专利名称：一种提高核磁共振信噪比的方法
技术领域：
本发明涉及核磁共振技术领域，尤其是一种通过提高核磁共振接收机的 性能来改善核磁共振信号的信噪比的方法。
背景技术：
核磁共振技术己经成为科学研究和医学临床诊断中非常有用的手段。要 获得高质量的图像和谱图，提高核磁共振信号的信噪比是非常关键的。通常， 在核磁共振系统中， 一个完整的接收系统包括射频接收线圈、前置放大器和 接收机，如图1所示。在接收系统中，信号经过每一级，都会有这一级产生 的噪声加入。接收线圈和前置放大器位于接收系统的最前端，其噪声特性对 核磁共振信号的信噪比影响十分显著。因此，在通常情况下，提高接收系统 噪声特性的措施主要是针对接收线圈和前置放大器的。事实上，经过前置放 大器放大的核磁共振信号仍然是比较微弱的。随着核磁共振技术的进步，新 的实验技术(如高分辨成像)对核磁共振仪器接收系统的性能提出了更高的 要求，而位于前置放大器之后的接收机逐渐成为提高接收系统噪声特性的瓶 颈。此外，在一些常规应用中，由于样品本身的特性(如样品中不同待测组 分的含量相差较大)，接收机的噪声特性对谱图质量影响也比较大。
接收机的噪声主要有如下三种第一，模拟噪声。尽管射频接收线圈感 应出的核磁共振信号经过前置放大器的放大，但是其幅度仍无法达到模数转 换的要求，仍然需要在接收机中首先进行电压放大。此外，接收机中的这一 级放大器需要根据被测样品所产生的核磁共振信号的大小进行增益设置。这 些模拟放大器和增益控制模拟电路均不可避免地会产生模拟噪声。第二，数 模噪声。在接收机上传输的信号包括数字信号和模拟信号。接收机自身的数字信号及其硬件工作平台(如工业控制计算机)上的数字信号，会通过电源 耦合与空间耦合等方式，对接收机上的模拟信号造成干扰，从而降低核磁共 振信号的信噪比。这种由数字电路产生的噪声耦合到接收机模拟电路中的噪 声称为数模噪声。第三，模数转换器(ADC)的量化噪声。核磁共振信号需 要进行采集，以便在计算机里进行数据处理。而完成对核磁共振信号的采集
需要采用ADC。任何ADC器件均存在量化噪声，其大小取决于ADC的数 字分辨率。在高场核磁共振系统中，或者在进行三维高分辨核磁共振成像扫 描时，进入接收机的信号具有很高的信噪比。这时，量化噪声通常成为影响 信噪比的主要因素。
为了降低接收机板上的模拟和数模噪声，除了选用低噪声模拟器件之外， 在电路设计中要采取严格的措施，包括对模拟电源进行滤波，为模拟器件加 射频屏蔽罩等。虽然这些措施在一定程度上提高了接收机的噪声特性，但是 增加了电路设计的复杂性和制作成本。
为了降低接收机的量化噪声， 一般可以选用更高位数的ADC器件。另 外，过采样(Over-Sampling)技术也是降低量化噪声的有效方法。但是， 这些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的有效位数得到很大提高，然而，仍然无法满足核磁共振实验日益增长 的要求。
核磁共振信号可以分为两大类，自由衰减信号和回波信号。其中，自由
衰减信号的特点是信号的幅度按照负e指数变化，逐渐变小；回波信号的
特点是在回波中心信号幅度最大(峰点)，从中心向两侧信号幅度按照负e
指数变化。
为了得到正确的核磁共振图像或者谱图，核磁共振信号每一个采样点在接收系统中被放大的倍数必须是相同的。因此，在现有技术中，在一次采样 过程中，接收机的增益是固定的。其接收机的增益设定为在核磁共振信号 的最大值不溢出的前提下，可用增益范围中的最大值Go。如果接收机的增益 比Gc3大，信号中幅度较大的一部分信号将不能被正常采集(溢出)。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种提高核磁共振信噪比的 方法，该方法降低了接收机噪声在接收系统噪声中所占的比例，从而达到提 高核磁共振信噪比的目的。
本发明的目的是这样实现的
一种提高核磁共振信噪比的方法，它包括以下具体步骤
a) 将增益控制电路设于接收机前级。
b) 启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益；包括
i、 在幅度上，接收机增益波形与核磁共振信号的变化规律相反，艮P: 核磁共振信号中较小的值对应于该波形中较大的值，核磁共振信号中较大的 值对应于该波形中较小的值；
ii、 增益波形中的最小值作为标准增益，记作Go;
iii、 将增益波形保存到接收机板上或者计算机上，并将增益波形指针指 向波形中的第一个值。
c) 在采样过程中，按照设定的增益波形，动态改变接收机的增益；包括:
i、 当接收机收到一个采样触发信号，增益波形指针当前所指向的值被 设置为接收机的增益；
ii、 增益波形指针指向下一个值；
设采样点数为n，接收机将收到n个采样触发信号，该步骤中的i和ii重复n次；其中，第n次时，ii中的"下一个值"是空值。
d)采样结束后，按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标 准增益下所对应的值；包括-
i、 接收机采集到n个数据Aj，每一个数据Aj所对应的增益值记作Gj， 计算Gj与标准增益Go的比值gj，即gj二G/Go，其中〗=1,2,……n;
ii、 接收机采集到的每一个数据Aj除以对应的gj，得到标准增益下所对 应的数据3j，即3j二A/gj，其中〗=1，2, n。
图1为核磁共振仪器中接收系统的结构示意图 图2为本发明接收机原理图 图3为本发明采样结束后数据处理的流程图
具体实施例方式
本发明在一次采样过程中，接收机的增益是动态改变的。 启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益。增益波形上的一个增 益值对应于核磁共振信号的一个采样点。增益波形上每一个增益值设定为 在与该增益值对应的核磁共振信号采样点的值不溢出的前提下，可用增益范 围中的最大值；即在幅度上，接收机增益波形与核磁共振信号的变化规律 相反，采用较大的增益采集信号中的较小的值，采用较小的增益采集信号中 较大的值；核磁共振信号的最大值对应于增益波形中最小的增益值，该增益 值作为标准增益。
本发明中增益波形中的最小值，即标准增益，与现有技术所采用的固定 增益值相等，均为核磁共振信号的最大值不溢出的前提下，可用增益范围中 的最大值Go参阅图2，本发明在一次采样过程中，接收机的增益是按照设定的增益
波形动态改变的。设接收机的输入信号为Sj，噪声为Nj。其中Nj包括了来自
样品、接收线圈和前置放大器的噪声。接收机的第一级是低噪声可变增益放
大器(VGA)，设VGA的等效输出噪声为NVGA。设接收机上VGA之后各级(包 括ADC等)所产生的噪声为NADc。采集到的信号为(SjXGj)，噪声为(NjxGj) + (NVGA+NADC)。
参阅图3，在本发明中，数据Aj是在不同增益下采集到的。为了得到正 确的图像或者谱图，需要得到标准增益下所对应的数据3j。首先计算每一个 数据所对应的增益值与标准增益的比值gj = G/G0。然后将采集到的数据Aj 除以对应的比值，得到标准增益下的数据aj。其中，标准增益下的信号为S'j =(SjXGj)Xgj = (SjXGo)，噪声为N'j = (N,Gj)Xgj + (NVGA+NADC)xgj = (NjxG0) + (NVGA + NADC)/gj。
以下通过实施例对本发明作进一步阐述。 实施例1
当核磁共振信号为自由衰减信号时，本发明包括以下步骤
a) 将增益控制电路设于接收机前级；
b) 启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益；
c) 在采样过程中，按照设定的增益波形，动态改变接收机增益；
d) 采样结束后，按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标 准增益下所对应的值。
其中-
所述"设定接收机增益波形和标准增益"的过程包括以下步骤
i、在幅度上，接收机增益波形与自由衰减信号的变化规律相反；由于自由衰减信号的幅度按照负e指数变化，因此接收机增益波形按照正e指数 变化；
ii、 增益波形中的第一个增益值作为标准增益Go;
iii、 将增益波形保存到接收机板上或者计算机上，并将增益波形指针指 向波形中的第一个值。
所述"按照设定的增益波形，动态改变接收机增益"的过程包括以下步
骤
i 、当接收机收到一个采样触发信号，增益波形指针当前所指向的值被 用来设置接收机的增益；
ii、增益波形指针指向下一个值。
设采样点数为n，接收机将收到n个采样触发信号，步骤i和ii重复n 次。其中，第n次时，步骤ii中的"下一个值"是空值。
所述"按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标准增益下所 对应的值"的过程包括以下步骤
i 、接收机采集到n个数据Aj，每一个数据Aj所对应的增益值为Gi。 计算Gj与标准增益Go的比值gj，即g,G/Go，其中〗=1，2，……n;
ii、接收机采集到的每一个数据Aj除以对应的gj，得到标准增益下所对 应的数据3j，即3j二Aj/gj，其中j4,2，……n。 实施例2
当核磁共振信号为回波信号时，本发明包括以下步骤-
a) 将增益控制电路设于接收机前级；
b) 启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益；
c) 在采样过程中，按照设定的增益波形，动态改变接收机增益；d)采样结束后，按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标
准增益下所对应的值。
其中
所述的"设定接收机增益波形和标准增益"的过程包括以下步骤
i 、在幅度上，接收机增益波形与回波信号的变化规律相反。回波信号 具有如下特点在回波中心，信号幅度最大(峰点)；从中心向两侧，信号幅 度按照负e指数变化。因此，接收机增益波形具有如下特点在回波中心， 增益最小；从回波中心向回波两侧，增益按照正e指数变化；
ii 、回波信号的峰点所对应的增益值作为标准增益Go;
iii、将增益波形保存到接收机板上或者计算机上，并将增益波形指针指 向波形中的第一个值。
所述"按照设定的增益波形，动态改变接收机增益"的过程包括以下步
骤
i、 当接收机收到一个采样触发信号，增益波形指针当前所指向的值被 用来设置接收机的增益；
ii、 增益波形指针指向下一个值。
设采样点数为n，接收机将收到n个采样触发信号，上述步骤i和ii重 复n次。其中，第n次时，步骤ii中的"下一个值"是空值。
所述"按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标准增益下所 对应的值"的过程包括以下步骤
i 、接收机采集到n个数据Aj，每一个数据Aj所对应的增益值为Gi。 计算Gj与标准增益Go的比值gj，即g,G/Go，其中j",2,……n;
ii、接收机采集到的每一个数据Aj除以对应的gj，得到 准增益下所对应的数据3j。即3j-A/gj，其中j-1,2,……n。
比较本发明和现有技术采集到的数据，其中信号(SjXGo)是相等的，来 自样品、接收线圈和前置放大器的噪声(NjxGo)也是相等的。采用现有技术，
来自接收机的噪声为(NvoA+NADC);而采用本发明，由于Go是增益波形中最
小的增益值，所以g产G/Go^1 (Gj中只有一个值等于Go，对应的比值等于
1，其他的比值均大于1)，可以将来自接收机的噪声降低为(NvGA+NADC)/gj。
与现有技术相比，在信号相等的情况下，本发明降低了来自接收机的噪声， 提高了核磁共振信噪比。
权利要求
1、一种提高核磁共振信噪比的方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤a)将增益控制电路设于接收机前级；b)启动采样之前，设定接收机增益波形和标准增益；包括i、在幅度上，接收机增益波形与核磁共振信号的变化规律相反，即核磁共振信号中较小的值对应于该波形中较大的值，核磁共振信号中较大的值对应于该波形中较小的值；ii、增益波形中的最小值作为标准增益，记作G0；iii、将增益波形保存到接收机板上或者计算机上，并将增益波形指针指向波形中的第一个值；c)在采样过程中，按照设定的增益波形，动态改变接收机的增益；包括i、当接收机收到一个采样触发信号，增益波形指针当前所指向的值被设置为接收机的增益；ii、增益波形指针指向下一个值；d)采样结束后，按照设定的增益波形，计算采集到的数据记作Aj在标准增益下所对应的值；包括i、接收机采集到n个数据Aj，每一个数据Aj所对应的增益值记作Gi，计算Gj与标准增益G0的比值gj，即gj＝Gj/G0，其中j＝1，2，……n；ii、接收机采集到的每一个数据Aj除以对应的gj，得到标准增益下所对应的数据aj，即aj＝Aj/gj，其中j＝1，2，……n。
全文摘要
本发明公开了一种提高核磁共振信噪比的方法，该方法包括将增益控制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。本发明与现有技术相比，在信号相等的情况下，降低了来自接收机的噪声，提高了核磁共振信噪比。
文档编号G01R33/32GK101625402SQ200910055700
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月31日 优先权日2009年7月31日
发明者宁瑞鹏, 李鲠颖, 光 杨 申请人:华东师范大学