CN112485736B - 一种提升磁共振信噪比的近场接收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升磁共振信噪比的近场接收装置，包括同步时钟参考电路、ADC采样时钟稳定电路、开关电源的开关纹波频率控制电路和ADC采样电路；同步时钟参考电路包括光电转换单元、时钟恢复单元、时钟整形单元、参考时钟选择单元；ADC采样时钟稳定电路包括锁相环芯片以及配合锁相环芯片工作的压控晶体振荡器；开关电源的开关纹波频率控制电路包括分频器和开关电源。本发明提供了两种同步参考时钟的远程传输方案，将从主系统传输到近场接收机的同步参考时钟信号跟模数转换器采样时钟进行相位同步；本发明对从主系统传输到近场接收机的同步参考时钟信号进行去抖动处理，能够提升ADC和近场接收机的信噪比。

Description

一种提升磁共振信噪比的近场接收装置

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种提升磁共振信噪比的近场接收装置。

背景技术

获得高质量的核磁共振(MRI)图像，一直是磁共振领域所追求的目标，而图像信噪比SNR是衡量MRI图像质量的一个重要指标，可以说，应用于MRI系统上的关键技术都是为了满足用户对MRI系统SNR的要求。根据核磁共振成像原理，我们很容易想到图像信噪比可以通过选定扫描参数得到改善。式(1)给出了图像信噪比与相关扫描参数之间的关系。

式中，K表示临床成像环境下及其参数，FOV_X表示FOV在X轴方向的大小，FOV_Y表示FOV在Y轴方向的大小，N_X表示频率编码步数，N_Y表示相位编码步数，ΔZ表示体素的厚度，NEX表示激发次数(信号平均次数)，BW表示采样带宽。

二元图像的信号信噪比SNR与体元大小成正比，体元＝层厚×像元素面积，像素面积等于视野除以取样点数与相位编码步数之积(即矩阵大小)。同时，信噪比与激发次数NEX、取样点数Nx、相位编码步数Ny的平方根成正比，与接收机带宽BW平方根成反比。

公式假设被激发的体积内组织是均匀的，驰豫行为是相同的。用公式可估计参数组合变化对信噪比的影响，层面厚度减小可提高沿该方向的空间分辨率，但受到图像信噪比的限制，减小像素大小(减小视野或增大矩阵)也可以提高空间分辨率，但是同时受到图像信噪比的限制。增加激发次数NEX，信号强度可增加NEX倍，而噪声因为不相关性，只增大

倍，故信噪比提高

倍，所以付出的代价是扫描时间延长了NEX倍。总之，提高空间分辨率受到SNR的限制，当SNR下降到不能容忍时，空间分辨率达到极限，要进一步提高空间分辨率，又要维持可接受的SNR，用户可选择的途径之一是增加激发次数(多次累加)，但付出的代价是成像时间的延长。在动态、功能成像中，时间分辨率和空间分辨率是互相制约的。在这种情况下，改进硬件(比如提高B0，或用表面线圈、相控阵线圈等)、提高灵敏度的条件下可得到一定程度的解决。

近场接收机将传统的磁共振接收机前置到磁体附近，本发明简称近场接收机(或者接收机)。在磁体侧面将线圈感应到的人体生理信号进行模数转换，减少了模拟信号的长距离传输，减少了将干扰噪声引入有用信号的机会，这也是提高磁共振信噪比的一种手段。目前这种方法和架构已经在业内得到普遍运用(见专利申请201210009246.6，201210417684.6，201210204497.X)。磁共振的射频链路需要做到发射和接收相位相干。为了进行有效的信号累加和成像的相位编码，在磁共振成像脉冲序列执行过程中，必须保证发射机和接收机的相位相干，即两者保持固定的相位差。如果相位不相干，则会引起MRI图像的相位伪影，严重降低图像的信噪比。为了保持相位相干，需要将发射机的时钟传输到近场接收机，即保证二者的参考频率大小一致，同时相位差是固定的。通常通过两种方式实现时钟的同步：将同步参考时钟通过同轴电缆传输或者通过光纤协议恢复时钟获取。

随着高速、高精度模数转换器(ADC)的发展，尤其是能够直接进行射频直接采样的高分辨率模数转换器的上市，对稳定精准的采样时钟的需求也越来越迫切。采样/保持(Sample/Hold)电路作为ADC的前端，其采样速率和线性度决定性地影响着整个系统的速度和精度。从采样时刻结束到样本值被实际开始保持会有一定的延迟，通常把这个时间间隔叫做孔径时间(Aperture Time)，或孔径延迟。而将相邻两次采样孔径时间的偏差叫做孔径时间不确定性(Aperture Uncertainty)，或孔径抖动(Aperture Jitter)。受采样时钟抖动等多种复杂因素影响，孔径时间不确定性表现出随机性。它会引起实际采样点的偏移，导致采样/保持电路信噪比(SNR)降低，且输入信号频率越高，幅度越大，受时钟抖动的影响就越严重。模数转换器(ADC)作为近场接收机的核心器件，在很大程度决定了磁共振接收机本身的信噪比。模数转换器的采样时钟与其信噪比关系式如下：

SNR＝-20 log(2π·f_in·σ_T) (2)

其中，f_in为输入信号频率，σ_T为采样时钟抖动的均方根值。从该公式可看出，减小模数转换器的采样时钟抖动σ_T，是提高近场接收机信噪比，从而提高磁共振图像信噪比的一个有效方法。

此外，近场接收机往往集成了若干接收通道的模拟电路以及多路ADC，采样时钟频率一般都在80MHz以上，同时近场接收机跟主系统通信通过高速光纤协议进行，因此多通道采集电路和高速电路同时集成在一块板卡，这意味着单板功耗比较高，因此板卡功耗设计需要慎重考虑。传统的磁共振接收机板内电源常采用线性电源供给，这样设计的好处是没有开关电源的纹波频率分量对有用采集信号的干扰，缺点是线性电源效率比较低，单板功耗很高。为了降低功耗，通常在板内大量使用效率比较高的开关电源供电，但是开关电源的纹波如果不加以控制，也会被ADC采集到且对数字化有用磁共振信号造成干扰，从而降低接收机的信噪比。

申请号为201210009246.6(名称：一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统)的专利申请公开了一种基于全数字化谱仪的磁共振成像系统。数字化NMR信号接收单元，具有N(N为整数)个高速数字接收通道和一个接收前端控制通道。每一高速数字接收通道，通过高速数字光纤，包括但不限于高速数字光纤，连接至接收前端单元中的一个接收前端模块。数字化NMR信号接收单元的接收单元控制通道通过高速数字光纤，连接至接收前端单元的控制接口。其中接收前端单元可分为接收模拟前端通道，接收数字前端两部分。接收模拟前端通道由阻抗匹配网络、低噪声信号调理单元、可变增益及带宽滤波单元、高速模数转换单元组成。接收模拟前端通道可以是一个独立的集成电路，也可以由分立器件组合而成，其负责将直接耦合的接收线圈感应NMR信号变为量化的数字信号。数据处理单元由数字下变频、可变带宽数字滤波器、通道数据编码组成。数据处理单元以FPGA器件实现，当然也可以用其它集成电路实现，其负责将已量化的NMR信号进行数字信号处理，处理后的NMR信号经高速光电转换模块，转换为光信号，通过高速数字光纤，传至谱仪的数字化NMR信号接收单元。该申请涉及到磁共振行业的常规近场接收机在磁共振的架构设计，但是对于接收机跟发射机的时钟同步方法和模数转换器的采样时钟设计方案没有阐述。

申请号为201610876599.4(名称：磁共振接收链路及接收方法)提供了一种磁共振接收方法，可以有效解决通过FPGA实现的数字电路中，由于FPGA内部时钟的不确定性而导致的控制信号的相位偏差，从而确保磁共振成像的质量。但是该申请专利公开了了一种跨时钟域的数字逻辑设计方案，并未涉及到磁共振接收机与主系统的时钟同步方法和降低模数转换器采样时钟的相位抖动的设计相关内容。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过两种同步参考时钟的远程传输方案，将从主系统传输到近场接收机的同步参考时钟信号跟模数转换器采样时钟进行相位同步，解决了近场接收机与主系统发射机的时钟同步问题的提升磁共振信噪比的近场接收装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种提升磁共振信噪比的近场接收装置，包括同步时钟参考电路、ADC采样时钟稳定电路、开关电源的开关纹波频率控制电路和ADC采样电路；

所述同步时钟参考电路包括光电转换单元、时钟恢复单元、时钟整形单元、参考时钟选择单元；发射机通过基于高速光纤通信协议的方式将同步参考时钟信号传输至光电转换单元，光电转换单元负责将通信数据进行光电转换，时钟恢复单元负责将同步参考时钟提取出来；发射机通过电缆将同步参考时钟信号传输至时钟整形单元，时钟整形单元对畸变的时钟信号进行处理并输出干净的同步参考时钟信号；参考时钟选择单元负责对来自于光纤传输的同步参考时钟信号和电缆传输过来的同步参考时钟信号进行选择，参考时钟选择单元输出的时钟信号为同步时钟refclk；

所述ADC采样时钟稳定电路包括锁相环芯片以及配合锁相环芯片工作的压控晶体振荡器；同步时钟refclk作为参考时钟提供给锁相环芯片的参考输入管脚，锁相环芯片的时钟输出管脚输出采样时钟信号sample clock并传输至ADC采样电路；

所述开关电源的开关纹波频率控制电路包括分频器和开关电源；同步时钟refclk经过N分频单元，得到频率大小为refclk/N且跟refclk同步的时钟信号；频率大小为refclk/N的时钟信号输入开关电源的参考时钟输入端口，使得开关电源输出的电压开关频率分量的频率跟refclk/N一致，即开关电源输出的电压开关纹波的频率跟同步时钟refclk是保持相位同步的；开关电源的电压输出端与ADC采样电路相连。

进一步地，所述采样时钟信号sample clock的相位保持跟同步时钟refclk一致，采样时钟信号sample clock的时钟抖动由压控晶体振荡器的时钟抖动决定；所述压控晶体振荡器的时钟抖动要求小于σ_Δmax，其中σ_Δmax计算公式为：

其中，f_in表示核磁共振系统的射频信号中心频率，SNR表示核磁共振图像的信噪比。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供了两种同步参考时钟的远程传输方案，将从主系统传输到近场接收机的同步参考时钟信号跟模数转换器采样时钟进行相位同步，解决了近场接收机与主系统发射机的时钟同步问题；

2、本发明的采样时钟稳定方案，对从主系统传输到近场接收机的同步参考时钟信号进行去抖动处理，能够提升ADC和近场接收机的信噪比，使得ADC采样时钟的抖动能够满足ADC SNR的需要；

3、通过开关电源的纹波控制技术，将开关电源输出电压纹波频率同步到同步参考时钟上，即开关电源输出电压纹波频率分量不会被模数转换器采集到，从而规避了开关电源输出电压纹波频率分量对数字化有用磁共振信号造成干扰，使得开关电源输出电压纹波频率分量对ADC和近场接收机的信噪比不造成负面影响。

附图说明

图1为本发明的同步时钟参考电路的结构图；

图2为本发明的ADC采样时钟稳定电路的电路图；

图3为本发明的开关电源的开关纹波频率控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

为了保证发射机和接收机的相位相干，通常发射机位于主系统，因此要做到近场接收机的时钟与发射机同步。本发明的一种提升磁共振信噪比的近场接收装置，包括同步时钟参考电路、ADC采样时钟稳定电路、开关电源的开关纹波频率控制电路和ADC采样电路；

所述同步时钟参考电路包括光电转换单元、时钟恢复单元、时钟整形单元、参考时钟选择单元，如图1所示；本方明提供了两种方式用于传输从主系统到近场接收机的同步参考时钟。方式一：发射机与近场接收机基于高速光纤通信协议进行通信，将系统同步参考时钟嵌入到光纤通信协议中，发射机通过基于高速光纤通信协议的方式将同步参考时钟信号传输至光电转换单元，光电转换单元负责将通信数据进行光电转换，对于来自于主系统的通信数据则进行光信号到电信号的转换；时钟恢复单元负责将同步参考时钟提取出来；方式二：发射机通过电缆将同步参考时钟信号传输至时钟整形单元，时钟整形单元对畸变的时钟信号进行处理并输出干净的同步参考时钟信号；参考时钟选择单元负责对来自于光纤传输的同步参考时钟信号和电缆传输过来的同步参考时钟信号进行选择，参考时钟选择单元通过一个手动切换开关实现这两路输入同步参考时钟信号的选择：如果磁共振的同步时钟源(即发射机)离近场接收装置的距离在设定的阈值范围内，则选择电缆传过来的同步参考时钟；否则选择光纤传过来的同步参考时钟。参考时钟选择单元输出的时钟信号为同步时钟refclk。

要保证高速高精度ADC的动态性能和理想的信噪比，必须保证采样时钟具有很小的抖动，而ADC采样时钟稳定电路担负着减小时钟抖动的作用，对时钟抖动的处理常用一片抖动性能良好的锁相环芯片，以及配合锁相环芯片工作的压控晶体振荡器(VCXO)，如图2所示；同步时钟refclk作为参考时钟提供给锁相环芯片的参考输入管脚；根据ADC所要求的采样时钟频率和电平标准等，锁相环芯片的时钟输出管脚输出采样时钟信号sampleclock并传输至ADC采样电路；图2所示采样时钟稳定方案中锁相环芯片选用内置两级或者两级以上PLL级联结构的锁相环芯片。

所述开关电源的开关纹波频率控制电路包括分频器和开关电源，如图3所示；同步时钟refclk经过N分频单元，得到频率大小为refclk/N且跟refclk同步的时钟信号；频率大小为refclk/N的时钟信号输入开关电源的参考时钟输入端口，使得开关电源输出的电压开关频率分量的频率跟refclk/N一致，即开关电源输出的电压开关纹波的频率跟同步时钟refclk是保持相位同步的；开关电源的电压输出端与ADC采样电路相连。通过开关电源的纹波控制，将开关电源输出电源纹波频率同步到同步时钟refclk上，同时，由于ADC的采样时钟也是跟refclk是同步的，因此，开关电源供给ADC的电压纹波频率分量不会被模数转换器采集到，从而能够规避开关电源的输出电压纹波分量对数字化磁共振信号造成干扰，使得开关电源输出电压纹波频率分量对ADC和近场接收机的信噪比不造成负面影响。

所述采样时钟信号sample clock的相位保持跟同步时钟refclk一致，压控振荡器(VCXO)在锁相环芯片内部倍频到较高的频率，通常达到3-4GHz,然后通过锁相环芯片内部的分频器输出所要求的频率。采样时钟信号sample clock的时钟抖动由压控晶体振荡器的时钟抖动决定；

所述压控晶体振荡器的时钟抖动要求小于σ_Δmax，其中σ_Δmax计算公式为：

其中，f_in表示核磁共振系统的射频信号中心频率，SNR表示核磁共振图像的信噪比。

理论上，MRI接收机的信噪比SNR和MRI系统的图像信噪比SNRimage之间呈正比例关系，因此，为了满足医疗影像应用的图像信噪比SNRimage，接收机的信噪比通常参照ADC能够达到的信噪比设计，ADC采样时钟的相位抖动数值σ应不大于一定数值。对于1.5T的MRI系统，其射频信号中心频率f_in为64MHz左右，14bit ADC信噪比通常能达到78dB左右，求得采样时钟最大抖动σ_Δmax为：

也就是说，需保证ADC的采样时钟抖动小于313ns，才能使得ADC的信噪比达到预期指标。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种提升磁共振信噪比的近场接收装置，其特征在于，包括同步时钟参考电路、ADC采样时钟稳定电路、开关电源的开关纹波频率控制电路和ADC采样电路；

所述同步时钟参考电路包括光电转换单元、时钟恢复单元、时钟整形单元、参考时钟选择单元；发射机通过基于高速光纤通信协议的方式将同步参考时钟信号传输至光电转换单元，光电转换单元负责将通信数据进行光电转换，时钟恢复单元负责将同步参考时钟信号提取出来；发射机通过电缆将同步参考时钟信号传输至时钟整形单元，时钟整形单元对畸变的同步参考时钟信号进行处理并输出干净的同步参考时钟信号；参考时钟选择单元负责对来自于光纤传输的同步参考时钟信号和电缆传输过来的同步参考时钟信号进行选择，参考时钟选择单元输出的时钟信号为同步时钟refclk；

所述ADC采样时钟稳定电路包括锁相环芯片以及配合锁相环芯片工作的压控晶体振荡器；同步时钟refclk作为参考时钟提供给锁相环芯片的参考输入管脚，锁相环芯片的时钟输出管脚输出采样时钟信号sample clock并传输至ADC采样电路；

所述开关电源的开关纹波频率控制电路包括分频器和开关电源；同步时钟refclk经过N分频单元，得到频率大小为refclk/N且跟refclk同步的时钟信号；频率大小为refclk/N的时钟信号输入开关电源的参考时钟输入端口，使得开关电源输出的电压开关频率分量的频率跟refclk/N一致，即开关电源输出的电压开关纹波的频率跟同步时钟refclk是保持相位同步的；开关电源的电压输出端与ADC采样电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种提升磁共振信噪比的近场接收装置，其特征在于，所述采样时钟信号sample clock的相位保持跟同步时钟refclk一致，采样时钟信号sample clock的时钟抖动由压控晶体振荡器的时钟抖动决定；所述压控晶体振荡器的时钟抖动要求小于σ_Δmax，其中σ_Δmax计算公式为：

其中，f_in表示核磁共振系统的射频信号中心频率，SNR表示核磁共振图像的信噪比。

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