磁共振成像设备的射频接收单元及提高其动态范围的方法
【专利摘要】本发明提供了一种磁共振成像设备的射频接收单元及提高其动态范围的方法。该射频接收单元包括第一模数转换器、第二模数转换器、控制单元和数据选择单元。第一模数转换器用以对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信号。第二模数转换器用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信号。控制单元提供一维度选择信息。数据选择单元根据该维度选择信息选择性地处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号。本发明不仅可以提升动态范围，而且极大降低对模数转换器的指标，尤其对采样精度的要求，降低模数转换器的成本。
【专利说明】
磁共振成像设备的射频接收单元及提高其动态范围的方法
技术领域
[0001 ] 本发明主要涉及磁共振成像中的信号处理，尤其涉及磁共振成像设备的射频接收单元，以及提高射频接收单元的动态范围的方法。【背景技术】
[0002]磁共振成像(MRI，Magnetic Resonance Imaging)是核磁共振的重要应用领域，如今磁共振成像设备已成为医学临床诊断和基础科学研究的主要工具之一。磁共振成像仪的基本原理是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经计算机处理获得图像。
[0003]磁共振成像设备中，射频系统是实施射频激励并接收和处理射频信号的功能单元。射频系统包括射频发射单元和射频接收单元。射频发射单元在时序控制器的作用下， 产生各种符合序列要求的射频脉冲。射频接收单元在时序控制器的作用下，接收人体产生的磁共振信号。射频接收单元进一步将微弱磁共振信号进行放大、解调、滤波和数字化等处理，最终得到K空间的数据，用于提供给图像重建软件。
[0004]目前磁共振成像设备的应用，除了常规的断层扫描即二维(2D)成像之外，还有三维(3D)成像。3D成像是体激发，2D成像是片层激发，因此3D成像采集到的原始信号比2D 成像大很多，折算成信号功率差异一般为30dB左右。射频接收系统为了适应3D成像的大信号，需要满足极大的动态范围，更需要选择高速、高精度的模数转换器(ADC)。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种磁共振成像设备的射频接收单元及提高其动态范围的方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁共振成像设备的射频接收单元，包括第一模数转换器、第二模数转换器、控制单元和数据选择单元。第一模数转换器用以对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信号。第二模数转换器用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信号。控制单元提供一维度选择信息。数据选择单元根据该维度选择信息选择性地处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号。
[0007]可选地，当维度选择信息指示为二维成像时，该数据选择单元仅处理该第一磁共振数字信号，当维度选择信息指示为三维成像时，该数据选择单元处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号之一。
[0008]可选地，当维度选择信息指示为三维成像时，该第一模数转换器还输出溢出指示信号，且当该溢出指示信号未指示溢出时，该数据选择单元处理该第一磁共振数字信号，当该溢出指示信号指示溢出时，该数据选择单元处理该第二磁共振数字信号。
[0009]可选地，射频接收单元还包括分量程增益单元，依据接收的磁共振模拟信号分别输出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中该第一磁共振模拟信号是该磁共振模拟信号经过放大获得，该第二磁共振模拟信号是该磁共振模拟信号经过衰减获得。
[0010]可选地，数据选择单元还放大该第二磁共振数字信号以补偿该第二磁共振模拟信号相对于该第一磁共振模拟信号的衰减。
[0011]可选地，射频接收单元还包括配置单元，对该分量程增益单元配置放大倍数和衰减倍数。
[0012]可选地，射频接收单元包括多个通道，每个通道包括该第一模数转换器、该第二模数转换器、该控制单元以及该数据选择单元。
[0013]本发明另提出一种提高磁共振成像设备的射频接收单元的动态范围的方法，包括以下步骤:使用第一模数转换器对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信号；使用第二模数转换器用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信号；提供一维度选择信息；以及根据该维度选择信息选择性地处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号。
[0014]可选地，当维度选择信息指示为二维成像时，仅处理该第一磁共振数字信号，当维度选择信息指示为三维成像时，处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号之〇
[0015]可选地，当维度选择信息指示为三维成像时，还使用该第一模数转换器输出溢出指示信号，且当该溢出指示信号未指示溢出时，处理该第一磁共振数字信号，当该溢出指示信号指示溢出时，处理该第二磁共振数字信号。
[0016]可选地，上述方法还包括依据接收的磁共振模拟信号分别输出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中将该磁共振模拟信号放大获得该第一磁共振模拟信号，将该磁共振模拟信号衰减获得该第二磁共振模拟信号。
[0017]可选地，处理该第二磁共振数字信号时还放大该第二磁共振数字信号以补偿该第二磁共振模拟信号相对于该第一磁共振模拟信号的衰减。
[0018]可选地，上述方法还包括配置对该磁共振模拟信号放大的倍数和衰减的倍数。
[0019]与现有技术相比，本发明不仅可以提升动态范围，而且极大降低对模数转换器的指标，尤其对采样精度的要求，降低模数转换器的成本。【附图说明】
[0020]图1示出磁共振接收信号的示例幅度波形。
[0021]图2示出本发明第一实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。
[0022]图3示出本发明第一实施例的分量程增益单元的电路图。
[0023]图4示出本发明第二实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。
[0024]图5示出本发明第三实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。
[0025]图6示出本发明第一实施例的方法流程图。【具体实施方式】
[0026]为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0027]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0028]本发明的实施例描述提高磁共振成像设备的射频接收单元的动态范围的技术。
[0029]在频谱仪的通用领域，测量恒定输入幅度信号(无论大信号或小信号)时会尽量调整到满量程测量，此时对应到模数转换器(ADC)的模拟输入的满量程范围。若对于大信号，用低动态范围(低采样精度/采样位数(bit)较低)的ADC无论如何都达不到高采样精度ADC的效果。
[0030]通过磁共振接收信号这一特殊领域进行分析，发现情况有所不同。对图1示出磁共振接收信号的示例幅度波形，由该波形类似于Sine波。由图1可见信号幅度的K空间分布是稀疏的，即该信号的特点是中间信号大、两边弱。弱信号没有利用到ADC的全部位宽。 以16位(bit)的ADC来说，可能只用到了不到12位。同时中间信号很窄，占据每行数据时间轴仅约4%。
[0031]对于磁共振3D成像，采集到的3D数据每个维度只有约4%的大信号区域。据此可作一个简单的估算:一个1〇〇*1〇〇*1〇〇的3维点阵中，3D数据只占据了 4*4*4个点，即仅为总点数的0.0064%。
[0032]因此对于磁共振成像的数据采集通路，绝大多数的情形都是2D扫描，而用同一通路处理时有将近30dB的ADC动态范围永远闲置。本发明的实施例通过利用这一 30dB的 ADC动态范围来提高磁共振成像设备的射频接收单元的动态范围。
[0033]第一实施例
[0034]图2示出本发明第一实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。参考图 2所示，本实施例的射频接收单元20包括射频接收线圈21、低噪声放大器22、分量程增益单元23、第一模数转换器24、第二模数转换器25、数据选择单元26、配置单元27、以及控制单元28。射频接收线圈21可以感应微弱的磁共振信号，将其转换为提供给低噪声放大器 (LNA) 22的射频电信号。射频电信号经过低噪声放大器22等一系列处理之后，输入磁共振模拟信号到分量程增益单元23中。为简化起见，本实施例不示出及描述低噪声放大器22 与分量程增益单元23之间的部件。
[0035]分量程增益单元23负责依据接收的磁共振模拟信号分别输出第一磁共振模拟信号和第二磁共振模拟信号。第一磁共振模拟信号可用于获得2D成像信号或者动态范围较小时的3D成像信号。第二磁共振模拟信号可用于获得动态范围较大时的3D成像信号。也就是说，第一磁共振模拟信号适用于较小的第一量程，而第二磁共振模拟信号适用于较大的第二量程。为了满足量程要求，磁共振模拟信号可经过适当的增益处理来获得第一磁共振模拟信号和第二磁共振模拟信号。通常而言，第一磁共振模拟信号是由磁共振模拟信号经过放大获得。这一路信号用来获得动态范围较小的磁共振模拟信号，例如2D成像信号或者动态范围较小时的3D成像信号。另外，第二磁共振模拟信号是由磁共振模拟信号经过衰减获得。这一路信号用来获得动态范围较大的磁共振模拟信号，例如动态范围较大时的3D 成像信号。
[0036]图3示出本发明第一实施例的分量程增益模块的电路图。参考图3所示，分量程增益单元23的示例性结构包括功分器31、放大器32和衰减器33。功分器31将信号分成两路，一路在放大器32进行放大，一路在衰减器33进行衰减。
[0037]第一模数转换器24用以对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信号。类似地，第二模数转换器25用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信号。由于第一磁共振模拟信号在进入第一模数转换器24之前进行了放大， 因而其可以适应第一模数转换器24的满量程，使其不至于过小。对于信号动态范围较小的 2D成像，以及采集到小信号的3D成像来说，可以经过放大后进入第一模数转换器24。在3D 成像时，信号幅度会比较大，因而其经过衰减以适应第二模数转换器25的满量程，使其不至于溢出。
[0038]数据选择单元26连接在第一模数转换器24和第二模数转换器25的输出端，根据一维度选择信息选择性地处理第一磁共振数字信号和第二磁共振数字信号。具体地说，当维度选择信息指示为2D成像时，数据选择单元26仅处理第一磁共振数字信号；当维度选择信息指示为3D成像时，数据选择单元26处理第一磁共振数字信号和第二磁共振数字信号之一。
[0039]承上述，当3D成像信号幅度较小时，数据选择单元26可选择处理第一磁共振数字信号，当3D成像信号幅度较大时，数据选择单元26可选择处理第二磁共振数字信号。可以通过对3D成像信号幅度的判断来决定如何选择信号。举例来说，在3D成像时如果信号幅度比较大，此时需要在分量程增益单元23中配置额外的过压保护电路34,这样经过第一模数转换器24的信号可能会溢出。可以在第一模数转换器24上设置溢出指示信号0VR以指示其上是否发生溢出。当溢出指示信号0VR未指示溢出时，数据选择单元26处理第一磁共振数字信号，当该溢出指示信号0VR指示溢出时，数据选择单元26处理第二磁共振数字信号。
[0040]为了从分别经过放大和衰减不同增益处理的两路信号正确地恢复信号幅度，可对增益处理进行补偿。例如，数据选择单元26可在数字域放大第二磁共振数字信号以补偿第二磁共振模拟信号相对于第一磁共振模拟信号的衰减。假设分量程增益单元23的放大倍数为A，衰减倍数为D，则这里第二磁共振数字信号的放大倍数为A*D。
[0041]控制单元28可提供上述的维度选择信息。控制单元28可以根据序列控制单元30 的2D/3D成像选择信息来产生维度选择信息。
[0042]本实施例在提升动态范围上的效果是显而易见的:30dB的差异对应5位的ADC位数。假如本实施例用2个12位的ADC，则它们有7位重合，总共有17位的动态范围，高于 16位的ADC的采样精度，进而理论上提升了 ADC动态范围达到6dB (bit位每提高1位，对应动态范围提高6dB)，同时12位的ADC成本远远低于16位的ADC。
[0043]需要指出的是，那么3D数据中有0.0064%的数据只用到了 12位的动态范围，相当于损失了5位的动态范围。据此估算信噪比的损失:
[0044]10*lg(1+0.0064% *(2~5_1)) =0? 0086dB，
[0045]这一损失可以忽略不计，但却换取了 6dB的系统动态范围。
[0046]第二实施例
[0047]若磁共振成像设备中的动态范围需求有了变化，比如有了更高的需求，则固定放大器和衰减器可以分别用可变增益放大器和可调衰减器来代替。此时可以根据不同的系统灵活地通过序列进行配置。图4示出本发明第二实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。参考图4所示，分量程增益单元23中的放大器32是可变增益放大器，而衰减器 33是可调衰减器。本实施例的配置单元27能够通过控制总线对分量程增益单元23配置放大倍数和衰减倍数。本实施例的其他内容与第一实施例相似，在此不再展开描述。
[0048]第三实施例
[0049]图5示出本发明第三实施例的磁共振成像设备的射频接收单元的结构图。与第一和第二实施例的单通道射频接收单元不同，本实施例的射频接收单元30包含n个通道 30_1，30_2，…，30_n。每个通道都可包括射频接收线圈21、低噪声放大器22、分量程增益单元23、第一模数转换器24、第二模数转换器25、数据选择单元26、配置单元27、以及控制单元28。
[0050]本实施例中各个通道的内容与第一实施例或第二实施例相似，在此不再展开描述。
[0051]图6示出本发明第一实施例的方法流程图。参考图6所示，本实施例的提高磁共振成像设备的射频接收单元的动态范围的方法，包括以下步骤:
[0052]在步骤61，使用第一模数转换器对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信号；
[0053]在步骤62,使用第二模数转换器用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信号；
[0054]在步骤63,提供一维度选择信息；
[0055]在步骤64,根据维度选择信息选择性地处理第一磁共振数字信号和第二磁共振数字信号。
[0056]本实施例的方法可在图2、图4和图5的任一射频接收单元中实施，也可在其他射频接收单元中实施。
[0057]在步骤64中，当维度选择信息指示为二维成像时，仅处理第一磁共振数字信号， 当维度选择信息指示为三维成像时，处理第一磁共振数字信号和第二磁共振数字信号之〇
[0058]在步骤64中，当维度选择信息指示为三维成像时，还使用该第一模数转换器输出溢出指示信号，且当该溢出指示信号未指示溢出时，处理该第一磁共振数字信号，当该溢出指示信号指示溢出时，处理该第二磁共振数字信号。
[0059]可选地，在步骤61前还包括:依据接收的磁共振模拟信号分别输出第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中将磁共振模拟信号放大获得第一磁共振模拟信号， 将磁共振模拟信号衰减获得第二磁共振模拟信号。相应地，在步骤64处理第二磁共振数字信号时还放大第二磁共振数字信号以补偿第二磁共振模拟信号相对于第一磁共振模拟信号的衰减。较佳地，可以配置磁共振模拟信号放大的倍数和衰减的倍数以适应更好的动态范围。
[0060]本发明的上述各实施例，相比现有技术具有以下优点:
[0061]1)提升动态范围。
[0062]2)极大降低对ADC指标，尤其对采样精度的要求，降低ADC成本。
[0063]3)在可变放大和可变衰减的配合下，可以适应更高的提升动态范围。
[0064]4)不论2D或3D成像模式，都要保证在各自情况下的最大信号传输到ADC模拟输入接近ADC满量程，充分利用ADC动态范围。[〇〇65] 虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种磁共振成像设备的射频接收单元，包括:第一模数转换器，用以对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信 号；第二模数转换器，用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字信 号；控制单元，提供一维度选择信息；以及数据选择单元，根据该维度选择信息选择性地处理该第一磁共振数字信号和该第二磁 共振数字信号。2.如权利要求1所述的射频接收单元，其特征在于，当维度选择信息指示为二维成像 时，该数据选择单元仅处理该第一磁共振数字信号，当维度选择信息指示为三维成像时，该 数据选择单元处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号之一。3.如权利要求2所述的射频接收单元，其特征在于，当维度选择信息指示为三维成像 时，该第一模数转换器还输出溢出指示信号，且当该溢出指示信号未指示溢出时，该数据选 择单元处理该第一磁共振数字信号，当该溢出指示信号指示溢出时，该数据选择单元处理 该第二磁共振数字信号。4.如权利要求1所述的射频接收单元，其特征在于还包括分量程增益单元，依据接收 的磁共振模拟信号分别输出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中该第一 磁共振模拟信号是该磁共振模拟信号经过放大获得，该第二磁共振模拟信号是该磁共振模 拟信号经过衰减获得。5.如权利要求3所述的射频接收单元，其特征在于还包括分量程增益单元，依据接收 的磁共振模拟信号分别输出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中该第一 磁共振模拟信号是该磁共振模拟信号经过放大获得，该第二磁共振模拟信号是该磁共振模 拟信号经过衰减获得。6.如权利要求5所述的射频接收单元，其特征在于，该数据选择单元还放大该第二磁 共振数字信号以补偿该第二磁共振模拟信号相对于该第一磁共振模拟信号的衰减。7.如权利要求4或5所述的射频接收单元，其特征在于，还包括配置单元，对该分量程 增益单元配置放大倍数和衰减倍数。8.如权利要求1所述的射频接收单元，其特征在于，包括多个通道，每个通道包括该第 一模数转换器、该第二模数转换器、该控制单元以及该数据选择单元。9.一种提高磁共振成像设备的射频接收单元的动态范围的方法，包括以下步骤:使用第一模数转换器对第一磁共振模拟信号进行模数转换，输出第一磁共振数字信 号；使用第二模数转换器用以对第二磁共振模拟信号进行模数转换，输出第二磁共振数字 信号；提供一维度选择信息；以及根据该维度选择信息选择性地处理该第一磁共振数字信号和该第二磁共振数字信号。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，当维度选择信息指示为二维成像时，仅处 理该第一磁共振数字信号，当维度选择信息指示为三维成像时，处理该第一磁共振数字信 号和该第二磁共振数字信号之一。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当维度选择信息指示为三维成像时，还使 用该第一模数转换器输出溢出指示信号，且当该溢出指示信号未指示溢出时，处理该第一 磁共振数字信号，当该溢出指示信号指示溢出时，处理该第二磁共振数字信号。12.如权利要求9所述的方法，其特征在于还包括:依据接收的磁共振模拟信号分别输 出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中将该磁共振模拟信号放大获得该 第一磁共振模拟信号，将该磁共振模拟信号衰减获得该第二磁共振模拟信号。13.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括:依据接收的磁共振模拟信号分别 输出该第一磁共振模拟信号和该第二磁共振模拟信号，其中将该磁共振模拟信号放大获得 该第一磁共振模拟信号，将该磁共振模拟信号衰减获得该第二磁共振模拟信号。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，处理该第二磁共振数字信号时还放大该 第二磁共振数字信号以补偿该第二磁共振模拟信号相对于该第一磁共振模拟信号的衰减。15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括配置对该磁共振模拟信号放 大的倍数和衰减的倍数。
【文档编号】G01R33/36GK105988095SQ201510063875
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】关晓磊, 谢强
【申请人】上海联影医疗科技有限公司