DSP在磁共振數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

廖艷芬

摘要：數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing）簡(jiǎn)稱DSP，是一種用數(shù)字方式進(jìn)行信號(hào)處理，即利用熟悉計(jì)算機(jī)和專用數(shù)字處理設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、變換、綜合、濾波、估計(jì)、與識(shí)別等處理。隨著科技的發(fā)展，DSP技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，本文以DSP在核磁共振（MRI）數(shù)據(jù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述DSP在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要性。

關(guān)鍵詞：DSP；核磁共振；數(shù)據(jù)接收

DSP具有精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性好、容易大規(guī)模集成、時(shí)分復(fù)用、多維處理等優(yōu)點(diǎn)。磁共振成像系統(tǒng)主要包括磁體、射頻、梯度等若干子系統(tǒng)，通過時(shí)序上精確地控制這些子系統(tǒng)的發(fā)射與接收，再利用磁共振成像原理對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行成像。在磁共振成像系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中擔(dān)任著將射頻輸出前端的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和采集的任務(wù)，其性能的好壞直接影響成像的質(zhì)量。

磁共振成像信號(hào)是調(diào)制在拉莫進(jìn)動(dòng)頻率的窄帶高頻信號(hào)，該信號(hào)有三個(gè)特性，一：信號(hào)強(qiáng)度弱，一般在mv量級(jí)。二：信號(hào)頻率高。三：信號(hào)帶寬窄。由于這三個(gè)重要的特性核磁共振接收系統(tǒng)通常包括信號(hào)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻率解調(diào)和濾波抽樣等幾個(gè)步驟。

1：信號(hào)放大與相敏檢波

磁共振射數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)中至少有兩個(gè)前置放大器，第一級(jí)放大屬于射頻低噪聲放大的研究范疇，第二級(jí)放大是采用增益技術(shù)對(duì)不同幅度的磁共振信號(hào)進(jìn)行放大。由于磁共振成像時(shí)，不同的FOV不同的成像方法不同的切片厚度都會(huì)對(duì)線圈接收信號(hào)的幅度造成影響。相敏檢波的原因是區(qū)分磁共振信號(hào)中有頻率和相位信息。

2：數(shù)字解調(diào)

第一級(jí)解調(diào)是將RF信號(hào)和發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的LOIP本振信號(hào)進(jìn)行混頻，把目標(biāo)信號(hào)的中心頻率解調(diào)到中頻。第二級(jí)解調(diào)是采用正交解調(diào)的方法將中心頻率在中頻的信號(hào)與發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的FDIN本振信號(hào)混頻，將目標(biāo)信號(hào)解調(diào)至基頻，輸出同相位的I信號(hào)和正交的Q信號(hào)。

2：A/D轉(zhuǎn)換

正常情況下，只要滿足Nyquist抽樣定理的A/D轉(zhuǎn)換器就行，場(chǎng)強(qiáng)越高就需要更高速的A/D芯片。A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程，①取樣與保持。②量化與編碼。經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)果是輸出一系列代碼。

3：數(shù)字濾波

數(shù)字濾波器是DSP的一個(gè)重要分支。它的作用是在形形色色的信號(hào)中提取所需要的信號(hào)，并抑制不需要的信號(hào)，如干擾、噪聲。數(shù)字濾波器實(shí)質(zhì)是用一有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時(shí)間線性時(shí)不變系統(tǒng)，以完成對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理的功能。其輸入是一組由模擬信號(hào)經(jīng)過取樣和量化的數(shù)字量，輸出是經(jīng)過處理的另一組數(shù)字量。

射頻信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)會(huì)被輸入到DDC中的NCO中進(jìn)行第二級(jí)解調(diào)，變成基帶信號(hào)，然后進(jìn)入CIC濾波器，其取率M可在2-32范圍內(nèi)設(shè)置，數(shù)據(jù)經(jīng)過FIR濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后由半帶濾波器（RB FILTER）進(jìn)一步抽取，然后通過兩級(jí)可變系數(shù)的抽取濾波器（CRCF，DRCF）最后得到I信號(hào)和Q信號(hào)。

CIC濾波器：全名級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器，用來降低或提高采樣率，僅利用加法器、減法器和寄存器（無需乘法器），占用資源少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且速度快。

FIR濾波器：全名有限長單位沖擊響應(yīng)濾波器，圖3所示的FIR是基于全相位幅頻特性補(bǔ)償?shù)腇IR濾波器，它的作用是它可以保證任意幅頻特性的同時(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，由于它的單位抽樣響應(yīng)是有限長的，所以濾波器是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。

RB濾波器：半帶濾波器，是一種特殊的低通FIR濾波器，它的通帶和阻帶相當(dāng)于二分之一Nyquist頻率。它既可以置于上采樣變化后組合實(shí)現(xiàn)插值處理，也可置于下采樣變化前組合實(shí)現(xiàn)抽取處理，可防止頻譜混疊。圖3是置于下采樣變化前的半帶濾波器的使用。

可變系數(shù)濾波器：是以輸入和輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性的估計(jì)為依據(jù)，采取特定算法自動(dòng)的調(diào)整濾波器系數(shù)，使其達(dá)到最佳濾波特性的一種算法的裝置。

4：傅里葉變換

MRI的空間編碼方式，其基礎(chǔ)是梯度場(chǎng)的引入帶來的進(jìn)動(dòng)頻率改變。選層，相位編碼和梯度編碼為三維方向上的圖像編碼手段，最終通過K空間的填充和傅里葉變換得到圖像。

圖像的頻率是表征圖像中灰度變化劇烈程度的指標(biāo)，是灰度在平面空間上的梯度。從數(shù)學(xué)角度看，傅里葉變換是將一個(gè)函數(shù)轉(zhuǎn)化為另一個(gè)周期函數(shù)。從物理角度看，傅里葉變換是將圖像從空間域變換到頻率域。

二維離散傅里葉變換：一個(gè)圖像尺寸為M*N的函數(shù)f（x，y）的離散傅里葉變換F（u，v）公式

（u，v）=（0，0）位置的傅里葉變換值是f（x，y）的均值，原點(diǎn)（0，0）的傅里葉變換是圖像的平均灰度。F（0，0）稱為頻率譜的直流分量，其他F（u，v）的值稱為頻率譜的交流分量。

經(jīng)過傅里葉變換之后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像平滑、圖像邊緣檢測(cè)、圖像壓縮等圖像處理后形成圖像。

參考文獻(xiàn)：

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指導(dǎo)老師：劉云連