專利名稱：一種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種優(yōu)化磁共振信噪比的方法，尤其是一種磁共振正交線圈 成像的數(shù)字合成方法，屬于磁共振成像技術類。
技術背景磁共振成像技術已經(jīng)成為醫(yī)學診斷中非常有用的手段。通常，在磁共振成像系統(tǒng)中，當被測樣品(病人)放入靜磁場Bo (Bo方向沿直角坐標系的Z 軸方向)中達到平衡時，樣品中的原子核(核自旋)因被Bo極化而產(chǎn)生一個 宏觀的磁化矢量Mo。它在射頻脈沖的激發(fā)下被旋轉到水平面(XY平面)里， 然后繞Z軸作進動。在被測樣品周圍放置一個接收線圈，它就會感應出磁化 矢量進動信號。接收線圈得到的核磁共振信號首先要經(jīng)過放大，再進行數(shù)模 轉換(ADC)，最后進入計算機做數(shù)據(jù)處理。 一般而言，為了進行磁共振成 像，系統(tǒng)還需產(chǎn)生三路正交的梯度磁場，以便對核磁共振信號進行空間編碼。 在磁共振成像技術中，要獲得高質量的圖像，提高接收通道的信噪比是 十分關鍵的。而位于接收通道最前端的接收線圈和前置放大器對整個接收通 道的信噪比起決定性作用。因此，為了提高接收通道的信噪比， 一個有效的 方法是將上述的接收線圈由單個變?yōu)檎环胖玫膬蓚€。如圖6所示，組成正 交線圈的兩個接收線圈的磁場分量分別是X和Y方向。因為正交，所以它們 接收的信號在相位上相差90° ，而線圈接收的噪聲是不相干的。因此，如圖7 所示，通過90°移相合成器就可以使1、 Q線圈的信號幅度相加，而噪聲功率 相加，達到提高信噪比的目的。理論上正交接收線圈比單接收線圈的信噪比 可以提高41%。 I、 Q兩路線圈接收到的核磁共振信號經(jīng)過相移合成器合成之 后，送入前置放大器進行放大，再進入接收機單元。該單元通常包括可變增 益控制放大(VGA)和模數(shù)轉換(ADC)兩部分。其中后者實現(xiàn)將信號由模 擬域轉換到數(shù)字域的功能。接收機輸出的數(shù)字信號最后經(jīng)圖像重建之后得到 磁共振圖像。實驗證明，采用正交接收線圈來提高接收通道的性能是切實可行的。但 是在此技術中我們可以看到，合成方法對整體效果的影響是至關重要的。由 于構成正交線圈的兩個接收線圈的磁場方向必須與主磁場方向垂直，同時為 了確保線圈的實用性，線圈不能采用全封閉結構，因此兩個接收線圈的結構 不能嚴格對稱。以正交頭線圈為例。因為線圈必須使人頭可以沿水平方向進 出線圈，所以磁場方向與人體縱軸方向相同的線圈可以采用效率高的螺線管 線圈。而磁場方向與人體縱軸方向垂直的線圈必須采用效率較低的鞍形線圈。 通常，鞍形線圈的信噪比大約是螺線管線圈的70%?？梢姡煌Y構的線圈 其性能存在很大的差異，從而導致了兩路接收線圈的不平衡。高場磁共振成 像系統(tǒng)的信號很強(相對于噪聲)，與接收線圈相比，前置放大器的性能對 信噪比的影響更為顯著，因此接收線圈結構對接收通道間不平衡的貢獻可以 忽略不計。而在中低場開放型磁共振成像系統(tǒng)中，BO沿豎直方向，由于磁共 振信號較弱(相對于噪聲)，線圈結構對信噪比的影響是十分顯著的，接收 線圈結構不對稱會導致兩路線圈的信噪比存在嚴重的不平衡。事實上，即使線圈結構對稱，在成像過程中，如果線圈調諧不好，或者 選擇進行掃描的層面位于接收線圈腔體的邊緣(此時掃面層面相對于構成正 交線圈的兩個接收線圈的空間位置不對稱)，得到的信噪比會有一定的差異， 仍然會造成兩路接收線圈的不平衡，這些影響可以等效于線圈結構的不對稱。 對于正交l、 Q線圈的靈敏度不平衡，為了改進圖7所示的正交合成方法 存在的問題，有人提出了加權正交合成技術。假設兩個接收線圈輸出的信噪 比為S1/N0和S2/N0，合成后的信噪比為其中&和K2為90°移相合成器中信號&和S2的加權傳輸系數(shù)(亦稱 為加權因子)，而可以看出，如果Si = S2 ，則加權合成得到的S/ N達到最大。 盡管加權合成方法對于解決IQ線圈不平衡的問題有一定效果，例如對前面提到的螺線管與馬鞍形組成的正交線圈系統(tǒng)，因為鞍形線圈的信噪比大約是螺線管線圈的70%，所以在噪聲相同的情況下，有S^0.7.S2 [3通過加權合成后，信噪比可以提高20%以上。但是，該方法仍然存在以下3個主要問題問題1:首先，接收線圈的靈敏度實際上不僅取決于它的形狀，而且跟它的參數(shù)(例如匝數(shù))密切相關。因此，類似3式的關系不可能僅通過I、 Q線的形狀就可以得到，而必須經(jīng)過實驗測量獲得。為了保證最優(yōu)的加權合成 條件，每個接收線圈必須配備自己的相移合成器。由于磁共振成像系統(tǒng)一般 可進行全身各個部位的掃描，每個系統(tǒng)配備數(shù)個甚至數(shù)十個接收線圈。故每 個接收線圈配備自己的相移合成器會造成成像系統(tǒng)的結構復雜和成本上升。
問題2:其次，即使每個接收線圈配備了自己的相移合成器，也不能解決 磁共振成像多層面掃描中所存在的I、 Q線圈靈敏度不平衡的問題，因為不同掃描層面與l、 Q線圈的相對位置是不同的。顯然，解決這個問題必須能夠在 掃描過程中動態(tài)的決定加權因子K和K2。問題3:最后，即使每個接收線圈配備了自己的相移合成器，也不能解決磁共振成像掃描中所存在的線圈調諧不好的問題。因為患者存在個體差異，所以正交接收線圈中I、 Q線圈的調諧與匹配很難做到每次掃描都保持最優(yōu)狀 態(tài)，從而導致l、 Q線圈的靈敏度存在不平衡。顯然，解決這個問題必須能夠 在更換病人或者更換掃描部位時動態(tài)的決定加權因子K和K2。對于正交l、 Q線圈的靈敏度不平衡，為了改進圖7所示的正交合成方法 存在的問題，有人提出了雙前置放大器(雙前放)正交合成技術，如圖8所 示。由于采用了極低噪聲系數(shù)的前置放大器，使得核磁共振信號的信噪比變 得與線圈的調諧狀態(tài)關系不大。同時實驗也發(fā)現(xiàn)，相移合成器的插入損耗對 于核磁共振的信噪比有重大影響。因此該技術不僅可以解決加權合成方法所 存在的第3個問題，而且還減小了相移合成器的插入損耗給核磁共振信噪比 所帶來的負面影響。然而，該技術依然不能解決加權合成方法所存在的前兩 個主要問題。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的旨在提出一種新的磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法， 通過采用兩個完全獨立的接收通道來接收磁共振信號，從而實現(xiàn)動態(tài)確定I、 Q線圈信號通道的加權因子，通過數(shù)字加權合成的方法，使得正交合成出來 的圖像信噪比達到最優(yōu)，克服目前慣用處理方法存在的上述問題。這種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法，包括一對正交線圈I、 Q，與
之匹配的一對前置放大器以及接收機，其特征在于所述的每一個正交線圈I和Q分別直接連接一前置放大器Ai和A2、并經(jīng)各自連接的接收機B，和B2 形成兩個完全獨立的信號傳輸、接受通道后，送入同一圖像合成系統(tǒng)完成圖 像合成與重建。所述的磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法是首先由正交線圈I和Q 分別直接連接一前置放大器A，和Aa、并經(jīng)各自連接的接收機B，和B2形成兩 個完全獨立的信號傳輸、接受通道后，各自先經(jīng)二維傅立葉變換實現(xiàn)圖像重 建，并依據(jù)這兩幅圖像的信噪比確定相應的加權系數(shù)K1、 K2，再由同一圖像 處理系統(tǒng)進行加權合成，得到最終的所需要的磁共振合成圖像。所述的磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法是首先由正交線圈I和Q 分別直接連接一前置放大器A！和A2、并經(jīng)各自連接的接收機B，和B2形成兩 個完全獨立的信號傳輸、接受通道后，并先有計算機的處理系統(tǒng)用原始數(shù)據(jù) 確定兩者的信噪比的加權系數(shù)K1 、 K2，而后經(jīng)二維傅立葉變換實現(xiàn)圖像重建 及圖像合成，得到最終的所需要的磁共振合成圖像。根據(jù)以上技術方案提出的本發(fā)明，通過采用不在模擬域里合成信號，所 以整個磁共振成像系統(tǒng)中不包含任何模擬電路構成的相移合成器。因此，本 發(fā)明采用的方案不會造成成像系統(tǒng)的結構復雜和成本上升問題；同時，由于 本發(fā)明采用的方案是在模擬信號轉換為數(shù)字信號之后再進行合成的，故可以 在模擬信號轉換為數(shù)字信號完成之后，先計算出每個掃描層面所對應的兩路 信號的信噪比，確定兩路信號加權因子^和K2，然后再進行合成。因此，本 發(fā)明采用的方案能夠很好地解決兩正交線圈I和Q存在的靈敏度不平衡問題。


圖1為本發(fā)明方法的示意圖；附圖2為本發(fā)明設計的正交數(shù)字合成接受通道的結構框圖(1); 附圖3正交數(shù)字合成實施例1的流程圖；附圖4為本發(fā)明設計的正交數(shù)字合成接受通道的結構框圖(2);附圖5正交數(shù)字合成實施例2的流程圖；附圖6為進動的原子核與正交接受線圈原理圖；附圖7為傳統(tǒng)的正交合成接受通道的結構框圖；附圖8為目前已改進的雙前方正交合成接受通道的結構框圖。
具體實施方式
以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明特征及其它相關特征作進一步闡述， 以便于同行業(yè)技術人員的理解。圖6是傳統(tǒng)的接收通道的結構框圖。正交線圈l、 Q產(chǎn)生的兩個感應信號 通過90°移相合成器，使它們的信號幅度相加，而噪聲功率相加，再經(jīng)過前 置放大器A^和A2，進入接收機B!和B2進行正交檢波、ADC采樣，最后送 入計算機進行圖像重建。假設兩路信號的信噪比相差n倍(nM)， s,/乂-s煎，se/i\re="XlWi 。 兩路信號采用圖4所示的模式合成處理，則合成信號的信噪比為,-ll^x廁 [4可見，只有滿足""VI + 1)《2.4的條件，才有S/A^wxS層，合成之后的信 噪比才得到提高，否則合成信號的信噪比反而比性能較好的那路信號的信噪 比差。如果兩路信號的信噪比相差很大，較差的一路會嚴重惡化合成后的結 果。圖8是經(jīng)過改進的接收通道的結構框圖。正交線圈l、 Q產(chǎn)生的感應信號
先各自經(jīng)過前置放大器A，和A2放大，然后再通過90°移相合成器合成。經(jīng) 過改進，盡管在一定程度上提高了合成信號的信噪比，但是該方法仍然無法 處理I/Q兩通道不平衡帶來的影響。為了解決上述問題，有人提出可以通過加權合成的方法來獲得最佳的合 成效果。由于加權系數(shù)是根據(jù)兩路信噪比來確定的。這意味著要在合成之前 就要確定兩路信號的信噪比。并且加權系數(shù)不是固定的，而是與每次掃描使 用的線圈結構、線圈調諧的質量、掃描層面的選擇等因素有關。因此，采用 圖7和圖8所示的結構無法在合成前確定加權系數(shù)并對信號加權處理，也就 無法獲得最佳的合成效果。為了實現(xiàn)加權合成，必須在確定信噪比以后再將兩路信號合成，即要先 得到獨立的圖像數(shù)據(jù)再合成。因此我們提出了采用兩個完全獨立的接收通道 的方法，其結構框圖如圖3所示。實施例1:圖2是具體的實施例之一。正交線圈I、 Q產(chǎn)生的信號分別進入兩個完全 獨立的接收通道，在ADC之后得到數(shù)字信號。經(jīng)過圖像重建(二維傅立葉變 換)以后得到的是兩幅圖像數(shù)據(jù)。根據(jù)這兩幅圖像的信噪比確定相應的加權 系數(shù)，再對這兩幅圖像進行加權合成，得到合成圖像。該方案的流程圖如圖3 所示。假設兩路信號的信噪比s,/乂-S2V/ ， se/we=nxSM ， (n>0)，加權系數(shù) 為K，則合成信號的信噪比為<formula>formula see original document page 9</formula> 〖5]當K-n時，s/a^sm xVT^，此時合成信號的信噪比達到最優(yōu)。當n 趨近于O，即Q的信噪比很差時，s/JV s,/iV,。當n遠大于1，即Q的信噪 比明顯優(yōu)于l時，S/iV se/iVe 。 實施例2:本發(fā)明也可以采用圖4所示的結構實現(xiàn)。由于圖2的實施例1中，磁共 振圖像信噪比的確定，通常需要手工選擇信號區(qū)域和噪聲區(qū)域。而在圖4所 示的實施例2中，兩通道信噪比的比值K是在圖像重建之前通過計算機處理 原始數(shù)據(jù)來確定的，這一過程可以是全自動的，從而避免了人為選擇信號和 噪聲區(qū)域不當造成的誤差。其原理如下我們確定信噪比是為了計算兩通道信號的加權系數(shù)。事實上真正對求加 權系數(shù)有貢獻的，不是信噪比，而是兩通道信噪比的比值。由于圖像重建采 用的是傅立葉變換法，盡管我們在變換前無法求得兩幅圖像的信噪比，但是 根據(jù)傅立葉變換的特性，變換前兩通道的信噪比之比等于變換后兩幅圖像的 信噪比之比。磁共振掃描得到的原始數(shù)據(jù)矩陣中，信號數(shù)據(jù)集中在矩陣中央 區(qū)域，噪聲數(shù)據(jù)集中在矩陣的邊緣(相位編碼方向上)，因此可以通過計算 機自動求得兩通道數(shù)據(jù)(傅立葉變化之前)的信噪比幼W/和幼t&'。如前所 述，由于這兩者之比等于重建后兩幅圖像的信噪比之比，即SMV/S^'-SN^/SAW,-",因此可以確定加權系數(shù)尺="。該方案的流程圖如圖5所示。
權利要求
1、一種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法，包括一對正交線圈，與之匹配的一對前置放大器以及接收機，其特征在于所述的每一個正交線圈I、Q產(chǎn)生的信號分別直接連接一前置放大器A1和A2、并經(jīng)各自連接的接收機B1和B2形成兩個完全獨立的接受通道后，送入圖像合成系統(tǒng)完成圖像合成與重建。
2、 如權利要求1所述的一種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法，其特征在于所述的磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法是首先由正交線圈l和Q分別直接連接一前置放大器A！和Aa、并經(jīng)各自連接的接收機B！和B2 形成兩個完全獨立的接受通道后，各自先經(jīng)二維傅立葉變換實現(xiàn)圖像重建， 并依據(jù)這兩幅圖像的信噪比確定相應的加權系數(shù)K1、 K2，再由圖像處理系統(tǒng) 進行加權合成，得到最終的所需要的磁共振合成圖像。
3、 如權利要求1所述的一種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法，其特征在于所述的磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法是首先由正交線圈l和Q分別直接連接一前置放大器A和A2、并經(jīng)各自連接的接收機B，和B2形成兩個完全獨立的接受通道后，并先有計算機原始數(shù)據(jù)確定兩者的信噪比的加權系數(shù)K1 、 K2，而后經(jīng)二維傅立葉變換實現(xiàn)圖像重建及圖像合成，得到 最終的所需要的磁共振合成圖像。
全文摘要
一種磁共振正交線圈成像的數(shù)字合成方法，包括一對正交線圈，與之匹配的一對前置放大器以及接收機，其特征在于所述的每一個正交線圈I和Q分別直接連接一前置放大器A₁和A₂、并經(jīng)各自連接的接收機B₁和B₂形成兩個完全獨立的信號傳輸、接受通道后，送入同一圖像合成系統(tǒng)完成圖像合成與重建。通過采用不在模擬域里合成信號，因此，本發(fā)明采用的方案不會造成成像系統(tǒng)的結構復雜和成本上升問題；同時，由于本發(fā)明采用的方案是在模擬信號轉換為數(shù)字信號之后再進行合成的，故可以在模擬信號轉換為數(shù)字信號完成之后，先計算出每個掃描層面所對應的兩路信號的信噪比，確定兩路信號加權因子K₁和K₂，然后再進行合成。因此，本發(fā)明采用的方案能夠很好地解決兩正交線圈I和Q存在的靈敏度不平衡問題。
文檔編號A61B5/055GK101101325SQ200710044568
公開日2008年1月9日 申請日期2007年8月3日 優(yōu)先權日2007年8月3日
發(fā)明者寧瑞鵬, 李鯁穎, 鶴 王 申請人:華東師范大學