原标题：软件无线电如何实现更有效的磁共振成像 （MRI） 机器设计

　　自X射线发现以来，透视身体的能力是医学技术的主要目标之一，使医生有可能在没有侵入性手术和程序的情况下评估骨折和检测疾病。医学成像技术最先进的成就之一是磁共振成像(MRI)机器。MRI包括在体内施加强磁场以使氢原子的自旋极化，从而使质子可以被射频(RF)电流脉冲刺激并释放可以被天线受体检测到的电磁能量。通过评估脉冲响应的能量和时间延迟，可以确定组织的性质和位置。MRI机器需要产生特定的射频波来偏振氢原子， 复杂的无线电系统是确保精度和可重复性不可或缺的。从这个意义上说，软件定义无线电(SDR)提供了一系列好处，可以提高MRI的性能，多功能性，鲁棒性和可升级性。

　　在本文中，我们将讨论MRI的基本概念，以及如何将SDR集成到这些系统中以提高性能和功能。我们介绍了一些使其成为MRI应用的理想选择的SDR规范，例如数字后端的可编程性，它允许在不进行任何硬件修改的情况下升级到最新的诊断技术和数字信号处理(DSP)算法，以及对多输入多输出(MIMO)RF通道的支持，这对于管理MRI线圈至关重要。我们还讨论了是什么使SDR成为高性能无线电单元，具有高信噪比(SNR)和MIMO通道之间的高相位相干性 - 这两者在MRI中都非常重要。我们总结了基于SDR的MRI机器正在进行的研究的几个例子，以及它们各自的结果和局限性。

　　什么是磁共振成像?

　　顾名思义，磁共振成像(MRI)是一种复杂的医疗技术，它利用自旋的激发和质子旋转轴诱导偏差的检测来重建患者身体的内部图像。除了非侵入性和非电离性外，MRI还可以产生详细的三维图像，可用于诊断，检测和监测许多疾病和伤害，包括肿瘤，神经和肌肉疾病，中风，心脏和血管异常以及炎症。MRI通常应用于非医学领域，包括食品质量检查，考古学，法医学和材料科学。

　　MRI过程的第一步是通过将氢质子与强磁场对齐来使其动量极化。磁场强度可能因机器而异，通常在 0.5 到 3 特斯拉的范围内。在质子对齐的情况下，射频脉冲被发送到身体，这会干扰极化的质子并储存能量，当质子恢复到平衡状态时，能量在脉冲结束后释放。

　　然后，响应RF信号由非常灵敏的RF线圈检测，测量响应脉冲的幅度、频率和相位。激发的质子在拉莫尔频率处发出射频响应，该响应随磁场的强度和原子性质而变化，可以在体内施加磁梯度，使响应频率编码质子的位置，这是解决内部空间分布的基础(对于氢，拉莫尔频率为42.58 MHz/Tesla)。由于氢质子在水和脂肪组织中含量丰富，MRI扫描仪对脂肪量和水分布具有更高的灵敏度。组织之间的对比度可以通过根据质子的弛豫特性改变脉冲序列的参数来控制。

　　一般的MRI架构由四个阶段组成：磁铁，RF单元，梯度线圈和重建计算系统(见图1)。

　　图1：MRI广义结构(来源：Per Vices)

　　大磁铁提供使质子极化所需的大磁场，并且通常使用超导磁铁来实现，超导磁铁是比传统磁铁更强的超导线线圈。射频系统负责电磁波的发射和接收，由频率合成器、调制器、放大器、正交混合、发射/接收器 (Tx/Rx) 开关和线圈组成。

　　MRI中通常使用四种类型的线圈：表面线圈，用于相对较小的身体部位，例如肩膀和脊柱;成对的鞍形线圈，可用作XY梯度线圈或膝关节成像;亥姆霍兹对线圈，是并联的大圆形线圈，用作z轴梯度;以及鸟笼线圈，它提供了高度的均匀性，通常用于头部成像。梯度线圈负责在主磁场中应用受控变化，以实现空间信息的编码，在测量区域的三个轴上实现。

　　计算单元执行强大的DSP和成像重建算法，包括傅里叶变换，将身体周围的RF线圈检测到的RF响应转换为内部组织分布的三维图像。计算机还控制扫描顺序，允许修改所涉及的主要参数，同时还以图形方式显示图像结果。可用的两个主要MRI序列是T1加权扫描和T2加权扫描，它们分别使用短时间和大回波时间(TE)和重复时间(TR)来产生图像，测量组织的不同松弛特性，从而测量图像中的不同对比度。

　　传统MRI的挑战：低场MRI作为解决方案?

　　尽管MRI是目前医疗行业中最强大的诊断成像工具，但它带来了一些挑战，大大降低了其在大多数情况下的适用性。这里最大的问题是经济性，因为MRI机器的制造/校准极其昂贵且复杂，限制了它们在大型医院和发达国家的适用性。主磁铁是MRI机器如此昂贵的一个主要原因，因为它们需要通过液氦保持冷却，消耗大量能量，并且需要安装在电磁干扰(EMI)最小的隔离房间中。制造、校准和操作MRI机器需要高度专业化的人力资源和机械，这大大增加了总开发成本。 图像重建系统必须由具有繁重处理能力的强大计算机组成，以管理所涉及的大量数据，这进一步增加了成本。

　　这些经济限制创造了对可访问且更便宜的MRI机器的大量需求，导致低场MRI的发展。多年来，低场MRI一直被医疗界和学术界所忽视，因为高场和超高场MRI机器提供了更大的利润空间和更高的空间分辨率，成为科学研究的标准和优秀的商业模式。

　　人们可以通过降低主场来降低成本，因此低场MRI机器在经济资源较少的服务不足国家的临床应用中变得越来越重要。低场MRI为特定用例的系统适应提供了更大的空间，其中每个设备都针对特定应用进行了优化，而不是大型笨重的通用机器。从这个意义上说，SDR正在成为许多低场MRI系统的重要组成部分，因为它提供了这种范式转变所需的灵活性和可编程性。

　　什么是特别提款权?

　　在我们进一步讨论它们在医学成像中的作用之前，让我们退后一步，正确定义什么是SDR。软件定义无线电 (SDR) 是无线电收发器，可在软件域中实现大部分或全部信号处理功能，而不是像传统无线电那样完全依赖模拟电路。

　　SDR由两个主要阶段组成：无线电前端(RFE)和数字后端。RFE 执行天线耦合、RF 放大、低噪声放大 (LNA) 和滤波的所有基本模拟功能。它在非常宽的调谐范围内执行所有 Rx 和 Tx 功能。RFE 会显著限制 SDR 的性能和适用性，因此市场上带宽最高的 SDR 通过独立的数模转换器/模数转换器 (DAC/ADC) 在多个通道上实现具有 3 GHz 瞬时带宽的前端，从而实现 MIMO 操作。

　　数字后端通常使用具有板载DSP功能的高性能现场可编程门阵列(FPGA)实现，包括调制、解调、上/下变频、脉冲/波形生成、专用处理算法(如FFT)和以太网光链路上的数据包化。

　　SDR 的一个主要优点是主机连接，可用于 SDR 信号处理完成后的繁重计算和医学图像重建算法，以及实现对 SDR 操作和配置的直接控制。图像系统需要主机处理大量数据，因此SDR吞吐量是一个非常重要的参数。为了满足这一需求，最高吞吐量的 SDR 通过 qSFP+ 收发器提供 4 x 100 Gbps 的回程。

　　在选择或设计用于MRI的SDR之前，必须优化多个参数以提高系统性能。最重要的方面之一是信噪比，因为极化质子的RF响应可能非常小。接收器还必须提供出色的动态范围和无杂散动态范围(SFDR)，以支持各种信号幅度。此动态范围内的信号放大必须是高度线性的，因此LNA和功率放大器(PA)线性度在MRI中至关重要，对于测量和驱动电路。图像分辨率高度依赖于SFDR、SNR和电路线性度。管理多个线圈需要具有高水平通道同步和频率稳定性的MIMO操作，并支持外部和内部触发。 通道之间的相位相干性对于防止图像失真和伪影至关重要，与传统的基于硬件的方法相比，SDR能够实现更好的通道同步。精确的模数转换对于降低数字化噪声和混叠至关重要。需要具有高性能ADC的SDR，为过采样提供高速数字化，从而以内存为代价显著提高精度。ADC还需要辅助功能和电路，如抗混叠滤波器、时间卷积和抽取。 为过采样提供高速数字化，以内存为代价显著提高精度。ADC还需要辅助功能和电路，如抗混叠滤波器、时间卷积和抽取。 为过采样提供高速数字化，以内存为代价显著提高精度。ADC还需要辅助功能和电路，如抗混叠滤波器、时间卷积和抽取。

　　用于磁共振成像的 SDR

　　在MRI系统中，SDR可以实现各种功能，如图2所示。

　　图 2：将 SDR 集成到 MRI 系统中。(来源：每台虎钳)

　　首先，SDR的数字后端从主机接收配置和测量序列，调整主要RF参数以符合应用要求。FPGA 基于由锁相环 (PLL) 监控的嵌入式数控振荡器 (NCO) 执行频率合成，从而确保频率和相位稳定性。该过程在拉莫尔频率处产生正弦信号，然后可以通过SDR的Tx通道将其发送到传输RF线圈。RFE的Rx通道使用正弦信号的另一个分量对来自RF线圈的接收信号进行解调和解码。

　　RFE执行所有必要的放大和滤波，然后通过JESD204B协议将接收到的信号发送到FPGA。发射器还必须与磁场同步 - 在实际应用中通常是脉冲 - 这需要使用kHz范围内的低频脉冲进行脉冲调制。这种脉冲调制的灵活实现需要适合几种不同的MRI应用，并且可以使用SDR的可编程DSP单元来实现。

　　FPGA 在 Tx/Rx 信号中执行多种 DSP 算法， 包括用于主机系统接口的滤波、抽取、调制和数据包化。如果有更多RFE通道可用，梯度场也可以由SDR控制，驱动器符合线圈阻抗和电流。结果是通过在MRI中使用SDR来降低复杂性和设备数量。

　　在MRI机器中使用SDR的主要优势是通过使用基于FPGA的RF功能获得的高度灵活性和可编程性。这对于医疗行业来说是非常理想的，因为复杂的设备通常是基于硬件的，并且在功能和适用性方面非常固定，并且无法轻松升级到最新技术，导致不可避免的过时和更换。

　　另一方面，基于软件的组件具有高度可升级性，可以轻松修改以符合特定应用，无需任何硬件修改即可微调参数。这使得设备始终采用最先进的技术，提供最佳的性能和精度。基于软件的组件在FPGA内部实现，与传统方法相比，FPGA需要的组件要少得多，从而降低了总体成本、复杂性、维护和上市时间。

　　正在进行的研究和最近的实施

　　如前几节所述，高场MRI机器的设计、生产和应用存在一些挑战，特别是在资源匮乏国家的成本和可及性方面。随着SDR的普及，以及这些设备为MRI行业提供的诸多优势，工业界和学术界正在开发更新，成本更低，更易于使用的MRI机器。低场MRI正在重新崛起，成为成像应用的可行替代方案，在这些应用中，低成本和高可及性比极高分辨率更为重要。在本节中，我们将讨论基于SDR的低场MRI系统中正在进行的研究的一些示例。

　　正在开发几种技术来提高低场MRI机器的性能，从而有可能在仅适用传统MRI的情况下实现。一个例子是磁共振控制系统(MaRCoS)，这是一个由国际MRI研究人员社区设计的低场MRI电子平台。该设备由涅涅维茨基展示 等 [1]是一种用于低场MRI控制的低成本开源解决方案，允许使用任意波形，快速突发事件和复杂的测量序列。它基于带有C++服务器的SDR平台。SDR 使用带有两个 16 位 ADC 和两个 14 位 DAC(均为 122.88 MHz)的 RFE，通过 RF 线圈接收和发送信号，同时还通过串行外设接口 (SPI) 控制自定义梯度驱动器。FPGA 后端执行多种 DSP 算法，包括 NCO、解码、CIC 滤波器和数据序列化，而 C++ 服务器执行 FPGA 和主机之间的接口。该平台能够控制低场MRI系统，在基于Python的图形界面上显示结果，而成本仅为1000美元[1]。

　　特别提款权的普及使得为这些设备开发许多开放源码编程工具成为可能。GNU Radio是最流行的，它使用图形工具和编程语言(Python和C++)为复杂的DSP功能提供了一个即用型开发环境。

　　gr-MRI项目是一个软件包，其中包含多个Python脚本，信号生成和记录块，以及专门为MRI目的设计的GNU无线电流程图。它的开发是为了促进基于商用现货(COTS)SDR的定制低场MRI系统的设计，而无需任何FPGA编程或硬件设计知识。gr-MRI 由 Hasselwander 提供 等 [2]，并提供用于基本排序、系统校准、多无线电同步、信号处理和图像重建的工具，从而允许在软件域中设计整个MRI操作。最多可配置4个序列，包括单脉冲序列、自旋回波成像序列、梯度召回波成像序列和自旋回波反演恢复成像序列。

　　图 3 显示了用于脉冲和采集发送和接收功能的 GNU 流程图。验证系统由两个SDR(一个用于RF信号，另一个用于梯度信号)和一个B场为0.5特斯拉的MRI扫描仪实现，在成像模型中执行不同的扫描序列 - 包括频率扫描RF波形。该平台在实施的幻影中成功验证，总成本仅为2000美元[2]。

　　图 3：在 gr-MRI 项目中开发的用于脉冲和采集 Tx 和 Rx 的 GNU 无线电流程图。(资料来源：哈塞尔万德等人[2])

　　结论

　　毫无疑问，MRI机器是现代医学中最重要的突破之一。它允许分析体内组织的内部分布，而无需打开患者，有助于疾病的早期发现，治疗监测并避免不必要的手术。然而，这些机器的设计、制造和操作仍然过于昂贵和复杂，限制了它们在发达国家大型医院的适用性，导致很大一部分人无法使用MRI机器。

　　SDR 可以通过提高其灵活性、可升级性和降低设备总成本来缓解 MRI 中的一些技术挑战，同时保持精确成像所需的 SNR、SFDR、线性度和相位相干性。SDR正在推动新一代低场MRI机器的开发，与传统MRI系统相比，这些机器现在可以以更低的成本和复杂性提供出色的性能。目前正在使用基于SDR的低场MRI机器进行大量研究，包括开源和低成本控制器MaRCoS和基于GNU的gr-MRI软件包。这些设备令人兴奋的结果和潜力表明，MRI机器在资源匮乏人群中的普及并不遥远。

　　引用

　　[1] 涅格涅维茨基， V.， 维维斯-吉拉伯特， Y.， 阿尔加林， J. M.， 克雷文-布莱曼， L.， 佩利塞-古里迪， R.， 奥赖利， T.,...和门库克，B. (2022)。MaRCoS，用于低场MRI的开源电子控制系统。arXiv预印本arXiv：2208.01616。

　　[2] Hasselwander， C. J.， Cao， Z.， & Grissom， W. A. (2016).gr-MRI：使用软件定义无线电进行磁共振成像的软件包。磁共振杂志，270，47-55。

　　考埃·莫塞勒斯 是一名电气工程师，专注于电子设计和仪器仪表。学习和撰写有关尖端技术的知识是他的热情所在之一。

　　布兰登·麦克休 是Per Vices的技术撰稿人和现场应用工程师，在设计，开发，构建和集成用于医学成像各种应用的SDR(包括MRI和NMR)方面拥有丰富的经验。他拥有多伦多大学的理论和数学物理学学位。