数字化MRI谱仪系统的研究与设计

【摘要】： 磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)是利用生物体内氢核在磁场中的共振特性而成像的高新技术，具有分辨率高、成像参数多、可任意层面断层、无电离辐射损伤等特点。自上世纪70年代问世以来，MRI技术飞速发展，目前已经成为影像学检查中最先进的工具之一，广泛应用于临床对人体各系统的诊断。 谱仪(spectrometer)是MRI系统的核心部件，控制着整个MRI系统的信号时序和各种波形信号的产生、发射、接收以及处理，其性能的优劣是决定MRI成像质量的重要因素。谱仪的设计和实现非常复杂，目前国外只有RI、SMIS、Medison等少数几家厂商能够提供，国内生产的MRI系统主要都是采用进口谱仪。因此研究并设计拥有自主知识产权的数字化谱仪系统对于我国磁共振成像技术的发展具有重要意义。 本文对MRI成像原理以及谱仪的关键技术进行了深入地研究，提出了一种基于PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)总线结构的数字化MRI谱仪设计方案，利用软件算法实现各种数字信号的生成和处理，采用PXI硬件板卡进行数字信号和模拟信号之间的转换，从而使软件设计与硬件独立，更加简单方便。本文首先给出了谱仪的整体设计方案，包括各功能模块的划分、工作流程设计等，然后研究了各模块的具体实现方法，重点分析了谱仪中各种数字信号的生成和处理技术。在梯度磁场产生过程中，磁场的变化会产生涡流，影响图像质量，因此本文对涡流补偿方法进行了研究，在谱仪的梯度发生器中对涡流进行了预补偿。最终获得的MRI图像可能存在相位伪影，本文还对伪影校正方法进行了研究，以进一步提高谱仪的性能，改善MRI图像的质量。归纳起来本文主要完成了以下有特色的研究工作： 1)提出了一种基于PXI总线结构的数字化MRI谱仪系统设计方案。首先计算出MRI序列的时序，并生成所需的数字射频信号和梯度信号，然后利用PXI硬件板卡将数字信号转变为模拟信号。成像物体产生的磁共振信号经过数字化后再进行数字正交解调和滤波等处理，最终重建出图像。相比于其它谱仪设计，这种方法完全采用软件进行序列编写以及各种数据处理，硬件只进行A／D、D／A转换，因此谱仪系统与硬件的相关性低，具有结构简单、扩展方便等特点。PXI总线提供的特殊电气信号可以用来实现各模块的时钟同步、精确触发等功能。 2)对谱仪系统中的数字信号处理进行了研究，包括数字射频信号的合成以及对磁共振信号的正交解调、抽取、滤波等，给出了射频发生器和接收器的详细设计方法。采用软件算法合成射频信号能方便地对其进行频率、幅度及相位控制，利用数字正交解调处理磁共振信号可以避免由两路载波的相位和幅度不平衡引起的谱失真。同时，采用这种设计方法只需要选用普通的A／D、D／A板卡，可以避开繁琐的硬件设计。 3)研究了涡流对成像的影响，并提出了一种快速的涡流自动补偿方法。该方法利用电磁感应原理以及数据采集技术进行梯度磁场的测量，并通过数据拟合及反馈控制方法快速获得补偿参数，从而可以在谱仪的梯度发生器中对涡流进行预补偿。进行涡流补偿后，图像质量明显提高。 4)在射频接收器对磁共振信号进行正交解调时，载波信号的初始相位误差会造成相位伪影。针对这类伪影，本文提出了一种软件校正方法，在成像序列执行之前先进行一次不加频率编码梯度和相位编码梯度的参考扫描，利用获得的回波链数据求出各回波之间的相位误差，由此建立相位误差补偿矩阵，对K空间数据进行校正。这样可以减少这类伪影的影响，提高图像质量。