基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器的研制

摘要

随着磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging: MRI)技术的迅速发展，作为主流的临床医学成像技术之一，MRI得到了越来越广泛的应用。在NMR与MRI领域，整个系统的电子控制器称为谱仪(Spectrometer)，谱仪是MRI系统的核心设备之一，它的性能对于MRI系统有着重要意义。射频(Radio-Frequency: RF)脉冲发生是谱仪的一个重要的功能，在MRI中，射频脉冲激励磁场中的样本,产生核磁共振，通过接收载有空间编码信息的回波信号，得到样本的内部信息。随着MRI技术和数字技术的快速发展，特别是集成芯片FPGA与DDS器件的出现，为研制高集成、高性能射频脉冲发生器提供了良好的基础。
　　 为了适应谱仪的控制模式，实现灵活而精确地发生软、硬脉冲的功能，并且降低设备的成本，本课题研制基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器，实现预定的功能指标。作为高性能的，具有自主知识产权谱仪的一部分。本文的主要内容如下:
　　 (1)介绍了核磁共振成像的基本原理以及谱仪的组成结构，包括序列控制器、射频发生模块、梯度发生模块、数据采集模块以及网络通信单元。
　　 (2)提出了一种基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器的硬件设计方案。利用直接数字频率合成器(DDS)完成频率合成、数模转换等功能，使得输出波形具有精确的相位、频率分辨力。其快速的相位、频率、幅度切换速度等特性能够满足磁共振成像谱仪的性能需求。
　　 (3)完成射频脉冲发生器的功能测试与试验，并对试验结果进行分析。实现射频发生模块产生硬脉冲以及软脉冲（Sinc脉冲、高斯脉冲）;测试分析射频信号频谱纯度即相位噪声、杂散以及噪声基底。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 磁共振成像概述

1．2 课题研究背景

1．3 课题研究意义

第二章 磁共振成像原理与射频脉冲

2．1 磁共振原理

2．1．1 原子核的自旋与进动

2．1．2 磁共振原理

2．1．3 磁共振成像原理

2．2 核磁共振成像系统

2．2．1 MRI系统

2．2．2 射频发生模块简介

2．3 FID和SE信号

2．3．1 自由感应衰减

2．3．2 自旋回波

2．4 RF脉冲

2．4．1 RF脉冲

2．4．2 层面(Slice)选择

2．5 本章小结

第三章 直接数字频率合成技术与FPGA

3．1 直接数字频率合成技术

3．1．1 直接数字频率合成原理

3．1．2 相位噪声与杂散噪声

3．2 FPGA

3．2．1 FPGA简介

3．2．3 Altera OuartusⅡ

3．3 本章小结

第四章 射频脉冲发生器的设计

4．1 射频脉冲发生器的硬件设计

4．1．1 射频脉冲发生器控制方案

4．1．2 芯片选择及其内部资源

4．1．3 射频脉冲发生器电路设计

4．2 射频发生器的软件设计

4．2．1 设计流程

4．2．2 程序设计

4．3 本章小结

第五章 实验结果

5．1 射频脉冲发生模块

5．2 射频脉冲发生器的功能测试

5．3 本章小结

已取得的学术成果

第六章 工作总结

参考文献

致谢

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