數(shù)控電位器在磁共振成像系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)控電位器在磁共振成像系統(tǒng)中的應(yīng)用 安科高技術(shù)股份有限公司 胡曾千 邢研

摘    要: 把數(shù)控電位器用于磁共振成像系統(tǒng)中梯度預(yù)加重電路，使電路中增益和時(shí)間常數(shù)的調(diào)整從人工方式改變?yōu)橛?jì)算機(jī)數(shù)字控制方式，可以大大提高調(diào)整的效率并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。 
關(guān)鍵詞: 數(shù)控電位器;磁共振成像;渦流;梯度預(yù)加重 
問題的提出 
在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中，梯度磁場被用來編碼空間位置。它是由梯度波形發(fā)生器根據(jù)成像序列要求輸出梯度波形，激勵(lì)梯度放大器輸出梯度電流，驅(qū)動(dòng)梯度線圈形成的。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波形見圖1(a)(b)(c)。但在實(shí)際系統(tǒng)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的變化會(huì)在其中產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流。渦流衍生出的磁場方向總是與梯度磁場建立的方向相反，因此會(huì)延緩梯度磁場的建立，見圖1(d)。這種延緩會(huì)對(duì)MRI系統(tǒng)成像的性能產(chǎn)生較大的影響。 
克服渦流的影響、改善梯度磁場的建立波形有許多種方法。其中之一是梯度預(yù)加重(pre-emphasis)。梯度預(yù)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(yù)先加上一個(gè)過沖，該過沖抵消渦流場的影響，加速了梯度磁場的建立，見圖1(g)。為了適應(yīng)不同渦流場的情況，該過沖的幅度和時(shí)間常數(shù)都是可調(diào)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(yù)加重(有時(shí)稱為渦流補(bǔ)償)電路。這種電路由一個(gè)可調(diào)增益的運(yùn)算放大器+可調(diào)RC時(shí)間常數(shù)電路構(gòu)成，見圖2(三路相同，僅畫出X路)。為了組合出任意的過沖波形，通常有多級(jí)這樣的電路并聯(lián)，每級(jí)具有不同的時(shí)間常數(shù)(圖2電路具有4級(jí))。增益和時(shí)間常數(shù)的調(diào)整采用手調(diào)多圈電位器。這種電路結(jié)構(gòu)簡單、無須做任何計(jì)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(shù)字器件來控制，多級(jí)增益和時(shí)間常數(shù)需人工用改錐作多維調(diào)整，工作量極大而一致性、可重復(fù)性很差，也不能由計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整。 
本文利用數(shù)控電位器(DCP)獨(dú)特的性能，改進(jìn)了上述模擬式梯度預(yù)加重電路，達(dá)到了數(shù)字控制梯度預(yù)加重的目的。 
數(shù)控電位器 
數(shù)控電位器是一種數(shù)�；旌掀骷�，示意圖見圖3。它內(nèi)部有一個(gè)串聯(lián)的電阻陣列(電阻的數(shù)量決定了DCP的分辨率，通常有32，64，100，256，1024等)。每兩個(gè)電阻之間的連接點(diǎn)通過一個(gè)電子開關(guān)連接到中心抽頭端。電子開關(guān)則由用戶通過總線接口控制通斷，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看，DCP表現(xiàn)得就好象是一個(gè)普通的三端可調(diào)電位器一樣，差別只在于普通的電位器是通過旋紐或工具手動(dòng)連續(xù)可調(diào)的，而DCP是通過總線輸入指令步進(jìn)調(diào)節(jié)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(nèi)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的SPI串行接口，控制指令由驗(yàn)證字節(jié)、指令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)構(gòu)成，見圖4。阻值有100KΩ，50KΩ，數(shù)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)理想梯度磁場波形  (d)實(shí)際梯度磁場波形(e)有預(yù)加重的梯度波形發(fā)生器輸出(f)有預(yù)加重的梯度放大器輸出  (g)有預(yù)加重的梯度磁場波形

 
圖2 梯度放大器中的模擬式梯度預(yù)加重電路

 
圖3  X9250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

 
圖 4  X9250的控制指令構(gòu)成
數(shù)字控制梯度預(yù)加重電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 
DCP的這種工作方式為本文的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。其原理是用DCP來代替模擬式梯度預(yù)加重電路中手調(diào)電位器，用通用計(jì)算機(jī)、單片機(jī)、DSP等數(shù)字控制器通過DCP的總線接口來控制DCP的抽頭位置，從而調(diào)節(jié)梯度預(yù)加重電路中過沖波形的幅度和時(shí)間常數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)電路見圖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，來自數(shù)字控制器件的控制信號(hào)XSI和XSCK分別給出SPI串行接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)位和時(shí)鐘。數(shù)字控制器件根據(jù)用戶輸入的幅度和時(shí)間常數(shù)值，或根據(jù)MRI系統(tǒng)采集到的信號(hào)值，自動(dòng)計(jì)算出幅度和時(shí)間常數(shù)的值，將這些數(shù)值轉(zhuǎn)換成DCP的指令格式，送入相應(yīng)的DCP中。經(jīng)過幅度和時(shí)間常數(shù)處理后的梯度波形通過波形迭加電路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，通過控制指令中指令字節(jié)的P0、P1位選擇。它的引腳上還有兩位器件選擇位A0、A1，通過控制指令中驗(yàn)證字節(jié)的A0、A1位識(shí)別，因此通過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(shè)計(jì)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(shù)據(jù)字節(jié)給出中心抽頭端的位置送入DCP中的中心抽頭寄存器并寫入0#數(shù)據(jù)寄存器。這樣一旦調(diào)整好梯度預(yù)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(yīng)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(bǔ)償電路中，也可以作為一個(gè)單獨(dú)的部件串接在無梯度預(yù)加重電路的梯度波形發(fā)生器和梯度放大器之間。 
結(jié)語 
本文闡述并實(shí)現(xiàn)了一種用DCP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制梯度預(yù)加重電路，它采用數(shù)字控制，模擬調(diào)整的方式，使得通過預(yù)加重改善MRI系統(tǒng)中梯度磁場建立波形的方法可以借助計(jì)算機(jī)等數(shù)字控制器件來完成�！� 
參考文獻(xiàn)： 
1. AN8253 Gradient Amplifier User Manual, Analogic Inc. 
2. X9250 Application Note AN99/115/120/124/133/134/135，Xicor Inc.
摘自:電子產(chǎn)品世界

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