CN104515961A - 一种磁共振成像***的模式矩阵处理器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁共振成像***的模式矩阵处理器。所述模式矩阵处理器包括一输入单元、一输出单元、一运算单元和一控制单元，其中，所述输入单元用于接收多个数字磁共振信号，所述运算单元用于对所述多个数字磁共振回波信号进行线形组合运算得出至少一个数字模式信号，所述输出单元用于发送所述至少一个数字模式信号，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述运算单元进行所述线形组合运算。根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器，在不同的***间具有良好的移植性。根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器可以改善线圈在不同***间的可兼容性。

Description

一种磁共振成像***的模式矩阵处理器

技术领域

本发明涉及磁共振成像***，特别涉及包括磁共振成像***的模式矩阵处理器。

背景技术

磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。在磁共振成像中，人体组织被置于静磁场B₀中，随后用频率与氢原子核的进动频率相同的射频脉冲激发人体组织内的氢原子核，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，由体外的接收器收录，经计算机处理后获得图像。

图1是现有技术的磁共振成像***的模块示意图。如图1所示，现有技术的磁共振成像***包括扫描床插座、接收线圈通道选择器、模拟接收机、数字接收机以及图像数据处理器。其中，接收线圈用于接收磁共振回波信号，进入线圈单元的磁共振回波信号的初始相位为该磁共振回波信号的空间相位。线圈单元接收的磁共振信号经过接收线圈，传输到扫描床插座。扫描床插座接收到的磁共振回波信号，经过***电缆传输到接收线圈通道选择器。接收线圈通道选择器接收到的磁共振回波信号，经过通道映射传输到模拟接收机。模拟接收机对接收到的磁共振回波信号进行模数转换，并且将模数转换所得到第一数字信号传输给数字接收机。数字接收机将所接收到的第一数字信号转换至零频段，由此得到图像处理的原始数据。图像数据处理器通过一定的傅里叶变换及后处理工作，形成MRI图像。

德国专利公开文件DE200310313004公开一种模式矩阵处理器，其中包括通过硬件方式实现移相器、功分器和合成器，这是目前普遍使用的技术。图2是现有技术的多个线圈单元的磁共振成像***的模块示意图。如图2所示，在现有技术的磁共振成像***中，当磁共振成像***接收多个线圈单元关于同一区域的磁共振回波信号时，根据特定相位关系，模式矩阵处理器(Mode-Matrix)直接对来自空间位置上有相连关系的多个线圈单元的N个磁共振回波信号进行处理，并输出同样数量的模式信号。模式矩阵的概念在于从输入的信号产生线性组合，在数学上可以将线性组合用矩阵来描述，线性组合的结果相应地称为“模式”。在输出的模式信号中，第一模式信号(CP模式信号)包含了图像的大部分信息，提供了图像中心区域的最大信噪比；其他高阶模式信号(LR模式信号、ACP模式信号等)则进一步改善图像周边区域的信噪比。在接收机接收通道不足的情况下，可以仅向磁共振成像***提供第一模式信号(CP模式信号)，即仅以损失少量整体图像信噪比为代价丢弃高阶模式(LR模式信号、ACP模式信号等)。

在现有技术的磁共振成像***中，模式矩阵处理器通过硬件的方式实现，其中包括移相器、功分器和合成器。同时，如图2所示，在现有技术的磁共振成像***中，模式矩阵处理器直接处理来自多个线圈单元的磁共振回波信号并向磁共振成像***。

在现有技术的磁共振成像***中，模式矩阵处理器的处理过程是一个复数运算，其处理的对象是来自多个线圈单元的磁共振回波信号的空间相位。具体而言，模式矩阵处理器包括N个输入信号，和至少一个输出信号，通常N的取值是2或者3，例如N=3的模式矩阵处理器可以(但不仅限于)表述如下，其中，L、R、M分别表示3个并排的左、右、中线圈单元接收到的磁共振回波信号，第一模式信号(CP模式信号)、第二模式信号(LR模式信号)、第三模式信号(ACP模式信号)分别代表了模式矩阵处理器输出的第一模式及两个高阶模式，模式处理矩阵处理器通常仅输出第一模式信号(CP模式信号)：

$\mathrm{CP}=\frac{(L-R)}{2}+\frac{j*M}{\sqrt{2}}$

$\mathrm{LR}=\frac{(L+R)}{\sqrt{2}}$

$\mathrm{ACP}=\frac{(L-R)}{2}-\frac{j*M}{\sqrt{2}}$

其中，功分器进行减法运算，合成器进行加法运算，移相器进行复数运算。

现有技术中存在多种第一模式信号和高阶模式信号的计算方式，同时输入信号的数量和模式信号数量也存在多种组合。

电子技术及磁共振技术的发展，使得高速采样链路的成本下降并且线圈通道数提高，因此磁共振成像***接受磁共振回波信号的线圈单元越来越多。在现有技术的磁共振成像***中模式矩阵处理器在不同***间的不易移植性，但运用模式矩阵处理器将多个线圈单元对N个磁共振回波信号进行综合，依然是图像处理上的一个重要方式。

发明内容

为了在保持模式矩阵处理方式的前提下，保留模式矩阵对接收线圈的多个线圈单元的磁共振回波信号的综合功能，本发明的具体实施例提出一种磁共振成像***的模式矩阵处理器，所述模式矩阵处理器包括一输入单元、一输出单元、一运算单元和一控制单元，其中，所述输入单元用于接收多个数字磁共振信号，所述运算单元用于对所述多个数字磁共振回波信号进行线形组合运算得出至少一个数字模式信号，所述输出单元用于发送所述至少一个数字模式信号，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述运算单元进行所述线形组合运算。

所述运算单元包括一合成模块、一功分模块和一移相模块，所述合成模块用于进行线形组合运算中的加法运算，所述功分模块用于进行线形组合运算中的减法运算，所述移相模块用于进行线形组合运算中的相位运算，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述合成模块、功分模块和移相模块进行所述线形组合运算。

所述模式矩阵处理器由一可编程器件实现。

所述可编程器件是FPGA。

所述模式矩阵处理器还包括一存储器，所述存储器用于存储磁共振信号传输过程中产生的相位差，所述控制单元控制所述移相模块利用所述存储器存储的所述相位差进行移相运算。

所述模式矩阵处理器还包括一检测单元，所述检测单元用于检测所述数字磁共振信号的数量。

所述输入单元还用于接收所述数字磁共振信号的数量。

所述控制器控制所述输出单元输出所述至少一个数字模式信号中的一个或多个。

本发明的具体实施例提出一种磁共振成像***，包括如权利要求1-8任一所述的模式矩阵处理器。

所述模式矩阵处理器连接在磁共振成像***的模拟接收机和数字接收机之间；或，所述模式矩阵处理器连接在磁共振成像***的数字接收机之后。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器，在不同的***间具有良好的移植性。根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器可以改善线圈在不同***间的可兼容性。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1是现有技术的磁共振成像***的模块示意图。

图2是现有技术的多个线圈单元的磁共振成像***的模块示意图。

图3是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模块示意图。

图4是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的第一校准工具的电路示意图。

图5是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的第二校准工具的电路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图3是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模块示意图。如图3所示，根据本发明的具体实施例的磁共振成像***包括扫描床插座、接收线圈通道选择器、模拟接收机、模式矩阵处理器、数字接收机以及图像数据处理器。具体而言，接收线圈用于接收来自多个线圈单元的N个磁共振回波信号，进入多个线圈单元的N个磁共振回波信号的初始相位为所述磁共振回波信号的空间相位；线圈单元接收的磁共振信号经过接收线圈，从扫描床插座传输到磁共振成像***内部；扫描床插座接收到的磁共振回波信号，经过***电缆传输到接收线圈通道选择器；接收线圈通道选择器接收到的磁共振回波信号，经过通道映射传输到模拟接收机；模拟接收机对接收到的N个磁共振回波信号进行第一次采样并进行模数转换，经模数转换的第一次采样结果传输给模式矩阵处理器；模式矩阵处理器，将N个并传输置数字接收机；数字接收机对接收到的模式信号进行第二次采样，得到图像处理的原始数据。图像数据处理器通过一定的傅里叶变换及后处理工作，形成MRI图像。

根据本发明的具体实施例的一种磁共振成像***的模式矩阵处理器，所述模式矩阵处理器包括一输入单元、一输出单元、一运算单元和一控制单元，其中，所述输入单元用于接收多个数字磁共振信号，所述运算单元用于对所述多个数字磁共振回波信号进行线形组合运算得出至少一个数字模式信号，所述输出单元用于发送所述至少一个数字模式信号，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述运算单元进行所述线形组合运算。

如图3所示，根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器，当磁共振成像***接收多个线圈单元关于同一区域的磁共振回波信号时，根据特定相位关系，模式矩阵处理器(Mode-Matrix)直接对来自空间位置上有相连关系的多个线圈单元的N个磁共振回波信号进行处理，并输出至少一个模式信号。

具体而言，模式的概念描述了与MR设备的一个或多个天线有关的、作为空间函数的在天线场中的灵敏度分布。本地天线的灵敏度分布决定了在拍摄区域的信嗓比。相应地，对于一个模式的灵敏度分布也同样如此，该灵敏度分布例如也与对线性组合起到贡献的本地天线的拍摄区域有关。

每个模式有一个相应的模拟输出信号，该信号可以作为MR回波信号被进一步处理为MR照片。“MR回波信号的线性组合”的概念包括构成多个MR回波信号的和，其中，每个MR回波信号可以在该和中被相移以及被加权。这样，两个信号和的180度相移例如对应于该两个信号的差信号。在线性组合的极端情况下，可以对除一个信号外的所有信号在线性组合中使用权零，使得产生的模式对应于MR回波信号，必要时还对该信号进行相移。在正常情况下，至少对两个MR回波信号相互线性运算。

在输出的模式信号中，初级(第一)模式信号(CP模式信号)相应于多个线圈单元对磁共振成像***的一检测空间中的一目标区域的最优的一第一灵敏度分布，因此初级模式信号包含了该目标区域的图像的大部分信息，提供了图像中心区域的最大信噪比；其他高阶(次级)模式信号(LR模式信号、ACP模式信号等)则进一步改善图像周边区域的信噪比。在接收机接收通道不足的情况下，可以仅向磁共振成像***提供初级(第一)模式信号(CP模式信号)，即仅以损失少量整体图像信噪比为代价丢弃次级(高阶)模式(LR模式信号、ACP模式信号等)。

初级模式的构成优选地与本地天线的灵敏度相比以改善的、即优化的灵敏度实现。初级模式可以被理解为一种基本模式，其可以被处理为MR照片，其自身与各从单独的MR信号获得的MR照片相比表示出改善。这种改善尤其发生在检测空间的某一目标区域，在该目标区域中，提高了例如信嗓比等的图像质量，其中，灵敏度例如对圆极化的核自旋信号得到优化。

相反，次级模式的构成优选是这样实现的，以保持由于本地天线相对检测空间的不同空间设直而存在的空间信息。相应地，次级模式也具有灵敏度分布，其在MR回波信号的相位编码方向上与第一种不同。例如，次级模式的信嗓比在第一目标区域以外的区域提高。相位编码方向例如在使用初级模式和次级模式进行PAT时，与本地天线排列的方向重合。

用于构成模式方法的第一个优点在于，从本地天线的MR回波信号构成一个初级模式，该初级模式在第一目标区域具有提高的灵敏度。作为第二个优点，还附加地得到一个第二模式(次级模式)，该模式包含补充信息并可以与初级模式组合例如用于PAT。

用于构成模式方法的另一个优点在于，在将模式处理为MR照片时，一方面可以仅由一个输入通道接收灵敏度优化的MR照片，但另一方面还有其它的输入通道可供使用，可以将其它的模式、例如次级模式引入到成像中。这使得可以例如利用初级模式和次级模式进行PAT。优点还在于，在使用至少两个本地天线的条件下，可以将所有MR回波信号的信息内容重新分配到初级和次级模式上。其中，形成仔忖口在分层设置中表示空间编码场函数的模式。该再分自己可以例如针对一个单个模式的灵敏度分布或者针对用于PAT的两个模式进行。在优选的情况下，将一定数目的MR信号再分配到相同数目的模式上可以传递所有的信息。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器的运算单元用于对所述多个数字磁共振回波信号进行线形组合运算得出至少一个数字模式信号，所述输出单元用于发送所述至少一个数字模式信号，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述运算单元进行所述线形组合运算。

具体而言，根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器的处理过程是一个线形组合运算，其处理的对象是来自多个线圈单元的磁共振回波信号。具体而言，模式矩阵处理器包括N个输入信号，N个输出信号，通常N的取值是2或者3，例如N=3的模式矩阵处理器可以表述如下，其中，其中，L、R、M分别表示3个并排的左、右、中模拟接收机接收到的数字化的磁共振回波信号，第一(初级)模式信号(CP模式信号)、第二模式信号(LR模式信号)、第三模式信号(ACP模式信号)分别代表了模式矩阵处理器输出的初级(第一)模式及两个次级(高阶)模式，其中，模式处理矩阵处理器通常仅输出初级(第一)模式信号(CP模式信号)：

$\mathrm{CP}=\frac{(L-R)}{2}+\frac{j*M}{\sqrt{2}}$

$\mathrm{LR}=\frac{(L+R)}{\sqrt{2}}$

$\mathrm{ACP}=\frac{(L-R)}{2}-\frac{j*M}{\sqrt{2}}$

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器通过可编程器件完成上述模式信号的计算，例如，FPGA、PAL、GAL、CPLD等。

所述运算单元包括一合成模块、一功分模块和一移相模块，所述合成模块用于进行线形组合运算中的加法运算，所述功分模块用于进行线形组合运算中的减法运算，所述移相模块用于进行线形组合运算中的相位运算，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述合成模块、功分模块和移相模块进行所述线形组合运算。根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器中，针对不同数量的数字磁共振回波信号，存在多种初级(第一)模式信号和次级(高阶)模式信号的计算方式，同时输出的模式信号数量也存在多种组合。因此，所述运算单元包括多种不同的运算模块进行线形组合运算。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的所述模式矩阵处理器还包括一检测单元，所述检测单元用于检测所述数字磁共振信号的数量。或者根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的所述输入单元还用于接收所述数字磁共振信号的数量。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器还包括一存储器，所述存储器用于存储磁共振信号传输过程中产生的相位差，所述控制单元控制所述移相模块利用所述存储器存储的所述相位差进行移相运算。

同时，如图3所示，根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器处理来自模拟接收机的经模数转换的第一次采样结果，即模数转换结果。因此，由于多个线圈单元从接收到磁共振回波信号到完成模拟接收机采样的相位延时不同，需要对这个不同的相位差(延时)进行校准，上述磁共振回波信号经过接收线圈和磁共振成像***，所以上述相位差(延时)可以分成：1)线圈相位差(外部延时)，即磁共振回波信号经过接收线圈产生的相位差，和2)***相位差(内部延时)，即磁共振回波信号经过磁共振成像***产生的相位差。为了校准上述相位差，根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器存储有线圈相位差和***相位差。可以预先测量所述线圈相位差和***相位差，然后将所述测量值存储在根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器；同时，周期性重新测量并更新上述测量值以保证其准确性。

存在多种方式对线圈相位差和***相位差进行测量，图4是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的第一校准工具的电路示意图。图5是根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的第二校准工具的电路示意图。如图4所示，第一校准工具用于测量线圈相位差，所述第一校准工具与磁共振成像***联用；如图5所示，第二校准工具用于测量***相位差，所述第二校准工具与接收线圈联用，校准工具一和校准工具二可以联用。

具体而言，如图4所示，第一校准工具包括模拟接收线圈的一下变频电路，使用时，通过控制开关矩阵对接收通道进行选通。将第一校准工具和磁共振成像***联用，从而通过矢量网络分析仪测量获得第一校准工具的相位差和***相位差之和(第一相位差之和)。

如图5所示，第二校准工具包括与接收线圈的下变频电路相反的一上变频电路。食使用时，将第二校准工具和接收线圈联用，从而通过矢量网络分析仪测量获得第二校准校准工具的相位差和接收线圈相位差之和(第二相位差之和)。

随后，将第一校准工具和第二校准工具联用，即可获得通过矢量网络分析仪测量第一校准工具和第二校准工具的相位差之和(第三相位差之和)。

最后，线圈相位差和***相位差之和=第一相位差之和+第二相位差之和-第三相位差之和。将该线圈相位差和***相位差之和存储在根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器中。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器，可以在不改动磁共振成像***的硬件组成及已有接收线圈设计的基础上，用外部校准的方式实现模式矩阵处理，因此在不同的***间具有良好的移植性。相邻线圈单元的模式信号的生成是以数字处理的方式完成，无需硬件移相器和合成器。同一个接收线圈可以配合不同的校准参数及不同的合成模式在不同的***上使用，并灵活调整所需要合成的线圈单元。根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器可以改善线圈在不同***间的可兼容性。

根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器连接于磁共振成像***的模拟接收机的后端以及数字接收机的前端，也可以将根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器连接于数字接收机的后端，从而接收来自于数字接收机的N个数字磁共振回波信号并向图像数字处理器发送至少一个数字模式信号。但是由于根据本发明的具体实施例的磁共振成像***的模式矩阵处理器连接于磁共振成像***的模拟接收机的后端以及数字接收机的前端，如果从模式矩阵处理器中仅输出第一模式信号的话，那么仅需要一根数据线输出该第一模式信号，因此相对于模式矩阵处理器连接于数字接收机的后端可以简化***结构、节省***布线。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁共振成像***的模式矩阵处理器，所述模式矩阵处理器包括一输入单元、一输出单元、一运算单元和一控制单元，其中，所述输入单元用于接收多个数字磁共振信号，所述运算单元用于对所述多个数字磁共振回波信号进行线形组合运算得出至少一个数字模式信号，所述输出单元用于发送所述数字模式信号，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述运算单元进行所述线形组合运算。

2.如权利要求1所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述运算单元包括一合成模块、一功分模块和一移相模块，所述合成模块用于进行线形组合运算中的加法运算，所述功分模块用于进行线形组合运算中的减法运算，所述移相模块用于进行线形组合运算中的相位运算，所述控制单元根据所述数字磁共振信号的数量控制所述合成模块、功分模块和移相模块进行相应的所述线形组合运算。

3.如权利要求1所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述模式矩阵处理器由一可编程器件实现。

4.如权利要求4所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述可编程器件是FPGA。

5.如权利要求2所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述模式矩阵处理器还包括一存储器，所述存储器用于存储磁共振信号传输过程中产生的相位差，所述控制单元控制所述移相模块利用所述存储器存储的所述相位差进行移相运算。

6.如权利要求1所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述模式矩阵处理器还包括一检测单元，所述检测单元用于检测所述数字磁共振信号的数量。

7.如权利要求1所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述输入单元还用于接收所述数字磁共振信号的数量。

8.如权利要求1所述的模式矩阵处理器，其特征在于，所述控制器控制所述输出单元输出所述数字模式信号中的一个或多个。

9.一种磁共振成像***，包括如权利要求1-8任一所述的模式矩阵处理器。

10.如权利要求9所述的磁共振成像***，其特征在于，所述模式矩阵处理器连接在磁共振成像***的模拟接收机和数字接收机之间；或，所述模式矩阵处理器连接在磁共振成像***的数字接收机之后。