基于System Generator的多源MRI数字化射频发射方法.pdf
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1、生物医学工程学进展2023年第44卷第3期 医学影像 253doi:10.3969/j.issn.1674-1242.2023.03.005 基于 System Generator 的多源 MRI 数字化射频发射方法 刘颖,钟凯,章浩伟,刘意(上海理工大学健康科学与工程学院医学影像工程研究所,上海 200093)【摘要】该文将多通道并行发射技术与数字调制技术应用于磁共振成像(MRI)射频信号发射,提出了一种多源 MRI 数字化射频发射方法。该射频发射方法通过现场可编程门阵列(FPGA)实现直接数字式频率合成(DDS),由 FPGA 内部存储器存储射频脉冲波形,并以正交混频的方法进行数字上变频(
2、DUC)。该方法更加简便易操作,提高了集成度与灵活性,应用多速率信号处理技术提高了数据率变化的灵活性;应用 Xilinx 公司的数字信号处理(DSP)开发工具 System Generator进行设计开发,降低了数字化开发难度。该设计验证了多源数字化射频发射的功能,测试结果证明了该发射方法的有效性。【关键词】多源发射;数字上变频;磁共振信号;多速率信号处理【中图分类号】O482.53 【文献标志码】A 文章编号:1674-1242(2023)03-0253-07 Multi-source MRI Digital Radio Frequency Emission Method Based on
3、System Generator LIU Ying,ZHONG Kai,ZHANG Haowei,LIU Yi (Institute of Medical Imaging Engineering,School of Health Science and Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)【Abstract】This study designs a multi-source MRI digital radio frequency transmission meth
4、od by applying multi-channel parallel transmission technology and digital modulation technology to magnetic resonance imaging(MRI)radio frequency signal transmission.This radio frequency method realizes direct digital frequency synthesis(DDS)through FPGA,stores the radio frequency pulse waveform in
5、the internal memory of FPGA,and performs digital up-conversion(DUC)by means of quadrature mixing.This method is simple and easy to operate,improves the integration and flexibility,and applies multi-rate signal processing technology to improve the flexibility of data rate changes.In addition,it uses
6、the Xilinxs digital signal processing(DSP)development tool System Generator for design and development,reducing the difficulty of digital development.The design verifies the function of multi-source digital radio frequency transmission,and the simulation and test results prove the effectiveness of t
7、he transmission method.【Key words】Multi-source Emission;Digital Up-conversion;Magnetic Resonance Signal;Multi-rate Signal Processing 收稿日期:2022-05-20 基金项目:国家自然科学基金资助(61101174)。作者简介:刘颖,女,副教授,硕士生导师,主要从事磁共振成像技术的研究工作,E-mail:。生物医学工程学进展2023年第44卷第3期 医学影像 254 0 引言 近年来,磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统为
8、了追求更高的信噪比,不断地往高场发展,但更高的频率和更短的波长导致了射频场不均匀。多源射频发射技术作为该问题的解决方法之一,不仅能加速射频脉冲,还能降低特殊射频吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)的限制1。由于射频场的均匀性对MRI的质量有着重要影响,因此多源射频发射技术在高场MRI的发展中有着重要作用。多源射频发射技术并行输出多路频率、相位、幅值可独立调节的射频信号2。目前,多源射频发射系统的实现方法主要有2种3。以数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)或现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arr
9、ay,FPGA)为主控芯片,采用多路直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis,DDS)芯片;利用DDS内部集成运算器和主控系统读取存储器的波形调制数据,通过模拟乘法器实现波形调制,从而实现对每个通道的独立调节。利用FPGA的内核直接实现DDS,通过FPGA的存储器读取包络信号数据,两者经过FPGA内部乘法器进行波形调制,然后采用DAC输出RF信号。方法使用多个DDS器件和调制电路,硬件电路较复杂,抗干扰能力较差,硬件成本高,需要较多的数据接口。方法将调制电路集成于FPGA内部,降低了硬件的复杂程度,抗干扰能力强,硬件成本低,提高了设计的灵活性,并且频率、相位、幅值精度
10、不受器件限制,但开发难度高。本文提出了一种适用于高场的MRI数字化射频发射方法,利用多源射频发射技术来解决高场下B1场不均匀的问题,采用 System Generator开发工具及Xilinx的IP核构建DDS和数字调制,降低了开发难度,实现了多源射频发射,同时避免了多片DDS芯片的硬件成本,加强了系统的集成化程度,灵活性强。此外,利用System Generator开发工具还能获取FPGA的数字信号,实现数字化射频系统的设计、实现和验证。1 多源数字化射频的原理与方法 1.1 多源发射的原理 高场MRI受抗电阴影和特殊射频吸收率(Specific Absorption Rate,SAR)的限
11、制和影响4。抗电效应对 B1场的均匀性造成影响,高SAR会对人体扫描造成安全隐患,同时影响成像扫描速度5。多源发射技术利用多个射频源进行射频匀场的原理如下。假设一个射频激励系统有以下条件6。系统的弛豫和非共振效应可以忽略;激励翻转角30,即纵向磁化近似其平衡值。那么当该射频场均匀时,在T 时刻横向磁化矢量可以用公式(1)表示:T2()0(,)()()txTjr ktr Tj a rb tedt (1)式中,为旋磁比,()a r为净磁化强度,()b为单个可控复值射频脉冲,T,rx y z,()txk为K空间轨迹。式(1)中的射频脉冲可另表示为关于射频场空间分布和脉冲包络信号()b的函数,且()N
12、tR不随时间变化而改变,N个发射通道条件下的射频场可表示为:T2()0()()txTjr ktnNdrjbt edt (2)多源射频发射的横向磁化矢量可表示为:1(,)()()NNNNbrcr b (3)式中,()ndr表示多源射频激励剖面,它由N个通道的射频脉冲()b控制。因此,通过调整N个通道的射频脉冲就能实现射频匀场。1.2 多源数字化射频发射方法 数字化射频发射通过数字调制的方式,避免了模拟器件的非线性效应引起的信号质量差问题7。具有硬件集成、可重构性等特点的FPGA的普及,推动了FPGA在数字化射频开发中的应用8。同时,具有高分辨率、快速频率转换、低噪声等特点9的DDS相较于模拟频率
13、源具有更大的优势。因此,设计在FPGA中以DDS技术和数字调制方法代替传统的频率源及调制电路的方式来产生射频信号。该方法使用FPGA逻辑资源实现调制。为了避免工艺带来的杂散和失真问题,设计通过混频得到较高频率的磁共振信号,并通过内插抽取来匹配载波信号数据速率,同时采用正交混频来提高频带利用率。综上所述,该设计的多源数字化射频发射方法利用FPGA构建多个DDS内核,与ROM读取的脉冲波形文件进行调制,再通过内插与正交混频得到多路射频信号,其框架如图1所示。生物医学工程学进展2023年第44卷第3期 医学影像 255 图 1 多源数字化射频发射方法框架 Fig.1 Block diagram of
14、 multi-source digital emission method 2 基于System Generator的射频发射方法设计 System Generator是Xilinx与MathWorks公司开发的一种进行数字信号处理的设计软件,它将DSP的抽象算法转化为可靠的硬件实现,并通过可视化的DSP算法设计,大幅降低了DSP算法的开发难度12。多通道数字上变频(Digital Up Converter,DUC)的每个通道设计方案框图如图2所示。该设计的DUC射频发射模块依次为脉冲调制、HB半带滤波器、FIR数字滤波器、级联积分梳状(Cascaded Integrator-Comb,CIC
15、)滤波器、数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)、数字混频器。图中的I、D分别表示内插因子和抽取因子。出于对硬件资源与成本的考虑,本设计以4通道进行设计与仿真。2.1 DDS系统设计 本设计以DDS IP核来设计DDS系统(见图3),使用FPGA硬件可编程的ZYNQ-7000 SOC芯片实现频率、相位的可编程输入,DDS信号经乘法器与波形信号进行调制。DDS IP使用相位增量(频率控制字PINC)和相位偏移(相位控制字POFF)来获取取样地址,从而映射到所需的输出波形13。图 2 通道设计方案框图 Fig.2 Block diagram of
16、designing scheme 图 3 DDS 系统设计框图 Fig.3 Block diagram design for DDS system 2.2 脉冲波形设计 脉冲波形调制的设计框图如图4所示,其利用ROM存储波形的幅值信号,FPGA内部搭建计数器进行计时,计数器以一定的步长累加作为ROM的地址输入,同时计数器以脉冲波形的采样间隔作为周期14,采样间隔使用SOC芯片实现可编程输入,每个计数周期依次读取ROM中的波形幅值数据,最后输出信号用乘法器以系统工作时钟为周期,与DDS正弦输出信号进行调制。生物医学工程学进展2023年第44卷第3期 医学影像 256 图 4 内插抽取滤波设计框图
17、 Fig.4 Block diagram of interpolation filter design 2.3 多级内插抽取滤波器设计 上变频中的DDS信号为了灵活地与NCO的采样信号匹配,使用内插抽取级联的方式提高采样率的灵活性。在数字信号处理中,通常先进行插值,然后进行抽取,以避免造成频率混叠,同时在插值之后、抽取之前进行滤波来去除镜像干扰15。在多数率信号处理中,半带滤波一般用于实现I=2M(2的幂次方倍)的内插;CIC滤波器用于I=N的整数倍内插。两者级联可实现I=N2M倍数的内插。本设计基于上述内容使用Matlab提供的数字滤波工具箱FDA Tool和Xilinx提供的FIR IP核
18、构建HB半带滤波、低通FIR滤波、CIC滤波的级联,如图4所示。由于内插系统中的内插因子I往往不是整数倍,因此系统在半带内插滤波和CIC内插滤波之间加入了D=L的整数倍FIR抽取滤波,使得内插因子I=N2M/L,从而提高了采样率变化的灵活性,使之能够匹配不同的NCO系统。2.3.1 半带滤波模块 半带滤波模块 半带滤波器(Half-Band Filter,HB)由于其理想冲激响应()sin(/2)/(/2)h nnn,冲激响应除零点外的偶数点均为零,因此在多数率信号处理中减少了一般的计算量,具有较高的计算效率。本设计使用 FDA Tool与Xilinx提供的FIR Compiler 7.2构建
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