MRI梯度预加重模块的分时复用设计

为获得更优的成像质量和更快的成像速度,磁共振成像（MRI）系统的梯度预加重模块需要具有更多的补偿通道和调节参数,常规预加重模块的设计方案使现场可编程门阵列（FPGA）面临巨大的资源消耗.为解决高性能梯度预加重模块的资源消耗大的问题,本文提出了一种基于分时复用技术的梯度预加重实现方案,以常规方案1/44的资源实现了11通道×4组参数的梯度预加重模块.将该模块用于0.35 T MRI系统,测试了补偿前后的涡流曲线和磁共振图像,结果表明该模块有效降低了系统的涡流,减小了磁共振图像中的涡流伪影.     

基于单片FPGA的多通道磁共振成像接收模块

提出了一种基于FPGA的多通道磁共振成像接收模块,能对多个独立通道的磁共振信号进行直接采样、数字下变频,以及数据流控制,并对其进行了成像实验. 设计中采用Xilinx公司的系统级DSP开发工具--System Generator对FPGA内部所有功能进行建模、仿真并生成相应的硬件描述语言. 模块的采样速率为80MSPS,能灵活实现1 kHz~1 MHz范围的可变接收带宽,适用于1 T以下的磁共振成像系统;在单片FPGA内完成1~4个通道采样信号的数字正交解调,抽取滤波和数据流的处理,并可扩展至8通道. 实验证明模块具有体积小,集成度高,可重构性强和成本低等特点,为磁共振成像谱仪的多通道接收系统提供了一种高性能的数字化解决方案.     

基于FPGA与DDS的磁共振成像射频脉冲发生器

设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)与直接数字频率合成(DDS)的磁共振成像(MRI)射频脉冲发生器,采用FPGA实现DDS,并内置软脉冲波形双端口随机存取存储器(RAM)、乘法器以及相关的控制逻辑.实现了较高的技术指标,其中频率、相位与幅度分辨率分别为32 bits、16 bits与16 bits,软脉冲波形的时间精度可达0.1?s.FPGA提供了一个可编程的接口,便于序列控制器对其进行控制,以输出射频脉冲.MRI实验结果证明了该设计的可行性.     

磁共振成像谱仪梯度波形分析

梯度是磁共振成像（MRI）的关键环节.通过采集谱仪梯度波形信号并进行分析,提取出各通道波形的特征点,从而有助于快速准确地判断谱仪梯度硬件电路或脉冲序列编写是否存在问题.采用虚拟仪器LabVIEW软件控制高速采集卡DAQ-2005设计实现多路采集系统,对谱仪的梯度输出进行采集.通过对波形数据进行直方图统计、滤波、差分计算等分析,提取出波形的特征点,这些特征点包含时间与幅度信息.使用实验室自主研发的谱仪进行了多次实验,对该方法进行验证,证明了该方法的有效性,也为谱仪研制和脉冲序列开发提供了一种辅助测试方法.     

一种具有数字预加重的磁共振成像梯度波形发生器

提出一种用于磁共振成像的高性能,高集成度基于PCI总线的数字预加重梯度波形发生器,它具有独立的X,Y,Z三通道预加重梯度波形输出,其主要特点在于此设计采用了现场可编程门阵列技术实现. 本文所述的预加重梯度发生器,其数字梯度预加重和数字逻辑模块全部集成在单片可编程芯片中,这样不但可以产生高性能的预加重梯度波形,而且可以简化磁共振成像仪的设计. 本文详细讨论了此梯度波形发生器的设计,最后给出了此设计的测试指标和实验结果.      

磁共振成像谱仪B0信号的高精度发生与测试

设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的磁共振成像（MRI）谱仪B₀信号的高精度发生方法,并对产生的B₀信号经高速采集卡采集之后进行测试和验证.FPGA从外部读取波形数据和参数,分别存储在双端口随机存取存储器（RAM）和参数寄存器中,根据预补偿算法实现B₀信号的发生,并通过对时间参数和幅度参数的控制,产生不同的B₀信号,时间分辨率为1 μs.对谱仪的B₀输出进行采集,再进行最小二乘拟合,以验证B₀信号发生的准确性.经实验证实,该设计可以产生正确、可控的高精度B₀信号.     

基于FPGA的高速电光选通系统设计

介绍了一种获取高速调制电信号的新方法－基于FPGA的高速电光选通系统.此系统分为选通脉冲和高压调控两个模块.选通脉冲模块由高速信号放大、FPGA延时、可控延迟传输线三个部分组成.利用FPGA高密度、高可靠性、可反复擦写和可以现场编程、灵活调制的特点,将整个系统的主要控制部分集成在FPGA中,并将延时分为数字延时和模拟延时两部分.然后利用FPGA实现数字延时,可控延时线实现模拟延时.经试验检测,高压部分可以产生重复频率1 Hz~1 kHz,步进1 Hz,延时范围为0~1 μs,步进为1 ns,幅度为8 000 V,前沿和后沿小于10 ns,抖动小于1 ns的高压矩形电脉冲,从而满足各种电光调制系统中的需要.     

基于粒子群与遗传算法的矩阵式梯度线圈优化设计

磁共振成像系统中的梯度线圈产生用于选层、频率编码和相位编码的梯度磁场.目前常用的梯度线圈是通过目标场法设计得到的.近些年来,由多个形状相同的线圈组成的矩阵式梯度线圈的梯度磁场均匀度和功率等指标也达到了较为满意的效果.本文首先提出了一种基于粒子群与遗传算法的、适用于开放式永磁型磁共振成像系统的矩阵式梯度线圈设计方法.然后对三个方向上的矩阵梯度线圈的电流分布进行了设计,每个方向上的矩阵式梯度线圈系统由224个大小相同的圆形线圈组成.最后利用有限元仿真软件对设计方案进行仿真计算,得到x、y方向上的平均非均匀度为0.851%,z方向上的平均非均匀度为1.013%,验证了本文提出的方法的有效性.基于该方法可以有效快速地对开放式磁共振成像系统的矩阵梯度线圈进行设计.     

一种曝光可控折转式双波段成像系统设计

 设计一种工作波段可切换,曝光时间从0.1 s～99.9 s可控,操作方便的折转式1∶1成像系统,通过转向棱镜连接前后镜组,替换不同厚度的滤色片以实现双波段成像。该系统将高分辨率折转式1∶1成像镜头与电子快门结合,光学系统视场范围φ17 mm,分辨率达到8 μm,工作距离55 mm,系统用转向棱镜折转90°成像,克服了一般镜头本身不能控制曝光时间的缺点,使曝光时间和光的导向能够精确控制,改善了化学发光免疫分析的试验条件,有望在临床中的化学发光免疫分析,以及环境科学、光化学等领域得到应用。     

超短回波时间成像k空间轨迹失真的校正

超短回波时间(ultra-short echo-time,UTE)成像在科研和临床诊断上有着良好的应用前景,但是其k空间轨迹极易受到梯度涡流和梯度延时等因素的影响而产生失真,会严重影响磁共振图像重建的质量.该文分析了轨迹失真对UTE图像的影响,并提出了一种改进的轨迹失真校正方法.实验表明,该方法能够明显减轻UTE图像中轨迹失真的影响、改善图像质量,还可以降低UTE技术对磁共振成像(MRI)硬件系统性能的要求,有助于UTE方法的推广.     

兰州重离子加速器控制系统DSP组件设计

针对重离子加速器部分电源的控制要求,进行了分析研究,提出并实现了一种实时、高效、多功能的控制系统。该系统基于数字信号处理器（DSP）和两片现场可编程门阵列（FPGA）芯片相结合的核心处理构架,在系统后端利用PXI总线接口配合FPGA来与工控机箱中的系统控制器和其他控制组件进行大批量数据交互;系统前端利用直接数字频率合成器、模数转换器和数模转换器等器件结合DSP和FPGA中的控制算法及相应控制机制来实现对不同电源控制参数的处理和功率的输出;平台中两组光纤模块也与FPGA相配合实现对同步触发事例等实时数据的收发和调试。     

一种用于高场MRI的多源射频发射机

介绍了高场磁共振成像（MRI）多源发射技术的原理,提出了一种用于高场MRI系统的多源射频信号发射机.它能并行输出多路频率、相位、幅度,可快速独立调节的射频脉冲信号.该射频发射机的实现基于单片现场可编程门阵列（FPGA）和多通道数模转换器（DAC）芯片,FPGA读取预存于双端口随机存取存储器（RAM）中的射频信号参数,并利用读取的参数分别实现每路信号的直接数字频率合成（DDS）和信号调制等核心功能,获得多路数字射频信号;FPGA输出的数字信号经过高性能DAC转化为模拟信号,即所需要的射频信号.该射频发射机在设计中大量采用软件无线电技术,即利用Xilinx提供的IP核实现DDS和信号调制等主要功能,具有集成度高、体积小、灵活度高的优点,同时,该设计可以大大缩短开发时间,有效降低实现的难度和成本,为高场MRI谱仪的多源射频发射机的设计研制提供了一种低成本、高效、高性价比的方案.     

用于重离子加速器磁铁电源的数字调节器设计

 介绍了兰州重离子加速器冷却储存环上采用高级RISC微处理器(ARM)+现场可编程门阵列(FPGA)+DA/AD技术、状态空间方程方法实现对磁铁电源系统数字调节器的设计,它可以实现5阶及以下各阶的调节控制。运用ARM作为调节控制系统的核心处理器,完成系统的多线程任务处理。电源的精度调节通过FPGA和DA/AD相结合的技术来实现,通过千兆光纤接口实现外接数字信号处理器输入信号的直接传输。同时通过光电隔离器对叠加在输入/输出32 bit数字状态量的干扰脉冲进行抑制。经现场测试该调节器达到了加速器电源系统1×10^-4量级的精度要求,并减少了电源系统的故障恢复时间。     

高重频束流采集处理器原型样机的设计

为了实现对高重频硬X射线自由电子激光装置(SHINE)条带型BPM(Beam Position Monitor)系统信号的数字化采样和处理,研制了高重频束流采集处理器原型样机。处理器拥有四通道输入,最高达1 GSps的采样率,16 bit采样位数,采用XILINX公司带有嵌入式CPU(Central Processing Unit)的ZYNQ系列FPGA(Field Programmable Gate Array),可以运行Linux系统,同时可以实现高速采样数据的缓存与读出。处理器采用子母板结构设计,子板为ADC(Analog To Digital Converter)采样板,母板为FPGA数字处理板,子母板通过FMC(FPGA Mezzanine Card)接口进行数据传输。ADC采用JESD204B协议进行数据传输,子母板间通过16对差分信号连接通道,最大总传输速率达到80 Gbps。ADC采样数据传入数字母板后,经过FIFO和DDR的缓存,最后通过TCP/IP协议由RJ45接口传输到上位机进行处理和分析,RJ45接口的数据传输速率约为900 Mbps。经过测试,ADC采集子板的带宽高于480 MHz,且在480 MHz带宽内有效位高于10位。FPGA数字母板运行经Petalinux编译的Linux系统,可以实现对连续或者触发模式下,四通道一百万个采样点的存储与数据传输。整个设计可以满足设计要求。     

基于FPGA的红外焦平面信息获取系统设计

基于红外焦平面探测器的红外遥感技术是实现多通道和高空间分辨率的重要手段,而随着焦平面探测器中探测单元的增加探测数据也急剧增加,研究基于FPGA的高速并行处理技术对解决红外探测领域多通道高速信息获取有重要意义。以FPGA作为控制器件,设计了16通道,数字分辨率为16bit的ADC采集方案,实现对32×32元的红外焦平面探测器数据并行获取,并设计了数据宽度为16bit的数据输出接口,用来完成采样数据的上传功能。实验结果表明该方案设计简洁,数据上传速度控制灵活,可以满足焦平面探测器的信号获取与传输。     

OPENCORE NMR: open-source core modules for implementing an integrated FPGA-based NMR spectrometer

A tool kit for implementing an integrated FPGA-based NMR spectrometer [K. Takeda, A highly integrated FPGA-based nuclear magnetic resonance spectrometer, Rev. Sci. Instrum. 78 (2007) 033103], referred to as the OPENCORE NMR spectrometer, is open to public. The system is composed of an FPGA chip and several peripheral boards for USB communication, direct-digital synthesis (DDS), RF transmission, signal acquisition, etc. Inside the FPGA chip have been implemented a number of digital modules including three pulse programmers, the digital part of DDS, a digital quadrature demodulator, dual digital low-pass filters, and a PC interface. These FPGA core modules are written in VHDL, and their source codes are available on our website. This work aims at providing sufficient information with which one can, given some facility in circuit board manufacturing, reproduce the OPENCORE NMR spectrometer presented here. Also, the users are encouraged to modify the design of spectrometer according to their own specific needs. A home-built NMR spectrometer can serve complementary roles to a sophisticated commercial spectrometer, should one comes across such new ideas that require heavy modification to hardware inside the spectrometer. This work can lower the barrier of building a handmade NMR spectrometer in the laboratory, and promote novel and exciting NMR experiments.     

Edge dislocations near phase boundaries in the gradient theory of elasticity

A solution of the boundary-value problem in the gradient theory of elasticity concerning a rectilinear edge dislocation parallel to the interface between phases with different elastic moduli and gradient coefficients is obtained. The interaction between the dislocation and the interface is considered on a nanoscopic level. It is shown that the stress field has no singularities on the dislocation line and remains continuous at the interface, unlike the classical solution, which is singular at the dislocation line and allows a discontinuity of two stress components at the interface. The gradient solution also removes the classical singularity of the image force for the dislocation on the interface. An additional elastic image force associated with the difference in the gradient coefficients of contacting phases is also determined. It is found that this force, which has a short range and a maximum at the interface, expels the edge dislocation into the material with a smaller gradient coefficient.     

基于DSP+FPGA的新型弹载计算机设计与实现

以某型号导弹飞行试验为研制背景,设计出一款精度高、通用性强的新型弹载计算机。该弹载计算机以高性能DSP和FPGA为系统框架,通过其丰富的外围接口和强大的处理能力,结合AD5764转换模块、MAX3490通信模块、ADUM1401四通道数字隔离器和ULN2801达林顿管驱动器组成的离散量输出等模块,解决了弹载计算机与弹上飞控部件之间复杂的并行数据处理以及多种控制算法实时解算问题,具有体积小、重量轻、精度高、实时性好等特点。经过多次飞行试验表明,该弹载计算机具有较高的可靠性和稳定性,应用前景非常广泛。     

嵌入式数字视频实时采集技术研究

激光通信的视频采集需要嵌入式标准化接口的实时数字采集,采取FPGA+SAA7111A的架构来实现系统的实时化、小型化、标准化和模块化。FPGA作为控制器,经I2C总线对视频解码芯片SAA7111A进行初始化。设计了两个读写互斥的存贮单元,分别用来存贮所采集的奇场和偶场数据,并专门设计了一个用于和图像处理单元通信的标准握手接口;为减小传送数据流量,对采集后的图像进行了提取和预处理。通过反复试验仿真,基于FPGA的整个图像采集方案可行,能够在图像采集处理系统中得以应用。