专利名称：一种核磁共振脉冲序列发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及核磁共振谱仪和磁共振成像仪类，具体的讲是涉及一种核磁共振脉冲序列发生器。
背景技术：
在核磁共振谱仪中，脉冲序列发生器作为谱仪的核心部件之一，用于产生核磁共振实验所需的脉冲序列，其功能主要是实时控制谱仪系统中接收机、发射机和射频源等部件的协调工作。目前，核磁共振脉冲序列发生器主要是由多微处理器及传统的分立数字逻辑电路来实现。这些系统仍存在以下几个问题1、使用多模块多微处理器结构，系统复杂且缺少灵活性。2、使用传统的分立数字逻辑电路，功能相对单一。3、通过软件中断或者查询微处理器中定时器来实现脉冲序列的定时控制，定时时间较粗糙、时间分辨率较低。4、采用某些专用接口或者性能较差接口如RS232串行口等，虽然接口简单，但缺乏实时性。尽管在申请号00128171.2中公开的一种核磁共振脉冲程序控制器的技术中，也使用了可编程逻辑控制器件，但是其用途仅作为总线接口的转换器，脉冲序列发生器的核心部分仍为多微处理器的主从结构。

发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，为现代核磁共振谱仪和核磁共振成像仪提供具有高性能、低成本、通用性好、使用简便的核磁共振脉冲序列发生器。
本发明目的的实现由以下技术方案完成本发明主要由现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array)、大容量静态内存(SRAM)和PCI(Peripheral Component Interconnect)接口芯片组成(如

图1)。
在核磁共振脉冲序列中，谱仪的任何执行部件工作状态的每一次变化，如接收机采样启动、打开或关闭射频门控等，我们都认为是一个事件的改变，同时，相邻事件之间的时间间隔，则为前一个事件持续的时间，这些部件工作状态的改变可以通过一组数字电平加上对应的延时来控制。图2给出了一个具有两路输出的90度单脉冲核磁共振脉冲序列，FC0为射频发射(RF)通道，控制射频开关产生激发脉冲，T1为脉冲宽度，FC1为触发采样通道，T3时间开始触发采样，结束时刻采样完成，在初始时间T0，每个通道的输出均为低电平，T2为谱仪系统接收通道的死时间。由此，我们可以得到一个时间与事件的关系表(如图3)。
在使用中首先确定核磁共振脉冲序列，通过主机上的软件将其转换成时间和事件的关系表并存入板上的静态内存，这样，我们可以通过FPGA内部的状态机逻辑，在每一个时间结束时刻，依次输出下一个事件。
在本发明中我们采用了FPGA实现脉冲序列发生器的逻辑功能(如图4)。其中内部主要功能模块包括地址译码器、地址计数器、地址选择器、数据选择器、有限状态机、定时器、输出寄存器以及控制寄存器等。整个脉冲序列的产生主要由FPGA内部的有限状态机实现，首先，主机把确定好的核磁共振脉冲序列转化为事件与时间关系表，通过PCI总线，送入脉冲序列发生器的静态内存中；译码器的功能是对静态内存和控制寄存器进行地址分配，以便主机操作；然后通过设置FPGA内部的控制寄存器来初始化脉冲序列发生器，FPGA内部的状态机通过地址选择器和数据选择器，预读入待输出特定事件的数字电平值和相应的延时值；当主机发出启动命令时，FPGA启动内部的定时器；当定时器溢出时，把待输出的事件值写入输出寄存器，同时地址计数器递增一，选取下一个存放时间和事件的内存单元；当预读入的事件值为特定的结束标志时，状态机从正常脉冲序列输出工作状态跳转到复位状态，通过设置FPGA内部的控制寄存器或者通过中断，通知主机(如图5)。由于此脉冲序列发生器的执行机构都由硬件完成，在整个脉冲序列发生器在执行脉冲序列输出期间不需要主机的干预，且不存在额外的定时误差，实现了较高时间精度的脉冲输出。
PCI桥芯片用作主机和脉冲序列发生器传输数据的快速通道。它为此装置提供了简便、快速、通用的计算机接口。板上的静态内存主要用来存放由主机下传的脉冲序列事件和对应的时间值。
本发明具有下列优点整个系统主要由FPGA、PCI接口芯片和内存三个核心器件构成，结构非常简单，同时具有很高的性价比。
1、与传统的脉冲序列发生器采用的多模块、多处理器结构相比，此装置仅使用了单片FPGA控制脉冲序列输出，提高了集成度和可靠性、简化了系统设计，同时降低了生产成本。
2、本系统采用了PCI总线作为接口，可以方便地与目前主流PC机或工控机连接，可以与其它设备的插槽兼容而不需要插入特定的插槽，并且可与其他设备并行工作。它具有即插即用、使用简便、通用性强、数据传输速度快等优点。
3、此装置采用了基于可编程硬件的有限状态机和定时器来产生脉冲序列，取代了在现有技术中通过微处理器中运行的软件来控制内部定时器产生脉冲序列的方案。它能够产生具有准确定时、高时间分辨率的核磁共振脉冲序列，产生脉冲序列时不需要主机的干预，可以减少不必要的软件开销，进一步降低系统成本。
4、采用单片大容量静态内存存储核磁共振脉冲序列的事件和对应的时间值，使得脉冲序列发生器结构简化。
5、使用了灵活新型的可编程逻辑器件一FPGA，整个系统可以根据用户的需求进行方便的在系统升级。
6、此装置体积小巧，且具有很强的通用性，可以广泛地应用于各类核磁共振设备和磁共振成像仪。
附图概述附图1为本发明组成示意图；附图2为本发明具有两路输出的90度单脉冲核磁共振脉冲序列；附图3为本发明图2所表示的时间和事件的关系表；附图4为本发明FPGA内部逻辑框图；附图5为本发明FPGA状态机工作流程图；具体技术方案以下结合附图通过实例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解
如图1-5所示，整个系统工作主要由FPGA、大容量静态内存和PCI接口芯片组成。
FPGA主要作为脉冲序列的发生单元，从内存读入脉冲序列参数经过其内部的状态机核心输出所需核磁共振脉冲序列并控制谱仪其他部件协同工作。为了使有限状态机更稳定工作，我们采用了硬件描述语言(Very High SpeedIntegrated circuit Hardware Description Language，VHDL)结合FPGA的器件特性，对状态机进行one-hot编码，并且在状态机设计时考虑了对于非法错误状态的冗余技术。此外，使用VHDL硬件描述语言进行大规模数字系统逻辑的综合，大大简化了设计，节省了设计和开发成本。FPGA在脉冲序列发生器的初始化阶段还作为板上与静态内存和PCI总线的接口芯片，负责把主机上的脉冲序列参数快速地传入板上的静态内存。为了进一步提高集成度，在FPGA内部还构建了控制寄存器用于启动核磁共振脉冲序列，并且在整个脉冲序列执行结束之后通过中断或者设置标志位的方式通知主机。为了适应比较复杂的医学磁共振成像(MRI)的要求，在FPGA上，还预留了可以接受TTL信号的输入控制线，用于输入外部同步信号(如心电门控等)。为了使整个核磁共振谱仪在实际使用上更具安全性，在紧急情况下，一旦需急停整个核磁共振系统，可以置位FPGA内部的控制寄存器中急停控制位，所有的脉冲序列触发通道立即都被置为低电平，关闭所有可能产生危害的通道如射频门控、高功率梯度放大器等，这样可以确保整个核磁共振系统特别是医学磁共振成像的安全。
PCI接口芯片在脉冲序列发生器初始化阶段，主要负责在开机时根据用户的需要向操作系统申请所需的资源如申请内存映射和中断等，然后把所需的实验数据(时间事件表格)从PCI总线协议转换为标准的微处理器读写时序写入板上的静态内存，同时还负责读写FPGA内部的控制寄存器，设置启动位或通过PCI中断向主机传递结束信号。
板上的大容量静态内存则用来储存时间事件表格，其数据格式如图3所示。在整个时间事件表格的结尾处，我们定义了一组特殊的事件值作为结束标志，当状态机读入此状态便自动复位整个核磁共振脉冲序列。
整个系统仅由FPGA、PCI接口芯片、大容量静态内存组成，十分简洁，降低了生产成本，同时提高了系统的可靠性。
在脉冲序列发生器工作时，首先主机把相应的核磁共振脉冲序列参数通过PCI总线，送入板上的静态内存中；然后，通过设置FPGA内部控制寄存器的启动状态位启动核磁共振脉冲序列，当状态机读到内存中的脉冲序列结束标志时，状态机复位，所有脉冲触发输出线都为低电平，并且通过中断或置位结束标志位通知主机。在紧急情况下，也可以通过设置急停控制位，紧急停止整个核磁共振脉冲序列，保护整个核磁共振系统的安全。
权利要求
1.一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于该装置主要由现场可编程门陈列FPGA、大容量静态内存和PCI接口芯片组成。
2.根据权利要求1所述的一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于在FPGA内部采用的有限状态机作为核磁共振脉冲序列发生单元。
3.根据权利要求1所述的一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于大容量静态内存用来存储核磁共振脉冲序列的事件和对应的时间值。
4.根据权利要求1所述的一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于该装置使用了PCI总线作为与主机的接口。
5.根据权利要求1所述的一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于作为核磁共振脉冲序列发生器核心的FPGA芯片，其内部主要的功能模块主要包括地址译码器、地址计数器、地址选择器、数据选择器、有限状态机、定时器、输出寄存器以及控制寄存器等，其中互相的关系是，首先，确定好的核磁共振脉冲序列由主机转化为事件与时间关系表，通过PCI总线，送入静态内存中，译码器对静态内存和控制寄存器进行地址分配，然后通过控制寄存器进行初始化，有限状态机通过地址选择器和数据选择器，预读入待输出特定事件的数字电平值和相应的延时值，当主机发出启动命令时，FPGA启动内部的定时器，当定时器溢出时，把待输出的事件值写入输出寄存器，同时地址计数器递增一，选取下一个存放时间或事件的内存单元，当遇到结束标志或者急停控制位被置位时，脉冲序列发生器复位，所有触发通道置为低电平。
6.根据权利要求1所述的一种核磁共振脉冲序列发生器，其特征在于，在执行脉冲序列期间，脉冲序列完全由硬件产生，不需要主机的干预。
全文摘要
本发明涉及核磁共振谱仪和磁共振成像仪类，具体地讲是涉及一种核磁共振脉冲序列发生器，主要由现场可编程门阵列FPGA、大容量静态内存(SRAM)和PCI接口芯片三个核心器件构成，结构非常简单，此装置仅使用了单片FPGA控制脉冲序列输出，提高了集成度和可靠性、简化了系统设计，同时降低了生产成本，具有即插即用、使用简便、通用性强、数据传输速度快等优点，体积小巧，具有很强的通用性，可以广泛地应用于各类核磁共振设备和磁共振成像仪。
文档编号G01R33/32GK1515911SQ0315059
公开日2004年7月28日 申请日期2003年8月27日 优先权日2003年8月27日
发明者徐勤, 蒋瑜, 辛立静, 李鲠颖, 徐 勤 申请人:华东师范大学