一種實現發射源和接收源相位同步的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及磁共振成像領域，具體是一種在磁共振成像中實現發射源和接收源相位同步的方法及裝置。該方法及裝置通過直接數字頻率合成技術和可編程數字邏輯產生與待成像物的拉莫頻率同頻的參考頻率源，并能實時地輸出其相位。在激發和解調前，將發射和接收相位各自切換為該參考源相位，實現基于同一個參考源的相位調制，從而保證了發射和接收源的相位同步。其優點是該方法不依賴于發射源和接收源之間的頻率關系，因此無需在序列運行中插入額外的“頻率回繞”延時，也無需嚴格地同步更新發射和接收源的頻率，對序列的編寫和設計沒有特殊的要求，是適用于磁共振成像的一種普遍方法及裝置。
【專利說明】一種實現發射源和接收源相位同步的方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及磁共振成像領域，具體涉及一種在磁共振成像中實現發射源和接收源相位同步的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]發射裝置和接收裝置是磁共振譜儀的兩個重要組成部分，發射裝置用來發生射頻脈沖以激發樣品產生磁共振信號，接收裝置用來采集磁共振信號。在現代化磁共振譜儀中，發射裝置和接收裝置通常均采用直接數字式頻率合成器(DirectDigitalSynthesizer,DDS)分別實現發射調制的頻率源(以下簡稱為發射源)和接收解調的頻率源(以下簡稱為接收源)，解調后磁共振信號的相位取決于發射源相位(以下簡稱為發射相位)和接收源相位(以下簡稱為接收相位)的差。
[0003]在常規的磁共振波譜儀中，發射頻率和接收頻率總是保持一致，因此發射相位和接收相位可以維持固定相位差即相位同步，這樣接收得到的磁共振信號的相位是穩定的。但在磁共振成像中，為了進行多層面的選擇性激發，發射源需要在掃描過程中反復進行頻率切換(用于選擇性激發不同的層面)，而接收源在信號采集時保持拉莫頻率不變，因此發射源和接收源在多層面激發的序列掃描中難以保證相位同步關系，這樣接收得到的磁共振信號的相位就會產生波動，從而影響信號累加和相位梯度編碼的正確性。
[0004]在多層面激發成像中，為了實現發射源和接收源之間的相位同步關系，通常采用一種叫做“頻率回繞(Frequencyrewinding)”的技術。為了簡化說明,選擇激發兩個層面，相位編碼為兩次，每個層面在不同相位編碼下采集一個回波。如圖1所示，接收頻率始終固定為《o，設在第一個相位編碼(PEl)期間從時刻起發射源從初始選層頻率Wtl切換至下一個選層頻率《 i A J，`那么在時刻發射相位會超前接收相位，超前的相位為(CO「CO。)X (^-^上在^時刻起將發射頻率從％切換至回繞頻率(?/〈CO。)，如果滿足條件(c^-wCI)X(Ia2-1ai) = Otl-W/) X (ty-tu),那么在tu時刻接收相位會恰好和發射相位保持一致。這樣在第二個相位編碼(PE2)期間，當發射頻率從時刻起切換回初始選層頻率后，發射源和接收源仍然可以保持固定的相位差，因此在數據采集時可以保證回波信號具有正確的相位。否則，即使不加相位編碼梯度，相同層面的不同回波也會具有不同的相移，則無法進行正確的相位編碼操作。在實際的多層面成像掃描中，發射源可以經過多次切換回繞頻率以實現發射和接收的相位同步。該方法雖然有效，但是需要精確計算回繞頻率或回繞延時，還要在序列執行過程中多次插入額外的回繞延時，增加了脈沖序列設計復雜度和執行的時間。
[0005]李鯁穎等人提出另一種“快速頻率切換(Fast_frequencyswitching,FFS)”的方法(中國專利 ZL200410053153.9 ;中國專利 ZL200610116891.2 ；NingRuipeng, DaiYidong, YangGuang，LiGengying，Adigitalreceiverwithfastfrequency-andgain-switchingcapabiIitiesforMRI systems, Magn.Reson.Mater.Phy.，2009，22:333-342)。如圖 2 所不，當 PEl 期
間需要選層脈沖激發時，該方法在時刻將接收頻率切換至和發射頻率相同的頻率Co1,而在信號解調前(如在時刻)再把發射頻率和接收頻率同時切換至拉莫頻率Otl，這樣當PE2期間，發射和接收頻率又會在t2:1時刻同時切換至同一個選層頻率，因此，理論上，發射源和接收源可以在序列執行的過程中始終保持同頻和同步，從而保證發射源和接收源具有固定的相位差。但是該方法仍然依賴于發射源和接收源的頻率關系，在實際操作中，難以保證發射源和接收源能夠嚴格地保證同步更新，需要在解調后將發射和接收頻率同步回繞至初始頻率對更新延時進行補償。此外，在偏中心采集和多次頻率連續切換的情況下，發射和接收之間頻率更新的延時會導致不同層面的回波初始相位產生誤差。
【發明內容】
[0006]針對上述現有技術的不足之處，本發明的目的是提供一種在磁共振成像中實現發射源和接收源相位同步的方法及裝置，特別對于多層面(mult1-slice)掃描序列、偏中心視野(off-center FOV)掃描序列以及采用相位循環(phasecycling)技術的掃描序列，能夠保證其接收信號具有正確的相位信息。
[0007]為了實現上述目的，本發明由以下技術方案完成:
[0008]一種實現發射源和接收源相位同步的方法，包括以下步驟:
[0009]I)在執行脈沖序列前，產生與待成像物的拉莫頻率同頻的參考頻率源(以下簡稱為參考源)，并實時地輸出其相位；
[0010]2)在執行脈沖序列期間，在發射源產生選層激發脈沖前，將發射相位切換為當前參考源輸出相位，作為發射初相位；在接收源解調信號前將接收相位切換為當前參考源輸出相位，作為接收初相位；所述發射源產生選層激發脈沖和所述接收源解調信號之間的延時為固定值。
[0011]進一步地，上述脈沖序列由磁共振譜儀產生，具體說是由磁共振譜儀的序列管理器產生的,磁共振譜儀在工作時,通過執行脈沖序列，并根據序列設定的時序產生射頻脈沖信號，梯度波形信號，和采集磁共振信號的一系列物理過程；發射源和接收源在磁共振譜儀執行脈沖序列的過程中分別對射頻脈沖信號進行調制和對磁共振接收信號進行解調。
[0012]進一步地，所述參考源在可編程邏輯器件中采用數字頻率合成DDS技術產生。
[0013]進一步地，步驟I)中，輸出參考源的相位至磁共振譜儀的外部總線控制器，當需要產生相位切換的時候由外部總線控制器輸出至外部總線接口上。
[0014]在發射相位和接收相位設置之前均需要將發射源NCO (數字控制振蕩器)和接收源NCO的相位累加器清零，發射相位設置前從參考源獲取參考相位并與預先設定的相位偏移量相加得到新的發射初相位，并置入發射源NCO的相位累加器中并更新；接收相位設置前從參考源獲取參考相位并與預先設定的相位偏移量相加得到新的接收初相位，并置入接收源NCO的相位累加器中并更新。
[0015]由于選層激發脈沖前發射相位和信號解調前接收相位均基于同一個參考相位，因此只要保證選層激發脈沖和信號解調之間的延時是固定值，就能使發射源和接收源實現相位同步關系。
[0016]一種實現發射源和接收源相位同步的裝置，包括:
[0017]發射源，所述發射源包括第一可編程邏輯器件、數模轉換器及其外圍電路；
[0018]接收源，所述接收源包括第二可編程邏輯器件、模數轉換器及其外圍電路；[0019]和序列控制電路，所述序列控制電路包括第三可編程邏輯器件和序列管理器；
[0020]所述第一可編程邏輯器件、第二可編程邏輯器件、第三可編程邏輯器件通過直接數字頻率合成技術分別實現發射源的NC0、接收源的NCO和參考源的NCO ;所述參考源的NCO產生中心頻率與待成像物的拉莫頻率同頻的振蕩信號，并實時輸出其相位；
[0021]所述序列管理器產生所述發射源和接收源的同步信號并控制所述發射源產生選層激發激發脈沖和所述接收源信號解調之間的延時為固定值；所述發射源通過所述第三可編程邏輯器件上設置的外部總線接口接收參考源的當前輸出相位，將其設置為發射初相位，所述接收源通過所述第三可編程邏輯器件上設置的外部總線接口接收參考源的當前輸出相位，將其設置為接收初相位。
[0022]進一步地，所述數模轉換器配合第一可編程邏輯器件，用于產生射頻脈沖信號，SP射頻發射；模數轉換器配合第二可編程邏輯器件，用于采樣磁共振信號，即射頻接收。
[0023]進一步地，所述序列管理器為DSP或MCU0
[0024]進一步地，所述第一可編程邏輯器件、第二可編程邏輯器件、第三可編程邏輯器件為FPGA或者CPLD。
[0025]進一步地，所述發射源的NC0、接收源的NCO分別包括兩個部分:相位累加器和相位幅度轉換器，所述相位累加器用來產生合成頻率的相位信息，所述相位幅度轉換器將所述相位轉換成對應的幅度值。
[0026]進一步地，所述發射源的NC0、接收源的NCO和參考源的NCO均具有相同的精度，并米用同一個系統時鐘。
[0027]本發明的優點是，本發明提供的一種在磁共振成像中實現發射源和接收源相位同步的方法，不依賴于發射源和接收源之間的頻率關系，因此，無需在序列運行中插入額外的“頻率回繞”的延時，也無需嚴格地同步更新發射源和接收源的頻率，對序列的編寫和設計沒有特殊的要求，既可以應用在低場永磁和高場超導的磁共振成像譜儀中，也可以應用于不同發射源和接收源的架構，是適用于磁共振成像的一種普遍方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]附圖1為現有技術采用“頻率回繞”保持發射源和接收源相位同步的示意圖；
[0029]附圖2為現有技術采用“同時切換發射和接收源的頻率”以保持發射源和接收源相位同步的示意圖；
[0030]附圖3為“基于參考頻率源切換發射和接收相位”以保持發射源和接收源相位同步的不意圖；
[0031]附圖4為發射源、接收源和參考頻率源的硬件結構框圖；
[0032]附圖5為多層面梯度回波序列的時序圖。
[0033]其中:
[0034]100 —發射源；101—第一可編程邏輯器件；102—數模轉換器；110 —接收源；111 一第二可編程邏輯器件；112—模數轉換器；120—序列控制電路；121—序列管理器；122—第三可編程邏輯器件；130—外部總線接口。
【具體實施方式】[0035]以下結合附圖通過實施例對本發明作進一步詳細說明，以便于本領域技術人員的理解。
[0036]圖3是采用該方法激發兩個層面時相位切換的一個示意圖，在理想情況下，考慮接收頻率和參考頻率始終保持一致，因此，接收源和參考源相位始終保持同步關系。當PEl期間激發第一個層面時，發射，接收和參考頻率均為Otlt5由于在時刻需要激發第二個層面，發射頻率切換至O1(O1)Otl),發射相位也切換至參考源相位;而在信號解調前時刻將接收相位切換至參考源相位01;2。此后在PEl結束前，發射相位都會超前接收相位。直到PE2期間的t2，!時刻，發射頻率又切換回《 0,發射相位也切換至新的參考源相位
而此時接收相位和參考源相位也同為，使得發射和接收的相位關系重新保持一致。
[0037]在實際應用中，接收頻率在序列運行過程中并不會保持拉莫頻率而不變，作為示例，如當成像物體不在預先定位的讀方向視野中心時，就需要改變接收頻率產生偏中心的視野(OfT-CenterFOV)進行掃描。此時，盡管接收源和參考源不再始終保持同一頻率，但從圖3可知，若激發n個層面和進行m次相位編碼，激發和解調時所對應的發射和接收的相位差為 t，j+r 4) i, j = W0(ti；j+1-ti；j), i = 1，2，? ? ?，m, j = 0，2，? ? ?，n-1,因此可以理解的是，當序列將每次激發和解調之間的延時設置為固定值時，無論是相同層面還是不同層面，發射和接收的相位差總會保持相同。
[0038]本實施例中要切換發射和接收相位，實現基于參考源輸出的相位調制，需從硬件和軟件兩方面加以實現。
[0039]在硬件上，如圖4所示，作為示例，可以分別設置獨立的發射源和接收源，以及序列控制電路。發射源100主要由第一可編程邏輯器件101、數模轉換器102及其外圍電路(未示出)構成。接收源110主要由第二可編程邏輯器件111、模數轉換器112及其外圍電路(未示出)構成。序列控制電路120主要由序列管理器121和第三可編程邏輯器件122構成，其中，序列管理器121用來控制序列的運行并產生所述發射源和接收源的同步信號，可以是不同公司的不同型號的DSP或MCU，作為示例，如TI公司的C2000系列的DSP ;而第三可編程邏輯器件122用來實現其他電路`與序列控制電路的外部總線接口 130。第一至第三可編程邏輯器件101、111、122可以是不同公司的不同型號的FPGA或者CPLD，作為示例，如Xilinx公司的Spartan-6系列的FPGA。第一可編程邏輯器件101、第二可編程邏輯器件111和第三可編程邏輯器件122采用直接數字頻率合成DDS技術實現的數字控制振蕩器NC0，可以分別實時地輸出所述發射源、接收源和參考源的信號及其相位，其中所述發射源的NC0、接收源的NCO分別包括兩個部分:相位累加器和相位幅度轉換器，相位累加器用來產生合成頻率的相位信息，然后相位幅度轉換器將相位轉換成對應的幅度值；實現對輸出信號的頻率、相位以及幅度的快速切換以滿足磁共振成像的需求。發射源100和接收源110除了各自頻率源的NCO外，還可以存儲用戶設定的發射和接收的相位信息。所述第三可編程邏輯器件122中的參考源NCO可以產生中心頻率與待成像物的拉莫頻率同頻的振蕩信號。所述發射源的NC0、接收源的NCO和參考源的NCO均具有相同的精度，并采用同一個系統時鐘。
[0040]對于發射源100，在脈沖序列執行期間，當序列管理器121產生同步信號需要更新發射源頻率(即改變選層激發頻率)時，所述發射源NCO的相位累加器會被清零，同時通過外部總線接口 130獲取所述參考源NCO當前的輸出相位，并將其設置為發射初相位。對于接收源110，當序列管理器121產生同步信號需要同步接收相位時，所述接收源NCO的相位累加器會被清零，同時通過外部總線接口 130獲取所述參考源NCO當前的輸出相位，并將其設置為接收初相位。
[0041]在軟件上，通過基于匯編語言或C/C++的序列編譯平臺實現所述發射和接收源的相位同步的控制，在所述序列編譯平臺的函數庫中，所述發射和接收相位均由獨立的函數及參數進行控制，所述序列函數會產生對應的同步信號，用于對齊所述發射源和接收源的時序以便完成相應的相位切換。序列中的延時同樣采用獨立的函數及參數進行控制，通過循環地執行序列管理器的指令以實現計時功能，從而保證激發和解調之間的精確延時。所述序列編譯平臺還允許用戶預先設置發射和接收相位的偏移量，將這些相位信息以列表的形式下傳至硬件以實現例如相位循環(phasecycling)的功能。
[0042]下面以多層面梯度回波為例，詳細說明如何實現發射源和接收源之間的相位同
止/J/ o
[0043]如圖5所示，脈沖序列沿著時基自左手邊朝右手邊行進。射頻脈沖RF產生小角度的自旋翻轉，在此刻施加選層梯度Gs對預設定的成像層面進行選擇性激發。在層面激發之后施加相位編碼梯度Gp和讀梯度Gr，其中相位編碼梯度Gp對激發自旋進行相位編碼，而讀梯度Gr使自旋散相。在自旋散相后，通過極性相反的讀梯Gr度使自旋聚相以產生回波信號Echo。通過模數轉換器采集該回波信號，并以一定的時間間隔重復執行該脈沖序列，在每次重復Loop中改變相位編碼梯度Gp進行不同的相位編碼，這樣得到二維的原始數據用于最終的圖像重建。
[0044]在脈沖序列執行前，所述序列管理器首先初始化相位列表并將其寫入所述發射源和接收源的內存中，接著同步所述發射源、接收源和參考源的NCO的相位。在脈沖序列執行時產生的TxSync和RxSync分別為所述發射源和接收源的同步信號，所述同步信號會觸發所述第一和第二可編程邏輯器`件中的狀態機完成相位的切換，具體為:當所述發射源收到TxSync信號后，會從所述外部總線接口讀取所述參考源當前的輸出相位c^_，并將與所述內存中的發射相位偏移量0tx Mset相加得到新的發射相位0tx，同時清零所述發射源NCO的相位累加器，將發射初相位值更新為0tx ;當所述接收源收到RxSync信號后，會從所述外部總線接口讀取所述參考源當前的輸出相位c^_+1，然后將c^+1與所述內存中的接收相位偏移量0 ^5ffsrt相加得到新的接收相位，同時清零所述接收源NCO的相位累加器，將接收初相位值更新為所述第一和第二可編程邏輯器件會在脈沖序列執行期間自動步進當前內存地址，使其獲得下一個相位偏移量，并基于所述參考源的相位依次切換發射和接收相位，使所述發射和接收源在激發多個層面時實現相位同步。
【權利要求】
1.一種實現發射源和接收源相位同步的方法，包括以下步驟: 1)在執行脈沖序列前，產生與待成像物的拉莫頻率同頻的參考源，并實時地輸出其相位； 2)在執行脈沖序列期間，在發射源產生選層激發脈沖前，將發射相位切換為當前參考源輸出相位，作為發射初相位；在接收源解調信號前將接收相位切換為當前參考源輸出相位，作為接收初相位；所述發射源產生選層激發脈沖和所述接收源解調信號之間的延時為固定值。
2.如權利要求1所述的實現發射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，由磁共振譜儀執行脈沖序列。
3.如權利要求2所述的實現發射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，所述參考源的相位通過所述磁共振譜儀的外部總線控制器輸出到外部總線接口。
4.如權利要求2所述的實現發射源和接收源相位同步的方法，其特征在于，所述參考源在所述磁共振譜儀的可編程邏輯器件中采用數字頻率合成DDS技術產生。
5.一種實現發射源和接收源相位同步的裝置，包括: 發射源，所述發射源包括第一可編程邏輯器件、數模轉換器及其外圍電路； 接收源，所述接收源包括第二可編程邏輯器件、模數轉換器及其外圍電路； 和序列控制電路，所述序列控制電路包括第三可編程邏輯器件和序列管理器； 所述第一可編程邏輯器件、第二可編程邏輯器件、第三可編程邏輯器件通過直接數字頻率合成技術分別實現發射源的NCO、接收源的NCO和參考源的NCO ;所述參考源的NCO產生中心頻率與待成像物的拉莫頻率同頻的振蕩信號，并實時輸出其相位； 所述序列管理器執行脈沖序列并產生所述發射源和接收源的同步信號；所述發射源通過所述第三可編程邏輯器件上設置的外部總線接口接收參考源的當前輸出相位，將其設置為發射初相位，所述接收源通過所述第三可編程邏輯器件上設置的外部總線接口接收參考源的當前輸出相位，將其設置為接收初相位。
6.如權利要求5所述的實現發射源和接收源相位同步的裝置，其特征在于，所述數模轉換器配合第一可編程邏輯器件，用于產生射頻脈沖信號，即射頻發射；所述模數轉換器配合第二可編程邏輯器件，用于采樣磁共振信號，即射頻接收。
7.如權利要求5所述的實現發射源和接收源相位同步的裝置，其特征在于，所述序列管理器為DSP或MCU。
8.如權利要求5所述的實現發射源和接收源相位同步的裝置，其特征在于，所述第一可編程邏輯器件、第二可編程邏輯器件、第三可編程邏輯器件為FPGA或者CPLD。
9.如權利要求5所述的實現發射源和接收源相位同步的裝置，其特征在于，所述發射源的NC0、接收源的NCO分別包括兩個部分:相位累加器和相位幅度轉換器，所述相位累加器用來產生合成頻率的相位信息，所述相位幅度轉換器將所述相位轉換成對應的幅度值。
10.如權利要求5所述的實現發射源和接收源相位同步的裝置，其特征在于，所述發射源的NC0、接收源的NCO和參考源的NCO均具有相同的精度，并采用同一個系統時鐘。
【文檔編號】G01R33/54GK103760507SQ201410001287
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月2日 優先權日:2014年1月2日
【發明者】湯偉男, 高家紅 申請人:北京大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
