Development of a multi-channel optical communication system for MRI gradient, RF-transmit and RF-receive array chains using FPGAs
FPGAs kullanılarak MRI gradient, RF-iletici ve RF-alıcı dizi zincirleri için çok kanallı optik iletişim sisteminin geliştirilmesi
- Tez No: 971011
- Danışmanlar: PROF. ERGİN ATALAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Modern Magnetic Resonance Imaging (MRI) systems are increasingly using array configurations for gradient, transmit, and receive chains due to their ability to improve imaging performance and spatial control. However, this introduces cabling complexity; array systems require multiple coaxial cables and dense on-coil electronics, leading to bulky cable assemblies and handling challenges. Long coaxial cables between the console and magnet rooms can heat up under high currents, change resistance, and be difficult to handle when placed near amplifiers or FPGAs. Moreover, RF chokes on coaxial help to reduce shield currents but increase the cable bulk, making handling difficult. Optical fibers, Small Factor Pluggable Plus (SFP+) or Plastic Optical Fiber (POF), are a good substitute as there are no conductive parts or currents traveling. Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) with built-in high-speed transceivers will be used to create an optical fiber communication network to facilitate the creation of the physical layer design. FPGAs built-in AXI 1G/2.5 Ethernet Subsystem library can also help create a data link layer design, which is proposed for the network layer. To reduce the cost of the system, a two-stage architecture is proposed with a spectrometer and distributor board communicating on SFP+ cables and the distributor and controller boards communicating on POF cables. This architecture can control multiple channels with reduced cost and cabling parameters. The SFP+ will work with the Ethernet Subsystem IP at 2.5 Gbps, and the network layer design will have decreased overhead. A simple Universal-Asynchronous Receiver Transmitter (UART) code will manage the POF part of the architecture, working at 20 Mbps or 100 Mbps. Simulation and Integrated Logic Analyzer (ILA) tests have been done to verify the design of each code block. Moreover, a complete working system showing Pulse-Width Modulation (PWM) waveforms for the gradient and RF-Transmit chain and data storage and reconstruction on the console PC are demonstrated for the RF-Receive chain.
Benzer Tezler
- Zaman alanı terahertz fiber üstü radyo uygulamaları için yonga üstü fotonik bileşenlerin ileri tasarım yöntemleri ile geliştirilmesi
Development of novel on-chip optical components via advanced design methods for time-domain terahertz radio-on-fiber applications
AHMET OĞUZ SAKIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÜNLÜ
- Applications of artificial intelligence for the security of networks
Ağ güvenliği için yapay zeka uygulamalari
SELEN GEÇGEL ÇETİN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Design of medium access control protocol for aggregated VLC-IR and VLC-RF wireless networks
Birleştirilmiş VLC-IR ve VLC-RF kablosuz ağları için ortamerişim kontrol protokolü tasarımı
DAWSON LADISLAUS MSONGALELI
Doktora
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEREM KÜÇÜK
- Performance analysis of different detection techniques used in optical orthogonal frequency division multiplexing transmission systems
Opti̇k di̇kgen frekans bölmeli̇ çoğullama i̇leti̇m si̇stemleri̇nde kullanılan farklı algılama tekni̇kleri̇ni̇n performans anali̇zi̇
BURAK YALÇIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFatih ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. KEMAL FİDANBOYLU
- Genişbandlı şebekelerde hizmet adaptasyon protokolleri
Başlık çevirisi yok
RECEP EVREN PALANDUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNSEL DURUSOY