基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，包括第一微控制單元、第二微控制單元、頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，所述頻率源模塊連接所述第一微控制單元；所述頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊均連接所述第二微控制單元。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊，可有效縮小電路尺寸，使其適用于核磁共振檢測芯片當(dāng)中，簡化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電路易于控制，增加檢測的靈活性，也降低了制造成本，與微型線圈、微型磁體配合用于核磁共振芯片當(dāng)中，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)核磁共振檢測方法的不足。
【專利說明】基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于核磁共振檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道。
【背景技術(shù)】
[0002]核磁共振檢測技術(shù)具有檢測迅速、低輻射以及對被檢測對象無損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、分子結(jié)構(gòu)分析、物質(zhì)成分鑒定以及疾病診斷等領(lǐng)域。但是傳統(tǒng)核磁共振儀器笨重，尺寸較大，并且造價(jià)昂貴，限制了核磁共振檢測技術(shù)的普及，于是出現(xiàn)了核磁共振檢測芯片的研究。核磁共振芯片主要由微型磁路、微型射頻線圈和微型控制電路組成，致力于微型磁路以及微型射頻線圈的研究有很多，并且也取得了很多不錯(cuò)的成果。核磁共振芯片控制電路方面的研究相對較少，大多數(shù)控制電路方面的研究主要應(yīng)用于傳統(tǒng)的大型核磁共振儀器。在核磁共振芯片的控制電路中，接收通道易于實(shí)現(xiàn)模塊化，可利用通用模塊化的器件搭建；射頻發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)方式較多，如頻率源可采用各種振蕩電路實(shí)現(xiàn)，脈沖可采用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)，雙工器可利用PIN二極管與1/4波長線實(shí)現(xiàn)等，但是這些實(shí)現(xiàn)方式造成電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于電路控制，電路尺寸相對較大，不適合用在核磁共振芯片當(dāng)中。
[0003]因此，需要一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道以實(shí)現(xiàn)上述功能。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中核磁共振芯片射頻發(fā)射通道存在的不足，提供一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道可采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，包括第一微控制單元、第二微控制單元、頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，所述頻率源模塊連接所述第一微控制單元；所述頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊均連接所述第二微控制單元。
[0007]更進(jìn)一步的，所述頻率源模塊包括第一 DDS模塊、第二 DDS模塊、第三DDS模塊、第一有源晶振模塊和第二有源晶振模塊，所述第一 DDS模塊、第二 DDS模塊和第三DDS模塊均連接所述第一微控制單元，所述第一有源晶振模塊連接所述第一 DDS模塊和第二 DDS模塊，所述第二有源晶振模塊連接所述第三DDS模塊。
[0008]更進(jìn)一步的，所述脈沖序列發(fā)生器模塊包括第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、第三模擬開關(guān)、第四模擬開關(guān)和第一兩路復(fù)用器，所述第一 DDS模塊、第一模擬開關(guān)和第二模擬開關(guān)依次連接，所述第二 DDS模塊、第三模擬開關(guān)和第四模擬開關(guān)依次連接；所述第二模擬開關(guān)和第四模擬開關(guān)均連接所述第一兩路復(fù)用器。
[0009]更進(jìn)一步的，所述脈沖功率放大模塊包括緩沖器、功率放大器和第一電平放大模塊，所述緩沖器連接所述第一兩路復(fù)用器，所述功率放大器連接所述緩沖器，所述第一電平 放大模塊連接所述第二微控制單元和功率放大器。
[0010]更進(jìn)一步的，所述電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊包括第二兩路復(fù)用器、第三兩路復(fù)用器、標(biāo)準(zhǔn) 阻抗、第二電平放大模塊、第三電平放大模塊、第四電平放大模塊、第五電平放大模塊和第 六電平放大模塊，所述第二兩路復(fù)用器連接所述功率放大器，所述第三兩路復(fù)用器連接所 述第二兩路復(fù)用器，所述標(biāo)準(zhǔn)阻抗接地并連接所述第三兩路復(fù)用器；所述第二電平放大模 塊、第三電平放大模塊、第四電平放大模塊、第五電平放大模塊和第六電平放大模塊均連接 所述第二微控制單元，
[0011]所述第二電平放大模塊、第三電平放大模塊和第四電平放大模塊均連接所述第二 兩路復(fù)用器，
[0012]所述第二電平放大模塊、第五電平放大模塊和第六電平放大模塊均連接所述第三 兩路復(fù)用器。
[0013]有益效果:本實(shí)用新型的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道結(jié)構(gòu)緊 湊，可有效縮小電路尺寸，使其適用于核磁共振檢測芯片當(dāng)中。簡化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得 電路易于控制，不僅增加了檢測方法上的靈活性，也降低了制造成本，與微型線圈、微型磁 體配合用于核磁共振芯片當(dāng)中，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)核磁共振檢測方法的不足，有益于促進(jìn)核磁 共振檢測技術(shù)的普及。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為頻率源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為脈沖序列發(fā)生器模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為脈沖功率放大模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖6基于微控制單元的射頻發(fā)射通道總框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于 說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員對本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0021]請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實(shí)用新型的基于微控制單元的核 磁共振芯片射頻發(fā)射通道，包括第一微控制單元101、第二微控制單元112、頻率源模塊、脈 沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器 模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放 大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊均連接第二微控制單元112。
[0022]頻率源模塊在第一微控制單元101控制下產(chǎn)生三路正弦信號，其中兩路正弦信號 的相位差為90°，這兩路相位差90°的正弦信號用于產(chǎn)生脈沖序列，另外一路正弦信號作 為接收通道中混頻器的本振信號。
[0023]脈沖序列發(fā)生器模塊連接頻率源模塊和第二微控制單元112，接收頻率源模塊產(chǎn)生的兩路相位差為90°的正弦信號，并在第二微控制單元112的控制下將連續(xù)正弦信號截?cái)酁槊}沖，并適時(shí)進(jìn)行信號切換以改變正弦信號的相位，以實(shí)現(xiàn)多種脈沖序列；
[0024]脈沖功率放大模塊連接脈沖序列發(fā)生器模塊和第二微控制單元112，脈沖功率放大模塊用于將脈沖序列發(fā)生器模塊的輸出阻抗匹配至50 Ω，也用于放大脈沖序列的功率，脈沖功率放大模塊中功放的開啟與關(guān)閉由第二微控制單元112控制；
[0025]電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊連接脈沖功率放大模塊和第二微控制單元112，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊在第二微控制單元112的控制下，實(shí)現(xiàn)接收核磁共振信號以及發(fā)射射頻激勵(lì)脈沖這兩種電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
[0026]請參閱圖2所示，頻率源模塊包括第一 DDS模塊102、第二 DDS模塊103、第三DDS模塊105、第一有源晶振模塊104和第二有源晶振模塊106。其中，DDS模塊為直接數(shù)字式頻率合成模塊。第一 DDS模塊102、第二 DDS模塊103和第三DDS模塊105均連接第一微控制單元101，第一有源晶振模塊104連接第一 DDS模塊102和第二 DDS模塊103，第二有源晶振模塊106連接第三DDS模塊105。第一 DDS模塊102、第二 DDS模塊103和第三DDS模塊105在第一微控制單元101控制下分別產(chǎn)生頻率可控的連續(xù)正弦信號。其中，第一 DDS模塊102和第二 DDS模塊103米用同一個(gè)第一有源晶振104做系統(tǒng)時(shí)鐘，以并行方式傳送控制字，第一 DDS模塊102和第二 DDS模塊103的頻率更新端口由第一微控制單元101的同一個(gè)控制端口控制，這樣的配置可確保第一 DDS模塊102和第二 DDS模塊103輸出的正弦信號相位差為90° ;采用單獨(dú)的第二有源晶振106作為第三DDS模塊105的系統(tǒng)時(shí)鐘，第三DDS模塊105采用串行方式傳送控制字，以節(jié)約第一微控制單元101控制端口數(shù)量，第三DDS模塊105產(chǎn)生的連續(xù)正弦信號用于接收通道的混頻器模塊中，作為本振信號。
[0027]請參閱圖3所示，脈沖序列發(fā)生器模塊包括第一模擬開關(guān)107、第二模擬開關(guān)108、第三模擬開關(guān)109、第四模擬開關(guān)110和第一兩路復(fù)用器111。
[0028]第一 DDS模塊102、第一模擬開關(guān)107和第二模擬開關(guān)108依次連接，第二 DDS模塊103、第三模擬開關(guān)109和第四模擬開關(guān)110依次連接。第一模擬開關(guān)107和第二模擬開關(guān)108作為一組，用于將來自頻率源模塊的正弦信號sinco截?cái)酁槊}沖，由第二微控制單元112同一個(gè)控制端口控制。第三模擬開關(guān)109和第四模擬開關(guān)109作為一組使用，用于將來自頻率源模塊的正弦信號cosco截?cái)酁槊}沖，由第二微控制單元112同一個(gè)控制端口控制。兩個(gè)模擬開關(guān)串聯(lián)使用，當(dāng)模擬開關(guān)關(guān)閉時(shí)可加大隔離度，提高脈沖質(zhì)量。
[0029]第二模擬開關(guān)108和第四模擬開關(guān)110均連接第一兩路復(fù)用器111。第一模擬開關(guān)107和第二模擬開關(guān)108將第一 DDS模塊102輸出的連續(xù)正弦信號切斷為第一脈沖信號，第三模擬開關(guān)109和第四模擬開關(guān)110將第二 DDS模塊103輸出的連續(xù)正弦信號切斷為第二脈沖信號，第一兩路復(fù)用器111用于將第一脈沖信號和第二脈沖信號切換至具有90°相位差的信號源并輸出低功率脈沖序列。其中，第一兩路復(fù)用器111的導(dǎo)通通道由第二微控制單元112控制，可決定第一兩路復(fù)用器111輸出的脈沖是由哪路正弦信號產(chǎn)生的。產(chǎn)生自旋回波序列、CP序列時(shí)，僅讓由正弦信號sinco或僅讓由正弦信號cose)截?cái)嗟拿}沖序列通過第一兩路復(fù)用器；產(chǎn)生CPMG序列時(shí)，90°脈沖可采用任何一路正弦信號，之后的一系列180°脈沖需要由另外一路相位差為90°的正弦信號產(chǎn)生。脈沖序列產(chǎn)生模塊的輸出端輸出低功率的脈沖序列。
[0030]請參閱圖4所示，脈沖功率放大模塊包括緩沖器113、功率放大器114和第一電平放大模塊115。緩沖器113連接第一兩路復(fù)用器111，功率放大器114連接緩沖器113，第一 電平放大模塊115連接第二微控制單元112和功率放大器114。
[0031]緩沖器113將第一兩路復(fù)用器111的輸出阻抗匹配至標(biāo)準(zhǔn)電阻；功率放大器114 放大低功率脈沖序列功率，激發(fā)樣品產(chǎn)生核磁共振信號；第一電平放大模塊115將第二微 控制單元102的控制電平放大后，作為功率放大器114的電源。
[0032]緩沖器113采用同相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，用于將脈沖序列發(fā)生器模塊脈沖序列輸 出端的端口阻抗匹配至50 Q，使得能夠利用功率放大器將脈沖序列的功率放大。采用第二 微控制單元112的控制端口電平為功率放大器114供電，此配置使得可由第二微控制單元 112控制功率放大器的開啟與關(guān)閉，當(dāng)功率放大器114開啟時(shí)，可放大脈沖序列的功率；當(dāng) 功率放大器114關(guān)閉時(shí)，輸出信號為零。為了解決第二微控制單元112端口電平較低，驅(qū)動 能力較弱的問題，采用第一電平放大模塊115放大第二微控制單元112端口電平，其中，第 一電平放大模塊115為采用高速運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的同相比例運(yùn)算電路，以滿足功率放大器 114對供電電源的需求。在發(fā)射脈沖的時(shí)候開啟功率放大器114,脈沖發(fā)射完畢立即關(guān)閉功 率放大器114，可以降低射頻發(fā)射通道高功率的射頻脈沖對接收通道的影響。
[0033]請參閱圖5所示，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊包括第二兩路復(fù)用器121、第三兩路復(fù)用器 122、標(biāo)準(zhǔn)阻抗123、第二電平放大模塊116、第三電平放大模塊117、第四電平放大模塊118、 第五電平放大模塊119和第六電平放大模塊120，第二兩路復(fù)用器121連接功率放大器 114，第三兩路復(fù)用器122連接第二兩路復(fù)用器121，標(biāo)準(zhǔn)阻抗123接地并連接第三兩路復(fù)用 器122 ;第二電平放大模塊116、第三電平放大模塊117、第四電平放大模塊118、第五電平放 大模塊119和第六電平放大模塊120均連接第二微控制單元112。
[0034]第二電平放大模塊116、第三電平放大模塊117和第四電平放大模塊118均連接第 二兩路復(fù)用器121。
[0035]第二電平放大模塊116、第五電平放大模塊119和第六電平放大模塊120均連接第 二兩路復(fù)用器122。
[0036]第二電平放大模塊116、第三電平放大模塊117、第四電平放大模塊118、第五電平 放大模塊119和第六電平放大模塊120放大第二微控制單元的端口電平，第二兩路復(fù)用器 121在第二微控制單元的控制下切換導(dǎo)通通道，第三兩路復(fù)用器122增加發(fā)射通道與接收 通道間的隔離度。
[0037]第二微控制單元112作為控制核心，控制第二兩路復(fù)用器121與第三兩路復(fù)用器 122導(dǎo)通通道的選擇。第二至第六電平放大模塊采用同相比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)，用于放大第二 微控制單元112的電平大小，使控制電平符合第二兩路復(fù)用器121與第三兩路復(fù)用器122 的要求。其中，第二電平放大模塊116為第二兩路復(fù)用器121和第三兩路復(fù)用器122提供 電源，第三電平放大模塊117和第四電平放大模塊118控制第二兩路復(fù)用器122的導(dǎo)通通 道的選擇，第五電平放大模塊119和第六電平放大模塊120控制第二兩路復(fù)用器122的導(dǎo) 通通道的選擇。第二兩路復(fù)用器122用于實(shí)現(xiàn)電路發(fā)射與接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)電路處于發(fā) 射狀態(tài)時(shí)，接收通道與射頻線圈之間的通道被阻斷，功率放大器114與射頻線圈之間的通 道導(dǎo)通，高功率脈沖序列進(jìn)入射頻線圈中激發(fā)樣品，以產(chǎn)生核磁共振信號；當(dāng)電路處于接收 狀態(tài)時(shí)，功率放大器114與射頻線圈之間的通道被阻斷，接收通道與射頻線圈之間的通道 導(dǎo)通，接收通道對核磁共振信號進(jìn)行接收與后續(xù)處理。第三兩路復(fù)用器122用于增加發(fā)射通道與接收通道間的隔離度，以減輕發(fā)射通道高功率射頻脈沖對接收通道的影響。當(dāng)電路處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，第三兩路復(fù)用器122將發(fā)射通道與接收通道隔離，從發(fā)射通道泄露的脈沖經(jīng)過第三兩路復(fù)用器后，通過50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗流入地，可顯著降低發(fā)射通道高功率脈沖對接收通道的影響。
[0038] 本實(shí)用新型的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道結(jié)構(gòu)緊湊，可有效縮小電路尺寸，使其適用于核磁共振檢測芯片當(dāng)中。簡化了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電路易于控制，不僅增加了檢測方法上的靈活性，也降低了制造成本，與微型線圈、微型磁體配合用于核磁共振芯片當(dāng)中，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)核磁共振檢測方法的不足，有益于促進(jìn)核磁共振檢測技術(shù)的普及。
【權(quán)利要求】
1.一種基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，其特征在于，包括第一微控制 單元(101)、第二微控制單元(112)、頻率源模塊、脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊 和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊，所述頻率源模塊連接所述第一微控制單元(101);所述頻率源模塊、 脈沖序列發(fā)生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊依次連接，所述脈沖序列發(fā) 生器模塊、脈沖功率放大模塊和電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊均連接所述第二微控制單元(112)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，其特征在于， 所述頻率源模塊包括第一 DDS模塊(102)、第二 DDS模塊(103)、第三DDS模塊(105)、第一 有源晶振模塊(104)和第二有源晶振模塊(106)，所述第一 DDS模塊(102)、第二 DDS模塊(103)和第三DDS模塊(105)均連接所述第一微控制單元(101)，所述第一有源晶振模塊(104)連接所述第一DDS模塊(102)和第二 DDS模塊(103)，所述第二有源晶振模塊(106) 連接所述第三DDS模塊(105)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，其特征在于， 所述脈沖序列發(fā)生器模塊包括第一模擬開關(guān)(107)、第二模擬開關(guān)(108)、第三模擬開關(guān) (109)、第四模擬開關(guān)(110)和第一兩路復(fù)用器(111)，所述第一 DDS模塊(102)、第一模擬開 關(guān)(107)和第二模擬開關(guān)(108)依次連接，所述第二 DDS模塊(103)、第三模擬開關(guān)(109)和 第四模擬開關(guān)(110)依次連接；所述第二模擬開關(guān)(108)和第四模擬開關(guān)(110)均連接所述 第一兩路復(fù)用器(111)。
4.如權(quán)利要求3所述的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，其特征在于， 所述脈沖功率放大模塊包括緩沖器(113)、功率放大器(114)和第一電平放大模塊(115)， 所述緩沖器(113)連接所述第一兩路復(fù)用器(111)，所述功率放大器(114)連接所述緩沖器 (113)，所述第一電平放大模塊(115)連接所述第二微控制單元(112)和功率放大器(114)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于微控制單元的核磁共振芯片射頻發(fā)射通道，其特征在 于，所述電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊包括第二兩路復(fù)用器(121)、第三兩路復(fù)用器(122)、標(biāo)準(zhǔn)阻抗 (123)、第二電平放大模塊(116)、第三電平放大模塊(117)、第四電平放大模塊(118)、第五 電平放大模塊(119)和第六電平放大模塊(120)，所述第二兩路復(fù)用器(121)連接所述功率 放大器(114)，所述第三兩路復(fù)用器(122)連接所述第二兩路復(fù)用器(121),所述標(biāo)準(zhǔn)阻抗 (123)接地并連接所述第三兩路復(fù)用器(122);所述第二電平放大模塊(116)、第三電平放大 模塊(117)、第四電平放大模塊(118)、第五電平放大模塊(119)和第六電平放大模塊(120) 均連接所述第二微控制單元(112)，所述第二電平放大模塊(116 )、第三電平放大模塊(117 )和第四電平放大模塊(118 )均 連接所述第二兩路復(fù)用器(121)，所述第二電平放大模塊(116)、第五電平放大模塊(119)和第六電平放大模塊(120)均 連接所述第三兩路復(fù)用器(122)。
【文檔編號】G01R33/44GK203433102SQ201320522971
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】倪中華, 易紅, 張?jiān)埔? 吳衛(wèi)平, 陸榮生 申請人:東南大學(xué)