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.
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.
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 (GFL...
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.
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.
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문제 정의
본 논문에서는 고속 DSP인 TMS320C670K 사용하여 스펙트로 미터를 개발하였다 . 개발된 스펙트로미터는 실시간으로 경사자 계파형을 계산하여 출력할 수 있고, 또한 회전 matrix를 실시간으로 계산하여 선택 단면을 interactive하게 조절할 수 있다.
제안 방법
이 칩은 두 개의 독립적인 연쇄 DMA 채널과 함께 호스트와 로컬 메모리간의 대기상태 제로의 버스트 작동을 위한 8개의 프로그램이 가능한 양방향 FIFO를 가지고 있다. PCI의 arbiter와 주변장치 제어, 그리고 서로 다른 I/O 클럭을사용하는 디바이스 간의 타이밍을 맞추기 위한 논리회로 등은 ALTERA사의 FPGA 칩 에 구현하였다.
첫 번째는 변조된 RF 신호(변조된 sine 함수）를 데이터 측정단자에 직접 연결하여 복조를 거쳐 기저대역신호（sine 함수）로 측정하는 과정（loop-back test）을 수행하였다. TR 시간 간격으로 동일한 파형을 반복하여 변조 및 복조를 하여 얻은 데이터의 특정한 위치（측정구간의 가운데） 의 샘플의 위상 분포를 살펴보았다 （표 1）. 표 1에서 보듯이 단 기（4분） 및 장기（24시간）적으로 측정한 위상 분포의 표준편차 는 0.
00137° 이며 , 64에서 131072까지 데시메이션이 가능하다. phase array 코일을 이용한 다중채널측정을 지 원하기 위하여 한 측정 보드 당 4개의 채널측정이 가능하도록 하였고, 채널 간의 간섭을 최소화하기 위하여 전원을 분리하였고 RF 차폐를 하였다. 측정보드의 블록 도를 그림 4에 보였으며, 제작된 측정보드의 사진을 그림 5에 나타내었다.
CPU와 외부메모리를 연결해주는 외부메모리 인터페 이 스는 동기 식 다이 나믹 RAM (synchronous dynamic RAM: SDRAM), 동기식 버스트 static RAM (synchronous burst static RAM: SBSRAM), 그리고 비동기식 메모리를 지원한다. 개발된 DSP 보드에는 2 M byte의 외부 메모리를 장착하여 수신된 FID 데이터의 1-D FFT, 멀티 에코의 averaging 등을 수행할 수 있도록 하였으며, 프로그램의 확장을 위하여 외부에 DSP와 같은 속도로 응답을 하는 고속의 512 K byte의 SBSRAM을 장착하였다.
하나의 측정보드에 4 채널의 데이터를 동시에 측정할 수 있도록 설계함으로써 phase array 코일을 이용한 병렬영상을 기본적으로 적용할 수 있도록 하였다. 개발된 스펙트로미터를 1.5 테슬라 전신 자기 공명 영상시스템에 장착하여 스핀에코, 경사자 계에 코, 고속스핀에코, angiography, phase array 코일 영상 등 다양한 기법 및 부위의 영상들을 얻음으로써 스펙트로 미터의 성능을 검증하였다.
두 번째는 MRI 실험을 통하여 측정한 신호에서 위상의 분포를 확인하였다. 이를 위하여 위상 인코딩 경사자계는 가하지 않 고, selection과 readout 방향으로만 경사자계를 가하여 신호를 측정한 후 측정 구간의 가운데에서 샘플된 신호의 위상을 살 펴보았다 （표 2）.
본 논문에서는 초당 10억 번의 부동점 연산이 가능한 Texas Instruments 사의 부동점 연산 디지털 신호처리기 (digital signal processor: DSP) TMS320C6701을(14) 이용하여 경사자계 파형의 실시간 연산이 가능하고, 3×3 회전행렬의 실시간 연산처리로 영상 단면을 interactive하게 선택할 수 있는 스펙트로 미터를 설계하였다 (15-16). 또한 RF 파형을 만들 때 수치 제어발진기 (numerically controlled oscillator:NCO)를이용하고, 수신된 RF 대역의 자기공명신호를 일차 복조한 후 digital down converter(DDC)를 사용하여 기저대역의 신호를 얻음으로써 아날로그 방식의 변조/복조에 비하여 정밀도와 안정성을 향상시켰다.
두 번째는 MRI 실험을 통하여 측정한 신호에서 위상의 분포를 확인하였다. 이를 위하여 위상 인코딩 경사자계는 가하지 않 고, selection과 readout 방향으로만 경사자계를 가하여 신호를 측정한 후 측정 구간의 가운데에서 샘플된 신호의 위상을 살 펴보았다 （표 2）. 표 2에서도 제작된 DSP 보드들 간에 동기화 및 시간 제어가 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
같은 실험을 수행하였다. 첫 번째는 변조된 RF 신호(변조된 sine 함수）를 데이터 측정단자에 직접 연결하여 복조를 거쳐 기저대역신호（sine 함수）로 측정하는 과정（loop-back test）을 수행하였다. TR 시간 간격으로 동일한 파형을 반복하여 변조 및 복조를 하여 얻은 데이터의 특정한 위치（측정구간의 가운데） 의 샘플의 위상 분포를 살펴보았다 （표 1）.
비교적 데이터 양이 적은 DSP 프로그램이나 파라미터는 소켓 프로그램을 이용하고, 양이 큰 측정 데이터나 재구성된 영상은 ftp를 사용하여 업로드한다. 측정 DSP 보드는 PCI 버스 콘트롤러 를 이용하여 대용량의 데이터를 스펙트로미터 컴퓨터와 통신하도록 하였으며, 컴퓨터 내의 대용량 메모리를 공유하도록 설계하였다. 아날로그 보드들은 VXI 버스 기반으로 설계되어 VXI 랙에 장착되어 있다.
개발된 스펙트로 미터는 수치제어기 발진기 및 디지털다운컨버터를 이용하여 디지털 변조 및 복조를 수행함으로써 실수부와 허수부의 분리가 정확하고, 또한 정확한 동기 및 시간 제어로 위상에러를 없앴다. 하나의 측정보드에 4 채널의 데이터를 동시에 측정할 수 있도록 설계함으로써 phase array 코일을 이용한 병렬영상을 기본적으로 적용할 수 있도록 하였다. 개발된 스펙트로미터를 1.
대상 데이터
경사자계 보드의 경우 X, Y, Z, B0 채널을 한 보드에 내장하였다. 경사자계의 출력 신호는 16 bit digital-to-analog converter# 거쳐 ±5V 이내의 값을 갖는다.
샘플링된 데이터는 디지털 다운 컨버터(digital down converter: DDC)와 저대역 통과 필터를 거쳐 실수부와 허수부를 가진 기저대역 신호가 된다. 사용된 DDC는 16-bit 데이터를 초당 75M로 처리할 수 있으며, 주파수 해상도는 0.006 Hz이고, 위상 해상도는 0.00137° 이며 , 64에서 131072까지 데시메이션이 가능하다. phase array 코일을 이용한 다중채널측정을 지 원하기 위하여 한 측정 보드 당 4개의 채널측정이 가능하도록 하였고, 채널 간의 간섭을 최소화하기 위하여 전원을 분리하였고 RF 차폐를 하였다.
경사자계에코의 경우 TRi- 630 ms, TE를 14 ms, flip 각은 20°로 하였으며, 1번의 average 로 얻었다. 이들 모두에서 슬라이스 두께는 5 mm, 데이터 측정 matrix는 256x192로 하였다. 그림 6에서 보듯이 스핀에코 및 경사자계에코 영상 모두에서 뛰어난 화질이 얻어짐을 알 수 있다.
초당 10억 번의 부동소수점 연산이 가능한 Texas Instruments 사의 DSP 인 TMS320C6701 을 사용하여 디지털 신호처리 보드를 설계하였다. 이 DSP는 167MHz(6-ns cycle time)에서 동작하며, 매 사이클마다 8개의 32-bit 명령어를 병렬 수행하는 구조를 가지고 있다.
성능/효과
나선주사영상과 같은 초고속 자기공명영상 기법을 기존의 일반적인 스펙트로미터로 구현하는데는 메모리 한계와 실시간 계산의 어려움으로 인하여 제한이 많다. 개발된 스펙트로 미터는 수치제어기 발진기 및 디지털다운컨버터를 이용하여 디지털 변조 및 복조를 수행함으로써 실수부와 허수부의 분리가 정확하고, 또한 정확한 동기 및 시간 제어로 위상에러를 없앴다. 하나의 측정보드에 4 채널의 데이터를 동시에 측정할 수 있도록 설계함으로써 phase array 코일을 이용한 병렬영상을 기본적으로 적용할 수 있도록 하였다.
개발하였다 . 개발된 스펙트로미터는 실시간으로 경사자 계파형을 계산하여 출력할 수 있고, 또한 회전 matrix를 실시간으로 계산하여 선택 단면을 interactive하게 조절할 수 있다. 이러한 기능들은 움직임이 많은 장기의 영상을 초고속 영상으로 얻을 때 유용하다.
그림 7에서 보듯이 상용화제품을 사용하여 얻은 고속스핀 에코 영상에서는 위상에러 때문에 ghost artifact가 머리 뼈 테두리에서 관찰이 되나 개발된 스펙트로미터를 사용하여 얻은 고속스핀 에코 영상에서는 정확한 위상 제어로 않lost artifact가 발견되지 않는다. 따라서 제작된 스펙트로미터가 기존의 상용화 제품에 비하여 더 정밀하게 위상을 제어하는 것을 알 수 있다. 그림 8은 phase array 코일을 이용하여 얻은 4채널 영상이다.
설계하였다 (15-16). 또한 RF 파형을 만들 때 수치 제어발진기 (numerically controlled oscillator:NCO)를이용하고, 수신된 RF 대역의 자기공명신호를 일차 복조한 후 digital down converter(DDC)를 사용하여 기저대역의 신호를 얻음으로써 아날로그 방식의 변조/복조에 비하여 정밀도와 안정성을 향상시켰다.
TR은 4000ms, effective TE는 114 ms이며, 12개의 에코를 측정하였다 (ETL=12). 슬라이스 두께는 5 mm 이며, average 횟수는 2회, 그리고 데이터 matrix 크기는 512x192의 고해상도 영상으로 모두 19 슬라이스를 얻었다. 그림 7(a)는 이 논문에서 제안한 스펙트로미터로 얻은 영상이고, (b)는 상용화된 스펙트로미터를 이용하여 얻은 영상이다.
이상과 같이 개발된 스펙트로미터를 사용하여 스핀에코, 경사자 계에 코, 고속스핀에코, phase array 코일 영상, angiogram 등의 다양한 영상기법을 두부, 등뼈, 발목 등의 부위에 적용하여 뛰어난 화질의 영상을 얻을 수 있었으며, 개발된 스펙트로 미터의 성능을 확인할 수 있었다.
이를 위하여 위상 인코딩 경사자계는 가하지 않 고, selection과 readout 방향으로만 경사자계를 가하여 신호를 측정한 후 측정 구간의 가운데에서 샘플된 신호의 위상을 살 펴보았다 （표 2）. 표 2에서도 제작된 DSP 보드들 간에 동기화 및 시간 제어가 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 표 1에 비하여 표 2에서 위상의 표준편차가 다소 증가한 것은 자기공명신 호의 신호대잡음비가 표 1에서 사용한 RF 신호에 비하여 떨어 지기 때문인 것으로 사려된다.
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