CN113359075A - 一种高性能磁共振成像谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高性能磁共振成像谱仪，应用于电子信息技术领域，针对现有的谱仪存在的信噪比低的问题，本发明采用近场接收技术，可以有效降低磁共振信号在传输过程中的衰减和干扰；然后将一个窄带噪声混入磁共振射频接收信号，有效降低模数转换器在采样量化过程中由相干采样和量化误差引起的失真谐波幅值，提高谱仪接收机模数转换器的无杂散动态范围；本发明还通过序列扫描参数实时动态更新解决磁共振成像扫描过程中的动态增益优化问题。

Description

一种高性能磁共振成像谱仪

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种谱仪架构。

背景技术

谱仪是磁共振成像系统最关键和核心的设备，负责序列运行、射频信号产生、空间定位梯度信号生成和射频信号接收、采集数据重建等工作。在磁共振成像过程中，谱仪接收机将射频接收线圈感应获得的uV级磁共振信号经滤波、放大、采样、模数转化、数字滤波等处理后，生成并存储为k空间数据用于磁共振图像重建。由此可见，在主磁场确定的情况下，谱仪的架构与性能对磁共振成像系统的信噪比有决定性的影响。谱仪的实现是以电子学和通信技术等为基础的。本世纪以来，大量先进的电子通信芯片及信号采样处理技术开始被广泛用于5G等新兴领域。然而，在磁共振成像技术领域，出于成本等原因，这些最新技术尚未得到很好的利用。为此，本项目提出融合电子学和通信领域最新软硬件技术及理论，对谱仪的整体架构和部分关键技术进行创新发展，借以大幅提升磁共振成像系统的信噪比。

首先，从信号的采集环节看，磁共振K空间的信号动态范围很大，要不失真地采集到全部有用信号，需要对整个动态范围内的信号都精确地采样，特别是高分辨率三维成像需要磁共振接收机能有效采集接近热噪声水平的信号。早期谱仪采用模拟接收机，其自身信噪比不够，无法有效采集到接近热噪声水平的磁共振信号，限制了其信噪比。近年来,数字接收机逐渐取代了模拟接收机，数字接收机具有更高的信号灵敏度，将自身的电路噪声控制在较低的水平，使得谱仪信噪比和磁共振空间分辨率得到提高。

在架构设计方面，现行的谱仪一般采用集成式架构，接收机放置在设备间的谱仪机箱内，这种结构设计便于谱仪接收机跟谱仪其它板卡的时序同步,但是从射频接收线圈感应到的磁共振信号需要长距离从磁体间传输至设备间的谱仪，磁体间的空间干扰分量将串扰到有用的接收信号里，从而会降低接收信号的信噪比。因此，集中式布局的谱仪架构也是限制谱仪信噪比的一大因素。

谱仪接收机的模数转换器性能指标也是影响谱仪信噪比的关键因素。通过增加接收机模数转换器的位数可以提升采样信号信噪比，但是增加模数转换器的位数须对谱仪硬件进行改进设计，同时该方案实现的成本较高。除了通过增加模数转换器的位数可提升采样信噪比外，通过提高模数转换器的采样率也能提升采样信噪比，但是受限于市场上模数转换器采样率和转换位宽等关键指标的限制，传统的商业化磁共振谱仪接收机的模数转换器采样率一般设计为100MHz以下，转换位宽一般为14位或者16位。近几年来，模数转换器芯片性能得到迅速提升，出现了采样率1GHz以上、转换位宽为16位的模数转换器，而且这种新的模数转换器价格相对于现有商业化谱仪接收机上的模数转换器价格仅增加了50％，同时接收机的模数转换器物料成本只占MRI整机的很小一部分，因此将这种高采样率模数转换器应用到磁共振接收机的时机已经成熟。此外，已有文献报道，噪声加扰技术能提高采样信号的信噪比。事实上，噪声加扰技术最近几年已在通信行业得到应用，并在采样信号信噪比提升上取得了良好的效果，但该技术目前尚未用到磁共振谱仪上。

在不更改谱仪电路的情况下，通过动态调整谱仪接收增益参数也能提升成像图像的信噪比。磁共振成像K空间数据需采集所有相位编码行的回波信号，每个相位编码行的回波信号幅值存在明显差异，较大的相位编码行比较小的相位编码行信号幅值小。因此在增益设置过程中，在保证整个K空间所有相位编码行回波幅值最大的点不溢出的前提下设置固定的接收增益参数，会致使整体回波信号达不到最大的信噪比。Mark A等人和C.H.OH等人发现，对K空间不同区域的接收增益参数进行优化设置能将磁共振图像的信噪比提高约两倍，但是他们开展实验的磁共振成像谱仪平台不支持序列运行时的接收增益参数的动态调整，因此需要在每个接收增益参数下执行一次序列扫描，最后通过拼接得到完整的K空间数据，对此，即使扣除手动更新设置接收增益参数的时间，全程序列扫描总时间也是正常扫描一遍序列的6到7倍，显然这在临床或实际科研中都是不可接受的。显然，要在一次序列扫描中完成上述全部任务，则须在相位编码行切换时动态更新接收增益参数，为此，需要重构现有的谱仪架构以支持扫描参数的动态更新。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种高性能磁共振成像谱仪，基于近场接收和分布式全数字化的谱仪整体架构设计方案，并针对分布式架构下谱仪各部件间进行同步和协调，能有效提升谱仪的信噪比。

本发明采用的技术方案为：一种高性能磁共振成像谱仪，包括：谱仪主体部分和近场接收机部分，谱仪主体部分包括：磁体、序列主机、谱仪主控设备单元(Main ControlUnit，MCU)、梯度信号产生板、射频信号产生板以及串口服务器，所述序列主机、梯度信号产生板、射频信号产生板以及串口服务器分别与谱仪主控设备单元相连；近场接收机部分的若干近场接收机设置于磁体侧面；近场接收机部分的若干近场接收机通过无线网络与谱仪主控设备单元相连。

近场接收机包括：高采样率模数转换接收装置，该装置包括：采样时钟生成模块、模数转换器模块、供电单元、窄带滤波器，所述供电单元分别与采样时钟生成模块、模数转换器模块、窄带滤波器，用于为采样时钟生成模块、模数转换器模块、窄带滤波器供电；采样时钟生成模块的输出端与模数转换器的第一输入端相连，窄带滤波器的输出端与模数转换器的第二输入端相连。

基于高采样率模数转换接收装置，验证不同的采样率下的时钟相位噪声和采样信号的信噪比，得到一组最佳的时钟采样率和对应的时钟相位噪声和采样信号的信噪比。

将一个窄带噪声混入磁共振射频接收信号，提高谱仪接收机模数转换器的无杂散动态范围。具体实现过程如下：

S1、在近场接收机信号输入端加入分布在m1～m2 MHz区间的噪声加扰源，噪声加扰源的幅值为n个LSB大小；其中，m2-m1＝1，m2取值范围为3～10；LSB为磁共振信号采集板所用模数转换器的最低位的量化信号大小，n取值范围为5～15；m1是噪声频域下限值，m2是噪声频域上限值；

S2、对步骤S1得到的混入了噪声加扰源的磁共振信号进行模数转换；

S3、采集磁共振信号采集板信号输出端的信号并输入陷波滤波器，通过陷波滤波器将噪声加扰源引入的额外频谱成分去除；

S4、将去除噪声加扰源频谱的数字信号送入数字下变频处理器，数字下变频处理对输入信号进行正交解调和抽取滤波。

本发明的有益效果：本发明综合采用过采样、噪声加扰技术，将提升磁共振采集信号的信噪比；将本发明的高性能谱仪样机集成到商用3T磁共振设备上，并保持系统其它硬件条件不变，按照国家标准YYT0482《医用诊断用磁共振设备技术要求及实验方法》进行图像信噪比和图像空间分辨率测试，与磁共振系统现行商用谱仪相比，信噪比有望提高 50-100％以上。

附图说明

图1为高性能成像谱仪结构；

图2为高性能谱仪实现示意图；

图3为高采样率模数转换接收装置结构连接图；

图4为高采样率模数转换接收装置。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

谱仪作为磁共振成像系统中最核心和关键的部件，对磁共振成像系统的信噪比和性能具有决定性作用。谱仪在本质上是一个电子信息系统，其性能取决于电子元器件、通讯技术与合理架构的设计，为此，本发明将基于整体架构优化、系统性能提升的思路，结合电子学和通信领域最新的软硬件技术与理论，提出从以下几方面进行创新，这些技术将共同作用，合力提升谱仪信噪比和磁共振成像信噪比。

(1)从谱仪整体架构设计提升谱仪信噪比的技术。采用近场接收技术可以有效降低磁共振信号在传输过程中的衰减和干扰，有助于提升谱仪的信噪比。但这种分布式架构将引起接收机跟谱仪主体部分之间时序不同步、相位不相干等问题。本发明将采用一系列的创新性技术解决磁共振射频信号的近场接收和分布式谱仪架构的实现问题。

(2)从信号采集和处理环节的提升谱仪信噪比的技术。噪声加扰技术对改善模数转换器的无杂散动态范围有显著效果，改善模数转换器的无杂散动态范围能直接提高采样信号的信噪比。同时，提高模数转换器的采样率和转换位宽可有效提升采样信号的信噪比。本发明将研究通过上述两种技术解决如何在磁共振信号采集及信号处理过程中提高接收信号信噪比的问题。

(3)从谱仪工作流设计和优化提升谱仪信噪比的技术。动态调整k空间不同区域磁共振信号接收时的增益参数并进行优化设置能够有效提升图像的信噪比。本发明将通过序列扫描参数实时动态更新解决磁共振成像扫描过程中的动态增益优化问题。

本发明提出的高性能谱仪总体结构如图1所示。

拟研制的谱仪从结构上分成两大部分：谱仪主体部分和近场接收机，其中谱仪主体部分包括序列主机、谱仪主控设备单元(Main Control Unit，MCU)、梯度信号产生板、射频信号产生板和串口服务器等。谱仪各组成部件介绍如下：

(i)序列主机：负责把时间序列和用户输入的参数解释成为硬件参数序列，在序列扫描过程中，谱仪硬件按照系统同步时钟进行计时，以固定节拍给序列主机发送触发信号。序列主机按照此节拍，将序列参数展开，生成硬件寄存器控制命令通过高速光纤传输路径下发给MCU，然后MCU将寄存器转发给谱仪硬件终端板卡。

(ii)谱仪MCU：基于星型的拓扑结构通过高速光纤物理链路链接连接谱仪各硬件终端板卡(这里的各硬件包括谱仪主体部分与近场接收机部分)，管理各个硬件终端，使得所有谱仪硬件设备形成为一个有机整体，另外谱仪各硬件终端通过MCU交换信息，实现同步。

(iii)梯度信号产生板：在序列主机的控制下，实现对梯度事件的解析，完成三轴高精度梯度波形的产生，在梯度波形产生的同时同步完成梯度波形信号预加重的补偿。

(iv)射频信号产生板：用于产生可扩展至8个物理通道的射频脉冲信号，并输出到射频功放。射频信号产生板通过高速光纤链路与谱仪MCU进行通信，基于FPGA实现数字上变频算法，在数模转换环节采用射频过采样方式工作，采样率为100Msps，转换数据位宽为16位，数模转换器输出频率为17.5MHz@±500KHz的中频模拟信号，输入到负责上变频功能的混频器，跟锁相环产生的频率为110MHz的高精度本振信号进行幅度调制，幅度调制的结果即中心频率为127.5MHz的3T磁共振射频脉冲发射信号，再经过后级的可编程数字式步进衰减器等处理后，最终送至射频功率放大器。

(v)串口服务器：用来管理磁共振系统中大量串口设备的状态，比如射频功率放大器、梯度功率放大器、病床控制单元和水冷机组等。

(vi)近场接收机：接收来自于射频接收线圈的微弱磁共振信号，对信号进行低噪声放大、采样量化、正交解调和抽取滤波等处理。线圈感应信号送入接收机，信号先经低噪声放大器进行幅值放大，然后送入模数转换器进行直接射频采样和量化，经FPGA数字下变频处理传输至谱仪MCU。MCU将采集数据经高速通信链路传输至重建主机，重建主机负责将采集数据进行重建处理，重建主机输出的图像数据上传至扫描操作台。

本发明的高性能谱仪实现如图2所示。首先完成谱仪整体硬件架构设计、整机硬件研制和实现谱仪的主要功能；在研制的近场接收机上，研究过采样技术和噪声加扰技术；然后进行谱仪工作流设计和优化，以支持接收增益等参数的动态更新等，同时基于新的谱仪工作流研究实现动态接收增益技术。

(1)从谱仪整体架构设计提升谱仪信噪比的技术

目前典型的磁共振谱仪的实现方式是把射频接收线圈感应到的磁共振微弱信号经过长距离的电缆传输至设备间的谱仪接收机。可是，长距离电缆传输模拟信号会引起接收信号的损耗，同时会引入空间的噪声干扰，降低射频接收信号的信噪比。为了提升射频接收信号的信噪比，本发明基于分布式的谱仪架构，将接收机从谱仪中分离出来布局到磁体侧面，接收机在磁体间实现对射频接收线圈感应到的微弱磁共振信号进行射频直接采样、提取、数字化，然后以数字编码方式通过高速光纤链路将数字编码信息传送到重建主机，规避了长距离电缆传输模拟信号引入的干扰，从而提高射频接收信号的信噪比。

近场接收机将提升磁共振采样信号的信噪比，但是近场接收信号的采样时钟质量将受到影响，同时将引起接收机跟谱仪主体部分之间协同工作困难和时序同步的问题。本发明将针对分布式全数字化谱仪引起的这些问题，从如下3方面提出针对性的解决方案：

(i)近场接收机高质量采样时钟的实现：在谱仪MCU配置低温漂系数的时钟源，该时钟信号通过同轴电缆送至近场接收机。

(ii)谱仪主体部分跟谱仪近场接收机的协同工作方式：在磁共振谱仪运行过程中，谱仪MCU作为谱仪硬件平台的硬件管理枢纽，谱仪的每一个组成部件(这里的组成部件包括：近场接收机，射频信号产生板，梯度信号产生板等)会主动跟踪谱仪软件系统和谱仪MCU的状态，MCU也会实时地将序列主机跟接收机相关的控制字下发至近场接收机。

(iii)谱仪近场接收机和射频脉冲信号产生板时序同步的设计：谱仪组成部件之间的通信将采用链路校正的方法，使得谱仪组成部件不受传输线缆长度的影响，都基于同一时间起点开始工作。

校正过程为：谱仪通信的2个部件之间，其中一个部件发射一个指令给另外一个部件，另外一个部件接收到该指令后返给对方部件一个应答信号，对方接收到应答信号。整个过程所用时间除以2即为链路传输延迟时间，将该延迟时间作为链路的校正参数。

(2)从信号采集和处理环节的提升谱仪信噪比的技术

噪声加扰技术对改善模数转换器的无杂散动态范围有显著效果，改善模数转换器的无杂散动态范围能直接提高采样信号的信噪比。同时，提高模数转换器的采样率和转换位宽可有效提升采样信号的信噪比。本发明提出通过上述两种技术，提高磁共振信号采集及信号处理过程中接收信号的信噪比。

本发明提出将一个窄带噪声混入磁共振射频接收信号，将有效降低模数转换器在采样量化过程由相干采样和量化误差引起的失真谐波幅值，提高谱仪接收机模数转换器的无杂散动态范围，从而提高谱仪接收机接收信号的信噪比。具体实现过程如下：

S1、在磁共振信号采集板信号输入端加入分布在m1～m2 MHz区间的噪声加扰源，噪声加扰源的幅值为n个LSB大小；其中，m2-m1＝1，m2取值范围为3～10；LSB为磁共振信号采集板所用模数转换器的最低位的量化信号大小，n取值范围为5～15；

S2、对步骤S1得到的混入了噪声加扰源的磁共振信号进行模数转换；

S3、近场接收机模数转换后的数字信号输入给陷波滤波器，通过陷波滤波器将噪声加扰源引入的额外频谱成分去除，陷波滤波器阻带范围为m1～m2 MHz；

S4、将去除噪声加扰源频谱的数字信号送入数字下变频处理器，数字下变频处理对输入信号进行正交解调和抽取滤波。

如图3为近场接收机(简称接收机)单个物理接收通道的实现示意图。每个接收机集成了16通道的射频信号调理电路，图3为近场接收机单通道的信号流程图。线圈感应信号送入接收机，信号先经低噪声放大器进行幅值放大，然后送入模数转换器(ADC)进行直接射频采样和量化，经FPGA数字下变频处理传输至谱仪主控设备单元MCU。MCU将采集数据经高速通信链路传输至重建主机，重建主机负责将采集数据进行重建处理，重建主机输出的图像数据上传至扫描操作台。

经过前期的理论分析，并且基于Matlab Simulink对磁共振射频接收信号进行过采样的建模仿真，发现谱仪接收机模数转换器的采样率每提高4倍，模拟射频接收信号量化后的信噪比则提高6dB左右。

虽然提高采样率能提升模数转换器采样信号的信噪比，但是受限于模数转换器采样率和转换位宽等关键指标的限制，传统的商业化磁共振谱仪接收机的模数转换器采样率一般设计为100MHz以下，转换位宽一般为14位或者16位。近几年模数转换器芯片性能得到迅速提升，出现了采样率1GHz以上、转换位宽为16位的模数转换器，为在谱仪接收机上应用过采样技术创造了良好的条件。

本发明提出的过采样技术，首先设计一套高采样率模数转换接收装置，如图4所示，该装置包括：低相位噪声抖动的采样时钟生成模块、低失真模数转换器模块、低电源纹波系数的供电单元、窄带滤波器和其它相应的硬件模块，基于该硬件装置(高采样率模数转换接收装置)，验证不同的采样率下的时钟相位噪声和采样信号的信噪比，得到一组最佳的时钟采样率和硬件配置参数。这里的硬件配置参数具体为：时钟相位噪声，采样信号的信噪比等。

最佳的时钟采样率和对应的时钟相位噪声组合，得到最高的采样信号的信噪比。理论上，采样率越高，则采样信号的信噪比越高；但是，随着采样率的升高，采样时钟的相位噪声会抬升，反而会影响采样信号信噪比提升的效果，当采样率提升到一定程度，采样时钟的相位噪声会严重抬升，采样信号信噪比会掉头下降。

本发明的高采样率数模转换接收装置，通过调整采样时钟生成模块的输出时钟频率，测试采样时钟的相位噪声，同时通过采样信号分析其信噪比，统计最佳的时钟采样率和对应的时钟相位噪声组合，得到最高的采样信号的信噪比。

(3)从谱仪工作流设计和优化提升谱仪信噪比的技术

动态调整k空间不同区域磁共振信号接收时的增益参数并进行优化设置能够有效提升图像的信噪比。本发明通过谱仪工作流设计和优化，使得序列扫描参数可实时动态更新，将解决磁共振成像扫描过程中的动态增益优化问题。

在序列运行期间动态更新扫描参数有严格的时间限制，需要在序列TR(repetition time) 切换期间或者在射频脉冲选层切换期间，将更新的扫描参数从序列主机送至谱仪硬件终端，更新和传送参数的整个时间控制在毫秒级别。谱仪工作流与动态更新扫描参数的功能密切相关，本发明提出适应动态更新扫描参数功能的谱仪工作流的实现技术，拟从以下几方面着手：

1)在谱仪架构和整机硬件方面采用低延时的实现方案，比如在谱仪MCU严格限制大块的FIFO(First Input First Output)和SDRAM(synchronous dynamic random-accessmemory)缓存序列扫描参数包。其他低延迟方案还包括：增加谱仪组成部件之间数据通信速率；谱仪硬件采用更高的时钟频率进行逻辑运算。

2)序列主机运行实时的Linux操作系统；

3)在谱仪的数据通信方面，谱仪的组成设备之间使用了两个数据通道进行通信，这两个通道分别是普通数据包通道和实时数据包通道。动态更新的扫描参数也是通过实时数据包来传输的。

两个数据通道适用于本发明谱仪组成部件之间的所有通信协议；谱仪射频发射参数，接收控制参数，梯度波形参数等在普通数据包通道传输；谱仪部件间同步指令，系统异常报错等在实时数据数据包通道传输。

4)序列主机以时间片的形式给谱仪下发硬件参数。

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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种高性能磁共振成像谱仪，其特征在于，包括：谱仪主体部分和近场接收机部分，谱仪主体部分包括：磁体、序列主机、谱仪主控设备单元、梯度信号产生板、射频信号产生板以及串口服务器，所述序列主机、梯度信号产生板、射频信号产生板以及串口服务器分别与谱仪主控设备单元相连；近场接收机部分的若干近场接收机设置于磁体侧面；近场接收机部分的若干近场接收机通过无线网络与谱仪主控设备单元相连。

2.根据权利要求1所述的一种高性能磁共振成像谱仪，其特征在于，近场接收机包括：高采样率模数转换接收装置，该装置包括：采样时钟生成模块、模数转换器模块、供电单元、窄带滤波器，所述供电单元分别与采样时钟生成模块、模数转换器模块、窄带滤波器，用于为采样时钟生成模块、模数转换器模块、窄带滤波器供电；采样时钟生成模块的输出端与模数转换器的第一输入端相连，窄带滤波器的输出端与模数转换器的第二输入端相连。

3.根据权利要求2所述的一种高性能磁共振成像谱仪，其特征在于，基于高采样率模数转换接收装置，验证不同的采样率下的时钟相位噪声和采样信号的信噪比，得到一组最佳的时钟采样率和对应的时钟相位噪声和采样信号的信噪比。

4.根据权利要求3所述的一种高性能磁共振成像谱仪，其特征在于，通过将一个窄带噪声混入磁共振射频接收信号，提高谱仪接收机模数转换器的无杂散动态范围。

5.根据权利要求4所述的一种高性能磁共振成像谱仪，其特征在于，所述将一个窄带噪声混入磁共振射频接收信号，实现过程为：

S1、在近场接收机信号输入端加入分布在m1～m2 MHz区间的噪声加扰源，噪声加扰源的幅值为n个LSB大小；其中，m2-m1＝1，m1是信号频域下限值，m2是信号频域上限值，LSB为磁共振信号采集板所用模数转换器的最低位的量化信号大小；

S2、对步骤S1得到的混入了噪声加扰源的磁共振信号进行模数转换；

S3、采集磁共振信号采集板信号输出端的信号并输入陷波滤波器，通过陷波滤波器将噪声加扰源引入的额外频谱成分去除；

S4、将去除噪声加扰源频谱的数字信号送入数字下变频处理器，数字下变频处理对输入信号进行正交解调和抽取滤波。

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