（无线电物理专业论文）用于磁共振成像系统的梯度波形发生器.pdf

摘要 磁共振成像仪己成为医学艋床诊断和基础科学研究的主要工具之一，其中的 脉冲梯度单元是实现成像的核心部件之一。本论文围绕着应用于教学成像系统和 医用成像系统中的脉冲梯度场系统进行了详细研究。 论文的主要内容如下： 第一，主要介绍了磁共振成像仪的基本结构，包括磁体系统、谱仪系统和计算机 系统。详细介绍了一体化的磁共振成像谱仪的硬件结构，其中包括脉冲序 列发生器、射频发射单元、数字接收机和梯度发生单元。它们都采用了基 于普通p c 机的p c i 总线；射频发射单元采用了d d s 技术；接收机部分采 用了数字接收机，简化了结构，消除了镜像峰。 第二，脉冲梯度单元。首先介绍脉冲场梯度技术的应用和脉冲梯度单元的硬件部 分。硬件部分包括梯度波形发生器、梯度电流放大器和梯度线圈，在文中 分别进行了概述。然后叙述了梯度场测量的方法，并用一维成像法在实验 室进行测量梯度大小的实验。最后针对成像中的涡流问题进行讨论，包括 涡流的产生机制、涡流大小的测量和涡流补偿的方法。 第三，教学成像仪中的低成本脉冲梯度单元。先对该梯度单元的要求和主要结构 进行简介。在设计中，核心部件梯度波形发生器采用了基于p c i 总线，以 f p g a 为主要逻辑控制中心的构架。文中描述了梯度波形发生器的硬件结 构，简介了卡上f p g a 内部结构及f p g a 内部逻辑设计流程。作为梯度单元 中另一部分，梯度电流放大器起到了放大所需梯度电流的作用，其结构和 性能在文中进行了描述。最后进行测试和实验，主要对梯度波形发生器的 温度漂移、线性度、通道间耦合等性能进行测试；然后将梯度单元与整个 磁共振教学成像仪进行集成，采用不同样品，用自旋回波脉冲序列进行实 验并给出结果。 第四，医用成像仪中的梯度波形发生器。首先介绍了梯度波形发生器的主要结构 和所能实现的功能；然后针对硬件结构、主要电路、f p g a 内部逻辑的具 体构架和实现进行详细论述。在此梯度波形发生器功能中，我们根据需求 增加了波形预加重功能，采用的实现方法是使用f p g a 内部资源来构建d s p 单元，对波形数据进行预处理，来实现波形预加重功能；设计制作完成后， 对此梯度单元中的波形发生器的性能进行测试；最后与医用成像仪集成， 进行常规成像实验和涡流补偿实验。 关键词：核磁共振；磁共振成像；脉冲梯度单元；梯度波形发生器：涡流；预加 重 a b s t r a c t m rs c a n n e ri so n eo ft h ek e yt o o l si nm e d i c a ld i a g n o s t i ca n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h e s p u l s ef i e l dg r a d i e n t ( p f g ) u n i ti sa n i m p o r t a n tp a r t i nt h es c a n n e r t h i st h e s i s f o c u s e so nt h es t u d yo fp u l s ef i e l dg r a d i e n tu n i t t w ot y p e so fg r a d i e n tw a v e f o r m g e n e r a t o r s ( g w g ) a r ed e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，o n ei sf o rt e a c h i n gm r j a n dt h eo t h e r i sf o rc l i n i c a lm i l l t h em a i nc o n t e n t so f t h em e s i si n c l u d e ： f i r s t ，t h em rs c a n n e r , i n c l u d i n gm a g n e ts y s t e m ，s p e c t r o m e t e ra n dc o m p u t e rs y s t e m ， i si n t r o d u c e db r i e f l y t h es t r u c t u r eo fi n t e g r a t e dm r s p e c t r o m e t e ri sd e s c r i b e d t h e h a r d w a r e p a r ti n c l u d e sp u l s es e q u e n c eg e n e r a t o r ，r fu n i t ，r e c e i v e ru n i ta n dp u l s ef i e l d g r a d i e n tu n i t t h e i r a r c h i t e c t u r e sa r ea l lb a s e do nt h ep c ib u s d i r e c t d i g i t a l s y n t h e s i z e d s ) i st h ep i v o t a lt e c h n i q u eu s e di nt h e r fu n i t d i g i t a lr e c e i v e ri s e m p l o y e di nt h er e c e i v e ru n i ti no r d e rt os i m p l i f yt h es t r u c t u r ea n de l i m i n a t et h e i m a g i n gp e a k s e c o n d t h ei n t r o d u c t i o no ft h ep u l s ef i e l dg r a d i e n t i s g i v e n i nd e t a i l t h e a p p l i c a t i o n s a n dt h eh a r d w a r e i n c l u d i n gg r a d i e n t w a v e f o r l t l g e n e r a t o r , g r a d i e n t c u r r e n t a m p l i f i e r a n d g r a d i e n tc o i l a r ea l s o p r e s e n t e d t h e n s o m e m e t h o d so f m e a s u r i n gt h eg r a d i e n tf i e l d a r e p r o p o s e d o n eo ft h e s em e t h o d s ，n o m i n a t e do n e d i m e n s i o n i m a g i n g ，i s c a r r i e do u tt om e a s u r et h e g r a d i e n tf i e l d f i n a l l y ，t h e m e c h a n i s m so fe d d yc u r r e n t ，m e a s u r e m e n to fe d d yc u r r e n ta n dt h em e t h o do fe d d y c u r r e n t c o m p e n s a t i o n a r ed i s c u s s e d t h i r d i o w - c o s tp u l s ef i e l dg r a d i e n tu n i tf o rt e a c h i n gm r s c a n n e ri sp r e s e n t e d t h e f i r s t p a r ti s t h es t r u c t u r ea n dr e q u i r e m e n to ft h i su n i t t h es e c o n dp a r ti st h e i n t r o d u c t i o no ft h e g r a d i e n tw a v e f o r mg e n e r a t o r p c i b a s e d g r a d i e n t w a v e f o r l n g e n e r a t o ra d o p t e df p g a f o ri t sl o g i cc o n t r o l l i n g w ep i c t u r e dt h eh a r d w a r es t r u c t u r e o fg r a d i e n tw a v e f o r mg e n e r a t o r t h ei n t r o d u c t i o no ff p g aa n df p g ad e s i g nf l o wi s a l s od e s c r i b e d t h et h i r dp a r ti st h ed e s i g na n dt h ep e r f o r m a n c eo fg r a d i e n tc u r r e n t a m p l i f i e r a tl a s t ，i no r d e rt od e m o n s t r a t et h ep e r f o r m a n c e o ft h ep r o p o s e dd e s i g n ，t h e o u t p u tl i n e a r i t y ，l o n g t e r mt h e r m a ls t a b i l i t y , n o i s el e v e la n dt h ec o u p l i n g sb e t w e e n e a c hg r a d i e n tc h a n n e l sa r et e s t e d f i n i s h e dt h ew o r ka b o v e t h eu n i ti si n t e g r a t e di n t o t h em rs c a n n e r t h er e s u l t so ft h em r le x p e r i m e n tt h a tu s e dd i f i e r e n ts a m p l e sa r e g i v e n f o u r t h ag r a d i e n tw j v e f o f i ng e n e r a t o rf o rc l i n i c a lm rs c a n n e ri sd e s c r i b e di nd e t a i l t h ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no fg w ga r er e c o m m e n d e da tf i r s t g r a d i e n t w a v e f o r mg e n e r a t o ri st h ek e yc o m p o n e n to ft h eg r a d i e n tu n i t w jg a v eaf u l l d e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ，c i r c u i t s ，a n dt h ed e s i g n s t r u c t u r eo ft h e f p g al o g i c a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t s w ea p p e n d e dt h ef u n c t i o no fw a v e f o r m p r e e m p h a s i s t h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ei sh o wt oa c h i e v et h ep r e e m p h a s i sb y e m p l o y i n gt h ef p g a t op r o d u c ead s pc o r e a ti a s t t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r e s e n t e d i i d e s i g ni s t e s t e da n dl i s t e d a f t e ri n t e g r a t i o ni n t ot h em rs c a n n e rw ec a nd os o m e c o n v e n t i o n a lm r j e x p e r i m e n ta n de x p e r i m e n t f o re d d yc u r r e n tc o m p e n s a t i o n k e y w o r d s ：n m r ；m r i ；p u l s ef i e l dg r a d i e n tu n i t ；g r a d i e n tw a v e f o r mg e n e r a t o r ；e d d y c u r r e n t ；p r e e m p h a s i s l l i 辛立静硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 陈群教授华东师范大学物理系主席 余亦华副教授华东师范大学物理系 蒋瑜副教授华东师范大学物理系 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名日期：丝堕：苎垡 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文妁规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 日期：幽苎王 学雠文作者签名：毛劬3 日期 导师签名： 理碰碰乡 李勉袅 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁共振成像发展历史和现状“1 核磁共振( n m r ：n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ) 诞生于1 9 4 6 年，斯坦福大 学的布洛赫( b l o c h ) 小组和哈佛大学玻塞尔( p u r e e l l ) 小组分别用水和石蜡、不同 的方法( 双线圈、感应法和单线圈、吸收法) 独立的进行核磁共振实验成功，观 察到了n m r 吸收现象。布洛赫提出了n m r 经典理论，玻塞尔提出了n m r 量子理论， 他们分享了1 9 5 2 年诺贝尔物理奖。 核磁共振发现初期主要应用于精确测量各种原子核的磁矩。后来中国科学家 虞福春和p r o c t o r 博士在布洛赫小组工作时发现了“化学位移”，从此n m r 成为 研究物质化学结构的重要手段。 1 9 6 6 年e r n s t 发展了脉冲傅立叶变换n m r 技术，使n m r 探测灵敏度得到很 大提高，应用范围得以极大拓展。在1 9 7 3 年美国纽约州立大学的p a u lc l a u t e r b u r 受到了x c t 的启发，提出了用线性梯度磁场进行空间编码，并首次 得到n m r 图像。e r n e s t 在1 9 7 5 年提出了多维n m r 谱方法学理论，把n m r c t 发 展为“傅立叶成像法”，由于他对n m r 方法学上的巨大贡献，被授予了1 9 9 1 年的 诺贝尔化学奖。 1 9 7 7 年英国科学家m a n s f i e l d 提出了回波平面成像( e p i ) 的方法，1 9 8 2 年c r o o k s 引进多层面技术，这些为临床m r i 准备了条件，到了1 9 8 3 年全身m r i 商用机器出现，标志着医学n m r 发展进入了快车道。 在m r i 初期，软、硬件的发展处于主导位置的。1 9 8 5 年h a y e s 等人发明了 鸟笼式r f 谐振器；1 9 8 6 年t u r n e r 提出设计梯度线圈的目标场方法；1 9 9 0 年 r o e m e r 等发明相位阵列腰椎线圈。这些都为超导高场m r i 扫描器准备了条件。 到了9 0 年代中期，m r i 扫描仪达到了现代化的水平。在超导高场系统中广泛采 用鸟笼线圈，各种表面线圈包括相位阵列线圈也都被广泛应用。随着e p i 序列等 快速序列的临床应用，i 晦床检查时间大大缩短到几十m s 幅，涡流自屏蔽梯度线 圈和高速开关梯度放大器也应运而生。1 9 9 7 年s o d i c k s o n 和m a n n i n g 提出空间 谐波并行采集理论，软硬件技术也并行发展。 磁共振成像的传统参数为质子密度、t 。、t 。，随着成像技术的不断发展，新 的参数也被同时开发，比如在1 9 8 4 年w e s b e y 等实现扩散磁共振成像，1 9 9 4 年 b a s s e t 等人提出了扩散张量成像的理论方法。 1 9 9 0 年b e l l i v e a u 等首次得到人脑视觉皮层活动的功能像。由于功能磁共 振( f m r i ) 的发展，使系统脑功能科学成为生命科学、脑生理和心理学界在本世 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 纪的主要科研方向之一。 m r i 扫描仪系统技术含量高，m r i 也同时融合了多个学科，但还有很多的方 法和技术应用等待研究和开发。技术的进步拓展了m r i 的应用深度和广度，同时 广泛的应用和需求反过来对技术的进步起到了极大的刺激作用。 1 2 论文的主要研究内容 脉冲场梯度单元是核磁共振成像系统中的重要组成部分。它包括梯度波形发 生器、梯度功率放大器和梯度线圈。对于不同的需求和应用，本论文主要进行了 两种应用途径的梯度单元中梯度波形发生器的研究。 主要完成以下工作 第一，设计应用于台式教学成像仪的梯度波形发生器，这种台式教学成像 仪主要完成核磁共振现象核磁共振成像基本原理的初步演示。设计 完成后对波形发生器的线性度、通道耦合、上升时间等性能测试。 最后与成像仪集成，得到采用常规序列进行成像实验的满意结果。 第二，由于医用成像系统的要求较高，针对新的要求设计完成用于此系统 的梯度波形发生器。考虑到医用成像系统中需要对涡流进行补偿， 还将预加重功能嵌入到梯度波形发生器中，通过计算机设定参数就 可以自由调节预加重的时间和幅度常数。同样进行了梯度波形发生 器的性能测试；然后集成整个成像系统，进行人体部位成像实验。 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 第二章磁共振成像基本原理 2 1 核磁共振基本原理。1 具有自旋角动量和磁矩的原子核，在外磁场中磁矩和磁场相互作用形成一组 能级，当外加射频场作用下就能产生核磁共振现象。 原子核除了具有质量和电荷外还具有，许多原子核还具有自旋角动量p 。按 照经典电磁学理论，旋转电荷可以看成是在环路上运动的电流，原子核带正电既 有电荷又有自旋，所以也就有了相应的磁偶极矩五，它和角动量p 之间关系为 p = y p ( y 为旋磁比) 。用经典力学观点讨论对象是宏观磁化矢量m = z ，磁矩 m 在磁场h 中受到扭矩，就迫使磁矩绕h 做进动。扭矩和角动量j 的关系如下 型：一m 。一h 衍 由于m = 3 , j ，所以 掣：，( 砑。耳) d t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 如果在z 方向上加上恒定磁场h o ，在x 方向上加上射频场h l ，当满足共振 条件射频频率= 1 b 。时，m 则沿x 方向进行章动，同时在此过程中还存在着 纵向和横向的弛豫。通过式2 - 2 我们就可以得到实验室坐标系的b l o c h 方程，由 于这个方程在实验室坐标系太复杂，这时我们通常采用旋转坐标系来简化，坐标 轴是以射频场的频率旋转，此时我们在旋转坐标系里面看不到b 。看到的只有丽 的章动和弛豫，得到旋转坐标系下的b l o c h 方程， 警叫( 国训一等 等一班圳，专 警一刖半 ( 2 3 ) 式中t l 是自旋一晶格弛豫时间，是纵向弛豫过程，t 2 是自旋自旋弛豫时间，是横 向磁化矢量恢复到平衡状态的时间。 2 2 磁共振成像基本原理。 所谓成像就是用灰度值把n m r 参数( 自旋密度p 、弛豫时间t l ，t ：等) 用空 间坐标的函数表达为p ( x ，y ，z ) ，王( x ，y ，z ) ，t 2 ( x ，y ，z ) 等。如果在静磁场b o 上叠加一个 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 线性梯度场，那么样品在不同位置共振频率与空间位置有了线性的关系。1 9 7 3 年l a u t e r b u r 首次用梯度磁场进行空间编码，产生第一个磁共振图像。 m r i 是非侵入性的，一般不需要加任何物质，有时候可以添加一点对比度增 强剂来提高分辨率。水质子成像在2 0 世纪8 0 年代初只有三个成像参数，现在一 般的低场的m r i 扫描仪一般也只做三个参数( p ，t i t 2 ) 成像，即自旋密度p 成 像、t l 加权的p 成像( 短t r 和短t e ) 、t 2 加权的p 成像( 长t r 和长t e ) 。9 0 年 代以后成像参数越来越多，例如分子自扩散系数d 、血流速率“、化学位移”1 、 动态磁化率m 。”1 等参数。 2 2 1 磁共振成像基本原理“ 根据核磁共振基本原理，我们知道处于均匀磁场b 。中的自旋体系，它的共 振频率为= r b o ，由于主磁场是均匀的，所以不能得到物体在空间分布的信息。 在均匀磁场上叠加线性梯度场，使得位置坐标和共振频率之间相关联。在x ，y ，z 三个方向上分别加梯度磁场g x ，g y , o z ，这时我们定义空间中某一体元的共振频 率为 国= y ( 岛+ x q + y g 。十z - g 。) ( 2 - 4 ) 这三路梯度场是对自旋体系的空间编码，分别作为选片、频率编码、相位编码。 2 2 2 选片原理 在临床诊断中，人体的三维图像一般用多个2 d 图片来表示，这就要求m 附 技术具有“选层”的功能。选片由选择性射频脉冲( s i n c 包络) 结合梯度场来完 成。 图2 - i 选片原理示意图 在图2 - 1 中，如果软脉冲的中心频率为以，激发带宽为，在z 方向上施加 4 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 梯度场大小为g z ，此时根据出= ，( b o + ，g ) ，我们得到选片位置为 一q 一7 b o y g ： 选片厚度为 a z ：a a ) y g z 2 2 3 频率编码 我们在x 方向上施加梯度场g x 么这两个样品的共振频率为 q = 厂( 岛+ 而q ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 放置样品a 和b 样品置于位置x 和b 那 ( 2 7 ) = y ( 岛+ 也q )( 2 8 ) 这样样品空间的坐标可以用n m r 谱线的频率来表示，这就是所说的频率编码。忽 略化学位移和j 耦合，在梯度场的作用下采集到的n m r 信号表示如下 s ( t ) = i s ( x ，f ) 出( 2 - 9 ) r s ( x ，t ) o o e x p ( 一u ，& t ) = e x p ( 一j x y g ，f ) = e x p ( 一庐( x ，) ) ( 2 1 0 ) 式中矿( x ，t ) = x y g x t ，f = f “，i = o ，1 ，2 ，1 2 ，所以f i d 的第i 点信号为 s ( x ，f ) = e x p ( 一豇，q f r ) ( 2 一1 1 ) 可见x 方向上加的梯度的作用使得n m r 信号的相位和空间位置坐标x 关联起来 了。 2 2 4 相位编码 频率编码是施加一恒定的梯度g x ，步进变量时间t ，从而得到n m r 信号与空 间坐标x 关联。反过来我们也可以步进梯度g x 的大小，而恒定时间t ，这就是 相位编码。根据( x ，r ) = x ，g x f ，n t c i r 信号相位取决于梯度与时间的乘积。 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 f k l f 图2 - 21 d - m r j 采用相位编码的脉冲序列 在上面的脉冲序列中，需要采用间接的测量方法，即只采集f i d 的第一点数据。 s ( x ，t ) o o e x p ( 一j x y g 。r ) ( 2 1 2 ) 对于第i 次梯度步进：g ，= i - 衄，i = 0 ，1 ，2 ，n s ( x ，i ) m e x p ( 一j x f l 峨r )( 2 - 13 ) 2 3 常规成像脉冲序列和k 空间 2 3 1 常规成像脉冲序列简介 在临床中最常用的是脉冲序列是自旋回波( s p i n e c h o ) 如图2 3 所示、梯度 回波( g r a d i e n te c h o ) 如图2 - 4 所示、反转恢复( i n v e r s i o nr e c o v e r y ) 如图2 5 所示。 我们看到图2 3 中采用了s i n e 函数形的9 0 度射频脉冲和选片梯度g z 同时 作用激发了有一定厚度的层面，后面由一个s i n e 函数形的1 8 0 度射频脉冲使选 择的这一层的磁化矢量再汇聚得到自旋回波。而梯度回波没有射频18 0 度脉冲， 但是它采用了梯度反向产生回波，在频率编码方向上先利用第一梯度脉冲使磁化 矢量散相，再利用第二个面积相等的但极性相反的梯度脉冲使磁化矢量聚相，从 而产生一个回波，称为梯度回波。 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 图2 - 3 自旋回波脉冲序列 频率编码 y| 瓜信号 八 jljl 、乜7 1 t y 7 。v 瞧v 图2 4 梯度回波脉冲序列 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 1 8 0 。 2 3 2k 空间 图2 5 反转恢复自旋回波脉冲序列 成像得到的信号如下式， s ( f ) = 盯p ( l y ) e x p i ) ( g x z t + g y y t y ) p 方 ( 2 - 1 4 ) 其中t = y q ，k y = y g ，瓦，代入上式如下， s ( f ) = 肛( x ，y ) e x p i ( k x x + 勺，) p 咖= s ( a ：，屯) ( 2 - 1 5 ) s ( ，k y ) 和p ( x ，y ) 是一对傅立叶变换对，可以对s ( t ) 作二维反傅立叶变换即得到 了物体的空间分布p c x ，y ) ，用灰度图表示出p ( x ，y ) ，这样就能重建的磁共振图 像。 我们对k 空间定义如下： 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 k x = ，随( f ) d r k y = y s g y ( t 。) d t 。 ( 2 1 6 ) k z = y l g ：q j ) a t j 由吒，毛k 构成一个k 空间，所以要获得高质量的图像，必须使轨迹扫遍整个k 空间。 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 第三章磁共振成像仪的基本结构 磁共振成像仪的基本结构，主要包括磁体部分、谱仪部分、计算机部分。那 么本章将叙述谱仪部分的结构和特点。我们自行设计的谱仪包括射频发射单元、 信号接收单元、脉冲梯度单元、脉冲序列控制单元；整个谱仪各主要部件都基于 周边器件互连( p c i ) 总线，这种总线在工业用计算机和商用计算机中被广泛采 用，这样在降低成本的同时，几个部件通过总线同时由工业计算机控制，并行工 作，达到结构的简化。在设计中采用大容量可编程逻辑器件，大大缩短了开发周 期，同时降低了成本，增强了设计的灵活性。 3 1 磁体部分 磁体部分包括主磁体、射频线圈、梯度线圈和匀场线圈。 现用于磁共振成像仪系统的磁体大致分为三类：电磁体、永磁体、超导磁体。 在低场系统中，磁场的范围从0 0 2 t 到0 3 5 t ，主要以永磁系统为主，也有 少量的电磁系统；在中高场中则以超导磁体为主。基础科研系统中都是采用超高 场m r i 系统，有3 t 、4 t 、7 t 、8 t 系统。 虽然超导磁体的场强高，广泛应用于高场高分辨，但是其安装和维护都将消 耗大量资金。而永磁体也能够满足常规的成像需要，一次性投入，不需要大量的 后期维护资金。我们实验室现采用的是永磁体，对磁体进行恒温来保持磁场的长 期稳定。 射频线圈既有射频发射功能又有信号探测功能。对于收发单线圈，可以通 过t rs w i t c h 来进行切换。梯度线圈将在第四章中作介绍。 3 2 谱仪部分 3 2 i 射频发射单元“” 数字化谱仪的射频发射部分主要包括数字化频率源和射频功率放大器。在数 字化频率源中主要采用了直接数字频率合成技术( d o s ) 。d d s 主要包含相位累加 器、波形存储器，数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分。在参考时钟的控 制下，相位累加器对频率控制字k 进行现行累加，得到的相位码中( n ) 对波形存 储器寻址，使之输出相应的幅度码，经过数模转换器得到相应的阶梯波，最后经 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 过低通滤波器得到连续变化的所需的波形。 图3 19 d s 原理方框图 理想的正弦波信号s ( t ) 表示如下： s ( t ) = a c o s ( 2 z + 中) ( 3 - 1 ) 式( 3 - 1 ) 说明s ( t ) 在振幅a 和初相位巾确定后，频率由相位唯一确定 中( f ) = 2 z 刀 ( 3 - 2 ) d d s 就是利用式( 3 2 ) 中o ( f ) 与时间t 成线性关系的原理进行频率合成的，在时 间t = t c 间隔内，正弦信号的相位增量n 巾与正弦信号的频率f 构成一一对应 关系 f = m ( 2 f 疋) ( 33 ) 为了说明d d s 相位量化的工作原理，可以将正弦波的一个完整周期内相位 o 一2 n 的变化用相位园来表示，其相位与幅度一一对应，即相位园上每一点均对 应输出一个特定的幅度值。一个n 位的相位累加器对应相位园上2 n 个相位点， 其最低相位分辨率为o m i n = o = 2 兀，2 ”。如果n = 4 ，则共有2 4 = 1 6 种相位值与1 6 种幅度值相对应。该幅度值存储于波形存储器中，在频率控制字k 的作用下， 相位累加器给出不同的相位码( 用其高位做地址码) 去对波形存储器寻址，完成相 位一幅度变换，经过数模转换器变成阶梯正弦波信号，再通过低通滤波器平滑， 便得到模拟正弦波输出。 从理论上讲，波形存储器可以存储具有周期性的任意波形，在实际应用中， 以正弦波最具有代表性，也应用最广。d d s 输出信号的频率与时钟频率以及频率 控制字之间的关系如式( 3 4 ) 所示。 六。= k 正2 ” ( 3 4 ) 式中，f o 。) 为d d s 输出信号频率，k 为频率控制字，工为时钟频率，n 为相位累 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 加器的位数。 由于d d s 采用不同于传统频率合成方法的全数字结构，因而具备许多直接式 频率合成和间接式频率合成技术所不具备的特点。d d s 频率合成技术具有如下的 特点： ( 1 ) 极高的频率分辨率，可达微赫兹量级。当参考时钟频率确定后，d d s 的频 率分辨率由相位累加器的字长n 决定。当k = i 时，d d s 产生的最低频率，称 为频率分辨率，即 厶。：嘉( 3 - 5 ) 例如，直接数字频率合成器的时钟采用5 0 m h z ，相位累加器的字长为4 8 位， 频率分辨率可达o 1 8 i0 一h z ，这是传统频率合成技术所难以实现的。 ( 2 ) 输出频率相对带宽很宽。d d s 的输出频率下限对应于频率控制字为k = 0 时的 情况，f o 。，= 0 即可输出直流。根据n y q u i s t 定理，从理论上讲，d d s 的输 出频率的上限应为正2 ，但由于低通滤波器的非理想响应特性及高端信 号频谱恶化的限制，工程上可实现的d d s 输出频率上限一般为 厶。= 2 正5 。因此，可得n d d s 的输出频率范围一般是o 2 z 5 。这样的 相对带宽是传统频率合成技术所无法实现的。 ( 3 ) 极短的频率转换时间，可达纳秒量级。由图3 一l 可i n d d s 是一个开环系统， 无反馈环节。这样的结构决定t d d $ 的频率转换时间是频率控制字的传输 时间和以低通滤波器为主的器件频率响应时间之和。 ( 4 ) 频率捷变时的相位连续性。从d d s 的工作原理中可以看出，当改变其输出 频率时，是通过改变频率控制字k 实现的，实际上这改变的是信号的相位 增长速率，而输出信号的相位本身是连续的，这就是d d s 频率捷变时的相 位连续性，图3 2 所示的是d d s 频率变换过渡过程的示意图。 图3 2d d s 频率变换过渡过程 ( 5 ) 任意波形输出能力。根据n y q u i s t 定理，d d s 中午n 位累加器输出所寻址的波 1 2 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 形数据并非一定是正弦信号，输出波形由波形存储器中数据来决定，只要 改变存储器中的数据，满足波形所包含的高频分量小于取样频率的一半， 就可以利用d d s 产生出正弦波、方波、三角波、锯齿波等任意波形。 ( 6 ) 数字调制功能。由于d d s 采用全数字结构，本身又是一个相位控制系统， 因此可以在d d s 设计中方便地加上数字调频、调相以及调幅的功能，以产 生a s k 、f s k 、p s k 、m s k 的多种信号。 磁共振成像仪中采用的是自行设计的基于p c i 总线的数字化频率源“，原理 框图见图3 - 3 其中采用专用p c i 接口芯片，p l x 公司的p l x 9 0 5 2 作为计算机p c i 总线 与卡上l o c a l 控制端的桥；两块8 位1 2 8 k 的异步静态内存，用于存储频率源波形数 据：d d s 采用a n a l o gd e v i c e 公司的a d 9 8 5 4 ；x i l i n x 公司f p g a ( x c 2 s 5 0 ) 现场可编程 逻辑门阵列，用于控制内存的读写，d d s 和内部控制寄存器的构建。数字化频率 源能够满足磁共振成像或者核磁共振实验的要求，只要通过计算机设置d d s 相应 的寄存器的值，就能输出相对应的波形( 包括常用的硬脉冲、s i f i c 软脉冲波形) 。 图3 - 3 基于p c i 总线的数字化频率源结构框图 3 2 2 信号接收单元 磁共振信号接收单元的功能是放大和采集磁共振信号。其性能的优劣直接关 系到磁共振信号的信噪比。当接收线圈接受到核磁信号后进入信号接收单元，这 一单元主要包括：前置放大器、数字接收机。通常n m r 谱仪的接收方法是基于 模拟接收机的传统正交检波模式，如图3 - 4 所示。由于两路通道的很难做到完全 正交，就会出现镜像峰，当然这个也可以通过软件的相位循环来消除，但这样增 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 加了实验时间。所以我们现在采用数字正交检波的方法。这样可以在不增加实验 时间的情况下完全消除n m r 谱图中的镜像峰的干扰。 图3 - 4 模拟正交检波框图 数字接收机与控制计算机的通讯是通过p c i 总线来实现的，这里使用了与频 率源相同的p c i 接口芯片p l x 9 0 5 2 ，为了加强数字接收机的灵活性、提高可靠 性，在设计中也采用了可编程逻辑器件f p g a 作为接受机的控制器，它的作用是 设置相关控制寄存器，存储设定采样点数，在启动采用后将采集到的信号数据存 储到板上静态内存中，采样结束后通知控制计算机采样结束，通过总线读取板上 内存中的采集到的数据。同时在板上还运用了两块d d s ，分别作为接收机的采样 时钟和本地振荡器。数字接收机板卡的结构框图如图3 5 。 核 图3 - 5 数字接收机结构框图 整个数字接收机的核心是a n a l o gb e v i c e 公司的a d 9 8 7 4 数字接收芯片。它 1 4 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 内部主要包括一个宽带低噪声放大器( l o wn o i s ea m p l i f j e r ) 用来放大核磁共振 信号，一个本地振荡器( l o c a lo s c i l l a t o r ) 对磁共振信号进行变频，一个连续增 益可调放大器( v a r i a b l eg a i na m p i i f i e r ) ，一个反折叠滤波器( a n t i - a l i a s f i l t e r ) ，一个1 6 位的高速a d c 和一个正交数字下变频器，其中包括一个抽取率 为1 2 的四阶梳妆滤波器、一个可调抽取率的四阶梳妆滤波器和一个除4 除5 的 f i r 滤波器。首先，探头就接收到磁共振信号，通过一级低噪声前置放大器进行 放大来提高检测的灵敏度，然后进入l n a 放大，输出与本地振荡器相乘，得到解 调后的中频信号，用高速1 6 位精度a d c 进行采样，这样可以达到约9 5 d b 的动态 范围。最后，使用d d c 对其进行抽取滤波得到基带核磁共振信号。由此可见，所 有接收机的必要部件如l n a ，l o ，高速a d c ，数字下变频器都已经集成到了一块 芯片里，只需少量外围无源器件，从而大大简化了设计，实现了一体化设计，并 且具有相当大的带宽范围。 3 2 3 脉冲梯度单元 脉冲梯度单元的功能是为系统提供线性度满足要求的、可快速开关的梯度 场。此梯度场叠加在主磁场之上，来实现成像体素的空间定位。另外，在梯度回 波和其他的快速成像序列中，梯度场的翻转还起着射频激发后的自旋系统的相位 重聚作用。因此脉冲梯度单元成为磁共振成像仪中的核心单元。它包括两大部分： 梯度波形发生器、梯度功率放大器。梯度波形发生器能够产生任意改变幅度和波 形的梯度，然后经过梯度功率发生器放大，输出驱动梯度线圈的梯度电流，产生 线性梯度场。此单元将在第四章中详细介绍。 3 2 4 脉冲序列控制单元“” 随着磁共振技术不断发展，新脉冲序列层出不穷，对脉冲序列控制单元的要 求也随之有了新的提高。在以往提出的脉冲序列控制器是用计数器或者寄存器来 设计实现的，但是这只适合于简单的多脉冲序列。在高分辨磁共振中要求最小脉 宽大约几百纳秒，脉宽分辨率可达几十纳秒，当然我们也要求脉冲序列发生器具 有编程的灵活性，来适应脉冲序列的日新月异。为了满足磁共振成像中复杂序列 的要求，比如快速序列，多层序列等，我们设计了一种脉冲宽度和脉冲个数可以 任意设置的脉冲序列发生器( 输出为t t l 电平的方波) 。此脉冲序列发生器通过 p c i 总线与控制计算机之间进行通讯联络，传输存储脉冲相关数据。卡上主要采 用了2 5 6 k x 3 6 b i t 的同步静态内存，用于存储所有的脉冲事件和时间值：一块可 编程逻辑器件f p g a 用于所有的逻辑控制和脉冲实现，简化了硬件结构。同时我 们还开发了基于w i n d o w s 的图形化脉冲序列编译器，给实验者提供了友好简单的 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 界面来进行脉冲序列的编写和修改。表3 - 1 列出了脉冲宁列发生器的相关性能指 标： l 参数! 纛尘 最大脉宽上升下降时间最大脉冲序列通道输出 脉宽分辨率时间事件日寸间数最大长度数电平 忖目标f 1 6 0 n d 8 6 s2 0 n s4 n s 4 n s1 2 8 k3 1 2 7 小时3 2t t l 3 3 计算机部分 表3 - 1 脉冲序列发生器性能指标( 5 0 m h z 时钟) 计算机包括控制计算机、主计算机、图像显示、存档、传输等辅助设施。所 用主计算机有工作站，也有用工业p c 机，高场系统大部分用工作站，地场系统 大部分用微机。控制计算机通过它来实现对整机的运行操作。主计算机和控制计 算机之间有数据总线相联，各谱仪单元都和控制计算机有通讯联系。主计算机主 要完成数据的处理，包括谱图变换，参数设置，图像重建，图像处理，病人资料 的管理。其中实验部分参数设置主要有脉冲序列编译器来完成设置、修改和管理 的。 华东师范大学2 0 0 5 届研究生硕士学位论文 第四章脉冲梯度单元的概述 在上一章中我们已经介绍了磁共振成像仪中各个部件的结构和特点，本章主 要是针对脉冲场梯度单元进行详细的论述。脉冲梯度单元是与梯度磁场有关的电 路单元。首先介绍脉冲场梯度技术在核磁共振中的应用，然后分别介绍该单元各 相关组成部分的结构和特点和梯度线圈的概况，最后针对涡流的产生原因、测量 方法和补偿方法进行讨论。 4 1 脉冲场梯度技术“6 1 随着核磁共振实验技术的发展，脉冲场梯度( p f g ) 技术在n m r 中得到了广泛 的应用。人们发现在磁场梯度存在的条件下分子自扩散运动会导致横向磁化强度 独立于t ：过程之外的额外衰减，就此在n m r 中发展了测量分子( 或离子) 自扩 散系数的方法；在二维实验中，脉冲场梯度的作用是选择相干转移路径和抑制杂 峰，来代替不必要的相位循环。当然，脉冲场梯度方法广泛应用的领域还是在磁 共振成像( m r i ) 技术方面。因为m r i 实验的基本出发点是运用迭加在主磁场上的 梯度磁场将体素的共振频率与空间坐标之间建立联系，进行空间定位，因此可以 说脉冲梯度场是磁共振成像中不可缺