專利名稱：一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用設備，具體涉及一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統。
背景技術：
磁共振成像譜儀是磁共振成像系統中的核心設備。其結構直接決定了磁共振成像系統復雜度與成像質量。國內應用較多的是英國MR SOLUTIONS公司的MR6000譜儀 (http //www. mrsolutions. co. uk/)，下面對其進行簡要描述。1.譜儀接收系統該譜儀置于設備間內，其接收采樣系統位于譜儀內，一般，隨著接收通道的增加， 從磁體間引出的同軸電纜數量也會相應增加，由于接收到的NMR信號電壓是自由衰減信號 (FID)的電壓的最大值，由式1給出，可見其與磁場強度強成正比關系。Vmax = ωχΑν XMxy χ ^( 1 )所以對于低場(場強小于0. 5特斯拉)而言，接收到的信號會非常微弱，約在微伏的數量級。從線圈感應的FID信號需要一級低噪聲放大和二級增益放大之后才能通過同軸電纜送至MR6000譜儀接收端。為了滿足系統成像信噪比的要求，一級的低噪聲放大器必需滿足低噪聲系數的特性，一般小于ldB，這樣其增益一般不會很大，約^dB左右。為了讓譜儀端的模數轉換器能發揮其特性，二級增益放大至少約30dB。如此以來在低場系統中，增加接收通道不僅需要增加同軸電纜數量，還需要增加同樣數量的二級前置放大單元。如此以來系統成本增加的同時，大量的連接電纜及放大單元也會加大接收信號之間的干擾，致使成像系統的成像信噪比下降。對于高場(場強大于0. 5特斯拉)而言，雖然接收的NMR信號比低場系統強度大， 但由于隨著主場強度的增大，由Larmor公式O)，接收NMR信號的頻率會增大，例如3T場強系統，接收的信號中心頻率為127. 728MHz，一般，同軸電纜對高頻信號的衰減遠遠大于低頻信號，另外同軸電纜的接口處阻抗的不連續會加重這種衰減。所以在增加接收通道的同時， 線纜數量的增加，帶來的是接收NMR信號的高頻衰減，成像系統的成像信噪比下降。/ = ^ (2)
2πB0 靜磁場強度，Y 磁旋比，f 接收NMR信號頻率所以無論于低場系統還是高場系統，傳統磁共振成像譜儀，如上例中的MR6000，隨著接收通道的增加，系統成本增加的同時成像質量下降。2.譜儀射頻發送系統傳統磁共振譜儀系統如，MR6000譜儀，射頻發送和其接收系統一樣，也是由譜儀通過同軸電纜連接至射頻功率放大器，另外還需要將射頻輸出開關信號通過同軸電纜連到射頻功率放大器上。這種控制方式一則譜儀和射頻功放沒有完全電氣隔離，二則譜儀處于被動地位，也即譜儀不能讀到功放的實際工作狀態，這對于系統的校準及維護帶來很大的復雜度，不能實現對整個磁共振成像系統的遠程維護，增加了維護成本。
3.譜儀的梯度發送系統傳統磁共振譜儀系統如，MR6000譜儀，梯度波形輸出由D型連接器差分輸出至梯度放大器，同樣存在的譜儀和梯度放大器的電氣不完全隔離的問題，另外，從譜儀送出的梯度波形的精確度直接影響著梯度放大器的輸出電流，但是由于受到連接線、器件分布參數的影響梯度放大器得到的梯度波形的精確度很難與譜儀輸出一致。另外對梯度放大器電流輸出級的精確調整很難應用一些數字算法，這對梯度放大的設計帶來一定的難度。4.醫師操作臺傳統磁共振譜儀系統如，MR6000譜儀，與醫師操作臺是分離的，醫師操作對磁共振成像系統的操作需要一臺專用計算機與譜儀通過以太網或其他方式進行。如此以來不但增大了醫師對譜儀的操作難度也使系統不穩定性增加，同樣系統的成本也相應增加。為了克服上述基于傳統譜磁共振成像系統的一系列缺點及不足，需要一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統來提高成像質量及降低系統造價和維護成本。
發明內容
針對上述不足之處，本發明的目的在于提出一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，提高成像質量、降低系統造價和維護成本。本發明為實現上述目的所采用的技術方案是一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，全數字化譜儀集成了專用計算機及與該專用計算機連接的數字化NMR信號接收單元，數字化射頻激勵發送單元，數字化梯度波形發送單元和數字化磁體管理及患者監控單元；所述數字化NMR信號接收單元具有N個接收通道，每個接收通道連接接收前端單元中的一個接收前端模塊，發送數字控制信號到接收前端單元；所述接收前端模塊具有M 個接收模擬前端通道和一個對接收模擬前端通道傳送的信號進行處理的數據處理單元。所述數字化射頻激勵發送單元與數字射頻功率放大器連接，將數字化射頻激勵波形發送至數字射頻功率放大器，并通過數字射頻功率放大器的控制接口，控制并讀回功率放大后的輸出功率與數字射頻功率放大器的工作狀態；所述數字化梯度波形發送單元與數字梯度放大器連接，將數字化梯度波形發送至數字梯度放大器，控制并讀回數字梯度放大器的輸出電流、發射功率與工作狀態；所述數字化磁體管理及患者監控單元與磁體管理及患者監控前端連接，讀取磁體系統的工作狀態信息和對患者的監控信息。所述專用計算機集成醫師操作臺功能，操作醫師可提借助于連接于全數字化譜儀的顯示設備和鼠標、鍵盤對系統近距離或遠程操作。所述專用計算機運行磁共振成像系統軟件。所述數字化NMR信號接收單元與接收前端單元、所述數字化射頻激勵發送單元與數字射頻功率放大器、所述數字化梯度波形發送單元與數字梯度放大器、所述數字化磁體管理及患者監控單元與磁體管理及患者監控前端均通過高速數字光纖、電纜或無線方式連接。所述接收前端模塊把從線圈耦合的NMR信號經過阻抗匹配、低噪聲信號調理、可變增益及帶寬濾波，再經模數轉換為未處理的數字NMR信號，M路未處理的數字NMR信號匯總至一個數據處理單元進行數字信號處理。所述低噪聲信號調理包括對信號的限幅、放大和濾波處理。所述數據處理單元包括依次包括數字下變頻單元，可變帶寬濾波器和通道數據編碼器。所述接收前端模塊內置于線圈內部，或者通過同軸電纜連接至線圈外部。所述數字化射頻激勵發送單元通過總線接口接收來自專用計算機的控制數據，對波形表查表得到所要發射的射頻波形經數字上變頻變換為數字頻帶信號，再通過光電轉換變為光信號經光纖傳送至數字射頻功率放大器。所述數字化梯度波形發送單元通過總線接口接收來自專用計算機的梯度控制信息，在梯度發送單元控制器的控制下，對應X軸控制器、Y軸控制器、Z軸控制器，得到X、Y、 Z方向上梯度控制信息，統一經梯度波形編碼之后，由光電轉換單元變為光信號經光纖傳至數字梯度放大器。本發明具有以下優點1.減少了接收通道連線數量。4接收通道磁共振成像系統，由4條同軸接收通道減少至1條光纖接收通道；16接收通道磁共振成像系統，由16條同軸接收通道減少至1條光纖接收通道；1 接收通道磁共振成像系統，由1 條同軸接收通道減少至4條光纖接收通道；2.改善了接收NMR信號的傳輸質量，模擬NMR信號轉換為處理的數字NMR信號進行傳輸，提高了系統成像信噪比；3.對射頻功率放大進行精確的數字控制；4.對梯度放大器進行精確的數字控制；5.減少了系統成本及維護成本。
圖1為基于全數字化譜儀的磁共振成像系統構成框圖；圖2為接收前端模塊構成框圖；圖3為接模擬前端通道構成框圖；圖4為單通道數字化NMR信號接收單元構成框圖；圖5為數字化射頻激勵發送單元構成框圖；圖6為數字化梯度波形發送單元構成框圖；圖7為基于全數字化譜儀的磁共振成像系統成像方法步驟流程圖；圖8為4通道接收前端單元構成框圖；圖9為16通道接收前端單元構成框圖；圖10為1 通道接收前端單元構成框圖；圖11為4通道數字化NMR信號接收單元構成框圖。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。如圖1所示，全數字化譜儀集成了數字化NMR信號接收單元；數字化射頻激勵發送單元；數字化梯度波形發送單元；數字化磁體管理及患者監控單元；專用計算機。如圖2、3、4所示，數字化NMR信號接收單元，具有N(N為整數)個高速數字接收通道和一個接收前端控制通道。每一高速數字接收通道，通過高速數字光纖，包括但不限于高速數字光纖，連接至接收前端單元中的一個接收前端模塊。數字化NMR信號接收單元的接收單元控制通道通過高速數字光纖，連接至接收前端單元的控制接口。其中接收前端單元可分為接收模擬前端通道，接收數字前端兩部分。接收模擬前端通道由阻抗匹配網絡、低噪聲信號調理單元、可變增益及帶寬濾波單元、高速模數轉換單元組成。接收模擬前端通道可以是一個獨立的集成電路，也可以由分立器件組合而成，其負責將直接耦合的接收線圈感應NMR信號變為量化的數字信號。數據處理單元由數字下變頻、可變帶寬數字濾波器、通道數據編碼組成。數據處理單元以FPGA器件實現，當然也可以用其它集成電路實現，其負責將已量化的NMR信號進行數字信號處理，處理后的NMR信號經高速光電轉換模塊，轉換為光信號，通過高速數字光纖，傳至譜儀的數字化NMR信號接收單元。如圖5所示，數字化射頻激勵發送單元，通過總線接口接收來自專用計算機的射頻激勵發送單元控制數據，對波形表查表得到所要發射的射頻波形經數字上變頻變換為數字頻帶信號，然后通過光電轉換變為光信號經光纖傳送至數字射頻功率放大器。射頻發送單元控制器接收來自數字射頻功率放大器的狀態信息供成像系統應用。如圖6所示，數字化梯度波形發送單元，通過總線接口接收來自專用計算機的梯度控制信息，在梯度發送單元控制器的控制下，對應X軸控制器、Y軸控制器、Z軸控制器，得到X、Y、Z方向上梯度控制信息，統一經梯度波形編碼之后，由光電轉換單元變為光信號經光纖傳至數字梯度放大器。同時數字梯度放大器的輸出電流、功率等一些狀態信息以光信號形式用光纖傳送至數字化梯度波形發送單元的控制接口，供成像系統應用。其中，數字化磁體管理及患者監控單元，通過磁體管理及患者監控前端，將磁體系統的工作狀態，如溫度或其他相關信息通過數字光纖傳送至譜儀。同時，也可以將患者的心電、呼吸等監控信息通過數字接口傳送至譜儀。其中，專用計算機運行著磁共振成像系統軟件，全數字化磁共振成像譜儀通過它控制著成像系統中的各個單元或部件，如接收前端單元、數字梯度放大器、磁體管理及患者監控前端。另外，專用計算機還集成了醫師操用臺功能本發明還公開了一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，該成像系統集成了數字NMR化接收單元、數字化射頻發送單元、數字化梯度發送單元、數字磁體管理功能和數字患者監控單元。其中數字化NMR接收單元，支持N(N為整數)個NMR信號接收通道，在系統增加新的接收通道時，系統僅需要增加相應的模擬前端模塊，系統互聯的線纜數目并沒有增加，成本沒有成倍增加，也減輕了系統升級與維護成本；其中，數字化射頻發送單元，將數字射頻波形發送至數字射頻功率放大器，同時可以精確控制射頻功率放大器的輸出功率； 其中，數字化梯度發送單元，將數字梯度波形發送至數字梯度放大器，同時可以精確控制梯度放大器的輸出電流，對于梯度放大器設計而言，可以應用精度更高的一些數字算法，以提高梯度放大器響應時間及輸出電流準確度；其中數字磁體管理單元，可以將磁體的狀態信息實時傳送到譜儀，便于譜儀對磁體的實時控制，如勻場操作；其中，數字患者監控單元，可以將患者的心電、呼吸、位置等信息以數字信號的形式通過光纖實時傳送到譜儀，以便一些高級掃描序列的應用需要；
如圖7所示，本發明的磁共振成像以數字方式控制射頻功率放大器，以數字方式控制梯度放大器；以數字方式傳輸NMR接收信號；與此同時，譜儀執行掃描序列時方法步驟步驟1，掃描開始；步驟2，預掃描階段，成像系統對接收前端單元、數字射頻功率放大器、數字梯度放大器校正，工作狀態檢測，正常則進行步驟2，否則錯誤處理；步驟3，掃描階段，發出數字射頻、數字梯度信號，接收數字NMR信號；步驟4，成像重建階段，成像軟件對數字NMR信號進行圖像重建，多序列排隊情況下，進行步驟1 ；步驟5，掃描完成，準備掃描下一序列。該方法以全數字方式控制射頻功率放大器、梯度放大器，提高了控制精度與靈活性；以全數字方式傳輸NMR接收信號，提高信號的傳輸質量，進而提高了成像的信噪比；多序列隊列掃描時，在步驟4的成像重建階段同時進行步驟2，以減少掃描時間，加快成像速度。本發明基于全數字化譜儀的磁共振成像系統及方法，實施方式，可跟據市場需求靈活配置接收通道數。以下僅列出3種典型常用的實施方式，分別為4接收通道磁共振成像系統、16接收通道磁共振成像系統和1 接收通道磁共振成像系統。當然，以下所列出的實施方式并不代表本發明所聲明的全部實施方式，基于本發明思想的任何實施方式，仍在本發明的具體實施方式
范圍之內。實施例(1) 1 :4接收通道磁共振成像系統，如圖8、11。由于4接收通道磁共振成像系統應用比較廣泛，現已裝機的開放磁共振系統仍以 4接收通道為主，所以4接收通道全數字化譜儀對現有老舊磁共振成像系統設備行升級改造仍有積極意義。4接收通道全數字化譜儀的接收前端單元，由4個接收模擬前端通道1 4、1個接收數據處理單元、控制單元、時鐘管理和光電轉換組成。每個接收模擬前端通道分別對應一個接收線圈(圖中未標示)，接收模擬前端通道功能構成框圖如圖3所示，其作用將從接收線圈耦合的模擬NMR信號轉換為直接數字NMR信號，4路直接數字NMR信號經接收數據處理單元的數字下變頻、可變帶寬濾波器、通道數據編碼數字信號處理之后送至光電轉換模塊變為光信號經光纖送至譜儀的數字化NMR信號接收單元。數字化NMR信號接收單元，將來自接收前端的數字NMR信號經光電轉換、通道數據解碼、接收FIFO將4路NMR接收信號通過總線接口經系統總線送至系專用計算機，系統成像軟件藉此對檢查對象成像。實施例⑵2 16接收通道磁共振成像系統，如圖9。對于高場應用，16接收通道為全數字化譜儀的基本配置方式。16接收通道全數字化譜儀的接收前端單元，由8個接收模擬前端通道號1 16、1個接收數據處理單元、控制單元、時鐘管理和光電轉換組成。每個接收模擬前端通道分別對應2個接收線圈，接收模擬前端通道功能構成框圖如圖3所示，其作用將從接收線圈耦合的模擬NMR信號轉換為直接數字NMR信號，16路直接數字NMR信號經接收數據處理單元的數字下變頻、可變帶寬濾波器、通道數據編碼數字信號處理之后送至光電轉換模塊變為光信號經光纖送至譜儀的數字化NMR信號接收單元。數字化NMR信號接收單元，將來自接收前端的數字NMR信號經光電轉換、通道數據解碼、接收FIFO將16路NMR接收信號通過總線接口經系統總線送至系專用6/6頁
計算機，系統成像軟件藉此對檢查對象成像。實施例(3) 3 128接收通道磁共振成像系統，如圖10。對于高場應用，1 接收通道為全數字化譜儀的高級配置方式。此配置方式適合一些高級掃描序列應用。1 接收通道全數字化譜儀具有4個接收前端單元和與之對應的4 通道數字化NMR信號接收單元，每個接收前端單元由8個接收模擬前端通道號1 32、1個接收數據處理單元、控制單元、時鐘管理和光電轉換組成。每個接收模擬前端通道分別對應 4個接收線圈，接收模擬前端通道功能構成框圖如圖3所示，其作用將從接收線圈耦合的模擬NMR信號轉換為直接數字NMR信號，32路直接數字NMR信號經接收數據處理單元的數字下變頻、可變帶寬濾波器、通道數據編碼數字信號處理之后送至光電轉換模塊變為光信號經光纖送至譜儀的4通道數字化NMR信號接收單元。4通道數字化NMR信號接收單元，將來自接收前端的4路數字NMR信號經4個光電轉換、通道數據解碼、接收FIFO將1 路NMR接收信號通過總線接口經系統總線送至系專用計算機，系統成像軟件藉此對檢查對象成像。
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權利要求
1.一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，全數字化譜儀集成了專用計算機及與該專用計算機連接的數字化NMR信號接收單元，數字化射頻激勵發送單元，數字化梯度波形發送單元和數字化磁體管理及患者監控單元；所述數字化NMR信號接收單元具有N個接收通道，每個接收通道連接接收前端單元中的一個接收前端模塊，發送數字控制信號到接收前端單元；所述接收前端模塊具有M個接收模擬前端通道和一個對接收模擬前端通道傳送的信號進行處理的數據處理單元。所述數字化射頻激勵發送單元與數字射頻功率放大器連接，將數字化射頻激勵波形發送至數字射頻功率放大器，并通過數字射頻功率放大器的控制接口，控制并讀回功率放大后的輸出功率與數字射頻功率放大器的工作狀態；所述數字化梯度波形發送單元與數字梯度放大器連接，將數字化梯度波形發送至數字梯度放大器，控制并讀回數字梯度放大器的輸出電流、發射功率與工作狀態；所述數字化磁體管理及患者監控單元與磁體管理及患者監控前端連接，讀取磁體系統的工作狀態信息和對患者的監控信息。
2.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述專用計算機集成醫師操作臺功能，操作醫師可提借助于連接于全數字化譜儀的顯示設備和鼠標、鍵盤對系統近距離或遠程操作。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于， 所述專用計算機運行磁共振成像系統軟件。
4.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述數字化NMR信號接收單元與接收前端單元、所述數字化射頻激勵發送單元與數字射頻功率放大器、所述數字化梯度波形發送單元與數字梯度放大器、所述數字化磁體管理及患者監控單元與磁體管理及患者監控前端均通過高速數字光纖、電纜或無線方式連接。
5.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述接收前端模塊把從線圈耦合的NMR信號經過阻抗匹配、低噪聲信號調理、可變增益及帶寬濾波，再經模數轉換為未處理的數字NMR信號，M路未處理的數字NMR信號匯總至一個數據處理單元進行數字信號處理。
6.根據權利要求5所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述低噪聲信號調理包括對信號的限幅、放大和濾波處理。
7.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述數據處理單元包括依次包括數字下變頻單元，可變帶寬濾波器和通道數據編碼器。
8.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述接收前端模塊內置于線圈內部，或者通過同軸電纜連接至線圈外部。
9.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述數字化射頻激勵發送單元通過總線接口接收來自專用計算機的控制數據，對波形表查表得到所要發射的射頻波形經數字上變頻變換為數字頻帶信號，再通過光電轉換變為光信號經光纖傳送至數字射頻功率放大器。
10.根據權利要求1所述的一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統，其特征在于，所述數字化梯度波形發送單元通過總線接口接收來自專用計算機的梯度控制信息，在梯度發送單元控制器的控制下，對應X軸控制器、Y軸控制器、Z軸控制器，得到X、Y、Z方向上梯度控制信息，統一經梯度波形編碼之后，由光電轉換單元變為光信號經光纖傳至數字梯度放大器。
全文摘要
本發明涉及一種基于全數字化譜儀的磁共振成像系統。系統采用模塊化設計思想，模塊之間采用數字接口，不僅顯著地提高模塊之間信號質量還可以顯著地降低系統成本及裝機與維護難度，系統至少包括操作顯示單元；全數字化磁共振成像譜儀，其中集成了專用計算機、數字化射頻激勵發送單元、數字化NMR(核磁共振)信號數字接收單元、數字化梯度波形發送單元；數字化磁體管理及患者監控單元；數字梯度放大器；數字射頻功率放大器；接收前端單元。本發明還提供了一種基于全數字化譜儀的磁共振成像方法，該方法借助于全數字化譜儀以數字方式控制系統中的各個部件，提高了控制精確度的同時也節省了掃描時間，提高了成像速度。
文檔編號A61B5/055GK102551722SQ20121000924
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月12日 優先權日2012年1月12日
發明者丁志文, 盧廣, 張丙春, 施金泉, 潘奎, 王君杰 申請人:遼寧開普醫療系統有限公司