專利名稱：核磁共振控制臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種核磁共振控制臺(tái)，尤其是涉及一種利用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际胶舜殴舱窨刂婆_(tái)裝置。
背景技術(shù)：
在核磁共振控制臺(tái)中，各模塊之間的數(shù)據(jù)通訊和同步是關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，公知的核磁共振模塊之間采用并行高速總線(背板，backplane)進(jìn)行并行通訊和同步。
下面以美國(guó)Tecmag公司的Apollo控制臺(tái)為例說(shuō)明。該控制臺(tái)主要包括射頻發(fā)射機(jī)模塊、射頻接收機(jī)模塊以及磁場(chǎng)梯度驅(qū)動(dòng)模塊等，這些模塊之間通過(guò)一條專門設(shè)計(jì)的高速并行總線(背板)進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊與同步控制；同時(shí)，控制臺(tái)上的系統(tǒng)接口模塊、信號(hào)累加模塊用兩條60芯的電纜與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
射頻發(fā)射機(jī)模塊主要由兩部分組成事件控制部件與射頻信號(hào)合成部件，后者包括雙直接數(shù)字頻率綜合器、900MHz信號(hào)合成器與發(fā)射調(diào)制器等。系統(tǒng)接口模塊把主計(jì)算機(jī)給出的控制程序和參數(shù)通過(guò)并行高速總線(背板)發(fā)送到事件控制部件；后者控制射頻信號(hào)合成部件驅(qū)動(dòng)射頻功率放大器產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需要的射頻脈沖。
射頻接收機(jī)模塊包括事件控制部件、數(shù)字接收部件以及射頻接收部件；在事件控制部件的控制下，由射頻接收部件將前置放大器來(lái)的信號(hào)處理后，經(jīng)過(guò)數(shù)字接收部件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)信號(hào)累加模塊回送到主計(jì)算機(jī)。
磁場(chǎng)梯度驅(qū)動(dòng)模塊包括梯度模塊部件和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。梯度模塊部件的控制程序與參數(shù)同樣由主計(jì)算機(jī)通過(guò)系統(tǒng)接口模塊和并行高速總線(背板)發(fā)送，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，由系統(tǒng)接口模塊將主計(jì)算機(jī)的指令和數(shù)據(jù)通過(guò)背板的并行數(shù)據(jù)總線發(fā)送到其他各模塊，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各模塊又通過(guò)背板上的其他信號(hào)線進(jìn)行同步，并由背板的并行數(shù)據(jù)總線經(jīng)過(guò)信號(hào)累加模塊將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)回送到主計(jì)算機(jī)。但是，這種技術(shù)要求背板總線具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力，并且由于核磁共振控制臺(tái)所需要的控制信號(hào)較特殊，一般需要對(duì)背板進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了系統(tǒng)的可靠性。
其他控制臺(tái)采用的結(jié)構(gòu)與本系統(tǒng)基本相同。部分控制臺(tái)系統(tǒng)接口模塊與主計(jì)算機(jī)的通訊使用了以太網(wǎng)，但是其他部分使用的仍然是高速并行總線(背板)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種通用性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)現(xiàn)容易、成本低的核磁共振控制臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是主計(jì)算機(jī)與模塊之間以及各模塊之間的數(shù)據(jù)通訊都采樣國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)方式，并去掉了專用系統(tǒng)接口模塊。
本發(fā)明包括以太網(wǎng)交換機(jī)、射頻信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)接收與處理單元、扁平電纜或背板、磁場(chǎng)梯度控制單元模塊以及主計(jì)算機(jī)。射頻信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)接收與處理單元和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元通過(guò)扁平電纜或背板進(jìn)行連接；同時(shí)射頻信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)接收與處理單元和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元又通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與主計(jì)算機(jī)連接。
在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，主計(jì)算機(jī)將各模塊所需要的控制程序(脈沖序列)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接下載到模塊中；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各模塊通過(guò)背板上的同步信號(hào)進(jìn)行同步并由信號(hào)接收與處理單元完成數(shù)據(jù)的采集；最后信號(hào)接收與處理單元將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回送到主計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存和處理。由于背板上僅有少量的同步信號(hào)線和電源，同時(shí)這些信號(hào)的脈沖時(shí)間比較長(zhǎng)(最小脈沖寬度大于100ns)，所以可以采樣簡(jiǎn)單的背板或采樣標(biāo)準(zhǔn)的扁平電纜連接。在采用扁平電纜連接的情況下，控制臺(tái)可以采用分布式。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果①采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)進(jìn)行各單元之間的數(shù)據(jù)傳輸。
②僅需要使用低速總線背板或扁平電纜進(jìn)行模塊之間的同步控制。
③系統(tǒng)通用性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，實(shí)現(xiàn)容易、成本低廉。
④可以實(shí)現(xiàn)分布式控制臺(tái)。


圖1為核磁共振控制臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合對(duì)附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述
(1)以太網(wǎng)交換機(jī)采樣高速以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中主計(jì)算機(jī)使用千兆以太網(wǎng)，其他模塊使用100兆位/秒的傳輸速度。
(2)射頻信號(hào)發(fā)生單元核磁共振控制臺(tái)可以有1～4個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生單元，所產(chǎn)生射頻脈沖信號(hào)的頻率與原子核自旋在實(shí)驗(yàn)所使用的磁場(chǎng)中的共振頻率相對(duì)應(yīng)，射頻脈沖形狀和脈沖寬度則取決于實(shí)驗(yàn)方法。本單元所使用的控制程序和實(shí)驗(yàn)參數(shù)用主計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到各單元中，控制程序的執(zhí)行由背板/扁平電纜上的信號(hào)進(jìn)行同步。
(3)信號(hào)接收與處理單元核磁共振控制臺(tái)中的信號(hào)接收與處理單元也可以有1～8個(gè)，用于對(duì)原子核自旋所產(chǎn)生的自由感應(yīng)衰減(FID)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；并由該單元將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)回送到主計(jì)算機(jī)進(jìn)行后處理和保存。
(4)背板/扁平電纜本部件為控制臺(tái)各單元提供同步信號(hào)和電源。由于同步信號(hào)具有信號(hào)線數(shù)量少，脈沖時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)(≥100ns)等特點(diǎn)，與采用全部數(shù)據(jù)信號(hào)都由背板實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)相比，本部件具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高的特點(diǎn)。
(5)磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元該磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元是現(xiàn)代核磁共振系統(tǒng)特別是核磁共振成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。其功能為產(chǎn)生磁場(chǎng)梯度脈沖并驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)梯度功率放大器。與射頻信號(hào)發(fā)生單元相同，該單元所使用的控制程序和實(shí)驗(yàn)參數(shù)用主計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，控制程序的執(zhí)行由背板/扁平電纜上的信號(hào)進(jìn)行同步。
(6)主計(jì)算機(jī)主計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)進(jìn)行人機(jī)接口、生成控制程序并對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和保存。
(7)以太網(wǎng)絡(luò)控制器功能為替代公知的核磁共振控制臺(tái)中的高速數(shù)據(jù)總線背板，負(fù)責(zé)各模塊單元與主計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸。核心器件為L(zhǎng)AN91C111、AX8819x或RTL8201。
(8)射頻發(fā)射控制器接收主計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)傳送的控制程序和參數(shù)，控制射頻信號(hào)合成與緩沖器(10)以產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需要的射頻脈沖。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(9)射頻信號(hào)合成器在射頻發(fā)射控制器(8)的控制下產(chǎn)生合適的射頻脈沖信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)射頻功率放大器。核心器件為AD9854與PTS公司生產(chǎn)的PTS320。
(10)與(8)為相同部件。
(11)數(shù)據(jù)采樣與控制器控制射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)與模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)，并將ADC得到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)控制器(10)回送到主計(jì)算機(jī)。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(12)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。型號(hào)為ADS7862或AD9241。
(13)射頻與模擬信號(hào)處理單元對(duì)核磁共振系統(tǒng)前置放大器輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、頻率變換和濾波，使其能由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(13)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主要元件型號(hào)為AD607。
(16)與(7)為相同部件。
(17)磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器接收主計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制器(16)傳送的控制程序和參數(shù)，通過(guò)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(18)輸出磁場(chǎng)梯度脈沖。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
(18)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)將磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(17)給出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。元件型號(hào)為AD9754。
上述所有元器件市場(chǎng)上均能購(gòu)置。
根據(jù)圖1所示，射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)、信號(hào)接收與處理單元(3)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)通過(guò)背板/扁平電纜(4)進(jìn)行連接；同時(shí)射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)、信號(hào)接收與處理單元(3)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)又通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)(1)與主計(jì)算機(jī)(6)連接。主計(jì)算機(jī)(6)將射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)、信號(hào)接收與處理單元(3)與磁場(chǎng)梯度控制單元(5)模塊所需要的控制程序(脈沖序列)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接下載到模塊中；然后各模塊通過(guò)背板/扁平電纜上的同步信號(hào)進(jìn)行同步并由信號(hào)接收與處理單元(3)完成數(shù)據(jù)的采集；最后信號(hào)接收與處理單元(3)將得到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回送到主計(jì)算機(jī)(6)進(jìn)行后處理和保存。
射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)、射頻發(fā)射控制器(8)、射頻信號(hào)合成器(9)構(gòu)成。射頻發(fā)射控制器(8)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)、射頻信號(hào)合成器(9)和背板/扁平電纜(4)連接；通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)從主計(jì)算機(jī)(6)取得控制程序和數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)控制射頻信號(hào)合成器(9)產(chǎn)生射頻脈沖。
信號(hào)接收與處理單元(3)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(10)、數(shù)據(jù)采樣與控制器(11)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)和射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采樣與控制器(11)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(10)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)、射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)和背板/扁平電纜(4)連接。由接收核磁共振系統(tǒng)前置放大器提供的信號(hào)，經(jīng)射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)放大和處理后由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)在數(shù)據(jù)采樣與控制器(11)的控制下轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制器(10)回送到主計(jì)算機(jī)(6)。
磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(14)、磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(15)和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(16)構(gòu)成。磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(15)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(14)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(16)和背板/扁平電纜(4)連接。磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)控制器(14)從主計(jì)算機(jī)取得，并經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(15)控制數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(16)產(chǎn)生射頻脈沖。
所有模塊通過(guò)背板/扁平電纜(4)同步。
以上技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了一種高性能、高可靠性、低成本的基于以太網(wǎng)進(jìn)行模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际娇刂婆_(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種核磁共振控制臺(tái)，其特征在于射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)、信號(hào)接收與處理單元(3)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)通過(guò)背板/扁平電纜(4)進(jìn)行連接；同時(shí)射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)、信號(hào)接收與處理單元(3)和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)又通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)(1)與主計(jì)算機(jī)(6)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振控制臺(tái)，其特征在于射頻信號(hào)發(fā)生單元(2)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)、射頻發(fā)射控制器(8)、射頻信號(hào)合成器(9)構(gòu)成，射頻發(fā)射控制器(8)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(7)、射頻信號(hào)合成器(9)和背板/扁平電纜(4)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振控制臺(tái)，其特征在于信號(hào)接收與處理單元(3)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(10)、數(shù)據(jù)采樣與控制器(11)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)和射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)構(gòu)成，數(shù)據(jù)采樣與控制器(11)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(10)、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(12)、射頻與模擬信號(hào)處理單元(13)和背板/扁平電纜(4)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種核磁共振控制臺(tái)，其特征在于磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元(5)由以太網(wǎng)絡(luò)控制器(14)、磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(15)和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(16)構(gòu)成，磁場(chǎng)梯度信號(hào)控制器(15)分別與以太網(wǎng)絡(luò)控制器(14)、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(16)和背板/扁平電纜(4)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種核磁共振控制臺(tái)，其特征在于射頻信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)接收與處理單元和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元通過(guò)背板/扁平電纜進(jìn)行連接；同時(shí)射頻信號(hào)發(fā)生單元、信號(hào)接收與處理單元和磁場(chǎng)梯度信號(hào)產(chǎn)生單元又通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與主計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明系統(tǒng)通用性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，實(shí)現(xiàn)容易、成本低廉，可以實(shí)現(xiàn)分布式控制臺(tái)。
文檔編號(hào)G08C19/00GK1601570SQ20041006098
公開(kāi)日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月20日
發(fā)明者劉朝陽(yáng), 裘鑒卿, 葉朝輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所