Development of a multi-channel optical communication system for MRI gradient, RF-transmit and RF-receive array chains using FPGAs

Modern Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) sistemleri, görüntüleme performansını ve mekânsal kontrolü artırma yeteneklerinden dolayı gradyan, iletim (transmit) ve alım (receive) zincirlerinde dizisel (array) yapılandırmalarını giderek daha fazla kullanmaktadır. Ancak bu yapı, kablolama karmaşıklığını artırmaktadır; dizi sistemleri çok sayıda koaksiyel kablo ve coil üzerinde yoğun elektronik bileşenler gerektirir; bu da hantal kablo montajları ve kullanım zorluklarına yol açar. Konsol ile mıknatıs (magnet) odaları arasındaki uzun koaksiyel kablolar, yüksek akımlar altında ısınabilir, dirençleri değişebilir ve amplifikatörler ya da FPGA'lara yakın yerleştirildiklerinde taşınmaları zor hale gelebilir. Ayrıca, koaksiyellerde kullanılan RF choke'ları (bobinler) zırh akımlarını azaltmaya yardımcı olur, ancak kablo hacmini artırarak kullanımını zorlaştırır. Optik fiberler — Küçük Form Faktörlü Takılabilir Plus (Small Form-factor Pluggable Plus, SFP+) veya Plastik Optik Fiber (Plastic Optical Fiber, POF) — iletken parça içermemeleri ve akım taşımamaları nedeniyle iyi bir alternatiftir. Fiziksel katman (physical layer) tasarımını kolaylaştırmak amacıyla, yerleşik yüksek hızlı transceiver'lara sahip FPGA'lar ile bir optik fiber iletişim ağı oluşturulacaktır. FPGA'ların dahili AXI 1G/2.5 Ethernet Alt Sistem (Ethernet Subsystem) kütüphanesi, veri bağlantı katmanı (data link layer) tasarımını destekleyebilir ve ağ katmanı (network layer) için bir tasarım önerilmektedir. Sistemin maliyetini düşürmek amacıyla iki aşamalı bir mimari önerilmektedir: spektrometre ile dağıtıcı (distributor) kartı arasında SFP+ kablolar; dağıtıcı ile kontrol kartları arasında ise POF kablolar kullanılacaktır. Bu mimari, daha düşük maliyet ve kablolama parametreleri ile birden çok kanalın kontrol edilmesini mümkün kılar. SFP+, 2,5 Gbps hızında Ethernet Alt Sistem IP'si ile çalışacak ve ağ katmanı tasarımı daha düşük yük (decreased overhead) içerecektir. Basit bir Evrensel Eşzamanlı Olmayan Alıcı Verici (Universal-Asynchronous Receiver Transmitter, UART) kodu, mimarinin POF bölümünü 20 Mbps veya 100 Mbps hızlarında yönetecektir. Her bir kod bloğunun tasarımını doğrulamak için simülasyon ve Entegre Mantık Analizörü (Integrated Logic Analyzer, ILA) testleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, tam çalışan bir sistem sunulmuştur: gradyan ve RF-Transmit zinciri için Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse-Width Modulation, PWM) dalga form örnekleri; RF-Receive zinciri için ise konsol PC üzerinde veri depolama ve yeniden yapılandırma gösterilmiştir.