核磁共振成像(MRI)的系統架構

現代核磁共振成像(MRI)掃描儀的設計已發生了革命性的變化，這都得益于現代IC設計的一系列發展和進步。MRI等醫療成像設備雖產生一定的影響，但并不是IC發展的主要驅動因素。相反，它們是無線基礎設施等行業持續發展的受益者。這種技術進步不僅提供MRI各種子系統改善性能的機會，同時也使子系統設計得以簡化。

MRI子系統受益于現代IC的一個例子是梯度控制。高端MRI掃描儀要求以1ppm量級的精密度、精確度和穩定度來控制梯度場，這本身就是一項挑戰;而且，在實現如此高水平控制的同時，還必須提供數百kHz或更大的吞吐速率。若無法維持所需的控制，將會因為場梯度的非線性生成干擾偽像。若無法達到所需的噪聲水平，圖像中可能會出現“重影”。

過去高性能梯度控制一直采用復雜的分立電路來實現。圖1a為這種方式的一個簡化示例。在此例中，兩個16位DAC相結合，用來產生更高的等效精度。次要DAC的輸出會經過衰減，以提供更精細步進，隨后與主要DAC輸出結合。然而，這種組合不能提供所需的線性度，因此要在反饋環路中使用一個高性能ADC。該ADC不太可能用于音頻方面，故在數字邏輯中須進行額外的校正。對于典型高分辨率ADC，另一個可能發生的問題是空閑音，也必須消除掉。盡管本圖已經將復雜問題大大簡化，但應明白，實際運作狀況絕不會如圖示那么簡單。

圖1 MRI的梯度控制

當今的IC工藝及設計技術允許工程師將所有這些需求整合到一個1×10-6 DAC當中，如圖1b所示。這是通過經改善的薄膜匹配與片內自校正功能相結合加以實現的。線性度、穩定度和噪聲能夠改善高階MRI梯度控制的性能，并且其電路與傳統方法相比大大簡化。然而，要達成總體1×10-6精度的設計挑戰仍然相當大，但DAC不再是限制因素，支持電路、器件選型和適當的布局布線均起著重要的作用。

射頻(RF)接收機是另一個受到新技術巨大沖擊的領域。該領域一直在不斷變化，不同的原始設備制造商(OEM)采用不同的方式完成任務。然而，一個共同發展趨勢是希望能夠將接收電子器件移至更靠近線圈組件的位置，這樣做合情合理，如果從前置放大器到后續接收電子器件之間使用較長的同軸電纜，則不僅體積龐大，而且不利于接收機的性能。若將接收電子器件移至更靠近線圈的位置，會對電子器件有兩大限制。電子器件必須更小，因為要容納大量的接收通道，所以可用空間更少。另外，功耗也是一個主要因素，在更小容量的空間內必定會產生散熱問題。

針對無線基礎設施所做的數據轉換器改進同樣能簡化這項工作。蜂窩基站對更好的噪聲與失真性能的需求，推動了能夠實現高中頻(IF)頻率采樣的高性能16位ADC的發展，而這正好也符合MRI的需求，在主流的1.5 T及3 T系統中，信號的中心頻率約為64MHz和128MHz。反觀傳統的MRI系統通常會牽涉到這樣一個問題，就是在轉換至數字域，供進一步處理之前，必須先在模擬域中下變頻至低中頻，如圖2a所示。新一代ADC的出現使這種轉換過程得以省去，進而縮小總體解決方案，如圖2b所示。這至少能部分滿足對縮小尺寸的需求，從而適合更小尺寸應用。

如同任何其他的設計問題一樣，在運用新ADC技術的優勢時，也需要加以權衡。由于MRI掃描儀中的RF信號電平較低，因此信噪比(SNR)是ADC的一項關鍵特性規格。在開發突破性產品時，信噪比也是一項重要的目標特性規格。研發新功能時，諸如功耗之類的規格常常退居其次，后來的新一代ADC可以通過對主要規格的性能，例如信噪比做些讓步來實現這些次要規格。最后，隨著技術日益成熟，在第一代中達成的突破性功能，也可以在維持低功耗(或是其他次要規格)的情況下實現。因此，MRI系統設計廠商可以選擇和權衡不同ADC的強項及弱點，找出最符合其系統目標的ADC。

提高個別器件的性能，并不是蓬勃發展的IC技術助力實現更緊湊MRI接收架構的唯一方法，更高集成度也是受通信行業推動而發展。隨著采用模擬下變頻轉換的架構逐漸被直接采樣架構所取代，此功能也正轉換到數字領域，通常成為FPGA的一部分。信號被分成I與Q兩個分量，并且利用正交數控振蕩器(NCO)轉換至基帶，然后進行過濾;接著，此信號會傳送到系統處理器中，此時可應用更為全面的信號處理技術。

圖3 集合數模轉換器和數字下變頻功能的單芯片

這種分隔式方案可以很好地運作，然而，對于試圖使接收機解決方案尺寸最小化的設計廠商而言，具有更高集成度的解決方案會有所助益。舉例來說，高性能標準器件將模數轉換功能與針對多通道的數字下變頻功能結合到單芯片中(見圖3)，這些器件可省去介于ADC與FPGA之間的高速鏈路開發需求，進而簡化設計工作。片內數字下變頻器非常靈活，能夠適應不同的系統，若將此功能從FPGA上移轉出來，便可實現更小、更簡單的FPGA設計，以節省更多空間或成本。

為滿足通信基礎設施需求所做的RF器件改進，不僅對MRI掃描儀的接收端有幫助。DAC技術的改進，特別是直接數字頻率合成(DDS)方面的改進，亦可簡化掃描時脈沖生成的設計工作。對于任何可能在未來使用到的場強，這些器件具有足堪勝任的速度。如同集成DDC能夠從FPGA上將任務移轉出來一樣，DDS元件也能夠在發射端執行相同的工作，配置為正交數字上變頻器(QDUC)的DDS具有足夠的靈活性來產生所需的脈沖。另外還有一項能夠簡化FPGA設計的特性，就是脈沖可以存儲在片上存儲器中，等到需要時再回放。

關鍵詞： 核磁共振 MRI 系統