Design of MRI Spectrometer Using 1 Giga-FLOPS DSP

1-GFLOPS DSP를 이용한 자기공명영상 스펙트로미터 설계

Purpose : In order to overcome limitations in the existing conventional spectrometer, a new spectrometer with advanced functionalities is designed and implemented. Materials and Methods : We designed a spectrometer using the TMS320C6701 DSP capable of 1 giga floating point operations per second (GFLOPS). The spectrometer can generate continuously varying complicate gradient waveforms by real-time calculation, and select image plane interactively. The designed spectrometer is composed of two parts: one is DSP-based digital control part, and the other is analog part generating gradient and RF waveforms, and performing demodulation of the received RF signal. Each recover board can measure 4 channel FID signals simultaneously for parallel imaging, and provides fast reconstruction using the high speed DSP. Results : The developed spectrometer was installed on a 1.5 Tesla whole body MRI system, and performance was tested by various methods. The accurate phase control required in digital modulation and demodulation was tested, and multi-channel acquisition was examined with phase-array coil imaging. Superior image quality is obtained by the developed spectrometer compared to existing commercial spectrometer especially in the fast spin echo images. Conclusion : Interactive control of the selection planes and real-time generation of gradient waveforms are important functions required for advanced imaging such as spiral scan cardiac imaging. Multi-channel acquisition is also highly demanding for parallel imaging. In this paper a spectrometer having such functionalities is designed and developed using the TMS320C6701 DSP having 1 GFLOPS computational power. Accurate phase control was achieved by the digital modulation and demodulation techniques. Superior image qualities are obtained by the developed spectrometer for various imaging techniques including FSE, GE, and angiography compared to those obtained by the existing commercial spectrometer.

목적 : 기존의 일반적인 스펙트로미터보다 향상된 성능을 가진 새로운 스펙트로미터를 설계 및 제작하였다. 대상 및 방법 : 초당 10억번의 부동 연산 능력을 갖춘 TMS320C6701 DSP를 이용하여 연속적으로 변하는 복잡한 경사자계파형을 실시간으로 계산하여 출력할 수 있고, 선택 단면을 interactive하게 조절할 수 있는 스펙트로미터를 설계, 제작하였다. 설계된 스펙트로미터는 DSP 기반의 디지털 제어부와 파형을 만들고 변조 및 복조를 수행하는 아날로그부로 구성되어 있다 RF 신호의 변조 및 복조는 디지털 기술을 사용하여 정밀도와 안정성을 높였다. 고속 병렬영상을 위하여 하나의 측정 보드당 4채널까지 측정할 수 있도록 하였고, 고속 DSP를 이용하여 빠른 재구성이 가능하도록 하였다. 결과 : 제작된 스펙트로미터를 1.5 테슬라 전신자기공명영상 시스템에 장착하여 다양한 방법으로 성능을 시험하였다. 디지털 변조/복조 방식에서 요하는 정밀한 위상 제어를 확인할 수 있었고, phase array 코일 영상을 통하여 다중 채널 측정시스템의 성능을 검증할 수 있었다. 개발된 스펙트로미터를 기존의 상품화된 스펙트로미터와 비교해 볼때 보다 정밀한 위상 제어가 가능한 것으로 나타났다. 결론 : Interactive하게 영상의 단면을 선택하고, 실시간 계산에 의한 파형출력은 나선주사 심장영상과 같은 첨단의 영상기법에 요구되는 스펙트로미터의 기능이다 또한 다채널 측정시스템도 병렬영상을 위한 필수적인 기능이다. 본 논문에서는 초당 10억번의 부동소수점 연산이 가능한 TMS320C6701 디지털신호처리기를 사용하여 이러한 기능들을 가진 스펙트로미터를 설계, 제작하였다. 디지털 방식의 변조/복조 기술을 채택하여 정밀한 위상제어가 가능하였다. 개발된 스펙트로미터를 FSE, GE, angiography 등 다양한 영상방법에 적용하여 성능을 확인하였으며, 기존의 제품보다 뛰어난 화질의 영상을 얻을 수 있었다.