（无线电物理专业论文）微型数字化核磁共振谱仪的研制.pdf

i i ￥ilil s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg e n gp i n g d o c e n t ：h ey a n f a n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 争 匙 瓢 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，不包含其他人已经发表或撰写过 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：歹互磁 e l 期：穸7 占 学位论文版权使用授权书 f j 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。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 学位论文作者签名：；歪妞导师签名：页必干 签字日期：沙1 7 、( 7签字日期：衣嘲，7 乡 k r u 心， f 基 乞， 东北大学硕士学位论文摘要 微型数字化核磁共振谱仪的研制 摘要 磁共振显微镜( m r m ：m a g n e t i cr e s o n a n c em i c r o s c o p y ) 是一种小型的磁共振成像 ( m r i ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 系统，主要用于生理学、病理学等学科对活体进行 成像研究。由于商用磁共振成像系统的谱仪十分昂贵，不便于在磁共振显微镜中使用， 本文致力于开发一种可应用于磁共振显微镜的小型数字化磁共振成像谱仪。 谱仪主要由一台个人计算机、一块多功能数据采集卡、发射机和接收机构成，本研 究的重点是设计和实现全数字式发射机和全数字式接收机，同时设计完成了成像系统中 的前置放大器、高频功率放大器和射频开关等部件。 发射机采用二次上变频的发射机结构。设计中选用了直接数字合成( d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i z e r ) 技术，采用一片d d s 芯片a d 9 8 5 7 实现数字化正交调制，采用另一片 a d 9 8 5 7 和混频器s b l 1 l h 实现二次上变频得到目标发射频率。 与发射机相对应，接收机采用二次下变频的结构。接收到的射频信号首先和发射机 送来的参考信号在一片s b l 1 l h 中混频完成一次下变频，然后由一片高速a d 转换器 对信号进行高速采样，采样后的数据在数字化正交解调器a d 6 6 2 0 中完成信号解调，即 二次下变频到基频。 由于发射机和接收机的设计采用全数字化的设计，信号的调制和解调全部在数字域 中完成，可以实现近乎理想的正交发射和正交解调，从而避免了模拟发射和接收机中相 位控制不准的问题，减少了后续复杂的相位校正处理，提高了谱仪的整机性能。 关键词：磁共振成像；磁共振显微镜：发射机；接收机；功率放大器 i i i 凡 ， 勘 j 心一 ” f j 0 l 东北大学硕士学位论文 h b s t r a c t t h em i n i t y p e ， m a g n e t i c d i g i t a ls p e r e s o n a n c e a bs t r a c t c t r o m e t e rf o r i m a g i n g m r m ( m a g n e t i cr e s o n a n c em i c r o s c o p y ) i sas m a l l - s c a l em 刚( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ) s y s t e m ，m a i n l yu s e di np h y s i o l o g y ，p a t h o l o g ya n do t h e rd i s c i p l i n e st os t u d yv i v o i m a g i n g t h ec o m m e r c i a lm i us p e c t r o m e t e rs y s t e m sa r et o oe x p e n s i v et ou s ei nm r m t h i s t h e s i sa i m st od e v e l o pam i n i t y p es p e c t r o m e t e ro fm r m t h es p e c t r o m e t e ri sc o n s i s t so fap e r s o n a lc o m p u t e r , am u l t i f u n c t i o nd a t aa c q u i s i t i o n c a r d ，t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rs t r u c t u r e t h ef o c u so ft h i ss t u d yi s t od e s i g na n dr e a l i z e a 1 1 d i g i t a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，嬲w e l l 硒i m a g i n gs y s t e mi n c l u d i n gp r e - a m p l i f i e r ， m g l l f r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e ra n dr fs w i t c hc o m p o n e n t s t h et r a n s m i t t e ri sc o m p l e t e dw i t ht w ou p c o n v e r s i o ns t r u c t u r e s e l e c tt h ed d s ( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i z e r ) t e c h n o l o g y ，a n du s e ad d s c h i p ( a d 9 8 5 7 ) q u a d r a t u r ed i g i t a lm o d u l a t i o n u s et h eo t h e rc h i p ( a d 9 8 5 7 ) a n dm i x e r ( s b l 一1l h ) t oa c h i e v et h es e c o n du p c o n v e r s i o n ，a n d g e tt h et a r g e ts i g n a l c o r r e s p o n d i n gt ot r a n s m i t t e r ，r e c e i v e ru s e st w od o w n - c o n v e r s i o n ss t r u c t u r e t h e f i r s t d o w n c o n v e r s i o ni st h a tt h er fs i g n a la n dr e f e r e n c es i g n a lt r a n s m i t t e rs e n t e db yt h ea d 9 8 5 7 a l em i x e di nam i x e r ( s b l 1 l h ) a n dt h e nt h es i g n a li ss a m p l e dh i g h t l yt h r o u g ha d c t h e n t h es a m p l i n gd a t ai sd o w n - c o n v e r s i o nt ob a s e b a n d ( t h es e c o n dd o w n c o n v e r s i o n ) i nt h e d i g i t a lq u a d r a t u r ed e m o d u l a t i o nd e v i c e s ( a d 6 6 2 0 ) b e c a u s et h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e ra d o p tt h ed i g i t a lt e c h n o l o g y ，t h es i g n a lm o d u l a t i o n a n dd e m o d u l a t i o na r ec o m p l e t e di na 1 1 d i g i t a ld i g i t a ld o m a i n ，w h i c hc a l la c h i e v en e a r i d e a l l a u n c ha n dt h eq u a d r a t u r ed e m o d u l a t i o n t h ed i g i t a lt e c h n o l o g yc a r la v o i dt h ep h a s ep r o b l e m o fa n a l o gt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r ，a n da l l o w e dt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ef o l l o w 。u po f t h ep h a s ec o r r e c t i o np r o c e s s i n g a l li na l l ，t h ed i g i t a lt r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rc a ni m p r o v et h e w h o l ep e r f o r m a n c eo ft h es p e c t r o m e t e r k e yw o r d s ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ；m a g n e t i cr e s o r l f l n c em i c r o s c o p y ；t r a n s m i t t e r s ； r e c e i v e r ；p o w e ra m p l i f i e r v - i ) 一 囊 东北大学硕士学位论文目录 目录 独仓i ji i 生申明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 核磁共振成像1 1 1 1 核磁共振成像与磁共振显微镜l 1 1 2 核磁共振显微镜的研究状况1 1 1 3 核磁共振成像原理2 1 2 本论文工作的内容1 1 1 3 本论文工作的意义1 2 第2 章数字发射机设计1 5 2 1 正交幅度调制原理1 5 2 2 混频原理1 5 2 3 常见的发射机结构1 6 2 4 本系统采用的发射机结构1 7 2 5a d 9 8 5 7 芯片介绍1 9 2 5 1 芯片结构1 9 2 5 2a d 9 8 5 7 工作模式2 0 2 5 3a d 9 8 5 7 的延时问题2 l 2 6 发射机性能测试2 2 2 6 1 测试结构2 2 2 6 2 基带信号的调制过程2 3 2 7 本章小结2 5 第3 章数字接收机设计2 7 3 1 信号采样理论2 7 3 1 1 基本采样理论n y q u i s t 采样定理2 7 3 1 2 带通信号采样理论2 8 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 下变频实现形式2 9 3 2 1 单相检波方法2 9 3 2 2 正交检波方法( 正交下变频) 2 9 3 3 常用m m 接收机结构3 2 3 3 1 模拟直接下变频方案3 2 3 3 2 超外差式模拟下变频方案。3 3 3 3 3 数字直接下变频方案。3 4 3 3 4 超外差式数字下变频方案3 5 3 4 本系统采用的接收机结构。3 5 3 5a d 6 6 2 0 芯片介绍3 9 3 5 1a d 6 6 2 0 芯片结构介绍3 9 3 5 2a d 6 6 2 0 初始化设置4 0 3 5 3a d 6 6 2 0 软件编程4 0 3 6 数字接收机性能测试4 l 3 7 本章小结4 4 第4 章m r m 成像电子系统设计4 5 4 1 前置放大器4 5 4 1 1 前置放大器结构4 5 4 1 2 前置放大器测试4 6 4 2 功率放大器设计4 7 4 2 1a 类功率放大器原理4 8 4 2 2 本系统a 类功率放大器结构4 9 4 2 3 功率放大器测试5 0 4 3 射频开关5l 4 3 1p i n 二极管5 1 4 3 2 射频开关电路结构5 2 4 3 3 本系统采用的射频开关5 3 4 3 4 射频开关测试6 0 4 4 本章小结6 0 第5 章结论6 1 v i i i i u l e t 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献6 3 i x e r ， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 核磁共振成像 1 1 1 核磁共振成像与磁共振显微镜 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 ) 现象是射频电磁场与有磁原予核相互作 用产生的一种能量吸收和发射现象，由斯坦福大学的布洛赫( b l o c h ) ：和哈佛大学的珀塞尔 ( p u r c e l l ) 于1 9 4 6 独立发现，二人因此分享了1 9 5 2 年的诺贝尔物理奖。 利用核磁共振这一物理现象进行成像研究是上世纪七十年代开始的。19 7 3 年纽约州 立大学石溪分校的劳特f f l ( l a u t e r b u r ) 利用线性梯度磁场进行空间编码，首次在实验上得 到了磁共振图像，这标志着由核磁共振现象产生的一门新的学科磁共振成像学 ( m r i ：m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ) 的诞生。由于磁共振影像在临床诊断上的价值，这种应 用前景对m 砒学科起到了巨大的推动作用，1 9 8 3 年临床m r j 机器实现了商品化。经过 近二三十年时间的发展，磁共振成像终于发展为一种成熟的影像技术，目前已被广泛应 用于临床医学，成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一。2 0 0 3 年， m r i 的创始人劳特伯和曼斯菲尔德( m a n s f i e l d ) 被授予诺贝尔生理医学奖【l j 。 m 这种影像技术除了在临床诊断上具有重要价值外，在微观尺度的高分辨率成像 方面也存在着巨大潜力，这一点，m 的创始人劳特伯和曼斯菲尔德一开始就意识到了。 1 9 8 6 年，两个研究小组分别实现了m r j 在显微成像领域的应用，标志着核磁共振现象 产生的另一个学科磁共振显微学( m r m ：m a g n e t i cf e s o n a n c em i c r o s c o p y ) 的诞生。 m r m 与m 砒的关系十分密切，从成像原理上看，m r m 和m 砒是完全相同的，只 不过，医用m 对是对人体进行成像，而m r m 是对小动物或其它一些较小的生物组织 进行成像，因此可以说，m r m 是m r j 在微观领域中的应用扩展。与传统的光学显微镜 或电子显微镜不同，m r m 不需要切片，可直接对活体进行三维成像，定量得到生物体 内部不透明组织的三维结构，从而精确揭示组织结构学方面的信息，对组织生物化学、 生理学、病理学等研究具有十分重要的意义。 1 1 2 核磁共振显微镜的研究状况 虽然磁共振显微镜的原理与m 砌完全相同，但二者也有明显的区别，即它们图像的 空间分辨率不同。一般m r m 的图像空间分辨率要优于1 0 0 p m ，图像的高空间分辨率要 求使得m r m 面临着一些理论和技术上的挑战。假设三个方向的分辨率都从医用m 烈 机器的l m m 提高到m r m 机器的l o p m ，则m r m 机器的信噪比要比m r 机器提高 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 0 0 0 0 0 0 倍。为了达到上面的要求，几乎所有m r m 的硬件都要进行高度充分的优化， 软件序列也要进行专门的设计，甚至采用特殊的软件或算法进行处理，最大限度地减小 信号损失。近些年来m r m 的研究主要集中在这些问题的解决上。可喜的是经过一些研 究人员的努力，目前分辨率已经达到约1 0 k t m 2 1 ，这使m r m 可以直接观察生物组织的微 观结构，成为真正的类似光学显微镜和扫描电子显微镜( s e m ) 的磁共振显微镜。 当然，m r m 也不能完全替代光学显微镜或电子显微镜，它们是互补的，而且m r m 也有它的不足，目前最突出的有两个：首先m r m 这种方法比较新，它的图像对比机制 与病理学者所熟悉的常规显微图像的完全不同，他们需要学习如何认读m r m 图像中正 常组织和病态组织，掌握这种技能需要时间；另外，而且也是最重要的，m r m 机器很 贵，组建一套全新的高分辨m r m 系统，需要上百万美元的投资，这极大地限制了m r m 的应用。 m r m 系统中最贵的是磁体，另外谱仪成本也较高，目前采用高温超导材料是设计 磁体是研究的重点，而谱仪方面采用高性价比的个人计算机和通用射频电子元件设计谱 仪，是谱仪技术发展的趋势。 1 1 3 核磁共振成像原理 原子核具有自旋角动量和磁矩，在外磁场中，原子核磁矩与磁场相互作用形成一组 能级。能级间距落在射频范围内，因此在适当频率的射频作用下就会出现共振吸收现象， 称为核磁共振现象【3 】。 1 1 3 1 信号的产生 ( 1 ) 原子核自旋 原子核由质子和中子组成，质子带有正电荷，并且绕着自转轴旋转，而自旋的带电 粒子都有磁矩f 4 】，其大小： = r h 4 i ( ，+ 1 ) ( 1 1 ) 其中，7 为旋磁比( 对1 h ，7 = 4 2 5 8 m h z f f ) ，壳= h 2 n ，i 是自旋量子数，可以为零、 半整数、整数。 自旋磁矩t 和自旋角动量，的关系为： j u = y j ( 1 2 ) 原子核自旋角动量在空间的取向是量子化的。在没有外场时，自旋方向是杂乱无章 的，如图1 1 ( a ) 。但存在外磁场下，自旋是有规律的，如图1 1 ( b ) 。设磁场方向沿z 轴， 则在z 轴方向上的投影： j z = m l h ( 1 3 ) - 2 - - ( 2 ) 宏观磁化矢量 宏观磁化矢量m ： 图1 2 拉莫进动示意图 f i g1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fr a m e a up r e c e s s i o n 砺= 芝石 。 膨= 。 ( 1 4 ) 以是成像物体总的自旋数。 在无外场时，自旋是杂乱无章的，在宏观上一m = 0 ；而当物体处在外场岛( z 轴正方 向) 时，根据量子理论： e = 互瓦= 一段风= 一y 壳朋，磊 ( 1 5 ) 对1 h ，其聊，= 圭，于是有自旋方向向上( z 方向) 的能量辟： 自旋方向向下的能量目： 耳= 一言肪岛 目= i i7 概 - 3 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 东北大学硕士学位论文 笫1 章 于是得到上下两能级差丝： 能级示意图如图1 3 所示。 a e = 日一目= y h b o l i1 。j 怖 b ao n 图1 3 自旋量子数i = 1 2 时的塞曼效应能级分裂 f i g u r ei 3z e e m a ne f f e c ta tt h et i m eo fs p l i t - l e v e l ( i = i 2 ) 由量子理论可知，在原子核系统上加一个射频磁场，当射频场能量h t o o = a e = y h b o 时，即电磁波量子能量正好等于能级间距时，原子核会从射频场吸收能量从低能态跃迁 到高能态，因此共振条件为： t o o = y b o 或f ：娶 ( 1 9 ) 自旋方向的分布情况和能量的关系由玻尔兹曼分布给出： 丝= e x p ( n i璺k t , ( 1 1 。) 一= 一- i1 1u ， ，、， 其中： + ：自旋方向向上的自旋数 ：自旋方向向下的自旋数 z ：自旋系统所处的绝对温度 尺：玻尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 2 3 j k ) 实际观察n m r 时，我们观察的是含有大量核的宏观体系的平均行为。当核处于外 磁场中，它的磁矩总是倾向处于能量最低的状态即与外磁场方向平行。但是热运动又倾 向于在这些能级中有相等的粒子数。最后导致各能级上的粒子数服从b o l t z r n 分布。当 外加射频场后，低能级上的粒子吸收射频能量跃迁到高能级，同时高能级上的粒子放出 能量到周围环境下到低能级，最终达到平衡状态。 ( 3 ) r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 脉冲激励 由上一小节知，核磁共振条件为： t o o = r b o ( 1 1 1 ) 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 也就是说当r f 激励的频率蚜= ，并且物体所处的磁场强度为b o ，那么这些物体 的原子核就会产生共振。 i u 激励产生的磁场且是很短暂的，相比主磁场鼠其强度非常微弱( 例如主场岛为 l t ，且- - - 2 0 r o t ) 。激励磁场可表示如下： b l = 研( t ) e o s ( c o , t + 缈) j ( 1 1 2 ) 其中群( f ) 是脉冲包络函数，激励载波频率，缈为初始相位。 上式b l 可表示为： b l = 群( t ) e o s ( c o 】! c t + c , o ) i s i n ( c 0 , t + q o j + 群( t ) c o s ( c o , ：t + p ) i + s i n ( c o c t + c p ) j 】 ( 1 1 3 ) 上式表达式的右边第一项，其旋转方向为顺时针方向，右边第二项为逆时针方向。 见图1 4 所示。 图1 4 两个相反方向的b l 旋转场可表示为一线性极化场 f i g u r e1 4t h eo p p o s i t ed i r e c t i o no ft h es p i nc a l lb ee x p r e s s e da sal i n e a rp o l a r i z a t i o nf i e l d 根据理论，当逆时针方向的旋转场和拉莫进动方向相反并且其旋转频率与拉摸进动 频率大小相近，那么逆时针旋转场对自旋产生的影响可以忽略。【引用】。于是有效的且 场表示如下： b l = 群( t ) c o s ( o c t + 9 ) i - s i n ( o # t + 妒) 门 ( 1 1 4 ) 最场x 方向分量岛j ( f ) 蜀j ( ，) = 群( t ) c o s ( o c t + 缈) ( 1 1 5 ) y 方向分量且，y ( ，) b i ，j ，( ，) = 群( t ) s i n ( c o c t + ( p ) 正交发射线圈可以同时产生置j ( ，) 场和垦，y ( ，) 场，用复数表示如下 蜀= 马，。( f ) + 蝎y o ) = 研( ，弦一叼+ p 由数字信号理论知，时域无限长的s i n c 包络其频域为矩形，见图1 5 。 5 ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( a )( b ) 图1 5s i n e 包络图1 5s i n c 包络( a s i n c 包络时域图；b s i n c 包络频域图) f i g u r e1 5s i n ce n v e l o p e ( a t i m e - d o m a i ng r a p ho f s i n ce n v e l o p e ； b f r e q u e n c yd o m a i nm a p o fs i n ce n v e l o p e ) ( 4 ) 共振激励 建立一旋转坐标系 i = c o s ( r o t ) - s i n ( r o t ) j j = c o s ( r o t ) + s i n ( r o t ) i 驴：乏 ( 1 1 8 ) 当发送的包络信号为s i n c 包络时，由旋转坐标系并根据布洛赫方程最终可得 q = 一y 墨 ( 1 1 9 ) 见图1 6 所示。 ( a )( b ) 图1 6 磁化矢量旋转图( a 在旋转坐标下的磁化矢量旋转图； b 在实验室坐标系下的磁化矢量旋转图) f i g u r e1 6m a g n e t i z a t i o nv e c t o rr o t a t i o nm a p 他i nt h er o t a t i n gf r a m e ；b i nt h el a b o r a t o r yc o o r d i n a t e ) ( 5 ) 信号的弛豫 当信号的磁化矢量倒向x y 平面，撤掉激励后，磁化矢量会产生弛豫，见图1 7 。其 中一个弛豫是磁化矢量m ：( ，) 逐渐恢复到指向z 轴方向，如图1 8 ( a ) 所示。另一个弛豫是 磁化矢量o ) 在x y 平面内逐渐消失，见图1 8 ( b ) 所示。 6 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 7 磁化矢量弛豫图 f i g u r el - 7v e c t o rm a g n e t i z a t i o nr e l a x a t i o nm a p 图1 8 弛豫曲线( a m ：( t ) 弛豫曲线；b m x y ( t ) 弛豫曲线) f i g u r e1 8r e l a x a t i o nc l i r c e m z ( t ) r e l a x a t i o nc u r v e ；b ，m x y ( t ) r e l a x a t i o nc u r v e ) 1 1 3 2 信号特点 l t f 自旋回波【5 1 是磁共振成像众多回波里最基本的一种回波。 r f 自旋回波首先产生一个9 0 。脉冲，将磁化矢量方向从指向z 轴方向倒向x y 平面内， 然后隔r 时间再产生一个1 8 0 。脉冲，示意图见图1 9 所示。 7 东北大学硕士学位论 自旋经过9 0 。一 信号示意图如图1 1 8 矿 盯芒i 卜f f 一 - ， 暑。川 虹 l 。 - i l i |i 二_ 。 i l ，r 1 1 彤 图1 1 09 0 - 吓- 1 8 0 。脉冲产生的f i d 信号 f i g u r e1 1 0f i ds i g n a lo f t h ep u l s eg e n e r a t o r ( 9 0 小1 8 0 。) 1 1 3 3m 对成像空间定位 m r i 成像空间定位需要选层、相位编码、频率编码三个步骤，其中相位编码和频率 编码顺序可以互换。自旋回波s e ( s p i ne c h o ) 序列副6 1 如图1 1 l 所示。 - 8 - 章绪论 图1 1 2m 砌成像选层 f i g u r e1 12m r ii m a g i n gl a y e r 令在z 方向上的梯度强度为q ，则在z 方向上的的磁场强度e ： s z = s o + z g ： ( 1 2 0 ) 由1 1 1 式及1 2 0 式可以得到： 国= 一( 岛+ z q ) y ( 1 2 1 ) 于是有 a c o = a z g , y 式中a c o 为带宽，业为选层厚度。 ( 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1 1 3 所示。 9 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 嚣r 育一所知的直t 曩示l i i i 图1 1 3 相位编码梯度示意图 f i g u r e1 13s c h e m a t i cd i a g r a mo fp h a s e - e n c o d i n gg r a d i e n t 在y 方向上加梯度后，沿y 轴的各层面上质子的进动频率可以表示为： 国，= ( 岛+ y g ，) ， ( 1 2 2 ) 设相位编码梯度的持续时间为，则在，时间后，沿y 轴的各层面上质子的进动相 位可以表示为： 办= t y = ( 岛+ y q ) 7 0 ( 1 2 3 ) 由上式可以看出，在g ，的作用下，信号中已经包含了沿y 方向的位置信息。在，。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 。作用前的数值缈。但是g ，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。 ( 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向量进动频率的不同，并 以此为根据来标记空间位置 在x 方向上施加梯度场g 。，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，其磁场强度： 尻= 岛+ x q ( 1 2 4 ) 进动频率可以表示为： q = ( 岛+ x q ) y( 1 2 5 ) 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，通过二维傅立 叶变换即可将位置信息提取出来。 1 1 3 4k 空间和傅立叶变换 傅立叶变换是一种可以将复杂的信号分解为许多单一频率分量的数学方法。m 刚在 信号测量过程中并不直接得到图像，而仅获取包含空间编码信息的原始数据。这些数据 可以由一个空间频率的矩阵即k 空间来表示。最后，对k 空间的数据进行二维傅立叶 变换才得到图像。 磁共振成像接收到的信号是如下的形式： 1 0 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 s ( ，) p 脚f p p 一“掣+ q 几a x a y ( 1 2 6 ) 令以= 厄，七，= 7 g ，& ，正交混频后，得到的基带信号是： s ( ，) f n p 叫+ 力a x a y ( 1 2 7 ) 从上式可以看出，s ( r ) 正好是磁化矢量蚝的二维傅立叶变换。显然做傅立叶反变 换就可以得到磁化矢量，也就是重建m r i 空间图像。 1 2 本论文工作的内容 本文主要内容是谱仪中的发射和接收系统，并做了磁共振成像系统电子系统接收机 前置放大器、高频功率放大器、射频开关，其在系统中相互关系如图1 1 5 所示。 图1 1 5 系统结构相互关系 f i g u r e1 15t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r u c t u r e s ( 1 ) 数字发射机 在m 对中，发射机用于产生射频脉冲，激发组织样品，得到病人的生理信息。采用 直接数字合成技术，用两片数字正交上变频器a d 9 8 5 7 和一片混频器就实现了全数字化 的正交调制和二次上变频的发射机，解决了模拟发射机相位控制不准的难题，同时也没 有大幅增加系统的控制难度。 ( 2 ) 数字接收机 在m r i 应用中要求接收机能够不失真地解调样品激发的信号( 含有载波信号) ，得到 基带信号。接收机的滤波器群延时、正交通道的平衡度等因素直接决定了核磁共振谱图 的质量。目前，存在着两种接收机设计的方法，一种是传统的模拟接收机，另外一种则 是数字接收机。对于模拟接收机，由于模拟正交混频器的相移很难做到严格的9 0 ，这 样会对信号的后续处理增加难度，而采用数字接收机就能回避模拟技术中需对两路正交 信号进行相位校正的复杂处理。并且采用二级下变频可以解调载波频率更宽的磁共振信 号。 ( 3 ) 前置放大器 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 前置放大器放大器是磁共振信号处理的最前端，用于将微弱的磁共振信号进行放 大，然后再用接收机对信号进行解调。本人选用三种不同的放大器芯片完成信号的前端 放大。 ( 4 ) 高频功率放大器 高频功率放大器用于放大由发射机发射出来的r f 脉冲选层信号。考虑磁共振对线 性相位的要求，设计时采用a 类功率放大器，选用m r f 4 3 3 线性功率晶体管，其峰值 包络功率达到1 2 5 w 。 ( 5 ) 射频开关 射频开关是用于切换发送和接收信号，设计了基于p i n 二极管( s m p l 3 2 2 ) 来设计射 频开关。 1 3 本论文工作的意义 本论文是国家自然科学基金项目“基于钇钡铜氧块材磁体的磁共振显微镜的研究 中的一部分，即谱仪硬件与电子系统。 磁共振成像整个系统主要包括主磁体、梯度线圈、发射接收线圈、发射机、接收机、 前置放大器、功率放大器、射频开关以及系统控制中心等部分，框图见图1 1 4 所示。 图1 1 4 磁共振成像系统组成框图 f i g u r e1 1 4b l o c kd i a g r a mo f m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n gs y s t e m 磁共振成像的过程由谱仪和其中的软件控制，谱仪相当于磁共振设备的大脑，是 m r m 系统的控制核心。谱仪的输出信号有进行空间编码的三路梯度信号和激发共振的 射频( r f ) 脉冲信号。射频信号由发射机产生经射频放大器放大送入射频发射线圈发射。 样品共振后发射的信号经射频接收线圈接收、前置放大器放大、混频和a d 转换进入谱 仪中的接收机，经数字解调重建得到图像。选用医用m 系统的谱仪是可以进行m r m 成像的，但成本太高，一般售价在2 0 万元左右，开发m r m 专用的谱仪对m r m 研究 是十分必要的。 1 2 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 而谱仪是磁共振成像的核心部件，特别是谱仪的发射和接收系统，直接影响成像的 效果。由于传统的模拟发射机很难调制一个理想的包络，模拟正交接收机又很难将两路 本振信号做到真正的正交( 相位相差9 0 。) ，这样就直接影响到成像的效果。而数字化的发 射机和接收机由于其调制和解调是在数字域中进行的，就可以避免上述模拟谱仪的问 题。 1 3 - 东北大学硕士学位论文第2 章数字发射机设计 第2 章数字发射机设计 根据磁共振成像的原理，m 耐选层需要一个激励信号b i ，其形式： e = 群( ，) 口一州 ( 2 1 ) 这是一个典型的幅度调制。其调制信号为臂( r ) ，载波频率为。可以用正交幅度 调制来实现上述幅度调制，发射机就是实现这个调制功能的硬件。 本章首先介绍正交调制和理想混频的基本原理，然后介绍几种常见的发射机结构， 在此基础上给出了本系统采用的数字发射机结构，并对该发射机性能测试结果进行了详 细的阐述和讨论。 2 1 正交幅度调制原理 正交幅度i 周制( q a m ，q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) t t , s 1 是一种在两个正交载波上 进行幅度调制的调制方式。这两个载波通常是相位差为9 0 度( r d 2 ) 的正弦波，因此被 称作正交载波，这种调制方式因此而得名。( 调制方式有调幅、调频、调相。而磁共振 选层脉冲信号需要的是调幅信号，所以本文所讲的调制都是指幅度调制。) 任意已调的连续信号s ( t ) 均可以表示成： s ( t ) = a ( t ) e o s 2 x f o r + 妒( ，) 】 = a ( t ) c o s ( t ) e o s2 n f o ，一a ( t ) s i n ( t ) s i n2 x f o t = ，( ，) c o s 2 7 r f o t - q ( t ) s i n 2 x l t ( 2 2 ) 其中j o ) = a q ) c o s ( ) ，q ( f ) = a ( t ) s i n ( t ) 。 于是可以得到：要想实现发送的信号是s ( t ) = 口( f ) e o s 2 万a t + 矽( t ) 】，只要基带信号 i ( t ) 、q ( t ) 分别同c o s ( 2 x f 0 2 矾时采样后信号的幅频图； c q 2 q h ；c t h ef r e q u e n c yd i a g r a mw h e nt h 2 f 以n ，可得图3 2 的关系。 图3 2 带通采样定理 f i g u r e3 2b a n d p a s ss a m p l i n gt h e o r e m 带通采样的结果是把位于( n b ，0 + 1 ) b ) ( 刀= o ，l ，2 ，) 不同频带上的信号都用位于 ( o ，b ) 上相同的基带信号频谱来表示。也就是说带通采样定理适用的前提条件是：只允 许在其中的一个频带上存在信号，而不允许征在不同频带上同时出现信号，否则将会引 起信号混叠。而实际中在很宽广的频率内，信号都会有一些幅度，当这些干扰信号加在 一起后，会影响有用的信号。所以一般都不用带通采样来实现对信号的采样。 2 8 - 东北大学硕士学位论文第3 章数字接收机设计 3 2 下变频实现形式 3 2 1 单相检波方法 单相检波方法如图3 3 所示，是通过一个混频器和一个低通滤波器将中频信号进行 下变频。本振信号频率厶可以是以或厶。幅频图变换如图3 4 所示。假设是混频器是 线性器件，那么如果中频信号进入混频前含有( 左一) 无的干扰信号时，经过混频滤 波会后仍然会引入干扰信号( 镜像干扰) 。对模拟混频器( 非线性器件) 还会有组合频率干 扰有用的信号( 寄生通道干扰) 。 m x l l t c o s l 2 n t d l ) 图3 3 单相检波方法 f i g u r e3 3s i n