CN104730478A - 正交频分复用的磁共振相控阵接收方法 - Google Patents

Abstract

一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，包括如下步骤：将相控阵射频线圈采集到的磁共振信号先进行放大，放大后的各路信号利用正交频分复用(OFDM)技术采用模拟乘法器分别调制成频率相互正交的子载波，将调制好的频率相互正交子载波通过射频复用器复合成单路信号，然后采用单路数模转换器进行信号采样；采样过后的信号直接应用多载波数字下变频器DDC解调还原，其解调过程依次为：频率变换、二阶重采样级联积分梳妆滤波(Rcic2)、五阶级联积分梳妆滤波(Rcic5)和RAM系数抽取滤波(RCF)。

Description

正交频分复用的磁共振相控阵接收方法

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术，具体的讲是涉及一种OFDM多通道接收方法、装置的磁共振成像技术。

背景技术

近年来，相控阵技术在磁共振成像(MRI)领域的实现和发展对磁共振成像仪接收技术提出了更高的要求，相控阵和并行成像线圈的使用要求接收装置同时采集所有通道的信号。最通用的方法就是对原单路接收机进行复制。如有64通道，就需要64个接收机。很显然，在通道数目较多的情况下，这种接收装置的结构复杂，体积笨重，价格昂贵。所以，需要优化多通道接收装置的结构以满足相控阵线圈数目的快速增加。而应用频分复用技术(FDM)，即把各路信号调制到不同频段，只用了一个模数转换器(ADC)采样后调节，显然，这种多载波数字调制技术将带宽分成多个子信道，ADC的动态范围成为通道数目的平均，近年，提出了F_TDM技术，虽然在一定程度上提高了接收通道的数目，但各子载波间的保护间隔，频率的利用率不高，在相控阵线圈数目的快速增加的现状下，F_TDM技术也暴露出了其局限性。

发明内容

本发明的目的是：针对上述现有的技术的不足之处，提供一种磁共振相控阵接收方法，该方法采用的是正交频分复用技术，从根本上解决了现有技术存在的问题，满足了磁共振成像***对多通道接收的要求。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，其特征在于该方法采用一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置可调放大器、混频器、射频复用器、高速数模转换器和多载波数字下变频器DDC；

其中，相控阵接收方法包括如下步骤：

前置可调放大器将相控阵射频线圈采集到的磁共振信号先进行放大；

放大后的各路信号利用正交频分复用(OFDM)技术采用混频器分别调制成频率相互正交的子载波；

将调制好的频率相互正交子载波通过射频复用器复合成单路信号，然后采用高速数模转换器进行信号采样；

采样过后的信号直接应用多载波数字下变频器DDC解调还原，其解调过程依次为：频率变换、二阶重采样级联积分梳妆滤波器滤波、五阶级联积分梳妆滤波器滤波和RAM系数抽取滤波。

如上所述的一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，

其中，混频器是模拟乘法器。

如上所述的一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，

其中，高速数模转换器是单路高速数模转换器。

一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)多通道射频线圈采集到的磁共振信号先进行可变增益低噪声放大,放大后的各路信号通过混频器，采用正交频分复用技术，利用模拟乘法器实现对放大后的各路信号进行调制；

2)调制好的各路正交信号通过射频复用器复合成单路信号，用单根电缆进行信号的传输；

3)采用16位精度高速模数转换器对复合的单路信号进行采样；

4)采样后的信号利用OFDM技术进行解调还原，解调还原信号采用的是多载波***芯片处理器；

解调还原过程中依次经过的是频率变换和数字滤波，数字滤波包括：二阶重采样级联积分梳妆滤波器滤波、五阶级联积分梳妆滤波器滤波和RAM系数抽取滤波。

一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置可调放大器、混频器、射频复用器、高速数模转换器、多载波接收信号处理器，多载波数字下变频处理器；其中:

前置可调放大器将相控阵射频线圈采集到的磁共振信号先进行可变增益放大；

混频器对放大后的各路信号进行混频，把它们分别调制为频率相互正交的频率段；

射频复用器将调制之后相互正交子载波通过射频复用器复合成单路信号；

高速数模转换器把复合成的单路信号在整个频谱上同时采集并进行高速的模数转换以直接应用多载波数字下变频处理器解调还原；

多载波数字下变频处理器完成对磁共振信号进行解调还原，其解调还原过程依次是频率变换、二阶重采样级联积分梳妆滤波器滤波、五阶级联积分梳妆滤波器滤波、RAM系数抽取滤波。

附图说明

图1为本发明***模型框图

图2为本发明OFDM子载波的频率特性示意图

图3为本发明包含4个子载波的OFDM符号示意图

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明。

如图1所示，本发明采用的***为一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置可调放大器1、混频器2、射频复用器3、高速数模转换器4和多载波数字下变频器DDC5。多载波数字下变频器DDC5包括频率变换单元51和滤波单元52.

前置可调放大器1将相控阵射频线圈采集到的各通道磁共振信号先进行放大；放大后的各路信号利用正交频分复用(OFDM)技术采用混频器2分别调制成频率相互正交的子载波；通过射频复用器3将调制好的频率相互正交子载波复合成单路信号，然后采用高速数模转换器4进行信号采样；采样过后的信号直接应用多载波数字下变频器DDC5解调还原，其解调过程依次为：频率变换单元5进行频率变换，再由滤波单元52进行滤波。滤波单元52包括二阶重采样级联积分梳妆滤波器、五阶级联积分梳妆滤波器和RAM系数抽取滤波器。进行滤波时，频率变换后的信号分别经过二阶重采样级联积分梳状滤波器滤波、五阶级联积分梳状滤波器滤波和RAM系数抽取滤波器滤波。

这些处理单元完成磁共振信号的频率搬移还能降低信号输出数据的流速率；其中频率变换的作用主要是实现数字下变频，利用乘法器和数控振荡器完成对应频段信号的接收；二阶重采样级联积分梳妆滤波器、五阶级联积分梳妆滤波器、RAM系数抽取滤波，都是数字滤波的功能，Rcic2作为重采样滤波器，它是一个二阶固定系数抽样滤波器，Rcic5是一个比Rcic2具有更为陡峭滤波特性的五阶固定系数抽取滤波器，RCF主要功能是滤波整形，它是一个系数可编程的积分和形式滤波器。

以下进一步描述本发明。首先，各通道信号经过放大，利用相互正交的载波信号进行调制，如图2所示OFDM子载波的频率特性。

设原始信号为X(t),调制正弦信号为C(t),则调整后的信号

Y(t)在时域可表示为:

Y(t)＝X(t)*C(t)

经过傅里叶变换到频率空间，有：

$Y\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{1}{2}[X(\mathrm{j\ω}-j{\mathrm{\ω}}_c)+X(\mathrm{j\ω}+j{\mathrm{\ω}}_c)]$

其中ω_c是调制正弦信号的频率。

OFDM是一种正交多载波调制技术，本发明将多路信号并行调制到多个频段，各子载波间彼此保持相互正交的关系以消除子载波间的数据干扰，与之前采用的FDM技术相比，本发明的各载波上的相邻信号频率最多可以出现50％的重叠，而不产生数据传输的干扰，频率利用率高。各个相邻子载波之间相差一个周期，这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即：

$\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{n}t\right)\exp (-j{\mathrm{\ω}}_{m}t)\mathrm{dt}=\{\frac{0,m=n}{1,m\≠n}$

在OFDM符号之内，如图3所示包含4个子载波的OFDM符号，包含多个经过相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)的子载波，从t＝t_s开始的OFDM符号可以表示为：

$s\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{d}_i\mathrm{rect}(t-t_s-\frac{T}{2})\exp \right[j2\mathrm{\π}(f_c+\frac{i}{T})(t-t_s)\left]\right\},t_s\≤t\≤t_s+T$

s(t)＝0,其它

其中T表示的是OFDM的持续时间；N表示的是子载波的个数；f_c表示的基波频率；d_i(i＝0,1,2,…N-1)表示的是分配给每个子载波的数据符号；矩形函数rect(t)＝1,|t|≤T/2；从t＝t_s开始OFDM符号可以表示为以上s(t)函数，s(t)实部和虚部分别对应于OFDM符号的同向和正交分量。

在本发明中可以分别于相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子载波信号和合成的OFDM符号。在图1中给出了OFDM***的基本模型的框图，其中，

$f_i=f_c+\frac{i}{T}$

上式中T表示OFDM符号的持续时间，f_c表示的基波频率，f_i指的是第i个子载波的载波频率，多路信号经过调制之后，把各频率相互正交子载波复合成单路信号，采用16位精度的ADC将整个频谱上的信号同时采集。采集到的信号可以直接应用多载波接收信号处理器解调还原，集成芯片的使用简化了硬件结构，保证了良好的性能。

多载波接收信号处理器单片集成了多路接收通道，各信道解调过程依次由以下部分完成：频率变换单元、二阶重采样级联积分梳状滤波单元、五阶级联积分梳状FIR滤波单元和RAM系数抽取滤波单元。频率变换单元的作用是实现数字下变频，包括两个16位乘法器和一个32位数控振荡器(NCO)。rCIC2是一个二阶固定系数抽取滤波器，内插率可达512，抽取率可达4096。CIC5是一个滤波特性曲线比rCIC2更为陡峭的五阶固定系数抽取滤波器。RCF是一个积和形式、系数可编程的滤波器。

在对 $\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\exp \left(j{\mathrm{\ω}}_{n}t\right)\exp (-j{\mathrm{\ω}}_{m}t)\mathrm{dt}=\{\frac{0,m=n}{1,m\≠n}$ 中的第K个子载波进行解调，然后在时间长度为T内进行积分，即

$\begin{array}{c}{\hat{d}}_k=\frac{1}{T}\underset{t_s}{\overset{t_s+T}{\∫}}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{k}{T}(t-t_s)*{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}{d}_i\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{k}{T}(t-t_s)\right))d_t\\ =\frac{1}{T}{\mathrm{\Σ}}_{i=0}^{N-1}{d}_i\underset{t_s}{\overset{t_s+T}{\∫}}\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{k-i}{T}(t-t_s)d_t=d_k\end{array}$

容易看到，对第k个子载波进行解调可以恢复出期望的符号d_k，而对它子载波来说，在积分的间隔内，频率差别(k-i)/T可以产生整数倍个周期，所以其积分结果也为零，如图2所示，其中给出相互覆盖的各个子载波经过矩形脉冲形成得到的符号的sinc函数频谱，可以发现在每一个子载波的最大处，所有其它子载波的频谱幅度恰好为零。由于对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算的正是每一个子载波频谱的最大值，因此，可以从这些相互重叠的子载波符号频谱中提取出每一个子载波符号而不受其他子载波的干扰。从图中可以看出，OFDM符号频谱实际上满足Nyquist准则，即多个子载波频谱之间不存在相互干扰，因此，这种一个子载波频谱出现最大值而其他子载波频谱为零的特点可以避免子载波间干扰的出现。

Claims (5)

1.一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，其特征在于该方法采用一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置可调放大器、混频器、射频复用器、高速数模转换器和多载波数字下变频器DDC；

其中，相控阵接收方法包括如下步骤：

前置可调放大器将相控阵射频线圈采集到的磁共振信号先进行放大；

放大后的各路信号利用正交频分复用(OFDM)技术采用混频器分别调制成频率相互正交的子载波；

将调制好的频率相互正交子载波通过射频复用器复合成单路信号，然后采用高速数模转换器进行信号采样；

采样过后的信号直接应用多载波数字下变频器DDC解调还原，其解调过程依次为：频率变换、二阶重采样级联积分梳状滤波器滤波、五阶级联积分梳状滤波器滤波和RAM系数抽取滤波。

2.如权利要求1所述的一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，

其中，混频器是模拟乘法器。

3.如权利要求1所述的一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，

其中，高速数模转换器是单路高速数模转换器。

4.一种正交频分复用的磁共振相控阵接收方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)多通道射频线圈采集到的磁共振信号先进行可变增益低噪声放大,放大后的各路信号通过混频器，采用正交频分复用技术，利用模拟乘法器实现对放大后的各路信号进行调制；

2)调制好的各路正交信号通过射频复用器复合成单路信号，用单根电缆进行信号的传输；

3)采用16位精度高速模数转换器对复合的单路信号进行采样；

4)采样后的信号利用OFDM技术进行解调还原，解调还原信号采用的是多载波***芯片处理器；

解调还原过程中依次经过的是频率变换和数字滤波，数字滤波包括：二阶重采样级联积分梳状滤波器滤波、五阶级联积分梳状滤波器滤波和RAM系数抽取滤波。

5.一种用于磁共振成像的多通道接收装置，包括前置可调放大器、混频器、射频复用器、高速数模转换器、多载波接收信号处理器，多载波数字下变频处理器；其中:

前置可调放大器将相控阵射频线圈采集到的磁共振信号先进行可变增益放大；

混频器对放大后的各路信号进行混频，把它们分别调制为频率相互正交的频率段；

射频复用器将调制之后相互正交子载波通过射频复用器复合成单路信号；

高速数模转换器把复合成的单路信号在整个频谱上同时采集并进行高速的模数转换以直接应用多载波数字下变频处理器解调还原；

多载波数字下变频处理器完成对磁共振信号进行解调还原，其解调还原过程依次是频率变换、二阶重采样级联积分梳状滤波器滤波、五阶级联积分梳状滤波器滤波、RAM系数抽取滤波。