一种用于核磁共振成像系统的新型数字谱仪技术方案

本实用新型专利技术设计了一种用于核磁共振成像（ＭＲＩ）的新型数字谱仪，主要由射频发射模块、接收机模块、梯度模块组成。该谱仪采用了最先进的数字信号处理技术和模块化的设计结构，实现了全数字化，能够产生任意的脉冲序列，满足核磁共振及其成像方法的需要，具有较宽的工作频率范围。主要针对医用核磁共振成像系统而研制。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种核磁共振(NMR)仪器，具体地讲是一种用于核磁共振成像(MRI)的新型数字谱仪。
技术介绍
NMR技术作为一种无损伤的检测手段，在MRI、化学分子的结构分析等领域具有广泛的应用。NMR谱仪在MRI系统中作为射频(RF)脉冲和梯度波形产生、波形的功率放大，射频(RF)脉冲的激发及梯度脉冲，以及对采集信号的接受等传输过程的时序控制系统，其主要功能是控制MRI系统中信号波形的准确性，传输过程的不失真、以及传输过程的准确时序控制，保证MRI系统有关部件产生的相应信号，以及这些信号在放大和传输的过程中能够协调工作。传统的模拟式谱仪，其RF脉冲、梯度脉冲的传输控制，以及相应的检测信号全部为模拟量。这种谱仪结构复杂，稳定性差，不易维修，目前已经淘汰。半数字式谱仪是有些厂家将信号检测部分改为数字器件，而其它部件仍为模拟器件。这种谱仪仍然无法消除模拟器件带来的噪声，谱仪的体积和重量都比较大。为了解决以上问题，需要设计出一种除与信号接受线圈直接相连的前置放大器信号外，所有的控制量和检测量均为数字量的全数字谱仪。本技术提供了设计和实现这类谱仪的一种技术路线。核磁共振谱仪通常包括脉冲波形发生器、频率合成器、发射通道和接收通道。其中，接收通道可以采用单路相敏检波、模拟正交检波或数字正交检波。目前的全数字谱仪都采用数字相敏检波技术。但所采用的技术路线都需要频率源提供正弦和余弦参考信号。本技术的数字接收机模块所用的数字相敏检波技术与通常所用的技术路线有所不同。我们采用的数字相敏检波技术无需频率源提供参考信号，只需频率源与正交开关采用同一外部时钟作为时间基准。
技术实现思路
本技术专利的目的是针对上述模拟式谱仪或半数字式谱仪的不足之处，提供一种新NMR数字谱仪，该谱仪的数字接收机采用正交开关和数字低通滤波器对接收的核磁共振信号进行检波，而无需频率源提供参考信号。为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案一种用于核磁共振成像的新型数字谱仪，其特征在于主要由射频发射模块、数字接收机模块、梯度模块组成，其中所述射频发射模块包括用于控制直接数字频率合成器的可编程脉冲发生器，其输出连接所述直接数字频率合成器；用于产生射频信号的直接数字频率合成器，其输出连接模拟滤波器；用于对所述射频发射模块输入信号进行滤波的所述模拟滤波器，其输出通过发射机与所述接收机模块连接；所述数字接收机模块包括用于对接收机模块接收到的核磁共振信号进行自主放大的自主放大器，其输出连接模拟数字转化器；用于产生数字信号的所述模拟数字转化器，其输出连接正交开关；用于对所述数字信号解调的所述正交开关，其输出连接数字带宽滤波器；用于滤波的所述数字带宽滤波器，其输出连接计算机的系统控制与接口；所述梯度模块包括用于产生需要的梯度波形数字信号的可编程脉冲发生器，通过计算机系统控制与接口模块与所述计算机连接，其输出连接数字模拟转换器；用于将梯度波形数字信号变成电压脉冲信号的所述数字模拟转化器，其输出连接梯度放大单元。所述的射频发射模块的模拟滤波器可以采用模拟滤波器组。所述的数字接收机模块的模拟数字转化器可以采用可将接收的核磁共振信号直接转变为数字信号的高速模拟数字转换器。所述的数字接收机模块的数字带宽滤波器可以采用可与正交开关进行数字相敏检波的数字低通滤波器。所述的正交开关可以设有对其进行控制的开关信号发生器。所述的开关信号发生器可以设有对其进行控制的时序发生器。所述的射频发射模块、数字接收机模块、梯度模块可以都连接到同一主时钟发生器。本技术具有下列优点1、射频发射模块的频率源部分采用了直接数字频率合成器，它具有极高的频率分辩力，极短的切换时间，以及数字调制功能。2、数字接收机部分采用数字相敏检波技术，可以消除模拟正交检波技术存在的缺点，同时无需频率源提供的参考信号。附图说明图1是数字谱仪的原理框图；图2是数字相敏检波时序图。具体实施方式以下结合附图通过实例对本技术特征及其相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解如图1所示，本技术实现的NMR谱仪由射频发射模块、接收机模块、梯度模块组成。其中，数字接收机模块采用正交开关和数字低通滤波器对接收信号进行检波，而无需频率源产生参考信号。本技术的射频发射模块包括可编程脉冲合成器、直接数字频率合成器和模拟滤波器组成。可编程脉冲发生器由计算机通过系统控制与接口模块进行控制与数据传递。直接数字频率合成器可直接产生经过调幅、调频和调相的射频信号，经过模拟滤波器后可送至发射机。本技术的接收机模块包括模拟数字转换器、正交开关和数字低通滤波器组。为了实现全数字化，首先将接收的信号进行模数转换，因此需要高速的模拟数字转换器。正交开关和数字低通滤波器在开关信号发生器的控制下，对接收的数字信号进行数字相敏检波。去除载波的数字信号经过系统控制与接口模块送至计算机。本技术的梯度模块包括数字模拟转换器组和可编程脉冲发生器。计算机通过系统控制与接口模块控制可编程脉冲发生器，产生需要的梯度波形数字信号，最后经过模拟数字转换器组变成电压脉冲信号，并送至梯度放大单元。本技术中的射频发射模块、接收机模块、梯度模块都采用同一个主时钟发生器。具体工作流程是在执行脉冲序列时，可编程脉冲发生器根据核磁共振试验的要求执行相应的脉冲序列代码，控制直接数字频率合成器。首先，通过计算机设置直接数字频率合成器的激发频率、幅度和相位，将数据传送至脉冲发生器，并由脉冲发生器控制直接频率合成器产生指定宽度的射频脉冲。射频脉冲经过模拟滤波器组送至射频放大单元。由射频发射线圈的信号形成电磁场。样品被发射线圈的射频脉冲激发以后，接收线圈将感应到FID(自由感应衰减)信号，经过放大单元放大后送至数字接收机模块。此后，射频信号经高速模拟数字转换器变为数字信号，再经正交开关和数字低通滤波器组进行数字相敏检波。经解调后的数字信号通过系统控制与接口模块送至计算机，在计算机内通过相应的软件进行图像重建或信号分析。直接数字频率合成器可以选用不同的器件来实现，例如采用Analog Devices公司的AD9854。射频发射模块以及梯度模块的可编程脉冲发生器可采用可编程逻辑器件FPGA或CPLD来实现。脉冲序列以及脉冲波形和梯度波形在执行之前，首先被转换成时间和事件表，通过PC机写入脉冲发生器。数字接收机模块采用的数字相敏检波技术如图2所示经过模数转换得到的数字信号为调制后的FID信号，需要通过正交开关和数字低通滤波器进行解调，方可得到所需的FID信号。其中，(a)为正交开关，(d)和(g)为两路相互正交的开关信号的时序图，正交开关信号频率与接收信号载波频率相同。(b)为接收信号，(c)为数字低通滤波器。(e)和(h)分别为经正交开关调制后的信号。(f)和(i)分别为(e)和(h)经过数字低通滤波器滤波后的信号。此外，还可以将正交开关信号频率设置为接收信号载波频率的一半，经过调制低通滤波后再用同样频率的正交开关信号进行调制，再经低通滤波即可起到解调的作用。数字接收机模块可使用数字信号处理器(DSP)来实现。权利要求1.一种用于核磁共振成像的新型数字谱仪，其特征在于主要由射频发射模块、数字接收机模块、梯度模块组成，其中所述射频发射模块包括用于控制直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于核磁共振成像的新型数字谱仪，其特征在于主要由射频发射模块、数字接收机模块、梯度模块组成，其中　　　　所述射频发射模块包括：　　　　用于控制直接数字频率合成器的可编程脉冲发生器，其输出连接所述直接数字频率合成器；　　　　用于产生射频信号的直接数字频率合成器，其输出连接模拟滤波器；　　　　用于对所述射频发射模块输入信号进行滤波的所述模拟滤波器，其输出通过发射机与所述接收机模块连接；　　　　所述数字接收机模块包括：　　　　用于对接收机模块接收到的核磁共振信号进行自主放大的自主放大器，其输出连接模拟数字转化器；　　　　用于产生数字信号的所述模拟数字转化器，其输出连接正交开关；　　　　用于对所述数字信号解调的所述正交开关，其输出连接数字带宽滤波器；　　　　用于滤波的所述数字带宽滤波器，其输出连接计算机的系统控制与接口；　　　　所述梯度模块包括：　　　　用于产生需要的梯度波形数字信号的可编程脉冲发生器，通过计算机系统控制与接口模块与所述计算机连接，其输出连接数字模拟转换器；　　　　用于将梯度波形数字信号变成电压脉冲信号的所述数字模拟转化器，其输出连接梯度放大单元。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：包尚联，王卫东，俎中良，
申请(专利权)人：北京海思威科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]