磁共振谱仪系统中梯度板的波形地址发生器的功能研究与实现

摘要

核磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)是根据生物体磁性核在磁场中的表现特性成像的一种高新技术。磁共振成像系统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，在疾病诊断与治疗方面有很大的优越性和潜力，应用前景十分广阔。谱仪作为MRI的核心，根据输出的脉冲序列，控制一定时序梯度信号与射频信号的配合，并且接收核磁共振后产生的信号，产生用来诊断的图像。 论文针对的是原有磁共振谱仪系统中梯度子系统的研究、改进及设计。文中叙述了梯度子系统中梯度波形发生器的功能和梯度板(MR3040)的波形地址发生器的功能研究与实现过程。由于原系统中需要改进替换的芯片具体功能未知，因此设计过程中采用反设计思路，先将芯片看成一个“黑匣子”，根据不同的脉冲序列，依靠逻辑分析仪和示波器等仪器进行了大量的测试，通过研究系统的基本原理，结合现有的资料对测试信号的时序进行分析，确定波形地址发生器芯片的具体功能，在此基础上采用VHDL语言对波形地址发生器的芯片功能进行了行为级的描述，并根据实际的要求简练地编写了内部约束文件，用Spartan-Ⅱ型现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray，FPGA)进行下载实现，而且给出了功能仿真图，实验结果可行。 论文中首先介绍了课题的背景与意义，并对MRI谱仪系统原理、梯度波形发生器和EDA技术做了简单的介绍，然后论述了在MRI谱仪中梯度板MR3040的功能，接着详细分析、研究了梯度板上波形地址发生器的工作过程，并阐述了设计实现的过程及仿真结果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章前言

1.1设计背景

1.2设计意义

第二章磁共振原理简介

2.1磁共振的物理解释

2.2核磁共振成像原理

2.2.1梯度场及其作用原理

2.2.2磁共振成像的空间定位

2.2.3图像重建

2.3脉冲序列

2.3.1自由感应衰减信号(FID)

2.3.2回波信号(ECHO)

2.4核磁共振成像设备的构成

第三章谱仪和梯度板3040简介

3.1谱仪的功能和结构

3.2 MR3040的结构和工作原理

3.3 MR3040的功能研究

第四章梯度波形发生器

4.1系统概述

4.1.1序列发生器

4.1.2序列存储器

4.1.3 DSP

4.1.4波形存储器

4.1.5乘法器和累加器(MAC)

4.1.6 DPRAM

4.1.7电源监视器

4.1.8模拟输出

4.2波形生成

4.2.1序列发生器指令

4.2.2矩阵计算和选择

4.2.3生成输出值

4.3 MR3040要点分析

4.4 MR3040写序列

第五章波形地址发生器的功能研究

5.1波形地址发生器的功能概述

5.2原芯片Xilinx 4003的研究

5.2.1原芯片Xilinx 4003的引脚信号功能研究

5.2.2系统的模块划分

5.3部分时序测试分析结果

5.3.1波形存储器使能信号的分析研究

5.3.2波形下载使能信号PCEN的分析研究

5.3.3串行回读信号ASD的分析研究

5.3.4时钟信号的参考分析

5.3.5序列相关信号的参考分析

5.4 PC的I/O端口对应的功能研究

5.4.1 PC的I/O基地址选择

5.4.2 PC的I/O端口功能分析

5.5序列指令的序列指令功能分析

第六章波形地址发生器的设计

6.1 EDA 工具的选择

6.2设计方式的选择

6.3 FPGA芯片的选择

6.4顶层模块的设计

6.5自动增量地址发生器的设计

6.5.1原理图的设计

6.5.2相应的VHDL语句

6.6串行回读ASD的设计

6.6.1串行输出的过程

6.6.2相应的VHDL语句

6.7 ModelSim下的仿真

第七章总结与展望

7.1设计的总结

7.2设计的展望

参考文献

致谢