（无线电物理专业论文）基于arm的一体化核磁共振谱仪.pdf

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： 重垒巨 日期： 学位论文授权使用声明 伽。芎j ? 5 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，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 学位论文作者签名：锄尸 日期：兰! ! ，：厶 导师签名： 魄粒加罗。厂 摘要 核磁共振( n m r ) 是重要的检测手段和分析手段之一。随着其应用领域的拓展和 深入，核磁共振谱仪技术也不断地发展和完善。常规商业化谱仪虽然功能强大，但 是谱仪结构复杂，体积庞大，价格昂贵，因此限制了n m r 技术的应用场合。而在许 多应用场合，比如教学中，往往需要一种结构简单，体积小巧，价格便宜，集成度 高的一体化核磁共振谱仪。 而随着a 跚( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 技术的发展与成熟，本文提出了一种用 于磁共振成像系统的，基于a 刚的一体化核磁共振成像谱仪的设计方案。提供了谱 仪各部分的实际性能测试的结果和谱仪整体工作的成像实验结果，并对研制和实验 结果进行了讨论。 本论文主要内容如下： 第一，主要介绍了核磁共振原理，核磁共振成像的原理，核磁共振成像系统的结构。 第二，介绍a r m 的概念与基本原理并简要介绍了相关的软件。 第三，介绍了一体化谱仪的研制过程，并分别从母板和核心板两部分的硬件部分设 计与软件部分设计上进行了相应的描述。 第四，介绍本谱仪系统的性能测试结果，并总结调试心得与现有问题，并对以后提 出展望。 关键词：核磁共振；谱仪；a r m ；f p g a ； 5 a bs t r a c t n u c i e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e ( n m r ) i so n eo fi m p o r t a n tm e a n so fd e t e c t i o n a n da n a i y s i s w i t ht h ee x p a n s i o na n dd e e p - g o i n go fn m r sa p p i i c a t i o n s ，t h e t e c h n o i o g yo fn m rs p e c t mk e e p sd e v e i o p i n g a n di m p r o v i n ga sw e a n h o u g hc 0 n v e n t i o i ： a ic o m m e r c i a is p e c t r u m i sp o w e r f u l ，i th a sc 0 m p i e x s t r u c t u 陀，b i gs i z e ， a n di ss o i dv e r ye x p e n s i v e i y ，t h u si i m i t i n gi t sw i d e r a p p l i c a t i o n s 1 nm a n yc a s e s ，i nt e a c h i n g ，f b re x a m p i e ，w h a ti sr e q u i r i e d i st h i s k i n d 0 fnm rs p e c t m mw h i c hi ss i m p i ys t c t u r e d ，s m a i i - s i z e d ，c h e a pa n d h i g h i yi n t e g r a t e d t h a n k st ot h ed e v e i o p m e n ta n dm a t u r j t y0 fa f l m ( a d v a n c e dr l s cm a c h i n e s ) t e c h n 0 i o g y ，t h i sp a p e rp n d p o s e sas y s t e md e s i g no fa f t m - b a s e di n t e g r a t e d m a g n e t cr e s o n a n c ei m a g i n gs p e c t m i nt h i sp a p e rp e m r m a n c e t e s t 怕s u i t s 0 fd i 仟e r e n tp a r t so ft h es p e c t r u m ，i m a g i n gr e s u i t so ft h ew h o l es y s t e m ，a n dt h e d i s c u s s i o no nt h e s er e s u i t sa n dt h ed e v e i o p m e n to ft t l i ss y s t e ma r ea i s o a v a i l a b l e m a i n n t e n t s0 ft h i sp a p e ra r l ea sf 0 o w s ： f i r s t i y ，m a i n i yo nt h e 州n c p i eo fn u c i e a rm a g n e t c 陀s o n a n c e ，t h ep r n c p i eo f m a g n e t i c r e s o n a n c ei m a g i n g ，a n dt h es t r u c t u 旧o fm a g n e t i c陀s o n a n c e i m a g i n gs y s t e m s e c o n d l y ，m a i n i yo nt h ec o n c e p ta n db a s i cpr - n c i p i e so fa r 【m a n db r - e f i n t r c i d u c t i o n st os o m er e l e v a n ts o f t w a r e s t h i r d l y ，m a i n l yo n t h ed e v e l o p m e n tp r 0 c e s so fi n t e g r a t e ds p e c t r u m ，a n dm a k e d e s c r i p t i o no fh a n d v v a r ed e s i g na n ds o f r ed e s i g no fb o t ht h em o t h e r b o a r d a n dt h e r eb o a r d f 0 u r t h i y ，m a i n i y0 nt h ep e r l c i r m a n c et e s tr e s u i t so f t h i ss y s t e m ，t h ed e b u g g i n g e x p e r i e n c e ，e x i s t i n gp r o b i e m sa n de x p e c t a t i o n so n t h i ss y s t e m k e yw 0 r d ：n m r ，s p e c t r o m e t e r a r m ，f p g a 6 核磁共振发展与现状1 1 l 第一章绪论 核磁共振( n u c l e 盯m a 皿e t i cr e s o n a n c e ，n m r ) 是1 9 4 5 年发展起来的一种新技 术，在短短五十几年里飞速发展，显示了极大的生命力。1 9 4 6 年，美国哈佛大学的 珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫宣布，他们发现了核磁共振n 胀。两人因此获得了 1 9 5 2 年诺贝尔奖。核磁共振是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场( 处在无线电波 波段) 同时作用下，当满足一定条件时，会产生共振吸收现象。核磁共振很快成为 一种探索、研究物质微观结构和性质的高新技术。目前，核磁共振已在物理、化学、 材料科学、生命科学和医学等领域中得到了广泛应用。 早期核磁共振主要用于对核结构和性质的研究，如测量核磁矩、电四极距、及 核自旋等，后来广泛应用于分子组成和结构分析，生物组织与活体组织分析，病理 分析、医疗诊断、产品无损监测等方面。2 0 世纪7 0 年代，脉冲傅里叶变换核磁共振 仪出现了，它使c 1 3 谱的应用也日益增多。用核磁共振法进行材料成分和结构分析 有精度高、对样品限制少、不破坏样品等优点 核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。最早的核磁共振成像 ( m a 弘e t i cr e s o n a n c ei l n a g i n g ，m r i ) 实验是由1 9 7 3 年劳特伯发表的，并立刻引起了 广泛重视，短短l o 年间就进入了临床应用阶段，并已成为临床诊断的常规手段。与 1 9 0 1 年获得诺贝尔物理学奖的普通x 射线或1 9 7 9 年获得诺贝尔医学奖的计算机层析 成像( c o m p u t e r i z c dt o m o 黟a p h y c t ) 相比，磁共振成像的最大优点是它是目前少有 的对人体没有任何伤害的安全、快速、准确的临床诊断方法，如今全球每年至少有 6 0 0 0 万病例利用核磁共振成像技术进行检查，m r i 已经成为一个很大的产业和研究 领域。在我们国家m r i 谱仪的普及还有很大的发展空间。由于m i 系统比较昂贵， 其核心技术多为国外厂商掌握，因此开展相关的研究工作对于m r j 在我国的普及具 有积极的意义，同时社会需求也对技术书进步起到了很大促进作用。 论文研究的主要内容 本文提出一种基于a l 的一体化核磁共振谱仪的设计方案，整个谱仪系统中 包括了数字化频率源部分，数字接收机部分，梯度波形发生器部分，脉冲序列控制 9 模块以及计算机控制部分，采用a 跚和f p g a 作为核心控制器件。用一块a r m 9 系列 的芯片做微处理器来协调系统各部分工作，包括键盘，l c d 以及与网络接口。在f p g a ： 中使用了较为新颖的f i f o 模块构思来保证在只有一组总线的前提下，系统各部分能 够同时协调的工作，并且满足较快的脉冲序列的需要。在开源的l i 舢x 的环境下进 行整个系统的开发，节省了开发费用。一体化谱仪系统分为母板和核心板两部分， 底板包括各个功能模块，而核心板包括a 跚及其相关的s d i 屯a m 和f l a s h ，可以自由 插拔，方便程序调试及软件升级。系统与电脑利用网线通讯，在后期的制作中可以 实现电脑对系统的远程控制。 第二章磁共振基本原理 2 1 核磁共振的基本原理1 2 l 原子核具有自旋角动量和磁矩，磁矩和磁场在外磁场中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。 原子核除具有电荷和质量外，许多原子核还具有自旋角动量p ，它与相应的磁 偶极矩之间关系为= 7 p ( y 为旋磁比) 。原子核的自旋角动量是量子化的，核磁 矩也是量子化的。以b o 的方向为z 轴的正方向，则核磁矩的大小为： = 肪，( ，+ 1 ) ( 2 1 ) i 的值可以是零、整数或半整数。按照量子力学原理，自旋角动量在z 方向的 分量为 p ：= 所，壳 ( 2 - 2 ) 其m i 为i ，i 1 ，i 2 ，i + l ，i 中的某一值。按经典电磁学理论，旋转电 荷可以看成是在环路上运动的电流，原子核既有电荷又有电流，原子核既有电荷又 有自旋，因此也就有相应的磁偶极矩i i ，它和角动量p 的关系为： 面：炉 ( 2 3 ) 这里丫称为旋磁比( g y r o m a 盟e t i cr 撕o ) ，值可正可负，这是核的本性所决定的。 共振现象普遍存在于自然界中。对于原予核来说，其共振频率是由原子核的特 性和磁场强度共同决定的。对于n 腿来说，被激励的对象是氢原子核。在静磁场 中，常温下，沿主磁场排列( 低能态) 的质子数目较逆主磁场排列( 高能态) 的质 子稍多一些( 约多1 0 一6 量级) 。 l o 从微观上看，共振的效果就是使得质子在这两种能态之间发生跃迁，产生共振 信号所需的能量就是两个能态之差。当在i ，a 咖0 r 频率上施加射频场时，被激励的 质子就从低能态跃迁到高能态，发生核磁共振。当然，射频场的频率必须和质子进 动的l 黝0 r 频率相同，并且施加射频脉冲的方向要与主磁场b o 方向垂直。当质子 群体受到射频脉冲激发时，就会发生核磁共振。 从宏观上看，磁化矢量m 不再与原来的主磁场b o 平行，它的方向就会偏离原 来的平衡状态。变化的程度取决于所施加射频脉冲的强度( 通常用b l 表示) 和时间 t p ，施加的射频脉冲越强，持续时间越长，m 偏离其平衡状态( 平行于b o 方向) 越 远。当样品受到频率与能级相匹配的射频场照射之后，占据低能级的原子核将发生 跃迁。而持续的射频场照射可以使得两能级粒子数目相等，这就是所谓的“饱和现 象”。停止射频场照射后，能级上粒子分布将回到其原始状态。在这个过程中，原子 核体系对外发射无线电波。 用量子力学来描述核磁共振，当将将核磁矩置于沿z 轴的静态磁场h o 中，磁 矩p 与h o 将有相互作用能，能量算符为 聋= 一乃厶k = 料o l( 2 - 4 ) e m = = 一m h o m( 2 - 5 ) 其中m = i ，i l ，i 2 ，i + l ，i ，总共2 i + 1 个能级。 e m - l e m ；h o( 2 6 ) ( 2 6 ) 表示能级的间距与m 值无关，即能级是等距的，其间距与磁强强度h o 成 正比。( 单核模型) 为了观测能级间粒子的跃迁，在垂直于h o 方向加一射频场( 1 i o 脚e n c y f i e l d r f ) ：h = 2 h l c o s ( 2 v 7 c t ) ，则能量算符： i 咭一乃日_ 一2 h l ，c o s ( 2 石订) = 2 月l 儿c o s ( 2 万订) ( 2 7 ) 单位时间跃迁几率为：p 衄，= 丫2 h 1 2i 1 26 ( v 蛐v ) 其中：。 = 竿= 掣掣 ， 1 m j j l2 万 u 。6 j 从6 ( v 衄 n v ) 可知，只有当v 1 h o 2 7 c 时，不为零。这称为“共振条件”，v 0 1 h 以冗 称为共振频率( r e s o n a n c ef r e q u c n c y ) ，共振条件：v o 可h o 2 兀。 以上只考虑单个粒子的行为，实际上样品是含有大量核的宏观体系，核自旋在 各能级上的分布遵从b o h z m 姐分布： 1 一目 ( 2 9 ) = 主船。 当加上i 强场时，低能级粒子吸收能量跃迁到高能级，同时高能级粒子释放能 量跃迁到低能级，净结果是上跃多于下跃，表现为吸收谱。在射频场诱导跃迁作用 下，上下两个能级的布居最后会趋于相等，此即饱和现象。 然而只有射频场的作用兵不能全面地反映n m r 的跃迁过程，还有另一种过程 ( 即弛豫过程) 在起作用。前者起“驱动 作用，把自旋体系从平衡态变为非平衡 态，而后者则把自旋体系再从非平衡态恢复到平衡态。弛豫过程分为两类：一类是 核自旋之间进行内部的能量交换，而保持整个自旋体系的能量不变，称为自旋- 自旋 弛豫。另一类是自旋和晶格之间交换能量，称为自旋晶格弛豫。从不平衡态恢复到 原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间( r c l a 】【a t i o nt i l 粥) 。有两种弛豫时间， 一种是自旋晶格弛豫时间( s p n l a t t i c er c l a ) 【a t i o nn 呲) 又称纵向弛豫时间 ( l 0 n 西伽i i l a lr e l a x a t i o n t i m e ) ，反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需要的时 间，也是9 0 0 射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激发前 状态所需时间，称t l 。另一种是自旋一自旋弛豫时间( s p i l l s p i nr e l a x a t i o nt i m e ) ， 又称横向弛豫时间( t r a n s v e 璐er e l a x a t i o nt i m e ) 反映横向磁化衰减、丧失的过程， 也即是横向磁化所维持的时间，称t 2 。t 2 衰减是由共振质子之间相互磁化作用所引 起，与t l 不同，它引起相位的变化。 2 2 磁共振成像基本原理3 】1 4 l 嘲 磁共振成像是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技 术。人体不同器官的正常组织与病理组织的t l 是相对圆定的，而且它们之间有一定 的差别，t 2 也是如此。这种组织间弛豫时间上的差别，是m r i 的成像基础。有如 c t 时，组织间吸收系数( c t 值) 差别是c t 成像基础的道理。但m 赳不像c t 只 有一个参数，即吸收系数，而是有t l 、t 2 和自旋核密度( p ) 等几个参数，其中t l 与t 2 尤为重要。因此，获得选定层面中各种组织的t l ( 或t 2 ) 值，就可获得该层 面中包括各种组织影像的图像。 m 的成像方法也与c t 相似。有如把检查层面分成n x ，n y ，n z 一定数 量的小体积，即体素，用接收器收集信息，数字化后输入计算机处理，获得每个体 素的t l 值( 或t 2 值) ，进行空间编码。用转换器将每个t 值转为模拟灰度，而重建 图像。利用灰度值把n m 参数( 自旋密度p ，弛豫时间t l ，t 2 等) 作为空间坐 标的函数表示出来。根据上面提到的n m r 条件= y 玩，如果不考虑化学位移，j 1 2 耦合等因素，样品中同一种原子核的在静磁场中的共振是一样的。根据n m r 基本 原理，处于均匀磁场b o 中的自旋体系，其共振频率为2 7 ，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，可以建 立空间位置坐标与共振频率之间的关系。为了得到成像区域任意点的空间信息，需 要在主磁场上叠加三个彼此正交的梯度磁场g x 、g y 和g z ，分别用于层面选取、相 位编码和频率编码。此时成像空间某一体元的共振频率为 = 7 ( 风+ x g 。+ j ，g ，+ z g ：) ( 2 一l o ) 目前在m r j 中，傅立叶成像占主流，而不用劳伯特的投影重建。这样就使m 魁 从物理机制及图像重建都区别于c t ，超声等成像技术。傅立叶成像克服了投影重 建技术中投影点分布不均，高频成分精度低误差大，使图像细节不清楚的缺陷。傅 立叶成像技术的原理可以用下图2 1 来解释，当仁0 时通过9 0 0 脉冲产生f i d 信号， 在它衰减的过程中，相继加三个正交线性梯度，当仁恢坶时采样。对于三维像， 如果有n 幸n 木n 个像素的体元要采集n 2 个f l d 信号，每个f i d 信号采n 个点。 然后，通过三维傅立叶变换就得到了图像。对于常用的二维成像，我们无须对整个 样品进行成像，只需先在某一方向上加一线性梯度场，用频带非常窄的射频脉冲激 发( 选择激发) ，它只激发垂直梯度场的某一很薄的层。然后，相继在另外两个方向 加梯度磁场。三个方向的梯度磁场分别被称为层面选择梯度，相位编码梯度和频率 编码梯度。并且相位编码梯度方向不是步进时间而是步进梯度的强度。这样既可以 节约成像时间也保证了本征弛豫引起的信号衰减对每次扫描都相同。 9 躲冲 瓴qg t d 岛 参幅 2 2 1 层面选择 图2 1 傅立叶成像技术原理示意图 在m r i 中，层面可以任意选择。即层面取向、层面位置，层面厚度等可以任意 选择。通常靠磁场梯度脉冲和特殊形状的r f 脉冲结合起来，作用于组织，来激发 所要求的层面。在z 方向施加梯度后，沿z 轴的各层面上质子的进动频率可以表示 为 、 z 。i z t 、 l 7 b 】勤 i _ 一 - 图2 2 层面选择的原理 哆= 厂( 玩+ z g ：) ( 2 1 1 ) 可知蛾为z 坐标的函数，即垂直于z 轴的所有层面均有不同的共振频率，而对每个 层面( z 坐标一定) 来说，层面内所有质子的共振频率均相同。这时用一个宽带脉 冲实施激发，就可能选中多个层面甚至所有层面，这与我们的愿望不符。因此，必 须选用窄带脉冲进行激发，才能实现每次只激发一层，即达到层面选择的目的。 如图2 2 所示，设成像层面位于z i 处，层面厚度为z ，则所需的激发脉冲应满 足式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 。 缈，= 7 ( 风+ y g ，) ( 2 一1 2 ) 缈= z q ( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 2 ) 中的纨为射频脉冲的中心频率，缈为其带宽。图2 3 所示的是层面厚 度与选择梯度以及脉冲带宽之间的关系。 1 4 2 2 2 相位编码 所谓相位编码，就是先利用相位编码梯度磁场造成质子有规律的进动相位差， 然后利用此相位差来标定沿相位编码方向的空间位置。如图2 4 所示 在y 方向上施加梯度后，沿y 轴的各层面上质子的进动频率可以表示为 q = 7 ( 玩+ y q ) ( 2 - 1 4 ) 国 g z zg ：z 血l 业2 z 图2 - 3 层面厚度、选择梯度以及脉冲带宽之间的关系 9 _ d x i 荔势域 r f 。t x 缓阮：。蒯 g x b 图2 4 相位编码示意图 设相位编码梯度的持续时间为t y ，则t y 时间后沿y 轴的各层面上质子的进动相 位可以表示为 办= q 0 = 7 ( 占o + y g y ) f ) ， ( 2 1 5 ) 由式( 2 一1 5 ) 可以看出，在g y 的作用下，信号中已经包含了沿y 方向的位置信息。 在t = t y 时刻，相位编码梯度关断，此时各层面质子再次置于相同的外磁场中，其进 动频率均恢复至g y 作用前的数值。但是g y 所导致的进动相位差却被保留下来，这 样就可以对各层面进行相位标定，从而识别空间位置。 1 6 2 2 3 频率编码 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空间位置，如图2 5 所示。 y x ，、 上z 图2 5 频率编码示意图 在x 方向上施加梯度场g x ，使成像层面中频率编码方向上各层面的质子位 于不同的场强中，其进动频率可以表示为 q = ，( 玩+ x q ) ( 2 一1 6 ) 可以看出，在g 。的作用下，信号中已经包含了沿x 方向的位置信息，通过傅立 叶变换即可将位置信息分离出来。 2 2 4 k 空间简介 对于傅立叶成像，观测信号的表达式如下： s ( f ) = j j p ( 工，y ) e x p 纱( q 射+ 毋y 弓) 】出咖 ( 2 1 7 ) 我们对k 空间定义如下： 1 7 k x = y l g x q 、) d f 2 k y = yl g y q 、) d l 。 ( 2 1 8 ) 代入上式如下， s ( f ) =p ( x ，y ) e x p 【f ( 后j 工+ 七，y ) 】姗 ( 2 1 9 ) 我们知道s ( t ) 与质子密度p ( x ，y ) 为傅立叶变换对，因此s ( t ) 与p ( x ，y ) 也可以通过傅立叶变换联系起来。其中由k ：，构成的坐标系被称为k 空间( 原始数 据空间) ，根据k 的表达式我们可以看出它代表的就是空间频率。 对k 空间的数据进行傅立叶变换就得到了一幅图像，k 空间中每个数据点对图 像都有不同的贡献。实际采样时，每一次相位编码代表了k 空间的一行数据，而每 一行的数据点数就对应于频率编码方向的采样点数。由于k 空间中间的数据对应梯 度场较小的时刻，因此信号幅度较大，主要反映图像的对比度。k 空间周围的数据 对应于梯度较大的时刻，其信号幅度较小。但是，由于在这些区域强梯度场能使核 自旋产生更大的相位差，信号中包含更多质子的位置信息，因此代表了更多图像的 细节部分。 k 空间中l ( 】【方向的数据一般由回波采得因此具有对称性，同样由于k y 方向的 相位编码也具有对称性，因此k y 方向的数据也有对称性。k 空间的这一特点被称 为共轭对称性。k 空间的这一特性对于减少采样点或相位编码次数从而提高成像速 度是很有意义的。半傅立叶技术【1 4 】以及半回波技术就是基于k 空间这个特点的。 但是k 空间的这种对称性依赖于磁场的均匀性，梯度的线性度及无磁化率伪影等。 因此，在实际情况中只采集部分k 空间数据会影响图像的质量，想要获得高质量的 图像还是必须扫描整个k 空间。 2 3 基本脉冲序列 在核磁共振成像中把产生一个图像的步骤叫做脉冲序列。临床上最常用的序列 都是采集回波信号来代替f i d 信号。这是因为射频脉冲刚结束的时候磁共振谱的基 线会有跳动，这时候采集到的f i d 前几个点可能会有很大误差。采用回波技术就可 以避免这个问题。最常见的序列就是自旋回波( s p i i le c h o ) 序列如图2 6 所示和梯度回 波( g r a d i e n te c h o ) 序列如图2 7 所示。 在图2 - 6 所示的基本单层面自旋回波脉冲序列中，9 0 0 r f 软脉冲和梯度脉冲同 时作用于样品就可以激发一个层面。此后，这个层面上的横向磁化矢量由于磁场的 不均匀以及t 2 弛豫的作用下开始做散相运动。经过t e 2 时间后把1 8 0 0 脉冲和梯度 脉冲作用于同一层面就使该层面散开的横向的磁化矢量开始再聚焦再经过t e 2 时 间后得到回波，1 8 0 0 脉冲只能汇聚磁场不均匀引起的散相，而对于t 2 弛豫引起的 散相是没有作用的。t e 称为回波时间，t r 称为重复时间，即这个脉冲序列重复一 次所经历的时间。在自旋回波序列中使用不同的t e ，t r 时间可以产生三种不同对 比度的像：自旋密度像，t l 加权像，t 2 加权像。 g s 口j 一够j b o ，o o 二刊 q 毒 0 正p 一够毒一 倍l l 尘i _ 叫5 l 一 一撇一撇_ ! 一1 要鼻 l 图2 6 ：白罅同油序万i i 如图2 7 ，梯度回波是1 9 8 5 年才提出的新概念，其基本思想就是通过反转梯度 而不是用1 8 0 0 脉冲来形成回波。先在频率编码方向上施加一个脉冲使磁化矢量相， 再利用一个同样面积但是方向相反的梯度使磁化矢量聚相形成回波。梯度回波中的 激发脉冲可以不是9 0 0 ，允许小角度激发。因此在g e 序列中t r 时间可以大大缩短 有利于提高成像速度，而且由于不使用1 8 0 0 脉冲并且激发角度可以小于9 0 0 射频功 率沉积也大大降低了。但是，在梯度回波序列中由于磁场不均匀和磁化率不均匀引 起的相移不能被重聚。 1 9 信三一| _ 一一全三土 i 卜_ 豫0 _ 图2 7 ：梯度回波序列 2 4 磁共振成像系统的基本结构 磁共振成像( m r j ) 系统的基本结构，主要包括磁体部分、谱仪部分、计算机 部分。其中谱仪部分又可以细分为射频发射单元、信号接收单元、脉冲梯度单元和 脉冲序列控制单元。 2 4 1 磁体部分1 1 叫 磁体部分包括主磁体、射频线圈、梯度线圈和匀场线圈。 用于磁共振成像的磁体可分为永磁型、常导型和超导型。 永磁体一般由多块永磁材料拼接而成，磁铁块的排布既要构成一定的成像空间， 又要达到磁场均匀度尽可能高的要求。另外，磁体的两极须用磁性材料连接起来， 以提供磁力线的返回通路，从而减少磁体周围的杂散磁场。永磁型磁体的缺点是场 强低，磁场均匀性差，磁体对温度变化非常敏感。优点是结构简单、造价低、磁场 发散少和维护费用低。 常导型磁体实际上是某种类型的空芯电磁铁，利用线圈中的电流来产生磁场的。 常导型磁体的缺点是功耗大，需要专门的电源供电，还需要冷却系统，因此运行费 用高。优点是结构简单、造价低。 超导磁体中线圈需要浸泡在密封的液氦杜瓦中，这无疑增加了磁体制造的复杂 性，而且需要定期补充液氦。超导磁体的昂贵和运行费用高是其两大弱点。但是超 导磁体具有场强高、稳定性高、磁场均匀、不消耗电能等优点。 在低场系统中，磁场的范围从o 0 2 t 到o 3 5 t ，主要采用永磁型磁体，也有少 量的采用常导型磁体；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 系统，有3 t ，4 t ，7 t 和8 t 系统等。 射频线圈既有射频发射功能又有信号探测功能，因此射频线圈就有了发射线圈 和接收线圈之分。有时将发射线圈和接收线圈做在一起，形成了收发两用线圈，这 类线圈工作时，可以通过电子线路在接收和发射之间进行快速切换。 我们知道，射频场b l 的方向应该与主磁场b o 相垂直。由于主磁场b o 有纵向磁 场( 如超导磁体和常导磁体) 和横向磁场( 如永磁体) 之分，射频场b l 的方向也要 随之改变。 m r i 系统的线圈只有谐振在氢质子的共振频率时才能达到激发氢核和收到最 大信号的目的。被检体放入线圈后，线圈的固有共振频率会发生偏移，即出现失谐。 因此，在一般情况下每次成像之前都要进行一次调谐。 匀场线圈由若干个小线圈所组成，构成以磁体中心为调解对象的线圈阵列。由 于这些线圈的大小不同，产生的磁场也会不同，因而对主磁场的影响程度就不一样。 由于在匀场过程中，匀场电源的质量对匀场效果起着至关重要的作用，所以m r j 系统中匀场线圈的电流由高精度、高稳定度的专用电源提供。 2 4 2 谱仪部分嘲刀 谱仪部分包括射频发射单元、信号接收单元、脉冲梯度单元和脉冲序列控制 单元。 谱仪部分是本文的讨论重点，本系统为一体化核磁共振成像谱仪，上述各部分 功能都在核心板和母板中得到实现，将在后面详细讨论。 2 4 3 计算机部分 计算机系统包括控制计算机、主计算机、 所用主计算机有工作站，也有用工业p c 机， 2 l 图像显示、存档、传输等辅助设施。 高场系统大部分用工作站，低场系统 大部分用微机。控制计算机用来实现对整机的运行操作。主计算机和控制计算机之 间有数据总线相连，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由脉冲序列编译器来完成设置、修改和管理。 2 4 4 本论文设计系统硬件结构 本系统设计的一体化核磁共振谱仪主要的硬件由两部分组成：母板和核心板。 母板主要担任核磁共振谱仪的相关功能，而核心板主要实现微处理器控制以及与电 脑的通讯等。核心板通过2 组4 0 x 4 的插槽和母板联系起来。该系统设计成两个部分 有一定的好处： 第一，可以方便的拆卸下核心板来烧写删程序，在以后可能的产业化过程 中，因为核心板的可拆卸烧写，也可以更好的保密。 第二，在以后系统的升级过程中，因为母板可能会实现不同的功能，可能会有 较大的改动，甚至重新设计，丽核心板的功能主要实现微处理器功能，不需要频繁 的改动。所以母板与核心板可能有不同的使用期限，当需要更换母板来实现其他功 能时，核心板可以直接插在新的母板上，节省了时间并保留核心板的调试经验。 在后面的第三章与第四章中我们将分别对母板和核心板的设计进行讨论。 第三章母板设计方案 3 1硬件系统组成啪嘲嘲 母板设计中包括了谱仪的数字化频率源部分，数字接收机部分，梯度波形发生 器部分，以及脉冲序列控制模块。如图3 一l 所示： 图3 1 母板结构框图 母板的核心部分由一块f p g a 构成，我们使用的x i l i n x 公司的s p a n t a n 3 e 系列 x c 3 s 5 0 0 e ，通过v h d l 语言，来实现它对母板各部分的时序以及工作状态的控制。 谱仪的发射和接收通道分别由数字化频率源和数字接收机组成。数字化频率源 被用于产生激发组织所需的各种射频激发波形。数字接收机系统则负责放大和采样 磁共振信号。 谱仪的梯度通道由x y z 三路独立的梯度波形发生器组成。它们主要负责产生成 像所需的选层、频率编码和相位编码梯度。其数字逻辑模块全部集成在f p g a 中。 在磁共振成像谱仪中，脉冲序列发生器作为谱仪的核心部件之一，用于产生磁 共振成像实验所需的各种脉冲序列，其功能主要是实时控制谱仪系统中接收机、频 率源、梯度波形拉牛器等部件的协调工作。系统使用f p g a 作为脉冲序列发牛器的主 要部件，其运行时钟为4 0 m h z 。f p g a 内部丰要由脉冲序列产牛单元、内存接口、寄 存器组等部件组成。 整个谱仪系统由一个4 0 唧z 晶体振荡器作为各部件的公用系统时钟。这样就可 以非常方便地同步谱仪的发射，接收和梯度通道，实现磁共振信号的相位相干，减 小由于各部件不同步工作引起的图像伪影。 图3 2 母板实物图 同时母板还有不少其他功能模块，温度监测和电源监测部分，梯度的调谐部分 模块，备用接口，谱仪状态判断接口，咀及鼠标，键盘，和l c d 显示屏。将在后面 逐渐的完善。图32 是只焊接了谱仪部分的母扳实物图。 3 2 数字化频率源“”“”“”“”“” 32 1 概述 为了实现高性能数字化频率源，我们采用了a d 9 8 5 4 作为板上数字频率合成器。 a d 9 8 5 4 是一个高性能的完整d d s 器件，内部最高的工作频率为3 0 0 z ，虽高主频率 输出为1 2 5 删z ，用于这个以教学为本的系统绰绰有余。a d 9 8 5 4 内部的相位累加器宽 度为4 8 位，但是为了和接受机同步，必须采用和接收机相同的宽度，由于数字接收 机a d 6 6 2 0 的累加器宽度是3 2 位，所以只能采用3 2 位的宽度，关于频率源与接收机 同步的问题，后面将详细讨论。其频率分辨率达到了1 0 8 1 0 1 h z ，可以非常准确地 对准磁共振中心频率。同时a d 9 8 5 4 有极快速的频率转换时间，可达纳秒量级，能够 实现频率的快速切换。 3 2 2 频率源设计 本文设计的数字化磁共振频率源由直接数字频率合成器( d d s ) 、微控制器( a r m ) 、 可编程逻辑阵列( f p g a ) 组成。其中，直接数字频率合成器负责产生射频信号。a 跳 负责外界电脑与频率源的通讯。f p g a 则作为板上的控制电路并且在f p g a 内部划出 一块区域作为r a m ，暂时存储m r i 序列所需的射频波形数据。 图3 3 是此频率源的框图： 图3 3 频率源结构框图 a d 9 8 5 4 提供了一组缓冲寄存器，一组工作寄存器。当主机配置d d s 时，配置的 信息，如频率、相位、幅度等首先写入d d s 内部的缓冲寄存器，而不会影响当前的 d d s 信号输出。a d 9 8 5 4 还提供了一根外部触发引脚，当在检测到上升沿的时候，d d s 器件就自动地把缓冲寄存器中的信息更新到工作寄存器中，从而实现频率切换。本 系统也使用这个特性，a r m 在作为系统的微处理器的同时也作为系统与外界计算机 通讯的桥梁，外界的更新数据可以通过网线传送到a r m 中，a r m 接到更新指令，就 通过f p g a 把所有配置信息首先写入d d s 的缓冲寄存器，当收到由脉冲序列发生器产 生的脉冲时，自动更新d d s ，这样就确保了d d s 频率、幅度、相位更新与脉冲序列 的同步。 由于a d 9 8 5 4 的6 根地址总线和8 根数据总线通过总线方式与f p g a 连接在一起， 而f p g a 也通过总线方式与a 跚相连，所以我们可以直接用a 蹦通过总线方式来控制 a d 9 8 5 4 ，当f p g a 编好程序后直接通过总线方式来控制d d s 的寄存器，在调试过程中 可以用仿真器 由于d d s 的杂散抑制性较差，在其输出频谱中夹杂着很多高频分量，使用低通滤 波器可以把不需要的杂散信号滤除，得到成像所需的射频波形。如，对于0 3 t 的成 像系统，就需要使用截止频率为1 3 姗z 左右的低通滤波器。在用于实验的母板上我 们暂时使用了8 0 姗z 的低通滤波器。 3 2 3 数字逻辑接口设计 数字逻辑接口由现场可编程门阵列x c 3 s 5 0 0 e p q 2 0 8 构成。f p g a 的作用在于实 现数字频率源系统的逻辑功能。图3 4 为此部分f p g a 逻辑框图。 f p g a f _ 一一一一一一一一一一一一一1 li 1 一一一一一一一一一一一一一j 图3 _ 4 数字频率源部分f p g a 逻辑框图 由于f p g a 片上内存资源有限，所以不再另外设计专门的f p g a 内存来保存d d s 的配置信息，配置信息直接由a 跚经f i f 0 模块传送到d d s ，同时初始化d d s 。在开 始磁共振实验时，外界电脑先把波形数据传送给a 脚的s d r 枷，然后f p g a 的有限元 状态机就通过f i f 0 控制模块不断从f i f o 中读出波形数据，写入d d s ，同时更新d d s 。 状态机在完成一次d d s 更新后内存地址指针加一，指向下一个波形数据地址。f i f o 考虑选用异步方式，直接用1 6 位数据线对传，( f i f o 深度有具体序列决定) 。整个 序列的时序控制由f s m 和计数器c o u n t e r 共同完成。 3 2 4 性能测试 最后我们通过示波器( a g i l e n t5 4 6 4 1 d ) 来测试d d s 部分发出的波形。 图3 5 是a d 9 8 5 4 输出的1 28 删z 的正弦波，实验参数如下：外部时钟参考频率 5 0 删z ，系统运行时钟2 0 0 删z 。由于a d 9 8 5 4 长时间工作发烫得比较厉害，严重的时 候还会停止工作，所以一般情况不使用3 0 0 m 的最高频率工作。 f1 1 3 苫1 0 0 可s t o pf l2 4 0 口 堕1 9 11111 兰：望塑生l ! ! 二坠! ! ：圣塑堡! 】 竺：刊兰! 薹到墼】j ：! 鲨 图3 51 2 8 姗z 的正弦波 控制方式的总结 调试过程中为了更方便的控制d d s ，先后使用了3 种方式调试d d s ，最先把数据写 死在f p g a 的一个r o m 中，当收到a r m 的触发信号后，发出固定波形。这样做的好处 是通过f p g a 内状态机写的读写时序，相对稳定，便于初期的硬件打通。但是要切换 波形就要重新烧写f p g a ，很不方便。随后采用f p g a 判断总线地址的方式，通过f p g a 内逻辑检测总线地址的变化，来控制其内部的状态机工作，同时从数据总线中读取 数据写给d d s 。这样的工作类似于d s p 。但是由于有接收机带来的总线冲突，可能会 造成不必要的错误，同时f p g a 的逻辑也相对：，c 长。 因此最后我们可以使用更加方便的方法来调试，在f p g a 内部写逻辑，使a d 9 8 5 4 直接与a r m 通过总线方式相连，而我们可以用a d s 编写a r m 程序，用仿真器来直接 控制a d 9 8 5 4 ，如果需要改动频率或者相位，只需要直接在a d s 软件中修改相关部分 的数据，在仿真器中执行就可以随意改变d d s 发出的波形。例如在发出上图的波形 后我们直接在a d s 软件中改写a d 9 8 5 4 的寄存器，发出3 瓣的1 2 8 点s i n c 脉冲，如 图36 所示： f 锄苫r 前矿s t o p = f 呐t t l m e a s 叭m e n tm e n u 竺：芏：j 主簋：j ! 鲎：】墼；】兰娑 图3 6 输出3 瓣1 2 8 点s i n c 波形 可见使用这种方式的控制d d s 是非常方便的。而当程序确定后可以在a d s 中生成b i n 的可执行文件，直接在a 跚中运行，就可以产生上述的波形。 3 3 数字化接收机呻9 】旧胁1 嘲矧 3 3 1 数字接收机硬件设计 本系统设计是一种用于低场核磁共振成像的直接射频采样数字接收机的设计。 与传统的基于模拟变频的数字接收机相比，此设计去除了本地振荡器( l o ) ，模拟混 频器和滤波器等模拟器件。本文设计的数字接收机主要由射频前放，抗混叠滤波器， 模数转换器，商用d d c 芯片，数字逻辑器件等部分组成，整个数字接收机通过a r m 与外界p c 机连接。低噪声程控放大器v g a 作为前极放大器，提供对微弱核磁信号的 适当放大和增益控制。抗混叠滤波器滤除采样带宽外的噪声，防止发生噪声混叠。 高速a d c 负责将放大后的磁共振信号进行量化。f p g a 芯片则是此数字接收机的处理 核心，提供对采用数据的转换接口和存储通路，并实现对d d c 程控的数据接口。d d c 作用在于对高频的磁共振信号进行数字下变频、滤波和速率转换处理，并通过并行 端口输出处理后的数据。a r m 为整个数字接收机系统提供了操作平台和与外界p c 机 连接的桥梁。 磁共振成像应用中，由于3 d 成像等应用，磁共振信号的动态范围往往较大，这 就需要接收机系统具有较高的动态范围( 大于1 1 0d b ) 。目前高速a d c 的量化分辨率 通常为1 4 位，由此可得a d c 本身的动态范围约为8 4 d b 左右，考虑到过采样和数字滤 波器的带外噪声抑制性能，其动态范围最大也仅为1 0 8 d b 。可见，仅仅使用高速a d c 对磁共振信号进行采样不能够保持其动态范围。因此我们选用了a d 8 3 6 9 作为程控增 益放大器，其增益范围在一5 到+ 4 0 之间连续可