戴奇成,陳 忠, 劉 敏

（廈門大學(xué)電子科學(xué)系，福建省等離子體與磁共振研究重點實驗室，361005）

?

磁共振成像儀的線圈調(diào)諧檢測模塊設(shè)計

戴奇成,陳 忠*, 劉 敏

（廈門大學(xué)電子科學(xué)系，福建省等離子體與磁共振研究重點實驗室，361005）

摘要：線圈作為磁共振成像系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響成像質(zhì)量。為了盡可能保證信噪比和圖像質(zhì)量，探測前需進(jìn)行線圈調(diào)諧。調(diào)諧時，通過微調(diào)線圈的共振頻率和阻抗兩個參數(shù)，使線圈共振頻率與拉莫爾頻率一致，線圈和前放電路阻抗匹配。本文設(shè)計了一種線圈調(diào)諧的檢測模塊，闡述了模塊的工作原理和軟硬件設(shè)計。模塊包括測量、處理兩個部分，其中采用STM32采集電壓數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后用液晶屏顯示實時波形。實際結(jié)果表明，此檢測模塊不僅延續(xù)了上位機(jī)調(diào)諧顯示直觀清晰的優(yōu)點，而且兼具獨立數(shù)碼顯示表的操作便捷的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：核磁共振成像；線圈調(diào)諧；STM32

0　引言

核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場的作用下自旋發(fā)生塞曼分裂，共振吸收一定頻率的射頻輻射的物理過程。利用這一特性研制的磁共振成像儀器已經(jīng)成為科學(xué)研究和醫(yī)學(xué)診斷的重要工具之一，具有無電離輻射、分辨率高、不同切面成像等優(yōu)點。

在磁共振成像儀中，射頻線圈是一重要組成部分，直接影像圖像的信噪比和質(zhì)量。當(dāng)射頻線圈中放入樣品，由于射頻線圈和功率放大模塊之間的阻抗不匹配，會引起信號反射、削弱發(fā)射功率，甚至損壞功率模塊，對于接收線圈，失諧情況下接受到的磁共振信號大幅減弱，影響最終成像質(zhì)量。本文設(shè)計了一種線圈調(diào)諧檢測模塊，在調(diào)諧過程中對線圈的反射功率進(jìn)行實時監(jiān)測及顯示，從而保證射頻線圈工作在拉莫爾頻率下并且阻抗匹配。

1　調(diào)諧原理

如圖1所示，整個調(diào)諧系統(tǒng)主要由射頻線圈、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和檢測模塊組成。調(diào)諧時，發(fā)射機(jī)經(jīng)定向耦合器向射頻線圈發(fā)送掃頻信號，并由STM32實時顯示耦合出的反射信號強度。通過調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)可變電容，觀察反射信號頻率曲線，來判定線圈是否調(diào)諧與匹配。

圖1　系統(tǒng)組成圖

1.1調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)

調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)主要有兩個作用：第一是使射頻線圈在拉莫爾頻率下諧振；第二是當(dāng)射頻線圈達(dá)到諧振時阻抗匹配。

圖2　調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)

具體上，調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)如圖2結(jié)構(gòu),以達(dá)到調(diào)諧和匹配兩個功能。其中，Cm和Ct為兩個可變電容，它們與線圈一起構(gòu)成一個分布式的LC諧振電路。Cm和Ct的值可用式(1)和式(2)表示。

式中，L為線圈的電感，R為線圈電阻，阻抗，。當(dāng)有樣品放入到線圈中時，會使諧振電路的諧振頻率偏離拉莫爾頻率，所以每當(dāng)有樣品放入線圈后，都需要對線圈進(jìn)行調(diào)諧。調(diào)諧時，調(diào)節(jié)Ct的容值使線圈在拉莫爾頻率下諧振，Ct稱為調(diào)諧電容，然后調(diào)節(jié)Cm的電容值達(dá)到阻抗匹配，Cm稱為匹配電容。

2　測量部分

如圖3所示，測量部分主要由定向耦合器和對數(shù)檢波器構(gòu)成。在調(diào)諧時，掃頻信號通過定向耦合器傳輸給線圈，定向耦合器耦合出的反射信號，經(jīng)過對數(shù)檢波器將反射信號功率轉(zhuǎn)化為電壓信號，再送入STM32進(jìn)行處理。

圖3　測量部分流程圖

圖4　定向耦合器

工作時，信號經(jīng)端口1輸入，由端口2輸出給射頻線圈，會有一部分能量耦合到端口3和端口4，從端口3耦合出來的是入射信號，從端口4耦合出來的是反射信號。當(dāng)射頻線圈與功率放大模塊阻抗不匹配時，會造成發(fā)射信號減弱，反射信號增強。匹配程度越低，反射信號強度越強，這里主要通過檢測從端口4耦合出來的反射信號強度來衡量線圈是否在拉莫爾頻率下諧振下以及阻抗匹配。

本設(shè)計中采用ADI公司的解調(diào)對數(shù)放大器AD8318對耦合出的反射信號進(jìn)行功率檢測。AD8318是一種性能優(yōu)越的對數(shù)檢波放大器，它能夠?qū)F信號精確轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于dBm標(biāo)度的電壓信號，對于1MHz～6GHz的信號能保持對數(shù)精確一致性，輸出信號電平為0V～2.1V，動態(tài)范圍可到60dB。

AD8318由9級解調(diào)型對數(shù)放大器級聯(lián)構(gòu)成。每級放大器，增益為8.7dB，帶寬10.5GHz，輸出經(jīng)檢測單元變換為電流并輸入電流求和電路，再經(jīng)過濾波后形成與射頻信號電壓成對數(shù)關(guān)系的電壓輸出。其傳遞函數(shù)近似如公式（3）。

(3)

其中為輸出電壓，單位是V；為輸入功率，單位dBm[6]。圖5 為AD8318輸出電壓與輸入功率的典型關(guān)系圖。圖6為AD8318的外圍電路圖。

圖5　AD8318輸入輸出典型關(guān)系

圖6　AD8318外圍電路

3　處理部分

如圖7所示，處理功能主要使用STM32完成。STM32通過內(nèi)部Systick定時器精確定時，利用內(nèi)置ADC采集電壓信號，并用DMA直接存儲采集數(shù)據(jù)。同時，STM32再結(jié)合從上位機(jī)獲取的掃頻信號參數(shù)形成二維數(shù)據(jù)矩陣，并在液晶顯示屏顯示，反映當(dāng)前反射信號頻率曲線。

圖7　STM32流程圖

3.1STM32片上資源

ARM Corte-M系列內(nèi)核是專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，本模塊采用ST公司生產(chǎn)的以Cortex-M3為內(nèi)核的32位帶64K字節(jié)閃存的微控制器STM32F103作為控制核心，該芯片最高工作頻率可達(dá)72MHz，具有64K的閃存存儲器和高達(dá)20K字節(jié)的SRAM。

STM32具有豐富的外設(shè)資源，內(nèi)嵌2個12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)單次或多次掃描轉(zhuǎn)換，各通道的A/D轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行，ADC結(jié)果可以左對齊或右對齊存儲在16位數(shù)據(jù)寄存器中，其轉(zhuǎn)換時間可編程，采樣時間最短為1us[7]。此外，可有多種轉(zhuǎn)換模式選擇，本系統(tǒng)只需使用一個ADC，采用的是獨立模式。

此外，靜態(tài)存儲控制器FSMC可用于STM32芯片控制NOR FLASH、PSRAM和NAND FLASH存儲芯片。

3.2數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)的采集主要由STM32內(nèi)置ADC完成，AD8318的典型輸出電壓范圍為0.3V～2.1V，當(dāng)RF檢波器提供標(biāo)稱值-24mV/dB的斜率時，數(shù)字分辨率為39.3LSB/dB，因此不必調(diào)整來自AD8318的信號以便恰好符合STM32 內(nèi)部ADC的基準(zhǔn)電壓。本模塊只需使用一個ADC進(jìn)行采樣，配置ADC1為獨立模式。需循環(huán)采集電壓值，使能連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。配置ADC時鐘為14MHz，將ADC1的通道3配置為28.5個采樣周期，這樣，由ADC采樣時間計算公式得到轉(zhuǎn)換時間為2.93，式中T為采樣周期。數(shù)據(jù)使用DMA進(jìn)行存儲，不經(jīng)過CPU，以右對齊格式直接存儲到對應(yīng)地址之中。

ADC采集的原始電壓數(shù)據(jù)并不能直接輸出到LCD，必須要轉(zhuǎn)換成能液晶屏上的坐標(biāo)點，才可以實現(xiàn)波形顯示。

縱坐標(biāo)(Y軸)根據(jù)檢波器的輸出范圍（本文為0～2V）和液晶屏的分辨率（320240），將液晶屏的Y軸以間隔值2/240分成240份，用測得的電壓值除以間隔值，然后轉(zhuǎn)化成int值，就是縱坐標(biāo)的值。

根據(jù)串口得到掃頻信號的掃頻周期，確定SysTick定時器精確延時時間，使得ADC能定時循環(huán)采集電壓信號。例如典型的掃頻周期為1s，一個掃頻周期需采集320點，配置系統(tǒng)時鐘為72MHz，每3125個時鐘周期跳出延時中斷，這樣ADC每隔3.125ms，進(jìn)行一次電壓采集。

3.3顯示模塊設(shè)計

檢測模塊采用3.2寸液晶屏（240320）進(jìn)行實時的波形顯示。目前大多數(shù)的液晶控制器都使用8080或6800接口與MCU相連，其接口時序可由STM32使用普通I/O進(jìn)行模擬，不過效率較低，這里使用STM32F103中的FSMC模擬8080時序，控制LCD。

根據(jù)STM32對尋址空間的地址映射，分配給NOR FLASH的地址屬于映射到外部存儲器的，當(dāng)FSMC外設(shè)被配置為正常工作，并外部連接了NOR FLASH，這時若向?qū)?yīng)地址寫入數(shù)據(jù)，F(xiàn)SMC會自動在各信號線上產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號，寫入數(shù)據(jù)。只要我們在代碼中利用指針變量，向不同的地址單元寫入數(shù)據(jù)，就能夠由FSMC模擬出8080接口向ILI9341寫入控制命令或GRAM的數(shù)據(jù)。

初始化FSMC模式和液晶屏后，通過函數(shù)向液晶屏發(fā)送寫GRAM內(nèi)容的命令，然后轉(zhuǎn)化后的坐標(biāo)點就被解析為屏幕像素點，實現(xiàn)波形顯示。

4　結(jié)果與分析

表1是對AD8318輸入0dBm～-50dBm的信號，測量的輸出電壓值，從數(shù)據(jù)看AD8318具有較好的輸出線性度，趨近于標(biāo)稱值。

表1　AD8318測量結(jié)果

對線圈輸入19MHz～23MHz周期為1s的掃頻信號，顯示波形如圖8所示。圖中豎線為拉莫爾頻率基準(zhǔn)線，當(dāng)調(diào)節(jié)調(diào)諧電容時，圖中尖峰會左右移動，當(dāng)尖峰對應(yīng)基準(zhǔn)線時，代表線圈在拉莫爾頻率下諧振，然后調(diào)節(jié)匹配電容，尖峰最尖的時候阻抗匹配。由于匹配電容的改變會影響線圈的共振點，使得圖中尖峰再次偏離基準(zhǔn)線，所以需要重復(fù)調(diào)節(jié)兩個電容的容值，直到調(diào)諧完成。

圖8　波形顯示圖

實驗數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)設(shè)計良好，運行可靠，對數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確測量，操作簡單，并且顯示實時性好。

5　結(jié)論

本文介紹了用于磁共振成像儀的線圈調(diào)諧檢測模塊，當(dāng)給線圈一個掃頻信號時，AD8318對耦合出來的反射信號進(jìn)行功率檢測，并輸入STM32處理單元進(jìn)行電壓采集和液晶屏實時顯示。根據(jù)實時反射信號頻率曲線，可以更加清晰快捷地調(diào)節(jié)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)使線圈達(dá)到共振和匹配狀態(tài)。結(jié)果表明，該模塊功耗低，操作簡單，能很好地實現(xiàn)磁共振成像儀的線圈調(diào)諧。

參考文獻(xiàn)

[1] Jang J, Jung J, Cho Y, et al. Design of a Lightweight TCP/

IP Protocol Stack with an Event-Driven Scheduler[J]. Journal of Information Science & Engineering, 2012, 28(6).

[2] 解光軍,顧云海,夏禹根.用于RFID的自動天線調(diào)諧系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量與儀器學(xué)報,2009,23(3):49-53.

[3] Sohn S M, Delabarre L, Vaughan J T, et al. Π (Pi)-matching technique for RF coil of MRI systems[C]. Microwave Symposium Digest (MTT), 2012 IEEE MTT-S International. IEEE, 2012:1 - 3.

[4] 黎明,李再奎,史清林.定向耦合器與檢波器組成等效源反射系數(shù)的分析[J].齊齊哈爾師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),1995,15(2):15-17.

[5] De Mingo J, Valdovinos A, Crespo A, et al. An RF electronically controlled impedance tuning network design and its application to an antenna input impedance automatic matching system[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2004, 52(2):489-497.

[6] 劉錕華.基于AD8318對數(shù)檢波器的ALC設(shè)計[J].應(yīng)用天地,2013,32(5):64-67.

[7] 張旭,亓學(xué)廣,李世光,芮昱,邱彪.基于STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2010,11:90-93.

[8] 姜峰, 楊玉明.單片機(jī)控制液晶模塊實時顯示動態(tài)波形[J].2001,1:22-26.

中圖分類號:TP336

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼： 510.8040

作者簡介

戴奇成，男，1991年生，廈門大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為磁共振成像儀的線圈調(diào)諧。

陳忠（通信作者），男，1965年出生，教授，主要研究方向為科學(xué)儀器研制、磁共振波譜與成像新技術(shù)、信號和圖像處理等。

項目：國家自然科學(xué)基金（11175149）資助項目

Coil tuning detection module design of magnetic resonance imaging

Dai Qicheng,Chen Zhong*,Liu Ming
(Department of Electronic Science, Fujian Key Laboratory of Plasma and Magnetic Resonance, Xiamen University,Xiamen，361005)

Abstract：Coil as an important part of magnetic resonance imaging system,its performance directly effects the imaging quality.In order to ensure the signal-to-noise and image quality as much as possible,it must tune before detect.When tuning,it make the coil resonance frequency is consistent whit the larmor frequency,coil and the circuit impedance matching by tuning the coli frequency and impedance.In this paper,we design a coil tuning detection module,elaborated the principle of module and design of software and hardware.This module includes two parts:measurement and processing. Use STM32 to collect the data of voltage,and display real-time waveform by LCD screen.It turned out that this module not only has the advantage of intuitive and clear by upper machine tuning,and both has the advantage of convenient operation.

Keywords：magnetic resonance imaging;coil tuning; STM32