數控電位器在磁共振成像系統中的應用

摘    要: 把數控電位器用于磁共振成像系統中梯度預加重電路，使電路中增益和時(shí)間常數的調整從人工方式改變?yōu)橛嬎銠C數字控制方式，可以大大提高調整的效率并能實(shí)現自動(dòng)調整。 
關(guān)鍵詞: 數控電位器;磁共振成像;渦流;梯度預加重 
問(wèn)題的提出 
在磁共振成像(mri)系統中，梯度磁場(chǎng)被用來(lái)編碼空間位置。它是由梯度波形發(fā)生器根據成像序列要求輸出梯度波形，激勵梯度放大器輸出梯度電流，驅動(dòng)梯度線(xiàn)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(jiàn)圖1(a)(b)(c)。但在實(shí)際系統中由于鐵磁性物質(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)生感應電流，即渦流。渦流衍生出的磁場(chǎng)方向總是與梯度磁場(chǎng)建立的方向相反，因此會(huì )延緩梯度磁場(chǎng)的建立，見(jiàn)圖1(d)。這種延緩會(huì )對mri系統成像的性能產(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。其中之一是梯度預加重(pre-emphasis)。梯度預加重是在梯度波形發(fā)生器的輸出波形上(圖1(e))或梯度放大器的輸出電流上(圖1(f))預先加上一個(gè)過(guò)沖，該過(guò)沖抵消渦流場(chǎng)的影響，加速了梯度磁場(chǎng)的建立，見(jiàn)圖1(g)。為了適應不同渦流場(chǎng)的情況，該過(guò)沖的幅度和時(shí)間常數都是可調的。 
梯度放大器中x、y、z三路梯度一般都加有模擬式梯度預加重(有時(shí)稱(chēng)為渦流補償)電路。這種電路由一個(gè)可調增益的運算放大器+可調rc時(shí)間常數電路構成，見(jiàn)圖2(三路相同，僅畫(huà)出x路)。為了組合出任意的過(guò)沖波形，通常有多級這樣的電路并聯(lián)，每級具有不同的時(shí)間常數(圖2電路具有4級)。增益和時(shí)間常數的調整采用手調多圈電位器。這種電路結構簡(jiǎn)單、無(wú)須做任何計算、成本較低。但它也有固有的缺點(diǎn)。由于全部采用模擬器件，不適合用任何數字器件來(lái)控制，多級增益和時(shí)間常數需人工用改錐作多維調整，工作量極大而一致性、可重復性很差，也不能由計算機閉環(huán)控制實(shí)現自動(dòng)調整。 
本文利用數控電位器(dcp)獨特的性能，改進(jìn)了上述模擬式梯度預加重電路，達到了數字控制梯度預加重的目的。 
數控電位器 
數控電位器是一種數�；旌掀骷�，示意圖見(jiàn)圖3。它內部有一個(gè)串聯(lián)的電阻陣列(電阻的數量決定了dcp的分辨率，通常有32，64，100，256，1024等)。每?jì)蓚�(gè)電阻之間的連接點(diǎn)通過(guò)一個(gè)電子開(kāi)關(guān)連接到中心抽頭端。電子開(kāi)關(guān)則由用戶(hù)通過(guò)總線(xiàn)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(lái)看，dcp表現得就好象是一個(gè)普通的三端可調電位器一樣，差別只在于普通的電位器是通過(guò)旋紐或工具手動(dòng)連續可調的，而dcp是通過(guò)總線(xiàn)輸入指令步進(jìn)調節的。 
dcp有不同的組態(tài)和形式。以本文使用的xicor公司的x9250 dcp為例，它在一個(gè)器件內封裝了4個(gè)相同的dcp，每個(gè)dcp有256個(gè)抽頭位置及4個(gè)非易失的數據寄存器，可以在dcp掉電后記住4個(gè)抽頭位置，并在上電時(shí)自動(dòng)將0#數據寄存器記載的抽頭位置加載至抽頭位置寄存器；它的控制接口為標準的spi串行接口，控制指令由驗證字節、指令字節和數據字節構成，見(jiàn)圖4。阻值有100kω，50kω，數字端電源2.7~5.5v，模擬端電源為±2.7~5.5v。封裝形式有soic和xbga兩種。 

 
圖1(a)理想梯度波形發(fā)生器輸出 (b)理想梯度放大器輸出 (c)理想梯度磁場(chǎng)波形  (d)實(shí)際梯度磁場(chǎng)波形(e)有預加重的梯度波形發(fā)生器輸出(f)有預加重的梯度放大器輸出  (g)有預加重的梯度磁場(chǎng)波形

 圖2 梯度放大器中的模擬式梯度預加重電路

 
圖3  x9250的內部結構

 
圖 4  x9250的控制指令構成
數字控制梯度預加重電路設計與實(shí)現 
dcp的這種工作方式為本文的設計提供了基礎。其原理是用dcp來(lái)代替模擬式梯度預加重電路中手調電位器，用通用計算機、單片機、dsp等數字控制器通過(guò)dcp的總線(xiàn)接口來(lái)控制dcp的抽頭位置，從而調節梯度預加重電路中過(guò)沖波形的幅度和時(shí)間常數。具體實(shí)現電路見(jiàn)圖5。 
和圖2一樣，圖5中僅示出x路的電路，其余兩路與此相同。在圖5中，來(lái)自數字控制器件的控制信號xsi和xsck分別給出spi串行接口標準的數據位和時(shí)鐘。數字控制器件根據用戶(hù)輸入的幅度和時(shí)間常數值，或根據mri系統采集到的信號值，自動(dòng)計算出幅度和時(shí)間常數的值，將這些數值轉換成dcp的指令格式，送入相應的dcp中。經(jīng)過(guò)幅度和時(shí)間常數處理后的梯度波形通過(guò)波形迭加電路u5與原梯度波形相加輸出至梯度放大器。 
一片x9250中包含有4個(gè)dcp，通過(guò)控制指令中指令字節的p0、p1位選擇。它的引腳上還有兩位器件選擇位a0、a1，通過(guò)控制指令中驗證字節的a0、a1位識別，因此通過(guò)a0、a1、p0、p1的組合，僅用控制指令就可尋址16個(gè)dcp中的任何一個(gè)。本設計僅用兩片x9250，共8個(gè)dcp，故用a0選擇器件，a1接地，p0、p1選擇器件中4個(gè)dcp之一。在不超過(guò)16個(gè)dcp的情況下，不需要外加地址譯碼電路，cs端可以始終接地。數據字節給出中心抽頭端的位置送入dcp中的中心抽頭寄存器并寫(xiě)入0#數據寄存器。這樣一旦調整好梯度預加重的波形，可以像模擬電位器一樣永久保存。 
本文的電路在應用時(shí)既可以作為一部分融合進(jìn)入梯度波形發(fā)生電路或梯度放大器的渦流補償電路中，也可以作為一個(gè)單獨的部件串接在無(wú)梯度預加重電路的梯度波形發(fā)生器和梯度放大器之間。 
結語(yǔ) 
本文闡述并實(shí)現了一種用dcp實(shí)現的數字控制梯度預加重電路，它采用數字控制，模擬調整的方式，使得通過(guò)預加重改善mri系統中梯度磁場(chǎng)建立波形的方法可以借助計算機等數字控制器件來(lái)完成�！� 
參考文獻： 
1. an8253 gradient amplifier user manual, analogic inc. 
2. x9250 application note an99/115/120/124/133/134/135，xicor inc.

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