【毕业设计】磁共振数字谱仪常见故障分析

毕业设计（论文）题目磁共振数字谱仪常见故障分析院（部）系放射学院所学专业生物医学工程2010年6月1日摘要磁共振成像（MAGNETICRESONANCEIMAGING,MRI）根据生物体内的磁性核在静磁场内产生共振信号的特性进行成像，具有图像分辨率高，成像参数多，可任意方向断层，对人体无电离辐射伤害等显著优点，成为当今最先进的医学成像方法之一，在临床上和科学研究中得到越来越多的应用。谱仪是磁共振成像系统的关键设备，在整个系统中居于核心地位，负责整个磁共振成像系统的控制、射频信号发生、射频信号接收、梯度波形发生等功能，是成像序列运行与实现的物理平台。所以谱仪的检修和维护是很重要的，平时就要多注意磁共振的使用和保养，出现问题时要及时检查并解决。由于核磁的复杂，核磁的维修是一个比较复杂的过程，造成故障的原因也可能比较复杂，应该循序渐进，逐步排除故障的原因。本文通过对IOPEN035TMRI数字谱仪所产生的故障分析，从而总结查找故障的基本方法。关键词MRI；谱仪；故障；维修方法ABSTRACTMRIMAGNETICRESONANCEIMAGING,MRIBASEDONINVIVONUCLEARMAGNETICRESONANCESIGNALSGENERATEDINTHESTATICMAGNETICFIELDCHARACTERISTICFORIMAGING,HIGHIMAGERESOLUTION,IMAGEMANYPARAMETERS,FAULTSCANBEINANYDIRECTION,THEHUMANBODYWITHOUTIONIZINGRADIATIONDAMAGE,ETCSIGNIFICANTADVANTAGES,ASTODAYSMOSTADVANCEDMEDICALIMAGINGMETHODSINCLINICALANDSCIENTIFICRESEARCHTOGETMOREANDMOREAPPLICATIONSSPECTROMETERMAGNETICRESONANCEIMAGINGSYSTEMISTHEKEYEQUIPMENTINTHEWHOLESYSTEMCOREPOSITION,RESPONSIBLEFORTHEOVERALLCONTROLOFMAGNETICRESONANCEIMAGINGSYSTEM,RFSIGNALGENERATION,RFSIGNALRECEPTION,THEGRADIENTWAVEFORMGENERATIONFUNCTION,OPERATIONANDIMPLEMENTATIONOFIMAGINGSEQUENCESPHYSICALPLATFORMSOSPECTROMETERREPAIRANDMAINTENANCEISVERYIMPORTANT,USUALLYMUSTPAYMOREATTENTIONTOTHEUSEOFMAGNETICRESONANCEANDMAINTENANCEPROBLEMSSHOULDBEPROMPTLYCHECKEDANDRESOLVEDASTHECOMPLEXITYOFNMR,NMRREPAIRISARELATIVELYCOMPLEXPROCESS,RESULTINGINFAILUREOFTHEREASONSMAYBEMORECOMPLEX,SHOULDBEGRADUAL,STEPBYSTEPTROUBLESHOOTINGREASONSBASEDONTHEIOPEN035TMRIDIGITALSPECTROMETERGENERATEDFAILUREANALYSIS,TOSUMMARIZETHEBASICTROUBLESHOOTINGMETHODSKEYWORDSMRISPECTROMETERFAULTREPAIRMETHOD目录第一章综述11绪论12磁共振成像系统的组成13课题的提出3第二章谱仪概述51谱仪的总体功能结构52PKSPEC谱仪主要总体技术指标53PKSPEC谱仪的模块组成64PKSPEC谱仪功能模块的组合顺序7第三章功能模块说明91网络通信模块（NETWORKCOMMUNICATIONMODULE）92数据采集模块（MULTICHANNELDATAACQUISITIONMODULE）93数字主控模块（DIGITALCONTROLMODULE）114梯度计算模块（GRADIENTCALCULATIONMODULE）125梯度输出模块（GRADIENTOUTPUTMODULE）136射频输出模块（RFOUTPUTMODULE）147射频输入模块（GAINADJUSTRFAMPLIFIERMODULE1、2、3、4）14第四章故障分析与方法总结161故障举例162谱仪模块的常见问题1721数据采集常见问题1722射频输出常见问题1723射频输入常见问题183查找故障的基本方法1831诊断程序测试法1832查看观察法1933辅助工具测试法19第五章总结20参考文献21致谢22第一章综述1序论磁共振成像技术的发展大致经历了如下3个时期。萌芽期指从NMR诞生（1946年）到1972年的20多年时间。这段时期，NMR主要作为分析工具使用。但是，后来随着NMR理论的完善，研究范围逐渐扩展到了生物领域。1967年，约翰斯（JASPERJOHNS）等人首先用活体动物进行实验，成功地检测出动物体内分布的氢、磷和氮的NMR信号，开创了生物体组织化学分析的新纪元。成熟期1973年到1978年，物理学家与医学家一道对活体组织进行了局部成像的实验研究，使NMR医学成像得以实现。因此，这一阶段是NMR波谱技术与成像理论相结合，并取得了巨大研究成果的时期6。发展期指1978年以后磁共振成像技术全面发展的阶段。这一时期磁共振成像研究实现了如下5个方面的转变，即从人体成像实验系统的研究转入工艺装置研究；从局部成像的研究发展为全身成像研究；由实验研究过渡为临床应用研究；从侧重于理论的研究转变为加快成像速度、提高信噪比、改善图像质量的方法学研究；从大学、研究所的科研活动扩展到多厂商参与研究和开发的商业行动。由于竞争局面在这一阶段的早期就已形成，因而发展步伐进一步加快5。在北京华润万东实习期间，我学到了很多知识，主要学习的内容是磁共振。所以，根据我实习的情况，写了这篇论文。由于本人水平有限，论文中缺点、错误在所难免，希望读者批评指正，以便改进。2磁共振成像系统的组成磁共振系统由以下5个部分组成磁体、梯度射频系统、制冷系统、重建系统和操作系统。磁共振成像系统的基本结构，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。图11表示MRI成像系统的构成1。图11磁共振系统构成图MRI系统基本配置的结构关系和相互作用，就某一层面而言,它对内层进行作用或激励,而又被外层控制或作用。最内层，也可说是核心部件，是磁体子系统。主磁体建立一个足够稳定与均匀的恒定磁场，由于这一磁场的存在，人体氢核被定向磁化，以便受激发而弛豫，另外，这一子系统还包括一些如可自动升降、进退的病床，通话装置，视频监视等辅助设备。其外侧是接收线圈，接收人体所发射的MR信号，但有一些类型的磁共振系统的接收线圈被设计成具有发射线圈的发射功能，采用特殊的开关门装置，使发射、接收功能在同一线圈上实现7。接收线圈外侧是产生射频场的发射线圈，在它产生的射频场的作用下，人体内的磁矩发生一定的翻转。还有MR系统中必不可少的梯度场线圈,产生三维梯度磁场，对MR信号进行空间位置编码。激励射频线圈和梯度线圈的是外层的射频功率放大器和梯度功率放大器，接收MR信号的低噪声前置放大器也可归于这一层。射频功率放大器，梯度功率放大器的工作状态和时序由外层的谱仪控制（一些MRI系统,又称为MR处理器等与谱仪功能近似）。谱仪是MRI成像系统的实时控制单元，使用者通过计算机完成扫描参数设置并装入谱仪后启动，实际扫描过程由MRI谱仪直接控制完成。对使用者而言，我们所面对的只是最外层的计算机系统及其外部设备，如键盘、图像/文本显示器、磁带机、硬拷贝机等，计算机是我们与MRI特殊设备之间的界面，又是MRI系统的中央控制单元，我们可以通过计算机改变扫描参数，设置工作状态，输入谱仪并通过谱仪控制MRI系统，获得各种意义的MRI图像，并可对图像进行各种处理。图12是MRI系统的体系结构图。图中的每个方框均表示MRI系统的一个各单元，箭头表示各单元之间的逻辑关系或信息流向1。图12磁共振成像系统的体系结构图3课题的提出核磁共振的磁体附近有强大的磁场存在，心脏起搏器佩带者、神经刺激器佩带者和胰岛素泵使用者靠近会令所用仪器失灵，体内有可磁化金属植入者进入强磁场会使其金属受到磁力作用而引发事故，磁卡和机械手表接近强磁场会被磁化而不准甚至损坏，大型铁磁性物体接近磁体会被磁化成磁体而其磁场反过来影响核磁共振的正常工作8。由此可见，核磁共振虽然作为最先进的诊断设备，但影响其工作的因素也有很多。因此，在磁共振系统出现故障有效的解决问题才能保证设备的正常运转，为人们提供更好的服务。谱仪作为磁共振系统中的核心，从根本上决定了整个磁共振成像系统的控制、射频信号发生、射频信号接收、梯度波形发生等功能，是成像序列运行与实现的物理平台。谱仪由网络通信模块、数据采集模块、数字主控模块、梯度计算模块、梯度输出模块、射频输出模块等模块以及电源、背板等组成。这些模块控制着磁共振系统的梯度信号，射频信号等的发射及接收。他们的处理能力成为影响成像质量的主要因素之一。本文以IOPEN035T永磁MRI谱仪为例，深入了解谱仪功能以及工作原理，同时，通过对谱仪故障的分析总结了一些查找故障的基本方法。第二章谱仪概述1谱仪的总体功能结构谱仪是磁共振成像系统的关键设备，在整个系统中居于核心地位，负责整个磁共振成像系统的控制、射频信号发生、射频信号接收、梯度波形发生等功能，是成像序列运行与实现的物理平台。基于单片FPGA谱仪的总体结构如图11所示。PC机网络接口单元数字控制单元模拟接口单元谱仪射频输出射频输入梯度输出同步与控制信号以太网图21谱仪设备总体结构图谱仪的功能架构总体上分为如下四个部分1PC机软件提供人机交互界面，完成序列和参数的下载以及上传数据的分析处理。2网络接口单元为谱仪提供网络通信功能，是PC机与数字控制单元交换数据的通道与缓冲区。3数字控制单元序列的运行平台，完成射频发生、多路射频接收、梯度发生等功能。包括序列管理模块、射频发生模块、射频接收模块与梯度发生模块四部分。4模拟接口单元数字控制单元的模拟前端，完成模拟信号的调理、放大与增益控制等功能。2PKSPEC谱仪主要总体技术指标1单通道发射，一至四通道接收；2射频频率范围325MHZ；3100MBPS以太网传输速率，TCP/IP协议；4频率精度1HZ；5相位精度（多次发射和接收之间）N科技日报2007年3月31日第002版8JWEMSLEY,JFEENEY,PROGESSINNUCLEARMAGNETICSPECTROSCOPYJMEDICALEQUIPMENT，1995，285199WOODML,HENKELMANRMMRI198610潘文宇一种新型MRI谱仪的设计及关键技术研究J中国科学技术大学2011致谢在论文完成的时候，我意识到我的大学就这样要结束了，前段时间刚上映的新电影致青春，看完以后有很大感触。四年时光就这样匆匆流过，给我们留下了很多回忆。在此，作为一名毕业生，我真心的希望学弟学妹们能够好好把握剩下的时间，在学校里我们是幸福的，可是一旦进入残酷的社会中以后，我们就是最弱小的群体，没有经验，没有资金。所以，一定要在学校里提高自己的实力，社会面前，实力才是最重要的。最后要留一句话给