核磁共振成像(MRI)的系统架构

来源：网络时间：2021-12-20 22:19:09

现代核磁共振成像(MRI)扫描仪的设计已发生了革命性的变化，这都得益于现代IC设计的一系列发展和进步。MRI等医疗成像设备虽产生一定的影响，但并不是IC发展的主要驱动因素。相反，它们是无线基础设施等行业持续发展的受益者。这种技术进步不仅提供MRI各种子系统改善性能的机会，同时也使子系统设计得以简化。

MRI子系统受益于现代IC的一个例子是梯度控制。高端MRI扫描仪要求以1ppm量级的精密度、精确度和稳定度来控制梯度场，这本身就是一项挑战;而且，在实现如此高水平控制的同时，还必须提供数百kHz或更大的吞吐速率。若无法维持所需的控制，将会因为场梯度的非线性生成干扰伪像。若无法达到所需的噪声水平，图像中可能会出现“重影”。

过去高性能梯度控制一直采用复杂的分立电路来实现。图1a为这种方式的一个简化示例。在此例中，两个16位DAC相结合，用来产生更高的等效精度。次要DAC的输出会经过衰减，以提供更精细步进，随后与主要DAC输出结合。然而，这种组合不能提供所需的线性度，因此要在反馈环路中使用一个高性能ADC。该ADC不太可能用于音频方面，故在数字逻辑中须进行额外的校正。对于典型高分辨率ADC，另一个可能发生的问题是空闲音，也必须消除掉。尽管本图已经将复杂问题大大简化，但应明白，实际运作状况绝不会如图示那么简单。

图1 MRI的梯度控制

当今的IC工艺及设计技术允许工程师将所有这些需求整合到一个1×10-6 DAC当中，如图1b所示。这是通过经改善的薄膜匹配与片内自校正功能相结合加以实现的。线性度、稳定度和噪声能够改善高阶MRI梯度控制的性能，并且其电路与传统方法相比大大简化。然而，要达成总体1×10-6精度的设计挑战仍然相当大，但DAC不再是限制因素，支持电路、器件选型和适当的布局布线均起着重要的作用。

射频(RF)接收机是另一个受到新技术巨大冲击的领域。该领域一直在不断变化，不同的原始设备制造商(OEM)采用不同的方式完成任务。然而，一个共同发展趋势是希望能够将接收电子器件移至更靠近线圈组件的位置，这样做合情合理，如果从前置放大器到后续接收电子器件之间使用较长的同轴电缆，则不仅体积庞大，而且不利于接收机的性能。若将接收电子器件移至更靠近线圈的位置，会对电子器件有两大限制。电子器件必须更小，因为要容纳大量的接收通道，所以可用空间更少。另外，功耗也是一个主要因素，在更小容量的空间内必定会产生散热问题。

图2 MRI的数字转换

针对无线基础设施所做的数据转换器改进同样能简化这项工作。蜂窝基站对更好的噪声与失真性能的需求，推动了能够实现高中频(IF)频率采样的高性能16位ADC的发展，而这正好也符合MRI的需求，在主流的1.5 T及3 T系统中，信号的中心频率约为64MHz和128MHz。反观传统的MRI系统通常会牵涉到这样一个问题，就是在转换至数字域，供进一步处理之前，必须先在模拟域中下变频至低中频，如图2a所示。新一代ADC的出现使这种转换过程得以省去，进而缩小总体解决方案，如图2b所示。这至少能部分满足对缩小尺寸的需求，从而适合更小尺寸应用。

如同任何其他的设计问题一样，在运用新ADC技术的优势时，也需要加以权衡。由于MRI扫描仪中的RF信号电平较低，因此信噪比(SNR)是ADC的一项关键特性规格。在开发突破性产品时，信噪比也是一项重要的目标特性规格。研发新功能时，诸如功耗之类的规格常常退居其次，后来的新一代ADC可以通过对主要规格的性能，例如信噪比做些让步来实现这些次要规格。最后，随着技术日益成熟，在第一代中达成的突破性功能，也可以在维持低功耗(或是其他次要规格)的情况下实现。因此，MRI系统设计厂商可以选择和权衡不同ADC的强项及弱点，找出最符合其系统目标的ADC。

提高个别器件的性能，并不是蓬勃发展的IC技术助力实现更紧凑MRI接收架构的唯一方法，更高集成度也是受通信行业推动而发展。随着采用模拟下变频转换的架构逐渐被直接采样架构所取代，此功能也正转换到数字领域，通常成为FPGA的一部分。信号被分成I与Q两个分量，并且利用正交数控振荡器(NCO)转换至基带，然后进行过滤;接着，此信号会传送到系统处理器中，此时可应用更为全面的信号处理技术。

图3 集合数模转换器和数字下变频功能的单芯片

这种分隔式方案可以很好地运作，然而，对于试图使接收机解决方案尺寸最小化的设计厂商而言，具有更高集成度的解决方案会有所助益。举例来说，高性能标准器件将模数转换功能与针对多通道的数字下变频功能结合到单芯片中(见图3)，这些器件可省去介于ADC与FPGA之间的高速链路开发需求，进而简化设计工作。片内数字下变频器非常灵活，能够适应不同的系统，若将此功能从FPGA上移转出来，便可实现更小、更简单的FPGA设计，以节省更多空间或成本。

为满足通信基础设施需求所做的RF器件改进，不仅对MRI扫描仪的接收端有帮助。DAC技术的改进，特别是直接数字频率合成(DDS)方面的改进，亦可简化扫描时脉冲生成的设计工作。对于任何可能在未来使用到的场强，这些器件具有足堪胜任的速度。如同集成DDC能够从FPGA上将任务移转出来一样，DDS元件也能够在发射端执行相同的工作，配置为正交数字上变频器(QDUC)的DDS具有足够的灵活性来产生所需的脉冲。另外还有一项能够简化FPGA设计的特性，就是脉冲可以存储在片上存储器中，等到需要时再回放。