阅读说明：本技术 一种梯度波形速率可自动适配输出的方法及磁共振系统 (Method for automatically adapting and outputting gradient waveform rate and magnetic resonance system ) 是由 吴林 张涛 胡霞飞 谢玺洁 余洁 于 2020-05-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种梯度波形速率可自动适配输出的方法及磁共振系统,应用于计算机技术领域,针对现有技术存在的磁共振序列设计的梯度波形信号速率不能根据磁共振应用灵活配置的问题,本发明将核磁共振序列设计梯度波形速率匹配成梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率,实现了核磁共振序列设计梯度波形速率时,不会受到梯度波形信号发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率约束,同时也不会梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率的约束的技术效果。(The invention discloses a method and a magnetic resonance system for automatically adapting and outputting gradient waveform rate, which are applied to the technical field of computers and aim at the problem that the gradient waveform signal rate of magnetic resonance sequence design in the prior art can not be flexibly configured according to magnetic resonance application, the invention matches the gradient waveform rate of nuclear magnetic resonance sequence design into the conversion rate of an analog-to-digital converter of a gradient waveform signal generator or the data transmission rate of a single-axis gradient waveform signal of a digital communication interface with a digital gradient amplifier, when the gradient waveform rate of nuclear magnetic resonance sequence design is realized, is not constrained by the internal operating rate of the field programmable logic device of the gradient waveform signal generator, and meanwhile, the technical effect of the restraint of the conversion rate of an analog-to-digital converter of the gradient waveform signal generator or the data transmission rate of a single-axis gradient waveform signal of a digital communication interface with the digital gradient amplifier is avoided.)

一种梯度波形速率可自动适配输出的方法及磁共振系统

技术领域

本发明属于计算机技术领域，特别涉及一种核磁共振成像中梯度波形信号速率可自动适配技术。

背景技术

核磁共振是现代医学中常用的一种影像检查技术。核磁共振系统包括磁体系统，梯度系统，射频系统，信号采集系统，以及图像重建系统等。其中，梯度系统用于给核磁共振系统提供线性度满足需求，并且能够快速开关的梯度磁场，叠加在主磁场上，实现对成像体素的空间定位。梯度系统包括梯度波形产生器，梯度放大器，以及梯度线圈等。

在磁共振成像系统中，为获得精确的图像信息，对被测体的每个体素的空间位置信息进行精确定位至关重要。目前，磁共振成像系统是通过梯度波形产生器产生三轴梯度波形，再由梯度放大器对三轴梯度波形放大后驱动三维梯度线圈，实现被测体的每个体素的空间定位。

梯度波形产生器用于输出三轴梯度信号。梯度波形产生器中，目前有两种实现方式：其中一种通用技术是采用数模转换器将数字梯度信号转换成模拟梯度信号进行输出，然后输出到梯度放大器；另外一种通用技术是梯度波形产生器没有模数转换器，直接通过数字通信协议接口直接跟梯度放大器进行梯度波形数据的传输，梯度放大器接收数字的梯度波形数据。目前这两种技术在核磁共振领域都在使用。

第一种通用技术，梯度波形产生器集成了数模转换器，其中数模转换器的转换速率在设计开始时就被固定下来。第二种通用技术，梯度波形产生器没有模数转换器，直接通过数字通信协议接口直接跟数字梯度放大器进行梯度波形数据的传输，数字梯度放大器接收数字的梯度波形数据，数字通信协议在设计开始时一般就将梯度波形信号的速率固定下来。现有的磁共振序列设计的梯度波形信号速率不能根据磁共振应用灵活设置，而通常也被动受限于梯度波形产生器的梯度波形信号速率约束。

申请号为201910084627.2的专利《一种重采样滤波器及滤波方法》，实施例公开了一种重采样滤波器及滤波方法，该方法可以包括：按照设定的滤波功能对输入数据进行分流，得到N条分流数据；其中，所述滤波功能包括N倍插值滤波功能或N倍抽取滤波功能；对所述分流数据进行乘加处理，得到输出数据；按照设定的滤波功能从所有输出数据以及所有输出数据之和中进行选择，得到中间数据；按照与所述滤波功能对应的采样频率对所述中间数据进行采样，得到重采样后的滤波数据。该专利未考虑中间数据的余数处理。

申请号为200610011592.2的专利《一种数字信号的重采样方法》公开一种数字信号的重采样方法，用于将输入的长度为W1的象素序列O降采样，输出长度为W2的象素序列R，W1＞W2，其特征在于，重采样时，逐步输入序列O中的W1个象素时，有X1次对S1个象素取平均作为输出序列R的一个象素，有X2次对S2个象素取平均作为输出序列R的一个象素，得到象素序列R，其中X1＝W1％W1％W2，X2＝(W2－X1)，S1＝Ceil(W1/W2)，S2＝Floor(W1/W2)，Ceil()表示向上取整运算，Floor()表示向下取整运算，“％”表示求余运算，W1＝S1*X1+S2*X2。采用本发明方法，可以减少计算量和存储量，灵活地实现数字信号的重采样。该专利针对长度为W2序列R的每个象素值，只粗略考虑到向上取整和向下取整两种对每个象素值的余数的处理方式。

以上2个专利在做速率重采样或者重匹配时，未精确考虑重采样后每个中间数据或者象素点的余数的处理，致使序列设计的理想梯度波形面积跟实际发出的梯度波形面积有误差，造成三维空间定位出现误差。

发明内容

为解决现有技术存在的磁共振序列设计的梯度波形信号速率不能根据磁共振应用灵活配置的问题，本发明提出一种梯度波形信号速率可自动适配输出的方法、装置及磁共振系统；本发明将重匹配速率后的当前点的余数累加到下一个点的累加器里。并且，本专利针对核磁共振的梯度系统，采用两级速率重匹配的结构。

本发明采用的技术方案为：一种梯度波形信号速率可自动适配输出的方法，包括：梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元速率跟核磁共振序列设计的梯度波形信号速率的自动适配；以及梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率到梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率的自动适配；

所述梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元速率跟核磁共振序列设计的梯度波形信号速率的自动适配，具体为：将梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的一个周期T2映射到若干个核磁共振序列设计的梯度波形信号的两个相邻点间隔周期T1；将这若干个的核磁共振序列设计的梯度波形信号的两个相邻点间隔周期T1内的梯度波形值转换成梯度面积，最终换算成梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的一个周期T2的梯度波形信号的幅值；

所述梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率到梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率的自动适配，具体为：将模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的一个周期T3映射到若干个梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的一个周期T2；根据这若干个的梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元在周期T2内的梯度波形信号幅度值转化成梯度面积，最终换算成模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的一个周期T3的梯度波形信号的幅值。

基于的梯度波形信号速率可自动适配输出装置依次包括：核磁共振序列设计的梯度波形信号单元、梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元、模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元；

所述核磁共振序列设计的梯度波形信号单元至少包括寄存器模块；

所述梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元依次包括：寄存器读取模块、第一累加器、第一梯度波形滤波器；

所述模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元依次包括：梯度波形重采样模块、第二累加器、第二梯度波形滤波器、数模转换器或数字梯度放大器通信协议接口。

在当前T2周期内，寄存器读取模块根据梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的最小时间精度不断地读取核磁共振序列设计的梯度波形信号所存储的寄存器；第一累加器根据寄存器读取模块的读取结果进行梯度信号幅度的累加；第一梯度波形滤波器将累加器得到的值除以T2周期内寄存器读取模块的总读取次数的结果取整作为当前T2周期输出梯度波形信号的幅度值；第一梯度波形滤波器将第一累加器得到的值除以T2周期内寄存器读取模块的总读取次数的结果得余数作为下一个T2周期的第一累加器的初始累加值。

所述第一累加器根据寄存器读取模块的读取结果进行梯度信号幅度的累加；具体过程为：根据寄存器读取模块读取的梯度波形信号的次数进行幅度值的累加，不同幅度值的梯度波形信号的读取次数之和等于T2除以梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的最小时间精度的结果。

在当前T3周期内，若梯度波形滤波器输出的梯度波形的幅值一直不变，则梯度波形重采样模块直接将梯度波形滤波器输出的梯度波形的幅值传给模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口；若梯度波形滤波器输出的梯度波形的幅值发生变化，则梯度波形重采样模块以模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的最小时间精度不断读取第一梯度波形滤波器输出的梯度波形信号；第二累加器根据梯度波形重采样模块的读取结果进行梯度波形信号幅度的累加；第二梯度波形滤波器将第二累加器得到的值除以T3周期内梯度波形重采样模块的总读取次数的结果取整作为当前T3周期输出给模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口模块的梯度波形信号的幅度值；第二梯度波形滤波器将第二累加器得到的值除以T3周期内梯度波形重采样模块的总读取次数的结果得余数作为下一个T3周期的第二累加器的初始累加值。

所述第二累加器根据梯度波形重采样模块的读取结果进行梯度波形信号幅度的累加；具体过程为：根据梯度波形重采样模块读取的梯度波形信号的次数进行幅度值的累加，不同幅度值的梯度波形信号的读取次数之和等于T3除以模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的最小时间精度的结果。

一种核磁共振系统，采用上述方法进行梯度波形信号速率自动适配。

梯度波形适配方法主要运用在核磁共振的梯度波形发生器；核磁共振系统包括磁体系统，梯度系统，射频系统，信号采集系统，以及图像重建系统等。其中，梯度系统由梯度波形产生器，梯度放大器，以及梯度线圈组成。梯度波形发生器由2部分组成：现场可编程逻辑器件的内部运算单元，模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元。

本发明的有益效果：本发明将核磁共振序列设计梯度波形速率匹配成梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率，能够保证梯度波形信号发生器的模数转换器或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口实际输出的梯度面积精度跟核磁共振序列设计的梯度波形面积一致；

同时，核磁共振序列设计梯度波形不必关心梯度波形信号发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率，以及梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率等硬件指标；梯度波形信号发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率可以自动去适配不同的核磁共振序列设计的梯度波形信号的速率；

本发明实现了核磁共振序列设计梯度波形速率时，不会受到梯度波形信号发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率约束，同时也不会梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率的约束的技术效果，从而使核磁共振序列设计梯度波形时具有相当的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的梯度波形信号速率变换和自动匹配的实现框图；

图2为本发明实施例提供的T1小于T2时的T1到T2的速率匹配示意图；

图3为本发明实施例提供的T1大于等于T2时的T1到T2的速率匹配示意图；

图4为本发明实施例提供的T2到T3的速率匹配示意图；

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

由于磁共振梯度波形的面积要求精度高，需要跟上层设计理论梯度波形面积高度一致，因此，本发明将重匹配速率后的当前点的余数累加到下一个点的累加器里。并且，本发明针对核磁共振的梯度系统，发明了两级速率重匹配的结构。

本发明的梯度波形信号发生器的速率涉及到3个层次的速率，对应的倒数即为相应层次的周期时间；从上到下依次为：

核磁共振序列设计的梯度波形信号速率，其周期为T1，即相邻两个点的间隔时间；

梯度波形信号发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率，其周期为T2；

梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率，其周期为T3。

如图1，从功能划分看，梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元依次包含寄存器读取模块，第一累加器，以及第一梯度波形滤波器；模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元依次包含：梯度波形重采样，第二累加器，第二梯度波形滤波器，以及模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口；

从上到下分为：核磁共振序列设计的梯度波形，其通过梯度波形寄存器传至寄存器读取模块；寄存器读取模块的下一级功能单元分别为第一累加器，第一梯度波形滤波器，梯度波形重采样，第二累加器，第二梯度波形滤波器，模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口。

在本发明实施例中，将一个梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率，跟核磁共振序列设计的梯度波形信号速率进行速率自动匹配；具体过程为：由于梯度的大小是以输出的梯度的面积来计算的，和瞬时的梯度值大小没有太大关系，利用这个原理，本发明将梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算的一个周期映射到若干个核磁共振序列设计的梯度波形信号的两个相邻点间隔周期；若干个的核磁共振序列设计的梯度波形信号的两个相邻点间隔周期内的梯度波形值转换成梯度面积，再换算成梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算的一个周期的梯度波形信号的幅值。

梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率到梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率的自动适配方式，跟核磁共振序列设计的梯度波形信号速率到梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算速率的自动适配的原理一致：将模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的一个周期T3映射到若干个梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的一个周期T2；根据这若干个的梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元在周期T2内的梯度波形信号幅度值转化成梯度面积，最终换算成模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的一个周期T3的梯度波形信号的幅值。

T1为核磁共振序列设计的梯度波形信号的两个相邻点间隔周期，T2为一个梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算周期。tick1是梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的最小时间精度，T2等于2^n个tick1时间长度。T1长度可以根据序列应用灵活设置。2^n的幂指数n的最小取值受梯度波形发生器的现场可编程逻辑器件的内部运算单元的算法运行周期的约束，算法主要用于计算梯度预加重幅度值和B0补偿频率，算法需要最多对64组由梯度涡流拟合的时间参数和幅度参数做递归运算，平均对每组时间参数和幅度参数运算需要占用4个运行周期(4个tick1)，那么64组参数运算至少需要256个tick1，即2^8个tick1。因此，n最小值为8。

如果T1小于T2时，如图2所示，以一个T2时间段内接收到序列下发的3个梯度波形数据(幅度值分别是A，B，C)为例，寄存器读取模块以tick1的时间周期不停地读取核磁共振序列设计的梯度波形幅度值所在的寄存器，假设对幅度值为A的波形幅度值读取了n1次，对幅度值为B的波形幅度值读取了n2次，则对幅度值为C的波形幅度值读取次数为2^n-n1-n2。在累加器1执行的操作为：在T2时间周期内累计的梯度波形面积为A*n1+B*n2+C*(2^n-n1-n2)。梯度波形滤波器1执行运算：(A*n1+B*n2+C*(2^n-n1-n2))/2^n，梯度波形滤波器1的运算结果取整部分即是梯度波形滤波器1在当前T2周期时间应该输出给梯度波形重采样模块的梯度波形幅度值，命名为Amp_T2；梯度波形滤波器1的运算结果的余数部分作为下一个T2周期的累加器1的初始累加值。

如果T1大于等于T2时，如图3所示，以一个T1时间段对应2到3个T2周期，寄存器读取模块以tick1的时间周期不停地读取核磁共振序列设计的梯度波形幅度值所在的寄存器。若在T2周期内，梯度波形幅度值所在的寄存器一直没有变化，则在该T2周期，梯度波形滤波器1在每个T2周期时间应该输出给梯度波形重采样模块的梯度波形幅度值跟核磁共振序列设计的梯度波形幅度值相等。若在T2周期内，核磁共振序列设计的梯度波形幅度值所在的寄存器发生了变化，且序列梯度波形幅度值所在的寄存器变化前后，对幅度值为A的序列梯度波形幅度值所在的寄存器读取了n1次，则对幅度值为B所在的寄存器读取了2^n-n1次。在累加器1执行的操作为：在T2时间周期内累计的梯度波形面积为A*n1+B*(2^n-n1)。梯度波形滤波器1执行运算：(A*n1+B*(2^n-n1))/2^n，梯度波形滤波器1的运算结果取整部分即是梯度波形滤波器1在当前T2周期时间应该输出给梯度波形重采样模块的梯度波形幅度值Amp_T2；梯度波形滤波器1的运算结果的余数部分作为下一个T2周期的累加器1的初始累加值。

梯度波形信号发生器的模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口的单轴梯度波形信号数据传输速率，其周期为T3，在通用实现技术中T3一般小于T2。tick2是模数转换器转换速率或者跟数字梯度放大器进行数字通信接口单元的最小时间精度，T3等于2^m个tick2时间长度。

如图4所示，梯度波形重采样模块以tick2的时间周期不停地读取梯度波形滤波器1的输出的梯度波形数据。若在T3周期内，梯度波形滤波器1的输出的梯度波形幅度值数据一直没有变化，则在该T3周期，梯度波形重采样直接将梯度波形滤波器1的输出的梯度波形幅度值数据传给模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口。若在T3周期内，梯度波形滤波器1的输出的梯度波形幅度值数据发生了变化，且梯度波形滤波器1的输出的梯度波形幅度值数据变化前后，对幅度值为A的序列梯度波形幅度值读取了m1次，则对梯度波形幅度值为B读取了2^m-m1次。在累加器2执行的操作为：在当前T3时间周期内累计的梯度波形面积为A*m1+B*(2^m-m1)。梯度波形滤波器2执行运算：(A*m1+B*(2^m-m1))/2^m，梯度波形滤波器2执行运算结果取整数部分即是梯度波形滤波器2在当前T3周期时间应该输出给模数转换器或者数字梯度放大器通信协议接口模块的梯度波形幅度值，命名为Amp_T3；梯度波形滤波器2执行运算结果取余数部分作为下一个T3周期的累加器2的初始累加值。

现有技术对余数有2种处理方式：扔掉；向上取整或向下取整，对余数的处理总是存在误差。本发明将重匹配速率后的当前点的余数累加到下一个点的累加器里，使得梯度波形发生器出的梯度面积与序列设计者设计的梯度波形面积完全一致，从而使三维梯度空间定位更加精准。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。