摘 要: 把數控電位器用于磁共振成像系統中梯度預加重電路，使電路中增益和時間常數的調整從人工方式改變為計算機數字控制方式，可以大大提高調整的效率并能實現自動調整。
關鍵詞: 數控電位器;磁共振成像;渦流;梯度預加重
問題的提出
在磁共振成像(MRI)系統中，梯度磁場被用來編碼空間位置。它是由梯度波形發生器根據成像序列要求輸出梯度波形，激勵梯度放大器輸出梯度電流，驅動梯度線圈形成的。理想的梯度波形發生器輸出、梯度放大器輸出和梯度磁場波形見圖1(a)(b)(c)。但在實際系統中由于鐵磁性物質的存在，梯度電流跳變形成的梯度磁場的變化會在其中產生感應電流，即渦流。渦流衍生出的磁場方向總是與梯度磁場建立的方向相反，因此會延緩梯度磁場的建立，見圖1(d)。這種延緩會對MRI系統成像的性能產生較大的影響。
圖1(a)理想梯度波形發生器輸出 (b)理想梯度放大器輸出 (c)理想梯度磁場波形 (d)實際梯度磁場波形(e)有預加重的梯度波形發生器輸出(f)有預加重的梯度放大器輸出 (g)有預加重的梯度磁場波形
克服渦流的影響、改善梯度磁場的建立波形有許多種方法。其中之一是梯度預加重(pre-emphasis)。梯度預加重是在梯度波形發生器的輸出波形上(圖1(e))或梯度放大器的輸出電流上(圖1(f))預先加上一個過沖，該過沖抵消渦流場的影響，加速了梯度磁場的建立，見圖1(g)。為了適應不同渦流場的情況，該過沖的幅度和時間常數都是可調的。
圖2 梯度放大器中的模擬式梯度預加重電路
梯度放大器中X、Y、Z三路梯度一般都加有模擬式梯度預加重(有時稱為渦流補償)電路。這種電路由一個可調增益的運算放大器+可調RC時間常數電路構成，見圖2(三路相同，僅畫出X路)。為了組合出任意的過沖波形，通常有多級這樣的電路并聯，每級具有不同的時間常數(圖2電路具有4級)。增益和時間常數的調整采用手調多圈電位器。這種電路結構簡單、無須做任何計算、成本較低。但它也有固有的缺點。由于全部采用模擬器件，不適合用任何數字器件來控制，多級增益和時間常數需人工用改錐作多維調整，工作量極大而一致性、可重復性很差，也不能由計算機閉環控制實現自動調整。
本文利用數控電位器(DCP)獨特的性能，改進了上述模擬式梯度預加重電路，達到了數字控制梯度預加重的目的。
數控電位器
圖3 X9250的內部結構
數控電位器是一種數模混合器件，示意圖見圖3。它內部有一個串聯的電阻陣列(電阻的數量決定了DCP的分辨率，通常有32，64，100，256，1024等)。每兩個電阻之間的連接點通過一個電子開關連接到中心抽頭端。電子開關則由用戶通過總線接口控制通斷，通斷的位置決定了中心抽頭端在電阻陣列中的位置，因而可以決定中心抽頭端距電阻陣列兩端的電阻值。改變通斷的位置就可以改變這個電阻值。因此從電阻陣列兩端和中心抽頭來看，DCP表現得就好象是一個普通的三端可調電位器一樣，差別只在于普通的電位器是通過旋紐或工具手動連續可調的，而DCP是通過總線輸入指令步進調節的。
DCP有不同的組態和形式。以本文使用的Xicor公司的X9250 DCP為例，它在一個器件內封裝了4個相同的DCP，每個DCP有256個抽頭位置及4個非易失的數據寄存器，可以在DCP掉電后記住4個抽頭位置，并在上電時自動將0#數據寄存器記載的抽頭位置加載至抽頭位置寄存器；它的控制接口為標準的SPI串行接口，控制指令由驗證字節、指令字節和數據字節構成，見圖4。阻值有100KΩ，50KΩ，數字端電源2.7~5.5V，模擬端電源為±2.7~5.5V。封裝形式有SOIC和XBGA兩種。
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圖 4 X9250的控制指令構成
數字控制梯度預加重電路設計與實現
DCP的這種工作方式為本文的設計提供了基礎。其原理是用DCP來代替模擬式梯度預加重電路中手調電位器，用通用計算機、單片機、DSP等數字控制器通過DCP的總線接口來控制DCP的抽頭位置，從而調節梯度預加重電路中過沖波形的幅度和時間常數。具體實現電路見圖5。
和圖2一樣，圖5中僅示出X路的電路，其余兩路與此相同。在圖5中，來自數字控制器件的控制信號XSI和XSCK分別給出SPI串行接口標準的數據位和時鐘。數字控制器件根據用戶輸入的幅度和時間常數值，或根據MRI系統采集到的信號值，自動計算出幅度和時間常數的值，將這些數值轉換成DCP的指令格式，送入相應的DCP中。經過幅度和時間常數處理后的梯度波形通過波形迭加電路U5與原梯度波形相加輸出至梯度放大器。
一片X9250中包含有4個DCP，通過控制指令中指令字節的P0、P1位選擇。它的引腳上還有兩位器件選擇位A0、A1，通過控制指令中驗證字節的A0、A1位識別，因此通過A0、A1、P0、P1的組合，僅用控制指令就可尋址16個DCP中的任何一個。本設計僅用兩片X9250，共8個DCP，故用A0選擇器件，A1接地，P0、P1選擇器件中4個DCP之一。在不超過16個DCP的情況下，不需要外加地址譯碼電路，CS端可以始終接地。數據字節給出中心抽頭端的位置送入DCP中的中心抽頭寄存器并寫入0#數據寄存器。這樣一旦調整好梯度預加重的波形，可以像模擬電位器一樣永久保存。
本文的電路在應用時既可以作為一部分融合進入梯度波形發生電路或梯度放大器的渦流補償電路中，也可以作為一個單獨的部件串接在無梯度預加重電路的梯度波形發生器和梯度放大器之間。
結語
本文闡述并實現了一種用DCP實現的數字控制梯度預加重電路，它采用數字控制，模擬調整的方式，使得通過預加重改善MRI系統中梯度磁場建立波形的方法可以借助計算機等數字控制器件來完成。