专利名称：一种mri梯度线圈涡流测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种MRI技术领域中的梯度线圈涡流测量技术，具体地说是一种MRI梯度线圈涡流测量装置及方法。
背景技术：
MRI也就是磁共振成像,英文全称是Magnetic Resonance Imaging。在这项技术诞生之初曾被称为核磁共振成像。梯度线圈是MRI系统的核心部件之一，目前在国际上只有少数几家公司掌握其核心技术。梯度线圈的主要作用是将电能转化为磁能，提供磁共振系统的编码磁场。线圈中通过电流会产生磁场，在一定的范围内，磁场强度和所通过的电流强度成正比，理想情况下电场全部转化为磁场，但在实际中由于涡流的存在，有一部分电 能转化为热能，不能达到理想的电磁转换的条件，如果涡流较大，就说明该线圈的效率低，不适合应用。涡流是梯度线圈的重要指标之一，直接决定着线圈的性能，也关系着线圈研发的成败，所以梯度线圈涡流的测量就显得极为重要。MRI系统厂家均采用系统测试方法，该方法测试在磁共振系统中梯度线圈的响应，最终计算出涡流，此方法适合对少量的梯度线圈进行测量，同时需要一套完整的MRI系统，设备复杂，成本很高。而对于梯度线圈生产厂家，需要完成大量线圈的测试工作，不可能准备如此多的磁共振系统，采用系统的测试方法，而是采用一种更直接测量方法，即通过在线圈上加激励信号，测量线圈的涡流效应，完成对线圈涡流的测量。线圈的涡流通常在10%以下，往往需要测量线圈腔体内2(Γ52点数据，甚至更多。要完成梯度线圈涡流快速而准确的测量，需要使用磁传感器，感应磁场的变化，即微分结果，通过对结果的积分，恢复该磁场强度信号，由于磁场强度和所通过电流成正比，比较所加激励和所得到的磁场强度信号，便可计算出线圈的涡流。该测试方法的难点是感应信号的处理和信号的恢复，由于感应信号很弱，同时容易引入其他的干扰，如果处理不当，积分的效果会非常明显，导致测量结果严重失真。而在积分过程中，由于信号为几百mS级信号，需要长时间的积分器，对传统的积分方法也是一个挑战，曾参阅了中国专利《自动补偿交替式积分器及其控制方法》(专利号200610040030.0)，但该专利主要完成了长时间的信号积分，能完成对时间的精确测量，但积分结果的电压测量可信度不高，难以完成对涡流的准确测量。

发明内容
针对现有技术中MRI梯度线圈涡流测量系统的复杂性和测量结果的准确性问题。其数字化处理过程是基于FPGA技术实现的，便于更新、测试和修改，同时其可重配置的设计理念可方便用于改变激励信号或计算方法等其他方面的测量需求。该装置可以通过更改传感器位置实现用一个传感器完成整个线圈的涡流测量，也可实现多个传感器的快速测量。本发明要解决的技术问题是提供一种方便准确的MRI梯度线圈涡流测量装置及方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是应用模拟的磁传感器对磁场信号进行检测，检测信号经模拟放大处理后传输给ADC转换器进行模数转换，用数字的方式进行数值积分和涡流计算，该装置克服了传统涡流测量装置对精密积分电路的依赖和测量结果不准确的问题，同时有利于涡流的计算及涡流算法的改进。一种MRI梯度线圈涡流测量装置，包括现场可编程门阵列单元、显示单元、DAC模块、ADC模块、梯度放大器和超导线圈，现场可编程门阵列单元内部具有激励信号产生单元、数字信号输出单元、通道控制单元、控制接口单元、ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元，数字信号输出单元通过激励信号产生单元连接控制接口单元，控制接口单元通过通道控制单元连接DAC模块和ADC模块，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元依次连接，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元分别与控制接口单元连接；控制接口单元与计算机连接，显示接口单元与显示单元连接，DAC配置单元与DAC模块连接，ADC采样接口单元与ADC模块连接，ADC 模块连接超导线圈的一端，超导线圈的另一端通过梯度放大器连接DAC模块。所述现场可编程门阵列单元内部的数据处理单元可完成对测试数据的数字积分和对涡流参数的计算。所述现场可编程门阵列单元内部的通道控制单元可完激励信号的通道控制和接收通道的选择。所述现场可编程门阵列单元内部的激励信号产生单元和数据处理单元均可重配置，满足不同的测量需求。所述数字信号输出单元包括任意波形产生单元。一种MRI梯度线圈涡流测量方法，包括以下步骤开始，对MRI梯度线圈测量装置进行初始化操作；通过计算机发送激励信号的参数设置指令给激励信号产生单元，为数字信号输出单元的任意波形产生单元提供数据参数；由MRI梯度涡流测量装置中的接口配置单元配置DAC模块；由接口控制单元对计算机输入的数据进行译码；判断输入数据的波形、上升/下降时间、持续时间、重复周期等；如果上述数据为信号波形参数，则将该参数存入激励信号产生单元对应存储器中；当有控制信号时，将波形数据调入数字信号输出单元；由通道控制单元完成激励输出通道控制和采样输入通道切换或传感器测试点的布局;当有同步信号时，由DAC配置单元将输出信号数据至DAC模块，由DAC模块输出信号波形，同时开始启动ADC模块进行数据采集；数据采集完成时由数据处理单元完成数据积分和涡流计算；将计算结果和原始数据存入测量结果输出单元；控制接口单元完成数据向计算机的上传，实现一个点的一次涡流测量；重复上述过程，完成所有点的测量；
显示单元完成测量结果的显示。本发明具有以下有益效果及优点I.本发明的一种MRI梯度线圈涡流测量装置及方法使用方便。本发明大大简化了涡流测量的难度和技术要求，只要经过简单操作便可完成MRI梯度线圈涡流参数测试。2.本发明的一种MRI梯度线圈涡流测量装置及方法可以灵活应用。本发明采用FPGA (Field Programmable Gate Array)技术实现,完全可以根据用户需求灵活升级,可通过更改软件完成对不同的大型线圈的涡流测量。采用FPGA技术实现的激励脉冲波形和数字信号处理方法均可灵活调节。3.本发明应用现场可编程门阵列器件完成线圈激励信号的数字化技术，是通过硬件描述语言编程配置内部AWG (任意波型发生器)和DAC的功能来实现的，从而实现了真正意义上的硬件平台的软件化设计，并且该方案的正确性和实用性在MRI梯度线圈涡流测量过程中得到了验证。 4.本发明应用FPGA技术完成激励信号的产生和数据转换过程控制，便于时序的控制和测量过程的优化。5.本发明的一种MRI梯度线圈涡流测量装置及方法的使用数字的积分方法替代模拟积分方法，避免了由于电子器件参数漂移等原因引起的积分信号的各种误差，便于涡流的计算和算法的优化，同时可以方便地实现多次的测量结果平均等操作，保证测量的精确性。6.本发明的一种MRI梯度线圈涡流测量装置及方法应用广泛。本发明提供的装置及方法不仅可以应用于其它线圈或电磁感应部件的涡流测量，同时还可以通过积分过程完成时间测量，如托卡马克装置的放电时间测量等。7.通过对测量装置传感器的合理布局和结构优化，以及控制和测量方法的优化，理论上可自动完成线圈中无数个点涡流参数的自动测量。


图I为本发明的装置的结构框图。图2为本发明的装置中FPGA中数字化单元结构框图。图3为本发明的装置涡流计算方法示意图。图4为本发明的一种MRI梯度线圈涡流的测量方法的总流程图。图5为使用本发明的装置测量梯度线圈涡流时的测试点布局图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。本发明的MRI梯度线圈涡流测量装置主要用于线圈的涡流测量，其结构如图I所示。该测量装置主要基于FPGA实现，其数字化处理是内嵌在FPGA器件中完成的。如图2所示，一种MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于包括现场可编程门阵列单元(FPGA)、显示单元、DAC模块、ADC模块、梯度放大器和超导线圈，现场可编程门阵列单元内部具有激励信号产生单元、数字信号输出单元、通道控制单元、控制接口单元、ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元，数字信号输出单元通过激励信号产生单元连接控制接口单元，控制接口单元通过通道控制单元连接DAC模块和ADC模块，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元依次连接，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元分别与控制接口单元连接；控制接口单元与计算机连接，显示接口单元与显示单元连接，DAC配置单元与DAC模块连接，ADC采样接口单元与ADC模块连接，ADC模块连接超导线圈的一端，超导线圈的另一端通过梯度放大器连接DAC模块。激励信号产生单元，在控制接口单元的控制下保存由工作计算机输入的激励信号的各种参数信息，再将激励信号的各项参数加载到数字信号输出单元，默认参数信息为进行梯度线圈涡流测试用的梯形信号波形；数字信号输出单元，在控制接口单元的控制下对激励信号参数进行解析，产生激励波型的数字信号，并输出至模拟域的数/模转换器； 通道控制单元，在控制接口单元的控制下，产生激励信号通道控制信号和接收通道选择信号，同时确定数据处理方法和存储位置。控制接口单元，用于对控制计算机输入的激励信号的各种参数信息进行译码处理，并输出相应的控制信号至激励信号产生单元、数字信号输出单元和ADC采样接口单元、通道控制单元、数据处理单元和测量结果输出单元；ADC采样接口单元，在控制接口单元的控制下，以拟定时序信号控制ADC完成数据采样和数据传输，并保存采样数据；数据处理单元，在控制接口单元的控制下，根据ADC采样获得的原始数据，以某一算法完成数据的积分和涡流的计算，并存储和输出计算结果。计算方法为Eddy current effect = a/b(100%)根据给定的测量需求，其中a、b的确定方法如图3所示。测量结果输出单元，在控制接口单元的控制下，完成原始数据和测量结果的上传，供测量结果输出或算法优化。DAC配置单元，在测量装置复位时产生配置信号传送至DAC模块。显示接口单元，在在控制接口单元的控制下，从指定存储器位置以确定的数据格式读出线圈的涡流参数，并以确定的顺序显示出来。可通过更改单个传感器的位置完成整个线圈所有确定点的涡流参数测量，也可通过具有一定布局的多个传感器完成所有确定点的涡流参数测量。所述现场可编程门阵列单元内部的数据处理单元可完成对测试数据的数字积分和对涡流参数的计算。所述现场可编程门阵列单元内部的通道控制单元可完激励信号的通道控制和接收通道的选择。本发明的MRI梯度线圈涡流测量装置，可完成多点的涡流测量，满足大所数线圈涡流参数测量需求。所述现场可编程门阵列单元内部的激励信号产生单元和数据处理单元均可重配置，满足不同的测量需求。所述数字信号输出单元包括任意波形产生单元(AWG)。本实施例中，激励信号产生单元主要由RAM (随机存储器)组成，用于存放激励信号的波形、上升时间、下降时间、持续时间及重复周期等信号参数。系统上电默认信号为测量MRI梯度线圈涡流的梯形信号(周期大于IOOOmS,上升时间lmS，下降时间lmS，持续时间250mS)o数字信号输出单元主要由自定义的AWG (任意波形产生器)组成，根据激励信号提供的波形参数，产生相应的波形数据，存储在16Bit*1024 FIFO (先入先出)存储器中，在控制接口单元的控制下输出至数/模转换器。控制接口单元主要产生对各个单元的控制信号及整个装置顺利运行的时序信号，保证整个测量装置各模块协调有序工作。主要工作包括完成主机信息译码，确认所写入的参数为波形、上升/下降时间、持续时间、重复周期等，并产生相应的存储信号，将各参数存入对应的地址；产生数字信号输出控制信号，确定何时将数字波形送入DAC中，产生所需的激励 信号，作为功率放大器的输入，来激励线圈；产生通道控制信号，完成激励信号输出通道的选择和采样信号的通道选择。产生ADC工作的控制信号，确定合适的采样频率，产生保证ADC工作时序的控制信号，同时以确定的方式将获得的数据传输给数据处理单元并存储起来；产生数据处理单元的控制信号，确定该通道涡流计算方法，并将该计算结果和(或)原始数据传输到测量结果输出单元的指定位置；产生通信控制信号，完成和测量结果输出单元的数据交换，并将这些数据上传给控制计算机。产生显示单元控制信号，控制显示单元从指定存储器位置以确定的数据格式读出线圈的涡流参数，并以确定的顺序显示出来。ADC采样接口单元，产生ADC工作的控制信号，同时保存采样结果。ADC的采样率大于ΙΟΟΚΗζ，存储器空间大于16Bit*200K，工作时序为数据处理单元，根据确定算法完成数据的积分和涡流的计算，同时存储计算结果。测量结果输出单元主要在控制接口单元的控制下完成采样数据和测量结果的输出。显示单元主要完成既定顺序点的涡流参数读出，并显示在液晶屏上。显示格式如下x/y/z y/z/x (+/-) z/x/y (+/-) kl. mn其中x/y/z:激励信号通道y/z/x (+Λ):传感器位置信息Iz/x/y (+/-):传感器位置信息2kl.mn :涡流参数 ％本实施例采用将TxDAC (AD9786)的同步串行接口(SPI)的接口配置单元同样集成到FPGA器件内部，将选择好的配置TxDAC内部寄存器的数据存储到一个ROM查找表中，上电后自动通过集成到FPGA器件中的同步串行接口(SPI)将存储到ROM表中的配置数据传输给TxDAC模块。本实施例中FPGA器件采用的是Xilinx公司Spartan 6系列的芯片，在不改变VHDL源程序的前提下，可以将VHDL源程序直接移植到Xilinx公司的Artix系列、Kintex系列和Virtex系列或更为高端的FPGA芯片中，重新编译执行即可；也可通过微小改动移植到Altera公司的Cyclone系列或Stratix系列FPGA芯片中。如图4所示，本发明MRI梯度线圈涡流测量装置的工作过程包括以下步骤一种MRI梯度线圈涡流测量方法，其特征在于包括以下步骤开始，对MRI梯度线圈测量装置进行初始化操作；通过计算机发送激励信号的参数设置指令给激励信号产生单元，为数字信号输出单元的任意波形产生单元提供数据参数；由MRI梯度涡流测量装置中的接口配置单元配置DAC模块；由接口控制单元对计算机输入的数据进行译码；判断输入数据的波形、上升/下降时间、持续时间、重复周期等；如果上述数据为信号波形参数，则将该参数存入激励信号产生单元对应存储器中；当有控制信号时，将波形数据调入数字信号输出单元；由通道控制单元完成激励输出通道控制和采样输入通道切换或传感器测试点的布局，传感器测试点布局如图5所示；当有同步信号时，由DAC配置单元将输出信号数据至DAC模块，由DAC模块输出信号波形，同时开始启动ADC模块进行数据采集；数据采集完成时由数据处理单元完成数据积分和涡流计算；将计算结果和原始数据存入测量结果输出单元；控制接口单元完成数据向计算机的上传，实现一个点的一次涡流测量；重复上述过程，完成所有点的测量；显示单元完成测量结果的显示。本发明方法不仅可用于众多的线圈涡流测量，还可以应用于托卡马克装置的放电时间测量等。
权利要求
1.一种MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于包括现场可编程门阵列单元、显示单元、DAC模块、ADC模块、梯度放大器和超导线圈，现场可编程门阵列单元内部具有激励信号产生单元、数字信号输出单元、通道控制单元、控制接口单元、ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元，数字信号输出单元通过激励信号产生单元连接控制接口单元，控制接口单元通过通道控制单元连接DAC模块和ADC模块，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元依次连接，ADC采样接口单元、数据处理单元、DAC配置单元和显示接口单元分别与控制接口单元连接；控制接口单元与计算机连接，显示接口单元与显示单元连接，DAC配置单元与DAC模块连接，ADC采样接口单元与ADC模块连接，ADC模块连接超导线圈的一端，超导线圈的另一端通过梯度放大器连接DAC模块。
2.如权利要求I所述的MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于所述现场可编程门阵列单元内部的数据处理单元可完成对测试数据的数字积分和对涡流参数的计算。
3.如权利要求I所述的MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于所述现场可编程门阵列单元内部的通道控制单元可完激励信号的通道控制和接收通道的选择。
4.如权利要求I所述的MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于所述现场可编程门阵列单元内部的激励信号产生单元和数据处理单元均可重配置，满足不同的测量需求。
5.如权利要求I所述的MRI梯度线圈涡流测量装置，其特征在于所述数字信号输出单元包括任意波形产生单元。
6.一种MRI梯度线圈涡流测量方法，其特征在于包括以下步骤 开始，对MRI梯度线圈测量装置进行初始化操作； 通过计算机发送激励信号的参数设置指令给激励信号产生单元，为数字信号输出单元的任意波形产生单元提供数据参数； 由MRI梯度涡流测量装置中的接口配置单元配置DAC模块； 由接口控制单元对计算机输入的数据进行译码； 判断输入数据的波形、上升/下降时间、持续时间、重复周期等； 如果上述数据为信号波形参数，则将该参数存入激励信号产生单元对应存储器中； 当有控制信号时，将波形数据调入数字信号输出单元； 由通道控制单元完成激励输出通道控制和采样输入通道切换或传感器测试点的布局; 当有同步信号时，由DAC配置单元将输出信号数据至DAC模块，由DAC模块输出信号波形，同时开始启动ADC模块进行数据采集； 数据采集完成时由数据处理单元完成数据积分和涡流计算； 将计算结果和原始数据存入测量结果输出单元； 控制接口单元完成数据向计算机的上传，实现一个点的一次涡流测量； 重复上述过程，完成所有点的测量； 显示单元完成测量结果的显示。
全文摘要
本发明涉及一种MRI梯度线圈涡流的测量装置和方法，其特征在于包括现场可编程门阵列单元、显示单元、DAC模块、ADC模块、梯度放大器和超导线圈。应用模拟的磁传感器对磁场信号进行检测，检测信号经模拟放大处理后传输给ADC转换器进行模数转换，用数字的方式进行数值积分和涡流计算，该装置克服了传统涡流测量装置对精密积分电路的依赖和测量结果不准确的问题，同时有利于涡流的计算及涡流算法的改进。该测量装置结构简单，方法适用，结果准确，应用该装置大大简化了涡流测量的难度，提供了一种简洁的途径。
文档编号G01R31/00GK102944784SQ201210444970
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者王鹏 申请人:丰盛科技集团有限公司