一种具有集成与分布式结合结构的磁共振谱仪的制作方法

1.本发明涉及一种具有集成与分布式结合结构的磁共振谱仪，属于磁共振谱仪技术领域。


背景技术：

2.磁共振成像(magnetic resonance imaging，mri)技术是重要的医学影像诊断方法，磁共振成像设备通过采集原子核在静磁场中受到射频激发后产生的磁共振信号，经过后处理呈现出图像。
3.磁共振谱仪是磁共振成像设备的核心控制部件，它负责产生用于射频激发的射频信号以及用于空间定位的梯度波形信号，控制核磁共振设备的功率器件工作，并且接收从射频接收线圈接收到的核磁共振信号，进行一系列信号处理后发送给计算机系统重建生成磁共振图像。目前市场上现有的磁共振谱仪基本已经实现了信号的数字化、结构的模块化和互联介质的光纤化。
4.目前大部分磁共振谱仪的结构如下：将不同的功能执行电路细分成不同模块，各模块之间通过背板物理总线插针结构或者光纤接口结构进行互联和数据的交换。这种分布结构导致了谱仪系统连接复杂，各模块之间连接不可靠的问题，给系统集成和系统的稳定性带来了困扰。由于互联接口的增加也导致了谱仪成本的上升。鉴于此，提出一种集成与分布相结合的磁共振谱仪架构。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种具有集成与分布式结合结构的磁共振谱仪。
6.本发明所要解决的技术问题采取以下技术方案来实现：
7.一种具有集成与分布式结合结构的磁共振谱仪，包括集成有多个功能电路的单板扫描控制单元、数据通信单元以及多路并行的数据接收单元；
8.所述数据通信单元向上与上位机相连，所述单板扫描控制单元向上与数据通信单元相连，所述单板扫描控制单元向下与多路并行的数据接收单元相连；
9.所述数据通信单元包括控制数据交换的控制器、与计算机主板进行信息交换的计算机接口、与单板扫描控制单元通信的专用接口以及与磁共振门控触发单元通信的专用接口；
10.所述单板扫描控制单元上的多个功能电路通过pcb板级连线连接并集成于一张pcb板内，其中功能电路包括同步时钟电路、数据解析控制器、与数据通信单元进行数据交换的专用接口电路、射频发射电路、梯度驱动电路以及数据接收电路；所述数据通信单元通过与单板扫描控制单元通信的专用接口与所述专用接口电路连接；
11.所述数据接收单元由与单板扫描控制单元通信的专用接口、数据控制器以及若干模拟接收通路组成，所述数据控制器通过专用接口与单板扫描控制单元的数据接收电路连
接，所述数据控制器与若干模拟接收通路分别相连。
12.作为优选实例，所述单板扫描控制单元各功能电路都带有数字接口与模拟接口两种接口。
13.作为优选实例，所述同步时钟电路分别连接至单板扫描控制单元的数据解析控制器、射频发射电路、梯度驱动电路、数据接收电路以及数据通信单元和多路并行的数据接收单元。
14.作为优选实例，所述数据通信单元的计算机接口采用pcie通信接口。
15.本发明的有益效果是：
16.(1)通过本发明，提供一种具有集成与分布式结合结构的磁共振谱仪，包含集成各功能电路的单板扫描控制单元、数据通信单元以及多路并行的数据接收单元，一套磁共振谱仪可以灵活适配各种不同配置和定位的磁共振系统，有极高的兼容性；
17.(2)单板扫描控制单元各模块之间的通信通过板级线路连接，加工精度高，连接稳定，不会因为外力和环境等问题造成连接不良，可最大程度上保持信号完整性，提高了谱仪的稳定性和信号质量；
18.(3)单板扫描控制单元各功能电路都带有数字接口和模拟接口两种接口，可以适配不同类型的后级功率器件和模拟接收链路；
19.(4)同步时钟电路将时钟信号连接至单板扫描控制单元的各个功能电路以及其数据通信单元和数据接收单元，确保各个单元之间的时钟同源同相，提高了序列扫描的精度，提高了图像质量；
20.(5)数据通信单元与计算机的接口使用普遍的pcie通信接口，兼容性好，可以接入不同功能的专用计算机；
21.(6)数据接收单元可多组并行工作，可任意通道组合选通。
附图说明
22.图1为本发明磁共振谱仪的总体结构示意图；
23.图2为本发明磁共振谱仪中数据通信单元的结构示意图；
24.图3为本发明磁共振谱仪中单板扫描控制单元的结构示意图；
25.图4为本发明磁共振谱仪中数据接收单元的结构示意图；
26.图5为本发明磁共振谱仪中数据接收单元的安装方式一的结构示意图；
27.图6为本发明磁共振谱仪中数据接收单元的安装方式二的结构示意图；
28.图7为本发明磁共振谱仪中数据接收单元的安装方式三的结构示意图。
具体实施方式
29.为了对本发明的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示及实施例，进一步阐述本发明。
30.实施例：
31.如图1
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图7所示，本发明提供一种集成控制和分布式结合的磁共振谱仪。具体如图1所示，其包含集成各功能电路的单板扫描控制单元、数据通信单元以及多路并行的数据接收单元。数据通信单元接收来自上位机下发的序列执行数据包，并发送给单板扫描控制单
元。单板扫描控制单元接收数据通信单元下发的序列执行数据包，保存并解析数据包中不同类型的硬件执行数据，分配给单板内部不同功能电路进行执行。同时单板扫描控制单元还可将接收类型的执行数据发送给位于屏蔽室内的多个并行工作的信号接收单元。并行工作的数据接收单元可跟据扫描控制单元下发的配置采集磁共振共振信号，经过ad转换之后将数据并行的传输至单板扫描控制单元。单板扫描控制单元再将数据通过数据通信单元上传至上位机，用于磁共振图像的重建和后处理。
32.其中，数据通信单元可集成在不同功能的专用计算机内，以适应不同计算机结构的磁共振系统，如用户使用的操作计算机或负责图像重建的重建计算机中。如图2所示，其包含控制数据交换的控制器、与计算机主板进行信息交换的通信接口、与单板扫描控制单元通信的专用接口以及与磁共振门控触发单元通信的专用接口四部分。其中控制器可以为altera公司或xilinx公司的fpga或其他嵌入式芯片的一种或几种组合。与计算机进行信息交换的通信接口可以为pcie接口。与单板扫描控制单元通信的高速专用接口可以为自定义协议的高速串行光纤接口。
33.其中，与门控触发单元通信的专用接口可以为自定义协议光纤接口、同轴线缆接口或者标准协议的串行通信接口等接口中的一种或者几种组合。
34.其中，单板扫描控制单元是磁共振序列扫描过程中的核心硬件控制执行部件。它接收来自数据通信单元下发的硬件执行指令数据包，保存并解析数据包中不同类型的硬件执行数据，分配给单板内部不同的功能电路进行执行，或将相关的指令数据包解析后通过专用接口下发给其他硬件执行单元。如图3所示，单板扫描控制单元采用单板pcb设计，将各个功能电路集成于一张pcb板内，包含以下功能电路：同步时钟电路、数据解析控制器、与数据通信单元进行数据交换的专用接口电路、射频发射电路、梯度驱动电路、数据接收电路。
35.单板扫描控制单元的各个模块直接通过pcb板级线路连接。
36.同步时钟电路以高精度恒温晶振为核心，用于产生多路高精度同步时钟，同时分配给单本扫描控制单元内的数据解析控制器、射频发射电路、梯度驱动电路、数据接收电路，此外此时钟也会同时分配给数据通信单元和多个独立的数据接收单元，用于保持各模块之间的时钟相干，确保各个单元之间的时钟同源同相，提高了序列扫描的精度，提高图像质量。
37.数据解析控制器使用高性能大规模fpga实现，数量可为一片或多片配合工作。数据解析控制器将经过专用接口传输而来的序列扫描硬件控制指令进行解析，区分出不同硬件的执行指令类型后分别进行存储操作和下发操作和配置操作，控制各功能电路。
38.其中，功能电路有以下三种类型：
39.射频发射电路，它的作用是产生磁共振射频激发信号，产生控制后级射频放大器、射频前端等部件的控制信号。所述射频发射电路可由一组和多组构成，可实现信号的多路并行输出。射频发射电路中的器件接受数据解析控制器的参数配置，并在数据解析控制器和同步时钟的同步控制下工作。每组射频发射电路包括一路模拟输出接口和一路数字输出接口，可分别适配不同类型射频放大器、射频前端。
40.射频发射电路模拟接口部分采用兼容多种频率滤波器的设计，可根据实际应用更换不同频率的模拟滤波器，以兼容不同场强的磁共振系统。
41.梯度驱动电路，可由一组或多组梯度驱动电路构成。它的作用是产生若干路成像
梯度信号和匀场梯度信号，产生梯度放大器、匀场放大器等器件的控制信号。梯度驱动电路中的器件接受数据解析控制器的参数配置，并在数据解析控制器和同步时钟的同步控制下工作。每组梯度驱动电路包括一组若干路的模拟输出接口和一组数字输出接口，可分别适配不同类型的梯度放大器和匀场放大器。
42.射频接收电路，它的作用是检测磁共振的共振信号，经过信号处理和模数采样之后，将磁共振数字信号上传至数据解析控制器，后经数据解析控制器和数据通信单元上传至专用计算机进行数据后处理和图像显示。射频接收电路包括若干路模拟接口和若干路数字接口。射频接收电路接受数据解析控制器的参数配置，也可将配置参数通过数字接口并行转发至独立的数据接收单元，用以控制数字接收单元的多路并行工作。射频接收电路的多路模拟接收通路可直接处理模拟通道传输过来的模拟磁共振信号，将数字化后的磁共振信号直接通过数据解析控制器和数据通信单元上传至专用计算机。也可以将多路并行工作的数据接收单元上传的数字化磁共振数据通过数据解析控制器和数据通信单元上传至专用计算机，以此拓展更多磁共振接收通道并保证多路磁共振接收通道的并行工作。
43.多路模拟接收通路可根据不同磁共振接收系统进行配置，优选的配置为4路或者8路，当谱仪用于低场磁共振成像系统或者磁共振低场波谱和时域谱系统时，通常使用模拟接收通道进行磁共振信号的采集。
44.多路模拟接收通路采用兼容多种频率滤波器的设计，可根据实际应用更换不同频率的滤波器，以兼容不同场强的磁共振系统。
45.其中，如图4所示，数据接收单元由专用接口、控制器和若干路模拟接收通路组成，本实施例中使用16个模拟接收通道，可匹配现有市场高场磁共振成像系统模拟接收链路。同时多个数据接收单元并行工作，可满足更多通道要求的高端磁共振成像系统模拟接收链路要求。多个并行工作的数据接收单元内的所有模拟接收通道可实现任意组合选通，满足磁共振临床中不同通道组合使用的应用。
46.数据接收单元的专用接口与单板扫描控制单元的数据接收电路中的数字接口连接，用于数据接收单元配置指令的接收以及磁共振数据的发送。专用接口可由自定义协议的高速串行数字光纤模块构成。
47.模拟接收通路采用兼容多种频率滤波器的设计，可根据实际应用更换不同频率的信号滤波器，以兼容不同场强的磁共振系统。
48.数据接收单元可灵活安装于磁共振电磁屏蔽室内从磁共振线圈信号耦合器之后到电磁屏蔽穿透板的不同位置，以配合不同类型的磁共振成像系统。本发明实施例列举了以下三种安装方式。具体见图5
‑
图7。
49.方式1.可安装于磁共振电磁屏蔽室穿透板屏蔽室内侧，磁共振模拟信号通过模拟线路引出至穿透板内侧，连接至数据接收单元，信号经过数字化后通过数据接收单元的专用光纤穿过穿透板的波导管发送至单板扫描控制单元。
50.方式2.可安装于磁共振磁体旁边，磁共振模拟信号通过模拟线路引出至磁体旁边，连接至数据接收单元，信号经过数字化后通过数据接收单元的专用光纤引出穿过穿透板的波导管发送至单板扫描控制单元。
51.方式3.可安装于检查床上接收线圈信号耦合器后端，磁共振模拟信号从接收线圈信号耦合器直接连接至数据接收单元，信号经过数字化后通过数据接收单元的专用光纤引
出穿过穿透板的波导管发送至单板扫描控制单元。
52.本发明技术方案带来的有益效果如下：
53.单板扫描控制单元各模块之间的通信通过板级线路连接，加工精度高，连接稳定，不会因为外力和环境等问题造成连接不良，可最大程度上保持信号完整性，提高了谱仪的稳定性和信号质量。
54.单板扫描控制单元各功能电路都带有数字接口和模拟接口两种接口，可以适配不同类型的后级功率器件和模拟接收链路。
55.同步时钟电路将时钟信号连接至单板扫描控制单元的各个功能电路以及其数据通信单元和数据接收单元，确保各个单元之间的时钟同源同相，提高了序列扫描的精度，提高了图像质量。
56.数据通信单元与计算机的接口使用普遍的pcie通信接口，兼容性好，可以接入不同功能的专用计算机。
57.数据接收单元可多组并行工作，可任意通道组合选通。
58.采用集成与分布式结合的谱仪架构，一套谱仪可以灵活适配各种不同配置和定位的磁共振系统，有极高的兼容性。
59.针对低端定位的低场磁共振系统或低场核磁共振波谱系统，例如：0.35t永磁型磁共振成像系统、0.7t超导型磁共振成像系统。可将数据接收单元连接至用户扫描主机，同时使用单板扫描控制单元的模拟射频接口、模拟梯度接口以及模拟接收接口进行功率器件驱动和磁共振信号接收，此种方案结构简单，系统成本低。
60.针对高性能的高场磁共振成像系统，例如3.0t、64接收通道磁共振成像系统，用户操作计算机与重建计算机连接。数据通信单元集成于重建计算机内，使用单板扫描控制单元的多组模拟或数字射频接口、多组模拟梯度接口驱动高性能功率部件。多路并行工作的数据接收单元安装于磁共振电磁屏蔽室内，用于多路磁共振信号的接收。本技术方案可支持高场多通道成像应用。
61.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。