磁共振成像儀的線圈調諧檢測模塊設計

戴奇成,陳 忠, 劉 敏

（廈門大學電子科學系，福建省等離子體與磁共振研究重點實驗室，361005）

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磁共振成像儀的線圈調諧檢測模塊設計

戴奇成,陳 忠*, 劉 敏

（廈門大學電子科學系，福建省等離子體與磁共振研究重點實驗室，361005）

摘要：線圈作為磁共振成像系統的重要組成部分，其性能直接影響成像質量。為了盡可能保證信噪比和圖像質量，探測前需進行線圈調諧。調諧時，通過微調線圈的共振頻率和阻抗兩個參數，使線圈共振頻率與拉莫爾頻率一致，線圈和前放電路阻抗匹配。本文設計了一種線圈調諧的檢測模塊，闡述了模塊的工作原理和軟硬件設計。模塊包括測量、處理兩個部分，其中采用STM32采集電壓數據，通過數據轉換后用液晶屏顯示實時波形。實際結果表明，此檢測模塊不僅延續了上位機調諧顯示直觀清晰的優點，而且兼具獨立數碼顯示表的操作便捷的優點。

關鍵詞：核磁共振成像；線圈調諧；STM32

0　引言

核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場的作用下自旋發生塞曼分裂，共振吸收一定頻率的射頻輻射的物理過程。利用這一特性研制的磁共振成像儀器已經成為科學研究和醫學診斷的重要工具之一，具有無電離輻射、分辨率高、不同切面成像等優點。

在磁共振成像儀中，射頻線圈是一重要組成部分，直接影像圖像的信噪比和質量。當射頻線圈中放入樣品，由于射頻線圈和功率放大模塊之間的阻抗不匹配，會引起信號反射、削弱發射功率，甚至損壞功率模塊，對于接收線圈，失諧情況下接受到的磁共振信號大幅減弱，影響最終成像質量。本文設計了一種線圈調諧檢測模塊，在調諧過程中對線圈的反射功率進行實時監測及顯示，從而保證射頻線圈工作在拉莫爾頻率下并且阻抗匹配。

1　調諧原理

如圖1所示，整個調諧系統主要由射頻線圈、調諧網絡和檢測模塊組成。調諧時，發射機經定向耦合器向射頻線圈發送掃頻信號，并由STM32實時顯示耦合出的反射信號強度。通過調節匹配網絡可變電容，觀察反射信號頻率曲線，來判定線圈是否調諧與匹配。

圖1　系統組成圖

1.1調諧網絡

調諧網絡主要有兩個作用：第一是使射頻線圈在拉莫爾頻率下諧振；第二是當射頻線圈達到諧振時阻抗匹配。

圖2　調諧網絡

具體上，調諧網絡如圖2結構,以達到調諧和匹配兩個功能。其中，Cm和Ct為兩個可變電容，它們與線圈一起構成一個分布式的LC諧振電路。Cm和Ct的值可用式(1)和式(2)表示。

式中，L為線圈的電感，R為線圈電阻，阻抗，。當有樣品放入到線圈中時，會使諧振電路的諧振頻率偏離拉莫爾頻率，所以每當有樣品放入線圈后，都需要對線圈進行調諧。調諧時，調節Ct的容值使線圈在拉莫爾頻率下諧振，Ct稱為調諧電容，然后調節Cm的電容值達到阻抗匹配，Cm稱為匹配電容。

2　測量部分

如圖3所示，測量部分主要由定向耦合器和對數檢波器構成。在調諧時，掃頻信號通過定向耦合器傳輸給線圈，定向耦合器耦合出的反射信號，經過對數檢波器將反射信號功率轉化為電壓信號，再送入STM32進行處理。

圖3　測量部分流程圖

圖4　定向耦合器

工作時，信號經端口1輸入，由端口2輸出給射頻線圈，會有一部分能量耦合到端口3和端口4，從端口3耦合出來的是入射信號，從端口4耦合出來的是反射信號。當射頻線圈與功率放大模塊阻抗不匹配時，會造成發射信號減弱，反射信號增強。匹配程度越低，反射信號強度越強，這里主要通過檢測從端口4耦合出來的反射信號強度來衡量線圈是否在拉莫爾頻率下諧振下以及阻抗匹配。

本設計中采用ADI公司的解調對數放大器AD8318對耦合出的反射信號進行功率檢測。AD8318是一種性能優越的對數檢波放大器，它能夠將RF信號精確轉換為對應于dBm標度的電壓信號，對于1MHz～6GHz的信號能保持對數精確一致性，輸出信號電平為0V～2.1V，動態范圍可到60dB。

AD8318由9級解調型對數放大器級聯構成。每級放大器，增益為8.7dB，帶寬10.5GHz，輸出經檢測單元變換為電流并輸入電流求和電路，再經過濾波后形成與射頻信號電壓成對數關系的電壓輸出。其傳遞函數近似如公式（3）。

(3)

其中為輸出電壓，單位是V；為輸入功率，單位dBm[6]。圖5 為AD8318輸出電壓與輸入功率的典型關系圖。圖6為AD8318的外圍電路圖。

圖5　AD8318輸入輸出典型關系

圖6　AD8318外圍電路

3　處理部分

如圖7所示，處理功能主要使用STM32完成。STM32通過內部Systick定時器精確定時，利用內置ADC采集電壓信號，并用DMA直接存儲采集數據。同時，STM32再結合從上位機獲取的掃頻信號參數形成二維數據矩陣，并在液晶顯示屏顯示，反映當前反射信號頻率曲線。

圖7　STM32流程圖

3.1STM32片上資源

ARM Corte-M系列內核是專門為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的，本模塊采用ST公司生產的以Cortex-M3為內核的32位帶64K字節閃存的微控制器STM32F103作為控制核心，該芯片最高工作頻率可達72MHz，具有64K的閃存存儲器和高達20K字節的SRAM。

STM32具有豐富的外設資源，內嵌2個12位逐次逼近型模數轉換器，可以實現單次或多次掃描轉換，各通道的A/D轉換可以單次、連續、掃描或間斷模式執行，ADC結果可以左對齊或右對齊存儲在16位數據寄存器中，其轉換時間可編程，采樣時間最短為1us[7]。此外，可有多種轉換模式選擇，本系統只需使用一個ADC，采用的是獨立模式。

此外，靜態存儲控制器FSMC可用于STM32芯片控制NOR FLASH、PSRAM和NAND FLASH存儲芯片。

3.2數據采集和轉換

數據的采集主要由STM32內置ADC完成，AD8318的典型輸出電壓范圍為0.3V～2.1V，當RF檢波器提供標稱值-24mV/dB的斜率時，數字分辨率為39.3LSB/dB，因此不必調整來自AD8318的信號以便恰好符合STM32 內部ADC的基準電壓。本模塊只需使用一個ADC進行采樣，配置ADC1為獨立模式。需循環采集電壓值，使能連續轉換模式。配置ADC時鐘為14MHz，將ADC1的通道3配置為28.5個采樣周期，這樣，由ADC采樣時間計算公式得到轉換時間為2.93，式中T為采樣周期。數據使用DMA進行存儲，不經過CPU，以右對齊格式直接存儲到對應地址之中。

ADC采集的原始電壓數據并不能直接輸出到LCD，必須要轉換成能液晶屏上的坐標點，才可以實現波形顯示。

縱坐標(Y軸)根據檢波器的輸出范圍（本文為0～2V）和液晶屏的分辨率（320240），將液晶屏的Y軸以間隔值2/240分成240份，用測得的電壓值除以間隔值，然后轉化成int值，就是縱坐標的值。

根據串口得到掃頻信號的掃頻周期，確定SysTick定時器精確延時時間，使得ADC能定時循環采集電壓信號。例如典型的掃頻周期為1s，一個掃頻周期需采集320點，配置系統時鐘為72MHz，每3125個時鐘周期跳出延時中斷，這樣ADC每隔3.125ms，進行一次電壓采集。

3.3顯示模塊設計

檢測模塊采用3.2寸液晶屏（240320）進行實時的波形顯示。目前大多數的液晶控制器都使用8080或6800接口與MCU相連，其接口時序可由STM32使用普通I/O進行模擬，不過效率較低，這里使用STM32F103中的FSMC模擬8080時序，控制LCD。

根據STM32對尋址空間的地址映射，分配給NOR FLASH的地址屬于映射到外部存儲器的，當FSMC外設被配置為正常工作，并外部連接了NOR FLASH，這時若向對應地址寫入數據，FSMC會自動在各信號線上產生相應的電平信號，寫入數據。只要我們在代碼中利用指針變量，向不同的地址單元寫入數據，就能夠由FSMC模擬出8080接口向ILI9341寫入控制命令或GRAM的數據。

初始化FSMC模式和液晶屏后，通過函數向液晶屏發送寫GRAM內容的命令，然后轉化后的坐標點就被解析為屏幕像素點，實現波形顯示。

4　結果與分析

表1是對AD8318輸入0dBm～-50dBm的信號，測量的輸出電壓值，從數據看AD8318具有較好的輸出線性度，趨近于標稱值。

表1　AD8318測量結果

對線圈輸入19MHz～23MHz周期為1s的掃頻信號，顯示波形如圖8所示。圖中豎線為拉莫爾頻率基準線，當調節調諧電容時，圖中尖峰會左右移動，當尖峰對應基準線時，代表線圈在拉莫爾頻率下諧振，然后調節匹配電容，尖峰最尖的時候阻抗匹配。由于匹配電容的改變會影響線圈的共振點，使得圖中尖峰再次偏離基準線，所以需要重復調節兩個電容的容值，直到調諧完成。

圖8　波形顯示圖

實驗數據表明，本系統設計良好，運行可靠，對數據能準確測量，操作簡單，并且顯示實時性好。

5　結論

本文介紹了用于磁共振成像儀的線圈調諧檢測模塊，當給線圈一個掃頻信號時，AD8318對耦合出來的反射信號進行功率檢測，并輸入STM32處理單元進行電壓采集和液晶屏實時顯示。根據實時反射信號頻率曲線，可以更加清晰快捷地調節調諧網絡使線圈達到共振和匹配狀態。結果表明，該模塊功耗低，操作簡單，能很好地實現磁共振成像儀的線圈調諧。

參考文獻

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中圖分類號:TP336

文獻標識碼：A 國家標準學科分類代碼： 510.8040

作者簡介

戴奇成，男，1991年生，廈門大學碩士研究生，主要研究方向為磁共振成像儀的線圈調諧。

陳忠（通信作者），男，1965年出生，教授，主要研究方向為科學儀器研制、磁共振波譜與成像新技術、信號和圖像處理等。

項目：國家自然科學基金（11175149）資助項目

Coil tuning detection module design of magnetic resonance imaging

Dai Qicheng,Chen Zhong*,Liu Ming
(Department of Electronic Science, Fujian Key Laboratory of Plasma and Magnetic Resonance, Xiamen University,Xiamen，361005)

Abstract：Coil as an important part of magnetic resonance imaging system,its performance directly effects the imaging quality.In order to ensure the signal-to-noise and image quality as much as possible,it must tune before detect.When tuning,it make the coil resonance frequency is consistent whit the larmor frequency,coil and the circuit impedance matching by tuning the coli frequency and impedance.In this paper,we design a coil tuning detection module,elaborated the principle of module and design of software and hardware.This module includes two parts:measurement and processing. Use STM32 to collect the data of voltage,and display real-time waveform by LCD screen.It turned out that this module not only has the advantage of intuitive and clear by upper machine tuning,and both has the advantage of convenient operation.

Keywords：magnetic resonance imaging;coil tuning; STM32