CN103913778B - 多个近端参考线圈的核磁共振信号实时噪声抵消装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多个近端参考线圈的核磁共振信号实时噪声抵消装置，是由主接收线圈与一个以上参考收线圈分别经地面核磁共振仪器的多通道信号调理电路后与数模转换器连接，转换成数字量进入数字信号处理芯片中，数模转换器与主自适应滤波器相连，参考信号通道数模转换器分别与自适应滤波器连接构成。多个参考线圈能够抵消多个噪声源产生的环境噪声，近端参考能够减少线圈铺设所占用的空间限制，增大参考线圈的应用范围，多组自适应滤波器能够避免损失主接收线圈中采集的核磁共振信号，改善信噪比，数字信号处理芯片实现实时自适应滤波算法，提高了数据采集和处理效率。

Description

多个近端参考线圈的核磁共振信号实时噪声抵消装置

技术领域：

本发明涉及一种数据采集系统及数据处理方法，尤其是适用于地面核磁共振地下水探测(Magnetic Resonance Sounding，MRS)信号的采集并进行实时自适应噪声抵消的系统及其方法。

背景技术：

地面核磁共振的信号非常微弱，一般为纳伏级，且环境噪声很强，核磁共振信号通常都淹没在环境噪声中。常规的信号处理方法不能有效地从环境噪声中提取有用的核磁共振信号，有时还会使核磁共振信号发生畸变。

CN201010537465.2公开了一种带参考线圈的核磁共振地下水探测系统及探测方法，通过多路AD采集单元同步采集核磁共振信号及参考线圈中噪声信号的全波形数据，采用变步长自适应算法对消核磁共振信号中的噪声，提高了仪器抗干扰性能。但是，参考线圈的布设必须远离主探测线圈，需要占用较大的空间，限制了参考线圈的适用环境。如果距离较近，参考线圈内引入核磁共振信号分量，通过自适应算法，不但环境噪声相抵消，还将损失主探测线圈内的核磁共振信号。而且，只能在采集所有的接收线圈后再进行数据自适应消噪，不能做到实时处理。CN1183832A公开了一种在反馈环路中利用自适应噪声滤波器和自适应串话滤波器以便在主信号输入段和参考输入端抵消相关噪声的交叉耦合自适应噪声抵消装置。该装置的预滤波器部分从噪声抵消装置的输入信号中估计所有的信号，在自适应滤波器部分具从噪声抵消装置的输入信号中抵消噪声。这种自适应噪声抵消系统主要用于麦克风接收到的音频信号和串话干扰，但是不能工作于核磁共振频段的信号。

因此，需要发明一种能够在近端进行多参考线圈接收，并且能够实时进行自适应噪声抵消的装置和方法，最大限度地从环境噪声中提取有用的核磁共振信号，且不发生畸变和衰减。

发明内容：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于核磁共振地下水信号的数据采集并进行实时自适应噪声抵消的系统及其方法。采用两个或多个线圈同时接收核磁共振信号，其中一个线圈作为主信号通道，其他线圈作为参考信号通道。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

核磁共振信号实时噪声抵消装置，是由主接收线圈10与一个以上参考收线圈线圈20、30、…、M分别经地面核磁共振仪器1的多通道信号调理电路11、21、31、…、M+1后与数模转换器12、22、32、…、M+2连接，转换成数字量进入数字信号处理芯片5中，数模转换器12与主自适应滤波器13相连，参考信号通道数模转换器22、32…M+2分别与自适应滤波器23、33、…、M+3连接构成。

参考通道自适应滤波器23、33、…、M+3和13之间进行参数交换，主自适应滤波器13的输出为噪声抵消后的核磁共振信号14，参考通道自适应滤波器自适应滤波器23、33、…、M+3的输出为环境噪声信号分量24、34、…、M+4。

主信号通道数据d[n]经加法器15分别与噪声逼近器16和噪声逼近器17连接构成。

参考通道自适应滤波器23、33…….M+3，由参考信号通道数据x₁[n]与加法器25相连，加法器25的输出与核磁共振逼近器26连接构成。

主信号通道与自适应滤波器13相连，用于抵消与参考信号相关的环境噪声，多个参考通道分别与自适应滤波器23和43相连，用于抵消其中引入的核磁共振信号成分。在自适应滤波器13中，主信号通道数据d[n]与加法器15相连，加法器15的输出与噪声逼近器16和17相连，用于计算滤波器系数，参考通道数据经过自适应滤波器23和43处理后的结果g₁[n]和gM[n]进入噪声逼近器16和17，用于估计环境噪声中的相关分量，其输出y₁[n]和yM[n]均与加法器15相连，在主信号通道数据d[n]减去环境噪声相关分量y₁[n]和yM[n]，经过反复迭代，得到最终的核磁共振信号S[n]，其输出结果e[n]还用于自适应滤波器23和43的输入。在自适应滤波器23中（43与此相同），参考信号通道数据x₁[n]与加法器25相连，加法器25的输出与信号逼近器26相连，用于计算滤波器系数，主信号通道数据经过自适应滤波器13处理后的结果e[n]进入信号逼近器26，用于估计核磁共振信号的相关分量，其输出z₁[n]与加法器25相连，在参考通道数据x₁[n]中减去核磁共振信号分量z₁[n]，经过反复迭代，最终输出只含有环境噪声分量n₁[n]。

有益效果：

多个参考线圈能够抵消多个噪声源产生的环境噪声，近端参考能够减少线圈铺设所占用的空间限制，增大参考线圈的应用范围，多组自适应滤波器能够避免损失主接收线圈中采集的核磁共振信号，改善信噪比，数字信号处理芯片实现实时自适应滤波算法，提高了数据采集和处理效率。

附图说明：

图1为主信号接收线圈和多个近端参考线圈铺设图

图2为多近端参考通道实时噪声抵消系统的示意图

图3主信号通道自适应滤波器内部结构图

图4参考信号通道自适应滤波器内部结构图

图5为带信号比估计的实时噪声抵消系统的示意图

1地面核磁共振仪器，5数字信号处理芯片，6信噪比逼近器，10主信号接收线圈，20、30、40、M参考接收线圈，11、21、41、M+1信号调理电路，12、22、32、M+2数模转换器，13主信号通道自适应滤波器，23、43、M+3参考通道自适应滤波器，14核磁共振信号，24、44、M+4环境噪声分量，15、25加法器，16、17噪声逼近器，26核磁共振逼近器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

核磁共振信号实时噪声抵消装置，是由主接收线圈10与一个以上参考收线圈线圈20、30、…、M分别经地面核磁共振仪器1的多通道信号调理电路11、21、31、…、M+1后与数模转换器12、22、32、…、M+2连接，转换成数字量进入数字信号处理芯片5中，数模转换器12与主自适应滤波器13相连，参考信号通道数模转换器22、32…M+2分别与自适应滤波器23、33、…、M+3连接构成。

参考通道自适应滤波器23、33、…、M+3和13之间进行参数交换，主自适应滤波器13的输出为噪声抵消后的核磁共振信号14，参考通道自适应滤波器23、33、…、M+3的输出为环境噪声信号分量24、34、…、M+4。

主信号通道数据d[n]经加法器15分别与噪声逼近器16和噪声逼近器17连接构成。

参考通道自适应滤波器23、33…….M+3，由参考信号通道数据x₁[n]与加法器25相连，加法器25的输出与核磁共振逼近器26连接构成。

地面核磁共振仪器1包含一个主信号通道10主要用于采集核磁共振信号，1个以上参考信号通道20、30、…、M用于接收环境噪声，参考线圈依次放置在主接收线圈边框上，其中引入的核磁共振分量通过自适应滤波器23、33、…、M+3抵消，其输出24、34、…、M+4只含有环境噪声分量，再经过自适应滤波器13，主信号通道中的环境噪声被抵消，最终输出14为纯净的核磁共振信号。

采用数据信号处理芯片5实现实时自适应噪声抵消算法，其中自适应滤波器13、23、33、…、M+3利用最小均方（LMS）、非线性最小均方（NLMS）和最小二乘算法（RLS）等算法实时计算滤波系数，其输出不断逼近核磁共振信号或环境噪声分量，自适应滤波器13的输出逐渐接近纯净的核磁共振信号。在实施例2中，利用信噪比估计器6实时计算信噪比，以此确定自适应滤波13和23的步长，从而加速自适应的学习过程。

实施例1：

图1和图2表示本发明的近端参考自适应噪声抵消系统的第一个实施例的框图。当测量环境中存在多个噪声源时，需要采用多个近端参考的接收线圈。即主信号接收线圈10和一个以上20、30乃至40近端参考接收线圈。主接收线圈的信号表示为核磁共振信号和环境噪声的叠加S(t)+N(t),近端参考线圈接收的信号表示为核磁共振信号分量和环境噪声的叠加s_m(t)+n_m(t)(m＝1,2…M)。接收信号经过地面核磁共振仪器1的多通道信号调理电路11、21、31和41的前置放大和滤波后，再经过数模转换器12、22、32和42，分别转换为数字量进入数字信号处理芯片5。数字信号处理芯片5内包含一个主信号通道自适应滤波器13和一个以上参考通道自适应滤波器23、33和M+3。主信号通道自适应滤波器13的输入表示为d[n]，近端参考信号通道自适应滤波器23、33和M+3的输入表示为x_m[n](m＝1,2…M)。

在图4中，主信号通道自适应滤波器13的输出e[n]延时k个点后分别进入多个参考通道自适应滤波器23中的核磁共振逼近器26，核磁共振逼近器26的输出为

则参考信号通道自适应滤波器的输出为

g_m[n_k]＝x_m[n_k]-z_m[n_k](m＝1,2…M) (2)

信号逼近器26可以采用LMS算法、NLMS算法以及RLS算法等计算滤波系数，这里以LMS算法为例，自适应滤波系数表示为

w_m[n_k+1]＝w_m[n_k]+μ_m·g_m[n_k]·e[n_k](m＝1,2,…,M) (3)

其中，μ_m为第m个信号逼近器26的步长。

随着数据序列n_k的增加，核磁共振逼近器26中滤波系数逐渐更新，其输出逐渐接近参考信号通道中混入的核磁共振信号分量s_m[n]，因此参考信号通道自适应滤波器23的输出为

g_m[n]＝x_m[n]-s_m[n]≈n_m[n](m＝1,2,…,M) (4)

在图3中，参考通道滤波器23和43的输出g_m[n]延时k个点后经进入主信号通道自适应滤波器13中的噪声逼近器16和17，噪声逼近器16和17的输出为

则主信号通道自适应滤波器13的输出为

噪声逼近器16和17同样采用LMS算法，自适应滤波系数表示为

w_0m[n_k+1]＝w_0m[n_k]+μ_0m·g_m[n_k]·e[n_k](m＝1,2,…,M) (15)

其中，μ_0m为第m个噪声逼近器16或噪声逼近器17的步长。

随着数据序列n_k 的增加，噪声逼近器16或噪声逼近器17中滤波系数逐渐更新，其所有输出的和逐渐接近主信号通道中混入的环境分量N[n]，因此主信号通道自适应滤波器13的最终输出为纯净的核磁共振信号

经过多次迭代，多个近端参考信号通道内混入的核磁共振信号分量s_m[n]逐渐消失，只剩下与主信号通道相关的环境噪声n_m[n]，再经过多次交叉迭代后主信号通道的环境噪声分量N[n]逐渐消失，而且不会损失主信号通道中的核磁共振信号S[n]。经过实测噪声实验，主信号通道中采集数据的信噪比提高了10～30dB，核磁共振信号参数拟合误差小于5%。

实施例2：

图3表示本发明的近端参考自适应噪声抵消系统的第二个实施例的框图。一个主信号接收线圈10和一个近端参考接收线圈20。主接收线圈的信号表示为核磁共振信号S(t)和环境噪声N(t)的叠加S(t)+N(t),近端参考线圈接收的信号表示为核磁共振信号分量s₁(t)和环境噪声n₁(t)的叠加s₁(t)+n₁(t)。接收信号经过地面核磁共振仪器1的多通道信号调理电路11和21的前置放大和滤波后，再经过数模转换器12和22，分别转换为数字量13和23进入数字信号处理芯片5。主信号通道数据13表示为d[n]，近端参考信号通道数据23表示为x₁[n]。数字信号处理芯片5包含一个主信号通道滤波器13和一个参考通道自适应滤波器23，以及一个信噪比估计器6。

在信号采集开始时，主信号通道自适应滤波器13的输出e[n]延时k个点后进入参考通道自适应滤波器23中的核磁共振逼近器26，核磁共振逼近器26的输出为

则参考信号通道自适应滤波器23的输出为

g₁[n_k]＝x₁[n_k]-z₁[n_k] (18)

核磁共振逼近器26可以采用LMS算法、NLMS算法以及RLS算法等计算滤波系数，这里以LMS算法为例，自适应滤波系数表示为

w₁[n_k+1]＝w₁[n_k]+μ₁[n_k]·g₁[n_k]·e[n_k] (19)

其中，μ₁[n]为主信号通道数据和参考通道数据的信噪比估计器6的输出。根据不同的信噪比估计，实时调整自适应滤波器的步长，改善滤波器学习速度，达到最优的噪声抵消效果。

随着数据序列n_k的增加，核磁共振逼近器26中滤波系数逐渐更新，其输出逐渐接近参考通道中混入的核磁共振信号分量s₁[n]，因此参考信号通道自适应滤波器23的输出为

g₁[n]＝x₁[n]-s₁[n]≈n₁[n] (20)

接着，参考通道自适应滤波器的输出g₁[n]经过延时k个点后进入主信号通道自适应滤波器13的噪声逼近器16，噪声逼近器16的输出为

则主信号通道自适应滤波器13的输出为

e[n_k]＝d[n_k]-y₁[n_k] (22)

噪声逼近器16同样采用LMS算法，自适应滤波系数表示为

w₂[n_k+1]＝w₂[n_k]+μ₂[n_k]·e[n_k]·g₁[n_k] (23)

其中，μ₂[n]为主信号通道数据和参考信号通道数据的信噪比估计器6的输出。根据不同的信噪比估计，可以实时调整自适应滤波器的步长，改善滤波器学习速度，达到最优的噪声抵消效果。

随着数据序列n_k的增加，噪声逼近器16中滤波系数逐渐更新，其输出逐渐接近主信号通道中混入的环境分量N[n]，因此主信号通道自适应滤波器13的最终输出为纯净的核磁共振信号

e[n]＝d[n]-y₁[n]≈S[n] (24)

经过延时和多次迭代，参考信号通道内混入的核磁共振信号分量s[n]逐渐消失，只剩下与主信号通道相关的环境噪声n₁[n]，再经过多次交叉迭代主信号通道的环境噪声分量N[n]逐渐消失，而且不会损失主信号通道中的核磁共振信号S[n]。经过实测噪声实验，主信号通道中采集数据的信噪比提高了33dB，核磁共振信号参数拟合误差小于5%，且处理速度加快10%。

Claims (4)

1.一种核磁共振信号实时噪声抵消装置，其特征在于，由主接收线圈(10)与一个以上近端参考接收线圈分别经地面核磁共振仪器(1)的信号调理电路后与数模转换器连接，分别转换为数字量进入数字信号处理芯片(5)，数字信号处理芯片(5)内包含一个主信号通道自适应滤波器(13)和一个以上参考通道自适应滤波器；

主信号通道自适应滤波器(13)的输出e[n]延时k个点后分别进入多个参考通道自适应滤波器中的核磁共振逼近器(26)，核磁共振逼近器(26)的输出为

$z_m\[n_k\]=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{w}_m\[k\]\·e\[k\],(m=1,2,...,M)---\left(1\right)$

则参考通道自适应滤波器的输出为

g_m[n_k]＝x_m[n_k]-z_m[n_k] (m＝1,2…,M) (2)

自适应滤波系数表示为

w_m[n_k+1]＝w_m[n_k]+μ_m·g_m[n_k]·e[n_k](m＝1,2,…,M) (3)

其中，μ_m为第m个核磁共振逼近器(26)的步长；

随着数据序列n_k的增加，核磁共振逼近器(26)中滤波系数逐渐更新，其输出逐渐接近参考通道中混入的核磁共振信号分量s_m[n]，因此参考通道自适应滤波器的输出为

g_m[n]＝x_m[n]-s_m[n]≈n_m[n] (m＝1,2,…,M) (4)

参考通道自适应滤波器(23)和(43)的输出g_m[n]延时k个点后经进入主信号通道自适应滤波器(13)中的噪声逼近器(16)和(17)，噪声逼近器(16)和(17)的输出为

$y_m\[n_k\]=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{w}_{0m}\[k\]\·g_m\[k\],(m=1,2,...,M)---\left(5\right)$

则主信号通道自适应滤波器(13)的输出为

$e\[n_k\]=d\[n_k\]-\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{y}_m\[n_k\],(m=1,2,...,M)---\left(6\right)$

随着数据序列n_k的增加，噪声逼近器(16)和噪声逼近器(17)中滤波系数逐渐更新，其所有输出的和逐渐接近主信号通道中混入的环境噪声分量N[n]，因此主信号通道自适应滤波器(13)的最终输出为纯净的核磁共振信号

$e\[n\]=d\[n\]-\underset{m}{\mathrm{\Σ}}{y}_m\[n\]\≈S\[n\],(m=1,2,...,M)---\left(7\right)$

经过多次迭代，多个近端参考通道内混入的核磁共振信号分量s_m[n]逐渐消失，只剩下与主信号通道相关的环境噪声n_m[n]，再经过多次交叉迭代后主信号通道的环境噪声分量N[n]逐渐消失，而不损失主信号通道中核磁共振信号S[n]。

2.按照权利要求1所述的核磁共振信号实时噪声抵消装置，其特征在于，参考通道自适应滤波器和主信号通道自适应滤波器之间进行参数交换，主信号通道自适应滤波器的输出为噪声抵消后的核磁共振信号(14)，参考通道自适应滤波器的输出为环境噪声分量。

3.按照权利要求1所述的核磁共振信号实时噪声抵消装置，其特征在于，主信号通道数据d[n]经加法器(15)分别与噪声逼近器(16)和噪声逼近器(17)连接构成。

4.按照权利要求1所述的核磁共振信号实时噪声抵消装置，其特征在于，参考通道自适应滤波器由参考通道数据x₁[n]与加法器(25)相连，加法器(25)的输出与核磁共振逼近器(26)连接构成。