一种增强磁共振谱仪动态范围的方法
阅读说明：本技术 一种增强磁共振谱仪动态范围的方法 (Method for enhancing dynamic range of magnetic resonance spectrometer ) 是由 吴林 张涛 尧德中 余洁 刘杭 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种增强磁共振谱仪动态范围的方法,应用于电子信息技术领域,针对现有技术获得高动态范围的核磁共振谱仪采集信号存在的问题；本发明通过预扫描得到不同增益设置下K空间的回波信号的幅值分布情况,正式扫描启动后,将K空间相位编码行分成N部分,每部分设置一个接收增益,使得相应部分的相位编码行对应的回波信号到达ADC进行模数转换时能够充分利用ADC的动态范围；采用本发明的方法降低了对磁共振谱仪接收机ADC的性能要求,磁共振接收机在固定增益控制下ADC的最佳采样位至少需要19位才能覆盖MR信号的全动态范围,接收机在可变增益控制下ADC的最佳采样位宽为15位以上即可覆盖MR信号的全动态范围。(The invention discloses a method for enhancing the dynamic range of a magnetic resonance spectrometer, which is applied to the technical field of electronic information and aims at solving the problem of acquiring signals of a nuclear magnetic resonance spectrometer with a high dynamic range in the prior art; the amplitude distribution condition of the echo signals of K space under different gain settings is obtained through pre-scanning, after formal scanning is started, the phase coding lines of the K space are divided into N parts, and each part is provided with a receiving gain, so that the dynamic range of an ADC (analog to digital converter) can be fully utilized when the echo signals corresponding to the phase coding lines of the corresponding part reach the ADC for analog to digital conversion; the method reduces the performance requirement on the ADC of the magnetic resonance spectrometer receiver, the optimal sampling bit of the ADC under the control of the fixed gain of the magnetic resonance receiver at least needs 19 bits to cover the full dynamic range of the MR signal, and the optimal sampling bit width of the ADC under the control of the variable gain of the receiver is more than 15 bits to cover the full dynamic range of the MR signal.)
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，特别涉及一种增强磁共振谱仪动态范围的技术。
背景技术
获得高动态范围的核磁共振(MRI)谱仪采集信号，一直是磁共振领域所追求的目标。采集信号的动态范围(dynamic range，简称DR)是其最大有效值与最小有效值的功率比。DR通常用分贝表示，Smax是要测量的最大信号幅度，ε是从噪声基底能识别到最小信号幅度。该比率决定了模数转换器(ADC)将模拟信号转换成数字量所需的位数，同时它还规定了传输此信号对信道DR要求。括号中的因子2表达了信号范围可以为正或负的事实。满足输入信号的DR要求所需的ADC最小位数J由下式给出：J＝DR/6.02。任何全局影响SNR的参数都会类似地影响DR，因此扩展DR可以提升信噪比。为了充分发挥MRI谱仪接收机的潜力，在模数转换环节ADC必须捕获从k空间中央峰值到系统的热本底噪声的信号幅度范围的全部信号。
提高磁共振谱仪采集信号的动态范围常用的方法有如下3种：
1)以高于奈奎斯特速率的采样率增强ADC的有效DR，从而降低ADC量化噪声。尽管近些年ADC性能的发展非常迅速，但是ADC指标仍然难以同时兼顾高的位宽和高转换速率这两项指标，当提高ADC位宽时，转换速率下降，反之，当转换速率提升后，位宽则下降。在论文C.H.OH,Y.C.RYU,J.H.HYUN,S.H.BAE,S.T.CHUNG,H.W.PARK,Y.G.KIM.Dynamic RangeExpansion of Receiver by Using Optimized Gain Adjustment for High-Field MRI,J.Concepts in Magnetic Resonance Part A,Vol.36A(4)243–254(2010)中通过仿真得出结论，接收机在固定增益控制下ADC的最佳采样位至少需要19位才能满足磁共振图像动态范围的要求。直接射频采样技术在现代磁共振设备应用非常普遍，通常ADC的转换率在80MHz以上。因此，若ADC的指标同时满足位宽在19位以上、转换率在80MHz以上，且成本要在商业化谱仪的可接受范围内，目前同时满足这些条件还有困难。
2)通过非线性梯度脉冲来实现动态范围的提升。论文V.J.Wedeen,Y.S.Chao,J.L.Ackerman,Dynamic range compression in MRI by means of a nonlineargradient pulse,J.Magn.Reson.Med.6(1988)287–295提到非线性梯度脉冲将扫描对象的线性相位分布转换为非线性相位脉冲，从而压缩了k空间数据的最大峰值，提高了信号的动态范围。通过改变梯度线圈的设计，使得空间中的梯度不是线性变化的，从而产生非线性的梯度场。然而在工程实践中很难设计能够达到符合目标需求的非线性梯度线圈，并且在线性梯度编码时存在对系统误差的不敏感性，此时用非线性梯度脉冲技术可能使得回波中央信号非线性压缩幅值信号不能精确恢复出来。
3)针对以上第1)和第2)种增强磁共振谱仪采集信号DR方法存在的一些技术瓶颈，人们将研究视野转移到磁共振k空间相关局部位置对应信号幅值的缩放，其中信号的重新缩放通过不同增益设置来实现，以使ADC能够覆盖比自身ADC动态范围更大的DR。论文Katsumi Kose,K.Endoh,T.Inouye.Nonlinear Amplitude Compression In MagneticResonance Imaging:Quantization Noise Reduction and Data Memory Saving,J.IEEEAES Magazine,June 1990将K空间相位编码行低频分量进行压缩，高频分量进行扩张。通过仿真表明，非线性放大将量化噪声降低了10到20倍，折合动态范围增加了4位左右。根据论文J.Bollenbeck,M.Vester,R.Oppelt,H.Kroeckel,W.Schnell.A high performancemulti-channel RF Receiver for Magnet Resonance Imaging Systems,J.Proc.Intl.Soc.Mag.Reson.Med.13(2005)可知，2005年西门子公司提出了一种非线性压缩的具体实现方案，在MRI接收机ADC之前设计了一种信号幅度压缩器/扩展器(压缩扩展器)，该技术规避了对接收机内部自动增益控制的需求，当ADC转换速率为10MS/s时，MRI DR能够做到164dB/Hz，对应有效位数(ENOB)为16位。如果ADC前没有压缩扩展器则需要18位分辨率才能达到164dB/Hz的DR。由于西门子公司提供的方案必须在模拟电路中进行信号幅值的动态压缩，因此这种设计在工程实现上是一项极具挑战性的任务，设计指标除了满足基本功能(DR和压缩特性)外，还必须综合考虑非线性压缩信号可恢复性、电压偏移、温度稳定性等因素的影响。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种增强磁共振谱仪动态范围的方法，在相位编码和频率编码方向都用线性梯度脉冲进行编码，并且本发明不使用非线性压缩的模拟电路对一个相位编码行的不同频率编码所采集信号进行非线性放大。
本发明采用的技术方案为：一种增强磁共振谱仪动态范围的方法，包括：
S1、通过预扫描得到不同增益设置下K空间的回波信号的幅值分布情况；
S2、对不同增益对应的增益差和相位进行迭代校正；
S3、正式扫描启动后，将K空间相位编码行分成N部分，每部分设置一个接收增益，得到完整的K空间数据。
步骤S1所述与扫描的频率编码步数和相位编码步数设置为正式扫描的1/4。
步骤S1具体为：按照6dB增益步进从大到小分别设置n个增益控制参数G1、G2…Gn；其中相位编码有M步，在每个增益参数控制下，通过扫描得到一组K空间数据；依次从最大增益G1开始，分析对应增益参数控制下扫描采集到的K空间数据，找出所有回波幅值未溢出的相位编码行；后续增益控制参数依次在剩余的若干步相位编码里找出所有回波幅值未溢出的相位编码行；
记G1到Gn增益参数控制下剩余的未溢出的相位编码步数分别是M1、M2…Mn，其中M1+M2…+Mn＝M。
步骤S2具体为：从最大增益G1开始，对相邻的两个增益控制参数控制下各自对应的相位编码步数所采集回波对应行做增益和相位比较，得到相邻的两个增益控制参数控制下的统计增益差因子与回波相位差。
步骤S3包括：将K空间每次相位编码行的频率编码步数和总相位编码步数扩充为预扫描时的4倍。
步骤S3还包括对对不同增益步进控制下相位编码行数据进行归一化，具体的：增益G1控制下的相位编码为4M1步数据保持不变；后续增益控制参数控制下对应相位编码步数的数据根据该增益控制参数之前的所有统计增益差因子与回波相位差进行归一化。
归一化计算过程为：Gi控制下相位编码为4Mi步数据各个点的复信号乘以
本发明的有益效果：本发明基于常规的ADC(16bit位宽&80MHz采样率)进行磁共振回波信号的采集，在相位编码和频率编码方向都用线性梯度脉冲进行编码，并且本发明不使用非线性压缩的模拟电路对一个相位编码行的不同频率编码所采集信号进行非线性放大。本发明通过预扫描得到不同增益设置下K空间的回波信号的幅值分布情况，正式扫描启动后，将K空间相位编码行分成N部分，每部分设置一个接收增益，使得相应部分的相位编码行对应的回波信号到达ADC进行模数转换时能够充分利用ADC的动态范围；本发明具备以下优点：
1、降低了对磁共振谱仪接收机ADC的性能要求，磁共振接收机在固定增益控制下ADC的最佳采样位至少需要19位才能覆盖MR信号的全动态范围，接收机在可变增益控制下ADC的最佳采样位宽为15位以上即可覆盖MR信号的全动态范围；
2、本发明在不修改磁共振接收机电路的情况下，通过优化序列的扫描参数提高了图像的动态范围；
3、整个序列扫描的时间只增加5％左右，而重建图像的信噪比提高了10～20dB(ADC位宽相当于提高4位)；
4、本发明的迭代信号增益和相位校正方法，规避了噪声基底对幅值较小回波的影响，减少了校正误差。
附图说明
图1为本发明的方案流程图；
图2为本发明实施例提供的预扫描(prescan)的K空间示意图；
图3为本发明实施例提供的进行不同增益步进下增益差和相位的迭代校正示意图；
其中，图3(a)为通过直方图得到不同增益步进下增益差的示意图，图3(b)为通过另外一幅直方图得到不同增益步进下相位的示意图；
图4为校正后的预扫描(prescan)的K空间示意图；
图5为本发明实施例提供的正式扫描的K空间示意图；
图6为本发明方法的仿真结果；
其中，图6(a)为固定增益下不同ADC位宽与采集信噪比的关系，图6(b)为动态调整增益下不同ADC位宽与采集信噪比的关系。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
本发明基于常规的ADC(16bit位宽&80MHz采样率)进行磁共振回波信号的采集，在相位编码和频率编码方向都用线性梯度脉冲进行编码，并且本发明不使用非线性压缩的模拟电路对一个相位编码行的不同频率编码所采集信号进行非线性放大。
本发明通过预扫描得到不同增益设置下K空间的回波信号的幅值分布情况，正式扫描启动后，将K空间相位编码行分成N部分，每部分设置一个接收增益，使得相应部分的相位编码行对应的回波信号到达ADC进行模数转换时能够充分利用ADC的动态范围。
本发明的实现过程如图1所示，包括以下三个步骤：
1、在预扫描时，如图2所示，横坐标为频率步数，纵坐标为相位编码步数，设置扫描矩阵大小为正式扫描的1/4，即将频率编码步数和相位编码步数分别设置为正式扫描的1/4。按照6dB增益步进从大到小分别设置n个增益控制参数G1、G2…Gn，即在这n个接收增益控制参数下各扫描一次；这样设计的好处可以大幅度减少预扫描的时间，其中相位编码有M步，在每个增益参数控制下，通过扫描得到一组K空间数据。依次从最大增益G1开始，分析该增益参数控制下扫描采集到的K空间数据，找出所有回波幅值未溢出的相位编码行，合计M1步相位编码；然后分析G2控制下扫描采集到的K空间数据，从剩余的M-M1步相位编码里找出所有回波幅值未溢出的相位编码行，合计M2步相位编码；按照以上规律分别得到G3到Gn增益参数控制下剩余的未溢出的相位编码步数分别是M3、M4…Mn，其中M1+M2…+Mn＝M。
2、进行不同增益步进下增益差和相位的迭代校正。将数据格式设置为32位浮点。G1控制下M1步相位编码所采集回波与G2控制下同样这些M1步相位编码所采集回波对应行做增益和相位比较。如图3所示，通过直方图得到G1与G2控制下的统计增益差因子为ΔG1(如图3(a)所示)，同样通过另外一幅直方图得到G2相对于G1控制下的回波相位差为φ1(如图3(b)所示)，依次规律，分别得到G2与G3的统计增益差因子为ΔG2，G3相对于G2控制下的回波相位差为φ2，……，以及Gn-1与Gn的统计增益差因子为ΔGn-1，Gn相对于Gn-1控制下的回波相位差为φn-1。
图4为根据图3得到相邻接收增益间的增益差和相位差，对K空间各部分在不同接收增益控制下K空间各部分的增益和相位补偿实施方法，即K空间各部分在不同接收增益控制下得到的数据归一化到同一接收增益下；图4中右侧是增益差和相位差补偿值，用于补偿图4中对应括号区域的数据。
3、启动正式扫描，如图5所示，将K空间每次相位编码行的频率编码步数和总相位编码步数由预扫描的M扩充为4M，则增益G1控制下的相位编码为4M1步，G2控制下相位编码为4M2步，以此类推，Gn控制下的相位编码步数为4Mn步。扫描采集得到完整的K空间数据，分别对不同增益步进控制下相位编码行数据进行归一化。增益G1控制下的相位编码为4M1步数据保持不变；G2控制下相位编码为4M2步数据各个点的复信号乘以G3控制下相位编码为4M3步数据各个点的复信号乘以以此类推，Gn控制下相位编码为4Mn步数据各个点的复信号乘以图5中G1,…,Gn为对应K空间区域的接收增益参数。
本实施例中K空间横坐标方向是频率编码，纵坐标方向是相位编码，每一行就是相位编码的一步。
如图6所示的仿真结果，表达了固定增益和动态调整增益下的ADC位宽与采集信号信噪比的对比关系，图6(a)为固定增益下不同ADC位宽与采集信噪比的关系，图6(b)为动态调整增益下不同ADC位宽与采集信噪比的关系，其中GC为动态增益(gain control的缩写)。通过图6仿真可知谱仪在扫描过程中通过增益动态调整，15位位宽的ADC就能实现相当于扫描过程中增益固定且ADC位宽为19位的采集信号动态范围，且该方法不需要对谱仪进行任何硬件修改。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
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