眭建鋒，梁 振，何 珊，周小強，汪順平

基于單片機的功能磁共振同步器的設計

眭建鋒，梁 振，何 珊，周小強，汪順平

目的設計一種處理功能磁共振成像（fMRI）同步輸出信號的同步器，對其解決同步問題的性能進行鑒定。方法fMRI在采集圖像數據時，有兩種同步信號輸出方式：其一，采集一幅完整腦圖時，每采集一層圖像輸出一個同步方波信號；其二，采集完一幅腦圖輸出一個同步信號。首先設定一幅完整腦圖的采集層數，也稱同步參數（SP）；然后采集第一種同步方波信號，用單片機外部中斷方法對第一種同步方波信號的上升沿計數，并保持初始輸出為高電平；直到最后一層腦圖時，將輸出信號置為低電平并延時一段時間。結果同步器成功將第一種同步方波信號處理成第二種同步信號；matlab編程串口程序自動化設定SP，通過串口傳輸至單片機；結果表明該同步器可自動化設置SP。結論設計的同步器能使某類功能磁共振輸出同步信號的同步問題得以解決，設備兼容性得到提升，其自動化設置SP，可減少醫(yī)護人員的工作量。

功能磁共振；同步；單片機；串口

自上世紀末中國拉開功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）研究的序幕以來，經過多年發(fā)展，fMRI已成為應用前景最廣闊的成像技術之一［1－3］。fMRI設備采集血氧增強效應（blood-oxygen level-dependent，BOLD）信號，并以此為指標來度量大腦對刺激的響應程度［4－10］。成像要求刺激和響應需嚴格同步，若不同步則很難計算出刺激誘發(fā)的真實響應。為解決同步問題，目前已有基于復雜可編程邏輯器件（complex programmable logic devices，CPLD）的同步器，該同步器通過按鈕設置同步參數（synchronization parameter，SP），在每次掃描時，都需手動復位并設置SP，無形中給繁忙的醫(yī)護人員添加不少工作量。經過一段時間，發(fā)現醫(yī)護人員經常疏忽該步驟，而該疏忽可能會導致本次采集的圖像全部無效。為此該研究設計了一個基于AT89S52單片機的同步器，該同步器可通過matlab串口程序自動設置SP。

1 材料與方法

1.1 設計分析fMRI的BOLD信號強度很弱，并存在一定的變異性，同時fMRI設備本身也會產生噪聲，因此為獲得大腦對某一刺激的響應，需多次重復給予該刺激并記錄該刺激誘發(fā)的響應；然后，對多次響應進行疊加平均處理，從而得到大腦對該刺激的響應；這樣疊加平均處理就要求刺激和響應嚴格同步。通常，一幅完整的腦圖由多層構成，這里的腦圖層數為SP，采集完一幅腦圖的時間為重復時間（time of repetition，TR）。平面回波成像（imaging of planar echo，EPI）序列是fMRI實驗中最常用的一種序列，fMRI設備在使用EPI序列［11－14］掃描時，有兩種同步輸出方式：一種是每采集一層輸出一個同步信號，信號的同步間隔較小，如GE Signa 3.0T［15］；另一種是圖像全部采集完輸出一個同步信號，信號的同步間隔較大，如西門子Skyra 3.0T。刺激呈現時間一般為200～2 000 ms。為了讓刺激計算機能可靠地檢測到同步信號，就要求fMRI設備輸出同步信號的同步間隔大于刺激呈現時間。對于第一種同步方式，fMRI設備輸出的同步信號間隔要＜200 ms（同步間隔＝TR／SP；TR典型值為2 000 ms，層數＞20層，同步信號間隔＜100 ms），無法滿足刺激同步的要求；而第二種同步方式由于其同步信號間隔等于TR（典型值為2 000 ms），相對較長，這樣能滿足絕大部分應用，從而克服設備的兼容問題。

1.2 方法概述為解決同步間隔過小的問題，本實驗設計了基于AT89S52單片機的同步器，該同步器能將圖1中的第一種同步方波信號（同步間隔較?。┱沓傻诙N同步信號（同步間隔較大）。目前基于CPLD的同步器，通過按鈕進行設置SP，并需要在使用過程中重復手動操作；本實驗在SP設置上做了一定改進，可通過串口程序自動化設置SP。本文同步器首先通過matlab程序向串口發(fā)送SP，而且SP在以后每次的工作過程中可通過matlab程序自動發(fā)送，無需人為操作，單片機接收到SP后，開始執(zhí)行返回，再通過串口用matlab讀取SP，同時采集第一種同步方波信號，采用單片機外部中斷（接口為P3.2或P3.3）記錄該方波的上升沿個數，并保持輸出信號的初始值為高電平，當計數至第（SP－1）個方波時，輸出轉變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r一段時間，最后將輸出信號連接至示波器進行顯示?？傊诨贑PLD的同步器中，SP需要醫(yī)護人員通過按鈕手動設置，而本研究的同步器可通過串口程序自動設置SP，這降低了醫(yī)護人員的操作難度，有利于提高采集結果的可用性。

1.3 兩種同步信號的波形圖第一種同步方式的同步方波信號見圖1A；第二種同步方式的同步信號見圖1B。在一個TR內，A圖有N個周期的波形，其同步間隔過小，無法滿足刺激同步的要求；而B圖在一個TR內高電平保持較長時間后出現一段低電平，其同步間隔相對較長，能夠滿足絕大多數fMRI設備同步方面的要求。本研究的目的就是要把圖1A的同步信號作為輸入，經同步器處理后，能夠輸出如圖1B的同步信號，以實現第二種同步方式。

1.4 硬件方框圖本研究同步器的硬件方框圖見圖2。本同步器的中央處理器采用AT89S52微控制器。可用來實現本同步器功能的單片機有許多種，AT89S52是目前應用最廣泛，價格低廉的單片機。若用CPLD來實現同樣的功能，則芯片價格至少增加10倍。因此，本設計不再采用CPLD或者其他的單片機來改進同步器的功能。在單片機采集輸入方波信號的同時，計算機通過matlab串口程序設置SP，其值與fMRI設備進行EPI掃描時設置的腦圖層數相同，最后輸出處理后的同步信號，整個過程在matlab串口程序和單片機程序的控制下自動完成，較基于CPLD的同步器，更為方便易行。

1.5 信號處理流程本同步器的中斷服務流程圖見圖3，初始化時，設定SP，并設置一個計數變量cnt，同時設置輸出初始信號為高電平（邏輯1）。當第一種同步方式的方波信號輸入時，對方波信號的上升沿進行計數。當cnt累計至（SP－1）時，cnt復位，輸出信號轉為低電平（邏輯0）并延時10 ms，延時后再次使輸出信號設置為高電平（邏輯1），循環(huán)執(zhí)行。

部分中斷程序代碼如下：首先設置中斷0入口，然后對SP賦值為20。cnt初始值默認為1，當cnt小于SP時，輸出信號維持為高電平，當cnt大于或者等于SP時，輸出信號轉為低電平并延時10 ms。

Matlab寫、讀程序如下：

首先將COM1口作為通訊口并設置各個初始參數，如通信接口波特率為9 600，數據位為8位，停止位為1位，然后打開串口s并向串口傳送參數20，將數據讀完后關閉串口，防止占用串口導致其他程序無法應用，最后清除串口。

串口傳送程序（部分）如下：

首先聲明一個字符串數組SP，并初始化參數i和定時器0，接收由matlab向串口傳送的數據，并將接收到的數據傳送回該串口，由matlab中fread（）函數讀回以驗證傳送的數據是否正確。

2 結果

2.1 實驗輸入輸出波形本實驗的輸入輸出波形見圖4，圖4上為輸入波形，下為輸出波形。實驗是在磁共振室完成，輸入波形從GE Signa 3.0T功能磁共振設備采集，波形間隔為100 ms，所以在前文提到的典型TR的時間內，輸入波形的波形個數應為20，因此本實驗的SP也為20。實驗過程中，當輸入信號的周期為100 ms時，輸出信號保持SP-1個輸入信號的高電平，即為1 900 ms，然后變?yōu)榈碗娖窖訒r10 ms，高低電平的比例為190∶1，在示波器的同一個界面對比效果不明顯。為了使輸入輸出信號能夠產生更鮮明的對比，對輸入信號做了一定的處理，即周期由原來的100 ms等比例縮小為10 ms，輸入輸出信號對比效果明顯得到改善。輸入信號經過同步器，可以看出波形維持（SP-1）個輸入波形的高電平后，轉變?yōu)榈碗娖讲⒀訒r10 ms，延時后又轉變回高電平，循環(huán)執(zhí)行，結果與圖1吻合。

2.2 結果分析需注意的是：輸入信號和輸出信號并非圖4所示靜止不變，而是從左至右連續(xù)產生的動態(tài)波形。實驗證明，在臨床上當第一種同步信號類型的功能磁共振儀（如GE Signa 3.0T）滿足不了同步要求時，通過本研究設計的同步器即可解決這個問題，這樣既不需要更換整臺fMRI磁共振儀，很大程度上節(jié)約了成本；而且在保持了第一種類型fMRI的優(yōu)勢情況下，還提升了數據采集效率以及使用的兼容性。

3 討論

結合當前fMRI研究的熱點，本實驗針對成像過程中出現的信號同步問題，提出了一種基于AT89S52單片機的同步器設計。與基于CPLD的同步器比較，本實驗的同步器不僅能有效解決第一種同步方式難以精確采集的問題，而且還能和大多數磁共振刺激系統(tǒng)兼容。更重要的是：可通過串口自動設置SP，在使用過程中，SP一旦經串口設定，后續(xù)操作便可自動進行，而不需要像基于CPLD的同步器那樣按照實驗流程，在掃描準備結束后，正式掃描之前，重復對同步器進行復位、設置SP，加之此過程在實驗當中易被醫(yī)護人員疏忽。另外，設計元器件相對來說較少，外部結構更簡潔；最后，在SP設置方面做的改進，減少了醫(yī)護人員的工作量，避免了由于疏忽帶來的數據無效災難。

實際的磁共振儀輸入輸出波形：第二種同步信號的低電平延時，不是在最后一個輸入信號的上升沿產生，但在實驗中，第二種同步信號的低電平延時是在最后一個輸入信號的上升沿轉變，這并不影響同步器的使用。在基于CPLD同步器的設計中，輸出信號的低電平寬度等于同步信號的一個周期，所以當輸入信號的周期改變時，輸出信號的低電平寬度也隨之改變，這樣便會帶來額外誤差，這和第二種同步方式輸出的定寬低電平并不完全一致，所以需要通過后續(xù)的誤差處理消除。經過處理的同步信號的低電平寬度等于一個10 ms的定長，幾乎不會產生額外誤差，所以本實驗和第二種同步方式輸出的定寬低電平基本一致，在這一點上，本實驗的同步器設計也優(yōu)于此前的同步器設計。

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The design of functional magnetic resonance synchronizer based on single-chip microcomputer

Sui Jianfeng，Liang Zhen，He Shan，et al
（School of Life Science，Anhui Medical University，Hefei 230032）

ObjectiveTo design the synchronizer which can process the synchronous output signal from functional magnetic resonance imaging（fMRI），and to analyze the capability of how to solve the synchronous problem.MethodsThere were two output styles of synchronous signal while the fMRI image data were gathered：first，while the whole brain map was gathered，the synchronous square wave signal was exported once each layer of image was gathered；second，the synchronous signal was exported after the whole brain map was gathered.First，the layers of thewhole brain map was set，and the layers called SP（synchronization parameter）too；then the first style of synchronous square wave signal was gathered，the method of MCU external interrupt was used to count the rising edge of the first synchronous square wave signal，and kept the initial output of high level；until the last layer of the brain image，the output was set to low level and delayed for a period of time.ResultsThe first style synchronous square wave signal was changed to the second synchronous signal successfully by the synchronizer；the SP was set by the matlab serial program automatically，then transmitted to the single-chip microcomputer by serial port.The results showed that the synchronizer could set SP automatically.ConclusionThe synchronous problem of synchronous signal from some fMRI instruments is solved by the synchronizer and the compatibility of devices would be enhanced，the SP is set automatically，which can reduce the workload of medical staff.

functional magnetic resonance imaging；synchronization；single-chip microcomputer；serial ports

R 318.6

A

1000－1492（2015）07－0896－05

2015－03－13接收

國家自然科學基金青年科學基金項目（編號：31400943）；安徽省自然科學基金青年項目（編號：1308085QC55）；安徽省高等學校省級優(yōu)秀青年人才基金項目（編號：2012SQRL068ZD）

安徽醫(yī)科大學生命科學學院，合肥 230032

眭建鋒，女，碩士研究生；梁 振，男，副教授，碩士生導師，責任作者，E-mail：liangzhen＠foxmail.com