CN101568848A - 磁共振信号的样本相关放大 - Google Patents

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CN101568848A CNA2007800477521A CN200780047752A CN101568848A CN 101568848 A CN101568848 A CN 101568848A CN A2007800477521 A CNA2007800477521 A CN A2007800477521A CN 200780047752 A CN200780047752 A CN 200780047752A CN 101568848 A CN101568848 A CN 101568848A
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Abstract

在此公开了一种用于将磁共振(MR)信号数字化的数字化仪，该数字化仪包括：电并联的至少两个模拟放大器(1021、1022…102n)，其配置为对MR信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；测量单元，其配置为对MR信号的特性进行测量；样本选择模块(108)，其配置为基于所测量的特性而生成选择信号(SS)；以及第一模数转换器(104)，其配置为基于选择信号而将来自至少两个模拟放大器之一的经放大的MR信号数字化。

Description

磁共振信号的样本相关放大
技术领域
本发明涉及磁共振(MR)的领域，尤其涉及MR系统中所使用的数字化仪。
背景技术
美国专利US6621433B1讨论了一种用于MR成像系统的共振信号的接收器，其中，该接收器通过在多个并行信道(每个信道以相应的增益进行放大)之间分配原始共振信号而生成用于图像处理的基带信号。数字信道选择器在任意给定时刻确定要进一步进行处理的最低失真信道。基于简单拉莫尔振荡器，使用复数乘法器数字地处理通过校准导出的振幅和相位误差补偿，这可以在无需样本的情况下以及在当测量条件发生变化时无需进行重复的情况下完成。
在特定的实施例中，增益设置模块对开关进行控制，以根据增益表从多个经放大的信号中选择经放大的信号。该增益表是通过使峰值共振信号振幅与相位编码电平相关的增益表校准程序而创建的。
发明内容
在现有技术中，为特定的相位编码电平选择的增益设置在特定的分布图(profile)期间是恒定的。由于无法对在特定的相位编码电平期间采集的MR信号的强度的变化作出解释，在特定的分布图期间设置恒定的增益的这种方法会在最终图像中产生次优结果。因而期望具有一种用于将MR信号数字化的数字化仪，其中，该数字化仪还能够在特定的相位编码电平期间改变增益设置。
因此，在此公开了一种用于将MR信号数字化的数字化仪，该数字化仪包括：电并联的至少两个模拟放大器，其配置为对MR信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；测量单元，其配置为对MR信号的特性进行测量；样本选择模块，其配置为基于所测量的特性而生成选择信号；以及第一模数转换器(ADC)，其配置为基于选择信号而将来自至少两个模拟放大器之一的经放大的MR信号数字化。
MR信号的特性(例如其振幅、信噪比(SNR)等)由测量单元进行测量。在典型的MR采集中，信号振幅在不同的相位编码电平之间以及在特定的相位编码电平内都会发生变化。后者的一个示例为正在采集回波信号的情况。对于每个相位编码电平，回波将从噪声水平或者接近噪声水平开始，增大至某一最大值并且再次减小至噪声水平或低于噪声水平。通过对信号振幅或SNR进行测量，并且基于所测量的特性而选择具有适当增益设置的模拟放大器，可以将整个MR信号更准确地数字化。基于所测量的特性设置增益的这种方法可以被称作“样本相关放大”。
除了用于将MR信号数字化的数字化仪之外，本文还公开了一种将MR信号数字化的方法，该方法包括：使用电并联的至少两个模拟放大器中的一个或多个对MR信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；对MR信号的特性进行测量；基于所测量的特性而生成选择信号；基于选择信号而选择至少两个模拟放大器之一；以及使用第一ADC将来自所选择的模拟放大器的MR信号数字化。
此外，本文还公开了一种用于将MR信号数字化的计算机程序，该计算机程序包括用于以下操作的指令：使用电并联的至少两个模拟放大器中的一个或多个对MR信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；对MR信号的特性进行测量；基于所测量的特性而生成选择信号；基于选择信号而选择至少两个模拟放大器之一；以及使用第一ADC将来自所选择的模拟放大器的MR信号数字化。
附图说明
以下将通过参考附图基于下列实施例以示例的方式详细描述这些及其他方面，其中：
图1示意性地示出了如本文所公开的数字化仪的实施例，其中，对MR信号的特性进行测量并将其用于在数字化仪中选择适当的增益值；
图2示意性地示出了使用多个ADC实现的数字化仪的实施例；
图3示意性地示出了利用如本文所公开的数字化仪的MR系统；以及
图4示出了如本文所公开的将MR信号数字化的方法。
相对应的参考数字在用于各个附图时表示附图中相对应的元件。
具体实施方式
MR信号具有宽动态范围，即在采集期间，信号强度变化非常大，经常为2个或更多数量级。为了避免饱和效应并且降低量化噪声，重要的是，具有在将模拟MR信号转换成数字表示的同时能够处理这种宽动态范围的数字化仪。
为了将ADC所引入的量化噪声最小化，需要对模拟放大器的模拟增益值进行调整，以利用ADC的全动态范围。然而，尤其是当SNR很低时，以易于得到的(现成产品的)ADC部件实现的单个固定增益接收器仍然可能引入不可接受的量化噪声水平。因而，需要某种形式的可变增益。实现这种可变增益设置的方法为具有多个模拟放大器，将与具有可接受的量化噪声水平的工作范围相对应的不同的增益值分配给每个模拟放大器。然后，基于最优工作范围来选择多个模拟放大器之一的输出。
这一文献讨论了具有适当的宽动态范围的射频(RF)数字接收器拓扑结构的另一实现方式。基于直接数字接收器(DDR)的该拓扑结构包括使MR信号的动态增益与数字化仪的动态增益相匹配的一个或多个模拟RF放大器、直接(即无需混合至中频)对MR信号进行采样的ADC以及通过结合数字滤波技术将采样信号解调至基带频率而使采样信号的采样率与MR信号带宽的采样率相匹配的数字降频转换器(DDC)。如以下参考图1和2所解释的，数字化仪的所得到的实现方式具有使得数字化仪能够将高动态范围的MR信号更准确地数字化的宽动态范围。这一特定的拓扑结构(其中在数字化之前进行样本选择)还具有对延迟失配(即模拟相位)的高灵敏度、低功耗、不随温度发生变化以及低数字门数的优点，但是该拓扑结构实现起来比一些其他的拓扑结构更为复杂。
通常，存在为数字化仪选择正确的增益值的多种可能的方法。一种这样的方法为“分布图相关放大”(PDA)方法，其中，增益值是基于相位编码电平而被选择的，并且在特定的相位编码电平期间保持恒定。可以从美国专利US5023552获得关于PDA方法的进一步的信息。通过考虑MR信号的信号强度和/或SNR的预期变化可以改进PDA方法。例如，MR信号经常作为再聚焦的回波而被接收；再聚焦的过程连同使用读出梯度采集数据的正常过程规定，再聚焦的回波的信号强度将从噪声水平开始，增大至在读出梯度脉冲的中心周围的最大值，并且降回至噪声水平。信号强度的增大和减小通常遵循单指数曲线或多指数曲线，并且可以使用考虑图像采集参数(如采集类型(是二维还是三维)、脉冲序列类型(是自旋回波还是快速梯度回波)、脉冲序列参数(回波时间或TE、重复时间或TR)等)的预测模型来进行计算。因而，信号强度变化的包络是已知的。因此，在特定的相位编码电平期间，可以基于信号强度的预期变化的数学模型以预定的方式改变增益设置。
一种更准确的方法为基于实际的或所测量的信号电平设置增益。如图1中所示，可以在ADC将模拟信号转换成数字格式之前或之后对实际的信号电平进行测量。前一测量由实线A-ANLG示出，而后者由虚线A-DIGL示出。MR信号由并联的各个模拟放大器1021、1022...102n接收，并且根据各个模拟放大器的相应的模拟增益设置进行放大。样本选择模块(SSM)108生成选择信号SS以对开关110进行控制，从而选择最适当的模拟放大器的输出。第一ADC 104接收所选择的经放大的模拟信号，并将其转换成数字表示。还将选择信号SS供应至使信号选择模块108所引入的延迟与第一ADC 104所引入的延迟相匹配的延迟匹配电路106。由延迟线112、114和有限脉冲响应(FIR)滤波器116组成的样本延迟及增益补偿单元122接收来自ADC的数字化MR信号和来自延迟匹配电路106的延迟匹配信号，并且将信号输出至数字降频转换器(DDC)120。
对模拟MR信号的特性(例如强度或SNR)进行测量并且将其供应至样本选择模块108(如箭头A-ANLG所表示的)，这提供了一种如本文所公开的数字化仪的“快速”实现方式。由于响应时间通常比包括在转换成数字格式之后对MR信号的特性进行测量的实现方式更快，因此这一特定的实现方式被称作“快速”。此外，由于ADC和样本选择逻辑的延迟，包括在转换成数字格式之后对MR信号的特性进行测量的实现方式还可能限制要采集的信号的带宽。“快速”实现方式可以典型地由具有很短的上升时间和松弛的衰减时间的峰值检测器组成，以检测模拟信号的包络。
为了在数字域中对所选择的样本进行处理，应当匹配单个接收器中的每个ADC信道的延迟。如果存在多个信道，则还需要匹配各个信道中的延迟。可以在单位样本时钟(示出为“延迟线”112、114)加上实现为FIR滤波器116的子样本延迟时间中对延迟进行控制。
来自具有不同的增益设置的不同的模拟放大器的样本还需要在振幅上进行对准或定标。这种定标可以通过从FIR滤波器116中的系数库选择不同组的系数来完成。基于样本选择模块108所生成的选择信号SS(其进而基于由A-ANLG或A-DIGL表示的所测量的特性而生成)，可以根据信道中每个放大器的实际增益(如由所测量的信号强度或SNR确定的)对系数进行编程。关于已选择哪个特定的样本(即开关110已将哪个模拟放大器连接至第一ADC 104)的信息与样本数据一起经由ADC延迟匹配电路106而被输送，并且该信息被用于逐个样本地选择FIR滤波器116的系数，正如系数选择信号CS所表示的。ADC延迟匹配电路106用于匹配在数字化过程期间由第一ADC引入的附加延迟，其根据所选择的模拟放大器的增益设置而改变。因而，在每种情况下，关于已选择哪个增益设置(即哪个模拟放大器)的信息必须传送至数字域，以便选择适当的FIR滤波器系数。
图2示出了由具有“精细”路径中的固定增益和“粗糙”路径中的可选增益的两个分离的ADC组成的数字化仪的实施例。在这一实施例中，除了如图1的实施例中的并联的多个模拟放大器1021、1022...102n之外，还将附加的模拟放大器202与多个模拟放大器1021、1022...102n并联。将附加的模拟放大器的输出经由抗混叠滤波器(AAF)207连接至第二ADC 205。将样本增益及延迟补偿(SGDC)电路122和第二ADC 205的输出都经由样本选择及定标(SCL)电路210供应至DDC 120，以便进行降频转换。
第二ADC 205被认为是在数字化仪的“高增益”或“精细”路径中。由于抗混叠滤波器207，可能另外干扰子采样原理的镜频得以抑制。由于感兴趣的信号频带相对很窄，因此可以采用限带子采样，但需要充分抑制镜频下的噪声。然而，由于在实际的实现方式中，滤波器位于放大器和ADC之间，因此陡峭抗混叠滤波器排除了模拟域中自动增益选择的使用。这种滤波器的响应时间可能太长而不能允许对每个样本的增益选择。
其他ADC 1021、1022...102n可以被认为是在数字化仪的“低增益”或“粗糙”路径中。由于在这一路径中，增益电平较低，因此ADC的量化噪声成为主导。结果，不需要抗混叠滤波器。因此，选择正确的增益所需的时间要短得多。在这一路径中采用(自动)动态增益选择改进了大振幅样本的SNR，并由此减少了所得到的图像中的可见伪影。
本文所公开的各个实施例的一个优点为，由于各个模拟放大器的延迟得以匹配，自动选择的增益设置从ADC产生k空间中的等距样本，这独立于实际的增益设置而运转。在解调之前执行振幅(增益)校正和相位(延迟)校正这两者，以便允许单个数字解调器120以具有恒定增益的等距间隔的样本(在k空间中)的连续流进行操作。这一增益和延迟校正需要对准确的模拟传播延迟和增益进行测量的单次校准。这一方法优于在延迟补偿之前进行增益校正的优点为，ADC和数字域之间的接口的位宽并不增大而是仍然等于ADC的位宽。需要进行传输的仅有的附加信息为用于选择信息的几位，其可以针对多个信道进行组合。
要注意的是，匹配来自单个数字化仪中的不同的模拟放大器的样本需要增益校正。另外，可能需要延迟补偿以匹配来自单个数字化仪内的不同的ADC(或者来自不同的数字化仪)的样本。在单ADC拓扑结构中，不需要附加的延迟补偿。在本文所提议的实施例中，FIR滤波器提供了实现以上所提到的增益和延迟补偿这两者的有效方式。
还要注意的是，粗糙路径中的附加的模拟放大器可以具有固定模拟增益或可变模拟增益。尽管只示出了具有单个ADC和两个ADC的实施例，但是也可能将本文所公开的理念推广至涵盖由多于两个ADC组成的实施例。
逐个样本地的自动选择需要模拟前端中的非常好的延迟匹配。单个ADC之前的增益设置之间的延迟差必须足够小。在温度相关(各信道之间或者各接收器之间的延迟差在工作温度范围内发生变化)的情况下，可能需要对实际温度进行测量，并且基于延迟变化的模型，对FIR滤波器系数中的这一差进行校正。这一方法只可应用于例如如图2中所示的多ADC拓扑结构。
因此，本文所公开的数字化仪的实施例提供在模拟输入处的自动或半自动的增益选择以及在数字域中的增益校正(在单ADC拓扑结构的情况下)或者增益和延迟校正(在多ADC拓扑结构的情况下)。被看作一单元的这种数字化仪递送具有几乎恒定的增益和很大的动态范围的数字样本。
图3示出了利用具有如本文所公开的数字化仪的MR系统的可能的实施例。该MR系统包括一组主线圈301、连接至梯度驱动单元306的多个梯度线圈302以及连接至RF线圈驱动单元307的RF线圈303。可以以体线圈的形式集成到磁体中或者可以是分离的表面线圈的RF线圈303的功能还受到接收/发射(T/R)开关313的控制。多个梯度线圈302和RF线圈由电源单元312供电。将输送系统304(例如患者台)用于将受试者305(例如患者)定位于MR成像系统内。控制单元308对RF线圈303和梯度线圈302进行控制。尽管示为单个单元，控制单元308也可以实现为多个单元。控制单元308还对重建单元309的运转进行控制。控制单元308还对显示单元310(例如监视屏或投影仪)、数据存储单元315以及用户输入接口单元311(例如键盘、鼠标、轨迹球等)进行控制。
主线圈301生成例如场强为1T、1.5T或3T的稳定且均匀的静磁场。也可以在其他场强下采用所公开的数字化仪。以这样的方式布置主线圈301，从而使得主线圈301通常围住隧道形状的检查空间，可以将受试者305引入该检查空间中。另一常见的配置包括相对的极面，空气间隙位于相对的极面之间，通过使用输送系统304可以将受试者305引入该空气间隙中。为了能够实现MR成像，响应于梯度驱动单元306所供应的电流而由多个梯度线圈302生成叠加在静磁场上的可随时间变化的磁场梯度。适合电子梯度放大电路的电源单元312向多个梯度线圈302供应电流，结果生成了梯度脉冲(也称作梯度脉冲波形)。控制单元308对流过梯度线圈的电流的特性(特别是其强度、持续时间和方向)进行控制，以创建适当的梯度波形。RF线圈303在受试者305中生成RF激励脉冲并且接收由受试者305响应于RF激励脉冲而生成的MR信号。RF线圈驱动单元307向RF线圈303供应电流，以发射RF激励脉冲，并且对RF线圈303所接收到的MR信号进行放大。控制单元308经由T/R开关313对RF线圈303或RF线圈组的发射和接收功能进行控制。T/R开关313设置有电子线路，该电子线路在发射模式和接收模式之间切换RF线圈303，并且保护RF线圈303以及其他相关联的电子线路免受穿透或其他过载等的影响。所发射的RF激励脉冲的特性(特别是其强度和持续时间)受到控制单元308的控制。
要注意的是，尽管在这一实施例中，发射和接收线圈示出为一个单元，但是还可能具有分别用于发射和接收的分离的线圈。还可能具有用于发射或接收或者发射和接收这两者的多个RF线圈303。RF线圈303可以以体线圈的方式集成到磁体中，或者可以是分离的表面线圈。它们可以具有不同的几何形状，例如鸟笼构型或简单的闭环构型等。控制单元308优选地以包括处理器(例如微处理器)的计算机的形式。控制单元308经由T/R开关3 1 3对RF脉冲激励的施加和MR信号(包括回波、自由感应衰减等)的接收进行控制。用户输入接口设备311(如键盘、鼠标、触摸屏、轨迹球等)使得操作者能够与MR系统相交互。
利用RF线圈303接收的MR信号包含关于正被成像的受试者305的感兴趣区域中的局部自旋密度的实际信息。所接收的MR信号被本文所公开的数字化仪数字化，并且被传输至重建单元309。重建单元309从所接收的信号重建一个或多个MR图像或谱，并且将其显示在显示单元310上。可替代地，有可能将来自重建单元309的信号存储在存储单元315中，同时等待进一步的处理。重建单元309有利地构造为数字图像处理单元，对该数字图像处理单元进行编程以导出从RF线圈303接收的MR信号。
控制单元308能够装入并运行计算机程序，该计算机程序包括当在计算机上执行时使得计算机能够执行本文所公开的方法的各方面的指令。本文所公开的计算机程序可以驻留在计算机可读介质上，例如CD-ROM、DVD、软盘、记忆棒、磁带或计算机可读的任何其他有形介质上。计算机程序还可以是下载或者用其他方法(例如经由因特网)传输至计算机的可下载程序。传输工具可以是光驱、磁带驱动、软驱、USB或其他计算机端口、以太网端口等。
图4示出了如本文所公开的将MR信号数字化的方法。该方法包括以下步骤：使用电并联的至少两个模拟放大器中的一个或多个对磁共振信号进行放大(402)，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；对磁共振信号的特性进行测量(404)；基于所测量的特性而生成选择信号(406)；基于选择信号而选择至少两个模拟放大器之一(408)；以及使用第一模数转换器将来自所选择的模拟放大器的磁共振信号数字化(410)。
所公开的方法在所描述的实现方式中的顺序不是强制性的。在不背离所公开的理念的情况下，本领域技术人员可以改变步骤的顺序或使用线程模型、多处理器系统或多进程同时执行步骤。
应当注意到，上面提到的实施例图示说明了本发明而不是限制本发明，并且，在不背离所附权利要求书的情况下，本领域技术人员将能够设计许多可替代的实施例。在权利要求书中，放在括号中的任何参考标记不应当被解释为限制权利要求。词语“包括”不排除除权利要求中列出的那些元件或步骤之外的元件或步骤的存在。元件前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。所公开的方法可以借助于包括若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的系统权利要求中，这些装置中的若干项可以由计算机可读软件或硬件的一项和相同项体现。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的事实并不指示这些措施的组合不能被有利地使用。

Claims (9)

1、一种用于将磁共振信号数字化的数字化仪，包括：
电并联的至少两个模拟放大器(1021、1022...102n)，其配置为对所述磁共振信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；
测量单元，其配置为对所述磁共振信号的特性进行测量；
样本选择模块(108)，其配置为基于所测量的特性(A-ANLG、A-DIGL)而生成选择信号(SS)；以及
第一模数转换器(104)，其配置为基于所述选择信号而将来自所述至少两个模拟放大器之一的经放大的磁共振信号数字化。
2、如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪，其中，所述测量单元配置为在单相编码步骤期间对所述磁共振信号的所述特性进行测量。
3、如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪，其中，所测量的特性是所述磁共振信号在被所述至少两个模拟放大器放大之前的振幅。
4、如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪，其中，所测量的特性是所述磁共振信号在被所述至少两个模拟放大器放大之前的信噪比。
5、如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪，其中，所述测量单元在所述第一模数转换器的输出处对所述磁共振信号的所述特性进行测量。
6、如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪，还包括：
附加的模拟放大器(202)，其与所述至少两个模拟放大器电并联，其中，所述附加的模拟放大器(202)配置为对所述磁共振信号进行放大；
抗混叠滤波器(207)，其配置为对来自所述附加的模拟放大器的经放大的磁共振信号进行滤波，以生成经滤波的信号；以及
第二模数转换器(205)，其配置为将所述经滤波的信号数字化。
7、一种包括如权利要求1所述的用于将磁共振信号数字化的数字化仪的磁共振系统，所述磁共振系统包括：
射频接收线圈(303)，其接收来自正被检查的受试者(305)的所述磁共振信号；
至少两个模拟放大器，其与所述射频接收线圈电并联并且配置为对所述磁共振信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；
测量单元，其对所述磁共振信号的特性进行测量；
样本选择模块，其配置为基于所测量的特性而生成选择信号；以及
第一模数转换器，其配置为基于所述选择信号而将来自所述至少两个模拟放大器之一的经放大的磁共振信号数字化。
8、一种将磁共振信号数字化的方法，所述方法包括：
使用电并联的至少两个模拟放大器中的一个或多个对所述磁共振信号进行放大(402)，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；
对所述磁共振信号的特性进行测量(404)；
基于所测量的特性而生成选择信号(406)；
基于所述选择信号而选择所述至少两个模拟放大器之一(408)；以及
使用第一模数转换器将来自所选择的模拟放大器的所述磁共振信号数字化(410)。
9、一种用于将磁共振信号数字化的计算机程序，所述计算机程序包括用于以下操作的指令：
使用电并联的至少两个模拟放大器中的一个或多个对所述磁共振信号进行放大，其中，每个模拟放大器具有不同的模拟增益值；
对所述磁共振信号的特性进行测量；
基于所测量的特性而生成选择信号；
基于所述选择信号而选择所述至少两个模拟放大器之一；以及
使用第一模数转换器将来自所选择的模拟放大器的所述磁共振信号数字化。
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