（生物医学工程专业论文）梯度波形发生器上DSP32C的功能研究与设计实现.pdf

查! ! 查兰堡主兰堡堕查垒里! ! 垦垒坚 r e s e a r c ha 1 1 dr e a l i z a _ t i o no fd s p 3 2 c sf u n c t i o ni nt 1 1 eg r a d i e n t w a v e f o 矾g e n e r a t o r a 6 s 妇c f m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ( m e u ) i sat e c h n o l o g yt h a tm en u c l e u sg c n e r a t e st h e m a g n e t i cr e s o n a n c es i 驴a li nt 1 1 em 呼l e t i cf i e l da n dt h ei m a g ei sr e c o n s t m c t e d i nt h e 1 9 8 0 s ，m r ji sa p p l i e dt oc l i i l i c a ld i a 印o s e s n o w a d a y s i ti su s e di n s y s t e i n i c e x 锄抽a t i o n s c o m p 盯e dw i t hx r a yi m a g i n g 柚dc t ( c o m p u t e r i z e dt o m o f 印h ” i m a g i n g ，m 砒h a st l l ea d v a l l t a g e o fh i g hr e s o l u 虹o n ，m o r ei m a g i n gp a r a m e t e r s ， a r b i t r a 叫t o m o g r a p h ya n dl e s si o n i z i n gr a d i a t i 伽b e c a u s em r it e c l l i l o l o g ya sw e l l 邪 a c c e s s o r i a ld e v i c e si sm 咖r e ，也e yh a v em o f ea d v a n t a g ea n dp o t e n t 诚o nm o r b i d d i 够l o s e sa n dt r e a 舡n t s t h e r e 矗w e ，i t i so fm u c hi m p o r t a n c et or e s e a r c hm r l d e 访c e s s p e c t m mc o n s o l ei sak e yc o m p o n e n to ft h em r j a l l di tc o m m l sm eo p 黜t i o no f m em r i1 i l 【eab r a i n ng e n e r a t e st l l r e e 蓼a d i t sd i r e c t i n gx a x i s ，y - a ) 【i sa i l dz a ) 【i s r e s p e c d v e l ya n d 锄i t sp l l l s es e q u e n c e s t h e ni tr e c e i v e sa l l dp m c e s s e sm em a 印e t i c r e s o n a l l c es i g l l a lc a u s e db yt 1 1 ep h e n o l m e n ao fm a 印e t i cr e s o n a n c e a f t e 刑a r d si t r e c o n s m l c t si m a g e mc h i n a ，t h er e s e a r c hi nm es p e c m h nc o n s o l ei sa tap r e l i m i n a r y s t a g e h lt h i sm e s i s ，l h em e o r yo fn l eg m d i e n tw a v e f b 彻g e n e r a t o ri sr e s e a r c h e da n d t h ed s p 3 2 c s 如n c d o ni sr e a l i z e d t h i s 协e s i si n c l u d e sm ec o n t e m sa sf 0 1 l o w s f i r s t l y ，t l l et h e o r y s t n l c t u r e 粕d s i 印a 1n o wo ft h e 擎a d i e n tw a v e f b 肋g e n e 倒c o ra r e 趾a l y z e di nd e t a i l ，b a s e do nt h e t h e o r ya i l ds n l l c t l l r eo ft l l es p e c 仃1 l mc o n s 0 1 e s e c o n d l y ，v a l u a b l em 仰i n gd a t ao f d s p 3 2 ca r eg o ti nm el o g i ca n a l y z e ra i l dd s p 3 2 c sf i l n c t i o n ，w h i c hi sg c n e r a t i n gm e t r a l l s f b 咖m a m x ，i sc o n f - o 衄e db yr e s e a r c h j n gt h es t n i c t l l r ea n dt l l es o f l w a r e d e v e l o p m e ms y s t 锄o fd s p 3 2 c t h i r d l y ，御od e s i 驴p l a i l sa r ed i s c u s s e d f i r s tp l a i li s t h a td s p 3 2 ci si m p l e m e m e dw i t hf p g aa n dm ec h i pr 印l a c e m e n ti sc o m p l e t e b u ti t f gv 叼rd f 掰c h r 锄dn e 。dm o 传如1 e s e c o 积p 妇l 括m a td s p 3 2 c j s 勋l c d o 玎o n 曲e 擎a d i e n tw a v e f 0 姗g e n e r a t o ri si m p l e m e n t e d1 v i t hd s p ( d i 西t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) + f p g a ( f i e l dp r o 铲猢a b l eg a t ea r r a y ) a n df 曲c 右0 nr e p l a c e m e n ti sc o m p l e t e t h e c h a r a c t e r i s t i co fd s p + f p g ai sn e x i b l es m l c t u r ca n dm o d u l 撕z a t i o n a c c o r d i n g l y ， e 蚯c i e n c yo f t h ea r i t l l 】 i l e t i ci si n c r e a s e d 柚dd e v e l o p m e n tp e r i o di ss h o n e n e d i t se a s y t om a i n t a i na 1 1 de n l a 略et l l es y s t e m a f c e rc o m p a r et l l es e c o n dp l a ni sc h o s e n h lt h e d e s i g n ，a d s p 一2 1 1 6 0p r o d u c e db y a n a l o gd c v i c e sm c a i l ds p a n a i l - i ic l l i p sp m d u c e d i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b yx i l i n xb c a 聪u s c d f i n a l l y ，d s pm o d i l l e 柚df p g am o d u l ea r ea c c o m p l i s h e d t h e m e s i sd e s c 曲e sh o wt od e s i 印l o a d i n gp m 掣锄，i m e 瑚u p t s ，i n i t i a l i z a t i o n 锄d 衄l s f c r o fa n g l ep a r 锄e t c rh lt l l ec n d ，s o m ev h d lc o d e sa n ds i 舢l a t i o nw a v ef i g i l r e sa r e g i v e na ss t a g 掣暂e dr e s u l t s k e yw o r d ss p e c t f i l mc o n s o l e ，g r a d i 胁tw a v e f b m lg e n 钉a t o r ，f i e l dp r o 伊a i l l i n a b l e g a t e 姗，d i g i t a ls i 驴a 1p r o c e s s o r 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研 究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究 成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：冯亚易 日期：瑚堂、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期签字日期 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 2 2 磁共振成像原理 根据质子的共振频率与质子所处的磁场强度成正比这一原理，如果在被检体 所在的空间内能够随意地改变各点的共振频率，就能获得以场强标记的空间信息。 这一设想已通过在静磁场b o 上叠加梯度磁场b 实现。有了变化的磁场，再创造 地用含有各种频率分量的r f 脉冲，而不是单一频率的正弦波，激发一定数量的 空间质子，就可以描绘出质子的空间分布图像。这时，m r i 线圈中接收到的磁共 振信号是不同体素内的质子所发出的不同频率的复合信号，运用傅里叶变换技术 即可将这一复合信号还原为其它空间磁场相对应的位置信号。 于是，人们对梯度场的射频脉冲的变化进行组合，就诞生了为数众多的成像 方法。随着技术的发展，梯度场的应用越来越灵活。现在，由梯度脉冲的射频脉 冲共同编制而成的各种脉冲序列已屡见不鲜。 2 2 1 梯度场及其作用原理 2 2 1 1 梯度和梯度场概念 所谓梯度是指一个空间位置函数( 物理量) 的变化率，在数学上就是它的导 数，对于多元函数，每个空间坐标变量都有一个偏导数，如票，罢，罢等， 倒 掣 。z 这些导数表示空间函数巾( x ，y ，z ) 沿三个坐标方向的变化率，下面给出三元函 数梯度和梯度场的具体定义 设函数u = 由( x ，y ，z ) 在空间或部分空间具有一阶连续偏导数，则对于空 间或空间已知部分的每一个点p ( x ，y ，z ) 都可确定一个向量罢f + 票，+ 娑i ， 佩 叫 该向量就称为函数u = ( x ，y ，z ) 在点p ( x ，y ，z ) 梯度，记作g r a d 由( x ，y ， z ) ，即 铲a d 中( x ，y ，z ) ：罢f + 娑，+ 譬j j ( 2 2 ) 咧 向量函数g r a d 由( x ，y ，z ) 同时确定了一个向量场，这就是梯度场。 2 2 1 2 梯度磁场的作用及产生 由拉莫尔方程可知，质子的共振频率o 等于其旋磁比丫与外磁场b o 的乖积。 由此可见，改变磁场b o 就改变共振频率uo ，也就是说，如果能使扫描平面上每 一点具有不同的磁场强度，人体不同部分受激发的原予核，将在不同频率下共振， 这种思想首先由劳特伯提出，并成功地用来编码受激原子核的空间信息，即进行 一4 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 斜率越大，系统的性能就越好 堕一 爹 纛2 i 。 ；基 蓊，j 一薹蠹萋i ， 羹矍 营一 ；誊l g | 蠹： l i 蓁墨l 荨 | 蠢薹；拜篓 i 鍪蠢 i 纛鞲i i j ；二；。i 趔匪鞠别引姒撕楚甄 产羹幂曼矾蠢溺u 一拜唯醛独拍龇勐需；u 一懿譬酐明幔薛鲤掣坠可垦。鞋二。 州孵麓。耩囊意醑。骣苦狮鞠鬈簌耐醌弗二滋灞鬈驯裂戮型副塑卦比j；驯磐对于 梯度磁场，每单位长度上的磁场是线性递增的。 为了得到任意层面的空间信息，m r j 系统在x 、y 、z 三个坐标方向均使用梯 度磁场，它们分别被称为g x 梯度、g 。梯度和g z 梯度。g x 、g ，和g ：分别由互相 垂直的三个梯度线圈产生。其中每个线圈的工作特性和激励电路完全相同，扫描 时，它们所产生的梯度磁场b 与主磁场b o 叠加后共同作用于相关的体素，可见 梯度线圈的作用就是动态地修改主磁场。 2 2 13 梯度场的数学模型 m r j 系统所使用的梯度磁场是线性梯度，即随着时间t 的推移，梯度场成比 例地上升或下降，且只有在扫描周期才出现，另外，梯度到达预定值后，需持续 一段时间(t 1 乜) 才开始下降，梯度场的这种工作过程如图2 1 所示。 图2 1 梯度场b 波形 f i g 21 ，a v e f i 目】r e o f l 删e f n f i e l d b 图中b m。为梯度场的预定值，t l 和t 2 分别为梯度开始上升和到达预定值的 时间，t 2 和t 3 分别为梯度关闭和恢复至零值的时间。显然，t o t 1 就是常说的梯度 上升时间或 梯度预备时间，t l 乜是梯度持续时间，以后又开始一个新的梯度场周 期。 设梯度的上升和下降时间相等，则上述过程可用函数式表示为式( 2 3 ) 。在 该式中，生一r 为梯度场的斜率；也就是梯度的变化率。它和梯度上升时间都是 一岛 梯度系统的重要指标，在梯度场预定值一定的情况下，上升时间越短，即梯度的 一5 一 x 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 号相分离，方可转换相应像素的亮度信号。为了达到这一目的，一般先要通过层 面的选择和空间编码两个步骤来建立体素的空间坐标，然后才能重建图像。 2 2 2 1 层面选择 为了说明人体的方位，解剖学中定义了三个标准断面。它们是矢状面( 于前 后方向将人体纵断为左右两部的断面) 、额状面( 于左右方向将人体纵断为前后两 部的断面) 和水平面( 垂直于矢状面和额状面，将躯体横断为上下两部的断面) 。 这三种断面亦用于m 砌中。尽管m r j 可任意方位断层，但所有层面都是以上述 某一标准面为基准向其他方向旋转( 也可不旋转) 得到的。在m 附中，平行于矢 状面、额状面和水平面切取的层面分别被称为矢状位( 面) 像、冠状位( 面) 像 和横轴位( 面) 像。 与x 射线c t 相比，m r 具有非常灵活的选层方式。它不仅可以选择常规的 横轴位、矢状位和冠状位，还可进行任意斜面成像。m 对的层面选择是通过三维 梯度的不同组合来实现的。 层面的选择应用选择性激励的原理，就是指用一个有限频宽( 窄带) 的射频 脉冲仅对共振频率在该频带范围的质子进行共振激发的技术。 磁共振的层面的选择是射频频率和梯度磁场共同决定的。 2 。2 2 2 平面内信号的定位 经过上面的选层过程，磁共振信号已经被限定在指定平面内。这时m 砌线圈 中可得到成像层面内所有质子同时发出的复合共振信号，必须对此信号加以分辨， 才能重建二维的图像。在二维傅里叶变换成像技术中，选层梯度以外的两个梯度 被确定为平面定位梯度，并根据二者在定位中所起的作用分别称之为相位编码梯 度和频率编码梯度。沿这两个梯度方向的位置信息相应地叫做相位编码和频率编 码。 ( 1 ) 相位编码梯度 相位编码就是先用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差，然后用 此相位差来标定体素空间位置的方法。当引起共振的射频脉冲终止后，每个体素 内的质子均发生横向磁化，其磁化强度矢量m 倒向x o y 面进动( 以9 0 度r f 激 发脉冲为例) ，进动的相位与m 所处的磁场强度有关。相位编码梯度的加入，将 使各体素磁化角度失量的相位发生规律性的变化，利用这种相位特点便可实现体 素位置的识别，这就是相位编码的含义。下面结合图2 2 说明相位编码的原理。 一7 一 东北大学硕士学位论文第= 章磁共振原理 譬tt 痧，型多工痧 y l ，l 罗 y 村i 玑 魄 ( b ) z 地 ( c ) 图2 2 相位编码梯度 f 谵2 2p h a s ec o d i n gg r a m e n t 图中v l ，v 2 和v 3 分别表示相位编码方向上三个相邻的体素。设开始时所有体 素的磁化强度矢量( m 1 ，m 2 ，m 3 ) 均有相同的相位，并以相同的频率进动。这 相当于图2 2 ( a ) 所示的情况。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 t = 0 时刻，相位编码梯度开启，由图2 2 ( b ) 可知，在g v 的作用下，相位 编码方向上各体素将处于不同的磁场中，因而该方向上各磁化强度矢量将以不同 频率进动，其进动频率由式( 2 4 ) 决定： 国。= ，( 玩+ y g 。) ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可知，该方向上各磁化强度矢量的进动频率为y 的函数。即y 坐 标越大，质子的进动速度越快，由体素v l ，v 2 和v 3 在相位编码方向上的位置关系 可知，v 3 较v 2 有更快的进动频率，而v 2 的进动又要快于v l ，如图2 2 ( c ) 所示。 进动频率的不同必然导致进动相位不同。设相位编码梯度的持续时间为t v ，则t v 时间后相移编码方向上各体素的进动相位m ，为 m ，= 国，f ，= ，( 蜀+ y g ，) r ， ( 2 5 ) 图2 2 ( c ) 中，用m l 、0 2 和m 3 分别表示相位编码梯度结束时m l ，m 2 和m 3 的进动相位。 由此所产生的相位差m 可用式( 2 6 ) 计算： o ，= y ) _ ，g ，f ，= 国， ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中的o 是相位编码坐标y 即g ，的函数。由此可见，在g y 的作用 下，信号中已包含了沿y 方向的位置信息。 在t = t v 时刻，相位编码梯度关断。这时各体素再次置于相同的外磁场中，其 进动频率均恢复至g ，作用前的数值( 同频率) ，但是g v 所诱发的进动相位差却被 保留了下来，这就是相位编码的所谓“相位记亿”功能。图2 2 ( c ) 表示了这一 情形。从这个意义上讲，相位编码就是通过梯度磁场对选中层面内各行间的体素 进行相位标定，从而实现行与行之间体素位置识别的技术，也就是说，相位编码 的作用是确定层面在一维上的体素。 在每个数据采集周期中，相位编码梯度只是瞬间接通。因此，它总是工作于 脉冲状态。有多少个数据采集周期，该梯度就接通多少次，梯度脉冲的幅度也就 变化多少次( 每次施加时采用的梯度值均不同) 。习惯上将相位编码梯度的一次变 化称为一个相位编码步。对于1 2 8 x 1 2 8 的图像来说，需要1 2 8 个相位编码步才能 完成。 ( 2 ) 频率编码梯度 相位编码梯度作用后在x 的平行方向形成了一行行的等自旋线，即它只在一 维方向提供了体素的识别信息。为了产生x 方向体素的位置信息，还需加入g ， 在m i u 中，g 。对体素的识别采用频率编码的方案，所谓频率编码，就是利用梯 度磁场造成相关方向上各磁化矢量进动频率的不同，并以此为根据来标记体素空 间位置的编码方法。图2 3 是频率编码的原理示意图。可以看出，由于g x 的存在， 使成像层面中频率编码方向上的体素列位于不同的场强中。这时与y 轴平行之各 一9 一 斛5 图2 3 频率编码的原理 f i g 2 3f r e q u e n c yc o d i n gm e o r y 例如，图2 3 中c 2 列处的场强高于c l 列，这时c 2 列内各磁化强度矢量将以 比c 列更快的速度进动。磁化矢量进动频率的变化，将从r ，信号中反映出来。 也就是说，接收到的信号中已包含有体素的空间位置信息。通过傅里叶变换，便 可将这种带有频率编码的位置信息分离出来。 相位编码形成的是一行行与g v 相垂直的等自旋线( 相位编码线) ，而频率编 码的结果将出现一列列与g x 垂直的等自旋线( 频率编码线) 。等自旋线上所有体 素磁化矢量的进动频率均相同。在频率编码中，两条等自旋线间的频差如式( 2 8 ) 所示。式中x 为两条等自旋线间沿x 方向的坐标差。可见，两自旋线相距越远， 其频差越显著。 吼= 芦婀： ( 2 8 ) 与相位编码不同的是，每个周期的频率编码脉冲均相同，即频率编码梯度以 相同的幅度周期性重复出现。另外，频率编码梯度一般只在m i u 信号出现时施加， 所以它又被叫做读出梯度或测量梯度。 m r j 线圈中接收到的信号是受激层面内各体素所产生的m 信号的总和。 但是，在二维成像技术中由于相位编码梯度和频率编码梯度的共同作用，各相邻 体素产生的信号在频率和相位上均存在细微的差别。这种差别表现在相位编码方 向上就是进动相位的不同，表现在频率编码方向上就是进动频率的不同。两个体 素间的距离越远，上述差别就越大；两个体素间的距离越近，上述差别就越小。 通过二维傅里叶变换，就可使以频率和相位表示的差别转换为体素空间位置的差 一l o 东北大学硕士学位论丈第二章磁共振原理 别。 2 2 - 3 图像重建 磁共振成像的方法有很多种，分类方法也不同。与c t 相比，可分为投影法 和非投影法。根据数据或信号的获取形式，分为点成像、线成像、面成像和体积 成像。 灵敏度、空间分辨率和成像时间是衡量成像方法优劣的关键指标。测量的灵 敏度通常是由s n r ( s i 触a 1n o i s er a t i o ，信噪比) 来反映的。因而，在测量技术 上，任何成像方法都要设法提高其信号幅度并降低噪声，以提高s n r 。成像的分 辨率同重建过程中需要处理的信息量有关。从提高成像速度来看，要求体素取大 些，即少收集些信息，而这与最终图像对分辨率的要求相矛盾，同理，提高s n r 与减少成像时间的要求也是相悖的。不同的成像方法在上述指标上均有所侧重。 在实际评价中还引入单位时间信噪比s n r t 这一综合性评价指标，它是s n r 与成像时间的比值。回波平面成像法( 二维或三维) 的成像时间最短，且s n r 较 高，因而是目前s n r t 最优的成像方法。投影重建法的s n r t 也很高。点法和线法 的优点是比较简单，但是娜t 较低，加之成像时间长，使得s n r t 降低。因此， 目前点成像和线成像法己基本淘汰。普通面成像及多面成像法的性能介于回波平 面成像及点、线成像法之间，是现在的主流成像法。 由于用计算机软件或硬件实现二维付里叶变换的方法非常多，技术也非常成 熟，所以现在最广泛使用的是二维离散付里叶变换的方法，即首先在人体中选择 出一个片层，然后对这一片层进行二维付里叶变换来得到一个平面图像。 假设要采集一幅2 5 6 2 5 6 矩阵的横断面图像，如前所述，z 轴为层面选择方 向，在x 方向和y 方向上该层面均被分成2 5 6 个不同位置，通过频率编码和相位 编码识别不同行和列的像元位置，再将频率编码和相位编码方向进行二维付利叶 变换，计算相应行和列的信号强度，便完成了2 5 6 2 5 6 ( 行列) 矩阵像元数据 的采集。二维付利叶变换产生的数据按一种特殊的规律置于一个特殊的空间 k 空间。k 空间是抽象的频率空间，空间频率是一个矢量，其单位是h z c m ，在 一个二维k 空间内，每一点对应于k x 、k y 两个垂直方向的空间频率。 采集的m i u 信号经二维付利叶变换所产生的数据自动写入k 空间，每一个 m r j 信号的空间频率与k 空间的空间频率一一对应，并由出，g ，和缸。g 。的 积分控制( 分别为相位编码间隔和采样间隔) ，直接写入k 空间的相应位置( k 空间行及列) ，每个回波信号对应一个世，值，采集一个k 空间行，其所采集的信 号强度对应于k 空间的点的亮度，这个填满m r ( m a g n e t i cr e s o n a n c e ，磁共振) 信号数据的k 空间即是m r 图像原始数据矩阵。计算机根据k 空间中每个点的信 号强度及其所在位置，模拟出一列黑白条带的波形，再将2 5 6 2 5 6 列黑白带相互 一1 】一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 叠加便产生最终的m 砌图像。 2 4 脉冲序列 用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。 为了成像，当然不能只用一次脉冲激励，因为这样产生的信号太弱，扫描时间也 长。通常的办法是采用一个特定的脉冲序列来激励，这个脉冲序列有一定的时序。 不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等指标。 2 4 1 自由感应衰减信号 在一般的m i u 系统上，有两种磁共振信号，一种称为自由感应衰减信号( f r e e i l l d u c t i o n d e c a y ，f d ) ，另一种为回波信号，现分别加以说明。 f i d 信号是指用外力使m o 偏离b o ，产生一个m x y ，然后撤去外力，磁化矢 量m 将自由地绕b o 进动，在m x y 衰减为零的过程中检测到的信号便是f i d 信号， 比如，用一个i 疆脉冲，如图2 4 所示，其中r f 脉冲的持续时间为t p ，当t p 满足 式( 2 9 ) 时， f 。= 石2 ，骂 ( 2 9 ) o ( t p ) = 州2 ，这称为9 0 。脉冲( 同理，t p = 州y b l 时为1 8 0 。脉冲) 。在t p 以后线圈 两端便感应出图2 4 中所示的f d 信号，衰减的快慢用横向弛豫时间t 2 表示，其 衰减公式如式( 2 1 0 ) 所示。 ，( f ) = m ( f 。) 8 。”2 ( 2 1 0 ) 图2 4 f i d 信号 f i g 2 4f ds i g n a l 如图2 5 所示，m x y 衰减到初值m ) ( y ( t p ) 的0 3 倍的时间用t 2 + 表示。t 2 与 成像范围内恒定磁场均匀度有关。t 2 + t 2 ( 横向弛豫时间) 。 一1 2 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 叠加便产生最终的m 砌图像。 2 4 脉冲序列 用射频信号激励样本后产生的横向磁化向量将最终决定磁共振信号的强度。 为了成像，当然不能只用一次脉冲激励，因为这样产生的信号太弱，扫描时间也 长。通常的办法是采用一个特定的脉冲序列来激励，这个脉冲序列有一定的时序。 不同形式的脉冲激励将直接影响磁共振图像的灰度、对比度等指标。 2 4 1 自由感应衰减信号 在一般的m i u 系统上，有两种磁共振信号，一种称为自由感应衰减信号( f r e e i l l d u c t i o n d e c a y ，f d ) ，另一种为回波信号，现分别加以说明。 f i d 信号是指用外力使m o 偏离b o ，产生一个m x y ，然后撤去外力，磁化矢 量m 将自由地绕b o 进动，在m x y 衰减为零的过程中检测到的信号便是f i d 信号， 比如，用一个i 疆脉冲，如图2 4 所示，其中r f 脉冲的持续时间为t p ，当t p 满足 式( 2 9 ) 时， f 。= 石2 ，骂 ( 2 9 ) o ( t p ) = 州2 ，这称为9 0 。脉冲( 同理，t p = 州y b l 时为1 8 0 。脉冲) 。在t p 以后线圈 两端便感应出图2 4 中所示的f d 信号，衰减的快慢用横向弛豫时间t 2 表示，其 衰减公式如式( 2 1 0 ) 所示。 ，( f ) = m ( f 。) 8 。”2 ( 2 1 0 ) 图2 4 f i d 信号 f i g 2 4f ds i g n a l 如图2 5 所示，m x y 衰减到初值m ) ( y ( t p ) 的0 3 倍的时间用t 2 + 表示。t 2 与 成像范围内恒定磁场均匀度有关。t 2 + t 2 ( 横向弛豫时间) 。 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理 卜一t e l ，2 一一t e l ，2 一一髓2 ，2 一t e 2 ，2 一 信号| i i f 。 上。t ，t 2 一 l 一 u ”一 。v vv v ”一”vvv k 一，2 一t e ，2 图2 5 自旋回波信号 f i g 2 5s p i ne c h os i 驴a 1 2 4 2 回波信号 在m r i 系统上常用的是回波信号，产生回波信号的方法有两种，一种是用一 个1 8 0 。射频脉冲来产生回波，称为自旋回波( s p i ne c h o ，s e ) ，另一种是反转某 一个梯度场的极性，形成的是梯度回波( g m d i e n te c h o ，g e ) ，前者应用比后者 普遍，后者常用于快扫序列。自旋回波信号如图2 5 所示，在t e l ，t e 2 时刻会产 生两个回波，9 0 。脉冲后有f d 信号，这个信号不被采用。 梯度回波信号的产生如图2 6 所示，除了上述的自旋回波序列和梯度回波序 列外，还有反转恢复序列、部分饱和序列等基本序列。临床上根据不同需要采用 各种不同的序列，尤其是一些快速序列的开发，使磁共振的适用范围不断扩展。 如快速自旋回波序列、快速梯度回波序列、平面回波序列等，在此就不作详细介 绍了。 射零1 - 一 梯却im 信叫护缸l 图2 6 梯度回波信号 f i g 2 6g 础e n te c h os i 弘a l 2 5 磁共振成像设备的构成 图2 7 是整个磁共振系统的原理框图，其中虚线划出的是谱仪部分。主要包 括四个系统：射频发送系统、射频接收系统、梯度波形形成系统、图像重建和显 一】3 一 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理 卜一t e l ，2 一一t e l ，2 一一髓2 ，2 一t e 2 ，2 一 信号| i i f 。 上。t ，t 2 一 l 一 u ”一 。v vv v ”一”vvv k 一，2 一t e ，2 图2 5 自旋回波信号 f i g 2 5s p i ne c h os i 驴a 1 2 4 2 回波信号 在m r i 系统上常用的是回波信号，产生回波信号的方法有两种，一种是用一 个1 8 0 。射频脉冲来产生回波，称为自旋回波( s p i ne c h o ，s e ) ，另一种是反转某 一个梯度场的极性，形成的是梯度回波( g m d i e n te c h o ，g e ) ，前者应用比后者 普遍，后者常用于快扫序列。自旋回波信号如图2 5 所示，在t e l ，t e 2 时刻会产 生两个回波，9 0 。脉冲后有f d 信号，这个信号不被采用。 梯度回波信号的产生如图2 6 所示，除了上述的自旋回波序列和梯度回波序 列外，还有反转恢复序列、部分饱和序列等基本序列。临床上根据不同需要采用 各种不同的序列，尤其是一些快速序列的开发，使磁共振的适用范围不断扩展。 如快速自旋回波序列、快速梯度回波序列、平面回波序列等，在此就不作详细介 绍了。 射零1 - 一 梯却im 信叫护缸l 图2 6 梯度回波信号 f i g 2 6g 础e n te c h os i 弘a l 2 5 磁共振成像设备的构成 图2 7 是整个磁共振系统的原理框图，其中虚线划出的是谱仪部分。主要包 括四个系统：射频发送系统、射频接收系统、梯度波形形成系统、图像重建和显 一】3 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理 示系统。 工作时，操作员操作计算机选好扫描序列和扫描参数，经网卡传送到谱仪的 工控机中。工控机把有关的参数传给各个电路板，形成发送的射频和梯度信号， 经放大后，输出给射频和梯度线圈，产生的回波信号经接收线圈给接收系统，经 处理后产生数字信号，传给图像重建系统，重建出扫描部位的图像，再传递给操 作计算机显示出图像。 图2 7 磁共振系统的原理框图 f i 9 2 7s c h e m a t i cd i a g m mo f m a 趼e t i cr e s o n a n c es y s t e m 典型的磁共振成像设备的系统组成主要包括： ( 1 ) 磁体系统：包括永久型磁体、三组梯度线圈、发射接收线圈和前放、 自动调谐系统。 ( 2 ) 梯度功率放大系统：驱动三组梯度线圈，在成像空间内产生梯度场，给 出成像部位的空间坐标，使图像中各像素与人体成像部位一一对应。 ( 3 ) 射频功率放大系统：发射大功率r f 脉冲，驱动发射线圈。 ( 4 ) 谱仪系统：包括射频单元、梯度波形发生单元、图像处理和工控机。产 生射频脉冲序列和梯度波形序列，接收线圈感应人体的信号，经过低噪声前放后， 输入计算机采集处理成为扫描需要的图像。 ( 5 ) 心电门控：通过心电监护来测出病人心脏的跳动规律，再通过心电监护 仪触发谱仪在心脏跳动到某一特定位置时进行扫描，从而得到心脏的清晰图像。 ( 6 ) 激光照相机把扫描后的图像照成胶片形式，便于医生诊断。 一1 4 东北大学硕士学位论文第三章梯度波形发生器的原理及功能 第三章梯度波形发生器的原理及功能 3 1 谱仪的构成和功能 谱仪是m r j 的核心部件，它肩负着控制整个m f u 系统的时序和各种波形信 号的产生与发射、接收与处理。有人说，掌握了谱仪技术就等于掌握了m i u 的核 心技术。 谱仪的功能是在计算机的控制下，根据不同的成像参数，产生相应的梯度波 形及射频脉冲波形，同时要求可以灵活地对射频脉冲波形的频率、相位及幅度进 行精确的控制。梯度信号及射频脉冲信号按照预先设定的精确时序，分别经梯度 功率放大器和射频功率放大器放大后，驱动梯度线圈和射频线圈产生梯度场和射 频场。如果射频场频率和质子进动频率相同，在人体内就会自主产生磁共振信号， 经过接收线圈接收后，送到谱仪的射频接收系统，进行解调、采样及各种滤波处 理后送到主计算机进行付氏变换及相应的后处理，最后根据从各个体素得到磁共 振信号强度重建出可供诊断的人体图像。 图3 1 谱仪结构示意图 f i 9 3 1s 仉l c t u r ed i a 班锄o f s p e 咖皿c o n s o l e 谱仪结构如图3 1 所示，是由脉冲控制器，接口板，图像序列器，梯度波形 发生器，图像重建卡，射频信号发送卡，射频信号接收卡等组成。其中，脉冲控 制器安排脉冲序列时间顺序和控制其他所有的硬件；图像序列器、接口板与射频 发送器以及梯度波形发生器，根据扫描序列的要求产生扫描用的脉冲波形，使质 子吸收能量并产生共振，在弛豫过程中产生m r 信号；射频接收器采集磁共振信 号并进行相应的处理；图像重建卡接收经过射频接收器处理后的磁共振信号，完 一】5 一 东北大囊涵。袤霸西露箩 醅 薹强一姜薹鎏嘣! 琏捆嘤 博指篷港出： 囊= 霎鋈羹羹薹鬟囊薰韶蕃窆薹奏羹篱赣 霸革靳释柿括卷施锞羹鐾委蟆薯循环绪；射前蚓赫鞋能鞘髭蚓雕一却鞴。鎏 雾露晦憾划燃岗豢! 藩釜琢挫燃蠹溜燃罐磁。弼鬟矍盼薹鎏囊羹蠢蹬遥， 糯骡霎i 鑫翮麓霎扬鞠弘西赫躺纠酸鬟裂洲爨霾鬻五饕装蒜酬；澄姑蠢躲 葵赡霎羹萎塑鳃蔷；靼楚箍蛙d 骈姥戴疆。羹 口的s t a r t 标志重新启动序列发生器。 脉冲控制板砌r 30 2 0 通过其存储器扩展总线对主波形采样时钟发生器编程。 该时钟是基本的定时源，所有模拟输出更新的都以它为源。时钟频率编程精度是 1 0 0 n s ，最小1 u s ，最大4 0 9 6 u s 。产生主波形采样时钟的可编程分频器由m r 3 0 2 0 的1 0 m h z 时钟驱动。 3 2 2 序列存储器 序列存储器包括6 4 k 波形生成指令。三个通道以任意比例共享这些指令。 m r 3 0 2 0 通过其存储器扩展总线加载序列存储器指令。m r 3 0 2 0 可以读写该存储 器。在序列存储器运行时，也可以写入指令。写入的最大速度是每个值1 u s 。 m r 3 0 2 0 程序必须保证写入数据的速度不比它快。写指令后，至少2 l l s 才能读数 据。 m r 3 0 2 0扩展总线有一个端口用来设置要写入指令的地址。与该指令有关的 那些域的值随后通过m r 3 0 2 0 扩展总线空间加载，每个指令域一个端口。 3 2 3 波形存储器 波形存储器包括6 4 k 波形点对。三个通道以任意比例共享这些点。多个通道 可以使用同样的波形点。在运行之前，由p c 加载波形点。p c 对波形存储器的访 问通过p c1 j ，o 地址空间实现。自动增量地址发生器提供写入数据在波形存储器中 的地址。该发生器可以通过p c 设置成0 。波形存储器中的数据用波形对的形式组 东北大学硕士学位论文第三章梯度波形发生器的原理及功能 3 2 5 m c 3 个m a c 用d s p 3 2 c 双口r a m 中的预先计算好的矩阵值和波形存储器中的 波形值相乘。一个监视器检查累加器的扩展位，看是否有上溢和下溢，检测到故 障后，把d a c ( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t o r ，数模转换器) 的输出值限制在合适的 水平。3 个模拟通道由1 6 比特的d a c 驱动，每个通道的最大采样率是1 m s p s 。 m r 3 0 4 0 板的输出通过继电器和d a c 相联。只有在该板检测电路指示该板工作正 常，才激活继电器。继电器无效时，输出接地。 输出是单端、隔离的，输出阻抗2 0 0 欧。每个输出通道的输出电压用电阻网 络p c b m r 3 0 4 2 预设。对于2 k 负载，范围是l v 到1 0 v 。输出有一个滤波 电容，可以通过跳线插选用。 3 2 6 电源监视器 模拟电路的电源监视器，检测电源是否越界。m r 3 0 2 0 可以把监视器的输出 作为存储器扩展总线的端口中的一位来用。一旦电源监视器检测到故障，就关断 输出继电器。 3 3 梯度波形的生成 p c 机把波形预先加载到全局波形定义存储器，通过访问该存储器产生波形。 和每个通道相关的序列发生器控制对波形存储器的访问。然后，波形存储器的输 出和d s p 计算的矩阵值相乘。序列发生器可以通过m r 3 0 2 0 编程，使得波形可以 定义成一系列包含波形的段。以下3 个指令结构可以用来定义波形： ( 1 ) h 的ma r 舶匝r o u t p u t ns a m p l e s s e t j 】 【一- jr e t i 瓜n 【r e 瓜n 】 ( 2 ) h o l d 【s e t j 】 i - j re r 丌珉n 】 【r e t u 砌川 ( 3 ) s t o p 其中： a 为波形值( 1 6 位) 在波形存储器中以段为单位的开始地址。 r 为以主波形采样时钟为单位的采样发生率( 1 4 0 9 6 ) 。 n 为波形存储器中，要输出的波形点数( 1 _ 4 0 9 6 ) 。 j 为循环数( 1 - 4 0 9 6 ) 。 方括号中的指令域是可选的。它们垂直地排成一组，在一条指令中只能选择 一1 8 东北大学硕士学位论文第三章梯度波形发生器的原理及功能 一个。该指令被编码成4 位指令。 对r 、n 和i ，编码到指令中的值比实际值小l 。 h o l d 指令导致序列发生器处于无限保持状态，直到m r 3 0 2 0 在m r 3 0 2 0 波 形控制端口上，用c 0 n t n “e 重新触发波形发生为止。随后，波形产生将从下 一条指令继续执行。s e ti 指令设置循环计数值，并且强制保存当前地址，以便 两个! t u r n 结构中的一个使用。如果m r 3 0 2 0 波形控制端口有b m ! a k 信号， 那么m r 3 0 2 0 可以覆盖r e t u r n 结构。不管z t i 瓜n 的状态如何，波形产生从 r e t u i 矾后的指令继续。l 0 0 p 循环结构可以嵌套到7 层。s t o p 无条件挂起序 列生成。只有m r 3 0 2 0 通过波形控制端口发出s t a r t 波形命令，才能重新启动 序列生成。 d s p 3 2 c 用来计算浮点的变换矩阵。用户自定义执行的代码。m r 3 0 2 0 用直 接映射到m r 3 0 2 0 扩展空间的d s pp 1 0 ( p a r a l l e li n p u to m p u t ，并行输入输出) 端 口来控制d s p 3 2 c 。利用d s p d m a ( d i r e c t m e m o r y a d d r e s s ，直接存储器访问) ， m r 3 0 2 0 可以读，写d s p 存储器。m r 3 0 2 0 为了发信号，也可以中断d s p 3 2 c 。通 过双口r a m ，d s p 和m a c 可以访问矩阵值。 在存储器扩展