（生物医学工程专业论文）基于cpld与ad9854的谱仪窄带射频发送系统的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n dr e a l i z a t i o nf o rr a d i of r e q u e n c yt r a n s m i t t i n gs y s t e m i nm s p e c t r u mc o n s o l eb a s e do nc p l da n da d 9 8 5 4 a b s t r a c t m a 黟商cr e s o n a n c ei m a g i n gf n u ) i sar e v o l u t i o ni nm e d i c a li m a g i n g , a n di ti s a n o t h e ra d v a n c e dt o m o g r a p h ym e d i c a li m a g i n gd i a g n o s i se q u i p m e n ta f t e rx - r a yc t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) ，u l t r as o u n ds c a n n e r c o m p a r e dw i t hc t , m r ih a sm a n y a d v a n t a g e si no r g a n i z a t i o nr e c o g n i t i o na n ds p a t i a ld e f i n i t i o n , f e w e rf a l s em a r k sa n dl e s s r a d i od e s t r o y t h i sd e s i g ni sb a s e do nt h e0 2 3 tm r is p e c t r u mc o n s o l ep m d u c e db ys o m e c o m p a n yi nc k n a t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et h e o r i e sa n dt h es t r u c t u r e so fi v l p 3s y s t e ma n dt h er a d i o f r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i f i n gs y s t e m ，a n di n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d t h ep e r f o r m a n c eo f d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y m h e s i s e r ) , a n da n a y z e s t h ew a yo fc o n t r o l l i n g a d 9 8 5 4u s e di nt h ed e s i g n t h i sp a p e rp a y se m p h a s e so nr e a l i z i n gt h er a d i of r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i r i n g s y s t e mu s i n gt h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) x c 9 5 2 8 8 x la n d a d 9 8 5 4 f i r s t l y , p r o g r a mi nx c 9 5 2 8 8 x lt o c o n t r o la d 9 8 5 4t op r o d u c et h ea r b i t r a r y f r e q u e n c yo f t h es i n e c o s i n es i g n a lb e t w e e n 0 i - i z 1 5 0 m h z i ti sa c c o m p l i s h e db yv h d l ( v h s x ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) i ni s e 5 ，2 ，a n dt h ew a v e sh a v eb e e ng i v e nb y m o d e l s i ms e5 6 d t h er e s u l t sh a v eb e e no b s e r v e db yo s c i l l o g r a p h s e c o n d l y , i ti sn e c e s s a r yt or 印l a c eh s p 4 5 1 0 6 ，h u m l 7a n da d 7 6 8 l o c a t e di nt h e r a d i of r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i f f m gs y s t e mb yp r o g r a m m i n gx c 9 5 2 8 8 x lt oc o n l a o l a d 9 8 5 4t op r o d u c e1 5 m h z 2 5 m h zr a d i of r e q u e n c yb a s e b a n ds i g r l a l ，i ti st e s t e da n d d e b u g g e di nt h eo 2 3 tm r is p e c t r u mc o n s o l e t h i r d l y , d e v e l o pt h er a d i of r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i t t i n gs y s t e mt op r o d u c er a d i o f r e q u e n c ys i g n a lb yp r o g r a m m i n gi nx c 9 5 2 8 8 x lt oc o n t r o la d 9 8 5 4b a s e do i ls o m e r e l a t e dt h e o r i e so f d d s k e yw o r d s m r jd d sc p l dv h d l i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本入为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：捌 日期：伊6 - f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定；即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言 磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学、生物等领 域，到1 9 7 3 年才将它用于医学临床检测。为了避免与核医学中放射成像混淆，把它 称为磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，m r ) 。 m r i 是一种生物磁自旋成像技术，是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场 内，经射频脉冲激励后产生信号，用探铡器检溺荠输入计算机，经过处理转换在羼 幕上显示图像。m r i 提供的信息量远大于医学影像学中的其它许多成像技术，因此 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接做出横断面、矢状面、冠状面 和各种斜面的体层图像，且具有不会产生c t ( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，计算机x 射线断层造影术) 检测中的伪影、不需注射造影剩、无电离辐射、对机体没有不良 影响等优点。 m r i 从原理的发现到目前临床各种先进成像技术的应用，是基于科学家们对原 子结构的不断认识。1 9 2 4 年p a u l i 发现电子除在原子核绕行外，还可高速自旋，有 角动量和磁矩。1 9 4 6 年美国哈佛大学的p e r c e ! 1 及斯坦福大学的b l o c h 分别独立地发 现磁共振现象并接收到核子自旋的电信号，同时将该原理最早用于生物实验，在物 理学、化学方面做出了较大的贡献，1 9 5 2 年荣获诺贝尔物理学奖。磁共振成像的设 想出自d a m a d i a n ，德于1 9 7 1 年发现了组织的良、恶性细胞的m r 信号有所不同。 1 9 7 2 年p - c l a u t e r b u r 用共轭摄影法产生一幅试管的v l r 图像。】9 7 4 年做出第一幅 动物的肝脏图像。随后m r i 技术在此基础上飞速发展，继而广泛地应用于临床i j j 。 由于人体内各种不同组织如骨、软骨、软组织和其他器官的水和脂肪等有机物 的含量不同，同组织中正常与病变环境下质子的分布密度不同，其弛豫时间也存 在着明显的差异。因此对人体中氢原子分布状态进行研究，以组织的二维、三维高 分辨力图像加以显示，在医学上具有重要的意义。 1 2 国内外的情况 全世界磁共振年销量为1 0 0 0 台左右，中国市场容量为每年7 0 1 2 0 台，目前 国内已有的磁共振设备以进口为主。商场强的超号t 磁共振成像设备更是由国外的几 家大公司一统天下，市场占有率是g e 第一，西门子第二，飞利浦第三，东芝第四， 低场强的磁共振成像设备，日立占有率第一。这些设备不仅造价昂贵，维护费用也 东北大学硕士学位论文 第一章引言 高得惊人，因此许多国内公司都想自己生产磁共振成像设备。国内如安科等几家公 司是采用o e m 方式组装生产m r i ，即磁共振的核心部分是从外国买来，如谱仪是 从s m s 、r i 、m e d i s o n 等专门生产谱仪的厂家购买，如安科公司用的是a n a l o g i e 公司谱仪，每台价格为8 万美元。射频放大器、梯度放大器是从a d 等公司买的， 配套的磁体、外壳等从国内厂家订货，本身只是开发用户界面，或者直接用已有的 现成的界面，在国内组装、销售和维修。这在一定程度上为国家节省了许多外汇， 加快了磁共振设备在国内的普及。由于没有掌握关键技术，国内生产的这些磁共振 设备存在着许多诸如无法升级换代。产品维护困难等问题。 1 3 设计的意义 目前国内企业还没有实用的医用磁共振关键设各谱仪的生产能力。中国科 学院武汉物理研究所在谱仪研究方面作了许多工作，北京大学核物理研究所、北京 天坛医院、西安交通大学生物医学工程研究所等许多医院、研究机构对磁共振的临 床应用等也作了许多卓有成效的工作。而国外m r i 整机生产厂家，其谱仪大都采用 自行研制的方式，其核心技术都属于高度机密，不对外开放。因此国内自主生产谱 仅就显得特别重要和有意义。国家每年要花费大量的外汇用于进口此类设备。为了 开发具有先进水平、拥有自主知识产权的高档m r i 设备，开发自己的m r i 谱仪是 必经之路，否则我国m r i 技术将永远落在别人的后面，永远也摆脱不了跟在别人后 面的被动局面。同时l v l r i 谱仪作为整机的核心部件，其进口价格也一直居高不下， 谱仪的成本约占到整机成本的1 3 。为了降低整机的成本，生产出具有价格优势的 高档m r i 设备，实现进入国内市场的目标，必须对谱仪进行国产化。 另一方面，目前我国各大院校、研究所用于化学分析的谱仪也一直依赖进口， 一旦我们的m r i 谱仪研制成功，也可将此项技术转移到化学分析上去，带动相关产 业的发展。我们自己研制的谱仪投入生产后，除满足国内的m r i 生产外，还可以较 低的价格向国外出口，同时由于谱仪成本的大幅度下降，带动整机成本的下降，使 我们的m r i 整机具有较强的价格优势，大大加强我们国产m r i 的出口竞争力。 所以说，开发自主版权的谱仪，不但有很高的经济价值，还有更大的社会意义。 我设计的这部分，是谱仪中的一部分，在其他同学的共同努力下最终目的是基 于可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，c p l d ) x c 9 5 2 8 8 x l 和直 接数字频率合成器( d i r e c td i g i t a 】f r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d d s ) 实现对国内某公司生 产的0 2 3 特斯拉谱仪系统中窄带射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 发送系统的数字化升 级和改进。本论文的第一章和第二章是关于本课题设计方面的意义及磁共振相关原 理的说明。第三章是本设计中涉及的直接频率合成器相关内容的介绍及对所采用的 d d s 芯片a d 9 8 5 4 的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章引言 高得惊人，因此许多国内公司都想自己生产磁共振成像设备。国内如安科等几家公 司是采用o e m 方式组装生产m r l ，即磁共振的核心部分是从外国买米，如谱仅是 从s i i s 、r i 、m e d i s o n 等专门生产谱仪的厂家购买，妻盯安科公司用的是a r t a l o g i c 公i 谱仪，每台价格为8 万美元。射频放大器、梯度放大器是从a d 等公司买的， 配套的磁体、外壳等从国内厂家订货，本身只是开发用户界面，或者直接用已有的 现成的界面，在国内组装、销售和维修。这在一定程度上为国家节省了许多外汇， 加快了磁共振设备在国内的普及。由于没有掌握关键技术，国内生产的这些磁共振 设备存在着许多诸如无法升级换代，产品维护困难等问题。 1 3 设计的意义 目前国内企业还没有实用的医用磁共振关键设备谱仪的生产能力。中国科 学院武汉物理研究所在谱仪研究方面作了许多工作，北京大学核物理研究所、北京 天坛医院、西安交通大学生物医学工程研究所等许多医院、研究机构对磁共振的临 床应用等也作了许多卓有成效的工作。而国外m r i 整机生产厂家，其谱仪大都采用 自行研制的方式，其核心技术都属于高度机密，不对外开放，因此国内自主生产诺 仪就显得特别重要和有意义。国家每年要花费大量的步卜汇用于进口此类设备。为了 开发具有先进水平、拥有自主知识产权的高档m r j 设备，开发自己的m r 谱仪是 必经之路，否则我国m r i 技术将永远落在别人的后面，永远也摆脱不了跟在别人后 面的被动局面。同时m r i 谱仪作为整机的核心部件，其进口价格也一直居高不下， 谱仪的成本约占到整机成本的1 ，3 。为了降低整机的成本，生产出具有价格优势的 高档m r i 设备，实现进入国内市场的目标，必须对潜仪进行国产化。 另方面，目前我国各大院校、研究所用于化学分析的谱仪也一直依赖进口， 一旦我们的m r i 谱仪研制成功，也可将此项技术转移到化学分析上去，带动相关产 业的发展。我们自己研制的谱仪投入生产后，除满足国内的m r i 生产外，还可以较 低的价格向国外出口，同时由于谱仪成本的大幅度下降，带动整机成本的下降，使 我们的m r 整机具有较强的价格优势，大大加强我们国产m r i 的出口竞争力。 所叭说，开发自主版权的谱仪，不但有很高的经济价值，还有更大的社会意义。 我设计的这部分，是谱仪中的一部分，在其他同学的共同努力下最终目的是基 于可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a n m m b l e l o g i c d e v i c e ，c p l d ) x c 9 5 2 8 8 x l 和直 接数字频率合成器( d i r e c t d a g i 瑚f r e q n e n e ys y n t h e s i s ，d d s ) 实现对国内某公司生 产的o 2 3 特斯拉谱仪系统中窄带射频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 发送系统的数字化升 级和改进。本论文的第一章和第二章是关于本课题设计方面的意义及磁共振相关原 理的说明。第三章是本设计中涉及的直接频率合成器相关内容的介绍及对所采用的 d d s 芯片a d 9 8 5 4 的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 d d s 芯片a d 9 8 5 4 的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 2 东北犬学硕士学位论文第一章引言 析。第四章是对可编程逻辑器件选择原则的分析及对x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列 c p l d 芯片x c 9 5 2 8 8 x l 7 p q 2 0 8 的分析。第五章是本设计的具体实现部分，也是本 人重点设计的部分。主要是根据项目进程分别介绍a d 9 8 5 4 的控制实现，原射频系 统的相关芯片的替代以及整个射频系统的设计并调试实现。 3 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理介绍 第二章磁共振原理介绍 磁共振是自然界的一种现象，即处于静电场中的原子核吸收强磁场中存在的 定频率的电磁辐射作用时，将在它们的磁能级间产生共振跃迁，这就是磁共振现象。 在微观物质世界以量子力学原理为基础来阐述物质中的相互作用和用经典力学和电 磁学的理论在宏观效应上说明会得到相同的答案，本章仅用经典力学来解释磁共振 现象，并且介绍磁共振的成像相关原理。 2 1 磁共振的经典力学观点 2 1 1 自旋核在磁场中的进动 行定向排列。设b o 与直角坐标系的z 轴同向，并设b o 与核磁矩u 之间的夹角为n 。 这时l l 与b o 相互作用的能量e 等于上述二向量点乘积的负值，即1 2 】： e = - j 风= 一玩c o s z ( 2 1 ) 转陀螺在地球引力场中一样进动。它的旋转轴偏离垂直地面的方向，在重力的作用 立原予核处于磁场强度为b o 的磁场中，若磁矩p - 与b o 的方向不同，则磁场作用产 t = “b o ( 2 2 ) 丁：了d p ：b o ( 2 - 3 ) ，冬：砌。鼠】 ( 2 4 ) 警= 厂c b ，= ，睦每主l c z s ， 4 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理介绍 自 自旋方向 图2 1 磁性核在磁场中的趱动 f i g 2 1 t h em o v e m e n t so fm a g n e t i cn u c l e u si nm a g n e t i cf i e l d 核磁矩对时间的变化率等于磁矩与磁场强度的矢量积并乘以磁旋比y 。写成分 量的形式： 警= 砌，吃噶即 汜6 a ) 警叫舻，他芝) ( 2 - 6 b ) 蔓d 丝t = ，( 段丑y - - , t l j ，b x ) ( 2 6 c ) 设b o 与直角坐标系的z 轴同向，并设b o 与核磁矩u 之间的夹角为，则核磁 矩的各坐标分量如图2 2 所示。 设b z = b 0 ，b x = b y = 0 代入式( 2 6 ) 得： 警= 删y b 。 ( 2 7 a ) 掣：一胁溉 ( 2 7 b ) i 一胁，甄 “。 丝：o ( 2 7 c ) d t 可以看出u 在z 轴上的投影是不变的，经过整理得： 5 一 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理介绍 其中a 是常数。 i 掣l = ：+ ；= 一 图2 2 进动时核磁矩各分量运动 f i g 2 2t h eo f f s e t so fn u c l e a rm a g i n e t i cm o m e n tm o v i n g ( 2 8 ) 由上式可以看出u 在x y 平面上进行转动，转动频率为。o 。核磁矩u 将在静磁 场中围绕b o 进动，进动频率为： 功o = 舰 ( 2 9 ) 式中的y 为核的旋磁比，它定义为磁矩与自旋角动量之比，b o 为外加磁场的强 度，可以看出，c oo 与y 和b o 成i e l l ，与u 和b o 之间的夹角n 无关，这就是拉莫尔 进动，o 称为拉莫尔进动频率。其中，氢质子的核磁比为：yh = 4 2 5 6 7 m h z t 2 1 2 质子群的磁化过程 对于质子群，自旋的方向是杂乱的，小磁体自旋轴的排列无一定规律。当处在 静磁场b o 的作用下时，这些质子自旋角动量将受磁场力矩的作用而定向排列删a 如 图2 3 所示。 把绕+ z 轴和z 轴进动的质子可以用两个相对的顶点都在原点的圆锥体表示。 在这种表示方法中，上锥体表示自旋向上的质子，下锥体表示自旋向下的质子a 磁 化过程如图2 4 所示。 在开始时( t - - o s ) ，各有一半围绕分别围绕+ z 轴和- z 轴旋转，并且上下两边可 以交换。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 ( b ) 图2 3 质子的进动方向 f i g 2 3 t h ed i r e c t i o n s0 5t h ep a t r o nm o v i n g 过一段时间后( 铷5 s ) ，一部分质子吸收能量由下锥体翻转到上锥体，这时候 总的来看，上锥体的质子多余下锥体的质子数，即被部分磁化。 岛 、 ：7 、) 1 7 p 心吣弋 1 卜、j ( a ) t = 0 s c o ) t = 0 5 s ( c ) t = l s 图2 4 质子磁化过程 f i g 2 4 t h ep r o c e s so ft h ep a t r o n sb e i n gm a g n e t i z e d 较长时间以后( 卢1s ) ，下锥体中更多的质子翻转到上锥体中，并且达到动态平 衡状态且稳定，这时即被完全磁化。 在上锥体中还是在下锥体中进动的质子它们的磁矩的指向是不一样的。也就是 说，它们的相位是不一致的。这些相位随机的磁矩之和，或者说进动的平均效果， 可以用一个与z 轴同向磁化向量m 来表示，在开始时，磁化向量为零( m = 0 ) 。过 一会后( t - - o 5 s ) ，磁化向量增加，很长时间后，达到稳定状态，这是磁化向量达到 最大( m 司b ) 。在静磁场b o 的作用下，核磁矩u 将在静磁场b o 中围绕进动，核磁 矩的能量不发生变化。如果在静磁场b o 的垂直平面内旖加一个以6 0 角速度旋转的磁 场b l ( 取b ， b o ) ，就可使p 所具有的能量发生变化，并且常利用射频磁场的射频 7 一 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 能量来实现。开始时，交变磁场一旦加入，u 立刻受到一个相当于静磁场的作用， 这时，u 又将围绕b l 进动，如图2 5 所示。 jiz 口q p 、j 烈2 。 图2 5 核磁矩u 同时绕b 进动 f i g 2 5n u c l e a rm a g i n e t i ci l l o m e n tm o v i n ga r o u n ds t a t i cm a g n e t i cf i e l d 其进动频率为： 峨= 店 ( 2 1 0 ) 这个进动影响到u 与静磁场b o 之间的夹角n ，l l 在静磁场b o 中的能量也随着 的增加而增加，核磁矩从外界吸收能量。产生共振，共振条件为： = = r b o ( 2 1 1 ) 即交变磁场的频率m 和本身的进动频率。o 相同时，原来处于随机相位的进动 质子将趋向于同相，产生相位相干现象。当相位完全相同时，笈生共振。这时质子 大量吸收交变场能量，当交变场撤走后会向外界释放吸收的能量。这就是磁共振成 像中要监测的信号，因为所用的交变场频率都在射频范围内，所以把这个交变场也 称为射频场。 当发生共振时，即相位相干时，磁化向量m o 将偏离静磁场b o 方向，偏离的角 度取决于b ，场的强度和持续时间t 。此时可以将m 分解成包含垂直分量m z 和水平 分量h k 。如果在x y 平面内安放一个接收线圈，那么磁化向量绕z 轴的旋转将在 接收线圈中感生出一个与进动频率一致的正弦波。+ 如图2 6 所示。 8 一 东北大学硕士学住论文 第z - 章磁共振原理介绍 加入射 豸m z 、 l 厉；。 彳i f 。 接收线圈 图2 6 射频脉冲加入后产生共振 f i g 2 ，6r a d i of r e q u e n c yi m p u l s ep r o d u c i n gr e s o n a n c e 2 , 2 磁共振成像原理简介 2 2 1 射频信号对磁场中氢原子核的激发过程 在前一节已经知道，用特定频率的射频脉冲进行激发，作为小磁体的氢原子核 吸收一定能量而共振，即发生了磁共振现象。磁化强度矢量将会偏离平衡位置一个 角度，使得m 2 m o ，m 。o 即磁化矢量的纵向分量小于平衡值m o ，并出现横向分 量m ) 【y 【4 】。 现在发生共振后停止发射射频脉冲，则被激发的氢原子核把所吸收的能量逐步 释放出来，其相位和能级都恢复到激发前的状态。这恢复过程称为弛豫过程 ( r e l a x a t i o p r o c e s s ) ，而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间 ( r e l a x a t i o nt i m e ) 。磁化强度矢量m 的弛豫应该包括两个方面，方面是m z ，即 纵向分量的恢复；另一方面是m x y ，即横向分量的消失。对应两种弛豫时间，一种 是m 。的恢复时间为自旋晶格弛豫时间( s p i n - l a t t i c er e l a x a t i o nt i m e ) 又称纵向弛 豫时间( l o n g i t u d i n a l r e l a x a t i o n t i m e ) 反映自旋核把吸收的能传给周围品格所需要 的时间，也是9 0 。射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁化激 发前状态所需时间，称t 1 。另一种是m x y ，的消失时间为自旋一自旋弛豫时间 ( s p i n - s p i nr e l a x a t i o nt i m e ) ，又称横向弛豫时间( t r a n s v e r s er e l a x a t i o nt i m e ) 反 映横向磁化衰减、丧失的过程，也即是横向磁化所维持的时间，称t 2 。t 2 衰减是由 共振质子之间相互磁化作用所引起，与t l 不同，它引起相位的变化。垂直于b o 的 9 一 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 交变磁场即9 0 。激励脉冲作用后，去掉射频场后，m 的弛豫如图2 7 所示。 已 1m o ( 熬 ( | q以 p 一 心 、一 ，( 、 一八 77 一 、 、 图2 ? m 的弛豫 f i g 2 17t h er e l a x a t i o i 1o fm m p2 眠 ( 2 1 2 ) m ：= 0 其中纵向磁化的表达式： m ：= m o f l + ( e o s o 一1 ) e “ ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) 可以看出，受激核系统的纵向弛豫符合指数规律，其稳定状态为 m o 。式中的e 表示在射频脉冲的激发下m 偏离b 。的角度，用9 0 。射频脉冲激发的 话，郎弛豫开始e 为9 0 。，则原式变为： m ：m o ( 1 一e ) ( 2 1 4 ) 图2 8 为强豫m ：的变化曲线，弛豫开始，m z - - - o ，经过一个t l 时亥后，m z 己恢复至其稳态值的6 3 ，经过3t l 时刻后，m z 已恢复至其稳态值的9 5 ，弛豫 过程完成。横向磁化的表达式： m = m os i n o e l ( 2 1 5 ) 用9 0 。射频脉冲激发，则： m 。= m o e t ( 2 1 6 ) 图2 9 为弛豫m 。的变化曲线，弛豫开始m x y = m o ，经过一个t z 时刻后，m x y 1 0 一 查苎查兰壁主兰堡堕查 苎三芏垡兰垫墨翌尘塑 已衰减到它初始值的3 7 ，经过3 t 2 时刻后，h 岛已衰减到最大值h b 的5 ，弛豫 完成。 t2 t 丁( ) 图2 ，8 弛豫m ：的变化曲线 f i g 2 8t h ec u r 、eo ft h er e l 啦i o no fm ： 八 t盯3 t 图2 9 弛豫m 0 的变化曲线 f i g 2 9t h ec u r v eo ft h er e l a x a t i o no fm w 利用布洛赫方程分析 ( 1 ) 恒定b o ： 堕一y b om f x d t 。 ， 堕d t = 一肚岛一鲁 3” 只 d m ：m o m ：呻 d t 正 一】j 一 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 东北犬学硕士学位论文第二章磁共振原理介绍 得到： 膨：( f ) = m o + a e ( 2 2 0 ) 考虑初始条件m 卸) = m ：，得到m z ( t ) = m o ，这表明纵向分量不随时间而变。设 横向分量m 。= m x “m ，可得： 一上 肘。= o ( o ) p 一川f ( 2 2 1 ) 而m x y = 0 ，因此横向分量始终为零，即m x = m ，= 0 ，这说明在恒定外场b o 中 不会出现自由进动现象。 ( 2 ) 在t = - 0 一t 期间，在x 轴方向加入射频场取( t ) ： & ( f ) = 2 b lc o s ( 0 。t ( 2 2 2 ) 通过振荡线圈，通交变电流，振幅2 b 。，其中( i ) o y b o ，而y t 1 且y t 2 ， 现在选一旋转频率为。o 的坐标系s ，使交变磁场中右旋分量永远指向x 轴，将上 述条件代入s 中的布落赫方程，贝日在r = - o 一一时间内： 堕：0 ( 2 2 3 ) 研 警：r m ：b i ( 2 2 4 ) i 2 “上剖 警一r m y b l ( 2 2 5 ) 出 1 其中。1 = y b i ，利用初值条件m “o ) = m o ，m y _ o ，将式( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 联立在固定坐标系中看： m w ( f ) = m ，+ 谢，= m o s i n e 9 1 t ( s i n t o o t + i e o s o ) o ) ( 2 2 6 ) 因为oo - - y b o 在关闺射频场的t 时刻； m ，( f ) ：m os i n 国l 记讽f 一争 ( 2 2 7 ) 得到当t = n 2 y b l 时，最大，m 1 。剐o ；当t = “2 y bl 时，m 叫最小t m m “印。 ( 3 ) 当r f 停止后，设t = t + t 为时刻后开始计时的变量，则： m w 0 ) = m f ( r 弦- i r a d e 疋 ( 2 2 8 ) 在t 时刻开始计时，t = 2 y b l ，若为射频脉冲，令t = t + 1 ，得到： m 。( r ) ：m 。e 咖专) e - 百 ( 2 2 9 ) r一r 、 一1 2 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 这是磁化强度矢量在外加恒定磁场中的自由进动表达式。在自由进动中，m 与 的幅值要随时间衰减，衰减的特征时间为t 2 。如果这时在x y 平面放景一个监测线 圈，则在t 至( t + t 2 ) 时间内线圈两端会由m 删产生一个感应的自由迸动信号， 在( t + t 2 ) 时间后消失，这就是自由感应衰减信号( f r e ei n d u c t i o nd e c r e a s e ，f i d ) 信号，线圈两端接受到的信号如图2 1 0 所示。 信号 肾 氟 忭n - - 及。 f 飞i d 一一 珏，一u 一孙一t i _ 图2 1 0f i d 信号变化曲线 f i g 2 1 0t h ev a r i a t i o n a lc l l r v eo ff i ds i g n a l 在一般的m r i 系统上，经过射频信号激发后产生两种磁共振信号，一种称为 自由感应衰减信号，另一种为回波信号( e c h o ) ，现分别加以说明。 2 2 2 自由感应衰减信号 自由感应衰减信号f i d 是指用外力使m o 偏离b o ，产生一个m 匆，然后撤去外 力，磁化矢量m 将自由地绕b o 进动，在m 。衰减为零的过程中检测到的信号便是 f i d 信号，比如，用一个射频脉冲，如图2 1 1 所示，其中射频脉冲的持续时间为t p ， 当t d 满足下式1 5 j ： f g ) = a 。 ( 2 3 0 ) 时，0 = 2 ，这称为9 0 。脉冲( 同理，铲n y b i 时为1 8 0 。脉冲) 。在t p 以后 线圈两端便感应出图2 1 2 中所示的f i d 信号，衰减的快慢用横向弛豫时间t 2 表示， 其衰减公式为： 岛( f ) = 岛( f p 弦兹 ( 2 3 1 ) 1 3 东北大学硕士学位论文第二章磁共振原理介绍 2 2 3 回波信号 图2 1 1f i d 信号 f i g 2 1 1 t h ef i ds i g n a l 在m r i 系统上常用的是回波信号( e c h o ) 。产生回波信号的方法有两种：一 种是用1 8 0 。射频脉冲来产生回波，称为自旋回波( s p i ne c h o ，s e ) ；另一种是反 转菜一个梯度场的极性，称为梯度场回波( g r a d i e n t e c h o ，g e ) 。自旋回波信号如 图2 1 2 所示。 卜一l ，2 一一t e l ，2 一一t e 2 2 叫一t e 2 2 一 信号8 f 一 - t ，龟 一 ii 一一 i一 匹二j 。一 o 矿 v ”一 ”vu _ 一t e ，2 一 图2 1 2 自旋回波信号 f s g 2 i 2t h es es i g n a l 梯度场回波信号的产生如图2 ，1 3 所示。 图2 1 3 梯度回波信号 f i g 2 1 3 t h eg es i s a l 一1 4 东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 除了上述的自旋回波序列和梯度回波序列外，还有反转恢复序列、部分饱和序 列等基本序列。 临床上根据不同需要采用各种不同的序列，尤其是一些快速序列的开发，使磁 共振的适用范围不断扩展。如快速自旋回波序列、快速梯度回波序列、平面回波序 列等，在此就不作详细介绍了。 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及a d 9 8 5 4 研究 第三章直接频率合成器及a d 9 8 5 4 研究 3 1 直接频率合成器介绍 频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键，很多现代 电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能，因此频率源被人们喻为众 多电子系统的“心脏”。而当今高性能的频率源均通过频率合成技术来实现。传统的 频率合成器有直接频率合成器和锁相环频率合成器两种。直接频率合成方法具有频 率转换时间短、相位噪声性能好等优点，但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤 波等环节，导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多 的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪 特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器， 有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是个惰性环节，锁定时间较长，故频率 转换时间较长。除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位 都很难控制【6 】。 直接数字式频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d d s ) 是近年来发展 起来的一种新的频率合成技术。1 9 7 1 年，美国学者j t i e m e y 和b g o l d 提出了以全 数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，那就是d d s 技术。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未 受到重视。近3 0 年间，随着电子技术和器件水平的提高，这种新的频率合成技术得 到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合 成技术中的佼佼者。但d d s 频率上限较低和输出杂散较大这两个瓶颈问题还是在 一定程度制约了其应用。l a w r e n c ej k u s h n e r 在1 9 9 3 年提出了一种新型复合式d d s 结构。它由一个低速高分辨率的d d s 和一个高速、低分辨率的相位累加器构成， 其中低速部分提供了d d s 的细调，高速部分提供粗调。它具有高速、低功耗特点。 n a t h a l i c 、c a g l i o 等人在1 9 9 3 年介绍了一种时钟频率为1 2 5 g h z 的连续波调频 ( f m c w ) g a a s - d d s ，它由一个双相位累加器和一个单片数模正弦转换器构成。 1 9 9 4 年，l o k e 介绍了利用正弦和余弦的对称性改进存储技术，使之在不增加r o m 的容量下，做成2 0 0 m i - i z 正交输出d d s 的方法。随着超高速s i ，g a a s 器件的发展， d d s 输出带宽的限制正在逐渐被克服。但杂散则由于是其自身实现原理的特点所决 定的，故不可避免，这便成为f 艮制d d s 应用的主要因素。许多专家都对此进行了 大量的工作与研究。t i e r n e y 等人提出了降低杂散的两种方法，即单象限正弦波形存 储法和改进的查表算法。s u n d e r l a n d 在改进的查表算法基础上建立了种非常有效 一1 6 东北大学硕士学位论文第三章直接频率合成器及a d 9 8 5 4 研究 的压缩存储查表法，称为s u n d e r l a n d 结构。h e n r yt 利用这种方法研制出了时钟频 率为1 5 0 m h z 的c m o s d d s ，其杂散指标优于一9 0 d b 。此外，还有人提出了噪声整 形方法以及噪声反馈的方法以改善杂散性能。噪声抑制技术则是将杂散均匀分布在 整个通带内，但却抬高了基底噪声。另外还可以通过采用自适应算法输入伪随机码 等方法来抑制杂散。可以预料，在今后很长一段时间内，研制出高时钟频率、低杂 散、低相噪声器件仍是d d s 的发展方向。同时随着超大规模集成电路的迅速发展， d d s 产品也正向着小型化，超高速，高可靠性方向发展。 d d s 按其输出信号及产生方式的不同可分为以下六类： ( 1 ) 正弦余弦信号输出d d s ； ( 2 ) 脉冲信号输出d d s ； ( 3 ) 三角波输出d d s ： ( 4 ) 小数分频d d s ： ( 5 ) 相位内插d d s ； ( 6 ) 抖动注入d d s 。 因目前所见到的d d s 芯片几乎都采用正弦，余弦信号输出的形式，故这里只详 细介绍正弦信号输出d d s 的工作情况1 7 】。 3 1 1d d s 的基本结构 图3 1 为d d s 系统的基本结构，图中的相位累加器由n 位全加器和n 位累加 寄存器级联而成，可对频率控制字的二进制码进行累加运算，是典型的反馈电路， 产生的累加结果的高m 位作为只读存储器( r e a do n l ym e m o r y ，r o m ) 查找表的 取样地址值，而此查找表中储存了一个周期的正弦波幅度值。显然，此处r o m 可 以看作一个从相位到正弦幅值的转换器。这样，用r o m 的输出值来驱动数模转换 器( d i g i t a la n a l o gc o n v e r t o r ，d a c ) ，然后经滤波即可转换成所需要的模拟正弦波 形；同时n 位累加输出可作为全加器的下一轮数据与频率数据相加，直至4 相位累加 器加满产生溢出完成一个周期，也就是d d s 信号的频率周期。 频 密f 控t 制w 字 图3 1d d s 基本结构 f i g 3 1 t h es t r u c t u r eo fd d s 一1 7 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及a d 9 8 5 4 研究 3 1 1 。1 相位累加器 相位累加器是d d s 最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结 果。若当前相位累加器的值为e n ，经过一个时钟周期后变为y ：n + l ，则满足： n + l = n + k ( 3 1 ) 由式( 3 1 ) 可见e n 为一等差数列，不难得出： n = n k + e 0 ( 3 2 ) 式( 3 _ 2 ) 中0 为相位累加器的初始相位值。 相位累加器由一个n 比特加法器和一个n 比特相位寄存器构成，寄存器通常 采用n 个d 触发器来构成。 3 1 ，1 2 相位幅值转换单元 d d s 正弦查询表r o m 所存储的数据是每一个相位所对应的二迸制数字正弦幅 值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列的高m 位对其进行寻址，最后的输 出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。易于看出，输出信号的最低相位分辨率 可达： m 曲：3 6 0 名 ( 3 3 ) 上 式中m 为r o m 的地址比特数若不采取压缩的存储方法，则r o m 的存储量可 达2 m s 比特，其中s 为r o