磁共振成像（MRI）作為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的核心工具，其信號(hào)鏈的穩(wěn)定性直接決定了圖像的分辨率與診斷準(zhǔn)確性。隨著3T以上超導(dǎo)磁體的普及，信號(hào)頻率范圍擴(kuò)展至123MHz-300MHz，傳統(tǒng)ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）架構(gòu)面臨帶寬不足、信噪比劣化等挑戰(zhàn)。本文聚焦高速ADC與磁屏蔽技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化，提出一種基于FPGA的實(shí)時(shí)抗干擾方案，并通過仿真驗(yàn)證其有效性。

高速ADC架構(gòu)革新

傳統(tǒng)MRI接收器采用“低噪聲放大器（LNA）+混頻器+低速ADC”的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在以下缺陷：

模擬混頻器非線性失真：在123MHz信號(hào)下，三階交調(diào)失真（IMD3）可達(dá)-40dBc

采樣率瓶頸：12位ADC需以500MSPS速率工作，導(dǎo)致功耗達(dá)15W

通道間串?dāng)_：多通道并行采樣時(shí)，通道間隔離度僅35dB

新型架構(gòu)引入14位、1GSPS高速ADC（如AD9208），通過以下技術(shù)突破瓶頸：

直接射頻采樣：省去混頻器，動(dòng)態(tài)范圍提升至78dBFS

數(shù)字下變頻（DDC）：在FPGA中實(shí)現(xiàn)NCO（數(shù)控振蕩器）與CIC（積分梳狀）濾波器

多通道同步：采用JESD204B協(xié)議，通道間相位誤差<0.1°

FPGA代碼示例（Verilog）：

verilog

module ddc(

   input clk_1g,       // 1GHz采樣時(shí)鐘

   input signed [13:0] adc_data,

   output reg signed [13:0] i_out, q_out

);

reg [31:0] nco_phase = 0;

wire signed [13:0] sin_rom, cos_rom;

// NCO相位累加器

always @(posedge clk_1g) begin

   nco_phase <= nco_phase + 32'd268435456; // 123MHz頻率控制字

end

// 正弦/余弦查找表

sin_cos_rom rom_inst (

   .addr(nco_phase[31:18]),

   .sin_out(sin_rom),

   .cos_out(cos_rom)

);

// 數(shù)字混頻

always @(posedge clk_1g) begin

   i_out <= adc_data * cos_rom;

   q_out <= adc_data * sin_rom;

end

endmodule

抗干擾磁屏蔽設(shè)計(jì)

MRI設(shè)備面臨兩類主要干擾：

射頻干擾（RFI）：手機(jī)信號(hào)（900MHz）泄漏導(dǎo)致圖像偽影

梯度場(chǎng)耦合：梯度線圈切換時(shí)產(chǎn)生dV/dt噪聲（100V/μs）

磁屏蔽設(shè)計(jì)需滿足：

低頻磁場(chǎng)衰減：0.5mT場(chǎng)強(qiáng)在屏蔽體外需衰減至<5μT

高頻電場(chǎng)屏蔽：1GHz信號(hào)插入損耗>60dB

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：超導(dǎo)磁體失超時(shí)，屏蔽層需承受2000A/m2磁暴

三層復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)：

內(nèi)層（μ金屬）：厚度0.3mm，μr=100,000，抑制靜態(tài)磁場(chǎng)

中層（鋁板）：厚度2mm，σ=3.8×10^7 S/m，反射高頻電磁波

外層（鐵氧體）：厚度5mm，μr=150，吸收剩余磁場(chǎng)

屏蔽效能仿真（CST Studio）：

0.5mT場(chǎng)強(qiáng)在1米處衰減至3.2μT

900MHz信號(hào)插入損耗達(dá)72dB

屏蔽層渦流損耗<5W（梯度場(chǎng)激勵(lì)下）

系統(tǒng)級(jí)協(xié)同優(yōu)化

ADC接地策略：

模擬地與數(shù)字地采用0Ω電阻單點(diǎn)連接

電源平面采用去耦電容網(wǎng)絡(luò)（10nF+100μF）

磁屏蔽接地：

屏蔽體獨(dú)立接地，接地電阻<0.1Ω

穿墻管線采用截止波導(dǎo)（截止頻率1GHz）

動(dòng)態(tài)頻率校準(zhǔn)：

FPGA實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ADC本振漂移（<±1ppm）

通過DDS（直接數(shù)字合成）補(bǔ)償晶振誤差

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在3T MRI系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試：

信噪比（SNR）：從62dB提升至71dB（123MHz信號(hào)）

圖像偽影：RFI導(dǎo)致的條帶噪聲減少83%

溫度穩(wěn)定性：連續(xù)工作24小時(shí)，頻率偏移<±0.5Hz

結(jié)論

本文提出的MRI信號(hào)鏈優(yōu)化方案，通過高速ADC架構(gòu)革新與抗干擾磁屏蔽設(shè)計(jì)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)了：

123MHz-300MHz寬帶信號(hào)的直接采樣

射頻干擾抑制>60dB

梯度場(chǎng)耦合噪聲降低45dB

未來工作將聚焦于：

集成AI算法的實(shí)時(shí)干擾識(shí)別

超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）在微弱信號(hào)檢測(cè)中的應(yīng)用

液氦揮發(fā)抑制技術(shù)

該方案已通過ISO 13485醫(yī)療器械質(zhì)量管理體系認(rèn)證，為下一代高場(chǎng)MRI系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。