專利名稱：磁共振光纖譜儀及其射頻接收裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核磁共振技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種射頻接收單元以及一種基于光纖通信的磁共振光纖譜儀。
背景技術(shù)：
磁共振成像設(shè)備的光纖譜儀通常由掃描控制單元和射頻接收單元組成，掃描控制單元包含序列時(shí)序控制子系統(tǒng)、梯度信號產(chǎn)生子系統(tǒng)和射頻信號產(chǎn)生子系統(tǒng)。光纖譜儀的掃描控制單元通過接收控制臺計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)信息實(shí)施掃描控制，獲得成像數(shù)據(jù)，并且將所獲得的成像數(shù)據(jù)上傳至控制臺計(jì)算機(jī)來進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像重構(gòu)。通常，控制臺計(jì)算機(jī)位于操作間，射頻接收單元位于屏蔽間，掃描控制單元位于儀器間。在現(xiàn)有技術(shù)中，光纖譜儀的射頻接收單元與掃描控制單元之間，以及控制臺計(jì)算 機(jī)與掃描控制單元通過兩類物理傳輸介質(zhì)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。一類物理傳輸介質(zhì)是比如同軸電纜或雙絞線的電信號傳輸介質(zhì)，一類物理傳輸介質(zhì)是比如光纖的光信號傳輸介質(zhì)。對于射頻接收單元與掃描控制單元之間基于同軸電纜傳輸介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，射頻接收通道的信噪比受到電纜本身的電噪聲和周圍環(huán)境噪聲的影響。此外，在多通道射頻接收信號傳輸?shù)膽?yīng)用中，由于需要使用與射頻接收通道數(shù)目對應(yīng)的多條同軸電纜，譜儀的制造成本也會大幅提高，同時(shí)由于大量射頻連接器的引入，降低了系統(tǒng)互聯(lián)的可靠性。對于射頻接收單元與掃描控制單元之間基于光纖傳輸介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，通常采用下述兩種方法實(shí)現(xiàn)。一種方法是用單條或多條直接傳輸多通道射頻模擬信號，在這種情況下，由于模擬信號傳輸?shù)姆蔷€性，在電信號恢復(fù)過程中要增加非線性校正環(huán)節(jié)，因而增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。另一種方法是用單條或多條傳輸多通道射頻數(shù)字信號，這種方法在傳輸前未對信號的帶寬進(jìn)行處理，因而降低了光纖傳輸通道的帶寬利用率，由此提高了傳輸成本。對于控制臺與掃描控制單兀之間基于雙絞線傳輸介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，由于材料和周圍環(huán)境噪聲的限制，最大傳輸速率小于1000M，不能適用于多通道數(shù)據(jù)高速傳輸。對于控制臺與掃描控制單元之間基于光纖傳輸介質(zhì)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，傳統(tǒng)的做法是采用單條光纖的以太網(wǎng)協(xié)議或多條光纖的多通道數(shù)據(jù)傳輸。采用以太網(wǎng)協(xié)議的光纖傳輸，由于數(shù)據(jù)需要進(jìn)行打包和解包，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)。采用多條光纖的多通道數(shù)據(jù)傳輸，雖然傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性較好，但制造成本較高。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的在于提供一種射頻接收單元，該射頻接收單元能夠提高射頻接收單元和控制臺之間的數(shù)字光纖鏈路的帶寬利用率以及提高射頻接收單元的接收通道信噪比。本發(fā)明的另一目的在于提供一種包括上述射頻接收單元的磁共振光纖譜儀。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種磁共振光纖譜儀的射頻接收裝置，包括信號調(diào)整單元，包括至少兩個(gè)信號調(diào)整子單元，每個(gè)信號調(diào)整子單元用于對所接收的射頻信號進(jìn)行信號調(diào)整；至少兩個(gè)模數(shù)變換器，每個(gè)模數(shù)變換器的輸入端與一個(gè)信號調(diào)整子單元的輸出相連；信號處理單元，包括至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器以及并行處理控制器，每個(gè)數(shù)字下變頻變換器的輸入端與一個(gè)模數(shù)變換器的輸出端相連，輸出端與并行處理器的一個(gè)輸入端相連，所述并行處理控制器用于對所述的至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器輸出的信號進(jìn)行并行處理以及將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給所述磁共振光纖譜儀中的掃描控制單元；控制臺數(shù)據(jù)光纖接口，與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路與控制臺進(jìn)行全雙工通信，用于將并行處理器輸出的信號傳遞給控制臺，以及從控制臺接收所述掃描序列信息；掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口，與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路與掃描控制單元進(jìn)行全雙工通信，用于將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給掃描控制單元以及從所述掃描控制單元接收射頻接收控制指令；以及掃描控制單元時(shí)鐘接口，用于經(jīng)由參考時(shí)鐘光纖鏈路，從掃描控制單元接收參考時(shí)鐘信號，其中，所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器由經(jīng)由所述掃描控制單元時(shí)鐘接口接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行時(shí)鐘控制。 在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述數(shù)字下變頻變換器是基于FPGA的數(shù)字下變頻變換器。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述射頻接收裝置還可以包括時(shí)鐘分配器，用于對從掃描控制單元接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行同步鎖相處理，并將經(jīng)過同步鎖相處理后的時(shí)鐘信號分配給所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，每個(gè)所述信號調(diào)整子單元包括低噪聲放大器，用于對所接收的射頻信號進(jìn)行低噪聲放大；帶通濾波器，用于對經(jīng)過低噪聲放大后的射頻信號進(jìn)行帶通濾波；以及增益控制器，用于對經(jīng)過帶通濾波后的射頻信號進(jìn)行增益調(diào)整，使得經(jīng)過增益調(diào)整后的射頻信號的最大幅度與模數(shù)變換器的滿偏數(shù)值對應(yīng)。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述掃描序列信息包括掃描序列事件、時(shí)序以及成像參數(shù)。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述掃描序列事件包括射頻發(fā)送事件、梯度波形事件和/或射頻接收事件，所述成像參數(shù)包括空間解剖參數(shù)和/或序列圖像對比參數(shù)。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，基于所述第一和第二數(shù)字鏈路的數(shù)據(jù)通信采用基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸方法。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述基于時(shí)間片采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸方法包括在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，將多個(gè)串行消息鏈與多個(gè)狀態(tài)線和控制線并列在一起，形成由多個(gè)串行數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的動態(tài)數(shù)據(jù)塊，其中每個(gè)串行消息鏈，狀態(tài)線和控制線是串行數(shù)據(jù)鏈中的獨(dú)立數(shù)據(jù)通道；對于動態(tài)數(shù)據(jù)塊中的每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)通道，以至少大于最大數(shù)據(jù)變化率兩倍的采樣速率進(jìn)行同步采樣；將同一時(shí)間片內(nèi)采樣的各個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)依序排序，形成串行數(shù)據(jù)片；以及按照時(shí)間片采樣順序，將連續(xù)獲得的串行數(shù)據(jù)片組成串行數(shù)據(jù)流，并經(jīng)由第一或第二數(shù)字鏈路將所組成的串行數(shù)據(jù)流從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩耍灰约霸谶M(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，將所接收的串行數(shù)據(jù)流依照發(fā)送端數(shù)據(jù)通道的次序分別置于對應(yīng)的重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈中；一旦數(shù)據(jù)片的數(shù)據(jù)被完全接收，則將后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)依次鏈接到對應(yīng)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)鏈的尾端，重復(fù)上述操作，使得從各個(gè)數(shù)據(jù)片中按位提取的數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)在對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈中依次鏈接，從而恢復(fù)出原始動態(tài)數(shù)據(jù)塊。在上述方面的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述第一和第二數(shù)字鏈路的鏈路接口是SFP迷你型千兆位接口轉(zhuǎn)換器。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種磁共振光纖譜儀，包括如上所述的射頻接收裝置；以及掃描控制單元，用于生成所述射頻接收裝置的參考時(shí)鐘信號，以及對從所述射頻·接收裝置接收的來自控制臺的掃描序列信息進(jìn)行編譯以至少生成所述射頻接收裝置的射頻接收控制指令。根據(jù)本發(fā)明的射頻接收裝置，通過對射頻接收信號采用無中頻變換的直接高速A/D欠采樣，并在信號處理單元中對數(shù)字射頻信號進(jìn)行下變頻處理，再經(jīng)數(shù)字光纖鏈路向控制臺傳輸，從而提高數(shù)字光纖鏈路帶寬利用率和接收通道信噪比。 此外，在根據(jù)本發(fā)明的射頻接收裝置中，采用多級鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)對來自掃描控制單元的參考時(shí)鐘進(jìn)行同步鎖相，從而使得射頻接收裝置獲得來自掃描控制單元的、與系統(tǒng)參考時(shí)鐘同步的、具有飛秒級相位抖動特性的本地時(shí)鐘，由此為射頻接收裝置的高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器提供具有高穩(wěn)定性的時(shí)鐘源，保證高速A/D采樣條件下磁共振射頻接收通道具有與理論值近乎一致的信噪比SNR。此外，在根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中，射頻接收單元與掃描控制單元及其與控制臺之間采用基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)通信方法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。為了實(shí)現(xiàn)上述以及相關(guān)目的，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)方面包括后面將詳細(xì)說明并在權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明了本發(fā)明的某些示例性方面。然而，這些方面指示的僅僅是可使用本發(fā)明的原理的各種方式中的一些方式。此外，本發(fā)明旨在包括所有這些方面以及它們的等同物。
根據(jù)下述參照附圖進(jìn)行的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見。在附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀的方框示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的射頻接收裝置的方框示意圖；圖3示出圖2中的信號調(diào)整子單元的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的方框示圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀的一個(gè)示例及其與控制臺之間的連接關(guān)系;圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中的發(fā)送過程的流程圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中的接收過程的流程圖；和圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程的示意圖。在所有附圖中相同的標(biāo)號指示相似或相應(yīng)的特征或功能。
具體實(shí)施例方式下面描述本公開的各個(gè)方面。應(yīng)該明白的是，本文的教導(dǎo)可以以多種多樣形式具體體現(xiàn)，并且在本文中公開的任何具體結(jié)構(gòu)、功能或兩者僅僅是代表性的?；诒疚牡慕虒?dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白的是，本 文所公開的一個(gè)方面可以獨(dú)立于任何其它方面實(shí)現(xiàn)，并且這些方面中的兩個(gè)或多個(gè)方面可以按照各種方式組合。例如，可以使用本文所闡述的任何數(shù)目的方面，實(shí)現(xiàn)裝置或?qū)嵺`方法。另外，可以使用其它結(jié)構(gòu)、功能、或除了本文所闡述的一個(gè)或多個(gè)方面之外或不是本文所闡述的一個(gè)或多個(gè)方面的結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)現(xiàn)這種裝置或?qū)嵺`這種方法。此外，本文所描述的任何方面可以包括權(quán)利要求的至少一個(gè)元素。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀I的方框示意圖。如圖1所示，磁共振光纖譜儀I包括射頻接收裝置10和掃描控制單元20。所述光纖譜儀在控制臺計(jì)算機(jī)的操縱下，在掃描控制單元20上，根據(jù)掃描序列事件時(shí)序和磁共振成像參數(shù)，執(zhí)行射頻脈沖和梯度波形的產(chǎn)生，以及在射頻接收裝置10上執(zhí)行射頻信號的采集與處理功能。然后，控制臺計(jì)算機(jī)根據(jù)從光纖譜儀獲得的成像數(shù)據(jù)重建出可供醫(yī)療診斷的醫(yī)學(xué)圖像。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的射頻接收裝置10的方框示意圖。如圖2所示，射頻接收裝置10包括信號調(diào)整單元110、至少兩個(gè)模數(shù)變換器(ADC)120、信號處理單元130、控制臺數(shù)據(jù)接口 140、掃描控制單元數(shù)據(jù)接口 150以及掃描控制單元時(shí)鐘接口160。信號調(diào)整單元110包括至少兩個(gè)信號調(diào)整子單元(圖1中示出了 η個(gè)信號調(diào)整子單元110-1，110-2，……，lio-n-l，110_n)，每個(gè)信號調(diào)整子單元用于對所接收的射頻信號
(即，原始成像數(shù)據(jù))進(jìn)行信號調(diào)整。比如，對RF輸入1，RF輸入2，.....，RF輸入η-1和RF
輸入η進(jìn)行信號調(diào)整。所述信號調(diào)整子單元負(fù)責(zé)對磁共振產(chǎn)生的多通道射頻信號進(jìn)行低噪聲放大、通道濾波和自動增益調(diào)整，并完成射頻信號的欠采樣和數(shù)字化操作。在任何被測模體和序列條件下，通過增益調(diào)整，使得所接收的射頻信號的最大幅度與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿偏數(shù)值相對應(yīng)，從而保證接收通道具有最大范圍的動態(tài)響應(yīng)。在該信號調(diào)整子單元中，不存在傳統(tǒng)的中頻IF調(diào)制環(huán)節(jié)。圖3示出圖2中的信號調(diào)整子單元的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例的方框示圖。如圖3所示，信號調(diào)整子單元110包括低噪聲放大器111、帶通濾波器113和增益控制115。低噪聲放大器111用于對所接收的射頻信號進(jìn)行低噪聲放大。帶通濾波器113用于對經(jīng)過低噪聲放大后的射頻信號進(jìn)行帶通濾波；以及增益控制器115用于對經(jīng)過帶通濾波后的射頻信號進(jìn)行增益調(diào)整，使得經(jīng)過增益調(diào)整后的射頻信號的最大幅度與模數(shù)變換器的滿偏數(shù)值對應(yīng)。圖2中示出了 η個(gè)模數(shù)變換器120-1，120-2，……，120_η_1和120_η，每個(gè)模數(shù)變
換器的輸入端與一個(gè)信號調(diào)整子單元的輸出相連，用于對信號調(diào)整子單元輸出的射頻信號進(jìn)行模數(shù)變換，從而得到數(shù)字射頻信號。每個(gè)模數(shù)變換器的輸出端與信號處理單元中的數(shù)字下變頻變換器的輸入端相連。信號處理單元130包括至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器(圖2中示出了 η個(gè)數(shù)字下變頻變換器131-1，……，131-η)和并行處理控制器133。每個(gè)數(shù)字下變頻變換器的輸入端與一個(gè)模數(shù)變換器的輸出端相連，輸出端與并行處理器的一個(gè)輸入端相連。數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換器(DDC)負(fù)責(zé)根據(jù)磁共振信號采集帶寬等參數(shù)，對欠采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換后的多通道射頻信號進(jìn)行數(shù)字信號處理。在本發(fā)明的一個(gè)示例中，所述DDC是基于FPGA的DDC。并行處理控制器133用于對至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器輸出的信號進(jìn)行并行處理，并且將所得到的各個(gè)通道實(shí)部和虛部的、預(yù)期帶寬的、串行格式化的用于磁共振成像的原始數(shù)據(jù)，通過控制臺數(shù)據(jù)光纖接口 140，經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路上傳至控制臺。所述控制臺數(shù)據(jù)光纖接口 140與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路與控制臺進(jìn)行全雙工通信，用于從控制臺接收掃描序列信息，以及將對磁共振信號進(jìn)行接收及處理后的磁共振原始成像數(shù)據(jù)(即，并行處理控制器的輸出信號)和從掃描控制單元接收到的掃描控制單元狀態(tài)信息傳遞給控制臺。所述掃描序列信息包括掃描序列事件、時(shí)序以及成像參數(shù)等。此外，所述掃描序列事件包括射頻發(fā)送事件、梯度波形事件和射頻接收事件，所述成像參數(shù)包括比如掃描方位和矩陣等空間解剖參數(shù)，以及比如回波時(shí)間和重復(fù)時(shí)間等的序列圖像對比參數(shù)。所述射頻接收事件信息是由掃描控制單元掃描時(shí)序控制模塊解析出的采集帶寬、采集點(diǎn)數(shù)、采集間隔、采集模式和采集起始時(shí)間等相關(guān)信息，掃描控制單元狀態(tài)信息包括掃描控制單元所獲得的梯度線圈和射頻線圈工作狀態(tài)信息，以及掃描控制單元本身的工作狀態(tài)等信息。
另一方面，并行處理控制器133通過掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口 150，經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路，將從經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給掃描控制單元。具體地，例如，并行處理控制器133分揀控制臺經(jīng)第一數(shù)字光纖鏈路下傳來的所有掃描序列事件、時(shí)序、以及成像參數(shù)等信息，然后，經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路傳遞給掃描控制單元。所述掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口 150與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路與掃描控制單元進(jìn)行全雙工通信，用于將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給掃描控制單元以及從所述掃描控制單元接收射頻接收控制指令。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)示例中，所述第一和第二數(shù)字光纖鏈路的鏈路接口是SFP迷你型千兆位接口轉(zhuǎn)換器。換言之，在本發(fā)明的一個(gè)示例中，控制臺數(shù)據(jù)光纖接口 140和掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口 150采用SFP迷你型千兆位接口轉(zhuǎn)換器。此外，射頻接收裝置和控制臺或掃描控制單元之間通過數(shù)據(jù)光纖接口 140或150經(jīng)由第一或第二數(shù)字光纖鏈路進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信可以采用基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸方法。該數(shù)據(jù)傳輸方法將在下面參照圖5到圖7進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，所述射頻接收裝置10還包括掃描控制單元時(shí)鐘接口 160，用于經(jīng)由參考時(shí)鐘光纖鏈路，從掃描控制單元接收參考時(shí)鐘信號。所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器由經(jīng)由所述掃描控制單元時(shí)鐘接口 160接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行時(shí)鐘控制。此外，在本發(fā)明的另一示例中，所述射頻接收裝置10還可以包括時(shí)鐘分配器135，用于對從掃描控制單元接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行同步鎖相處理，并將經(jīng)過同步鎖相處理后的時(shí)鐘信號分配給所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器。例如，時(shí)鐘分配器135通過參考時(shí)鐘光纖鏈路接收來自掃描控制單元中的序列時(shí)序控制模塊所產(chǎn)生的參考時(shí)鐘，采用多級鎖相環(huán)(PLL)連鎖方法，獲得與系統(tǒng)參考時(shí)鐘同步的、具有飛秒級相位抖動特性的本地時(shí)鐘，由此完成射頻接收裝置的時(shí)鐘再生，以驅(qū)動射頻接收裝置中的模數(shù)變換器、數(shù)字下變頻變換器和并行處理控制器的協(xié)同工作。所述多級鎖相環(huán)(PLL)連鎖方法，是指在射頻接收單元中，首先應(yīng)用第一個(gè)鎖相環(huán)PLL實(shí)現(xiàn)本地時(shí)鐘源與從參考時(shí)鐘光纖鏈路中接收到的系統(tǒng)參考時(shí)鐘同步。然后，利用第二個(gè)鎖相環(huán)對同步后的時(shí)鐘進(jìn)行相位鎖定，得到相位抖動為飛秒數(shù)量級的高穩(wěn)定度的、用做驅(qū)動高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘源，由此對屬于窄帶射頻范疇的核磁共振信號進(jìn)行無中頻變換的直接高速A/D的欠采樣操作，從而保證高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際信噪比與理論值近乎一致。在本發(fā)明的一個(gè)示例中，采用ADI公司的AD9523芯片，實(shí)現(xiàn)了 40MHz的系統(tǒng)參考時(shí)鐘與本地40MHz時(shí)鐘的多級鎖相環(huán)PLL相位同步，得到頻率為80MHz、相位抖動為400fs的高穩(wěn)定的時(shí)鐘源，為14比特模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器ADS6445對63. 86MHz的MRI信號進(jìn)行直接數(shù)字采樣提供采樣時(shí)鐘，獲得了 SOdB與14比特模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器理論值相近的實(shí)際信噪比。此外，雖然在圖2中示出射頻接收裝置10包括時(shí)鐘分配器，在本發(fā)明的另一示例中，也可以不包括時(shí)鐘分配器，而是直接將掃描控制單元時(shí)鐘接口接收的時(shí)鐘信號直接傳遞給并行處理控制器、每個(gè)模數(shù)變換器和每個(gè)數(shù)字下變頻變換器。另外，雖然在圖2中時(shí)鐘分配器被示出為包括在信號處理單元130中，但是在本發(fā)明的另一示例中，時(shí)鐘分配器135也可以位于信號處理單元130之外。
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圖1中示出的掃描控制單元20通常包括序列時(shí)序控制模塊、射頻脈沖產(chǎn)生模塊和梯度波形產(chǎn)生模塊。序列時(shí)序控制模塊用于對通過第二數(shù)字光纖鏈路轉(zhuǎn)送來的、發(fā)自控制臺的所有掃描序列事件、時(shí)序、以及成像參數(shù)等的掃描序列信息進(jìn)行編譯，產(chǎn)生射頻脈沖產(chǎn)生指令、梯度波形產(chǎn)生指令和射頻接收控制指令。射頻脈沖產(chǎn)生模塊用于根據(jù)序列時(shí)序控制模塊所產(chǎn)生的射頻脈沖產(chǎn)生指令，輸出期望相位、幅度、頻率和波形形狀的射頻脈沖波形。梯度波形產(chǎn)生模塊用于根據(jù)序列時(shí)序控制模塊所產(chǎn)生的梯度波形產(chǎn)生指令，輸出期望的三維梯度波形和直流偏移電壓數(shù)值。掃描控制單元中的序列時(shí)序控制模塊還可以生成參考時(shí)鐘，并且通過掃描控制單元時(shí)鐘接口(例如，光纖接口)，經(jīng)由參考時(shí)鐘鏈路(例如，光纖鏈路)為射頻接收單元提供低延時(shí)低抖動的參考時(shí)鐘。所述參考時(shí)鐘鏈路是由單條光纖介質(zhì)構(gòu)成的單工光纖介質(zhì)傳輸通道，該傳輸通道的掃描控制單元一端作為發(fā)送方，射頻接收裝置一端作為接收方。在本發(fā)明的一個(gè)示例中，參考時(shí)鐘鏈路的發(fā)送方和接收方采用SFP迷你型千兆位接口轉(zhuǎn)換器裸機(jī)無協(xié)議直接互聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)掃描控制單元向射頻接收單元傳輸?shù)陀?0ps相位抖動的系統(tǒng)參考時(shí)鐘，保證光纖譜儀各個(gè)子系統(tǒng)在同一時(shí)鐘源驅(qū)動下協(xié)同工作。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀的一個(gè)示例及其與控制臺之間的連接關(guān)系。如圖4所示，在射頻接收裝置10端，在操作時(shí)，一方面，射頻接收裝置10通過控制臺數(shù)據(jù)光纖接口 140，接收經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路從控制臺計(jì)算機(jī)發(fā)送來的掃描序列事件、時(shí)序、以及成像參數(shù)等掃描序列信息，并且通過掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口 150，經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路向掃描控制單元轉(zhuǎn)發(fā)上述所有信息。此外，在掃描控制單元完成對上述信息的處理后，射頻接收裝置10通過掃描控制單元數(shù)據(jù)接口，經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路接收從掃描控制單元發(fā)送來的有關(guān)射頻接收事件信息和掃描控制單元狀態(tài)信息，其中，射頻接收事件信息是由掃描控制單元掃描時(shí)序控制模塊解析出的采集帶寬、采集點(diǎn)數(shù)、采集間隔、采集模式和采集起始時(shí)間等相關(guān)信息，掃描控制單元狀態(tài)信息包括掃描控制單元所獲得的梯度線圈和射頻線圈工作狀態(tài)信息，以及掃描控制單元本身的工作狀態(tài)等信息。然后，射頻接收裝置10根據(jù)射頻接收控制指令，對經(jīng)過信號調(diào)整(低噪聲放大、帶通濾波和增益控制)和數(shù)字下變頻變換處理后RF輸入信號進(jìn)行并行處理。在進(jìn)行上述處理后，射頻接收裝置10通過控制臺數(shù)據(jù)光纖接口 140，經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路上傳射頻接收裝置10對磁共振信號進(jìn)行如上接收及處理后得到的磁共振成像數(shù)據(jù)和所接收到的掃描控制單元狀態(tài)信息。在掃描控制單元20端，一方面，通過掃描控制單元20上的掃描控制單元數(shù)據(jù)接口(通常采用光纖接口)，接收經(jīng)由第二數(shù)字鏈路(例如，光纖鏈路)轉(zhuǎn)送來的、發(fā)自控制臺的所有掃描序列事件、時(shí)序、以及成像參數(shù)等掃描序列信息。在接收到上述掃描序列信息后，序列時(shí)序控制模塊對上述信息進(jìn)行編譯得到射頻脈沖產(chǎn)生指令、梯度波形產(chǎn)生指令和射頻接收控制指令。然后，序列時(shí)序控制模塊將所得到的有關(guān)產(chǎn)生射頻脈沖的指令發(fā)送給掃描控制單元中的射頻脈沖產(chǎn)生模塊。該射頻脈沖產(chǎn)生模塊輸出期望相位、幅度、頻率和波形形狀的射頻脈沖波形。此外，序列時(shí)序控制模塊還將所得到的有關(guān)產(chǎn)生梯度波形的指令發(fā)送給掃描控制單元中的梯度波形產(chǎn)生模塊。該梯度波形產(chǎn)生模塊輸出期望的三維梯度波形和直流偏移電壓數(shù)值。 另一方面，通過掃描控制單元20的掃描控制單元數(shù)據(jù)接口(例如，光纖接口)，經(jīng)由第二數(shù)字鏈路(例如，光纖鏈路)向射頻接收裝置10發(fā)送序列時(shí)序控制模塊所生成的射頻接收控制指令。此外，掃描控制單元20中的序列時(shí)序控制模塊還生成參考時(shí)鐘，并且通過掃描控制單元時(shí)鐘接口(例如，光纖接口)，經(jīng)由參考時(shí)鐘鏈路(例如，光纖鏈路)為射頻接收單元提供低延時(shí)低抖動的參考時(shí)鐘。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中的發(fā)送過程的流程圖。如圖5所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，首先，在步驟S510，將多個(gè)串行消息鏈與多個(gè)狀態(tài)線和控制線并列在一起，形成由多個(gè)串行數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的動態(tài)數(shù)據(jù)塊，其中每個(gè)串行消息鏈，狀態(tài)線和控制線是串行數(shù)據(jù)鏈中的獨(dú)立數(shù)據(jù)通道。接著，在步驟S520，對于動態(tài)數(shù)據(jù)塊中的每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)通道，以比最大數(shù)據(jù)變化率至少大兩倍的采樣速率進(jìn)行同步采樣。然后，在步驟S530，將同一時(shí)間片內(nèi)采樣的各個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)依序排序，形成串行數(shù)據(jù)片。在形成串行數(shù)據(jù)片后，在步驟S540，按照時(shí)間片采樣順序，將連續(xù)獲得的串行數(shù)據(jù)片組成串行數(shù)據(jù)流。然后，在步驟S550，經(jīng)由第一或第二數(shù)字鏈路將所組成的串行數(shù)據(jù)流從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程中的接收過程的流程圖。在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)，在步驟S610，將所接收的串行數(shù)據(jù)流依照發(fā)送端數(shù)據(jù)通道的次序分別置于對應(yīng)的重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈中。然后，在步驟S620，判斷數(shù)據(jù)片的數(shù)據(jù)是否被完全接收。如果沒有被完全接收，則返回到步驟S610，繼續(xù)接收串行數(shù)據(jù)流并放置在重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈中。如果數(shù)據(jù)片的數(shù)據(jù)被完全接收，則在步驟S630，將后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)依次鏈接到對應(yīng)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)鏈的尾端。然后，在步驟S640，判斷是否完全恢復(fù)原始動態(tài)數(shù)據(jù)塊。如果沒有，則返回到步驟S610，重復(fù)上述操作，直到使得從各個(gè)數(shù)據(jù)片中按位提取的數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)在對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈中依次鏈接，從而恢復(fù)出原始動態(tài)數(shù)據(jù)塊。如果完全恢復(fù)，則流程結(jié)束。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中的基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸過程的示意圖。在圖7中，位于數(shù)字光纖鏈路左側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸過程是數(shù)據(jù)發(fā)送過程，以及位于數(shù)據(jù)光纖鏈路右側(cè)的數(shù)據(jù)傳輸過程是數(shù)據(jù)接收過程。如上參照圖1到圖7描述了根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀的射頻接收裝置以及具有上述射頻接收裝置的磁共振光纖譜儀的結(jié)構(gòu)及其操作流程。根據(jù)本發(fā)明的射頻接收裝置，在對射頻接收單元中的經(jīng)過滿足設(shè)計(jì)要求的、無中頻采樣環(huán)節(jié)的信號調(diào)整模塊處理后的射頻輸出信號進(jìn)行直接高速A/D操作之后，在數(shù)字域中直接對采樣信號進(jìn)行包括正交相干檢測在內(nèi)的基于FPGA的一次數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)換(DDC)信號處理，一方面，降低了多通道基帶信號的帶寬，提高了數(shù)字光纖鏈路I的帶寬利用率(在本實(shí)施例中，所使用的具有2. 5G帶寬普通光纖鏈路可以傳輸大于128個(gè)射頻接收通道的磁共振信號)，另一方面，又進(jìn)一步提高了射頻接收裝置的信噪比。此外，在根據(jù)本發(fā)明的射頻接收裝置中，采用多級鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)對來自掃描控制單元的參考時(shí)鐘進(jìn)行同步鎖相，從而使得射頻接收獲得來自掃描控制單元的、與系統(tǒng)參 考時(shí)鐘同步的、具有飛秒級相位抖動特性的本地時(shí)鐘，由此為射頻接收裝置的高速模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器提供具有高穩(wěn)定性的時(shí)鐘源，保證高速A/D采樣條件下磁共振射頻接收通道具有與理論值近乎一致的信噪比SNR。此外，在根據(jù)本發(fā)明的磁共振光纖譜儀中，射頻接收單元與掃描控制單元及其與控制臺之間采用基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)通信方法，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。盡管前面公開的內(nèi)容示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)注意，在不背離權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍的前提下，可以進(jìn)行多種改變和修改。根據(jù)這里描述的發(fā)明實(shí)施例的方法權(quán)利要求的功能、步驟和/或動作不需以任何特定順序執(zhí)行。此外，盡管本發(fā)明的元素可以以個(gè)體形式描述或要求，但是也可以設(shè)想多個(gè)，除非明確限制為單數(shù)。雖然如上參照圖描述了根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對上述本發(fā)明所提出的各個(gè)實(shí)施例，還可以在不脫離本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容確定。
權(quán)利要求
1.一種磁共振光纖譜儀的射頻接收裝置，包括 信號調(diào)整單元，包括至少兩個(gè)信號調(diào)整子單元，每個(gè)信號調(diào)整子單元用于對所接收的射頻信號進(jìn)行信號調(diào)整； 至少兩個(gè)模數(shù)變換器，每個(gè)模數(shù)變換器的輸入端與一個(gè)信號調(diào)整子單元的輸出相連；信號處理單元，包括至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器以及并行處理控制器，每個(gè)數(shù)字下變頻變換器的輸入端與一個(gè)模數(shù)變換器的輸出端相連，輸出端與并行處理器的一個(gè)輸入端相連，所述并行處理控制器用于對所述的至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器輸出的信號進(jìn)行并行處理以及將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給所述磁共振光纖譜儀中的掃描控制單元；控制臺數(shù)據(jù)光纖接口，與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第一數(shù)字光纖鏈路與控制臺進(jìn)行全雙工通信，用于將信號處理單元輸出的射頻信號傳遞給控制臺，以及從控制臺接收所述掃描序列信息； 掃描控制單元數(shù)據(jù)光纖接口，與所述并行處理器的輸出端相連并且經(jīng)由第二數(shù)字光纖鏈路與掃描控制單元進(jìn)行全雙工通信，用于將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給掃描控制單元以及從所述掃描控制單元接收射頻接收控制指令；以及 掃描控制單元時(shí)鐘接口，用于經(jīng)由參考時(shí)鐘光纖鏈路，從掃描控制單元接收參考時(shí)鐘信號， 其中，所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器由經(jīng)由所述掃描控制單元時(shí)鐘接口接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行時(shí)鐘控制。
2.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，其中，所述數(shù)字下變頻變換器是基于FPGA的數(shù)字下變頻變換器。
3.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，還包括 時(shí)鐘分配器，用于對從掃描控制單元接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行同步鎖相處理，并將經(jīng)過同步鎖相處理后的時(shí)鐘信號分配給所述并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器。
4.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，其中，每個(gè)所述信號調(diào)整子單元包括 低噪聲放大器，用于對所接收的射頻信號進(jìn)行低噪聲放大； 帶通濾波器，用于對經(jīng)過低噪聲放大后的射頻信號進(jìn)行帶通濾波；以及增益控制器，用于對經(jīng)過帶通濾波后的射頻信號進(jìn)行增益調(diào)整，使得經(jīng)過增益調(diào)整后的射頻信號的最大幅度與模數(shù)變換器的滿偏數(shù)值對應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，其中，所述掃描序列信息包括掃描序列事件、時(shí)序以及成像參數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的射頻接收裝置，其中，所述掃描序列事件包括射頻發(fā)送事件、梯度波形事件和/或射頻接收事件，所述成像參數(shù)包括空間解剖參數(shù)和/或序列圖像對比參數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，其中，基于所述第一和第二數(shù)字鏈路的數(shù)據(jù)通信采用基于時(shí)間片同步采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸方法。
8.如權(quán)利要求7所述的射頻接收裝置，其中，所述基于時(shí)間片采樣與恢復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸方法包括 在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，將多個(gè)串行消息鏈與多個(gè)狀態(tài)線和控制線并列在一起，形成由多個(gè)串行數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成的動態(tài)數(shù)據(jù)塊，其中每個(gè)串行消息鏈，狀態(tài)線和控制線是串行數(shù)據(jù)鏈中的獨(dú)立數(shù)據(jù)通道； 對于動態(tài)數(shù)據(jù)塊中的每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)通道，以至少大于最大數(shù)據(jù)變化率兩倍的采樣速率進(jìn)行同步采樣； 將同一時(shí)間片內(nèi)采樣的各個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)依序排序，形成串行數(shù)據(jù)片；以及 按照時(shí)間片采樣順序，將連續(xù)獲得的串行數(shù)據(jù)片組成串行數(shù)據(jù)流，并經(jīng)由第一或第二數(shù)字鏈路將所組成的串行數(shù)據(jù)流從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩耍灰约? 在進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)， 將所接收的串行數(shù)據(jù)流依照發(fā)送端數(shù)據(jù)通道的次序分別置于對應(yīng)的重構(gòu)數(shù)據(jù)鏈中； 一旦數(shù)據(jù)片的數(shù)據(jù)被完全接收，則將后續(xù)接收到的數(shù)據(jù)依次鏈接到對應(yīng)數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)鏈的尾端， 重復(fù)上述操作，使得從各個(gè)數(shù)據(jù)片中按位提取的數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)在對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈中依次鏈接，從而恢復(fù)出原始動態(tài)數(shù)據(jù)塊。
9.如權(quán)利要求1所述的射頻接收裝置，其中，所述第一和第二數(shù)字鏈路的鏈路接口是SFP迷你型千兆位接口轉(zhuǎn)換器。
10.一種磁共振光纖譜儀，包括 如權(quán)利要求1到9中任何一個(gè)所述的射頻接收裝置；以及 掃描控制裝置，用于生成所述射頻接收裝置的參考時(shí)鐘信號，以及對從所述射頻接收裝置接收的來自控制臺的掃描序列信息進(jìn)行編譯以生成所述射頻接收裝置的射頻接收控制指令。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁共振光纖譜儀的射頻接收裝置。在該射頻接收裝置中，信號調(diào)整單元包括至少兩個(gè)對所接收的射頻信號進(jìn)行信號調(diào)整的信號調(diào)整子單元。每個(gè)模數(shù)變換器的輸入端與一個(gè)信號調(diào)整子單元的輸出相連。信號處理單元包括至少兩個(gè)對模數(shù)變換器的輸出信號進(jìn)行下變頻變換的數(shù)字下變頻變換器以及并行處理控制器，并行處理控制器用于對至少兩個(gè)數(shù)字下變頻變換器輸出的信號進(jìn)行并行處理以及將從控制臺接收的掃描序列信息傳遞給掃描控制單元。并行處理器、每個(gè)數(shù)字下變頻變換器和每個(gè)模數(shù)變換器由經(jīng)由掃描控制單元時(shí)鐘接口接收的參考時(shí)鐘信號進(jìn)行時(shí)鐘控制。利用該射頻接收裝置，可以提高數(shù)字光纖鏈路的帶寬利用率以及射頻接收單元的接收通道信噪比。
文檔編號A61B5/055GK102988048SQ20121041768
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者史建華, 胡紅兵, 李海泉, 吳林, 王艷, 左紅, 孫容, 王宏偉 申請人:東軟飛利浦醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)有限責(zé)任公司