核磁共振成像系统接收端数字化研究

　　医学成像是生物医学工程学科的重要研究领域,包括近年来发展起来的X射线计算机断层成像(X射线CT)、磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging)、核医学成像和超声成像等方面。磁共振成像系统(简称MRI)已成为现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一。它具有无辐射伤害、高的空间分辨率、任意的断面扫描方向和大量的成像参数等优点。主要在中枢神经系统(特别是脑和脊髓)的诊断和肿瘤、梗塞等的早期发现上具有其他技术不可替代的优点。它不仅能提供人体的解剖图像,还可以反映人体组织的生理化学信息。它与X射线断层的扫描(X—CT)相比,具有独特不可替代的明显优点。由于没有掌握关键技术,国内生产的核磁共振设备存在着许多诸如无法升级换代,产品维护困难等问题。其中发送接收端的相位不稳、噪声干扰大、难以发送接收更高频率的信号等问题都迫切需要解决。

　　2　接收电路的改进

　　2.1　待改进的模拟电路

　　对于谱仪的接收部分现在通常的做法是用模拟电路对接收到的RF信号进行放大、衰减、混频滤波,得到中频信号然后再将得到的中频信号通过ADC转换成为数字信号,进行后续的数字信号的处理工作。

　　模拟电路的缺点与数字化方案的提出:由于模拟电路相位的线性性不好而且易受到噪声的干扰,稳定性不高,再加上分立件多,电路复杂,不利于系统性能的升级。目前正在使用的MRI系统多采用的是这种接收电路,这就需要对其进行改进。在DSP、FPGA等大规模集成芯片的迅速发展之下对这种电路进行数字化已经成为可能。

　　2.2　数字化方案

　　现在ADC的性能和速度得到了很大的改善,所以笔者将使用软件无线电的方法改进接收端的模拟电路。软件无线电的做法是将ADC尽量往接收前端靠(如图2所示)。ACD采样完以后进行数字混频,获取期望的中频信号,经数字低通滤波以后再进行后续处理。

　　电路分析:请参照图2。

　　为了便于分析数字化后是否原模拟接收电路的功能不变,这里采用了同2.1节中的输入。

　　图1和图2的明显区别就是ADC的位置以及图2增加了一个下变频器(DDC),混频的方法也不同:图1采用的是模拟混频,图2采用的是数字混频。由于ADC位置的差别,对于相同的输入信号笔者所使用的采样率就不同。由于图1中先进行了混频,所以就将信号频谱从射频搬到了比较低的中频,这样可以降低对ADC采样率的要求。而图2直接对射频信号进行采样必然要求很高的采样率。因为实际的有用信息带宽有限,所以对射频信号直接进行采样会采入很多冗余数据,这样就需要有一个下变频器来降低采样率保证后续处理的实时性。经过下变频器以后,笔者可以获得和图1一样的采样率。