一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊的製作方法
2023-05-16 08:41:36
一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊，能夠提高核磁共振成像質量、實時監測磁體溫度和穩定系統工作頻率。所述模塊將核磁共振成像系統所需要的呼吸/心電門控、磁體溫度採集和自動調諧等功能集成到由一個模擬微控制器和一個CPLD組成的微處理系統，並且通過背板總線集成到核磁共振成像系統譜儀內部，然後通過譜儀實現與計算機的網絡通信。與實現所述功能的現有分立設備相比，該發明大大提高了系統的集成度，節省了硬體資源，便於維護和操作以及軟硬體的升級，同時也方便和上位計算機之間通信。
【專利說明】—種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊，特別涉及一種集成到核磁共振成像系統譜儀當中的多功能採集模塊，該模塊主要是通過將核磁共振成像系統所需要的呼吸/心電門控、磁體溫度採集和自動調諧等功能集成到同一個微處理系統，在提高核磁共振成像質量、實時監測磁體溫度和穩定系統工作頻率的同時提高了系統的集成度，方便了操作、維護以及軟硬體的升級。
技術背景
[0002]本發則涉及的用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊主要集成了呼吸/心電門控，磁體溫度採集和自動調諧電路三部分，它們在提高核磁共振成像質量、穩定磁體溫度和系統工作頻率方面有著重要的意義。
[0003]核磁共振成像系統主要由磁體、譜儀和計算機三部分組成。其中譜儀執行脈衝序列，控制射頻信號的發射與接收，採集圖像數據，是核磁共振成像系統中的核心部分。譜儀由多個工作模塊組成，本文所要闡述的發明即是要集成到譜儀當中的一個功能相對獨立的模塊。
[0004]目前在核磁共振成像系統中，人體的呼吸、心跳等會使系統在成像時產生運動偽影，以致降低圖像的解析度和信噪比。因此為提高核磁共振圖像質量，需要一種能控制核磁共振成像系統中成像序列的運行時間，使之與人體的呼吸、心跳的節律相同來消除運動偽影的設備。呼吸/心電門控就是這樣的一種設備，它將由傳感器獲得的人體呼吸信號和心率信號經過放大、模數轉換之後輸入單片機中進行處理，以獲得控制成像序列所需的門控信號。它在提高核磁共振成像的圖像質量上有著重要的現實意義。
[0005]核磁共振成像系統的磁體會隨著磁體溫度變化而變化，隨即會影響到主磁場，進而影響核磁共振成像系統的成像質量。因此對磁體溫度採集和實時監測對保證成像質量十分重要。
[0006]核磁共振成像系統有一種接收線圈是柔性的。不同的人由於體型不同，在使用時會導致線圈形狀改變，從而導致線圈電感發生變化，然而接收線圈是以固定的諧振頻率(即核磁共振成像系統的工作頻率)工作的，因此需要調節接收線圈變容二極體兩端的電壓來達到改變線圈電容的目的，從而保證線圈工作在固定的諧振頻率。另一方面，接收線圈工作在諧振頻率時，其接收到的信號強度最強，而當到線圈的工作頻率發生偏移時，其接收到的信號強度也會降低。因此自動調諧設備的功能就是當譜儀檢測到線圈的工作頻率發生偏移時便產生一個加在線圈變容二極體兩端的掃描電壓，這時候變容二極體的電壓會隨著掃描電壓而變化，當線圈接收到的信號強度再次達到最大時，說明線圈回到了其諧振頻率，系統便將該電壓值鎖定，讓線圈穩定在該工作頻率，從而達到了自動調諧的目的。
[0007]目前在核磁共振成像系統中，呼吸/心電門控、磁體溫度採集以及自動調諧功能都是採用分立的設備實現的，每一個分立設備與計算機的通信都是通過串口進行的，其最大的弊病就是:計算機串口資源經常不夠用，而且容易燒壞；這些分立的設備使用起來繁瑣而且穩定性差，設備軟硬體的升級也比較麻煩。
[0008]針對這種情況，本發明設計了一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊，該模塊將呼吸/心電門控、磁體溫度採集以及自動調諧功能集成到同一個微處理系統，並通過背板總線集成到譜儀內部，然後通過譜儀和計算機進行通信。由於譜儀和計算機之間的通信只需要一根網線即可，因此該多功能採集模塊大大提高了系統集成度，節省了硬體資源，同時也大大方便了系統設備的操作、維護以及軟硬體的升級。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在於提供一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊，在提高核磁共振成像質量、實時監測磁體溫度和穩定系統工作頻率的同時提高了系統的集成度，節省了硬體資源，便於維護和操作以及軟硬體的升級，同時也方便和上位計算機之間通信。
[0010]為實現上述目的，本發明提供了一種將呼吸/心電門控、磁體溫度採集以及自動調諧功能集成到同一個微處理系統的多功能採集模塊，其主要包括:信號調理電路、一個模擬微控制器ADUC845、一個型號為EPM570F256C的CPLD和自動調諧電路四個部分。
[0011]首先，信號調理電路是對來自傳感器的呼吸、心電和溫度信號進行放大、濾波等處理，其主要包含三路。第一路是呼吸信號調理電路，它由兩級放大電路和單端轉差分電路組成，第一級放大電路是由AD8221構成的增益控制級，輸入差分信號輸出相應的增益控制信號。第二級放大電路由雙運放0P2177構成，可根據需要相應提高後一個運放的輸入電平，提高輸出信號的電位。連接在放大電路之後的是由AD8476構成的單端轉差分電路，它提供所述模擬微控制器需要的差分輸入信號；第二路是心電信號的調理電路，它由一級放大電路和單端轉差分電路組成，其中0P2177的一格運放構成一級放大電路，AD8476構成的單端轉差分電路；第三路是溫度信號調理電路，其組成與所述的心電信號調理電路完全相同。
[0012]第二，模擬微控制器ADUC845，它的模擬輸入端接收來自所述信號調理電路的差分信號並對其進行AD轉換和處理，同時將處理後的信息通過CPLD和背板總線上傳至譜儀，再由譜儀通過網線上傳至PC機，以實現人機互動的操作方式。
[0013]第三，型號為EPM570F256C的CPLD，它分別與自動調諧電路、所述模擬微控制器ADUC845、以及背板總線相連，並且預留出一部分IO 口。它具有三個方面的功能:第一，它對來自所述ADUC845的數據進行存儲，並在需要時將數據通過背板總線上傳至譜儀和PC機；第二，通過程序設置產生一個循環線性變化的數字量給自動調諧電路，並由自動調諧電路將該數字量轉換成線性對應的模擬電壓值。第三，預留IO 口，以便於其他功能的擴展。
[0014]第四，自動調諧電路，用以將所述CPLD所發出的不同數字量轉換成線性對應的模擬電壓值。其主要由兩部分電路組成。第一部分電路是由AD5344構成的數模轉換電路，它直接與CPLD相連，將來自CPLD的數字量轉換成0-5V的模擬電壓值。第二部分由三級放大電路組成，第一級是由0PA364構成的增益控制電路，同相輸出增益信號。中間級是由NPN型電晶體組成的共射極放大電路。第三級是由PNP型電晶體組成的射極跟隨器。經過有源放大，自動調諧電路最後輸出0-12V之間的射頻掃描電壓。
[0015]由上所述，與傳統的技術相比，本發明具有如下的技術先進性:
[0016]a)採用具有多路差分輸入，內置有24位ADC的模擬微控制器和具有256個IO的CPLD組成微處理系統，實現了多路信號的採集、處理和自動調諧等功能，提高了設備的集成度，節省了硬體資源。
[0017]b)將多功能採集模塊通過背板總線集成到譜儀當中，便於維護和操作以及軟硬體的升級，同時也方便和上位機之間的通信。
[0018]c)採用AD8476實現差分信號輸入，提高了輸入信號的穩定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]從以下參照附圖對優選實施例的詳細描述，將使多功能採集模塊的結構和特點更加清晰。
[0020]圖1為核磁共振成像系統多功能採集模塊的整體設計方案框圖。其中虛線框內的部分是多功能採集模塊的電路邏輯框圖，虛線框外部分是和多功能採集模塊連接的外圍電子設備。
[0021]圖2為呼/心電門控工作流程框圖。
[0022]圖3為在執行呼吸/心電門控功能時ADUC845模擬微控制內部程序工作流程圖。
[0023]圖4為多功能採集模塊獲得的呼吸信號曲線圖。
[0024]圖5為多功能採集模塊獲得的心電信號曲線圖。
【具體實施方式】
[0025]一、以下參照附圖描述實現本發明呼吸/心電門控功能的實施例。
[0026]1.對呼吸信號的採集和處理
[0027]氣壓傳感器根據人體呼吸產生不同的差分信號並將信號送入附圖1所示的增益控制電路，AD8221增益控制電路根據傳感器送來的差分信號輸出相應的增益控制信號，並送入後一級0P2117構成的放大電路進行信號放大，經過放大電路後信號已由差分變成單端形式，因此為了實現差分輸入，最後再由AD8476將單端信號轉為差分信號。
[0028]經過調理電路後呼吸信號後到達內置有24位A/D轉換器的模擬微控制器ADUC845，然後ADUC845將處理後的信號經CPLD和背板總線上傳至譜儀，再由譜儀通過網線上傳至計算機如附圖2所示。在計算機上測試者根據測試軟體得到呼吸信號曲線圖，如附圖4所示。其中，測試外面上有三種曲線，綠線為獲得的被測者的呼吸信號曲線，紅線為門限值線(可根據需要人為設定)，黃線即為控制成像序列的門控信號。當測試者——操作者看到成像系統獲得的圖像不清晰或存在運動偽影時，可根據經驗手動設置門限值，即改變測試軟體界面上紅線的位置，設定合適的門限值，此時，計算機將人為設定門限值的信息返回給ADUC845，ADUC845微處理系統根據設定的門限值輸出相應的門控信號，即一系列脈衝送給譜儀以控制其成像序列運行時間，從而獲得清晰的圖像。其中脈衝的形成過成如附圖3所示，在開始測試時，系統按默認值進行初始設定，設定初始門限值，並開始採集呼吸信號，ADUC845將採集來的呼吸信號與門限值進行比較，若呼吸信號高於門限值，則系統輸出高電平，否則輸出低電平，此時輸出的高低電平便是控制成像序列運行時間的門控信號一脈衝序列，脈衝序列控制系統成像序列運行時間，若成像清晰沒有偽影，則讓系統繼續正常工作，若成像不清晰或存在運動偽影，則可人為在計算機上重新設定門限值，產生新的門控序列，直到圖像清晰不存在運動偽影為止。
[0029]2.對心電信號的採集和處理[0030]同樣採集心電信號時壓敏傳感器將人體脈搏的跳動信號轉為電信號，並將其送入附圖1所不的由0P2177直接構成的心電信號放大電路,放大後的心電信號與呼吸信號一樣由AD8476轉為差分信號並輸入ADUC845模擬微控制進行轉換和處理。處理後在計算機上將獲得如附圖5所示的心電信號，同是也將脈衝序列送給譜儀進行控制成像序列成像。在成像過程中，心電信號門限值的設定流程與呼吸信號門限的設定相同如附圖3所示，測試者將根據自身的經驗設定門限值，直至獲得清晰的圖像為止。
[0031]二、以下參照附圖描述實現本發明溫度採集功能的實施例。
[0032]溫度的採集過程如下:如附圖1所示，信號從磁體的溫度傳感器進入信號調理電路，經過0P2177放大電路後被AD8476轉為差分信號並輸入模擬微控制器ADUC845，經過ADUC845轉換和處理後的信號送入CPLD，在需要讀取時，PC機通過譜儀的背板總線將CPLD中的數據讀走。
[0033]三、以下參照附圖描述實現自動調諧功能的實施例。
[0034]如附圖1所示，當譜儀檢測到接收線圈的工作頻率偏離諧振頻率時，便通過背板總線向多功能採集模塊的CPLD發送指令以啟動CPLD中的程序執行。該程序向自動調諧電路的DA轉換器從O到255循環發送數據，DA將接收到的數據轉換成0-5V之間變化模擬電壓值，該模擬電壓再經過三級放大電路被提高到0-12V並加到接收線圈變容二極體的兩端，因此該0-12之間不斷變化的掃描電壓就會不斷的改變變容二極體的電容。因為當接收線圈工作在諧振頻率時，其接收到的信號強度最強，而當到線圈的工作頻率發生偏移時，其接收到的信號強度也會降低。所以當線圈接收到的信號強度再次達到最大時，說明線圈回到了其諧振頻率，此時譜儀便向多功能採集板的CPLD發送指令讓CPLD將自動調諧電路的電壓值鎖定。此時便達到了調諧的目的。
[0035]通過以上4個實施例可以看到，以ADUC845和CPLD為核心的微處理系統實現了多路信號採集、處理和自動調諧功能，提高了設備的集成度，節省了硬體資源。並且多功能採集模塊通過背板總線集成到譜儀當中，便於維護和操作以及軟硬體的升級，同時也方便了和上位機之間的通信。
【權利要求】
1.一種用於核磁共振成像系統的多功能採集模塊，包括:信號調理電路，對來自傳感器的信號進行放大、濾波等處理；一個模擬微控制器，對經過所述信號調理電路處理的信號進行AD轉換和處理，並將處理後的信號送至CPLD ;—個CPLD，分別與自動調諧電路、所述模擬微控制器、以及背板總線相連，並且預留出一部分IO 口便於其他功能的擴展；自動調諧電路，將所述CPLD所發出的不同數字量轉換成線性對應的模擬電壓。
2.根據權利要求1所述的信號調理電路，其包含三路。第一路是呼吸信號調理電路，它由兩級放大電路和單端轉差分電路組成，第一級放大電路是由AD8221構成的增益控制級，輸入差分信號輸出相應的增益控制信號。第二級放大電路由雙運放0P2177構成，可根據需要相應提高後一個運放的輸入電平，提高輸出信號的電位。連接在放大電路之肝的是由AD8476構成的單端轉差分電路，它提供所述模擬微控制器需要的差分輸入信號；第二路是心率信號的調理電路，它由一級放大電路和單端轉差分電路組成，其中0P2177的一格運放構成一級放大電路，AD8476構成單端轉差分電路；第二路是溫度彳目號凋理電路，其組成與所述的心率信號調理電路完全相同。
3.根據權利要求1所述的模擬微控制器，其型號為ADUC845,它的模擬輸入端接收來自所述信號調理電路的差分信號並對其進行AD轉換和處理，同時將處理後的信息通過CPLD和背板總線上傳至譜儀，再由譜儀通過網線上傳至PC機，以實現人機互動的操作方式。
4.根據權利要求1所述的CPLD，其型號為EPM570F256C，它有三個方面的功能:第一，它對來自所述ADUC845的數據進行存儲，並在需要時將數據通過背板總線上傳至譜儀和PC機；第二，通過程序設置產生一個循環線性變化的數字量給自動調諧電路，並由自動調諧電路將該數字量轉換成線性對應的模擬電壓值。第三，預留IO 口，以便於其他功能的擴展。
5.根據權利要求1所述的自動調諧電路，其主要由兩部分電路組成。第一部分電路是由AD5344構成的數模轉換電路，它直接與CPLD相連，將來自CPLD的數字量轉換成0-5V的模擬電壓值。第二部分由三級放大電路組成，第一級是由0PA364構成的增益控制電路，同相輸出增益信號。中間級是由NPN型電晶體組成的共射極放大電路。第三級是由PNP型電晶體組成的射極跟隨器。經過有源放大，自動調諧電路最後輸出0-12V之間的射頻掃描電壓。
【文檔編號】G01R33/567GK103969612SQ201310032406
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年1月28日 優先權日:2013年1月28日
【發明者】王為民, 施玉麟, 張俊寶, 湯偉男, 林先釵 申請人:北京大學