基于嵌入式操作系统一体化核磁共振谱仪调试及底层驱动设计

1、周姐 硕 士学位 论文答 辩委 员会 成 员 名单姓姓名名 职 称称 单 位位 备 注注 李李鲤 颖颖 教 授授 华 东 师 范 大 学学 主 席席 李李建 奇奇 副 教 授授 华 东 师 范 大 学学学杨杨光光副 教 授授华 东 师 范 大 学摘要针 对 以往 核 磁 共 振 成 像 谱 仪 结 构 复 杂 ，体 积 庞 大 以及 价 格 昂贵 这 些 不 足 ，我 们 设 计 了一 个 基 于 A R M 的 一 体 化 核 磁 共 振 成 像 谱 仪 ，整 个 谱 仪 系 统 包 括 了数 字 化 频 率 源 部 分 ，数 字 接 收机 部 分 ，梯 度 波 形 发 生 器 部 分 ，脉

2、 冲 序 列 控 制 模 块 以及 计 算 机 控 制 部 分 。针 对 以往 谱 仪 存 在 的 一 些 问题 ，本 文 提 出 了一 种 一 体 化 核 磁 共 振 谱 仪 数 据 交 换 的 实 现 机 制 ， 同 时 介 绍 了基 于 A R M (A dv an eed RI S C M ach ines) 微 处 理 器 的 嵌 入 式 操 作 系 统 移 植 ，并 详 细 叙 述 了 A D S 调 试 器 和 一 体 化 核 磁 共 振 谱 仪 数 据 交 换 共 同 结 合 的 谱 仪 调 试 过 程 以及 调 试 结 果 ，再 基 于 调 试 程 序 进 行 了底 层 设

3、备 驱 动 的 设 计 。最 后 对 研 制 过 程 和 实 验 结 果 进 行 了讨 论 。本 论 文 主 要 内容 如 下 :第 一 ，主 要 介 绍 了核 磁 共 振 原 理 ，核 磁 共 振 成 像 的 原 理 ，核 磁 共 振 成 像 系 统 的 结构 。第 二 ，介 绍 A R M Linux 的概 念 与 A R M Linu x 操 作 系 统 的移 植 。第 三 ， 详 细 介 绍 了 论 文 提 出 的 一 种 一 体 化 核 磁 共 振 谱 仪 数 据 交 换 的 实 现 机 制 方法 。第 四 ，介 绍 了调 试 过 程 中所 用 的调 试 工 具 ，以及 调 试 工

4、具 跟 一 体 化 核 磁 共 振 谱 仪 数 据 交 换 的 实 现 机 制 方 法 相 结 合 的 调 试 过 程 和 实 验 结 果 。基 于 调 试 程 序 讲 述 了 针 对 谱 仪 硬 件 的 底 层 设 备 驱 动 的 设 计 。第 五 ，最 后 对 整 个 调 试 过 程 和 实 验 结 果 进 行 总 结 和 分 析 ， 以及 对 将 来 的展 望 。关 键 词 : 核 磁 共 振 ; 谱 仪 ; A R M ; F P G A ; 嵌 入 式 操 作 系 统A b stf a C tT h is P a P e r d e sc r ib e s a n A R M 一b

5、a se d in ie g r a te d n u e le a r m a g n e t ie re so n a n e esP eetro m eter 伽 M R S ) w h ieh 15 d esign ed to reso lv e P rob lem s that th e Prev io u s N M R S en eou n ters，su eh as eom P lieated structure，to o b ig size an d high P riee. T h is n ew sy stem eon sists o f d ig ital fre qu

6、 en ey souree，d igital reeeiv ef，gradien t w av eform g e n e ra to r ，im P u lse tra in c o n t ro l m o d u le a n d P C . A lso ，o n e k in d o f d a ta e x c h a n g esy ste m 15 in tr o d u e e d f or t h e in t e g r a te d n u e le a r m a g n e ti e re so n a n e e s P e c tr o m e te r to s

7、o lv e o th e r P r o b le m s o f th e P r ev io u s N M R S . F u r th e rm o r e ，t he t ra n sP la nt a tio n o f ern b e d d ed o P era tio n sy stem o f A R M 一b a sed ( A d v an ce d R IS C M a ehin e s ) m iero P roeessor，deb u g P ro eess an d its result th rou gh th e eom b in atio n o f A

8、 D S d eb u g g er an dd a ta e x eh a n g e o f in te g r a te d N M R S ， a s w e ll a s t he d e sig n o f d e v ie e d r iv e rs a rein e lu d e d . T h is p 即 e rs e n d s w it h th e d isc u ssio n o n t he re se a rc h & f ab r ie a tio n P r o e e ssa n d th e te st re su lt.T h is P a p

9、 e r m a in ly e o v e rs th e f o llo w in g e o n te n ts :1. In tro du etio n s o f P rin eiP les o f N M R an d N M R im agin g as w ell as the strU etureo f N M R im a g in g s y ste m :2 . In tr o d u e tio n s o f e o n e e P t o f A R ML im i x a n d t ra n sP la n ta tio n o f A R ML in u x

10、叩 e ra tio n sy ste m :3 . D e ta ile d d e se r iP tio n o f o n e k in d o f d a ta e x c h a n g e m e th o d o f in te g r a te dN M R S ;4 .D etailed d eseriP tion o f d eb u g to o ls u sed ，d eb u g P ro eess an d test resu lt thro u gh th e e o m b in a tio n o f A D S d e b u g g e r a n d

11、d a ta e x c h a n g e o f in te g r a te d N M R S ，a s w e ll a s th e d e s ig n o f d e v ie e d r iv e rs : a n d ，5 . S u m m a r y a n d a n a ly sis o f th e w h o le d e b u g P r o e e ss a n d th e te st r e su lt，a s w e ll;15 th e e x P e e ta tio n s o n th e n e w s y ste m .K E Y W O

12、 R D :n u clear m a罗 etie reso n an ee; sp ectrom eter: d ata ex eh an g e; F p G A :e m b e d d e d o P e ra tin g s y ste m目录第 一 章 绪 论 .，.，. 91.1 核 磁 共 振 发 展 与 现 状 lIz .·····················

13、83;，·，··，············ 91.2 论 文 研 究 的主 要 内容 .，.，.···················，··········&#

14、183;·········· 10第 二 章 磁 共 振 基 本 原 理 .·.···················，···············

15、·····fl2 .1 核 磁 共 振 的基 本 原 理 I4，.，.112.2磁 共 振 成 像 基 本 原 理 l456.，.，. 122.2 .1 层 面 选 择 二，.，.，. 132.2.2 相 位 编 码 .，.，. 152.2.3 频 率 编 码 .，.，. 162.3 基 本 脉 冲 序 列 川.，二，二，.，.，.，.，.，. 172.4 K 空 间 和 傅 立 叶 变 换 .···.·········

16、83;········· 18第 三 章 磁 共 振 成 像 系 统 的基 本 结 构 .，.，. 213 .1 磁 体 部 分 lJ51.，.，.213 .1.1 磁 体 .，.，.，.，.，. 213 .1.2 射 频 线 圈 .，.，.，. 2 23 .1.3 梯 度 线 圈 .，.2 23 .2 电气 部 分 91101.，.，.，. 233.3 操 作 主 机 .，. 24 第 四章 谱 仪 硬 件 功 能 和 数 据 交 换 控 制 方 法 .，. 25 4 .1 硬 件 功 能 .，.，.2

17、54.2 数 据 交 换 方 法 .，.，.，.·.·········· 26第 五 章 A R M 微 处 理 器 与 L ln u x 嵌 入 式 操 作 系 统 移 植 .2 95 .1 A R M 处 理 器 简 介 即303s. 295 .2 Li操 作 系 统 31.，.，.，. 305 .3 A R M 嵌 入 式 Linu x 操 作 系 统 移 植 .，.，. 315 .3 .1 交 叉 编 译环 境 的建 立 132】.，. 315 .3 .2 bo otfoade

18、r 的 移 植 .···.································ 335 .3 .3 内核 和 文 件 系 统 的 移 植 .，.，. 385 .3 .4 be otfoad er、 内 核 和 文 件 系 统 的 烧 写

19、32. 38第 六 章 谱 仪 硬 件 模 块 调 试 和 底 层 驱 动 设 计 . 436 .1 仿 真 工 具 Flex lCE 和 调 试 软 件 A D s30 ，.，.，.436 .1.1 R ex lc E A R M 仿 真 器 .，.··············· 436 ，1 .2 A R M A D S . ，. ，. ，. 4 66 .1.3 F L E X IC E A R M 仿 真 和 A D SI .2 的 连 接

20、 .，.，.，. 4 76.2 谱 仪 调试 .，.，. 486.2 .1 脉 冲 序 列 发 生 器 .·············· 4 86.2.2 数 字 频 率 源 .·.······················

21、83;······ 496.2 .3 梯 度 .，. 516 .2 .4 数 字 接 收 机 .，. 526 .3 底 层 设 备 驱 动 设 计 13031. 526 .3 .1 设 备 驱 动 简 介 .·····.······················

22、83;···· 526 .3 .2 添 加 白 己 的 设 备 驱 动 .·.·.····，··································

23、 54第 七 章 总 结 与 展 望OJ口I了一U，八40，n1参 考 文 献 .，附 录 .，.致 谢 .二、.第 一 章绪 论1.1 核 磁 共 振 发 展 与 现 状 川121194 6 年 ， 哈 佛 大 学 泊 赛 尔 (E .M .P ureell)用 吸 收 法 首 次 观 测 到 石 蜡 中质 子 的核 磁 共 振 (N M R ) 现 象 ， 同 时美 国斯 坦 福 大 学 布 洛 赫 (E Bl o ck )用 感 应 法 发 现 液 态 水 的 核 磁 共 振 现 象 。核 磁 共 振 方 法 与 技 术 作 为 分 析 物 质 的手 段 ，由于 其 可 深 入 物 质

24、内部 而 不 破 坏 样 品 ，并 具 有 迅 速 、准 确 、分 辨 率 高 等 优 点 得 以迅 速 发 展 和 广 泛 应 用 ， 已经 从 物 理 学 渗 透 到 化 学 、生 物 、地 质 、医疗 以及 材 料 等 学 科 ，在 科 研 和 生 产 中 发 挥 了 巨大 作 用 。195 3 年 出现 了第 一 台30 M H z 的连 续 波 商 品核 磁 共 振 谱仪 (简 称 C W 一N M R ) 。在 五 十 年 代 大 大 发 展 了H 入 M R ，gF 一N M R 和 ”P 一N M R ，并 且 在 六 十 年 代 初 开 始 出现 双 共 振 技 术 。在 此

25、 期 间 ，N M R又 从 原 理 上 开 始 朝 着一 个 更 为 重 要 的 方 向发 展 ，这 就 是 脉 冲 Fo uri er变 换 N M R 技 术 ( 简 称 P F T 一N M R ) 。 由于 微 电子 和 计 算 机 等 技 术 的 飞 速 发 展 ，P F T 一 M R技 术 变 成 了现 实 ，这 是N M R 技 术 的 又 一 次 革 命 性 飞 跃 。它 的 出现 使 得 观 测 天 然 丰 度 极 低 的 核 成 为 可 能 ，而 且从 197 0 年 开 始 出现 了 多种 P F T 一 M R 商 品 谱 仪 。核 磁 共 振 成 像 技 术 是

26、核 磁 共 振 在 医 学 领 域 的应 用 。最 早 的核 磁 共 振 成 像(M a罗 etie R eson an ee Im agin g，M R I) 实 验 是 由劳特 伯 1973 年 完 成 的 ，并 立 刻 弓I 起 了广 泛 重 视 ，短 短 10 年 就 进 入 了临 床 应 用 阶 段 ， 并 成 为 临床 诊 断 的常 规 手 段 。 伴 随 着 M RI 的新 技 术 和 新 应 用 的 发 展 ，M RI 对 磁 共 振 成 像 系 统 中谱 仪 的性 能提 出 了更 新 更 高 的 要 求 。为 了 改 进 磁 共 振 成 像 谱 仪 的 功 能 以及 性 能

27、，各 种 新 方 法 层 出 不 穷 ，以满 足 各 种 应 用 场 合 的 要 求 。其 中 磁 共 振 成 像 谱 仪 的 数 字 化 是 近 年 来 的 一 个 发 展 方 向3，不 仅 提 高 了磁 共 振 成 像 谱 仪 的 性 能 和 灵 活 度 、增 强 了谱 仪 的 功 能 ， 而 且 简 化 了谱 仪 以及 成 像 设 备 的 结 构 。另 外 ，由于 国外 进 口的 商 用 磁 共 振 谱 仪 的 功 能 和 性 能 虽 然 很 强 大 ，但 是 其 价 格 仍 然 非 常 昂 贵 ，而 且 谱 仪 设 计 的 核 心 技 术 仍 然 掌 握 在 少 数 几 家 大 公 司

28、 手 中 。因 此 ，利 用 数 字 化 技 术 不 仅 可 以在 不 损 失 磁 共 振 成 像 谱 仪 性 能 和 功 能 的 同 时 ，还 能 降 低 其 制 造 成 本 。研 究 新 一 代 高 性 能 、低 成 本 的 数 字 化 磁 共 振 成 像 谱 仪 ，对 于 我 国 M R I应 用 和 推 广 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。1.2 论 文 研 究 的 主 要 内容本 文 讲 述 了对 基 于 嵌 入 式 系 统 的 一 体 化 核 磁 共 振 谱 仪 进 行 调 试 ，整 个 谱 仪 系 统 中包 括 了数 字 化 频 率 源 部 分 ，数 字 接 收 机 部 分

29、 ，梯 度 波 形 发 生 器 部 分 ，脉 冲 序 列 控 制 模 块 以及 计 算 机 控 制 部 分 ，谱 仪 采 用 A R M 和 F P G A 作 为 核 心 控 制 器 件 。 由于 各 模 块 工 作 牵 涉 到 数 据 存 储 和 传 输 ，对 存 储 空 间 要 求 较 高 ，本 文 提 出 了 一 种 巧 妙 的 数 据 交 换 方 法 ， 以解 决 存 储 空 间 瓶 颈 问题 。数 据 交 换 方 法 结 合 A R M 控 制 程 序 ，谱 仪 各 功 能 模 块 调 试 结 果 均 达 到 成 像 要 求 。同 时 借 助 以前 所 买 开 发 板 所 带 资

30、源 ，开 源 Linu x 的 环 境 下 进 行 操 作 系 统 移 植 开 发 ，节 省 了 大 量 时 间 。底 层 设 备 驱 动 的 设 计 为 上 层 应 用 程 序 开 发 做 好 中 间 架 构 ， 为 将 来 用 操 作 系 统 控 制 谱 仪 工 作 做 好 了准 备 。第 二 章磁 共 振 基 本 原 理2.1 核 磁 共 振 的基 本 原 理 141原 子 核 具 有 自旋 角 动 量 和 磁 矩 ，在 外 磁 场 中 ，磁 矩 和 磁 场 相 互 作 用 形 成 一 组 能 级 ， 在 外 加 射 频 场 作 用 下 就 能 产 生 核 磁 共 振 现 象 。原 子

31、核 由质 子 和 中子 组 成 。除 了 电荷 和 质 量 ，许 多 原 子 核 还 具 有 自旋 角 动 量万。万与相应 的磁偶极矩 产之间关系为:产 二Z 尸(2 一l)z 为 旋 磁 比，在 外 磁 场 中 ，原 子 核 的 自旋 角 动 量 是 量 子 化 的 ，核 磁 矩 也 是 量 子化 的 。 以 B 。的 方 向为 z 轴 的 正 方 向 ，则 核 磁 矩 的大 小 为 :声 = Z h 寸I (I + l)(2 一2 )的 值 可 以 是 零 、整 数 或 半 整 数 。按 照 量 子 力 学 原 理 ，核 磁 矩 产在 z 方 向 的 分量 为_林z = YPz = 叻11

32、1:(2 一3)其 m l为 I， I一l ， I一2 ， .，一I+ l ，一I 中 的 磁 量 子 数 。按 照 经 典 电磁 学 理 论 ，旋 转 电荷 可 以看 成 是 在 环 路 上 运 动 的 电 流 ，原 子 核 既 有 电荷 又 有 电 流 ， 因 此 也 就 有 相 应 的 磁 偶 极 矩 产 ， 它 和 角 动 量 尸 的 关 系 为 :户= 尸(2一4)这 里 Y 值 可 正 可 负 ，这 是 核 的 本 性 所 决 定 的 。共 振 现 象 普 遍 存 在 于 自然 界 中 。从 微 观 上 看 ，共 振 的 效 果 就 是 使 质 子 在 这 两 种 能 态 之 间

33、发 生 跃 迁 ，两 个 能 态 之 差 就 是 产 生 共 振 信 号 所 需 的 能 量 。当在 L an n o r 频 率 上 施 加 射 频 场 时 ，被 激 励 的 质 子 从 低 能 态 跃 迁 到 高 能 态 ，发 生 核 磁 共 振 。当 然 前 提 是 射 频 场 的 频 率 必 须 和 质 子 进 动 的 L or 频 率 相 同 ， 并 且 施 加 射 频 脉 冲 的 方 向 要 和 主 磁 场 B 。方 向 垂 直 。 当 质 子 群 体 受 到 射 频 脉 冲 激 发 时 ， 就 会 发 生 核 磁 共 振 。用 量 子 力 学 来 描 述 核 磁 共 振 ， 当

34、将 核 磁 矩 置 于 沿 z 轴 的 静 态 磁 场 H O 中 ， 核 磁 矩 与 外 场 相 互 作 用 哈 密 顿 量 为毙 二一户·厅。一 冲H 产:(2一5)E m = < I，m 笑 I，m > = 一Y月H om(2一6) 其 中 m = I，I一l，I一2 ，.，一I+ l ，一I， 总 共 21+ l 个 值 。E m 一l 一E m = 丫月H o(2 一7 )(2一7)表 示 能 级 的 间距 与 m 值 无 关 ， 即 能 级 是 等 距 的 ，其 间 距 与 磁 强 强 度 H 。成 正 比 。为 了观 测 能 级 间 粒 子 的 跃 迁 ，在

35、 垂 直 于 H 。方 向加 一 射 频 场 (R ad io 一F requ en cy field ，RF ):H 二ZH leos(Zv 二t)，则 能 量 算 符 :芜 = 一户·H ，= 一ZH ，产，co s(2讨) = 一ZH I对，co s(2讨)(2 一8 )单 位 时 lbJ 跃 迁 IL 率 为 : p mrn ，一，H .Z I< m Ilxlm > 12 6(v nun ，一v )其 中 :ha二全选匕_ 声。m 一m (2 一9 )石一2 兀从 可 知 ，只 有 当 v 刊 H 。/27T时 ，6(v一v)才 不 为 零 ， v0刊 H 汉2

36、兀 称 为 共 振 频 率 (R eso n an ee F requ en ey)，即共 振 条 件 为 v 。刊 H o/2 兀或 者 (0刁 B 。以 上 只 考 虑 单 个 粒 子 的 行 为 ，一 般 被 测 样 品 是 一 个 处 于 热 平 衡 状 态 下 的 包 含 大 量 原 子 核 的 系 综 。 核 自旋 在 各 能 级 上 的 分 布 遵 从 B oltzm an 分 布 ， 处 于 高 能 级 的 粒 子 数 总 是 比低 能 级 的 粒 子 数 少 ，但 是 这 个 差 数 非 常 少 。当 加 上 射 频 场 后 ，低 能 级 上 的 粒 子 吸 收 能 量 跃

37、迁 到 高 能 级 ，同 时 高 能 级 上 的 粒 子 释 放 能 量 跃 迁 到 低 能 级 ，净 结 果 是 上 跃 迁 多 于 下 跃 迁 ，所 以表 现 为 吸 收 谱 ，其 信 号 强 度 与 上 下 能 级 粒 子 数 的 差 成 正 比 。2 .2 磁 共 振 成 像 基 本 原 理 川 141151161利 用 人 体 组 织 中 某 种 原 子 核 的 核 磁 共 振 现 象 ，将 所 得 射 频 信 号 经 过 电 子 计 算 机 处 理 ，重 建 出 人 体 某 一 层 面 的 图 像 的 诊 断 技 术 ，又 称 核 磁 共 振 成 像 术 ，英 文 简 称 M R

38、I。核 磁 共 振 成 像 就 是 利 用 灰 度 值 把 N M R参 数 ( 自旋 密 度 p ， 弛 豫 时 间 Tl 、 T Z 等 ) 作 为 空 间 坐 标 的 函 数 表 示 出来 。根 据 前 面 提 到 的 核 磁 共 振 条 件 刊 B 。， 由 于 主 磁 场 是 均 匀 的 ， 如 果 不 考 虑 化 学 位 移 、J 祸 合 等 因 素 ， 样 品 中 同 种 原 子 核 在 静 磁 场 中 的 共 振 频 率 是 相 同 的 。那 么 怎 样 区 分 磁 共 振 信 号 中 来 自样 品 不 同 位 置 的 贡 献 ? 19 73 年 劳 特 伯 ( L au te

39、rbu r) 首 次 利 用 梯 度 场 进 行 空 间 编 码 ， 产 生 了 第一 幅 核 磁 共 振 图像 : 在 静 磁 场 B 。上 叠 加 一 个 线 性 梯 度 场 G ，这 样 样 品 中沿 梯 度 方 向不 同位 置 就 有 了不 同 的共 振 频 率 ， 即把 空 间位 置 转 换 为 频 率 位 移 。M R 图像 是 通 过 对 射 频 线 圈 中 M R 信 号 (模 拟 信 号 ) 进 行 采 集 、数 字 化 和 图 像 重 建 得 到 的 。M R 信 号 采 集 方 法 与 图像 重 建 方 法 密 切 相 关 。图像 重 建 是 从 成 像 体 素 的 M

40、R 信 号 求 解 出 图像 矩 阵 中对 应 象 素 的数 据 的后 处 理 过 程 。图像 重 建 的 方 法 很 多 ，而 先 后 用 于 磁 共 振 图像 重 建 的 主 要 有 投 影 重 建 法 和 傅 立 叶变 换 法 。目前 在 M RI 中 ，傅 立 叶变 换 成 像 占主 流 ，而 不 用 劳 伯 特 的投 影 重 建 。傅 立 叶 成 像 克 服 了投 影 重 建 技 术 中投 影 点 分 布 不 均 ，高 频 成 分 精 度 低 ，误 差 大 ，使 图像 细 节 不 清 楚 的 缺 陷 。傅 立 叶 成 像 技 术 的 原 理 可 以用 下 图 2 一1 来 解 释 ，

41、当 t=o 时通 过 900 脉 冲 产 生 FID 信 号 ，在 F ID 信 号 衰 减 的 过 程 中 ，相 继 加 三 个 正 交 线 性 梯 度 ，在 比 + ty 时采 样 。对 于 三 维 像 ，如 果 有 N *N *N个 像 素 的体 元 ，需 采 集 N Z 个 FID信 号 ， 每 个 FID信 号 采 N 个 点 。然 后 ，通 过 三 维 傅 立 叶 变 换 得 到 图像 。对 于 常 用 的 二 维 成 像 ， 我 们 无 需 对 整 个 样 品 进 行 成 像 ， 只 需 先 在 某 一 方 向上 加 一 线 性 梯 度 场 ， 用 频 带 非 常 窄 的 射 频

42、 脉 冲 激 发 (选 择 激 发 )， 它 只 激 发 垂 直 梯 度 场 的 某 一 个 很 薄 的层 。然 后 ，相 继 在 另 外 两 个 方 向加 梯 度 场 。三 个 方 向 的 梯 度 场 分 别 被 称 为 层 面 选 择 梯 度 ，相 位 编 码 梯 度 和 频 率 编 码 梯 度 。并 且 相 位 编 码 梯 度 方 向不 是 步 进 时 间而 是 步 进 强 度 。这 样 既 可 以节 约 成 像 时 间 也 保 证 了本 征 弛 豫 引起 的信 号 衰 减 对 每次 扫 描 都 相 同 。好 脉冲仪!G ，0权粉+tx图 2 一1 傅 立 叶 成 像 技 术 原 理 示

43、 意 图2 .2 .1 层 面 选 择在 M R I 中 ，三 维 图 像 一 般 用 多 个 二 维 图 片 来 表 示 ， 因 此 需 要 M RI 技 术 具 有 选 层 功 能 。 在 M RI 中 ， 层 面 可 以任 意 选 择 ， 即 层 面 取 向 、 层 面 位 置 、 层 面 厚 度等 可 以被 任 意 选 择 。这 需 要 磁 场 梯 度 脉 冲 和 选 择 性 RF 激 发 脉 冲 共 同作 用 于 样 品 来 激 发 所 要 求 的 层 面 。由于 梯 度 场 存 在 时 ，沿 梯 度 场 方 向 ，核 自旋 拉 莫 尔 进 动 频 率 将 不 同 :毋: = Z (

44、B 。+ zG :)(2 一10 )此 时 施 加 中 心 频 率 为 叭 的 选 择 性 软 脉 冲 (如 sinc 函 数 型 盯脉 冲 ， 它 在 频 域 上 是 一 个 矩 形 ) 就 可 以选 择 坐 标 为 Z ;的 一 个 层 面 。层 面 在 z 轴 上 的 位 置 为 :2 1= (。: 一。)户心艺(2一11)层 面 厚 度 为 z ，应 满 足 式 (2 一12 )。山 = 州 认(2 一12 )图 2 一2 为 层 面 选 择 原 理 图 。残图 2 一2层 面 选 择 的 原 理图 2 一3 所 示 的 是 层 面 厚 度 与 选 择 梯 度 以及 脉 冲 带 宽 之

45、 间 的 关 系 。G ，了G 二z仍必八可舀鞠戊 1左 ，图 2一3层 面 厚 度 、选 择 梯 度 以及 脉 冲 带 宽 之 间 的 关 系2 .2 .2 相 位 编 码所 谓 相 位 编 码 ，就 是 先 利 用 相 位 编 码 梯 度 磁 场 造 成 质 子 形 成 有 规 律 的 进 动 相 位 差 ， 然 后 利 用 此 相 位 差 来 标 定 沿 相 位 编 码 方 向 的 空 间位 置 。 如 图 2 一4 所 示 。狮狮狮gx图 2 一4相 位 编 码 示 意 图在 y 方 向上 施 加 梯 度 后 ， 沿 y 轴 的 各 层 面 上 质 子 的进 动 频 率 可 以表 示

46、为O，= 厂(B 。+ 夕G ，)(2 一13)设 相 位 编 码 梯 度 的 持 续 时 间 为 ty，则 ty 时 间 后 沿 y 轴 的 各 层 面 上 质 子 的 进 动相 位 可 以表 示 为必、= 田夕t，= z (B 。+ 夕G ，)t夕(2 一14 )由式 (2 一14) 可 以看 出 ，在 G y 的 作 用 下 ，信 号 中 已经 包 含 了沿 y 方 向 的 位 置 信 息 。 在 t 二ty 时 刻 ， 关 断 相 位 编 码 梯 度 ，此 时 各 层 面 质 子 再 次 处 于 相 同 的 外 磁 场 中 ， 其 进 动 频 率 均 恢 复 至 G y 作 用 前 的

47、 数 值 。但 是 由 G y 所 导 致 的 进 动 相 位 差 被 保 留 下 来 ，这 样 就 可 以对 各 层 面 进 行 相 位 标 定 ， 从 而 识 别 空 间 位 置 。2 .2 .3频 率 编 码频 率 编 码 就 是 利 用 梯 度 磁 场 造 成 相 关 方 向上 不 同 位 置 的 磁 化 矢 量 进 动 频 率 不 同 ， 并 以此 为 根 据 来 标 一记空 间 位 置 。如 图 2 一5 所 示 ， 在 x 方 向 上 施 加 梯 度 场 G x ，样 品 A 和 B 位 置 分 别 为 X l 和 X2 ， 其 进 动 频 率 可 以表 示 为 :。二= z (

48、B 。+ x G x)(2 一15)G X 一- 一 -一 ，争一 卜 一了IO到酬121仍 205频 率 编 码 示 意 图】6可 以看 出 ，在 G x 的 作 用 下 ，信 号 中 已经 包 含 了沿 x 方 向 的位 置 信 息 ，通 过 傅 立 叶 变 换 即 可 将 位 置 信 息 分 离 出来 ，这 就 是 空 间“频 率 编 码 ”。2 .3基 本 脉 冲 序 列 111产 生 一 个 磁 共 振 图像 数 据 的 步 骤 通 常 叫做 脉 冲 序 列 印ulse sequ en ce)。临床 上 最 常 用 的序 列 是 采 集 回波 信 号 来 代 替 F D 信 号 。这

49、 是 因 为RF 激 发 脉 冲 刚 结 束 的 时基 线 有 跳 动 ， 尚未 稳 定 下 来 ，这 时候 采 集 FID 信 号 ，头 几 个 数 据 会 忽 大 忽 小 ， 不 便 使 用 。有 时 需 要 延 时采 样 ，不 但 操 作 上 不 方 便 ，还 会 带 来 “截 头 ”误 差 ，引 起 线 型 畸 变 等 问题 。采 用 回波 技 术 就 可 以避 免 这 个 问题 。临床 最 常 用 的 回波 序 列 就 是 自旋 回 波 序 列 (如 图2 一6所 示 )和 梯 度 回 波 序 列 (如 图2一7 所 示 )。在 图2 一6 所 示 的基 本 单 层 面 自旋 回波 脉 冲 序 列 时序 图 中 ，sin。函数 形 90oRF 脉 冲 和 选 层 梯 度 G s同 时 作 用 选 择 激 发 一 个 层 面 。此 后 ，这 个 层 面 上 的横 向磁 化矢 量 由于 磁 场 的 不 均 匀 以及 几 弛 豫 的 作 用 开 始