本發(fā)明屬于磁共振成像譜儀設(shè)計(jì)領(lǐng)域，涉及并行發(fā)射的射頻脈沖合成與控制技術(shù)，具體涉及一種用于高場磁共振成像的射頻發(fā)射裝置及方法。

背景技術(shù)：

在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)中，成像掃描儀發(fā)出特定頻率、相位、幅度、包絡(luò)以及脈寬的射頻脈沖，激發(fā)人體組織產(chǎn)生磁共振信號，從而獲得人體組織的圖像。高場(3T及3T以上)條件下，由于射頻頻率的增加，單路射頻激勵(lì)將導(dǎo)致圖像不均勻以及局部射頻功率沉積加重等問題，多路射頻并行激勵(lì)是解決這一問題的主流技術(shù)方案。

目前國內(nèi)大多數(shù)MRI廠商采用英國Oxford公司、MR Solutions公司的譜儀，這些譜儀只有單個(gè)射頻發(fā)射通道，不具備并行發(fā)射的功能。國際上的高場MRI掃描儀基本被GE、Siemens、Philips三家公司所壟斷，他們的產(chǎn)品都具有并行發(fā)射功能，但其譜儀設(shè)備的技術(shù)資料嚴(yán)格保密，相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)從不對外公開。

目前，國內(nèi)自主研發(fā)的磁共振成像譜儀主要應(yīng)用于低場永磁系統(tǒng)與超導(dǎo)1.5T系統(tǒng)，已經(jīng)研發(fā)并實(shí)現(xiàn)了多通道接收，但是在射頻發(fā)射方面還只有單個(gè)通道。當(dāng)前主要運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)射頻脈沖的發(fā)生，采用專用的DDS器件，在處理器或者可編程邏輯器件的控制下，利用DDS器件內(nèi)部集成的運(yùn)算單元和高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器來直接產(chǎn)生射頻脈沖。例如中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所設(shè)計(jì)的譜儀，由可編程邏輯器件產(chǎn)生基帶調(diào)制信號，采用DDS器件(AD9957)來完成射頻發(fā)生、調(diào)制和數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。華東師范大學(xué)設(shè)計(jì)的譜儀，由可編程邏輯器件進(jìn)行控制，采用DDS器件(AD9854)來實(shí)現(xiàn)射頻脈沖的發(fā)生。

然而，現(xiàn)有的技術(shù)存在如下問題：

(1)高場情況下，單通道的射頻激勵(lì)可能惡化圖像的均勻性，以及加重局部射頻功率沉積，對成像質(zhì)量與安全性造成影響。

(2)專用的DDS器件可重構(gòu)性差、靈活性不高，并且部分性能指標(biāo)不理想。

(3)與譜儀序列發(fā)生器之間的緊耦合機(jī)制，使得多通道實(shí)現(xiàn)難度較大，擴(kuò)展性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述不足，本發(fā)明提出了一種用于高場磁共振成像的射頻發(fā)射裝置及方法，采用ARM處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合的機(jī)制，采用獨(dú)立的、模塊化的控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高分辨、高擴(kuò)展、靈活性強(qiáng)的多路射頻脈沖發(fā)生。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種用于高場磁共振成像的射頻發(fā)射裝置，包括：

數(shù)據(jù)配置模塊，用于將發(fā)送給本裝置的控制信號傳給射頻發(fā)生模塊；

本振功分模塊，用于將發(fā)送給本裝置的本振信號分為多路本振信號后輸出；

射頻發(fā)生模塊，又包括：

可編程邏輯器件，用于接收數(shù)據(jù)配置模塊發(fā)來的控制信號，并在控制信號的控制下產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，以及

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，用于將可編程邏輯器件產(chǎn)生的數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號；

所述射頻發(fā)生模塊用于將模擬中頻信號與本振功分模塊輸出的每一路本振信號混頻后將得到的射頻信號輸出。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)配置模塊通過ARM處理器將接收到的控制信號傳給射頻發(fā)生模塊。

進(jìn)一步地，所述ARM處理器通過SPI總線與外部譜儀的序列發(fā)生器連接，通過本地并行總線與所述射頻發(fā)生模塊連接。

進(jìn)一步地，所述ARM處理器支持連接多個(gè)所述射頻發(fā)生模塊。

進(jìn)一步地，所述可編程邏輯器件還包括用于存儲接收的控制信號的寄存器和片上雙端口RAM。

進(jìn)一步地，所述射頻發(fā)生模塊還包括在控制信號的控制下產(chǎn)生增益信號的另一數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及對信號幅度進(jìn)行增益控制的模擬乘法器。

進(jìn)一步地，所述射頻發(fā)生模塊能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路射頻脈沖的發(fā)生，即一個(gè)射頻發(fā)生模塊能夠輸出兩個(gè)通道的射頻信號。

一種用于高場磁共振成像的射頻發(fā)射方法，包括以下步驟：

1)通過ARM處理器接收外部控制信號并傳給可編程邏輯器件，同時(shí)將本振信號分為多路本振信號輸出；

2)通過可編程邏輯器件接收ARM處理器發(fā)來的控制信號，在控制信號的控制下產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，將所述數(shù)字中頻信號轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號后與步驟1)輸出的每路本振信號混頻得到射頻信號并輸出。

進(jìn)一步地，所述可編程邏輯器件在控制信號的控制下，基于直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)，產(chǎn)生指定頻率、相位、幅度的數(shù)字中頻信號。

進(jìn)一步地，上述射頻發(fā)射方法還包括：所述模擬中頻信號經(jīng)過低通濾波并進(jìn)行增益控制后與步驟1)輸出的每路本振信號混頻，在射頻開關(guān)的控制下得到射頻脈沖。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)設(shè)計(jì)采用獨(dú)立的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展，支持多通道的射頻發(fā)射，可靈活地接入外部譜儀。

(2)設(shè)計(jì)采用ARM處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合的機(jī)制，控制靈活性較強(qiáng)。

(3)采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字脈沖的發(fā)生，具有較高的頻率、相位與幅度精度，分別為32bits、16bits與16bits。

附圖說明

圖1為本發(fā)明技術(shù)路線整體架構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與分發(fā)的流程圖。

圖3為本發(fā)明本振功分模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明射頻發(fā)生模塊的結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)數(shù)字硬脈沖的流程圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)數(shù)字軟脈沖的流程圖。

圖7為基于本發(fā)明利用示波器測量得到的連續(xù)正弦波的波形圖。

圖8為基于本發(fā)明利用示波器測量得到的單通道射頻硬脈沖的波形圖。

圖9為基于本發(fā)明利用示波器測量得到的同時(shí)發(fā)生雙通道射頻軟脈沖的波形圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種新的技術(shù)方案，用于實(shí)現(xiàn)高場磁共振成像并行發(fā)射的射頻脈沖合成與控制。

該方案采用ARM處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合的機(jī)制，并采用獨(dú)立的、模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括：數(shù)據(jù)配置模塊、本振功分模塊、射頻發(fā)生模塊。

如圖1所示，該技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)具體流程如下：

外部譜儀的序列發(fā)生器將射頻發(fā)生的數(shù)據(jù)和參數(shù)通過高速串行總線(SPI)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)配置模塊的ARM處理器中，ARM處理器將接收到的數(shù)據(jù)和參數(shù)譯碼后通過本地并行總線傳輸給多個(gè)射頻發(fā)生模塊。同時(shí)，本振功分模塊將外部譜儀的信號源輸入的本振信號濾波、放大后功分為多路輸出。每個(gè)射頻發(fā)生模塊的可編程邏輯器件將接收到的數(shù)據(jù)和參數(shù)譯碼后，實(shí)現(xiàn)頻率合成功能，輸出數(shù)字中頻信號，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號，再經(jīng)過濾波、放大之后，與本振功分模塊輸出的本振信號混頻，得到指定幅度的射頻信號并輸出。

以下將對各模塊的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行詳細(xì)描述。

(1)數(shù)據(jù)配置模塊

設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)配置模塊作為同外部接口通信的唯一通道，承擔(dān)數(shù)據(jù)編解碼的功能，包括信號轉(zhuǎn)換電路和ARM處理器電路。信號轉(zhuǎn)換電路對接收的信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。ARM處理器電路作為數(shù)據(jù)配置的核心芯片，與外部譜儀的序列發(fā)生器通過SPI總線連接，與內(nèi)部的各路射頻發(fā)生模塊通過本地并行總線連接，將所有控制信號和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳給各路射頻發(fā)生模塊的可編程邏輯器件。

ARM處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與分發(fā)的流程圖如圖2所示。ARM處理器每次接收兩組指令分別為地址和數(shù)據(jù)，其中每組16bits。首先調(diào)用HAL_SPI_Receive函數(shù)接收一組16bits的地址并存入地址寄存器，得到一個(gè)函數(shù)返回值。若接受失敗后將狀態(tài)返回上層控制器，并直接結(jié)束本次接收操作；若接收成功后，對接收到地址譯碼，調(diào)用對應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。再次調(diào)用HAL_SPI_Receive函數(shù)接收一組16bits的數(shù)據(jù)并存入指定數(shù)據(jù)寄存器，得到一個(gè)函數(shù)返回值。若接受失敗后將狀態(tài)返回上層控制器，并直接結(jié)束本次接收操作；若接收成功后，調(diào)用FSMC接口將數(shù)據(jù)并行傳輸至可編程邏輯器件。結(jié)束本輪指令傳輸操作。

(2)本振功分模塊

模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。本振信號由外部譜儀的信號源給出，以射頻功分器作為本振功分模塊的核心芯片，經(jīng)過濾波、放大模塊后功分成八路，實(shí)現(xiàn)多路本振信號輸出。

(3)射頻發(fā)生模塊

本發(fā)明中，每塊射頻發(fā)生模塊同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路射頻脈沖的發(fā)生。

模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示?？删幊踢壿嬈骷ㄟ^本地并行總線獲取來自數(shù)據(jù)配置模塊的控制參數(shù)和數(shù)據(jù)后，存儲到其片上相應(yīng)的寄存器和雙端口RAM上?？删幊踢壿嬈骷?nèi)部構(gòu)建的功能模塊主要包括：軟脈沖相位和幅度存儲器、相位累加器、運(yùn)算器(加法器、乘法器)、正弦查找表、相關(guān)寄存器以及控制單元等。可編程邏輯器件在相位累加器的累加操作下進(jìn)行相位累加，并通過內(nèi)部構(gòu)建的查找表完成相位到幅度的轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)DDS，產(chǎn)生指定頻率、相位、幅度的中頻數(shù)字脈沖。字長16bits的數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于完成中頻數(shù)字脈沖的數(shù)模轉(zhuǎn)換。其輸出經(jīng)過低通濾波后送到模擬乘法器，實(shí)現(xiàn)對信號幅度的增益控制。增益信號由另一數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，字長為16bits。經(jīng)過增益控制后得到的調(diào)制信號通過相應(yīng)的放大與濾波電路，與本振功分模塊傳來的本振信號進(jìn)行混頻后，在射頻開關(guān)的控制下得到射頻脈沖。

實(shí)現(xiàn)射頻脈沖發(fā)生的過程如下：

(1)射頻硬脈沖發(fā)生

如圖5所示，在可編程邏輯器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)DDS，直接生成預(yù)定頻率、相位的正弦信號，可編程邏輯器件受觸發(fā)后，打開射頻開關(guān)，射頻信號輸出，持續(xù)一段時(shí)間后關(guān)閉射頻開關(guān)，從而得到射頻硬脈沖。

(2)射頻軟脈沖發(fā)生

如圖6所示，可編程邏輯器件譯碼從并行總線傳來的波形數(shù)據(jù)(幅度、相位)、初始相位、頻率字、調(diào)制波采樣間隔和首末地址等參數(shù)后存到內(nèi)部相應(yīng)RAM和寄存器當(dāng)中。同時(shí)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)DDS，產(chǎn)生頻率、初始相位可控的正弦信號。觸發(fā)軟脈沖產(chǎn)生，打開射頻開關(guān)，啟動射頻軟脈沖發(fā)生。此時(shí)，可編程邏輯器件內(nèi)部構(gòu)建的計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)器以軟脈沖波形的采樣間隔為(即調(diào)制的時(shí)間分辨率)周期，每當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)完一個(gè)周期時(shí)自動從軟脈沖幅度存儲器中依次讀出調(diào)制波形幅度，并以系統(tǒng)時(shí)鐘為周期與查找表的正弦輸出數(shù)據(jù)相乘，截取高16位作為數(shù)字調(diào)幅波輸出。當(dāng)指定調(diào)制波形長度的數(shù)據(jù)全部從存儲器讀出后，計(jì)數(shù)器清零，停止對存儲器的訪問操作與數(shù)據(jù)運(yùn)算，射頻軟脈沖輸出結(jié)束。

基于本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用泰克公司示波器DPO3034B進(jìn)行測量，阻抗為50Ω，具體射頻發(fā)生波形如圖7～9所示，其中：

圖7給出了連續(xù)正弦波的波形，信號頻率為127.74MHz(對應(yīng)于3T磁共振成像系統(tǒng)的主頻)，幅度峰峰值為780mV，從該圖可以看出正弦波波形正常光滑，無變形與毛刺，能夠保證成像中不會激發(fā)不需要的成分或區(qū)域。

圖8給出了單通道射頻硬脈沖的波形，其脈寬為1ms，正弦信號頻率為127.74MHz，該圖表明所發(fā)硬脈沖整個(gè)脈沖范圍內(nèi)幅度平坦，上升沿與下降沿均很陡峭且無明顯過沖，有助于準(zhǔn)確測量磁共振信號的弛豫，以及無失真的體激發(fā)。

圖9給出了同時(shí)發(fā)生雙通道射頻軟脈沖的波形，上方的波形為3Sinc調(diào)制(兩個(gè)副瓣)，下方的波形為5Sinc調(diào)制(四個(gè)副瓣)，軟脈沖波形采樣率均為256個(gè)點(diǎn)，調(diào)制的時(shí)間分辨率均為10μs。該圖表明單個(gè)射頻發(fā)生模塊能夠靈活地發(fā)生兩路軟脈沖，并且軟脈沖波形完整無失真，有助于同時(shí)、精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)成像中選層或重聚。