基于PXIe架构的一种新型数字化磁共振成像谱仪发射机的研制

摘要

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是20世纪发展并成熟的一种新型成像方式，主要应用于医学成像等领域，是一种原子核处于外部均匀磁场中，在外加射频脉冲条件下产生共振信号，再经过计算机处理而成像的技术。MRI 系统主要由主计算机、谱仪、磁体、功率放大器、梯度线圈和射频线圈等构成。其中谱仪（Spectrometer）是磁共振系统的心脏，它主要负责MRI系统中各种硬件信号的产生、传输和处理。而射频发射机又是谱仪的重要组成部分，在磁共振成像系统中，它主要被用于发射射频脉冲，从而激发病人体内的原子核（一般为氢核），以获取病人特定部位的生理信息。本文旨在设计一个高集成度，高性能的能够满足磁共振成像系统要求的射频发射机。 本文设计完成了基于PXIe架构的一种新型数字化谱仪发射机，硬件部分采用美国国家仪器（National Instruments，NI）公司的四通道收发适配器模块NI-5783和FlexRIO FPGA模块PXIe-7972级联而成，软件部分利用Labview替代传统FPGA底层硬件描述语言VHDL或Verilog进行软件开发，大大节省了开发时间，提高了开发效率。本文设计的谱仪发射机能够输出的正弦信号频率可以从直流（0.01Hz）到200MHz；具有快速频率切换和幅度切换功能：在50MHz和100MHz频率之间切换时间小于2个周期，最多不超过40ns；在64MHz频率下，幅度在0到2Vp-p之间切换时间在1个周期（16ns）之内，并且能保证幅度和频率的同时快速切换；本文设计的谱仪发射机还能够输出中心频率为64MHz和128MHz时的sinc射频调制软脉冲，在中心频率为64MHz或128MHz，带宽2MHz的条件下输出杂散低于-70dBc，证明本文设计的射频发射机可以应用于磁场强度为 1.5T 和 3T 的磁共振成像系统中。本文采用同步复位的方法实现了发射机和接收机之间的相位相干以避免引入伪影。最后，我们设计完成了由射频发射机（TX）、射频接收机（RX）、梯度放大器（GTX）和扫描控制器（SBC）组成的基于PXIe架构的一种新型数字化谱仪，并在奥泰医疗系统有限责任公司的1.5T磁共振成像系统EchoStar中，使用GRE序列控制，在Single Band和Multi Band成像技术下，替代其商用谱仪分别完成了水模成像实验，验证了我们设计的基于PXIe架构的新型数字化磁共振成像谱仪的可行性。

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