專利名稱：一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中為克服由于渦流的影響而造成梯度磁場(chǎng)上升沿變緩的梯度預(yù)加強(qiáng)電路。
在MRI系統(tǒng)中，梯度磁場(chǎng)被用來確定空間位置。它是由梯度波形發(fā)生器(通常是磁共振成像譜儀的功能之一)根據(jù)序列要求輸出梯度波形，激勵(lì)梯度放大器輸出梯度電流，驅(qū)動(dòng)梯度線圈形成的。理想的梯度波形發(fā)生器輸出、梯度放大器輸出和梯度磁場(chǎng)波形見

圖1a、圖1b、圖1c。但在實(shí)際系統(tǒng)中由于鐵磁性物質(zhì)的存在，梯度電流跳變形成的梯度磁場(chǎng)的變化會(huì)在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流。渦流衍生出的磁場(chǎng)方向與梯度磁場(chǎng)建立的方向相反，因此會(huì)延緩梯度磁場(chǎng)的建立，見圖1d。這種延緩會(huì)對(duì)MRI系統(tǒng)成像的性能產(chǎn)生較大的影響。
克服渦流的影響、改善梯度磁場(chǎng)的建立波形有許多種方法。其中之一是采用梯度預(yù)加強(qiáng)(pre-emphasis)電路。梯度預(yù)加強(qiáng)是在梯度波形發(fā)生器的輸出波形上(見圖1e)或梯度放大器的輸出電流上(見圖1f)預(yù)先加上一個(gè)過沖，抵消渦流場(chǎng)的影響，加速梯度磁場(chǎng)的建立，見圖1g。為了適應(yīng)不同渦流場(chǎng)的情況，該過沖的幅度和時(shí)間常數(shù)都是可調(diào)的。
梯度放大器中X、Y、Z三路梯度一般都加有模擬式梯度預(yù)加強(qiáng)(有時(shí)稱為渦流補(bǔ)償)電路，如ANALOGIC公司的AN8253，COPLEY公司的MODEL231P等。這種電路由一個(gè)可調(diào)幅度的運(yùn)算放大器+RC時(shí)間常數(shù)電路構(gòu)成。見圖2。為了組合出任意波形，通常有多級(jí)這樣的電路并聯(lián)，每級(jí)具有不同的時(shí)間常數(shù)。幅度和時(shí)間常數(shù)的調(diào)整采用手調(diào)多圈電位器。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無須做任何計(jì)算、成本極低。但同時(shí)也有很大的缺點(diǎn)。由于全部采用模擬器件，不適合用任何數(shù)字器件來控制，幅度和時(shí)間常數(shù)需人工用改錐調(diào)整，工作量極大而一致性、可重復(fù)性很差，也不能由計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。
近年來一些新開發(fā)的譜儀中的梯度波形發(fā)生器具備了數(shù)字式梯度預(yù)加強(qiáng)電路。如英國RI公司的MARAN DRX，美國TECMAG公司的APOLLO。這種電路用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)在數(shù)字域計(jì)算預(yù)加強(qiáng)過沖的幅度和時(shí)間常數(shù)，迭加到標(biāo)準(zhǔn)的梯度波形上，經(jīng)數(shù)/模變換(DAC)后，驅(qū)動(dòng)梯度放大器，見圖3。這種電路的優(yōu)缺點(diǎn)恰好和上一種相反用DSP來計(jì)算和控制預(yù)加強(qiáng)過沖的幅度和時(shí)間常數(shù)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，一致性、可重復(fù)性好。但由于必須用近似公式計(jì)算時(shí)間常數(shù)曲線的值，同時(shí)每改變一次幅度或時(shí)間常數(shù)都必須全部重新計(jì)算一次，因此計(jì)算量極大。在以上兩種譜儀中，MARAN DRX提供4級(jí)梯度預(yù)加強(qiáng)，APOLLO提供5級(jí)，而它們專用于這個(gè)工作的DSP分別達(dá)到4片和6片，可見計(jì)算量之大。
本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種數(shù)模混合式梯度預(yù)加強(qiáng)電路，它采用數(shù)字控制，模擬調(diào)整的方式，因此它既具有模擬式梯度預(yù)加強(qiáng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無須計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，又具有數(shù)字式梯度預(yù)加強(qiáng)電路可自動(dòng)調(diào)整，一致性、可重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，用于磁共振成像系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于包括一接口電路，用于與一控制主機(jī)連接傳輸幅度和時(shí)間常數(shù)值；一數(shù)字控制電路，用于與所述接口電路連接，并輸出調(diào)節(jié)所述幅度和時(shí)間常數(shù)值數(shù)字信號(hào)；一幅度調(diào)節(jié)電路，用于接收未加強(qiáng)的梯度波形信號(hào)和接收所述數(shù)字控制電路的幅度調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)，并輸出第一混合信號(hào)；一時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路，用于接收所述幅度調(diào)節(jié)電路輸出的混合信號(hào)以及接收所述數(shù)字控制電路的時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)，并輸出第二混合信號(hào)；一波形迭加電路，用于接收所述未加強(qiáng)的梯度波形信號(hào)和所述第二混合信號(hào)，并輸出迭加后的梯度波形信號(hào)。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述幅度調(diào)節(jié)電路和時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路中幅度和時(shí)間常數(shù)的電阻值是通過數(shù)控電位器DCP來調(diào)節(jié)的。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述接口電路為串行口集成電路，用于所述主機(jī)與所述數(shù)字控制電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳遞。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述數(shù)字控制電路包括單片機(jī)、存儲(chǔ)器和地址擴(kuò)展鎖存器，所述存儲(chǔ)器為可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器中存有控制所述單片機(jī)的程序。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于由所述數(shù)字控制電路輸入到所述數(shù)控電位器DCP的控制指令中包含有唯一選定一個(gè)數(shù)控電位器DCP的數(shù)據(jù)。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述數(shù)控電位器DCP中還設(shè)有一寄存器，所述寄存器用于存儲(chǔ)其電阻陣列中心抽頭位置，所述寄存器為非易失性存儲(chǔ)器。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述數(shù)控電位器DCP接收的控制信號(hào)包括一個(gè)串行數(shù)據(jù)位和一個(gè)打入時(shí)鐘位數(shù)字信號(hào)。
上述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特點(diǎn)在于所述數(shù)控電位器DCP的控制指令中包含器件識(shí)別位和電位器識(shí)別位的組合數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案通過采用數(shù)控電位器DCP來達(dá)到數(shù)字控制和模擬調(diào)整的兩重要求。數(shù)控電位器DCP是一種數(shù)?；旌掀骷?，它內(nèi)部有一個(gè)串聯(lián)的電阻陣列，其電阻的數(shù)量決定了數(shù)控電位器DCP的分辯率，通常有32，64，100，256，1024等。每?jī)蓚€(gè)電阻之間的連接點(diǎn)通過一個(gè)電子開關(guān)連接到中心抽頭端。電子開關(guān)則由用戶通過總線接口控制通斷，通斷的位置決定了中心抽頭端在電阻陣列中的位置，因而可以決定中心抽頭端距電阻陣列兩端的電阻值。改變通斷的位置就可以改變這個(gè)電阻值。因此從電阻陣列兩端和中心抽頭來看，數(shù)控電位器DCP表現(xiàn)得就好象是一個(gè)普通的三端可調(diào)電位器一樣，差別只在于普通的電位器是通過旋紐或工具手動(dòng)連續(xù)可調(diào)的，而數(shù)控電位器DCP是通過總線輸入指令步進(jìn)調(diào)節(jié)的。
數(shù)控電位器DCP的這種工作方式為本發(fā)明提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明所述的梯度預(yù)加強(qiáng)電路就是用數(shù)控電位器DCP來代替模擬式梯度預(yù)加強(qiáng)電路中手調(diào)電位器，用通用計(jì)算機(jī)、單片計(jì)算機(jī)、DSP等數(shù)字控制器件通過DCP的總線接口來控制數(shù)控電位器DCP的抽頭位置，從而調(diào)節(jié)梯度預(yù)加強(qiáng)電路中過沖波形的幅度和時(shí)間常數(shù)。
下面結(jié)合原理框圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述。
圖7b是圖5中幅度調(diào)節(jié)電路和時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路示意圖在圖7a中，主機(jī)接口電路1由串行口集成電路U1 3實(shí)現(xiàn)，它的引腳11將來自單片機(jī)U14引腳11的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C電平，通過引腳14輸出；同時(shí)它的引腳13將來自主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)RS-232C電平的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成單片機(jī)U14的電平，通過引腳12送到U14的引腳10。J1為去主機(jī)的D型接插件。
數(shù)字控制電路2由單片機(jī)U14，存儲(chǔ)器U15，地址擴(kuò)展鎖存器U16構(gòu)成。U15為32K×8大小的可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，用來存儲(chǔ)單片機(jī)U14的程序，U16將地址總線的寬度從8位擴(kuò)展至15位。U14的P0口(P00-P07)用作數(shù)據(jù)總線及低8位地址總線，P2口中P20-P26用作高7位地址總線，最高位P27用作U15的片選。P1口用作DCP的控制口，其中P10、P11分別用作X路梯度預(yù)加強(qiáng)電路的串行數(shù)據(jù)和時(shí)鐘，P12、P13用于Y路，P14、P15用于Z路。由于三路梯度預(yù)加強(qiáng)電路完全一樣，為簡(jiǎn)化起見，在圖7b中只畫出了X路的幅度、時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路和波形迭加電路。
在圖7b中，芯片U9-U12是4個(gè)數(shù)控電位器DCP芯片。每個(gè)芯片含有4個(gè)數(shù)控電位器DCP，因此總共有16個(gè)數(shù)控電位器DCP。每個(gè)數(shù)控電位器DCP芯片的左邊兩個(gè)數(shù)控電位器DCP(R0和R3，其三個(gè)端分別是RL0/RH0/RW0和RL3/RH3/RW3)與運(yùn)算放大器U1A-U8A構(gòu)成8級(jí)幅度調(diào)節(jié)電路，幅度調(diào)節(jié)通過數(shù)控電位器DCP的中心抽頭端RW對(duì)RH端的來自J3輸入的梯度波形分壓實(shí)現(xiàn)，各級(jí)的分壓可以各不相同，運(yùn)算放大器U1A-U8A用作跟隨器。每個(gè)數(shù)控電位器DCP芯片的右邊兩個(gè)數(shù)控電位器DCP(R1和R2，其三個(gè)端分別是RL1/RH1/RW1和RL2/RH2/RW2)與電容C8-C15、電阻R1、R2、R4、R5、R7、R8、R10、R11、R13、R14、R16、R17、R19、R20、R22、R23和運(yùn)算放大器U1B-U8B構(gòu)成8級(jí)時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路，通過改變RW1和RW2的位置，就可以改變C8-C15、R1、R4、R7、R10、R13、R16、R19、R22和U9-U12中R1、R2構(gòu)成的RC回路的時(shí)間常數(shù)，每級(jí)的時(shí)間常數(shù)可以各不相同，運(yùn)算放大器U1B-U8B也用作跟隨器。DCP的控制指令通過單片機(jī)的P10、P11口經(jīng)數(shù)控電位器DCP芯片的數(shù)據(jù)端SI和時(shí)鐘端SCK打入，它由3個(gè)串行字節(jié)組成，分別是驗(yàn)證字節(jié)、指令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)，見圖6。驗(yàn)證字節(jié)中的A0、A1是兩位器件識(shí)別位，它與U9-U12中A0、A1相匹配可唯一選定一個(gè)數(shù)控電位器DCP芯片。而指令字節(jié)中的P0、P1可唯一選定一個(gè)數(shù)控電位器DCP芯片中4個(gè)數(shù)控電位器DCP之一。A0、A1、P0、P1的組合可唯一選定16個(gè)數(shù)控電位器DCP之一，這正好是本發(fā)明中數(shù)控電位器DCP的數(shù)目。因此本發(fā)明中的數(shù)控電位器DCP不需要另加片選電路，所有的數(shù)控電位器DCP芯片片選端/CS都接地。數(shù)據(jù)字節(jié)給出中心抽頭端的位置送入數(shù)控電位器DCP中的中心抽頭寄存器。本發(fā)明選用的數(shù)控電位器DCP是非易失的，這意味著即使關(guān)電，數(shù)控電位器DCP仍可以保存中心抽頭的位置，所以一旦調(diào)整好梯度預(yù)加強(qiáng)的波形，可以像模擬電位器一樣永久保存。
運(yùn)算放大器U17和電阻R3、R6、R9、R12、R15、R18、R21、R24、R25、R26構(gòu)成波形迭加電路。R3、R6、R9、R12、R15、R18、R21、R24與R25的比決定了各級(jí)預(yù)加強(qiáng)分量的相對(duì)大小，而R25與R26的比決定了總的預(yù)加強(qiáng)分量與原波形的相對(duì)大小。預(yù)加強(qiáng)后的梯度波形從J2輸出。
本發(fā)明所述的梯度預(yù)加強(qiáng)電路在實(shí)施時(shí)既可以作為一部分融合進(jìn)入譜儀中的梯度波形發(fā)生電路或梯度放大器的渦流補(bǔ)償電路中，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的部件串接在無梯度預(yù)加強(qiáng)電路的譜儀和梯度放大器之間。
權(quán)利要求
1.一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，用于磁共振成像系統(tǒng)，其特征在于包括一接口電路，用于與一控制主機(jī)連接傳輸幅度和時(shí)間常數(shù)值；一數(shù)字控制電路，用于與所述接口電路連接，并輸出調(diào)節(jié)所述幅度和時(shí)間常數(shù)值數(shù)字信號(hào)；一幅度調(diào)節(jié)電路，用于接收未加強(qiáng)的梯度波形信號(hào)和接收所述數(shù)字控制電路的幅度調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)，并輸出第一混合信號(hào)；一時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路，用于接收所述幅度調(diào)節(jié)電路輸出的混合信號(hào)以及接收所述數(shù)字控制電路的時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)數(shù)字信號(hào)，并輸出第二混合信號(hào)；一波形迭加電路，用于接收所述未加強(qiáng)的梯度波形信號(hào)和所述第二混合信號(hào)，并輸出迭加后的梯度波形信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述幅度調(diào)節(jié)電路和時(shí)間常數(shù)調(diào)節(jié)電路中幅度和時(shí)間常數(shù)的電阻值是通過數(shù)控電位器DCP來調(diào)節(jié)的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述接口電路為串行口集成電路，用于所述主機(jī)與所述數(shù)字控制電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳遞。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述數(shù)字控制電路包括單片機(jī)、存儲(chǔ)器和地址擴(kuò)展鎖存器，所述存儲(chǔ)器為可擦可編程只讀存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器中存有控制所述單片機(jī)的程序。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于由所述數(shù)字控制電路輸入到所述數(shù)控電位器DCP的控制指令中包含有唯一選定一個(gè)數(shù)控電位器DCP的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述數(shù)控電位器DCP中還設(shè)有一寄存器，所述寄存器用于存儲(chǔ)其電阻陣列中心抽頭位置，所述寄存器為非易失性存儲(chǔ)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述數(shù)控電位器DCP接收的控制信號(hào)包括一個(gè)串行數(shù)據(jù)位和一個(gè)打入時(shí)鐘位數(shù)字信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其特征在于所述數(shù)控電位器DCP的控制指令中包含器件識(shí)別位和電位器識(shí)別位的組合數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于磁共振成像MRI系統(tǒng)中的梯度預(yù)加強(qiáng)電路，其獨(dú)特之處在于利用數(shù)控電位器DCP實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制和模擬調(diào)整部分的跨接，DCP可以根據(jù)數(shù)字控制量調(diào)節(jié)其電阻陣列中心抽頭的位置，從而改變梯度預(yù)加強(qiáng)的幅度和時(shí)間常數(shù)；因此該電路既具有模擬式梯度預(yù)加強(qiáng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無須計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，又具有數(shù)字式梯度預(yù)加強(qiáng)電路可自動(dòng)調(diào)整，一致性、可重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R33/385GK1447127SQ0210781
公開日2003年10月8日 申請(qǐng)日期2002年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月21日
發(fā)明者胡曾千, 邢研, 臧繼運(yùn), 任樂楓, 金濤 申請(qǐng)人:深圳安科高技術(shù)股份有限公司