CN103513196A - 磁共振系统、磁共振接收机及其接收信号处理方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种磁共振系统、磁共振接收机及其接收信号处理方法和装置。磁共振接收机包括：至少两路接收通道以及至少两个模数转换电路和所述接收信号处理装置；所述接收信号处理装置包括：至少两组开关单元，分别对应一个模数转换电路；控制单元，用于控制所述开关单元的连通被配置为工作通道的接收通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路，以及与模数转换电路的连通；合成单元，用于将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加。磁共振系统，包括若干射频接收线圈、开关阵列和核心控制电路和所述的磁共振接收机。本发明方案实现在不增加采集时间和额外硬件开销的情况下提高磁共振接收机的信噪比。

Description

磁共振系统、磁共振接收机及其接收信号处理方法和装置

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，特别涉及磁共振接收机及其接收信号的处理方法。

背景技术

磁共振成像（MRI，Magnetic Resonance Imaging）是核磁共振的重要应用领域，如今磁共振成像仪已成为医学临床诊断和基础科学研究的主要工具之一。随着超导技术、电子技术、成像技术、图像处理技术和计算机科学技术的进步，应用领域不断扩大，这些技术都对磁共振系统提出了更高的要求。要获得高质量的图像和截图，提高磁共振接收机信噪比（SNR,Signal-to-NoiseRatio）是非常关键的。

在MRI系统中的通常情况下，提高接收系统噪声特性的措施主要是针对射频接收线圈和前置放大器的。随着磁共振技术的进步，对于磁共振系统接收系统的性能提出了更高的要求，与前置放大器相连的接收机逐渐成为提高接收系统噪声特性的瓶颈之一。接收机的噪声主要有两种：模拟噪声和模数转换器的量化噪声，任何模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）都存在量化噪声，其大小取决于ADC的数字分辨率。为了降低接收机的量化噪声，一般采用的技术手段是选择高采样率、低杂散和高信噪比的ADC，另外过采样（Over-Sampling）技术也是降低量化噪声的有效方法。但是，如上技术均会受到微电子技术发展的限制。实际上，在采用了上述技术之后，ADC的有效位数得到了很大提高，然而仍然无法满足磁共振系统日益增长的要求。

申请号为200910055700.X的中国发明专利申请公开了一种提高核磁共振信噪比的方法，将放大和滤波电路设于接收机前级；启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益；在采样过程中，按照设定的增益波形动态改变接收机增益；采样结束后，按照设定的增益波形，计算采集到的数据在标准增益下所对应的值等步骤。然而，该方案仍然是针对在接收机之前采取增加增益电路的措施来提高磁共振系统的信噪比，而没有从接收机本身入手来解决提高磁共振接收机信噪比的问题。

现有磁共振多通道接收机的结构如图1，包括：接收通道11~1n（n≥2）、模数转换电路221~22n（n≥2）和信号处理单元3。其中每个模数转换电路都对应一个接收通道，如：模数转换电路221处理的是接收通道11的模拟信号、模数转换电路222处理的是接收通道12的模拟信号，以此类推。磁共振多通道接收机正常工作时，当接收通道11为工作通道，与接收通道11相连的模数转换电路221对接收通道11接收到的信号进行AD转换，而与其他接收通道相连的模数转换电路处于闲置状态，即模数转换电路222~22n处于闲置状态，最后将模数转换电路221转换后的数字信号送到信号处理单元3进行处理。

发明内容

本发明实施方式要解决的问题是，现有技术提高磁共振射频接收机信噪比、降低接收机量化噪声的方法大多是在优化接收机前级的接收电路或增加接收机中核心器件ADC成本的基础上实现的，不能有效地提高磁共振接收机信噪比以及磁共振系统的成像质量。

为了解决上述问题，本发明实施方式提供了一种磁共振接收机的接收信号处理装置，所述磁共振接收机包括：至少两路接收通道；以及至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；所述接收信号处理装置包括：至少两组开关单元，分别对应一个模数转换电路，每组开关单元连接于对应的模数转换电路与各路接收通道之间，用于连通或断开所述接收通道与模数转换电路的通路；控制单元，用于控制所述开关单元连通被配置为工作通道的接收通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路，以及连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路的通路，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；合成单元，用于将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

可选的，所述工作通道由磁共振系统的核心控制电路配置。

可选的，所述工作通道的数量为一路或者多路。

可选的，所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路以及所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路的通路同时连通。

可选的，所述至少两组开关单元连接于同一接收通道与不同模数转换电路之间；每组开关单元包括至少两个模拟开关，所述至少两个模拟开关连接于不同接收通道与同一模数转换电路之间。

可选的，所述模拟开关为单刀单掷开关。

可选的，所述合成单元包括加法器。

为了解决上述问题，本发明实施方式还提供了一种磁共振接收机，包括：至少两路接收通道；至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；上述的接收信号处理装置；信号处理单元，用于处理所述数字输出信号。

可选的，所述接收通道包括：射频接收端口、射频放大器、第一带通滤波器和混频器；其中，所述射频接收端口接收的信号经所述射频放大器放大和所述第一带通滤波器滤波后得到射频信号，所述混频器将本振信号与所述射频信号混频，输出中频信号。

可选的，所述接收通道还包括：用于对所述中频信号进行滤波的第二带通滤波器。

可选的，所述模数转换电路包括：驱动电路、滤波电路和模数转换芯片；其中，所述驱动电路用于将输入信号转换为差分信号，所述滤波电路用于滤除所述差分信号的高频噪声及匹配模数转换芯片的输入。

为了解决上述问题，本发明实施方式还提供了一种磁共振系统，包括若干射频接收线圈、开关阵列和核心控制电路，上述的磁共振接收机，所述核心控制电路用于配置工作通道，以及控制射频接收线圈通过所述开关阵列与所述工作通道的射频接收端口相连。

为了解决上述问题，本发明实施方式还提供了一种磁共振接收机的接收信号处理方法，所述磁共振接收机包括：至少两路接收通道；以及至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；所述接收信号处理方法包括：配置工作通道，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路；连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路；将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

可选的，同时连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路以及所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路。

上述技术方案利用了磁共振接收机中每次成像只通过少数工作通道，多数通道以及对应的模数转换电路都处于闲置状态，通过开关单元将闲置的模数转换电路与当前的工作通道相连，使得对工作通道的信号进行多次模数采样，与现有技术的工作通道只与对应的模数转换电路相连并只进行一次模数转换相比，由于将闲置的模数转换电路在同一采样时间利用上，实现了在只增加数字处理部分的流水线级数而不增加采集信号时间和额外硬件开销的情况下，提高了磁共振接收机的信噪比。

因此，上述技术方案在与当前工作通道对应的模数转换电路对接收得到的信号进行采样的同时，将磁共振接收机中非当前工作通道的模数转换电路连接到当前工作通道以对同一信号进行采样，并将各部分的采样结果经过合成单元相加，提高了磁共振接收机的信噪比，进而提高了磁共振系统的性能以及成像质量。

附图说明

图1为传统的磁共振接收机的结构示意图；

图2为本发明实施方式的磁共振接收机的结构示意图；

图3为本发明实施例的磁共振接收机的结构示意图；

图4为本发明实施例的磁共振接收机中接收通道的结构示意图；

图5为本发明实施例的磁共振接收机中ADC电路的结构示意图；

图6为本发明实施方式的磁共振系统的结构示意图；

图7为本发明实施方式的磁共振接收机的接收信号处理方法的流程示意图。

具体实施方式

现有的解决提高磁共振接收系统信噪比的方案都是在优化接收机前级的接收电路或增加接收机中核心器件ADC成本的基础上实现的，因此，发明人经过研究，提供了一种磁共振系统、磁共振接收机及其接收信号处理方法和装置。本技术方案通过核心控制电路对开关单元配置将闲置的一路或者多路模数转换电路与当前的工作通道相连，使得对工作通道的信号进行多次模数采样，再将多次采样的结果通过合成单元相加得到数字信号，优化了接收机性能，进而提高磁共振接收系统的信噪比。

下面结合图2对本发明实施方式的磁共振接收机的结构进行详细说明。本发明实施方式的磁共振接收机包括：至少两路接收通道11~1n（n≥2）；至少两个模数转换电路221~22n（n≥2），分别对应一路接收通道；接收信号处理装置2，与接收通道11~1n（n≥2）相连；信号处理单元3，与接收信号处理装置2相连，用于处理数字输出信号。所述接收信号处理装置2包括：至少两组开关单元211~21n（n≥2），分别对应一个模数转换电路221~22n（n≥2），每组开关单元211~21n（n≥2）连接于对应的模数转换电路与各路接收通道11~1n（n≥2）之间，用于连通或断开所述接收通道11~1n（n≥2）与模数转换电路的通路；控制单元4，用于控制所述开关单元211~21n（n≥2）连通工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路，以及连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路的通路，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；合成单元23，与模数转换电路221~22n（n≥2）相连，用于将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

下面以通道数为4（n=4），当前工作通道是接收通道12的磁共振接收机为例结合图3来进行详细说明。

参考图3，本实施例的磁共振接收机包括：四路接收通道，分别为11、12、13、14；四个模数转换电路，分别为221、222、223、224；四组开关单元，分别为211、212、213、214，每组开关单元连接于对应的模数转换电路和各路接收通道11~14之间，用于连通或断开所述接收通道与模数转换电路的通路，具体地，开关单元211连接于接收通道11、12、13、14和模数转换电路221之间，开关单元212连接于接收通道11、12、13、14和模数转换电路222之间，开关单元213连接于接收通道11、12、13、14和模数转换电路223之间，开关单元214连接于接收通道11、12、13、14和模数转换电路224之间；控制单元（图中未示出），用于控制所述开关单元211~214连通工作通道12与对应于工作通道的模数转换电路222的通路，以及连通所述工作通道12与对应于其他接收通道的模数转换电路221、223、224的通路；合成单元23，与模数转换电路221~224相连，用于将与所述工作通道12连通的模数转换电路221~224输出的数字信号相加，以获得数字输出信号；信号处理单元3，与合成单元23相连，用于处理所述数字输出信号。

其中工作通道12可以由磁共振系统的核心控制电路配置，控制单元可以集成于核心控制电路。

其中当前工作通道是接收通道12，也可以由接收通道11、12、13、14中的任意多路接收通道作为工作通道，工作通道的数量可以是一路或者多路。

其中合成单元23包括加法器。

本实施例中上述的接收通道11~14的结构组成都是相同的，其中，工作通道为接收通道12，接收通道11、13、14都处于闲置状态。参考图4，接收通道的结构包括：射频接收端口111，射频放大器112与射频接收端口111相连，第一带通滤波器113与射频放大器112相连，混频器114与第一带通滤波器113和本振发生器116相连，第二带通滤波器115与混频器114相连。从当前工作通道12的射频接收端口111接收到射频信号，将接收到的射频信号送到射频放大器112，将经过放大的射频信号送到第一带通滤波器113进行滤波，将滤波后的射频信号送到混频器114与本振发生器116产生的本振信号进行混频成中频信号，进而将中频信号送到第二带通滤波器115进行滤波输出。

本实施例中的模数转换电路可以采用现有的电路结构，例如，模数转换电路的结构可以如图5，包括：驱动电路5，由两个背靠背的射频变压器组成，用于将单端输入信号转为差分信号；滤波电路6，与驱动电路5相连，用于滤除高频噪声以及匹配模数转换电路的出入；模数转换芯片7，与滤波电路6相连，用于实现模拟信号到数字信号的转换。

请继续参考图3，本实施例中，四组开关单元连接于同一接收通道与不同模数转换电路之间，例如，开关单元211、212、213和214都连接于接收通道11，且开关单元211连接于模数转换电路221，开关单元212连接于模数转化电路222，开关单元213连接于模数转换电路223，开关单元214连接于模数转换电路224。每组开关单元都由四路模拟开关组成，四路模拟开关连接于不同接收通道与同一模数转换电路之间，例如开关单元211的第一路模拟开关连接于接收通道11与模数转换电路221之间，第二路模拟开关连接于接收通道12与模数转换电路221之间，第三路模拟开关连接于接收通道13与模数转换电路221之间，第四路模拟开关连接于接收通道14与模数转换电路221之间。在控制单元的控制下，开关单元212的第一路模拟开关闭合，第二、三、四路模拟开关断开，从而连接作为工作通道的接收通道12和模数转换电路222；开关单元211的第二路模拟开关闭合，第一、三、四路模拟开关断开，从而连接作为工作通道的接收通道12和模数转换电路221；开关单元213的第三路模拟开关闭合，第一、二、四路模拟开关断开，从而连接作为工作通道的接收通道12和模数转换电路223；开关单元214的第三路模拟开关闭合，第一、二、四路模拟开关断开，从而连接作为工作通道的接收通道12和模数转换电路224。开关单元211~214在控制单元的控制下，实现了将与非工作通道11、13、14对应的模数转换电路221、223、224和与工作通道12对应的模数转换器222同时对工作通道12的射频信号进行采样。

本实施例中开关单元由四个模拟开关组成，在其他实施例中只要组成开关单元至少有两个模拟开关，分别连接于同一接收通道与不同模数转换电路之间，也可以实现本发明方案。所述的模拟开关可以为单刀单掷开关。另外，开关单元的结构不限于上述的模拟开关组成，其还可以是其他公知的电路结构，只要能够在确定工作通道后，实现对应的模数转换电路能与工作通道相连通，而与其他接收通道断开即可。

本实施例中的合成单元23，与模数转换电路221~224相连，用于将与所述工作通道12连通的模数转换电路221~224输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。如图3所示，所述合成单元23包括3个加法器。理论上，与现有技术信号只通过模数转换电路222输出一路数字信号相比，本发明方案将模数转换电路221~224输出的4路数字信号相加得到输出信号，使接收机的信噪比得到了提升。下面详细介绍一下本发明方案能够提高接收机信噪比的原理。本领域技术人员知晓，接收机在AD采样那一刻的信号分为两种成分:有用信号和噪声。假设接收机中有M个（M≥2）ADC来对信号进行采样，其中有用信号是相同的，有用信号在每一个ADC处表现出的是相关性；而噪声在每一个ADC处表现出的是不相关的随机性，因为这种噪声是热噪声，是与ADC前级部件内部的分布参数和等效电阻有关的，而每一个ADC前级都是一个模拟开关，每个模拟开关是独立的，其内部的热噪声是与其内部的分子热运动以及自由电子的随机运动相关的，这在半导体器件内部是随机过程，每个模拟开关都是不相关的。这些不相关的M路随机噪声分别被采样后相加是功率相加，噪声功率也变为M倍，但绝对相关的M路有用信号相加是幅度相加，有用信号的功率则变为M*M，根据信噪比的计算公式SNR=10lg(s/n)，其中s是有用信号的功率、n是噪声信号的功率，因此SNR在通过本发明方案之后增加了10lg(M)(dB)，其中M≥2。由于lg函数在M≥2区间是单调递增函数，10lg2≈3.01(dB)，所以10lg(M)≥3(dB)，可以理解为通过本发明方案，接收机的信噪至少比现有技术方案接收机信噪比提高3dB。因此本发明技术方案的实施例通过对应4路接收通道的4个模数转换电路全部与当前工作通道相连，并对工作通道接收的信号同时进行模数转换，将4路模数转换的数字信号相加得到的数字信号作为输出信号，信噪比提高了10lg4≈6dB。

上述实施例是将所有闲置的模数转换电路以及对应于当前工作通道的模数转换电路同时与当前工作通道相连，将转换后的信号相加得到输出信号，即将模数转换电路221、223、224和与当前工作通道对应的模数转换电路222同时与当前工作通道2相连，把4路模数转换后的信号相加得到输出信号。在其他实施例中，也可以将部分闲置模数转换电路以及对应于当前工作通道的模数转换电路同时与当前工作通道相连，将转换后的信号相加得到输出信号，如将模数转换电路221、223、224中的任何一个或者两个模数转换电路和与当前工作通道对应的模数转换电路222同时与当前工作通道2相连，把2路或者3路模数转换后的信号相加得到输出信号。

本实施例中给出的是磁共振成像的普通应用，成像系统运行一次成像序列的过程中不会切换当前的工作通道，即成像系统运行一次成像序列的过程就是接收机的一路接收通道作为当前工作通道来处理信号，如本实施例中运行一次成像序列的过程就是接收机的接收通道12作为当前工作通道来处理信号，所以只要在扫描行图像之前控制单元对开关单元进行一次状态设置就可以。在其他实施例中，磁共振成像系统的一次成像序列运行过程中存在需要切换当前工作通道的情况。一般，磁共振成像系统的一次成像序列采集每一行图像之间的时间间隔大于50ms，采集每一行图像即为采集每一个工作通道的数据，即工作通道的切换时间大于50ms，而常用的的模拟开关半导体芯片的开关时间小于1ms，模拟开关的开关时间1ms<<50ms，所以本发明方案也可以适用于在一次成像序列中需要切换当前工作通道的高级应用。

基于上述的磁共振接收机，本发明实施方式还提供了一种磁共振接收系统，如图6所示，包括：若干射频接收线圈8；开关阵列9，与射频接收线圈8相连，用于选择一部分接收线圈的输出作为接收机的输入；核心控制电路10，与开关阵列9相连，用于配置工作通道，以及控制射频接收线圈通过开关阵列9与接收机工作通道的射频接收端口相连；磁共振接收机1，与核心控制电路10相连，具体的结构可以参考上述磁共振接收机的具体实施例。

本发明实施方式还提供了磁共振接收机的接收信号处理方法，如图7所示，包括：

步骤S1，配置工作通道，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；

步骤S2，连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路；

步骤S3，连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路；

步骤S4，将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

其中，步骤S2和步骤S3同时执行，即同时连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路以及所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路。

所述磁共振接收机的接收信号处理方法可以上述磁共振接收系统来实现，由核心控制电路10执行步骤S1配置工作通道；由控制单元执行步骤S2连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路和步骤S3连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路；由合成单元执行步骤S4将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号，具体实施方式可以参考上述磁共振接收系统及磁共振接收机的说明，在此不再赘述。

综上所述，上述技术方案利用了磁共振接收系统中一个接收通道对应一个模数转换电路，而在工作的时候只有少数接收通道作为工作通道，对应多条非工作通道的模数转换电路处于闲置状态的现状，在对应于工作通道的模数转换电路与工作通道相连接的前提下，将对应于非工作通道的模数转换电路中的一路或者多路通过开关单元也和工作通道相连，实现了在不增加额外硬件开销和时间开销的情况下对工作通道的信号同时进行重复采样，如上述对本发明方案的分析，与现有技术相比可以提高磁共振接收机的信噪比，提高磁共振系统的成像质量。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (14)

1.一种磁共振接收机的接收信号处理装置，所述磁共振接收机包括：至少两路接收通道；以及至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；其特征在于，所述接收信号处理装置包括：

至少两组开关单元，分别对应一个模数转换电路，每组开关单元连接于对应的模数转换电路与各路接收通道之间，用于连通或断开所述接收通道与模数转换电路的通路；

控制单元，用于控制所述开关单元连通被配置为工作通道的接收通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路，以及连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路的通路，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；

合成单元，用于将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

2.如权利要求1所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述工作通道由磁共振系统的核心控制电路配置。

3.如权利要求1所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述工作通道的数量为一路或者多路。

4.如权利要求1所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路的通路以及所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路的通路同时连通。

5.如权利要求1所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述至少两组开关单元连接于同一接收通道与不同模数转换电路之间；每组开关单元包括至少两个模拟开关，所述至少两个模拟开关连接于不同接收通道与同一模数转换电路之间。

6.如权利要求5所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述模拟开关为单刀单掷开关。

7.如权利要求1所述的磁共振接收机的接收信号处理装置，其特征在于，所述合成单元包括加法器。

8.一种磁共振接收机，其特征在于，包括：

至少两路接收通道；

至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；

权利要求1至7任一项所述的接收信号处理装置；

信号处理单元，用于处理所述数字输出信号。

9.如权利要求8所述的磁共振接收机，其特征在于，所述接收通道包括：射频接收端口、射频放大器、第一带通滤波器和混频器；其中，所述射频接收端口接收的信号经所述射频放大器放大和所述第一带通滤波器滤波后得到射频信号，所述混频器将本振信号与所述射频信号混频，输出中频信号。

10.如权利要求9所述的磁共振接收机，其特征在于，所述接收通道还包括：用于对所述中频信号进行滤波的第二带通滤波器。

11.如权利要求8所述的磁共振接收机，其特征在于，所述模数转换电路包括：驱动电路、滤波电路和模数转换芯片；其中，所述驱动电路用于将输入信号转换为差分信号，所述滤波电路用于滤除所述差分信号的高频噪声及匹配模数转换芯片的输入。

12.一种磁共振系统，包括若干射频接收线圈、开关阵列和核心控制电路，其特征在于，还包括权利要求8至11任一项所述的磁共振接收机，所述核心控制电路用于配置工作通道，以及控制射频接收线圈通过所述开关阵列与所述工作通道的射频接收端口相连。

13.一种磁共振接收机的接收信号处理方法，所述磁共振接收机包括：至少两路接收通道；以及至少两个模数转换电路，分别对应一路接收通道；其特征在于，所述接收信号处理方法包括：

配置工作通道，所述工作通道为输出有用信号的接收通道；

连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路；

连通所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路；

将与所述工作通道连通的模数转换电路输出的数字信号相加，以获得数字输出信号。

14.如权利要求13所述的磁共振接收机的接收信号处理方法，其特征在于，同时连通所述工作通道与对应于所述工作通道的模数转换电路以及所述工作通道与至少一个对应于其他接收通道的模数转换电路。

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