磁共振谱仪系统中梯度板的脉冲编程接口功能研究与实现

摘要

医学成像是生物医学工程学科的重要研究方向，核磁共振成像(Magnetic ResonanceImaging，MRI)已成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一。核磁共振成像技术在临床和科研应用中正发挥着越来越重要的作用。MRI仪器的关键技术被少数国外大公司所掌握，仪器价格昂贵。因此有必要在国内开展MRI仪器技术方面的研究。 本文详细叙述了对磁共振成像谱仪系统中梯度板上脉冲编程接口进行的功能研究及重新设计的过程。此次研究是在原芯片功能完全未知，仅根据少数简单的用户操作手册对功能进行分析，通过一系列的实验研究改变其输入引脚的时序关系，使用逻辑分析仪采集得来的各个输出引脚时序特性，反向分析原芯片内部的时序关联性，确定其所有功能，最后再用电子设计自动化(Electronic Design Automation，EDA)的设计方法来实现芯片的功能。本设计选用xilinx公司的Spartan-Ⅱ型现场可编程门阵列(FieldProgrammable GateArray，FPGA)芯片作为载体，采用自顶向下的设计方法，利用EDA设计语言中的高速硬件描述语言(Very-high-speed Hardwarle：Description Language，VHDL)对这片脉冲编程接口芯片的功能进行了行为级的描述，用Xili似公司的FPGA开发软件ISE6.2和Model Technology公司的Modelsim进行设计仿真及下载实现。 本文首先介绍了课题的背景及研究意义，还介绍了磁共振成像的原理以及MRI设备各个部分的结构;其次描述了谱仪的硬件结构并着重说明了谱仪中的梯度波形发生单元的工作原理及孩子系统中的各个部分的系统概述还有波形生成的原理；最后是设计的主体．弹细阐述了脉冲编程接口的功能研究及发计过程。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2 EDA技术在MRI谱仪系统中脉冲编程接口中的应用

1.3主要研究内容

第二章磁共振成像的原理

2.1物理解释

2.2磁共振成像的原理

2.2.1射频信号对磁场中质子的激发

2.2.2 FID信号和回波信号

2.2.3梯度磁场的产生及其原理

2.2.4梯度磁场的作用

2.3磁共振成像系统的结构

第三章MRI谱仪及梯度波形发生器

3.1 SMIS公司的谱仪简介

3.1.1谱仪在磁共振系统中的位置

3.1.2谱仪的功能简述

3.1.3谱仪的硬件结构

3.1.4谱仪的软件结构

3.2 MR3040板的构成及简单工作原理

3.3 MR3040的系统概述

3.3.1序列发生控制器

3.3.2序列存储器

3.3.3波形存储器

3.3.4数值计算单元

3.3.5数据存储器(FIFO)及D/A转换器

3.3.6电源监视器

3.4 MR3040波形生成原理

3.4.1序列发生器指令

3.4.2矩阵计算和选择

3.4.3生成输出值

第四章脉冲编程接口的功能研究

4.1脉冲编程接口的功能研究

4.1.1脉冲编程接口的基本功能研究

4.1.2脉冲编程接口的具体功能研究

4.2原芯片Xilinx4003的研究

4.3 MR3040PPI的设计构思

4.3.1分模块描述

4.3.2电路芯片的选择

4.3.3设计流程和设计工具

第五章基于Spartan-Ⅱ的3040PPI设计实现

5.1顶层模块的设计

5.1.1 3040PPI输入输出信号说明

5.1.2实体设计

5.2控制信号的产生

5.2.1控制信号的时序分析及实现

5.2.2仿真结果

5.3通用控制端口

5.3.1对序列发生器的控制命令

5.3.2系统的状态及控制端口

5.3.3对DSP寄存器的控制

5.4用于控制加载序列指令的信号

5.4.1控制加载序列指令的时序分析

5.4.2设计实现及仿真

5.5数据串行返回协议

5.5.1数据串行接收

5.5.2数据串并转换及返回

5.5.3仿真结果

第六章总结与展望

6.1设计总结

6.2展望

参考文献

致谢