《核磁共振控制台》是中國科學院武漢物理與數學研究所於2004年10月20日申請的發明專利，該專利的申請號為2004100609853，公布號為CN1601570，公布日為2005年3月30日，發明人是劉朝陽、裘鑒卿、葉朝輝。
《核磁共振控制台》其特徵在於射頻信號發生單元、信號接收與處理單元和磁場梯度信號產生單元通過背板/扁平電纜進行連線；同時射頻信號發生單元、信號接收與處理單元和磁場梯度信號產生單元又通過乙太網交換機與主計算機連線。該發明系統通用性好、結構簡單、可靠性高，實現容易、成本低廉，可以實現分散式控制台。
2014年11月6日，《核磁共振控制台》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《核磁共振控制台》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：核磁共振控制台
- 公布號：CN1601570
- 公布日：2005年3月30日
- 申請號：2004100609853
- 申請日：2004年10月20日
- 申請人：中國科學院武漢物理與數學研究所
- 地址：湖北省武漢市武昌小洪山
- 發明人：劉朝陽、裘鑒卿、葉朝輝
- 分類號：G08C19/00；G01R33/44
- 代理機構：武漢宇晨專利事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：王敏鋒
專利背景,發明內容,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在核磁共振控制台中，各模組之間的數據通訊和同步是關鍵技術之一。2004年10月前，公知的核磁共振模組之間採用並行高速匯流排（背板，back plane）進行並行通訊和同步。
下面以美國Tecmag公司的Apollo控制台為例說明。該控制台主要包括射頻發射機模組、射頻接收機模組以及磁場梯度驅動模組等，這些模組之間通過一條專門設計的高速並行匯流排（背板）進行連線，以實現數據通訊與同步控制；同時，控制台上的系統接口模組、信號累加模組用兩條60芯的電纜與主計算機進行數據傳輸。
射頻發射機模組主要由兩部分組成：事件控制部件與射頻信號合成部件，後者包括雙直接數字頻率綜合器、900兆赫信號合成器與發射調製器等。系統接口模組把主計算機給出的控制程式和參數通過並行高速匯流排（背板）傳送到事件控制部件；後者控制射頻信號合成部件驅動射頻功率放大器產生實驗所需要的射頻脈衝。
射頻接收機模組包括事件控制部件、數字接收部件以及射頻接收部件；在事件控制部件的控制下，由射頻接收部件將前置放大器來的信號處理後，經過數字接收部件轉換為數位訊號，通過信號累加模組回送到主計算機。
磁場梯度驅動模組包括梯度模組部件和數字/模擬轉換器。梯度模組部件的控制程式與參數同樣由主計算機通過系統接口模組和並行高速匯流排（背板）傳送，在實驗開始前，由系統接口模組將主計算機的指令和數據通過背板的並行數據匯流排傳送到其他各模組，實驗過程中各模組又通過背板上的其他信號線進行同步，並由背板的並行數據匯流排經過信號累加模組將實驗得到的數據回送到主計算機。但是，這種技術要求背板匯流排具有高速數據傳輸能力，並且由於核磁共振控制台所需要的控制信號較特殊，一般需要對背板進行專門的設計，不僅增加了系統的複雜性，而且降低了系統的可靠性。
其他控制台採用的結構與該系統基本相同。部分控制台系統接口模組與主計算機的通訊使用了乙太網，但是其他部分使用的仍然是高速並行匯流排（背板）。
發明內容
《核磁共振控制台》的目的在於提供一種通用性好、結構簡單、可靠性高、實現容易、成本低的核磁共振控制台，可實現分散式結構。
技術方案
《核磁共振控制台》解決其技術問題所採用的技術方案是：主計算機與模組之間以及各模組之間的數據通訊都採樣國際標準的乙太網方式，並去掉了專用系統接口模組。
該發明包括：乙太網交換機、射頻信號發生單元、信號接收與處理單元、扁平電纜或背板、磁場梯度控制單元模組以及主計算機。射頻信號發生單元、信號接收與處理單元和磁場梯度信號產生單元通過扁平電纜或背板進行連線；同時射頻信號發生單元、信號接收與處理單元和磁場梯度信號產生單元又通過乙太網交換機與主計算機連線。
在實驗準備階段，主計算機將各模組所需要的控制程式（脈衝序列）和實驗參數通過網路直接下載到模組中；實驗過程中，各模組通過背板上的同步信號進行同步並由信號接收與處理單元完成數據的採集；最後信號接收與處理單元將得到的數據通過網路回送到主計算機進行保存和處理。由於背板上僅有少量的同步信號線和電源，同時這些信號的脈衝時間比較長（最小脈衝寬度大於100納秒），所以可以採樣簡單的背板或採樣標準的扁平電纜連線。在採用扁平電纜連線的情況下，控制台可以採用分散式。
改善效果
《核磁共振控制台》與2004年10月前已有技術相比，具有以下優點和效果：
①採用了國際標準的乙太網進行各單元之間的數據傳輸。
②僅需要使用低速匯流排背板或扁平電纜進行模組之間的同步控制。
③系統通用性好、結構簡單、可靠性高，實現容易、成本低廉。
④可以實現分散式控制台。
附圖說明
圖1為《核磁共振控制台》系統結構圖。
圖1
權利要求
1、《核磁共振控制台》其特徵在於射頻信號發生單元（2）、信號接收與處理單元（3）和磁場梯度信號產生單元（5）通過背板/扁平電纜（4）進行連線；同時射頻信號發生單元（2）、信號接收與處理單元（3）和磁場梯度信號產生單元（5）又通過乙太網交換機（1）與主計算機（6）連線。
2、根據權利要求1所述的一種核磁共振控制台，其特徵在於射頻信號發生單元（2）由乙太網絡控制器（7）、射頻發射控制器（8）、射頻信號合成器（9）構成，射頻發射控制器（8）分別與乙太網絡控制器（7）、射頻信號合成器（9）和背板/扁平電纜（4）連線。
3、根據權利要求1所述的一種核磁共振控制台，其特徵在於信號接收與處理單元（3）由乙太網絡控制器（10）、數據採樣與控制器（11）、模擬/數字轉換器（12）和射頻與模擬信號處理單元（13）構成，數據採樣與控制器（11）分別與乙太網絡控制器（10）、模擬/數字轉換器（12）、射頻與模擬信號處理單元（13）和背板/扁平電纜（4）連線。
4、根據權利要求1所述的一種核磁共振控制台，其特徵在於磁場梯度信號產生單元（5）由乙太網絡控制器（14）、磁場梯度信號控制器（15）和數字/模擬轉換器（16）構成，磁場梯度信號控制器（15）分別與乙太網絡控制器（14）、數字/模擬轉換器（16）和背板/扁平電纜（4）連線。
實施方式
下面結合對附圖對該發明作進一步詳細描述：
（1）乙太網交換機：採樣高速乙太網結構，其中主計算機使用千兆乙太網，其他模組使用100兆位/秒的傳輸速度。
（2）射頻信號發生單元：核磁共振控制台可以有1～4個射頻信號發生單元，所產生射頻脈衝信號的頻率與原子核自旋在實驗所使用的磁場中的共振頻率相對應，射頻脈衝形狀和脈衝寬度則取決於實驗方法。該單元所使用的控制程式和實驗參數用主計算機通過乙太網傳送到各單元中，控制程式的執行由背板/扁平電纜上的信號進行同步。
（3）信號接收與處理單元：核磁共振控制台中的信號接收與處理單元也可以有1～8個，用於對原子核自旋所產生的自由感應衰減（FID）信號進行檢測；並由該單元將檢測到的數據通過乙太網回送到主計算機進行後處理和保存。
（4）背板/扁平電纜：該部件為控制台各單元提供同步信號和電源。由於同步信號具有信號線數量少，脈衝時間相對長（≥100納秒）等特點，與採用全部數據信號都由背板實現的系統相比，該部件具有設計簡單，成本低廉，可靠性高的特點。
（5）磁場梯度信號產生單元：該磁場梯度信號產生單元是現代核磁共振系統特別是核磁共振成像系統的關鍵部件之一。其功能為產生磁場梯度脈衝並驅動磁場梯度功率放大器。與射頻信號發生單元相同，該單元所使用的控制程式和實驗參數用主計算機通過乙太網傳輸，控制程式的執行由背板/扁平電纜上的信號進行同步。
（6）主計算機：主計算機負責進行人機接口、生成控制程式並對實驗產生的數據進行後處理和保存。
（7）乙太網絡控制器：功能為替代公知的核磁共振控制台中的高速數據匯流排背板，負責各模組單元與主計算機之間的數據傳輸。核心器件為LAN91C111、AX8819x或RTL8201。
（8）射頻發射控制器：接收主計算機通過乙太網絡控制器（7）傳送的控制程式和參數，控制射頻信號合成與緩衝器（10）以產生實驗所需要的射頻脈衝。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
（9）射頻信號合成器：在射頻發射控制器（8）的控制下產生合適的射頻脈衝信號，以驅動射頻功率放大器。核心器件為AD9854與PTS公司生產的PTS320。
（10）與（8）為相同部件。
（11）數據採樣與控制器：控制射頻與模擬信號處理單元（13）與模擬/數字轉換器（12），並將ADC得到的數據通過乙太網控制器（10）回送到主計算機。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
（12）模擬/數字轉換器（ADC）：將模擬數據轉換為數位訊號。型號為ADS7862或AD9241。
（13）射頻與模擬信號處理單元：對核磁共振系統前置放大器輸出的射頻信號進行放大、頻率變換和濾波，使其能由模擬/數字轉換器（13）轉換為數位訊號。主要元件型號為AD607。
（16）與（7）為相同部件。
（17）磁場梯度信號控制器：接收主計算機通過乙太網絡控制器（16）傳送的控制程式和參數，通過數字/模擬轉換器（18）輸出磁場梯度脈衝。核心器件為S3C4510b、AT91RM9200或TMS320C5509。
（18）數字/模擬轉換器（DAC）：將磁場梯度信號控制器（17）給出的數位訊號轉換為模擬信號。元件型號為AD9754。
上述所有元器件市場上均能購置。
根據圖1所示，射頻信號發生單元（2）、信號接收與處理單元（3）和磁場梯度信號產生單元（5）通過背板/扁平電纜（4）進行連線；同時射頻信號發生單元（2）、信號接收與處理單元（3）和磁場梯度信號產生單元（5）又通過乙太網交換機（1）與主計算機（6）連線。主計算機（6）將射頻信號發生單元（2）、信號接收與處理單元（3）與磁場梯度控制單元（5）模組所需要的控制程式（脈衝序列）和實驗參數通過網路直接下載到模組中；然後各模組通過背板/扁平電纜上的同步信號進行同步並由信號接收與處理單元（3）完成數據的採集；最後信號接收與處理單元（3）將得到的數據通過網路回送到主計算機（6）進行後處理和保存。
射頻信號發生單元（2）由乙太網絡控制器（7）、射頻發射控制器（8）、射頻信號合成器（9）構成。射頻發射控制器（8）分別與乙太網絡控制器（7）、射頻信號合成器（9）和背板/扁平電纜（4）連線；通過乙太網絡控制器（7）從主計算機（6）取得控制程式和數據，並經過控制射頻信號合成器（9）產生射頻脈衝。
信號接收與處理單元（3）由乙太網絡控制器（10）、數據採樣與控制器（11）、模擬/數字轉換器（12）和射頻與模擬信號處理單元（13）構成。數據採樣與控制器（11）分別與乙太網絡控制器（10）、模擬/數字轉換器（12）、射頻與模擬信號處理單元（13）和背板/扁平電纜（4）連線。由接收核磁共振系統前置放大器提供的信號，經射頻與模擬信號處理單元（13）放大和處理後由模擬/數字轉換器（12）在數據採樣與控制器（11）的控制下轉換為數位訊號，再通過乙太網絡控制器（10）回送到主計算機（6）。
磁場梯度信號產生單元（5）由乙太網絡控制器（14）、磁場梯度信號控制器（15）和數字/模擬轉換器（16）構成。磁場梯度信號控制器（15）分別與乙太網絡控制器（14）、數字/模擬轉換器（16）和背板/扁平電纜（4）連線。磁場梯度信號產生單元（5）的控制信號和數據通過乙太網絡控制器（14）從主計算機取得，並經過磁場梯度信號控制器（15）控制數字/模擬轉換器（16）產生射頻脈衝。
所有模組通過背板/扁平電纜（4）同步。
以上技術方案實現了一種高性能、高可靠性、低成本的基於乙太網進行模組之間數據傳輸的分散式控制台，具有廣闊的套用前景。
榮譽表彰
2014年11月6日，《核磁共振控制台》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
