基于單片機(jī)的功能磁共振同步器的設(shè)計(jì)

眭建鋒，梁 振，何 珊，周小強(qiáng)，汪順平

基于單片機(jī)的功能磁共振同步器的設(shè)計(jì)

眭建鋒，梁 振，何 珊，周小強(qiáng)，汪順平

目的設(shè)計(jì)一種處理功能磁共振成像（fMRI）同步輸出信號(hào)的同步器，對(duì)其解決同步問題的性能進(jìn)行鑒定。方法fMRI在采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)，有兩種同步信號(hào)輸出方式：其一，采集一幅完整腦圖時(shí)，每采集一層圖像輸出一個(gè)同步方波信號(hào)；其二，采集完一幅腦圖輸出一個(gè)同步信號(hào)。首先設(shè)定一幅完整腦圖的采集層數(shù)，也稱同步參數(shù)（SP）；然后采集第一種同步方波信號(hào)，用單片機(jī)外部中斷方法對(duì)第一種同步方波信號(hào)的上升沿計(jì)數(shù)，并保持初始輸出為高電平；直到最后一層腦圖時(shí)，將輸出信號(hào)置為低電平并延時(shí)一段時(shí)間。結(jié)果同步器成功將第一種同步方波信號(hào)處理成第二種同步信號(hào)；matlab編程串口程序自動(dòng)化設(shè)定SP，通過串口傳輸至單片機(jī)；結(jié)果表明該同步器可自動(dòng)化設(shè)置SP。結(jié)論設(shè)計(jì)的同步器能使某類功能磁共振輸出同步信號(hào)的同步問題得以解決，設(shè)備兼容性得到提升，其自動(dòng)化設(shè)置SP，可減少醫(yī)護(hù)人員的工作量。

功能磁共振；同步；單片機(jī)；串口

自上世紀(jì)末中國拉開功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究的序幕以來，經(jīng)過多年發(fā)展，fMRI已成為應(yīng)用前景最廣闊的成像技術(shù)之一［1－3］。fMRI設(shè)備采集血氧增強(qiáng)效應(yīng)（blood-oxygen level-dependent，BOLD）信號(hào)，并以此為指標(biāo)來度量大腦對(duì)刺激的響應(yīng)程度［4－10］。成像要求刺激和響應(yīng)需嚴(yán)格同步，若不同步則很難計(jì)算出刺激誘發(fā)的真實(shí)響應(yīng)。為解決同步問題，目前已有基于復(fù)雜可編程邏輯器件（complex programmable logic devices，CPLD）的同步器，該同步器通過按鈕設(shè)置同步參數(shù)（synchronization parameter，SP），在每次掃描時(shí)，都需手動(dòng)復(fù)位并設(shè)置SP，無形中給繁忙的醫(yī)護(hù)人員添加不少工作量。經(jīng)過一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)醫(yī)護(hù)人員經(jīng)常疏忽該步驟，而該疏忽可能會(huì)導(dǎo)致本次采集的圖像全部無效。為此該研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于AT89S52單片機(jī)的同步器，該同步器可通過matlab串口程序自動(dòng)設(shè)置SP。

1 材料與方法

1.1 設(shè)計(jì)分析fMRI的BOLD信號(hào)強(qiáng)度很弱，并存在一定的變異性，同時(shí)fMRI設(shè)備本身也會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此為獲得大腦對(duì)某一刺激的響應(yīng)，需多次重復(fù)給予該刺激并記錄該刺激誘發(fā)的響應(yīng)；然后，對(duì)多次響應(yīng)進(jìn)行疊加平均處理，從而得到大腦對(duì)該刺激的響應(yīng)；這樣疊加平均處理就要求刺激和響應(yīng)嚴(yán)格同步。通常，一幅完整的腦圖由多層構(gòu)成，這里的腦圖層數(shù)為SP，采集完一幅腦圖的時(shí)間為重復(fù)時(shí)間（time of repetition，TR）。平面回波成像（imaging of planar echo，EPI）序列是fMRI實(shí)驗(yàn)中最常用的一種序列，fMRI設(shè)備在使用EPI序列［11－14］掃描時(shí)，有兩種同步輸出方式：一種是每采集一層輸出一個(gè)同步信號(hào)，信號(hào)的同步間隔較小，如GE Signa 3.0T［15］；另一種是圖像全部采集完輸出一個(gè)同步信號(hào)，信號(hào)的同步間隔較大，如西門子Skyra 3.0T。刺激呈現(xiàn)時(shí)間一般為200～2 000 ms。為了讓刺激計(jì)算機(jī)能可靠地檢測(cè)到同步信號(hào)，就要求fMRI設(shè)備輸出同步信號(hào)的同步間隔大于刺激呈現(xiàn)時(shí)間。對(duì)于第一種同步方式，fMRI設(shè)備輸出的同步信號(hào)間隔要＜200 ms（同步間隔＝TR／SP；TR典型值為2 000 ms，層數(shù)＞20層，同步信號(hào)間隔＜100 ms），無法滿足刺激同步的要求；而第二種同步方式由于其同步信號(hào)間隔等于TR（典型值為2 000 ms），相對(duì)較長(zhǎng)，這樣能滿足絕大部分應(yīng)用，從而克服設(shè)備的兼容問題。

1.2 方法概述為解決同步間隔過小的問題，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的同步器，該同步器能將圖1中的第一種同步方波信號(hào)（同步間隔較小）整理成第二種同步信號(hào)（同步間隔較大）。目前基于CPLD的同步器，通過按鈕進(jìn)行設(shè)置SP，并需要在使用過程中重復(fù)手動(dòng)操作；本實(shí)驗(yàn)在SP設(shè)置上做了一定改進(jìn)，可通過串口程序自動(dòng)化設(shè)置SP。本文同步器首先通過matlab程序向串口發(fā)送SP，而且SP在以后每次的工作過程中可通過matlab程序自動(dòng)發(fā)送，無需人為操作，單片機(jī)接收到SP后，開始執(zhí)行返回，再通過串口用matlab讀取SP，同時(shí)采集第一種同步方波信號(hào)，采用單片機(jī)外部中斷（接口為P3.2或P3.3）記錄該方波的上升沿個(gè)數(shù)，并保持輸出信號(hào)的初始值為高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)至第（SP－1）個(gè)方波時(shí)，輸出轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r(shí)一段時(shí)間，最后將輸出信號(hào)連接至示波器進(jìn)行顯示。總之，在基于CPLD的同步器中，SP需要醫(yī)護(hù)人員通過按鈕手動(dòng)設(shè)置，而本研究的同步器可通過串口程序自動(dòng)設(shè)置SP，這降低了醫(yī)護(hù)人員的操作難度，有利于提高采集結(jié)果的可用性。

1.3 兩種同步信號(hào)的波形圖第一種同步方式的同步方波信號(hào)見圖1A；第二種同步方式的同步信號(hào)見圖1B。在一個(gè)TR內(nèi)，A圖有N個(gè)周期的波形，其同步間隔過小，無法滿足刺激同步的要求；而B圖在一個(gè)TR內(nèi)高電平保持較長(zhǎng)時(shí)間后出現(xiàn)一段低電平，其同步間隔相對(duì)較長(zhǎng)，能夠滿足絕大多數(shù)fMRI設(shè)備同步方面的要求。本研究的目的就是要把圖1A的同步信號(hào)作為輸入，經(jīng)同步器處理后，能夠輸出如圖1B的同步信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)第二種同步方式。

1.4 硬件方框圖本研究同步器的硬件方框圖見圖2。本同步器的中央處理器采用AT89S52微控制器。可用來實(shí)現(xiàn)本同步器功能的單片機(jī)有許多種，AT89S52是目前應(yīng)用最廣泛，價(jià)格低廉的單片機(jī)。若用CPLD來實(shí)現(xiàn)同樣的功能，則芯片價(jià)格至少增加10倍。因此，本設(shè)計(jì)不再采用CPLD或者其他的單片機(jī)來改進(jìn)同步器的功能。在單片機(jī)采集輸入方波信號(hào)的同時(shí)，計(jì)算機(jī)通過matlab串口程序設(shè)置SP，其值與fMRI設(shè)備進(jìn)行EPI掃描時(shí)設(shè)置的腦圖層數(shù)相同，最后輸出處理后的同步信號(hào)，整個(gè)過程在matlab串口程序和單片機(jī)程序的控制下自動(dòng)完成，較基于CPLD的同步器，更為方便易行。

1.5 信號(hào)處理流程本同步器的中斷服務(wù)流程圖見圖3，初始化時(shí)，設(shè)定SP，并設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)變量cnt，同時(shí)設(shè)置輸出初始信號(hào)為高電平（邏輯1）。當(dāng)?shù)谝环N同步方式的方波信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)方波信號(hào)的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)cnt累計(jì)至（SP－1）時(shí)，cnt復(fù)位，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平（邏輯0）并延時(shí)10 ms，延時(shí)后再次使輸出信號(hào)設(shè)置為高電平（邏輯1），循環(huán)執(zhí)行。

部分中斷程序代碼如下：首先設(shè)置中斷0入口，然后對(duì)SP賦值為20。cnt初始值默認(rèn)為1，當(dāng)cnt小于SP時(shí)，輸出信號(hào)維持為高電平，當(dāng)cnt大于或者等于SP時(shí)，輸出信號(hào)轉(zhuǎn)為低電平并延時(shí)10 ms。

Matlab寫、讀程序如下：

首先將COM1口作為通訊口并設(shè)置各個(gè)初始參數(shù)，如通信接口波特率為9 600，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，然后打開串口s并向串口傳送參數(shù)20，將數(shù)據(jù)讀完后關(guān)閉串口，防止占用串口導(dǎo)致其他程序無法應(yīng)用，最后清除串口。

串口傳送程序（部分）如下：

首先聲明一個(gè)字符串?dāng)?shù)組SP，并初始化參數(shù)i和定時(shí)器0，接收由matlab向串口傳送的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)傳送回該串口，由matlab中fread（）函數(shù)讀回以驗(yàn)證傳送的數(shù)據(jù)是否正確。

2 結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)輸入輸出波形本實(shí)驗(yàn)的輸入輸出波形見圖4，圖4上為輸入波形，下為輸出波形。實(shí)驗(yàn)是在磁共振室完成，輸入波形從GE Signa 3.0T功能磁共振設(shè)備采集，波形間隔為100 ms，所以在前文提到的典型TR的時(shí)間內(nèi)，輸入波形的波形個(gè)數(shù)應(yīng)為20，因此本實(shí)驗(yàn)的SP也為20。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)輸入信號(hào)的周期為100 ms時(shí)，輸出信號(hào)保持SP-1個(gè)輸入信號(hào)的高電平，即為1 900 ms，然后變?yōu)榈碗娖窖訒r(shí)10 ms，高低電平的比例為190∶1，在示波器的同一個(gè)界面對(duì)比效果不明顯。為了使輸入輸出信號(hào)能夠產(chǎn)生更鮮明的對(duì)比，對(duì)輸入信號(hào)做了一定的處理，即周期由原來的100 ms等比例縮小為10 ms，輸入輸出信號(hào)對(duì)比效果明顯得到改善。輸入信號(hào)經(jīng)過同步器，可以看出波形維持（SP-1）個(gè)輸入波形的高電平后，轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r(shí)10 ms，延時(shí)后又轉(zhuǎn)變回高電平，循環(huán)執(zhí)行，結(jié)果與圖1吻合。

2.2 結(jié)果分析需注意的是：輸入信號(hào)和輸出信號(hào)并非圖4所示靜止不變，而是從左至右連續(xù)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)波形。實(shí)驗(yàn)證明，在臨床上當(dāng)?shù)谝环N同步信號(hào)類型的功能磁共振儀（如GE Signa 3.0T）滿足不了同步要求時(shí)，通過本研究設(shè)計(jì)的同步器即可解決這個(gè)問題，這樣既不需要更換整臺(tái)fMRI磁共振儀，很大程度上節(jié)約了成本；而且在保持了第一種類型fMRI的優(yōu)勢(shì)情況下，還提升了數(shù)據(jù)采集效率以及使用的兼容性。

3 討論

結(jié)合當(dāng)前fMRI研究的熱點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)針對(duì)成像過程中出現(xiàn)的信號(hào)同步問題，提出了一種基于AT89S52單片機(jī)的同步器設(shè)計(jì)。與基于CPLD的同步器比較，本實(shí)驗(yàn)的同步器不僅能有效解決第一種同步方式難以精確采集的問題，而且還能和大多數(shù)磁共振刺激系統(tǒng)兼容。更重要的是：可通過串口自動(dòng)設(shè)置SP，在使用過程中，SP一旦經(jīng)串口設(shè)定，后續(xù)操作便可自動(dòng)進(jìn)行，而不需要像基于CPLD的同步器那樣按照實(shí)驗(yàn)流程，在掃描準(zhǔn)備結(jié)束后，正式掃描之前，重復(fù)對(duì)同步器進(jìn)行復(fù)位、設(shè)置SP，加之此過程在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中易被醫(yī)護(hù)人員疏忽。另外，設(shè)計(jì)元器件相對(duì)來說較少，外部結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔；最后，在SP設(shè)置方面做的改進(jìn)，減少了醫(yī)護(hù)人員的工作量，避免了由于疏忽帶來的數(shù)據(jù)無效災(zāi)難。

實(shí)際的磁共振儀輸入輸出波形：第二種同步信號(hào)的低電平延時(shí)，不是在最后一個(gè)輸入信號(hào)的上升沿產(chǎn)生，但在實(shí)驗(yàn)中，第二種同步信號(hào)的低電平延時(shí)是在最后一個(gè)輸入信號(hào)的上升沿轉(zhuǎn)變，這并不影響同步器的使用。在基于CPLD同步器的設(shè)計(jì)中，輸出信號(hào)的低電平寬度等于同步信號(hào)的一個(gè)周期，所以當(dāng)輸入信號(hào)的周期改變時(shí)，輸出信號(hào)的低電平寬度也隨之改變，這樣便會(huì)帶來額外誤差，這和第二種同步方式輸出的定寬低電平并不完全一致，所以需要通過后續(xù)的誤差處理消除。經(jīng)過處理的同步信號(hào)的低電平寬度等于一個(gè)10 ms的定長(zhǎng)，幾乎不會(huì)產(chǎn)生額外誤差，所以本實(shí)驗(yàn)和第二種同步方式輸出的定寬低電平基本一致，在這一點(diǎn)上，本實(shí)驗(yàn)的同步器設(shè)計(jì)也優(yōu)于此前的同步器設(shè)計(jì)。

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The design of functional magnetic resonance synchronizer based on single-chip microcomputer

Sui Jianfeng，Liang Zhen，He Shan，et al
（School of Life Science，Anhui Medical University，Hefei 230032）

ObjectiveTo design the synchronizer which can process the synchronous output signal from functional magnetic resonance imaging（fMRI），and to analyze the capability of how to solve the synchronous problem.MethodsThere were two output styles of synchronous signal while the fMRI image data were gathered：first，while the whole brain map was gathered，the synchronous square wave signal was exported once each layer of image was gathered；second，the synchronous signal was exported after the whole brain map was gathered.First，the layers of thewhole brain map was set，and the layers called SP（synchronization parameter）too；then the first style of synchronous square wave signal was gathered，the method of MCU external interrupt was used to count the rising edge of the first synchronous square wave signal，and kept the initial output of high level；until the last layer of the brain image，the output was set to low level and delayed for a period of time.ResultsThe first style synchronous square wave signal was changed to the second synchronous signal successfully by the synchronizer；the SP was set by the matlab serial program automatically，then transmitted to the single-chip microcomputer by serial port.The results showed that the synchronizer could set SP automatically.ConclusionThe synchronous problem of synchronous signal from some fMRI instruments is solved by the synchronizer and the compatibility of devices would be enhanced，the SP is set automatically，which can reduce the workload of medical staff.

functional magnetic resonance imaging；synchronization；single-chip microcomputer；serial ports

R 318.6

A

1000－1492（2015）07－0896－05

2015－03－13接收

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：31400943）；安徽省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（編號(hào)：1308085QC55）；安徽省高等學(xué)校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目（編號(hào)：2012SQRL068ZD）

安徽醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，合肥 230032

眭建鋒，女，碩士研究生；梁 振，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，責(zé)任作者，E-mail：liangzhen＠foxmail.com