磁共振谱仪的通信模块设计和涡流补偿方法研究

论文摘要

磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)是利用生物体内氢核在射频脉冲和梯度磁场的共同作用下产生共振信号,经过图像重建方法而成像的技术。与X射线CT相比,磁共振成像具有高组织分辨力、空间分辨力、多参数成像、可任意方向断层和无放射损伤等优点。经过30多年的飞速发展,磁共振成像已经成为医学临床诊断中最先进、应用最广的工具之一。作为MRI系统的核心控制模块,谱仪(Spectrometer)控制着成像系统其他模块的时序及射频波形和梯度波形信号的产生,以及信号的发射、接收和处理等操作协调运行。目前,只有国外少数几家厂商能进行谱仪的设计和实现,但价格贵,研究资料非常保密,国内生产的磁共振成像系统中的谱仪主要依赖于进口,这就造成了MRI系统生产和维护成本高,病人做检查费用高。因此,开发拥有自主知识产权的谱仪系统具有重要意义。本论文对磁共振成像原理以及谱仪的工作原理进行了深入研究,给出了一种新型MRI谱仪系统的软件设计方案。首先,参与讨论确定谱仪硬件系统设计,确定了谱仪硬件系统的架构,并介绍了各硬件模块的功能。接下来,针对谱仪的工作流程,进行了软件系统的功能分析,并提出了MRI谱仪系统主计算机端软件模块的设计方案,它与谱仪的硬件系统相配套,能够实现用户的多种成像需求,获取高质量的磁共振图像。本论文重点研究了对磁共振成像序列和参数文件等信息进行数据封装,并实现主计算机和谱仪硬件板卡之间的可靠通信。在成像过程中,涡流的存在影响磁共振图像的质量。因此,本论文对磁共振成像涡流补偿方法进行了研究,以提高MRI的成像质量。首先研究了磁共振成像中涡流的产生机理以及对成像的影响,并提出了一种基于分段迭代的MRI成像涡流补偿方法。该方法的技术基础是梯度电流预增强技术,一般梯度电流预增强在一个周期内要进行上千次e指数计算,因此需采用快速的计算方法。迭代计算是普遍采用的涡流补偿快速计算方法,但是存在累积误差放大的问题。针对这种问题,基于迭代计算原理,提出了一种改进的分段迭代的MRI成像涡流补偿计算方法。实验结果表明,该方法有效地提高了梯度预增强量的精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 磁共振成像概述
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要工作及研究内容安排
• 第2章 磁共振成像原理
• 2.1 核磁共振理论
• 2.1.1 磁场中的氢核运动
• 2.1.2 原子的核磁共振现象
• 2.1.3 驰豫作用和驰豫时间
• 2.1.4 磁共振的经典理论--布洛赫方程
• 2.1.5 自由感应衰减信号
• 2.2 磁共振成像的空间定位
• 2.2.1 梯度磁场
• 2.2.2 层面选择
• 2.2.3 相位编码和频率编码
• 2.2.4 图像重建
• 2.3 磁共振成像中的涡流
• 2.4 本章小结
• 第3章 MRI谱仪通信模块设计
• 3.1 谱仪硬件架构及功能介绍
• 3.1.1 磁共振成像系统的组成
• 3.1.2 谱仪的组成
• 3.1.3 谱仪的工作流程
• 3.2 谱仪软件系统的方案设计及架构功能
• 3.2.1 核心模块
• 3.2.2 应用模块
• 3.2.3 扫描软件界面
• 3.3 计算机与谱仪主板的通信模块设计
• 3.3.1 通信模块的工作框架
• 3.3.2 数据封装
• 3.4 本章小结
• 第4章 MRI成像涡流补偿方法研究
• 4.1 涡流的产生及影响
• 4.2 涡流补偿的算法研究
• 4.2.1 涡流补偿的迭代计算公式
• 4.2.2 分段迭代的涡流补偿快速计算方法
• 4.2.3 实验结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 研究成果总结
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文