一種用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于磁共振成像系統(tǒng)中的多通道數(shù)據(jù)接收模塊。該數(shù)據(jù)接收模塊由A/D轉(zhuǎn)換單元、采集控制單元(包括數(shù)字控振蕩器(NCO)、多速率數(shù)字濾波器組、數(shù)據(jù)緩存區(qū))組成。磁共振信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換單元采樣和采集控制單元數(shù)字解調(diào)后，得到的I/Q數(shù)據(jù)流，在一定的時序控制下，經(jīng)數(shù)據(jù)緩存區(qū)傳送至網(wǎng)絡(luò)接口單元。本實用新型的設(shè)計可以對多個通道的磁共振信號直接高速采集，具有很好的重構(gòu)性和并行數(shù)據(jù)處理能力，并可擴展至32通道。本實用新型的設(shè)計采用FPGA夾層卡單板結(jié)構(gòu)，集成度高、成本低，控制簡單，具有一定的通用性，可應(yīng)用于磁共振成像系統(tǒng)中。
【專利說明】一種用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于磁共振成像領(lǐng)域，涉及一種用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)利用磁場和射頻脈沖使生物體內(nèi)的氫核共振產(chǎn)生信號，經(jīng)計算機處理而成像。自MRI用于臨床診斷以來，越來越受到影像工作者和臨床醫(yī)生的歡迎，成為一些疾病診斷必不可少的檢查手段。磁共振成像系統(tǒng)由磁體、射頻、梯度、譜儀等子系統(tǒng)組成。譜儀是磁共振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，譜儀的主要作用是根據(jù)臨床應(yīng)用選擇不同的成像序列和參數(shù)，產(chǎn)生射頻脈沖信號及梯度磁場信號，其性能優(yōu)劣是決定磁共振成像質(zhì)量的重要因素。磁共振成像中，射頻接收線圈接收磁共振信號，對圖像的信噪比有重要作用。近年來，隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，多通道射頻接收線圈越來越多的應(yīng)用到臨床中。多通道射頻接收線圈將獲得多路磁共振信號，這就要求譜儀中磁共振信號接收模塊能夠接收多路信號。在已有的磁共振成像系統(tǒng)中，大多采用專用的數(shù)字信號處理芯片(如AD6620、AD6636)作為譜儀中的磁共振信號接收模塊的核心，但專用芯片可重構(gòu)性差、靈活性差、動態(tài)范圍低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。采用FPGA (Field-programmable gate array,現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)多通道磁共振信號的接收，具有擴展性強，很好的并行數(shù)據(jù)處理能力和可重構(gòu)性。
[0003]磁共振成像系統(tǒng)中采集多通道磁共振信號能提高圖像質(zhì)量和空間分辨率，增加采集速度，減少運動偽影，縮短采集時間，加快患者通過率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的在于提供一種用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，它用于磁共振成像中多路磁共振信號的接收。
[0005]本實用新型的多通道數(shù)據(jù)接收模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、采集控制單元，所述A/D轉(zhuǎn)換單元與采集控制單元相連；所述采集控制單元包括數(shù)字控制振蕩器、多速率數(shù)字濾波器組、數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
[0006]多通道磁共振信號由A/D轉(zhuǎn)換單元采樣，采樣數(shù)據(jù)送至采集控制單元，解調(diào)后得到的I/Q數(shù)據(jù)流在主控單元的控制下，經(jīng)數(shù)據(jù)緩存區(qū)傳送至網(wǎng)絡(luò)接口單元。
[0007]進一步的，采集控制單元通過可編程FPGA芯片實現(xiàn)。
[0008]進一步的，數(shù)據(jù)緩存區(qū)為FPGA內(nèi)部雙端口存儲器。
[0009]進一步的，采集控制單元通過并行外部接口與主控單元通信，通過主控單元實現(xiàn)對采集控制單元的參數(shù)配置及時序控制。
[0010]進一步的，A/D轉(zhuǎn)換單元與采集控制單元傳輸?shù)臑長VDS信號。
[0011]進一步的，數(shù)據(jù)緩存區(qū)為雙緩存結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA按照一定控制時序?qū)?shù)字解調(diào)器輸出的I/Q數(shù)據(jù)流按照一定順序存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)上半部中；K空間的一條掃描線的點數(shù)采完后，F(xiàn)PGA向網(wǎng)絡(luò)接口單元發(fā)送中斷，并開始采下一條掃描線的數(shù)據(jù)，按乒乓結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)的下半部，依次輪轉(zhuǎn)。
[0012]本實用新型的有益效果是:
[0013]按照本實用新型的設(shè)計，可以實現(xiàn)對多個通道的磁共振信號的直接高速采集；
[0014]本實用新型的設(shè)計采用可編程FPGA芯片實現(xiàn)多路磁共振信號的接收、處理；
[0015]本實用新型的設(shè)計采用FPGA夾層卡結(jié)構(gòu)(FMC標(biāo)準(zhǔn))，集成度高、成本低，控制簡單和通用性強；
[0016]本實用新型的設(shè)計具有很好的可重構(gòu)性和可編程性，能在本實用新型的基礎(chǔ)上擴展至32通道；
[0017]本實用新型采用分時復(fù)用的方式將數(shù)據(jù)緩存在FPGA片上存儲器中，以乒乓操作方式產(chǎn)生中斷讓網(wǎng)絡(luò)接口單元讀取I/Q數(shù)據(jù)；
[0018]本實用新型的設(shè)計采用LVDS串行數(shù)據(jù)接口 ；
[0019]按照本實用新型的設(shè)計，應(yīng)用于磁共振成像中能提高圖像質(zhì)量和空間分辨率。
[0020]下面結(jié)合附圖進一步說明本實用新型的目的是如何實現(xiàn)的:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1所示為本實用新型的多通道數(shù)據(jù)接收模塊的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖2所示為本實用新型的多通道數(shù)據(jù)接收模塊原理圖。
【具體實施方式】
[0023]如圖1所示為本實用新型的多通道數(shù)據(jù)接收模塊的結(jié)構(gòu)框圖。所述多通道數(shù)據(jù)接收模塊包括A/D轉(zhuǎn)換單元、采集控制單元(FPGA)。
[0024]A/D轉(zhuǎn)換單元包括ADC驅(qū)動電路和ADC轉(zhuǎn)換電路。ADC驅(qū)動電路完成磁共振信號的放大、抗混疊濾波等功能。在A/D轉(zhuǎn)換之前加抗混疊濾波器可避免出現(xiàn)頻率混疊。ADC轉(zhuǎn)換電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS5263實現(xiàn)，其為TI推出的首款面向磁共振成像等醫(yī)療應(yīng)用的四通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS5263具有14位與16位分辨率模式，其中，14位為低功耗模式，16位為高速度、高分辨率模式。差分非線生±0.4LSB，積分非線性±3.0LSB，輸入為30MHz信號時，信噪比為82.6dBFS。ADS5263采樣率最高可達150MSPS，輸出為LVDS電平信號。其中，LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低電壓差分信號,是一種低擺幅的差分信號技術(shù)，信號可在差分PCB線對上以幾百Mbps的速率傳輸。LVDS接口由于采用低壓、低電流驅(qū)動方式，可實現(xiàn)低噪聲和低功耗。本實用新型中，A/D轉(zhuǎn)換單元與采集控制單元之間傳輸?shù)臑長VDS信號。
[0025]本實用新型中ADS5263使用16位分辨率模式、采樣速率fs=100MSPS，此條件下，可將輸入模擬信號無失真轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，采樣后的信號以源同步的方式進入FPGA作數(shù)字解調(diào)、抽取、濾波。
[0026]FPGA芯片作為本實用新型的數(shù)據(jù)接收模塊的核心，主要負責(zé)多通道磁共振信號的直接數(shù)字下變頻、I/Q數(shù)據(jù)流的控制。本實用新型中采用Xilinx公司的Virtex-5系列芯片。在本實用新型中，數(shù)字控制振蕩器、多速率數(shù)字濾波器組通過FPGA實現(xiàn)。數(shù)據(jù)緩存區(qū)為FPGA內(nèi)部雙端口存儲器，雙端口存儲器可對存儲器中任何位置上的數(shù)據(jù)進行并行、獨立的存取操作，是一種高速工作的存儲器。
[0027]本實用新型中采用FPGA夾層卡結(jié)構(gòu)(FMC標(biāo)準(zhǔn))，F(xiàn)MC標(biāo)準(zhǔn)將I/O接口與FPGA分離，簡化I/o接口設(shè)計，提高數(shù)據(jù)吞吐量，采用FMC夾層結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)接收通道數(shù)達到8個且易于實現(xiàn)通道數(shù)的擴展。
[0028]主控單元是磁共振譜儀的控制中心，通過并行外部接口與采集控制單元通信，實現(xiàn)對采集控制單元的參數(shù)配置，包括:數(shù)字控制振蕩器的頻率、相位、數(shù)據(jù)抽取率，濾波器參數(shù)，待采集的通道數(shù)、采樣點數(shù)等。
[0029]網(wǎng)絡(luò)接口單元完成磁共振譜儀與用戶計算機之間的通信與數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)接口單元讀取的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中的I/Q數(shù)據(jù)流并通過以太網(wǎng)或光纖傳輸至上位機做后處理。
[0030]如圖2所示為本實用新型的數(shù)字接收模塊原理圖。多通道磁共振信號由A/D轉(zhuǎn)換單元采樣后，采樣數(shù)據(jù)送至FPGA中，在FPGA內(nèi)部完成數(shù)字解調(diào)、抽取、濾波，得到的I/Q數(shù)據(jù)流在主控單元的時序控制下，將抽取濾波后的I/Q數(shù)據(jù)流分時復(fù)用的緩存在FPGA內(nèi)部雙端口 RAM(數(shù)據(jù)緩存區(qū))中，并以乒乓操作的方式產(chǎn)生中斷讓網(wǎng)絡(luò)接口單元完成I/Q數(shù)據(jù)的讀取。
[0031]數(shù)字控制振蕩器(NCO)產(chǎn)生正弦、余弦信號。A/D采樣后的數(shù)字信號分別與NCO的實部和虛部相乘，解調(diào)出數(shù)字信號的同相分量(I)和正交分量(Q)。本實用新型中，頻率字和相位字的精度為48位。
[0032]數(shù)字解調(diào)后的數(shù)字信號的速率依然為100MSPS，需要對該數(shù)字信號進行抽樣，但抽樣會造成信號混疊，因此必須設(shè)計抽樣濾波器對信號進行濾波。本實用新型中采用三級可變比率濾波抽樣方法實現(xiàn)對數(shù)字信號的抽樣。包括CIC5(5級梳妝濾波器)、CIC補償濾波器、FIR濾波器(Finite Impulse Response,有限脈沖響應(yīng))。CIC濾波器(Cascade、Integrator Comb,梳妝濾波器)非常適用于高速抽取或插值系統(tǒng)中。
[0033]數(shù)字控制振蕩器(NCO)將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號解調(diào)為24位I/Q數(shù)據(jù)，由數(shù)字濾波器組將高速率信號抽取、濾波為低速率信號，在主控單元的控制下，分時復(fù)用地將數(shù)據(jù)緩存至FPGA內(nèi)部的雙端口 RAM中。
[0034]數(shù)據(jù)接收模塊工作時，具體工作流程如下:
[0035]步驟一:系統(tǒng)上電后，主控單元對FPGA內(nèi)部的數(shù)字控制振蕩器(NCO)、濾波器組進行參數(shù)配置，包括:頻率、相位、數(shù)據(jù)抽取率等；
[0036]步驟二:主控單元對FPGA進行設(shè)置，包括待采集的通道數(shù)、每次的采樣點數(shù)；
[0037]步驟三:磁共振信號送入A/D轉(zhuǎn)換單元，A/D轉(zhuǎn)換單元在時鐘控制下對其進行采樣；
[0038]步驟四:主控單元控制FPGA，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集；
[0039]步驟五:經(jīng)過A/D采樣之后的數(shù)據(jù)送至DDC，經(jīng)數(shù)字解調(diào)后輸出1、Q數(shù)據(jù)；
[0040]步驟六:數(shù)字解調(diào)后的1、Q數(shù)據(jù)送至數(shù)字濾波器進行抽取、濾波；
[0041]步驟六:FPGA按照一定控制時序，將數(shù)字濾波后的1、Q數(shù)據(jù)按照一定順序存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)；
[0042]步驟七:K空間的一條掃描線的點數(shù)采完后，F(xiàn)PGA向網(wǎng)絡(luò)接口單元發(fā)送中斷，并開始采下一條掃描線的數(shù)據(jù)，按乒乓結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)緩存區(qū)的下半部，依次輪轉(zhuǎn)。
[0043]步驟八:網(wǎng)絡(luò)接口單元收到中斷后，從數(shù)據(jù)緩存區(qū)讀出每一個回波的1、Q數(shù)據(jù)。[0044]所述多通道數(shù)據(jù)接收模塊具有以下特點:
[0045]采用單板結(jié)構(gòu)，集成度高、成本低；
[0046]具有很好的可重構(gòu)性，便于系統(tǒng)升級，在FPGA資源允許的情況下，可擴展至32通道甚至更多的通道數(shù)；
[0047]本實用新型的設(shè)計控制簡單，具有一定的通用性。
【權(quán)利要求】
1.一種用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，該數(shù)據(jù)接收模塊由A/D轉(zhuǎn)換單元、采集控制單元組成，所述A/D轉(zhuǎn)換單元與采集控制單元相連；所述采集控制單元包括數(shù)字控制振蕩器、多速率數(shù)字濾波器組、數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于所述采集控制單元通過可編程FPGA芯片實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)為FPGA內(nèi)部雙端口存儲器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于所述采集控制單元通過并行外部接口與主控單元通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于多通道磁共振信號由A/D轉(zhuǎn)換單元采樣，采樣數(shù)據(jù)送至采集控制單元，得到的I/Q數(shù)據(jù)流在一定的時序控制下經(jīng)數(shù)據(jù)緩存區(qū)傳送至網(wǎng)絡(luò)接口單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于采用分時復(fù)用的方式將抽取、濾波后的數(shù)據(jù)緩存在FPGA片上存儲器中，以乒乓操作方式產(chǎn)生中斷讓網(wǎng)絡(luò)接口單元讀取I/Q數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換單元與所述采集控制單元之間傳輸?shù)臑長VDS信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于采用FPGA夾層卡結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)接收通道數(shù)為8個。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于磁共振成像系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)接收模塊，其特征在于A/D轉(zhuǎn)換單元采用ADS5263。
【文檔編號】G01R33/36GK203535205SQ201320357870
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年6月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月21日
【發(fā)明者】王為民, 湯偉男, 林先釵 申請人:華潤萬東醫(yī)療裝備股份有限公司, 北京大學(xué)