MRI頻譜控制器設計概念

在先前的文章有介紹到MRI的硬體架構，概要分類成主磁體、線圈與圖像計算處理三大部分，而今天要談的是圖像計算處理的部分。在這個部分涵蓋了電腦計算、控制介面與系統控制，這次主要是很概略的對梯度系統與RF系統的控制模組如何設計來介紹。

MRI 系統 [1]

系統控制或稱作伺服器，功能是產生RF脈衝訊號(Sinc波)、梯度脈衝方波、接收自由衰減訊號(RF訊號)，產生各種成像的脈衝序列。

以這樣來看，設計的功能方向包含六項。

(1)根據設定的脈衝序列產生射頻的波形

(2)根據設定的脈衝序列產生XYZ梯度脈衝波形

(3)根據設定的脈衝序列輸入、輸出的訊號

(4)設定脈衝序列的時序參數

(5)接收射頻的回波訊號

(6)數據的演算處理成像

功能確定後要如何達成，在概念上先是射頻訊號要如何產生射頻訊號?早期可能都會用類比的方式處理，但現在大多數會選擇使用DDS模組(裡面還涵蓋了多種射頻電路)數位的方式來產生。梯度的部分需要輸出的脈衝電壓基本上是方波，只是切會速度需要很快，才稱為脈衝。在設計上可以使用能快速切換的DC Generater 模組。而在序列時序的安排上設計上需要以DSP的晶片來做處理。接收訊號的部分則需要像示波器功能的接收板。而數據處理就很理所當然地交給電腦。大致上的設計思路會這幾個方向。

控制系統的概念圖 [2]

在概念圖上我們可以了解系統是由三個部件組成，DDS(產生射頻訊號)、DSP(時序處理)與SDR(接收訊號)。這樣好像看起來不難，就三個東西而已。但要實現，好像就沒那麼容易。是的，但事實上，裡面其實就只包含三個功能，射頻訊號發射、射頻訊號接收與梯度序列輸出，而梯度序列的部分相對單純，只需要用控制器(FPGA)控制數位類比轉換器(DAC)使其ON或OFF即可達到目地。反倒是RF收發系統稍微複雜，可參考下圖。

簡易的MRI收發系統 [3]

中間SDR是RF收發系統的部分，需要由FPGA搭配DSP去控制訊號的發射與接收。但在發射的部分，因為這篇文獻是用在低場MRI可以只接使用FPGA的時脈去產生數位弦波，否則一般1.5–3 T的MRI都需要再搭配DDS模組來產生射頻訊號。說到這裡似乎會有種好像知道怎麼實現，但又不知道該怎麼做，對吧? 只能說實現的方法有很多種，看是要土法煉鋼呢?還是買現成技術?那我用二個實例FPGA與NI的模組來解決大家的疑惑吧

FPGA控制系統實現

基本上下面要介紹的方式為簡易版的系統控制，給就是MRI的低規。並非頂配，講白的就是東湊西湊兜出來的，無法跟奇異、西門子等大老比較。

FPGA控制發射系統架構

基本上就是用FPGA+DSP作為控制器的核心，搭配一些現成的模組去兜起來的，在模組的規格上還是要看MRI本身的設計需要哪個頻段去採購。

FPGA控制接收系統架構

收發模組的DDS是同一台模組，AD9854為4 port輸出，基本上在發射端上綽綽有餘，下面為梯度脈衝輸出架構，相對的會比較單純。

FPGA控制梯度脈衝系統架構

其實就是三個DAC分別輸出到三個方向X Y Z的梯度放大器。當然兜起來是一回事，要動起來可不容易。先問自己你學Verilog了嗎?沒有沒關係，可以試看看第二個方案。

NI模組控制系統

會選擇用NI來做介紹並非幫他們打廣告，而是NI的模組相對穩定(價格高)，且技術支援給力，且Labveiw語言的撰寫相對容易，就算不會至少還有NI在背後撐著，來先看一下Aktham Asfour學者所使用的架構[4]。

NI NMR的系統架構 [4]

那在架構上幾乎與FPGA大同小異，RF開關的部分改成用Duplexer(也算是一種開關)來處理。這個架構主要是用在低場的NMR的系統上，所以少了梯度的系統。但只要給他加上去就好了，如下圖。

NI MRI的系統架構

在架構上基本功能為提供射頻線圈激勵電磁訊號、接收射頻線圈上自由衰減訊號與提供梯度線圈脈衝序列。射頻發射與接收模塊在I/O port的數量選擇上主要是看射頻線圈的需求，若使用陣列型線圈所需要的Port數量就會較高(2 port以上)。在梯度模塊上主要是提供X、Y、Z三軸梯度線圈電壓訊號，再透過梯度放大器將電壓放大得到大電流使梯度線圈產生線性磁場。在梯度模塊的需求上主要為輸出類比直流電壓且能快速切換，在輸出port的需求為3個輸出port，最後用NI的工業電腦兜再一起就完成硬體的部分了。

NI射頻收發系統

梯度脈衝系統

上述的規格是以1T的MRI所開出的規格，當然設計的磁場強度越高，所需要的規格就要提升，至於為甚麼?可以參考磁振造影原理或以前幫大學部上課的講義。

其實上述的內容都是我以前念書時花時間整理出來的，並非屬於任何人的。只是覺得這些資料如果沒有寫出來就覺得當時整理的意義不大，但在文章的撰寫上並非很嚴謹，想說可以幫助有想要發展MRI系統的人可以作為一點參考方向，畢竟MRI要做出來不容易。

參考資料

1. MRI譜儀原理與設計，徂棟林
2. Aktham Asfour, K. Raoof, and J. P. Yonnet, “Software Defined Radio (SDR) and Direct Digital Synthesizer (DDS) for NMR/MRI instruments at low-field,” Sensors (Basel)., vol. 13, no. 12, pp. 16245–16262, 2013.
3. C. J. Hasselwander, “gr-MRI: A Software Package for Magnetic Resonance Imaging Using Software Defined Radios,” Vanderbilt University, 2016.
4. Aktham Asfour, "Low-Field NMR/MRI Systems Using LabVIEW and Advanced Data-Acquisition Techniques"