廖文姍，徐俊成，姚守權(quán)，李建奇，蔣 瑜

基于雙參考源的數(shù)字磁共振控制臺(tái)相位相干技術(shù)

廖文姍，徐俊成，姚守權(quán)，李建奇，蔣 瑜*

華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海市磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062

本文提出了一種在數(shù)字磁共振控制臺(tái)中保證發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間相位相干的方法．該方法通過(guò)可編程數(shù)字邏輯在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)中各設(shè)計(jì)了一個(gè)同頻的數(shù)字參考源，脈沖序列執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)發(fā)射機(jī)或接收機(jī)由于進(jìn)行了頻率切換而失去相位相干性時(shí)，通過(guò)重新設(shè)置它們的相位以確保它們與各自的參考源同步，從而恢復(fù)兩者之間的相位相干性．經(jīng)過(guò)水膜成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法具有良好的成像效果，且既不需要額外的硬件電路，也不增加序列設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，具有很高的實(shí)用性．

磁共振；譜儀；相位相干；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）；參考源

引 言

磁共振技術(shù)是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)分析技術(shù)，在化學(xué)、醫(yī)療、生物等方面都有廣泛的應(yīng)用[1,2]．磁共振控制臺(tái)[3,4]是磁共振系統(tǒng)的核心部件，控制著射頻脈沖波形、梯度波形的產(chǎn)生，以及磁共振信號(hào)的接收和處理等．發(fā)射機(jī)[5,6]和接收機(jī)[7,8]是磁共振譜儀的兩個(gè)重要組成部分，發(fā)射機(jī)用來(lái)產(chǎn)生射頻脈沖以激發(fā)樣品產(chǎn)生磁共振信號(hào)，接收機(jī)用來(lái)采集磁共振信號(hào)并進(jìn)行正交檢波和濾波．在核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）波譜實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)一般均不切換頻率，并以相同的頻率工作，此時(shí)射頻信號(hào)的初相位和正交檢波信號(hào)的初相位之間的相位差就可以保持固定，我們稱(chēng)之為發(fā)射與接收相位相干．然而，還有一些實(shí)驗(yàn)，如SELCOSY和TOCSY1D[9]，需要對(duì)其中的選擇性脈沖設(shè)置不同的頻率偏移，這將使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)失去相位相干性．同樣，在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）實(shí)驗(yàn)中，為了進(jìn)行多層面的選擇激發(fā)，發(fā)射機(jī)需要不斷進(jìn)行頻率切換．為了進(jìn)行偏中心掃描，接收機(jī)也經(jīng)常要進(jìn)行頻率切換，這使得發(fā)射機(jī)和接收機(jī)在成像過(guò)程中更加難以保持相位相干．然而，在磁共振實(shí)驗(yàn)中，保持發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干，對(duì)于獲取信號(hào)正確的相位信息，以實(shí)現(xiàn)正確的相位編碼[10]、相位循環(huán)[11]來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的．此外，定量磁化率成像（Quantitative Susceptibility Mapping，QSM）是利用磁共振信號(hào)的相位信息來(lái)獲取局部組織的場(chǎng)圖變化信息，以反演出磁化率分布圖像[12]，相對(duì)于傳統(tǒng)的MRI技術(shù)，QSM更加重視相位信息的利用，因此保持發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相位相干性對(duì)于提高定量磁化率圖像的準(zhǔn)確性具有更加重要的意義．

為實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相位相干，在已有的技術(shù)中，通常采用“頻率回繞”技術(shù)．該技術(shù)的原理是在發(fā)射機(jī)或接收機(jī)完成頻率切換進(jìn)行選層后，將發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的頻率切換到另一個(gè)回繞頻率并持續(xù)一段時(shí)間，以恢復(fù)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相位差．盡管“頻率回繞”方法解決了數(shù)字化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相位相干問(wèn)題，但它引入了回繞延時(shí)，并且需要精確計(jì)算回繞頻率和回繞延時(shí)，增加了脈沖序列設(shè)計(jì)復(fù)雜度和執(zhí)行時(shí)間．為了不增加脈沖序列的時(shí)間，寧瑞鵬等[13]提出了另一種“同步切換-恢復(fù)”技術(shù)．該技術(shù)的原理是在發(fā)射機(jī)需要切換頻率時(shí)，同時(shí)對(duì)接收機(jī)的頻率進(jìn)行切換；在接收機(jī)需要切換頻率時(shí)，同時(shí)也對(duì)發(fā)射機(jī)的頻率進(jìn)行切換；并且在脈沖序列的最后，將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)頻率切換至脈沖序列的最初頻率，以消除發(fā)射機(jī)和接收機(jī)由于頻率更新的不同步所造成的影響．該方法雖然無(wú)需引入額外的回繞延時(shí)，卻增加了額外的頻率切換操作，使脈沖序列的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜．后來(lái)湯偉男等[14]提出，通過(guò)直接頻率合成技術(shù)在可編程器件上設(shè)計(jì)一個(gè)參考源，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)切換頻率時(shí)分別將相位切換至參考源相位．但該方法將參考頻率源設(shè)計(jì)在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之外的可編程器件中，當(dāng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要切換相位時(shí)，需通過(guò)外部總線(xiàn)獲取參考源的相位，增加了頻率切換的延時(shí)和硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度．

為保證發(fā)射和接收的相位相干性，又不使序列編寫(xiě)和硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜化，作者所在課題組提出了一種在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的可編程器件中分別設(shè)計(jì)單獨(dú)的參考源的方法[15]，本文稱(chēng)之為“雙參考源”法，下文將對(duì)該方法的原理進(jìn)行詳細(xì)介紹，并利用回環(huán)實(shí)驗(yàn)和MRI實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的可靠性．

1 原理

1.1 發(fā)射和接收系統(tǒng)

本研究中，發(fā)射和接收單元被設(shè)計(jì)成不同的電路模塊，但均插在工控機(jī)的外設(shè)部件互連（Peripheral Component Interconnect，PCI）總線(xiàn)上，其系統(tǒng)框圖如圖1所示．在脈沖序列執(zhí)行之前，計(jì)算機(jī)通過(guò)橋芯片PCI9054對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)完成初始化配置，并將調(diào)制射頻脈沖波形的頻率、相位、幅度信息存儲(chǔ)至發(fā)射機(jī)的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（Synchronous Dynamic Random-Access Memory，SDRAM）芯片中，將正交檢波信號(hào)的頻率、相位、幅度存儲(chǔ)至接收機(jī)的SDRAM中．脈沖序列執(zhí)行期間，發(fā)射機(jī)在外部觸發(fā)信號(hào)的作用下，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）芯片中設(shè)計(jì)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)從SDRAM中讀取射頻脈沖的波形數(shù)據(jù)并發(fā)送給直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，DDS）芯片AD9954，從而產(chǎn)生射頻脈沖以激發(fā)樣品產(chǎn)生磁共振信號(hào)．接收機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）將模擬的磁共振信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)商用的數(shù)字下變頻（Digital Down Converter，DDC）芯片AD6620對(duì)高頻的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行正交檢波、級(jí)聯(lián)積分梳狀（Casecade-Intergrator-Comb，CIC）濾波、有限單位沖擊響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波和抽取等處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SDRAM中，在采集數(shù)據(jù)完畢后，在FPGA控制下將數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)進(jìn)行圖像重建．其中發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生射頻信號(hào)的數(shù)控振蕩器（Digitally Controlled Oscillator，NCO）和接收機(jī)中用于產(chǎn)生正交檢波信號(hào)的NCO均采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)．

圖1 磁共振發(fā)射和接收系統(tǒng)框圖

1.2 NCO原理介紹

DDS是從相位概念出發(fā)，由不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位-正弦幅度轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過(guò)濾波，輸出所需波形的一種頻率合成技術(shù)．NCO是DDS的重要組成部分，其原理如圖2所示，包括相位累加器、相位偏置器、相位-幅度轉(zhuǎn)換器．相位累加器是NCO中最為關(guān)鍵的部分，在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，完成對(duì)頻率控制字的累加并輸出相位．為相位累加器的位數(shù)，決定了輸出信號(hào)的頻率分辨率．相位偏置器接收相位累加器的輸出，并加上相位偏置字，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的相位調(diào)制．為相位偏置器的位數(shù)，其決定了輸出信號(hào)的相位分辨率．相位-幅度轉(zhuǎn)換器則將相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的幅度值．NCO輸出信號(hào)的表達(dá)式如下：

其中，為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率．若某一時(shí)刻將相位累加器清零，則當(dāng)前NCO輸出信號(hào)的相位僅取決于相位偏置器中的初相位．因此，若將NCO相位累加器清零的同時(shí)，用當(dāng)前參考源輸出的相位來(lái)設(shè)置NCO的初相位，便可實(shí)現(xiàn)NCO與參考源的相位相干．頻率控制字K、相位偏置字P的更新及相位累加器的清零均可由FPGA來(lái)完成．

1.3 保持發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干的原理

圖3 切換發(fā)射機(jī)頻率時(shí)，保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干示意圖

圖4 切換發(fā)射機(jī)和接收機(jī)頻率時(shí)，保證發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

為驗(yàn)證“雙參考源”法對(duì)于保持發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干的效果，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室自行研制的Dispect2.0磁共振譜儀控制臺(tái)上，采用圖5所示的LoopBack序列進(jìn)行了回環(huán)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中脈沖序列從左至右循環(huán)進(jìn)行，其中為采樣次數(shù)．回環(huán)測(cè)試的方法與Ning等[16]和Tang等[17]的研究相似，測(cè)試中，發(fā)射機(jī)的輸出端口直接與接收機(jī)的輸入端口相連，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生256個(gè)點(diǎn)的3瓣Sinc射頻脈沖，由于在發(fā)射機(jī)開(kāi)始產(chǎn)生射頻脈沖時(shí)，接收機(jī)就進(jìn)行采樣，所以經(jīng)接收機(jī)處理的信號(hào)為Sinc脈沖的形狀．脈沖序列參數(shù)設(shè)置如下：中心頻率為29.81 MHz，采樣帶寬為333.33 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為256，采樣次數(shù)為256，接收機(jī)死時(shí)間69 μs．測(cè)試過(guò)程中，信號(hào)峰點(diǎn)的相位值隨采樣次數(shù)的變化如圖6所示. 由圖6可知，信號(hào)的相位抖動(dòng)在0.091?之間，接近Tang等[17]用類(lèi)似方法測(cè)得的0.09?，所采集信號(hào)的相位基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明在整個(gè)采樣過(guò)程中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間保持相位相干．

圖5 “雙參考源”法的LoopBack序列

圖6 采用LoopBack序列測(cè)得的Sinc信號(hào)抖動(dòng)

為了進(jìn)一步測(cè)試“雙參考源”法的效果，我們將譜儀控制臺(tái)整合到上海康達(dá)卡勒幅醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的SCM70A超導(dǎo)型MRI系統(tǒng)上，替換原系統(tǒng)的相同功能部件，進(jìn)行水膜實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)采用如圖7所示自旋回波序列，掃描過(guò)程中脈沖序列自左向右循環(huán)執(zhí)行，循環(huán)由內(nèi)向外進(jìn)行，其中0表示掃描層數(shù)，1表示累加次數(shù)，2表示相位編碼次數(shù)．

圖7 “雙參考源”法的SE2D序列

為了更加直接觀(guān)察發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相位相干性，首先將相位編碼梯度幅度設(shè)置為“0”，掃描層數(shù)0設(shè)置為1，累加次數(shù)1設(shè)置為1，相位編碼次數(shù)2設(shè)置為192．在每次循環(huán)中，所有的參數(shù)都保持不變．由于在掃描過(guò)程中相位編碼梯度始終為0，若發(fā)射機(jī)與接收機(jī)保持相位相干，則采集到的回波信號(hào)的相位應(yīng)該是穩(wěn)定的．脈沖序列參數(shù)如下：中心頻率為29.81 MHz，采樣帶寬為 25 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為224，相位編碼次數(shù)為192，接收機(jī)死時(shí)間為1 ms．測(cè)試過(guò)程中，回波信號(hào)峰點(diǎn)相位值隨相位編碼次數(shù)的變化如圖8所示，從圖中可以看出，回波信號(hào)的相位抖動(dòng)在3.135?以?xún)?nèi)．用類(lèi)似實(shí)驗(yàn)方法的情況下，寧瑞鵬等[13]和Tang等[17]測(cè)得的相位抖動(dòng)分別為5?和6?，寧瑞鵬等的方法已成熟應(yīng)用于商業(yè)磁共振儀器中，能很好的滿(mǎn)足一般的MRI實(shí)驗(yàn)需求．上述結(jié)果說(shuō)明在整個(gè)掃描期間，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相位偏差同樣保持在3.135?以?xún)?nèi)，它們之間具有良好的相位相干性，表明本文方法可滿(mǎn)足MRI實(shí)驗(yàn)的基本需求．值得一提的是，該實(shí)驗(yàn)所得到的相位抖動(dòng)相對(duì)于回環(huán)測(cè)試的相位抖動(dòng)稍大，可能是受靜磁場(chǎng)的不穩(wěn)定性、系統(tǒng)的不穩(wěn)定性等因素的影響．

圖8 采用SE2D序列測(cè)得的回波信號(hào)抖動(dòng)

為驗(yàn)證“雙參考源”法的實(shí)際成像效果，我們采用圖7所示自旋回波序列，將相位編碼梯度設(shè)置為理想值，進(jìn)行多層自旋回波序列掃描．實(shí)驗(yàn)前我們將正方形水膜側(cè)放在磁體中心位置，這樣掃描水膜不同層面所得到的冠狀位圖像的大小將不一樣，以此來(lái)直觀(guān)的表示發(fā)射機(jī)的選層效果．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持接收機(jī)頻率不變，分別切換發(fā)射機(jī)頻率進(jìn)行選層掃描．掃描參數(shù)如下：中心頻率為29.81 MHz，重復(fù)時(shí)間為500 ms，回波時(shí)間為15 ms，接收機(jī)死時(shí)間為1 ms，采樣帶寬為25 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為224，相位編碼數(shù)為192，累加次數(shù)為2，分辨率為512×512，視野大小為22×22 cm2，掃描層數(shù)為4，層厚為8 mm，層間距為4 mm．掃描得到4幅磁共振圖像，分別如圖9(a)～9(d)所示．在脈沖序列執(zhí)行期間，若發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間不能保持相位相干，則不能對(duì)磁共振信號(hào)進(jìn)行正確的相位編碼，也就無(wú)法得到良好的磁共振圖像．寧瑞鵬等[13]在采用“同步切換-恢復(fù)”法得到清晰圖像的同時(shí)，也給出了相位不相干情況的模糊圖像，圖像的相位編碼方向上有非常明顯的偽影，完全無(wú)法識(shí)別出水膜的輪廓．而本實(shí)驗(yàn)所得到的圖像在相位編碼方向上無(wú)明顯偽影，說(shuō)明在脈沖序列執(zhí)行期間，盡管發(fā)射機(jī)切換了頻率，但仍然能重新恢復(fù)與接收機(jī)之間的相位相干性．

為進(jìn)一步驗(yàn)證接收機(jī)切換頻率后能否重新和發(fā)射機(jī)保證相位相干，在MRI掃描期間，我們不僅切換發(fā)射機(jī)的頻率，同時(shí)也切換接收機(jī)的頻率，采用自旋回波序列進(jìn)行多層偏中心掃描．掃描參數(shù)如下：中心頻率為29.81 MHz，重復(fù)時(shí)間為1 000 ms，回波時(shí)間為15 ms，接收機(jī)死時(shí)間為1 ms，采樣帶寬為25 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為224，相位編碼數(shù)為192，累加次數(shù)為2，分辨率為512×512，視野大小為22×22 cm2，掃描層數(shù)為2，層厚為8 mm，層間距為4 mm．掃描得到發(fā)射機(jī)設(shè)置不同頻率偏移頻率所獲得的4幅磁共振圖像如圖10所示．圖10(a)和10(b)是接收機(jī)工作在中心頻率采樣的結(jié)果，圖10(c)和10(d)是接收機(jī)改變頻率進(jìn)行偏中心采樣的結(jié)果．從圖像中并未看見(jiàn)明顯偽影，說(shuō)明在MRI掃描期間，使用“雙參考源”法，無(wú)論發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率如何改變，都能使發(fā)射機(jī)和接收機(jī)重新保持相位相干．

圖9 切換發(fā)射機(jī)頻率得到的正方形水模的磁共振圖像. 其中(a)、(b)、(c)、(d)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)偏置頻率分別為-537.5 Hz、752.5 Hz、2 042.5 Hz、3 332.5 Hz

圖10 切換發(fā)射機(jī)和接收機(jī)頻率得到的正方形水膜的磁共振圖像. 其中(a)、(b)、(c)、(d)所對(duì)應(yīng)的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)偏置頻率分別為752.5 Hz/0 Hz、2 042.5 Hz/0 Hz、752.5 Hz/-3 409.09 Hz、2 042.5 Hz/-3 409.09 Hz

3 總結(jié)

本文介紹了“雙參考源”法的原理，并進(jìn)行了回環(huán)實(shí)驗(yàn)和MRI實(shí)驗(yàn)．回環(huán)實(shí)驗(yàn)中，經(jīng)接收機(jī)采樣得到的Sinc信號(hào)的峰點(diǎn)相位抖動(dòng)在0.091?以?xún)?nèi)．MRI實(shí)驗(yàn)中，在不加相位編碼梯度情況下，回波信號(hào)的峰點(diǎn)相位抖動(dòng)在3.135?以?xún)?nèi)．最后，在施加理想的相位編碼梯度的情況下進(jìn)行MRI實(shí)驗(yàn)，獲得了良好的水膜圖像，在圖像的相位編碼方向上無(wú)明顯偽影．以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明了該方法對(duì)于保持?jǐn)?shù)字磁共振控制臺(tái)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)相位相干的有效性．該方法既不需要在序列運(yùn)行中插入額外的“頻率回繞”延時(shí)，也不需要對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的頻率進(jìn)行同步更新，更不需要采用單獨(dú)的可編程器件來(lái)產(chǎn)生參考源，相較之前的方法既縮短了延時(shí)，也簡(jiǎn)化了序列設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)．并且，在單板譜儀設(shè)計(jì)中，當(dāng)發(fā)射機(jī)的DDS和接收機(jī)參考頻率通過(guò)單片F(xiàn)PGA進(jìn)行控制時(shí)，只需設(shè)計(jì)一個(gè)參考源便可實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的相位相干，使得磁共振控制臺(tái)的電路設(shè)計(jì)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化．

感謝上?？颠_(dá)卡勒幅醫(yī)療科技有限公司提供了SCM70A超導(dǎo)MRI系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)在該系統(tǒng)上完成；同時(shí)感謝該公司的姜小平、蔡昕、劉漢林等工程師在測(cè)試過(guò)程中提供的幫助和指導(dǎo)．

無(wú)

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Phase Coherence Technology of Digital MR Console Based on Dual Reference Sources

，，，，JIANG Yu

Shanghai Key Laboratory of Magnetic Resonance, School of Physics and Electronic Science, East China Normal University, Shanghai 200062, China

In this article, an effective method to keep the phase coherence between the transmitter and the receiver in digital magnetic resonance (MR) console is proposed. Relying on programmable digital logic, we design two digital reference sources with the same frequency and embed them in the transmitter and the receiver respectively. During pulse sequence execution,when the transmitter or receiver loses phase coherence due to frequency switching, the phase coherence is restored by resetting the phase of the transmitter and receiver to ensure they are synchronized with their corresponding reference source. The experimental results have verified that this method can accurately keep the phase coherence between the transmitter and receiver, and neither additional hardware circuit nor complex sequence design is required, which adds to great practicability.

magnetic resonance,spectrometer, phase coherence, field programmable gate array (FPGA), reference source

O482.53

A

10.11938/cjmr20222980

2022-03-04;

2022-04-04

上海市科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(19142202900)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21874045).

* Tel: 021-62233871, E-mail: yjiang@phy.ecnu.edu.cn.