专利名称：磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法
磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法技术领域：
本发明涉及磁共振射频领域，特别涉及一种磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法。背景技术：
射频装置是磁共振成像设备的重要组成部分，它利用不同的射频脉冲序列发射射频脉冲对物体内的极化原子核(如1H，19F)激发，产生磁共振(MR)信号，同时完成接收MR 信号的装置。
按照功能划分，射频装置包含射频接收机和射频发射机。射频接收机主要由接收线圈、前置放大器、本地振荡器、混频器、滤波器、模数转换器、调制解调器、耦合器等单元电路组成；射频发射机主要由数模转换器、功放器、衰减器、发射线圈以及发射/接收切换部件等单元电路组成。接收机起着放大和采集磁共振信号的作用，其性能直接决定了磁共振谱的信噪比。
传统的接收机配合阵列线圈完成信号接收时，采用单独给每个通道配置相同的接收电路，这种方式减小了接收系统的工作负荷，而接收系统信号处理能力有很大的冗余。当通道数量到达一定数量时，这样简单的重复接收电路会使得整个接收系统变得非常的昂贵,笨重。
发明内容
基于此，有必要提供一种能降低成本的磁共振多核阵列射频装置。
一种磁共振多核阵列射频装置，包括射频接收机，所述射频接收机包括
射频线圈，用于捕获磁共振信号；
低噪声前置放大器，电连接所述射频线圈，用于将获取的磁共振信号进行前置放大处理；
多路复用器，电连接所述低噪声前置放大器，用于提供对应的射频线圈通道和滤波通道，传递经过前置放大处理的磁共振信号；
射频带通滤波器，电连接所述多路复用器，用于对所述磁共振信号滤波；
程控放大器，电连接所述射频带通滤波器，用于对所述磁共振信号进行放大处理；
频率合成器，用于产生本地振荡信号；
混频器，电连接所述程控放大器和频率合成器，用于将所述磁共振信号和本地振荡信号进行混频处理；
模/数转换器，电连接所述混频器，用于将混频处理后的磁共振信号进行模/数转换，得到磁共振数字信号；
控制器，分别与所述多路复用器、射频带通滤波器、频率合成器、模/数转换器电相连，用于控制所述多路复用器选择对应的射频线圈通道和滤波通道，控制所述射频带通滤波器的增益大小，控制所述频率合成器提供本地振荡信号，并接收所述模/数转换器传递的磁共振数字信号。
优选的，所述频率合成器还用于产生射频脉冲信号，所述磁共振多核阵列射频装置还包括
缓冲放大器，与所述频率合成器电相连，用于缓冲放大射频脉冲信号；
功率放大器，与所述缓存放大器电相连，用于对所述射频脉冲信号进行放大处理；
功率检测器，与所述功率放大器和控制器电相连，用于调控所述射频脉冲信号的功率；
发射/接收切换开关，其一端与所述射频线圈相连，其另一端分别与所述低噪声前置放大器和功率检测器相连；
所述射频线圈还用于发射所述射频脉冲信号；
其中，所述频率合成器、缓冲放大器、功率放大器、功率检测器、发射/接收切换开关和射频线圈构成射频发射机。
优选的，所述多路复用器包括
线圈通道选择射频多路复用器，与所述低噪声前置放大器电相连，用于提供射频线圈通道；
滤波通道选择射频多路复用器，其输入端与所述线圈选择射频多路复用器电相连，其输出端与所述射频带通滤波器电相连，用于提供滤波通道。
优选的，所述射频带通滤波器为多个，每个射频带通滤波器的输入端与所述滤波通道选择射频多路复用器电相连，每个射频带通滤波器的输出端与所述程控放大器电相连。
优选的，所述低噪声前置放大器为多个，每个低噪声前置放大器设置在所述线圈通道选择射频多路复用器的每个通道和所述射频线圈之间。
优选的，所述射频线圈为多通道相控阵线圈、组合线圈、体线圈或可调谐的射频线圈。
优选的，还包括
中频带通滤波器，与所述混频器电连接，用于对混频处理后的磁共振信号滤波；
通用放大器，其输入端与所述中频带通滤波器电连接，其输出端与所述模/数转换器电连接，用于对所述磁共振信号进行放大处理。
此外，还有必要提供一种能降低成本的磁共振信号接收方法。
一种磁共振信号接收方法，包括以下步骤
射频线圈捕获磁共振信号；
低噪声前置放大器对捕获的磁共振信号进行前置放大处理；
根据所述磁共振信号选择对应的多路复用器的射频线圈通道和滤波通道，并传递该磁共振信号；
对磁共振信号进行滤波、放大处理；
获取本地振荡信号，将所述本地振荡信号与所述磁共振信号进行混频处理；
将所述混频处理后的磁共振信号进行模数转换，得到磁共振数字信号。
优选的，在所述射频线圈捕获磁共振信号的步骤之前，还包括步骤
将发射/接收切换开关设置为接收状态。
优选的，在获取本地振荡信号，将所述本地振荡信号与所述磁共振信号进行混频处理的步骤之后，还包括步骤对所述混频处理后的磁共振信号进行滤波、放大处理。
上述磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法，采用多路复用器选择对应的线圈通道和滤波通道，其他电路共用，不需对不同的原子核磁共振分别配置不同的电路， 减少了电路的冗余，降低了成本。

图1为一个实施例中磁共振多核阵列射频装置的结构示意图2为一个实施例中磁共振多核阵列射频装置射频接收机的结构示意图3为一个实施例中磁共振信号接收方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例及附图对技术方案进行详细的描述。
如图1所示，在一个实施例中，一种磁共振多核阵列射频装置，包括射频接收机和射频发射机。
射频接收机包括射频线圈11、低噪声前置放大器13、多路复用器15、射频带通滤波器17、程控放大器19、频率合成器21、混频器23、中频带通滤波器25、通用放大器27、模 /数转换器四和控制器31。其中
射频线圈11 (Radio Frequency Coils)，用于捕获磁共振信号。
本实施例中，射频线圈(Radio Frequency Coils) 11为磁共振多核阵列射频装置的接收与发射终端，射频线圈11可为多通道相控阵线圈、组合线圈或体线圈，也可以采用针对于不同原子核成像而使用的可自动调谐的射频线圈，或者针对不同场强可调谐的射频线圈。
低噪声前置放大器13，电连接射频线圈11，用于将获取的磁共振信号进行前置放大处理。
具体的，低噪声前置放大器(Low Noise Amplifier，简称LNA)，其增益达到30DB， 其噪声系数为0.5DB，可把mA(毫安)级的磁共振信号放大，以便后续电路处理。低噪声前置放大器13与射频线圈11紧密相连。本实施例中，低噪声前置放大器13为多个，在多路复用器15的每个通道和射频线圈11之间分别设置一个低噪声前置放大器13。
多路复用器15，电连接低噪声前置放大器13，用于提供对应的射频线圈通道和滤波通道，传输经过前置放大处理的磁共振信号。
例如，多路复用器15可采用Mini-Circuits公司的8路Multiplexer，它的上升和下降时间为3ns。每一个低噪声前置放大器13都被独立屏蔽，多路复用器15的8个支路也采用单独的电磁屏蔽方式以避免相互之间的电磁干扰与板间的耦合。
本实施例中，多路复用器15包括线圈通道选择射频多路复用器151和滤波通道选择射频多路复用器153。其中
线圈通道选择射频多路复用器151与低噪声前置放大器13电相连，用于提供射频线圈通道。
滤波通道选择射频多路复用器153，其输入端与线圈选择射频多路复用器151电相连，其输出端与射频带通滤波器17电相连，用于提供滤波通道。
此外，由控制器31控制线圈通道选择射频多路复用器151选择与磁共振信号对应的射频线圈通道，控制滤波通道选择射频多路复用器153选择磁共振信号对应的滤波通道。
射频带通滤波器17 (RF Band-Pass Filter, BPF)，电连接多路复用器15，用于对磁共振信号滤波。
具体的，射频带通滤波器17主要用于消除噪声，避免在采样中发生频谱混叠。本实施例中，采用Mini-Circuits公司的Surface-Mount BPF来达到中心频率分别为120MHZ 和128MHZ，带宽为IMHZ的带通滤波。在一个实施例中，射频带通滤波器17为多个，每个射频带通滤波器17的输入端与滤波通道选择射频多路复用器153电相连，每个射频带通滤波器17的输出端与程控放大器19电相连。本实施例中，射频带通滤波器17包括针对IH原子核滤波的射频带通滤波器171和针对19F原子核滤波的射频带通滤波器173。
程控放大器19 (Vary Gain Amplifier,简称VGA)，电连接射频带通滤波器17，用于对磁共振信号进行放大处理。
本实施例中，程控放大器(Vary Gain Amplifier, VGA)，采用ADI公司的AD8369， 由控制器31控制其增益大小，配合通用放大器27 (General Amplif ier)，来保证VGA (Video Graphics Array，视频图形阵列)输出的信号强度范围尽量满足模/数转换器四(ADC)的有效输入信号强度范围。其中，可调增益放大器的动态增益范围是-10DB至+35DB，可调增益放大器的带宽为380MHZ。
频率合成器21 (Frequency Synthesizer，简称FS)，用于产生本地振荡信号。
混频器23 (mixer)，电连接程控放大器19和频率合成器21，用于将磁共振信号和本地振荡信号进行混频处理。
中频带通滤波器25(IF Filter)，与混频器23电连接，用于对混频处理后的磁共振信号滤波。
通用放大器27 (General Amplifier)，其输入端与中频带通滤波器25电连接，其输出端与模/数转换器四电连接，用于对磁共振信号进行放大处理。
模/数转换器四(Analog to Digital Converter, ADC)，用于将混频处理后的磁共振信号进行模/数转换，得到磁共振数字信号，并将磁共振数字信号传输给控制器31。
具体的，根据奈奎斯特采样定理，采样频率fs必须满足大于所要采样信号的最高频率的2倍才能无失真地还原所采样信号。针对于射频接收机中的ADC的采样频率fs必须要比磁共振信号的共振频率fFID高于2倍以上，为了进一步减小ADC的量化噪声，本实施例中对磁共振信号进行过采样。由于在模拟信号进入ADC的前面加上了一个模拟混频，把针对不同的原子核成像或在不同场强成像时，所得磁共振信号的中心频率都降到10M以内的 4。经过混频使得采样频率为20M就能很好的满足奈奎斯特采样定理。为了降低ADC的量化噪声而采用过采样方法，其采样频率设定为&的10至20倍时，目前ADC完全能够满足其采样要求，本实施例中，可采用AD6644。
控制器31，分别与多路复用器15、射频带通滤波器17、频率合成器21、模/数转换器四电相连，用于控制多路复用器15选择对应的射频线圈通道和滤波通道，控制射频带通滤波器17的增益大小，控制频率合成器21产生本地振荡信号，并接收模/数转换器四传输的磁共振数字信号。
控制器31接收外部时钟信号和磁共振成像(MRI)主机35的控制命令，完成各个模块电路的控制等工作。控制器31为现场可编程逻辑器件(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)。其中，各个模块电路包括多路复用器15、射频带通滤波器17和频率合成器。
控制器31 将磁共振数字信号通过 PCI (Peripheral Component hterconnect，外围接口)33总线发送给磁共振成像主机35进行图像重建。控制器31还可将磁共振数字信号存入伪静态随机存储器。
在其他实施例中，射频接收机可不包括中频带通滤波器25和通用放大器27，混频器23与模/数转换器四电连接，混频器23将混频处理后的磁共振信号传输给模/数转换器四进行模数转换。
进一步的，图2为磁共振多核阵列射频装置的射频接收机的结构框图。图中，射频线圈111至射频线圈118共8个，每个射频线圈分别与线圈通道选择射频多路复用器151 的一个通道相连，且在每个射频线圈与通道之间设置一个低噪声前置放大器13。射频接收机可实现不同的磁共振信号的接收，如通过选择射频线圈111，同时选择针对19F原子核滤波的射频带通滤波器173时，可以完成针对19F原子核的阵列线圈通道1的磁共振信号接收。而当选择射频线圈113，同时选择针对19F原子核滤波的射频带通滤波器173时，可以完成针对19F原子核的阵列线圈射频通道3的磁共振信号接收，而当选择射频线圈1，同时选择针对IH原子核滤波的射频带通滤波器171时，又可以完成针对IH原子核的阵列线圈通道1的磁共振信号接收。
射频发射机由频率合成器21、缓冲放大器37、功率放大器39、功率检测器41、发射 /接收切换开关43和射频线圈11构成。其中
频率合成器21还用于产生射频脉冲信号。
此外，频率合成器21还用于产生FPGA数字变频的本地振荡信号。本地振荡信号、 FPGA数字变频的本地振荡信号的频率之和等于射频脉冲信号的频率，如此可使得射频接收机和射频发射机之间的相位差得到较好的抑制。
缓冲放大器37 (BufferAmplifier,简称BA)，与频率合成器21电相连，用于缓冲放大射频脉冲信号。
功率放大器39，与缓存放大器37电相连，用于对射频脉冲信号进行放大处理。具体的，其中，功率放大器39采用AGILENT的高功率放大器(High Power Amplifier，简称 ΗΡΑ)。
功率检测器41 (Power Detector,简称PD)，与功率放大器39和控制器31电相连， 用于调控射频脉冲信号的功率。具体的，功率检测器41检测发射功率后，调节功率检测器 41的功放及增益，调控射频脉冲信号的功率。
发射/接收切换开关43，其一端与射频线圈11相连，其另一端分别与低噪声前置放大器13和功率检测器41相连。
射频线圈11还用于发射射频脉冲信号。
射频发射机工作时，发射/接收切换开关43切换到发射状态，磁共振成像主机通过PCI向射频发射机的控制器31(如FPGA)发送命令，以发射符合要求的特定射频脉冲，控制器31控制频率合成器21产生射频脉冲信号，经由缓冲放大器37，经过功率放大器39和功率检测器41送入射频线圈11激发被检测物体相应的原子核。
射频接收机工作时，发射/接收切换开关43切换到接收状态，射频线圈11捕获磁共振信号，接着被低噪声前置放大器13放大，由线圈通道选择射频多路复用器151和滤波通道选择射频多路复用器153选择对应的通道，再通过射频带通滤波器17滤波，然后程控放大器19对磁共振信号进行放大处理，由混频器23将频率合成器21产生的本地振荡信号和磁共振信号混频，再通过中频带通滤波器25滤波、通用放大器27放大到模/数转换器四接收的范围内，模/数转换器四对磁共振信号进行模数转换，得到磁共振数字信号，由控制器31将磁共振数字信号发送给主机35进行图像重建。
如图3所示，在一个实施例中，一种磁共振信号接收方法，包括以下步骤
步骤S110，射频线圈捕获磁共振信号。
本实施例中，射频线圈(Radio Frequency Coils)为磁共振多核阵列射频装置的接收与发射终端，射频线圈可为多通道相控阵线圈、组合线圈或体线圈，也可以采用针对于不同原子核成像而使用的可自动调谐的射频线圈，或者针对不同场强可调谐的射频线圈。 射频线圈可捕获磁共振信号。
在一个实施例中，在步骤SllO之前，还包括步骤
将发射/接收切换开关设置为接收状态。
步骤S120，低噪声前置放大器对捕获的磁共振信号进行前置放大处理。
具体的，低噪声前置放大器，其增益达到30DB，其噪声系数为0. 5DB,可把mA (毫安)级的磁共振信号放大，以便后续电路处理。低噪声前置放大器与射频线圈紧密相连。
步骤S130，根据磁共振信号选择对应的多路复用器的射频线圈通道和滤波通道， 并传输该磁共振信号。
在一个实施例中，低噪声前置放大器为多个，在多路复用器的每个通道和射频线圈之间分别设置一个低噪声前置放大器。例如，多路复用器可采用Mini-Circuits公司的8 路Multiplexer，它的上升和下降时间为3ns。每一个低噪声前置放大器都被独立屏蔽，多路复用器的8个支路也采用单独的电磁屏蔽方式以避免相互之间的电磁干扰与板间的耦合。
在一个实施例中，多路复用器包括线圈通道选择射频多路复用器和滤波通道选择射频多路复用器。其中，线圈通道选择射频多路复用器与低噪声前置放大器电相连，用于供选择射频线圈通道。滤波通道选择射频多路复用器，其输入端与线圈选择射频多路复用器电相连，其输出端与射频带通滤波器电相连，用于供选择滤波通道。
步骤S140，对磁共振信号进行滤波、放大处理。
具体的，由射频带通滤波器对磁共振信号滤波，消除噪声，避免在采样中发生频谱混叠。本实施例中，采用Mini-Circuits公司的Surface-Mount BPF来达到中心频率分别为120MHZ和128MHZ，带宽为IMHZ的带通滤波。在一个实施例中，射频带通滤波器为多个， 每个射频带通滤波器的输入端与滤波通道选择射频多路复用器电相连，每个射频带通滤波器的输出端与程控放大器电相连。本实施例中，射频带通滤波器包括针对IH原子核滤波的射频带通滤波器和针对19F原子核滤波的射频带通滤波器。
采用程控放大器(Vary Gain Amplifier，简称VGA)对磁共振信号进行放大处理。
步骤S150，获取本地振荡信号，将本地振荡信号与磁共振信号进行混频处理。
具体的，由频率合成器产生本地振荡信号。由混频器将磁共振信号和本地振荡信号进行混频处理。
在一个实施例中，在步骤S150之后，还包括步骤对混频处理后的磁共振信号进行滤波、放大处理。
采用通用放大器对磁共振信号进行放大处理。
步骤S160，将混频处理后的磁共振信号进行模/数转换，得到磁共振数字信号。
具体的，采用模/数转换器将混频处理后的磁共振信号进行模/数转换，得到磁共振数字信号。
上述磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法，采用多路复用器选择对应的线圈通道和滤波通道，其他电路共用，不需对不同的原子核磁共振分别配置不同的电路， 减少了电路的冗余，降低了成本。
另外，将射频发射机及射频接收机一体化，通过接收频率根据发射频率的变化而发生同步变化的方式消除了发射与接收的相位相干；多路复用器结合多种射频滤波器使得接收机能用于接收多核子磁共振信号，如可用于IH原子核和19F原子核磁共振信号。
此外，实现了全数字化射频信号接收与发送，通用性好，成本低，精度高，接收和发射速度快；采用FPGA控制其频率合成器与功率放大电路，具有发射信号频率可调、幅度可调、功率可调功能；采用FPGA控制射频带通滤波器、多路复用器、频率合成器，结合FPGA软核生成的数字正交下变频技术，提高了接收机的通用性，能适用于不同的原子核核磁共振信号的数字化接收；采用可变增益技术使得整个接收机的动态接收范围大幅提升。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，包括射频接收机，所述射频接收机包括射频线圈，用于捕获磁共振信号；低噪声前置放大器，电连接所述射频线圈，用于将获取的磁共振信号进行前置放大处理；多路复用器，电连接所述低噪声前置放大器，用于提供对应的射频线圈通道和滤波通道，传递经过前置放大处理的磁共振信号；射频带通滤波器，电连接所述多路复用器，用于对所述磁共振信号滤波； 程控放大器，电连接所述射频带通滤波器，用于对所述磁共振信号进行放大处理； 频率合成器，用于产生本地振荡信号；混频器，电连接所述程控放大器和频率合成器，用于将所述磁共振信号和本地振荡信号进行混频处理；模/数转换器，电连接所述混频器，用于将混频处理后的磁共振信号进行模/数转换， 得到磁共振数字信号；控制器，分别与所述多路复用器、射频带通滤波器、频率合成器、模/数转换器电相连， 用于控制所述多路复用器选择对应的射频线圈通道和滤波通道，控制所述射频带通滤波器的增益大小，控制所述频率合成器提供本地振荡信号，并接收所述模/数转换器传递的磁共振数字信号。
2.根据权利要求1所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，所述频率合成器还用于产生射频脉冲信号，所述磁共振多核阵列射频装置还包括 缓冲放大器，与所述频率合成器电相连，用于缓冲放大射频脉冲信号； 功率放大器，与所述缓存放大器电相连，用于对所述射频脉冲信号进行放大处理； 功率检测器，与所述功率放大器和控制器电相连，用于调控所述射频脉冲信号的功率；发射/接收切换开关，其一端与所述射频线圈相连，其另一端分别与所述低噪声前置放大器和功率检测器相连；所述射频线圈还用于发射所述射频脉冲信号；其中，所述频率合成器、缓冲放大器、功率放大器、功率检测器、发射/接收切换开关和射频线圈构成射频发射机。
3.根据权利要求1或2所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，所述多路复用器包括线圈通道选择射频多路复用器，与所述低噪声前置放大器电相连，用于提供射频线圈通道；滤波通道选择射频多路复用器，其输入端与所述线圈选择射频多路复用器电相连，其输出端与所述射频带通滤波器电相连，用于提供滤波通道。
4.根据权利要求3所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，所述射频带通滤波器为多个，每个射频带通滤波器的输入端与所述滤波通道选择射频多路复用器电相连，每个射频带通滤波器的输出端与所述程控放大器电相连。
5.根据权利要求3所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，所述低噪声前置放大器为多个，每个低噪声前置放大器设置在所述线圈通道选择射频多路复用器的每个通道和所述射频线圈之间。
6.根据权利要求1所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，所述射频线圈为多通道相控阵线圈、组合线圈、体线圈或可调谐的射频线圈。
7.根据权利要求1所述的磁共振多核阵列射频装置，其特征在于，还包括中频带通滤波器，与所述混频器电连接，用于对混频处理后的磁共振信号滤波；通用放大器，其输入端与所述中频带通滤波器电连接，其输出端与所述模/数转换器电连接，用于对所述磁共振信号进行放大处理。
8.—种磁共振信号接收方法，包括以下步骤射频线圈捕获磁共振信号；低噪声前置放大器对捕获的磁共振信号进行前置放大处理；根据所述磁共振信号选择对应的多路复用器的射频线圈通道和滤波通道，并传递该磁共振信号；对磁共振信号进行滤波、放大处理；获取本地振荡信号，将所述本地振荡信号与所述磁共振信号进行混频处理；将所述混频处理后的磁共振信号进行模数转换，得到磁共振数字信号。
9.根据权利要求6所述的磁共振信号接收方法，其特征在于，在所述射频线圈捕获磁共振信号的步骤之前，还包括步骤将发射/接收切换开关设置为接收状态。
10.根据权利要求6所述的磁共振信号接收方法，其特征在于，在获取本地振荡信号， 将所述本地振荡信号与所述磁共振信号进行混频处理的步骤之后，还包括步骤对所述混频处理后的磁共振信号进行滤波、放大处理。
全文摘要
本发明涉及一种磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法。该磁共振多核阵列射频装置包括射频接收机，所述射频接收机包括射频线圈、低噪声前置放大器、多路复用器、射频带通滤波器、程控放大器，电连接所述射频带通滤波器、频率合成器、混频器、模/数转换器和控制器，所述控制器用于控制多路复用器选择对应的射频线圈通道和滤波通道，以及所述射频带通滤波器的增益大小，并接收所述模/数转换器传递的磁共振数字信号。上述磁共振多核阵列射频装置及磁共振信号接收方法，采用多路复用器选择对应的线圈通道和滤波通道，其他电路共用，不需对不同的原子核磁共振分别配置不同的电路，减少了电路的冗余，降低了成本。
文档编号G01R33/36GK102565733SQ20121003014
公开日2012年7月11日 申请日期2012年2月10日 优先权日2011年12月12日
发明者刘新, 宋怡彪, 章勇勤, 苗卉, 邱本胜, 郑海荣 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院