CN113391249B - 磁共振无线接收线圈装置、磁共振信号无线接收方法及磁共振系统 - Google Patents
磁共振无线接收线圈装置、磁共振信号无线接收方法及磁共振系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供磁共振无线接收线圈装置、磁共振信号无线接收方法及磁共振系统。装置包括：多个发射单元和多个接收单元，接收单元的数目等于或大于发射单元的数目；每个发射单元包括：一线圈组、一ADC组、两个基带低通滤波器和一IQ调制发射器，其中，线圈组连接到ADC组、ADC组连接到两基带低通滤波器、两基带低通滤波器连接到IQ调制发射器，且IQ调制发射器具有天线；每个线圈组包含一个或多个线圈，每个线圈组包含的线圈的最大数目由可用带宽、调制方式以及MR信号的带宽、采样率和采样精度确定。本发明提高了单位频带传输的磁共振信息量。
Description
技术领域
本发明涉及MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)技术领域，特别涉及MR(Magnetic Resonance，磁共振)无线接收线圈装置、MR信号无线接收方法及MR系统。
背景技术
MRI局部线圈阵列是目前广泛采用的提高MRI成像质量的方式。通常，所有的局部线圈阵列元件都通过线缆连接到MR接收系统上。为了抑制线缆上的共模信号以及抑制产生大电流对病人的灼烧，MR接收器的每个通道都需要射频(RF)陷波器，且线缆的布线必须使高功率射频脉冲的感应电流最小，另外，这些线缆很笨重，导致维护成本增加和处理困难，也不便于使用。
为了解决这些问题，近年来提出了磁共振无线局域线圈的概念，主要有：1、感应耦合线圈；2、模拟调幅无线线圈；3、模拟调频无线线圈；4、使用5.8GHz ISM(IndustrialScientific Medical，工业科学医学)频段的数字无线线圈；5、使用Wi-Fi(WirelessFidelity，无线保真)标准802.11ac、802.11ad的数字无线线圈；6、60GHz频段数字无线线圈；7、使用UWB(Ultra Wide Band，超宽带)频段的数字无线线圈。
数字无线线圈具有传输信号而不损失图像质量的能力。通常，一个通道的MRI线圈需要大约+/-0.4MHz的带宽和18bit的动态范围，这导致了大约30Mbit/s数据速率的理论限制。对于具有32通道接收器的系统，带宽数据传输速率将远远超过1G bit/s。
上述现有的磁共振无线局域线圈方案存在如下缺陷：
一、现有的磁共振无线感应耦合线圈都是单线圈，这种线圈感应的磁共振信息量较小；
二、采用5.8GHzISM频段的数字无线线圈时，采用的调制方式为QAM(QuadratureAmplitude Modulation，正交振幅调制)256。由于5.8GHzISM频段仅提供150MHz带宽用于数据传输，支持的最大采样率为150MSPS，使用QAM256时，最大理论数据速率限制为8×150Mbit/s＝1.2Gbit/s，而且需要在发射端的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)和DAC(Digital to Analog Converter，模拟数字转换器)中进行信号处理，从而使实现变得笨重，对无线线圈应用没有吸引力
三、使用现成的标准Wi-Fi产品需要操作系统实时运行Wi-Fi标准协议来进行管理，这很大程度提高了对计算能力的要求，因此需要高功率和高屏蔽要求。
四、使用60GHz频段允许使用超过1GHz的带宽，且可能用于超过1Gbit/s的数据传输。但在毫米波频率下，衣服或患者身体对信号的自由空间衰减和吸收要高得多。目前使用喇叭天线来增加波传播方向性，但传输距离仍然非常有限。
五、利用UWB频段可以实现线圈与磁共振成像系统之间的数据传输。为了以有限的传输功率密度(-41.3dBm/MHz)传输多Gbit/s数据，需要使用3.1～10.6GHz的UWB频率范围的很大一部分。最有可能的是，不同的线圈将被分配到不同的传输频率，这对线圈的设计制造造成了不利条件，也将导致系统方面的复杂性增加。根据监管要求，UWB的总功率限制非常严格，这为无线线圈的实现带来了困难。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供MR无线接收线圈装置，以提高单位频带传输的磁共振信息量。
本发明提供MR信号无线接收方法，以降低MR信号接收的实现复杂度。
本发明提供MR系统，以降低MR信号接收的实现复杂度。
本发明的技术方案是这样实现的：
磁共振MR接收线圈装置，位于磁共振系统中，该装置包括：多个发射单元和多个接收单元，所述接收单元的数目等于或大于所述发射单元的数目；
每个发射单元包括：一线圈组、一模数转换器ADC组、两个基带低通滤波器和一IQ调制发射器，其中，线圈组连接到ADC组、ADC组连接到两个基带低通滤波器、两个基带低通滤波器连接到IQ调制发射器，且IQ调制发射器具有天线；
每个线圈组包含一个或多个线圈，每个线圈组包含的线圈的最大数目由可用带宽、调制方式以及MR信号的带宽、采样率和采样精度确定；每个ADC组包含的ADC的数目等于或小于每个线圈组包含的线圈的数目；
每个发射单元中的线圈组接收到MR信号，将所述MR信号输出到连接的ADC组，ADC组将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号后分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器，两个基带低通滤波器对输入的数字信号进行低通滤波，将信号的频带限制在所使用用频段支持的频带宽度以内，将低通滤波后得到的二路信号分别作为I、Q信号输出到IQ调制发射器，IQ调制发射器采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上，将调制后的信号通过天线发射出去；
每个接收单元接收到各IQ调制发射器发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，将基带I、Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器进行处理；或者，接收到各IQ调制发射器发出的信号后，降低信号的频率，然后将信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，从中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器进行处理。
每个发射单元中的线圈组通过放大器组连接到ADC组，
且每个发射单元中的线圈组接收到MR信号，将所述MR信号先输出到连接的放大器组，放大器组对输入的MR信号进行放大后，将放大的MR信号输出到连接的ADC组。
所述线圈串联有失谐控制电路和调谐电路，
所述发射单元的线圈组与放大器组之间连接有低噪声放大器组和混频器组，
所述线圈组中的每个线圈的调谐电路分别连接到低噪声放大器组中的一个低噪声放大器，低噪声放大器组中的每个低噪声放大器分别连接到混频器组中的一个混频器，混频器组中的每个混频器分别连接到放大器组中的一个放大器；
所述低噪声放大器组对线圈组输出的MR信号进行低噪声放大处理，然后将低噪声放大处理后的MR信号输出到混频器组；
混频器组对低噪声放大器组输出的MR信号进行混频处理、将MR信号的频率搬移到预设的另一频率上，将混频处理后的MR信号输出到放大器组。
所述调谐电路通过同轴线或导线连接到本发射单元中的低噪声放大器组中的对应低噪声放大器；
所述低噪声放大器组通过同轴线或导线连接到本发射单元中的混频器组；
所述混频器组通过同轴线或导线连接到本发射单元中的放大器组。
所述发射单元进一步包括：一数字信号处理器，所述数字信号处理器连接在ADC组与两基带低通滤波器之间，或者内置于ADC组内；
数字信号处理器用于对ADC组通过AD转换后得到的数字信号进行滤波和混频、将数字信号的频率搬移到预设的低频率上，然后降低数字信号的采样率，再采用卷积码对数字信号进行前向纠错处理，将前向纠错处理后的数字信号分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器。
所述IQ调制发射器采用QAM 16或QAM 64或QAM 256方式将输入的信号的中心频率调制到所使用频段的频率上；
所述数字信号处理器通过两个DAC与两基带低通滤波器连接，所述两个DAC用于分别将数字信号处理器输出的两路数字信号转换为模拟信号后输出到两个基带低通滤波器。
每个发射单元中的线圈组通过同轴线或导线连接到本发射单元中的ADC组；
每个发射单元中的ADC组通过同轴线或导线连接到本发射单元中的两基带低通滤波器；
每个发射单元中的两基带低通滤波器通过同轴线或导线连接到本发射单元中的IQ调制发射器。
每个接收单元包括：一接收解调器和两ADC，其中，接收解调器连接到两ADC，且接收解调器具有天线；
每个接收单元中的接收解调器从天线接收到各IQ调制发射器发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，对基带I、Q信号进行低通滤波后，将基带I、Q信号分别输出到连接的两个ADC，两个ADC将输入的基带I信号或Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器进行处理；或者，
每个接收单元包括：一接收解调器、两个低通滤波器和两ADC，其中，接收解调器连接到两个低通滤波器，每个低通滤波器分别连接到一个ADC，且接收解调器具有天线；
每个接收单元中的接收解调器从天线接收到各IQ调制发射器发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，将基带I、Q信号分别输出到低通滤波器进行低通滤波，两个低通滤波器将低通滤波后的基带I、Q信号分别输出到各自连接的ADC，两个ADC将输入的基带I信号或Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器进行处理。
每个接收单元中的接收解调器通过同轴线或导线连接到本接收单元中的两ADC；
或者，，每个接收单元中的接收解调器通过同轴线或导线连接到本接收单元中的两低通滤波，每个低通滤波器分别通过同轴线或导线连接到一个ADC。
每个接收单元包括：一下变频混频器、一ADC和一IQ数字解调器，其中，下变频混频器连接到ADC，ADC连接到IQ数字解调器，且下变频混频器具有天线；
每个接收单元中的下变频混频器从天线接收到各IQ调制发射器发出的信号后，将信号的频率降低到ADC接受的频率上，将降低频率后的信号输出到ADC，ADC将输入信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，将中频数字信号输出到IQ数字解调器，IQ数字解调器采用QAM调制方式对应的解调方式从输入的一路中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器进行处理。
所述变频混频器通过同轴线或导线连接到本接收单元中的ADC，所述ADC和通过同轴线或导线连接到本接收单元中的IQ数字解调器。
一种MR信号接收方法，应用在如上所述的MR接收线圈装置中，该方法包括：
一发射单元中的线圈组接收到MR信号，将所述MR信号输出到连接的ADC组；
所述ADC组将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号后分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器；
所述两个基带低通滤波器分别对输入的数字信号进行低通滤波，将数字信号的频带限制在所使用频段支持的频带宽度以内，将低通滤波后得到的信号分别作为I、Q信号输出到IQ调制发射器；
所述IQ调制发射器采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上，将调制后的信号通过天线发射出去；
一接收单元接收到各IQ调制发射器发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，对基带I、Q信号进行低通滤波后再由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器进行处理；或者，接收到各IQ调制发射器发出的信号后，降低信号的频率，然后将信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，从中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器进行处理。
所述IQ调制发射器采用QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上包括：
IQ调制发射器采用正交相移键控QPSK或者偏移四相相移键控OQPSK方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上。
所述ADC组将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号之后进一步包括：
对数字信号进行滤波和混频、将数字信号的频率搬移到预设的低频率上，然后降低数字信号的采样率，再采用卷积码对数字信号进行前向纠错处理，将前向纠错处理后的数字信号分两路转换为模拟信号，将两路模拟信号分别输出到两个基带低通滤波器；
且，所述IQ调制发射器采用QAM方式将输入的信号调制到所使用频段的频率上包括：
IQ调制发射器采用QAM 16、或者QAM 64或者QAM 256方式将输入的信号调制到所使用频段的频率上。
所述将数字信号的频带限制在所使用频段支持的频带宽度以内包括：
将数字信号的频带限制在工业科学医学ISM频段支持的频带宽度以内；
所述所述IQ调制发射器采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上包括：
所述IQ调制发射器采用QAM方式将输入的I、Q信号调制到ISM频段的5.8GHz频率上。
一种MR系统，该系统包括如上任一所述的MR接收线圈装置。
本发明通过构造由多个发射单元和多个接收单元组成的MR无线接收线圈装置，且每个发射单元中包含由一个或多个线圈组成的线圈组，多个发射单元同时接收来自不同线圈的MR信号，通过信号处理后，再调制到同样的数字信号的载波频率上发射出去，而后用多个接收单元同时接收MR信号，提高了单位频带传输的磁共振信息量。
附图说明
图1为本发明实施例提供的MR无线接收线圈装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的MR无线接收线圈装置中的接收单元的结构示意图；
图3为本发明另一实施例提供的MR无线接收线圈装置中的接收单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的采用图1所示的MR无线接收线圈装置中的发射单元进行MR信号无线接收过程中的发射处理方法流程图；
图5为本发明实施例提供的采用图2所示的MR接收线圈装置中的接收单元进行MR信号接收过程中的接收处理方法流程图；
图6为本发明实施例提供的采用图3所示的MR接收线圈装置中的接收单元进行MR信号无线接收过程中的接收处理方法流程图；
图7为本发明另一实施例提供的MR无线接收线圈装置中的发射单元的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的6*6的MR无线接收线圈装置的模拟系统示意图；
图9为本发明实施例提供的6*12的MR无线接收线圈装置的模拟系统示意图；
图10为磁共振无线线圈采用不同调制方案所需的每比特能量的示意图。
其中，附图标记如下：
| 标号 | 含义 |
| 10 | MR无线接收线圈装置 |
| 11 | 发射单元 |
| 111 | 线圈组 |
| 1111 | 线圈 |
| 11111 | 失谐控制电路 |
| 11112 | 调谐电路 |
| 112 | 放大器组 |
| 113 | 发射单元中的ADC组 |
| 114 | 基带低通滤波器 |
| 115 | IQ调制发射器 |
| 1151 | IQ调制发射器的天线 |
| 116 | 低噪声放大器组 |
| 117 | 混频器组 |
| 118 | 数字信号处理器 |
| 12 | 接收单元 |
| 1211 | 接收解调器 |
| 12111 | 接收解调器的天线 |
| 1212 | 一实施例的接收单元中的ADC |
| 1221 | 下变频混频器 |
| 1222 | 另一实施例的接收单元中的ADC |
| 1223 | IQ数字解调器 |
| 13 | 信号处理器 |
| 401～405 | 步骤 |
| 501～502 | 步骤 |
| 601～603 | 步骤 |
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并据实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
如在本发明的说明书以及所附权利要求书中使用的单数形式的“一”以及“所述”也意图包括复数形式，除非本文内容明确地另行指定。
为了解决现有的MR无线局域线圈的缺陷，本发明实施例给出了如下解决方案：
图1为本发明实施例提供的MR无线接收线圈装置10的结构示意图，该装置位于MR系统中，该装置10包括：多个发射单元11和多个接收单元12，接收单元12的数目等于或大于发射单元11的数目；
每个发射单元11包括：一线圈组111、一放大器组112、一ADC组113、两个基带低通滤波器114和一IQ调制发射器115，其中：
1)线圈组111通过同轴线或导线连接到放大器组112；
当线圈组111与放大器组112之间距离较远如：大于2cm(厘米)时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接；
每个发射单元11的线圈组111包含一个或多个线圈1111，每个线圈组111包含的线圈1111的最大数目由可用带宽、调制方式以及与MR信号的带宽、采样率和采样精度确定；
可用带宽如：5.8GHz ISM频段的带宽。
每个放大器组112包含的放大器的数目与每个线圈组111包含的线圈1111的数目相同。
2)放大器组112通过同轴线或导线连接到ADC组113；
当放大器组112与ADC组113之间距离较远如：大于2cm时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接；
ADC组113包含的ADC的数目等于或小于放大器组112包含的放大器的数目。
3)ADC组113通过同轴线或导线连接到两个基带低通滤波器114；
当ADC组113与基带低通滤波器114之间距离较远如：大于2cm时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接；
4)两个基带低通滤波器114通过同轴线或导线连接到IQ调制发射器115，且IQ调制发射器115具有天线1151；
IQ调制发射器115内部集成或外置天线1151。
当基带低通滤波器114与IQ调制发射器115之间距离较远如：大于2cm时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接。
每个接收单元12的结构可以是如下两种中的一种：
第一种结构如图2所示，接收单元12包括：一接收解调器1211和两ADC 1212，其中：
1)接收解调器1211通过同轴线或导线连接到两ADC 1212，且接收解调器1211具有天线12111；
接收解调器1211内部集成或外置天线12111；
另外，接收解调器1211内置低通滤波器，或者，外接两低通滤波器后再与两ADC1212连接；
当接收解调器1211与ADC 1212之间距离较远如：大于2cm时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接。
2)两ADC 1212通过同轴线或导线连接到信号处理器13；
当ADC 1212与信号处理器13之间距离较远如：大于2cm时，采用同轴线连接；否则，采用导线如：铜线连接。
第二种结构如图3所示，接收单元12包括：一下变频混频器1221、一ADC1222和一IQ数字解调器1223，其中，下变频混频器1221连接到ADC 1222，ADC 1222连接到IQ数字解调器1223，IQ数字解调器1223连接到信号处理器13，且下变频混频器1221具有天线12211。
下变频混频器1221内部集成或外置天线12211。
图4为本发明实施例提供的采用图1所示的MR接收线圈装置中的发射单元进行MR信号无线接收过程中的发射处理方法流程图，其具体步骤如下：
步骤401：每个发射单元11中的多个线圈组111中的各个线圈1111同时进行MR信号的接收；每个发射单元11中的线圈组111中的各个线圈1111接收到MR信号，将MR信号输出到连接的放大器组112中的对应放大器。
步骤402：放大器组112中的每个放大器对输入的MR信号进行放大处理，将放大后的MR信号输出到连接的ADC组113中的对应ADC。
步骤403：ADC组113中的每个ADC将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器114。
步骤404：每个基带低通滤波器114对输入的数字信号进行低通滤波，将数字信号的频带限制在可用频段(如：5.8GHz ISM频段)支持的频带宽度以内(如5.8GHz ISM频段的±75MHz)，然后将低通滤波后得到的二路信号分别作为I、Q信号输出到IQ调制发射器115。
数字信号经基带低通滤波器114滤波后，由数字信号转换为抗干扰性更强的模拟信号。
步骤405：IQ调制发射器115采用QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制)方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率(如：ISM频段的5.8GHz频率)上，将调制后的信号通过天线1151发射出去。
较佳地，为了降低MR信号接收的实现复杂度，IQ调制发射器115可采用IQ QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)或者IQ OQPSK(Offset-QPSK，偏移四相相移键控)方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上。
图5为本发明实施例提供的采用图2所示的MR接收线圈装置中的接收单元进行MR信号无线接收过程中的接收处理方法流程图，其具体步骤如下：
步骤501：每个接收单元12中的接收解调器1211从天线12111接收到各IQ调制发射器115发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对接收到的信号进行解调，将其恢复为基带I、Q信号，对基带I、Q信号分别进行低通滤波后分别输出到连接的两个ADC 1212。
接收解调器1211会接收到所有发射单元11的IQ调制发射器115发出的信号，接收解调器1211将接收到的所有信号汇总在一起后，对信号进行解调，分离出来自各发射单元的基带I、Q信号。
步骤502：每个接收单元中的两个ADC 1212分别将各自输入的基带I信号或Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器13。
信号处理器13对所有ADC 1212输入的数字基带I、Q信号进行处理，得到MR图像。
图6为本发明实施例提供的采用图3所示的MR接收线圈装置中的接收单元进行MR信号无线接收过程中的接收处理方法流程图，其具体步骤如下：
步骤601：每个接收单元12中的下变频混频器1221从天线12211接收到各IQ调制发射器115发出的信号后，将信号的频率降低到ADC 1222接受的频率上，将降低频率后信号输出到ADC 1222。
步骤602：ADC1222将输入信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，将中频数字信号输出到IQ数字解调器1223。
步骤603：IQ数字解调器1223采用QAM调制方式对应的解调方式从输入的一路中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器13进行处理。
信号处理器13对所有IQ数字解调器1223输入的数字基带I、Q信号进行处理，得到MR图像。
需要说明的是，在实际应用中，为了提高MR信号的传输质量，可对图1所示的发射单元11进行如图7所示的改进，具体表现在：
一)在线圈组111内的每个线圈1111上串联失谐控制电路11111以及匹配的调谐电路11112；
失谐电路11111，用于使得线圈1111处于失谐状态。
由于MR扫描过程主要包括射频信号的发射和接收两个步骤，接收线圈在发射状态必须处于失谐状态，防止接收线圈在发射阶段对其它部件产生干扰，失谐控制电路11111完成这一功能。
调谐电路11112：用于匹配线圈1111的阻抗和谐振频率。
二)每个调谐电路11112之后连接低噪声放大器组116中的一个放大器和混频器组117中的一个混频器，然后混频器组117中的每个混频器分别连接到放大器组112中的一个放大器，其中：
调谐电路11112通过同轴线或导线连接到本发射单元11中的低噪声放大器组116中的对应低噪声放大器；
低噪声放大器组116中的每个低噪声放大器通过同轴线或导线连接到本发射单元11中的混频器组117中的对应混频器；
混频器组117中的每个混频器通过同轴线或导线连接到本发射单元11中的放大器组112中的对应放大器。
低噪声放大器组116中的每个低噪声放大器，用于对调谐电路11112输入的MR信号进行低噪声放大处理后输出到混频器组117中的对应混频器；
混频器组117中的每个混频器，用于对低噪声放大器组116中的低噪声放大器输出的MR信号进行混频处理、将MR信号的频率搬移到预设的另一频率上，将混频处理后的MR信号输出到放大器组112中的对应放大器。
将MR信号的频率搬移到另外一个频率的目的是，便于下一步的AD转换以及预防多级放大引起的自振荡。
三)在ADC组113与两个基带低通滤波器114之间连接一个数字信号处理器118，或者在ADC组113内内置一个数字信号处理器118；
数字信号处理器118，用于对ADC组113通过AD转换后得到的数字信号进行滤波和混频、将数字信号的频率搬移到预设的低频率上，然后降低数字信号的采样率，再采用卷积码对数字信号进行前向纠错处理，将前向纠错处理后的数字信号分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器114。
为了保证AD转换的质量，在进行AD转换后，通过混频器组117将MR信号的频率搬移到另一频率上了，所以导致MR信号的数据量很大，在AD转换后，为了降低数据量，对MR信号先进行滤波+混频，将MR信号的频率搬移到一个低频率上，然后降低采样率，最终达到降低数据量的目的。
前向纠错处理可以降低MR信号传输的误码率，以及对调制的准备。根据无线线圈的要求，可以用卷积码进行前向纠错的编码，对应地，接收解调器1211采用相应的Viterbi解码方式进行解码，当然也可以使用其他纠错编码及解码方式。
另外，当IQ调制发射器115采用高阶调制方式如：QAM 16或QAM 64或QAM 256时，此时需要在数字信号处理器118与两基带低通滤波器114之间连接两个DAC，用于将数字信号处理器118输出的两路数字信号分别转换为模拟信号后输出到两个基带低通滤波器114。
本发明实施例中，IQ调制发射器115采用的QAM调制方式如：QAM4(QPSK)、QAM16、QAM64、QAM256，随着调制阶数的增加，调制复杂度增加了。为了降低复杂度，本发明实施例中，较佳地采用QPSK或者OQPSK调制方式。因为使用QPSK或类似的简单的调制方式，不需要使用DAC，相应的数字信号处理的计算量也会减少，从而减少了体积和功耗。
本发明实施例中，每个线圈组包含的线圈数目主要由可用带宽、调制方式以及MR信号的带宽、MR信号的采样率和采样精度确定，还可考虑前向纠错的比率、基带低通滤波器114的过渡(roll-off)带宽百分比等。
例如：当采用QPSK或OQPSK调制方式时，设MR信号的最大带宽是1MHz，所需的采样率最小为2MSPS，设采样精度采用20bit，则每个通道的信号的数据量为40Mbit/s，设前向纠错的比率为8：10，则每个通道的数据量为50Mbit/s；5.8GHz ISM频段的带宽为150Mbit/s，设基带低通滤波器114采用20％的roll-off百分比，则可利用的带宽是150/1.2＝125MHz，采用QPSK调制可以调制成的数据量为125*2＝250Mbit/s，则在5.8GHz ISM频段上可以传输250Mbit/s/50Mbit/s＝5个通道的信号。考虑到设计冗余，最终可以考虑4～5个线圈组成一个线圈组。
MR接收线圈装置10中包含的发射单元11的数N＝需要达到的总数据传输速率/每个发射单元11的最大数据传输速率。例如：设MR信号数据率为125Msps，基带低通滤波器114的过渡(roll-off)带宽百分比为20％，则每个发射单元11的最大数据传输速率为250Mbit/s，若需要达到m Gbit/s的总数据传输速率，则需要使用的发射单元11的数目N为：N＝mGbit/s/250Mbit/s。例如：若需要达到1.5Gbit/s的总数据传输速率，则需要使用的发射单元11的数目N为：N＝1.5Gbit/s/250Mbit/s＝6个。
为了能够准确重建所有发射单元11的MR信号，接收单元12的数目要等于或大于发射单元11的数目。
与其他频段相比，5.8GHzISM频段具有如下优势：
1、5.8GHzISM频段支持短距离(0.5米)数据传输，且无方向天线可接受天线自由空间衰减。而在60GHz频段时，无线线圈的衰减已经太高了。
2、5.8GHz ISM频段的波长为5.2cm时，衍射仍然有效地绕开障碍物。而60GHz频段几乎需要直线传输。在5.8GHz ISM频段下，衣服和塑料罩的吸收率不如60GHz频段时高，MRI无线线圈可接受。
3、5.8GHz ISM频段的带宽为150MHz，能够满足MRI无线线圈的带宽要求。而在低频(例如2.4GHz)时，根据射频调节要求，可用带宽太小，不满足MRI无线线圈的要求。
根据以上分析，本发明实施例中，MR无线局域线圈优先采用5.8GHz ISM频段。
上述实施例中，通过构造由多个发射单元和多个接收单元组成的MR接收线圈装置，且每个发射单元中包含由一个或多个线圈组成的线圈组，多个发射单元同时接收和发射MR信号，多个接收单元同时接收经过调制后的MR信号，提高了单位频带传输的磁共振信息量，实现了高速率的数据传输，且可以通过增加发射单元的数目，灵活地扩展MR系统支持的接收通道数；
另外，通过发射单元采用QPSK调制方式将MR信号调制到ISM频段的5.8GHz频率上，简化了线圈设计，降低了MR接收线圈装置的制造和应用复杂度。
需要指出的是，本发明实施例提供的MR接收线圈装置由于采用了多个发射单元，则多个发射单元中的IQ调制发射器同时发射信号相互之间会产生干扰，从而造成功率或信噪比损失。
为了计算本发明实施例提供的MR接收线圈装置的功率或信噪比损失，本发明实施例提供了一种模拟MR接收系统，以便通过该系统来模拟本发明实施例提供的MR接收线圈装置的实际工作过程，以便计算该MR接收线圈装置在实际工作中产生的功率或信噪比损失。
在该模拟MR接收系统中，根据人体的生物质量，用一定材料的矩形立方体模拟患者身体，其中，N个发射单元11位于患者身体下方，Q(Q≥N)个接收单元12位于患者身体上方。根据该系统，可模拟计算出MR接收线圈装置在实际工作中产生的功率或信噪比损失。若计算出最坏情况下MR接收线圈装置的功率或信噪比损失为xdB，则需要将每个发射单元11中的IQ调制发射器115的发射功率增加xdB，以达到与单个发射/接收天线相同的信噪比或误码率性能。
图8为6*6的MR接收线圈装置的模拟系统示意图，其中，发射单元11的数目为6个，接收单元12的数目也为6个，采用该模拟系统对6*6的MR接收线圈装置进行模拟，得到在最坏情况下，该MR接收线圈装置的信噪比损失是8.2dB，这意味着，在最坏情况下需要将每个IQ调制发射器115的发射功率增加约8.2dB，以达到与单个发射/接收天线相同的信噪比或误码率性能。考虑到需要6个发射机而不是1个发射机，1.5Gbit/s的总发射功率需要比250Mbit/s高8.2dB+10*log10(6)＝16dB，即40倍。
在实际应用中，可通过使用更多的接收单元12来降低IQ调制发射器115的发射功率。图9为6*12的MR接收线圈装置的模拟系统示意图，该MR接收线圈装置采用6个发射单元和12个接收单元。接收单元增加后，IQ调制发射器115所需的发射功率可以大大降低。与采用6*6的MR接收线圈装置相比，根据仿真结果，6*12的MR接收线圈装置可使发射功率需求降低12dB。
本发明实施例具有以下优点：
一、通过构造由多个发射单元和多个接收单元组成的MR无线接收线圈装置，且每个发射单元中包含由一个或多个线圈组成的线圈组，多个发射单元同时接收和发射MR信号，多个接收单元同时接收MR信号，提高了单位频带传输的磁共振信息量。
二、由于在5.8GHz ISM频段下，衣服、塑料罩或病人身体仍然可以穿透，这对于无线线圈的应用非常重要，因此本发明实施例优先采用5.8GHz ISM频段，同时，通过采用多个发射频率相同的发射单元，降低了制造和应用的难度。
三、每个发射单元中的线圈组由多个线圈组成，发射单元无需在线圈外壳相互连接，大大简化了线圈设计，并将诸如MR频率下的共模电流等不必要的副作用降至最低。
四、每个发射单元可以独立运行，无需进行数据聚集或公共时间同步，可以根据所需要的MR接收通道数，选择对应数量的发射单元，即，通过提供更多的MR接收通道，MR系统支持的线圈的最大数量可以很容易地扩大。
五、使用最简单的调制方案：QPSK调制，与高阶QAM调制方案相比，不需要使用DAC或FPGA，这对于无线线圈的实现非常重要，在无线线圈中，空间和功耗起着非常重要的作用；另外，简单的调制方案对系统性能(如相位的稳定性或非线性)的要求也降低了。由于QPSK，尤其是OQPSK的幅度变化较小，因此可以使用简单有效的发射放大器。
图10给出了磁共振无线线圈采用不同调制方案所需的每比特能量的示意图。其中，横坐标为EbNo(单位比特的能量)，纵坐标为BER(比特误码率)，曲线61对应QAM 4即QPSK或者OQPSK，62对应QAM16，63对应QAM 64，64对应QAM 256，将QPSK即4-QAM(每个符号2bit)的调制增加到256-QAM(每个符号8bit，1Gbit/s)，相邻符号之间的汉明距离减少了7倍。为了保持误码率，传输功率需要增加(8-1)2＝49倍或17dB，这相当于每bit 11dB的能量增加。对于4096-QAM，它提供12bit/符号，要达到与本发明实施例中的采用QPSK调制的6*6的MR接收线圈装置相同的1.5Gbit/s的吞吐量，理论上需要(64-1)2＝3969倍(36dB)的功率，这是本发明实施例中的采用QPSK调制的6*6的MR接收线圈装置的功率要求的100倍。
对于高阶QAM调制，需要较大的线性动态范围，从而需要更多的电池功耗。另一方面，所有四个QPSK符号都具有相同的量级，输出功率的变化只由带宽受限的符号跳变引起。众所周知，在不影响带宽或数据速率的情况下，I和Q位时钟(OQPSK调制)之间的半符号时间偏移可以减轻符号跳变。
六、与使用Wi-Fi标准802.11ac和802.11ax(使用QAM256～QAM1024的5.2～5.8GHzWi-Fi)或802.11ad(使用60GHz Wi-Fi)的无线线圈相比，简单的QPSK调制不需要协议处理，因此无需FPGA或DSP支持即可轻松实现。
七、采用模拟的90度相移的I、Q通道采样的OQPSK调制以及解调，也可降低对IQ调制发射器的性能要求。
本发明实施例还提供一种MR系统，该系统包括如上所述的MR接收线圈装置。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。
Claims (19)
1.磁共振MR接收线圈装置(10)，位于磁共振系统中，其特征在于，该装置包括多个发射单元(11)，
每个发射单元(11)包括：一线圈组(111)、一模数转换器ADC组(113)、两个基带低通滤波器(114)和一IQ调制发射器(115)，其中，每个线圈组(111)包含一个或多个线圈(1111)，每个ADC组(113)包含的ADC的数目等于或小于每个线圈组(111)包含的线圈(1111)的数目，线圈组(111)连接到ADC组(113)、ADC组(113)连接到两个基带低通滤波器(114)、两个基带低通滤波器(114)连接到IQ调制发射器(115)，且IQ调制发射器(115)具有天线(1151)；
每个发射单元(11)中的线圈组(111)接收到MR信号，将所述MR信号输出到连接的ADC组(113)，ADC组(113)将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号后分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器(114)，两个基带低通滤波器(114)对输入的数字信号进行低通滤波，将信号的频带限制在所使用用频段支持的频带宽度以内，将低通滤波后得到的二路信号分别作为I、Q信号输出到IQ调制发射器(115)，IQ调制发射器(115)采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上，将调制后的信号通过天线(1151)发射出去。
2.根据权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，所述磁共振MR接收线圈装置(10)还包括多个接收单元(12)，且所述接收单元(12)的数目等于或大于所述发射单元(11)的数目；
每个接收单元(12)接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，将基带I、Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器(13)进行处理；或者，接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，降低信号的频率，然后将信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，从中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器(13)进行处理。
3.根据权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，每个发射单元(11)中的线圈组(111)通过放大器组(112)连接到ADC组(113)，
且每个发射单元(11)中的线圈组(111)接收到MR信号，将所述MR信号先输出到连接的放大器组(112)，放大器组(112)对输入的MR信号进行放大后，将放大的MR信号输出到连接的ADC组(113)。
4.根据权利要求3所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，所述线圈(1111)串联有失谐控制电路(11111)和调谐电路(11112)，
所述发射单元(11)的线圈组(111)与放大器组(112)之间连接有低噪声放大器组(116)和混频器组(117)，
所述线圈组(111)中的每个线圈(1111)的调谐电路(11112)分别连接到低噪声放大器组(116)中的一个低噪声放大器，低噪声放大器组(116)中的每个低噪声放大器分别连接到混频器组(117)中的一个混频器，混频器组(117)中的每个混频器分别连接到放大器组(112)中的一个放大器；
所述低噪声放大器组(116)对线圈组(111)输出的MR信号进行低噪声放大处理，然后将低噪声放大处理后的MR信号输出到混频器组(117)；
混频器组(117)对低噪声放大器组(116)输出的MR信号进行混频处理、将MR信号的频率搬移到预设的另一频率上，将混频处理后的MR信号输出到放大器组(112)。
5.根据权利要求4所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，
所述调谐电路(11112)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的低噪声放大器组(116)中的对应低噪声放大器；
所述低噪声放大器组(116)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的混频器组(117)；
所述混频器组(117)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的放大器组(112)。
6.根据权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，所述发射单元(11)进一步包括：一数字信号处理器(118)，所述数字信号处理器(118)连接在ADC组(113)与两基带低通滤波器(114)之间，或者内置于ADC组(113)内；
数字信号处理器(118)用于对ADC组(113)通过AD转换后得到的数字信号进行滤波和混频、将数字信号的频率搬移到预设的低频率上，然后降低数字信号的采样率，再采用卷积码对数字信号进行前向纠错处理，将前向纠错处理后的数字信号分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器(114)。
7.根据权利要求6所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，所述IQ调制发射器(115)采用QAM 16或QAM 64或QAM 256方式将输入的信号的中心频率调制到所使用频段的频率上；
所述数字信号处理器(118)通过两个DAC与两基带低通滤波器(114)连接，所述两个DAC用于分别将数字信号处理器(118)输出的两路数字信号转换为模拟信号后输出到两个基带低通滤波器(114)。
8.根据权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，
每个发射单元(11)中的线圈组(111)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的ADC组(113)；
每个发射单元(11)中的ADC组(113)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的两基带低通滤波器(114)；
每个发射单元(11)中的两基带低通滤波器(114)通过同轴线或导线连接到本发射单元(11)中的IQ调制发射器(115)。
9.根据权利要求2所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，每个接收单元(12)包括：一接收解调器(1211)和两ADC(1212)，其中，接收解调器(1211)连接到两ADC(1212)，且接收解调器(1211)具有天线(12111)；
每个接收单元(12)中的接收解调器(1211)从天线(12111)接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，对基带I、Q信号进行低通滤波后，将基带I、Q信号分别输出到连接的两个ADC(1212)，两个ADC(1212)将输入的基带I信号或Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器(13)进行处理；或者，
每个接收单元(12)包括：一接收解调器、两个低通滤波器和两ADC，其中，接收解调器连接到两个低通滤波器，每个低通滤波器分别连接到一个ADC，且接收解调器具有天线；
每个接收单元(12)中的接收解调器从天线接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，将基带I、Q信号分别输出到低通滤波器进行低通滤波，两个低通滤波器将低通滤波后的基带I、Q信号分别输出到各自连接的ADC，两个ADC将输入的基带I信号或Q信号由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器(13)进行处理。
10.根据权利要求9所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，每个接收单元(12)中的接收解调器(1211)通过同轴线或导线连接到本接收单元(12)中的两ADC(1212)；
或者，每个接收单元(12)中的接收解调器通过同轴线或导线连接到本接收单元(12)中的两低通滤波，每个低通滤波器分别通过同轴线或导线连接到一个ADC。
11.根据权利要求2所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，每个接收单元(12)包括：一下变频混频器(1221)、一ADC(1222)和一IQ数字解调器(1223)，其中，下变频混频器(1221)连接到ADC(1222)，ADC(1222)连接到IQ数字解调器(1223)，且下变频混频器(1221)具有天线(12211)；
每个接收单元(12)中的下变频混频器(1221)从天线(12211)接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，将信号的频率降低到ADC(1222)接受的频率上，将降低频率后的信号输出到ADC(1222)，ADC(1222)将输入信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，将中频数字信号输出到IQ数字解调器(1223)，IQ数字解调器(1223)采用QAM调制方式对应的解调方式从输入的一路中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器(13)进行处理。
12.根据权利要求11所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，所述变频混频器(1221)通过同轴线或导线连接到本接收单元(12)中的ADC(1222)，所述ADC(1222)和通过同轴线或导线连接到本接收单元(12)中的IQ数字解调器(1223)。
13.根据权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)，其特征在于，
每个线圈组(111)包含的线圈(1111)的最大数目由可用带宽、调制方式以及MR信号的带宽、采样率和采样精度确定。
14.一种MR信号接收方法，应用在如权利要求1所述的MR接收线圈装置(10)中，该方法包括：
一发射单元(11)中的线圈组(111)接收到MR信号，将所述MR信号输出到连接的ADC组(113)；
所述ADC组(113)将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号后分两路分别输出到连接的两个基带低通滤波器(114)；
所述两个基带低通滤波器(114)分别对输入的数字信号进行低通滤波，将数字信号的频带限制在所使用频段支持的频带宽度以内，将低通滤波后得到的信号分别作为I、Q信号输出到IQ调制发射器(115)；
所述IQ调制发射器(115)采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上，将调制后的信号通过天线(1151)发射出去。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，一接收单元(12)接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，采用QAM调制方式对应的解调方式对信号进行解调，恢复为基带I、Q信号，对基带I、Q信号进行低通滤波后再由模拟信号转换为数字信号，将转换后得到的数字信号输出到信号处理器(13)进行处理；或者，接收到各IQ调制发射器(115)发出的信号后，降低信号的频率，然后将信号由模拟信号转换为一路中频数字信号，从中频数字信号中解调出基带I、Q信号，将数字基带I、Q信号输出到信号处理器(13)进行处理。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述IQ调制发射器(115)采用QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上包括：
IQ调制发射器(115)采用正交相移键控QPSK或者偏移四相相移键控OQPSK方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述ADC组(113)将输入的MR信号由模拟信号转换为数字信号之后进一步包括：
对数字信号进行滤波和混频、将数字信号的频率搬移到预设的低频率上，然后降低数字信号的采样率，再采用卷积码对数字信号进行前向纠错处理，将前向纠错处理后的数字信号分两路转换为模拟信号，将两路模拟信号分别输出到两个基带低通滤波器(114)；
且，所述IQ调制发射器(115)采用QAM方式将输入的信号调制到所使用频段的频率上包括：
IQ调制发射器(115)采用QAM 16、或者QAM 64或者QAM 256方式将输入的信号调制到所使用频段的频率上。
18.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述将数字信号的频带限制在所使用频段支持的频带宽度以内包括：
将数字信号的频带限制在工业科学医学ISM频段支持的频带宽度以内；
所述所述IQ调制发射器(115)采用正交振幅调制QAM方式将输入的I、Q信号调制到所使用频段的频率上包括：
所述IQ调制发射器(115)采用QAM方式将输入的I、Q信号调制到ISM频段的5.8GHz频率上。
19.一种MR系统，其特征在于，该系统包括如权利要求1至13任一所述的MR接收线圈装置(10)。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant |