谱仪是磁共振成像系统的关键设备，是一个集成了物理、电子、计算机、软件等领域的先进技术于一体的高技术装备，它控制整个磁共振成像系统的时序以及各种波形信号的产生、发射、接收和处理，其性能优劣是决定磁共振成像质量的重要因素。

　　磁共振成像系统分为永磁磁共振成像系统及超导磁共振成像系统。其中，超导磁共振成像系统在病人成像时间、成像质量、操作灵活性、成像功能、系统稳定性等方面较永磁磁共振成像系统有更大的提高。

　　谱仪的主要作用是根据临床应用选择不同的成像序列和参数，产生射频脉冲信号及梯度磁场信号。此外，谱仪还要对接收到的磁共振信号进行数据采集，并将采集到的数据送往计算机控制台的主机进行原始数据的处理及图像的重建、显示。

　　由于谱仪涉及物理、电子、计算机、软件等多种技术，具有很高的技术难度，国内对谱仪的研制起步较晚，目前仅有北京大学、华东师范大学、东北大学、中国科学技术大学等高校和企业进行了谱仪的研制开发。

　　国外对磁共振成像谱仪的研制较多，已有相当成熟的产品。国际三大磁共振生产企业SIEMENS、PHILIPS、GE，所使用谱仪均自行研发、生产，且不对外销售。它们均拥有高场与低场谱仪，接收通道数最大可达128，并配备很强的实时信号处理功能。目前国内多数MRI的生产企业所需谱仪主要依赖进口，不仅价格昂贵，而且也限制了磁共振成像技术在国内的进一步应用。

　　由北京大学和华润万东医疗组成的磁共振联合实验室从2005年开始着手研制自己的谱仪，经过三年的努力，于2008年研制完成国内首台“数字化多通道并行采集式磁共振成像谱仪”，并实现产品化，其各项指标均达到甚至超出国外水平。到目前为止，已经完成了低场数字化多通道并行采集式磁共振成像谱仪、Ⅰ型以太网超导磁共振成像谱仪和Ⅰ型光纤超导磁共振成像谱仪的研制开发，并实现产品化。研制的谱仪适用于0.3T、0.36T、0.4T、0.5T低场永磁系统，也适用于1.5T和3.0T超导系统，具有4通道发射和1～32通道可扩展的接收功能。

　　关键技术

　　谱仪的研制涉及多个领域，包含物理、电子、计算机、软件等多种技术。其关键技术主要涉及以下几个方面：

　　序列构建及精确控制。构建MRI序列相当于编制一段特殊的DSP(数字信号处理)机器码，要求对MRI理论、DSP、汇编语言、DDS（直接数字合成器）、DDC（数字解调器）有深入而准确的了解。精巧、有效、形式兼容的成像序列对谱仪的研制具有重大的意义。

　　由于序列是由高级语言（C、Pascal）描述，并包含一些运行时需要的参数，要将它转成地址绝对定位的DSP的机器码，要求转换方式快速、灵活、方便，具有较高难度。

　　网络通信和数据传输。基于PCI－E(外部组件连接接口)协议的网络通信，是PC机与谱仪进行数据交换的基础，对其性能要求是：在高可靠性与稳健性基础上的大速率数据传输。

　　数字正交解调及数字滤波。MRI信号的数字下变频主要包括数字正交解调和抽取滤波。接收数据的滤波，对最终的信号质量、图像信噪比都有明显的影响，需要作深入的分析，精心设计和做大量的实验，以获得最佳的效果。根据成像需要，要求对不同数据流的数据提供不同的滤波器参数。

　　梯度产生及数字波形预增强的实现。在不同的成像序列设计中，梯度的波形多种多样，对成像质量有直接而重要的影响。梯度发生要求控制方便、波形产生灵活、输出分辨率高、实时性好，另一方面，在梯度发生的过程中包含一系列的计算。因此，设计一个高效灵活的梯度发生的计算架构，是非常必要而关键的。

　　在MRI系统中，由于梯度场快速变化而产生的涡流严重影响图像质量，为此我们在谱仪设计中提出了数字波形预增强功能，能够很好地解决涡流问题，但这一功能涉及到复杂的运算过程，要在复杂的梯度发生构架中实现这一功能也是具有较高的难度。

　　谱仪整体结构及组成单元

　　谱仪的整体结构主要由软件及序列单元、通信接口单元、数字控制单元和模拟接口单元四部分组成。

　　（1）软件及序列单元，用户软件主要提供人机交互界面，生成序列，完成序列与参数的下载、上传数据的分析、K空间数据成像、图像处理等功能；序列由汇编语言机器码组成，包括序列使用的各种参数与波形数据。

　　（2）通信接口单元，为谱仪提供通信管理功能，是PC机与数字控制单元交换数据的通道与缓冲区，亦可进行简单的数据处理。

　　（3）数字控制单元，谱仪的核心，序列的运行平台，完成射频发生、多路射频接收、梯度发生等功能，采集K空间数据。数字控制单元包括序列管理器、射频发生模块、多通道射频接收模块、梯度发生模块、I/O接口模块五部分。

　　（4）模拟接口单元，数字控制单元的模拟前端，完成模拟信号的调理、放大与增益控制等功能。

　　谱仪主要模块实现方案

　　（1）   用户软件及序列控制。用户软件主要分为五个部分：用户界面软件、脉冲序列，序列函数库，编译器和链接工具，以及序列运行的启动程序。其中用户界面软件、脉冲序列和序列函数库用VisualC++2008编写并运行在主计算机的Windows平台上，用户界面软件中的数据传输服务程序通过调用PCIe的驱动程序，实现与数据通信模块之间数据交换，使谱仪产生相应的操作。如图1所示，在序列运行之前，用户界面软件会调用用户编写的序列程序，产生二进制文件（Bin文件）并下传至谱仪，其流程如图1。

　　序列由事件（Event）与时序（Timing）这两个基本元素构成。在序列源程序中，事件可由用户编写的序列函数表达，并通过一系列的参数描述事件的过程和性质。例如，在序列中，我们可以用Shaped Pulse(starttime,frequency,phase,shape,pulsewidth)这个函数描述一个射频脉冲事件，并通过Shaped Pulse函数的5个参数描述射频脉冲如何发生，其中starttime表示射频脉冲发生的起始时间，frequency表示射频信号的中心频率，phase表示射频信号的相位，shape表示射频脉冲的包络波形（如SINC型和高斯型等），pulsewidth表示射频脉冲的时域宽度；时序是序列事件在整个序列时间轴上的位置，可以定义为事件之间的延时（Delay），也可以定义为某事件的起始时刻（Start Time）表示。在本文中，事件通过调用序列函数库的函数执行，这些函数分别由C/C++语言封装的类或结构生成；时序由每个事件的起始时间（start time）决定，并在序列函数中设置。谱仪中通过序列翻译器和序列控制器实现序列的运行。序列翻译器以DSC芯片（TMS320C28335，TI公司）为核心，将用户下传的序列源程序翻译成112位二进制指令字（Instruction Word），并分配到各功能单元上的FIFO中。序列翻译器还负责序列运行前的启动程序。

　　（2）   网络通信和数据传输。数据通信模块是谱仪数据交换的核心，主要由三种数据传输接口构成：

　　基于PCIe协议的数据接口。由PCIe的DMA(存储器直接访问)、PCIe桥接芯片GN4124、及PCIe外置连接器构成，负责谱仪和主计算机间的数据通信。

　　基于XINTF的并行控制总线。XINTF是TMS320C28335的外部总线，和各模块的主FPGA芯片连接，用于向各模块传输指令字和序列的波形参数。

　　SFP（Small Factor Pluggable）光纤数据接口。采用SFP模块作为光纤收发器，串行数据传输采用Xilinx公司提供的Aurora协议，是前端光纤接收模块和谱仪间的数据通道。

　　（3）   射频发生模块。谱仪的射频发射模块用来产生射频放大器的输入波形信号。MRI谱仪的发射源多采用专用的DDS芯片或DUC芯片快速实现射频脉冲的幅度调制，频率调制和相位调制。文中提出一种基于FPGA（Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）和DAC（数字/模拟转换）的射频发射单元，能提供多路可独立控制的射频波形信号。射频发射单元由波形发生器（Waveform Generator，WFG），DAC和外围模拟电路构成。波形发生器产生基带信号，并完成与载波信号的调制。DAC将调制后的数字信号转换成模拟射频信号并经过增益调节和滤波以后，输出至射频放大器。其中，波形发生器包括两个可编程的DDS核，射频计算和双端口RAM（DPRAM）。DDS核采用Xilinx公司的IP核定制生成，负责射频发射的序列控制器向DDS设置频率字（Frequency TuningWord，FTW）和相位字（Phase Tuning Word，PTW），使其产生载波信号的波形。

　　（4）   多通道射频接收模块。在MRI系统中，接收模块对成像质量有着直接的影响。在接收系统设计的发展过程中，最初信号接收是由模拟正交解调的方式实现的，由于I/Q两路模拟信号的不匹配会导致成像出现伪影，为解决这一问题数字化接收的思想随即被提出。随着数字器件的发展，数字正交解调逐渐取代模拟正交解调，在磁共振信号接收系统中开始得到应用。

　　近年来，为提高磁共振图像信噪比，加快成像速度，采用光纤传输数据并配合多通道线圈进行并行采集的多通道光纤接收系统逐渐被广泛应用，多通道并行数字化光纤传输接收处理成为谱仪中接收系统的发展趋势。在此基础上，我们提出一种基于数字光纤传输的射频接收系统。射频接收模块前置于MRI的屏蔽室内，MRI数据的采集可以有效地避免外界射频信号的干扰，射频前端电路采用3U的FPGA夹层卡实现，并集成在接收模块的载板上，作为前置放大器输出与接收模块之间的射频接口。当接收模块进行射频采样时，数据传输的过程如下：负责数字下变频的FPGA通过高速收发器（RocketIO）将接收数据送入接收模块上的SFP光纤收发器，SFP收发器将电信号换转为光信号，然后光纤数据经过光纤从屏蔽室传输至谱仪数据通信模块的SFP光纤收发器中，该收发器又将光信号转换为电信号，并接入通信FPGA的高速收发器中，通信FPGA通过Aurora协议提取接收数据存储在板上的DDR3中。光纤传输的模式是全双工的，因此谱仪也可以实时地向接收模块发送数据，如序列参数和同步触发信号等。

　　在射频接收模块中，数字下变频是射频接收模块的主要组成部分。在我们的设计中数字下变频在一个单片的FPGA中完成，MRI信号的数字下变频主要包括数字正交解调和抽取滤波。接收数据的滤波，对最终的信号质量、图像信噪比都有明显的影响。在我们的设计中，解调信号的抽取滤波由CIC（级联积分梳状）滤波器、多个可选的半带/CIC补偿滤波器和可编程FIR滤波器级联构成一个多级滤波器链实现。

　　在MRI中，根据频率编码梯度强度和视野的不同，需要不同接收带宽的信号用于成像。频率编码梯度强度GX、成像视野（FOV）X和采样间隔τX之间满足如下关系

　　FG_x（FOV）_xτ_x=1

　　其中τX=1/BW=DW即采样时间。在某些应用中，还需要在采集回波的过程中改变BW以提高图像信噪比（如双回波变带宽序列）。因此针对接收带宽的不同，需要改变滤波器总的抽取因子D，同时对末级的FIR滤波器也需有针对性地设计多组滤波器系数应对不同BW的信号。

　　（5）   梯度产生模块及数字波形预增强的实现。在MRI系统中，梯度单元产生线性梯度磁场对磁共振信号进行空间编码。梯度单元包括梯度波形发生器、梯度功放和梯度线圈，梯度波形发生器产生的梯度波形经梯度功放转换成脉冲电流驱动梯度线圈产生梯度磁场。在梯度波形发生器中，通常由梯度计算模块(Gradient Calculation Module)计算X、Y和Z三个通道的梯度数据，控制数模转换器(DAC)发生梯度波形。

　　我们的设计是一种基于单片FPGA的、具有并行控制接口的梯度产生模块。该模块可与大多数脉冲序列发生器(Pulse Programmer)，如DSP、单片机和FPGA等直接连接。脉冲序列发生器将梯度波形数据存入FPGA中并控制梯度波形的发生，实现最快达1MHz的梯度波形发生速率。在FPGA内部通过复用一种快速IIR滤波器算法，能完成包含6组不同时间常数和幅度的预增强运算(运算时间为1us)。同时，用FPGA内嵌的存储单元替代板上的外部存储器，进一步提高了系统集成度和灵活性。FPGA是梯度计算模块的核心，集成了所有计算梯度数据的单元，包括：梯度波形的存储和读取、增益控制、梯度变换(将梯度的逻辑空间变换为物理空间的矩阵计算)、波形预增强、用于一阶匀场的直流偏置、波形数据的并串转换以及各种逻辑控制等。FPGA从脉冲序列管理器中接收梯度波形数据、旋转矩阵表和预增强参数等信息，并控制梯度波形的发生。最后，由3个DAC及运放构成的数模转换模块将FPGA输出的串行波形数据转换为X、Y、Z三个通道的模拟电压输出。

　　在MRI中，时变的梯度磁场在磁体、梯度线圈和射频线圈等导体内感应出涡流，涡流产生的磁场会影响图像的质量。波形预增强技术通过对原始梯度波形叠加过驱动(overdrive)输出以消除线性涡流场的影响。

　　实现波形预增强有模拟和数字两种方法，模拟预增强电路一般采用RC网络的高通滤波器设计，通过调节滑动变阻器的值来设置预增强系数。但是由于模拟器件容易受到温度，老化及外围环境的影响，这种实现方式需要人工手动进行预增强调节，使得涡流补偿过程变得极为复杂，精度也较差。有些文献中提出用数控电位器代替滑动变阻器，或通过射频开关选择RC网络、乘法DAC调节预增强幅度常数，在一定程度上能简化预增强调节的过程，但仍存在调节精度不高的问题。

　　近来，越来越多的设计采用数字电路实现波形预增强。数字波形预增强能避免模拟器件带来的各种问题，可以大为提高预增强运算的精度，同时预增强参数的个数还能灵活地扩展。我们的设计是一种基于FPGA的数字波形与增强技术，如图2所示。预增强单元的输入为原始波形x[n]和所有预增强参数，输入数据选择器选择一组参数进行运算，每步运算的输出yi[n]经累加器求和最后叠加到x[n]上得到预增强后的波形。时序上，完成单步运算的时间约为7个时钟周期，算上数据选择和分配消耗的时间，可以在第二级流水周期内实现6次复用，因此能在1μs时间内完成包含6组不同时间常数和幅度的预增强运算。FPGA内部信号均采用标准逻辑向量数据类型，便于在符号扩展和位层次上的控制以保持计算中的数据精度。

　　图3为梯度波形发生的实例图，图3（a）是不加预增强（时间常数和幅度全部置零）的输出波形，图3（b）是在图3（a）基础上加预增强的输出波形。

　　到目前为止，我们已完成多款适用于低场和高场MRI系统的谱仪研制工作，并实现了产品化。经过长期的临床应用，获得了很好的成像效果，性能和稳定性也都得到了有效验证。谱仪是磁共振成像系统的核心，谱仪研制和产品化的成功，标志着我们已经完全掌握了磁共振成像技术的核心科技。这对磁共振技术在我国的进一步发展具有重要意义。科技在不断进步，我们也会在现有技术的基础上进一步深入研究，力求将谱仪的成像功能和成像质量提高到甚至超过国际先进谱仪的水平。

　　作者单位：华润万东医疗装备股份有限公司