一种具有数字高精度预补偿功能的磁共振梯度方案
发布时间：2020-12-31 11:52
在磁共振成像实验中需要梯度磁场的切换,而这会形成涡流场,对成像区域内的真实梯度磁场造成干扰,频率编码梯度和相位编码梯度方向上的涡流场会给采集到的信号带来相位误差,使重建的图像发生畸变、形成伪影;选层梯度方向上的涡流场会造成层面选择的不准确。梯度波形预补偿是解决涡流问题的一种常用技术,可以使用模拟或数字方法实现。模拟预补偿方案灵活性差,波形输出和预设值误差较大;传统数字波形预补偿方案又存在补偿波形精度不够、波形输出延时不稳定等问题。针对这些问题,本文基于实验室研制的高精度梯度卡,设计了一种新的具有数字预补偿功能的梯度方案。使用现场可编程门阵列（field programmable gate array,FPGA）对序列设计的标准梯度波形进行实时计算得到补偿波形,将标准梯度波形和补偿波形分别送入两片独立的数模转换器（digital-to-analog converter,DAC）,对模拟信号进行叠加产生补偿后波形;采用高速时钟和同步触发设计方法,对包含五组时间常数的预补偿波形进行了实时计算。最终在20 bit的DAC基础上实现了优于23 bit的高精度数字涡流预补偿方法;大大缩短了预补偿波...
【文章来源】： 杨帆 华东师范大学
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
谱仪系统结构框图
华东师范大学2020届硕士学位论文7缩短预补偿计算与梯度波形产生的延时；另一方面由于FPGA内乘法器等资源相对富足，可以实现更高精度的预补偿计算。本文的梯度波形发生器，包含PCI通信模块、逻辑控制单元、数据存取模块、预补偿模拟波形合成模块，其硬件结构如图2-2所示。通信模块使用PCI总线实现梯度卡与工业控制计算机之间的通信。在成像实验开始前，计算机会对成像序列进行编译，将所有梯度波形数值发送至各梯度卡，并储存在梯度卡上。为了降低了开发难度和成本，本文梯度卡使用PLX公司的桥接芯片PCI9054实现PCI通信协议。逻辑控制单元使用FPGA，完成对各模块的逻辑控制以及数字预补偿波形值的计算。本文使用的FPGA型号是Altera公司的CycloneIVEP4CE30F23C6，包含132个9位内嵌乘法器，满足本文所要求的计算精度要求。数据存取模块使用同步动态随机存取内存（synchronousdynamicrandom-accessmemory，SDRAM）储存全部标准梯度波形值。在成像序列执行前对波形数据进行存储，由控制计算机将波形数据通过PCI总线送入梯度卡，经桥接芯片送入FPGA，再通过FPGA实现SDRAM的存储时序，完成波形值的存储。波形数据的读取受脉冲序列发生器的触发信号控制，当FPGA监测到触发信号时，启动SDRAM的读取时序，并将标准梯度波形数值送入预补偿计算模块（FPGA内）完成计算。预补偿计算会得到补偿波形和经过延时的原波形，传统数字预补偿方案会在FPGA内将两个波形叠加，再将总波形通过一片DAC转换成模拟波形。但这样的图2-2梯度波形发生器硬件结构图
华东师范大学2020届硕士学位论文9第三章梯度系统中的问题分析3.1梯度中的涡流问题3.1.1涡流的产生根据电磁感应定律，磁共振成像实验中梯度磁场的变换将导致磁通量的改变，这将会在主磁体、各线圈等结构内产生涡流。涡流进而会产生涡流场，而涡流场会阻碍标准梯度场波形的变化，如图3-1所示。在图3-1(a)中，实线展示了一个梯形的标准梯度波形随时间的变化情况，虚线表示因为涡流影响而产生的实际磁场波形；在图3-1(b)，实线展示了标准梯度场的导数/，反映了梯度场的变化情况，虚线显示了因涡流产生的梯度场波形。在梯形波的上升沿，梯度场强逐渐增强，此时涡流场与原梯度场方向相反，导致实际磁场增长放缓；在梯度波形的下降沿，梯度场强逐渐减弱，此时涡流场和原梯度场方向相同，会抑制实际磁场减弱，导致梯度不能及时关闭，产生拖尾。图3-1标准梯度受涡流影响示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Rs-fMRI与DTI在轻度认知障碍中的联合应用[J]. 李杨曈,王蓝博,孙洪赞. 磁共振成像. 2019(12)
[2]MRI梯度预加重模块的分时复用设计[J]. 黄朝晖,张志,陈黎,陈俊飞,张震,陈方,刘朝阳. 波谱学杂志. 2018(04)
[3]磁共振成像谱仪B0信号的高精度发生与测试[J]. 崔妍,肖亮. 波谱学杂志. 2018(02)
[4]具有独立延时功能的脉冲序列发生器[J]. 胡坤,宁瑞鹏. 波谱学杂志. 2017(03)
[5]评估磁共振成像系统电磁安全的数值计算方法[J]. 牛超群,王秋良,李毅,唐文举,胡洋,朱旭晨. 高电压技术. 2017(08)
[6]超短回波时间成像k空间轨迹失真的校正[J]. 王超,周波,张志,杨春升,陈方,刘朝阳. 波谱学杂志. 2016(04)
[7]具有预失真功能的梯度波形发生器[J]. 李钰,胡坤,罗庆,刘擘,胡彦,谢海滨,宁瑞鹏,杨光. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[8]开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计[J]. 冯忠奎,胡格丽,许莹,朱光,周峰,戴银明,王秋良. 物理学报. 2013(23)
[9]一种基于高性能DSP的MRI梯度计算模块设计[J]. 潘文宇,张富,罗海,周荷琴. 中国医疗器械杂志. 2011(03)
[10]一种基于峰值定位法的一阶匀场新方法[J]. 何群,周堃,包尚联. 中国医学影像技术. 2009(12)
硕士论文
[1]基于PXIe架构的一种新型数字化磁共振成像谱仪梯度控制器的研制[D]. 寇松方.电子科技大学 2018
[2]磁共振相位信息处理及其在磁敏感加权成像中的应用[D]. 胡荣.南昌大学 2012
[3]磁共振仪器梯度驱动子系统的设计与实现[D]. 王恢旺.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2012
[4]医学磁共振EPI中Ghost伪影消除方法研究[D]. 叶恩茂.第一军医大学 2006
本文编号：2949558
【文章来源】： 杨帆 华东师范大学
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
谱仪系统结构框图
华东师范大学2020届硕士学位论文7缩短预补偿计算与梯度波形产生的延时；另一方面由于FPGA内乘法器等资源相对富足，可以实现更高精度的预补偿计算。本文的梯度波形发生器，包含PCI通信模块、逻辑控制单元、数据存取模块、预补偿模拟波形合成模块，其硬件结构如图2-2所示。通信模块使用PCI总线实现梯度卡与工业控制计算机之间的通信。在成像实验开始前，计算机会对成像序列进行编译，将所有梯度波形数值发送至各梯度卡，并储存在梯度卡上。为了降低了开发难度和成本，本文梯度卡使用PLX公司的桥接芯片PCI9054实现PCI通信协议。逻辑控制单元使用FPGA，完成对各模块的逻辑控制以及数字预补偿波形值的计算。本文使用的FPGA型号是Altera公司的CycloneIVEP4CE30F23C6，包含132个9位内嵌乘法器，满足本文所要求的计算精度要求。数据存取模块使用同步动态随机存取内存（synchronousdynamicrandom-accessmemory，SDRAM）储存全部标准梯度波形值。在成像序列执行前对波形数据进行存储，由控制计算机将波形数据通过PCI总线送入梯度卡，经桥接芯片送入FPGA，再通过FPGA实现SDRAM的存储时序，完成波形值的存储。波形数据的读取受脉冲序列发生器的触发信号控制，当FPGA监测到触发信号时，启动SDRAM的读取时序，并将标准梯度波形数值送入预补偿计算模块（FPGA内）完成计算。预补偿计算会得到补偿波形和经过延时的原波形，传统数字预补偿方案会在FPGA内将两个波形叠加，再将总波形通过一片DAC转换成模拟波形。但这样的图2-2梯度波形发生器硬件结构图
华东师范大学2020届硕士学位论文9第三章梯度系统中的问题分析3.1梯度中的涡流问题3.1.1涡流的产生根据电磁感应定律，磁共振成像实验中梯度磁场的变换将导致磁通量的改变，这将会在主磁体、各线圈等结构内产生涡流。涡流进而会产生涡流场，而涡流场会阻碍标准梯度场波形的变化，如图3-1所示。在图3-1(a)中，实线展示了一个梯形的标准梯度波形随时间的变化情况，虚线表示因为涡流影响而产生的实际磁场波形；在图3-1(b)，实线展示了标准梯度场的导数/，反映了梯度场的变化情况，虚线显示了因涡流产生的梯度场波形。在梯形波的上升沿，梯度场强逐渐增强，此时涡流场与原梯度场方向相反，导致实际磁场增长放缓；在梯度波形的下降沿，梯度场强逐渐减弱，此时涡流场和原梯度场方向相同，会抑制实际磁场减弱，导致梯度不能及时关闭，产生拖尾。图3-1标准梯度受涡流影响示意图
【参考文献】：
期刊论文
[1]Rs-fMRI与DTI在轻度认知障碍中的联合应用[J]. 李杨曈,王蓝博,孙洪赞. 磁共振成像. 2019(12)
[2]MRI梯度预加重模块的分时复用设计[J]. 黄朝晖,张志,陈黎,陈俊飞,张震,陈方,刘朝阳. 波谱学杂志. 2018(04)
[3]磁共振成像谱仪B0信号的高精度发生与测试[J]. 崔妍,肖亮. 波谱学杂志. 2018(02)
[4]具有独立延时功能的脉冲序列发生器[J]. 胡坤,宁瑞鹏. 波谱学杂志. 2017(03)
[5]评估磁共振成像系统电磁安全的数值计算方法[J]. 牛超群,王秋良,李毅,唐文举,胡洋,朱旭晨. 高电压技术. 2017(08)
[6]超短回波时间成像k空间轨迹失真的校正[J]. 王超,周波,张志,杨春升,陈方,刘朝阳. 波谱学杂志. 2016(04)
[7]具有预失真功能的梯度波形发生器[J]. 李钰,胡坤,罗庆,刘擘,胡彦,谢海滨,宁瑞鹏,杨光. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
[8]开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计[J]. 冯忠奎,胡格丽,许莹,朱光,周峰,戴银明,王秋良. 物理学报. 2013(23)
[9]一种基于高性能DSP的MRI梯度计算模块设计[J]. 潘文宇,张富,罗海,周荷琴. 中国医疗器械杂志. 2011(03)
[10]一种基于峰值定位法的一阶匀场新方法[J]. 何群,周堃,包尚联. 中国医学影像技术. 2009(12)
硕士论文
[1]基于PXIe架构的一种新型数字化磁共振成像谱仪梯度控制器的研制[D]. 寇松方.电子科技大学 2018
[2]磁共振相位信息处理及其在磁敏感加权成像中的应用[D]. 胡荣.南昌大学 2012
[3]磁共振仪器梯度驱动子系统的设计与实现[D]. 王恢旺.中国科学院研究生院(武汉物理与数学研究所) 2012
[4]医学磁共振EPI中Ghost伪影消除方法研究[D]. 叶恩茂.第一军医大学 2006
本文编号：2949558
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