，进而使得输入至DAC的数字编码精度较高，提高DAC输出波形的精度。

当然，如果第五梯度波形后还存在更多的输出梯度波形，需将r2继续向下进行累加，直至遍历完所有的梯度波形。

本申请提供的提高DAC输出波形精度的方法，通过将每个体素的空间位置信息信息转换成位数较高(高于DAC的编码输入位数)的数字编码，再将数字编码产生的量化误差进行累加、补偿的操作过程，得到精度较高(高于将每个体素的空间位置信息数字编码成DAC编码输入位数的精度)的DAC输入编码，使得最终输入至DAC输入编码的误差较小，从而使得在不改变DAC精度(即分辨率)的情况下，通过提高输入至DAC的编码的精度来提高DAC输出波形的精度，即能够使得较低精度的DAC达到高精度DAC的使用效果。

参见图6，为本申请提供一种提高DAC输出波形精度的装置的功能模块结构图，该提高DAC输出波形精度的装置与上述提高DAC输出波形精度的方法相对应，可参照上述提高DAC输出波形精度的方法的实施例来理解或解释该提高DAC输出波形精度的装置的内容。

根据应用的场景不同，所述装置有可能是通过软件实现的业务逻辑，也可能是硬件或者软硬件结合的设备。下面以软件实现为例介绍本申请装置。软件作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。如图7所示，为一个例子中，本申请软件装置所在的磁共振系统设备的硬件结构图。所述磁共振系统设备除了包括有处理器、内存、IO接口、以及非易失性存储器之外，可能还包括其他硬件，对此不再赘述。

从功能模块来讲，本申请提供的一种提高DAC输出波形精度的装置，包括：

数字编码模块101，用于对被测体的每个体素的空间位置信息进行预设位数的数字编码，其中，所述数字编码的预设位数大于DAC的编码输入位数；

计算处理模块102，用于根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，计算出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，并将各数字编码减去量化误差所得的剩余部分作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的新数字编码；

误差累加模块103，用于累加各量化误差获得实时累加值，并将实时累加值与DAC的最低精度值进行比较，若实时累加值大于等于DAC的最低精度值，则通知误差补偿模块104对新数字编码进行误差补偿，否则，继续累加各量化误差；

误差补偿模块104，用于在累加的量化误差值大于等于DAC的最低精度值时，以DAC最低精度值为单位补偿到当前被累加的量化误差所对应的新数字编码上，将补偿后的新数字编码作为DAC输入编码，然后通知误差累加模块103继续累加各量化误差。

进一步地，所述计算处理模块102根据所述数字编码的预设位数和DAC的编码输入位数，确定出对应被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码时产生的量化误差，具体包括：

计算被测体的每个体素的空间位置信息数字编码的预设位数与DAC编码输入位数的差值；

截取被测体的每个体素的空间位置信息所对应的数字编码中从低位开始的差值大小位数的编码，将截取到的编码作为对应被测体的每个体素的空间位置信息的量化误差。

进一步地，所述数字编码模块101对被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的持续时间相同，所述DAC的最低精度值为一个最小的梯度波形幅度。

进一步地，所述误差累加模块103对量化误差的累加顺序与被测体的每个体素的空间位置信息进行数字编码的顺序相同。

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