DSP在磁共振数据接收系统中的应用分析

廖艳芬

摘要：数字信号处理（Digital Signal Processing）简称DSP，是一种用数字方式进行信号处理，即利用熟悉计算机和专用数字处理设备对信号进行分析、变换、综合、滤波、估计、与识别等处理。随着科技的发展，DSP技术已广泛应用于生物医学领域，本文以DSP在核磁共振（MRI）数据系统中数据接收系统中的应用进行分析，简述DSP在生物医学领域的重要性。

关键词：DSP；核磁共振；数据接收

DSP具有精度高、灵活性强、可靠性好、容易大规模集成、时分复用、多维处理等优点。磁共振成像系统主要包括磁体、射频、梯度等若干子系统，通过时序上精确地控制这些子系统的发射与接收，再利用磁共振成像原理对被测物体进行成像。在磁共振成像系统中，数据接收系统中担任着将射频输出前端的数据进行放大和采集的任务，其性能的好坏直接影响成像的质量。

磁共振成像信号是调制在拉莫进动频率的窄带高频信号，该信号有三个特性，一：信号强度弱，一般在mv量级。二：信号频率高。三：信号带宽窄。由于这三个重要的特性核磁共振接收系统通常包括信号放大、模数转换、频率解调和滤波抽样等几个步骤。

1：信号放大与相敏检波

磁共振射数据接收系统中至少有两个前置放大器，第一级放大属于射频低噪声放大的研究范畴，第二级放大是采用增益技术对不同幅度的磁共振信号进行放大。由于磁共振成像时，不同的FOV不同的成像方法不同的切片厚度都会对线圈接收信号的幅度造成影响。相敏检波的原因是区分磁共振信号中有频率和相位信息。

2：数字解调

第一级解调是将RF信号和发射机产生的LOIP本振信号进行混频，把目标信号的中心频率解调到中频。第二级解调是采用正交解调的方法将中心频率在中频的信号与发射机产生的FDIN本振信号混频，将目标信号解调至基频，输出同相位的I信号和正交的Q信号。

2：A/D转换

正常情况下，只要满足Nyquist抽样定理的A/D转换器就行，场强越高就需要更高速的A/D芯片。A/D转换的一般工作过程，①取样与保持。②量化与编码。经过A/D转换器的结果是输出一系列代码。

3：数字滤波

数字滤波器是DSP的一个重要分支。它的作用是在形形色色的信号中提取所需要的信号，并抑制不需要的信号，如干扰、噪声。数字滤波器实质是用一有限精度算法实现的离散时间线性时不变系统，以完成对信号进行滤波处理的功能。其输入是一组由模拟信号经过取样和量化的数字量，输出是经过处理的另一组数字量。

射频信号经过A/D转换后，数据会被输入到DDC中的NCO中进行第二级解调，变成基带信号，然后进入CIC滤波器，其取率M可在2-32范围内设置，数据经过FIR滤波器进行补偿后由半带滤波器（RB FILTER）进一步抽取，然后通过两级可变系数的抽取滤波器（CRCF，DRCF）最后得到I信号和Q信号。

CIC滤波器：全名级联积分梳状滤波器，用来降低或提高采样率，仅利用加法器、减法器和寄存器（无需乘法器），占用资源少、实现简单且速度快。

FIR滤波器：全名有限长单位冲击响应滤波器，图3所示的FIR是基于全相位幅频特性补偿的FIR滤波器，它的作用是它可以保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，由于它的单位抽样响应是有限长的，所以滤波器是一个稳定的系统。

RB滤波器：半带滤波器，是一种特殊的低通FIR滤波器，它的通带和阻带相当于二分之一Nyquist频率。它既可以置于上采样变化后组合实现插值处理，也可置于下采样变化前组合实现抽取处理，可防止频谱混叠。图3是置于下采样变化前的半带滤波器的使用。

可变系数滤波器：是以输入和输出信号的统计特性的估计为依据，采取特定算法自动的调整滤波器系数，使其达到最佳滤波特性的一种算法的装置。

4：傅里叶变换

MRI的空间编码方式，其基础是梯度场的引入带来的进动频率改变。选层，相位编码和梯度编码为三维方向上的图像编码手段，最终通过K空间的填充和傅里叶变换得到图像。

图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标，是灰度在平面空间上的梯度。从数学角度看，傅里叶变换是将一个函数转化为另一个周期函数。从物理角度看，傅里叶变换是将图像从空间域变换到频率域。

二维离散傅里叶变换：一个图像尺寸为M*N的函数f（x，y）的离散傅里叶变换F（u，v）公式

（u，v）=（0，0）位置的傅里叶变换值是f（x，y）的均值，原点（0，0）的傅里叶变换是图像的平均灰度。F（0，0）称为频率谱的直流分量，其他F（u，v）的值称为频率谱的交流分量。

经过傅里叶变换之后，经过计算机进行图像增强、图像平滑、图像边缘检测、图像压缩等图像处理后形成图像。

参考文献：

[1]从玉良，王志宏编著 数字信号处理原理及MATLAB实现 —2版 —北京：电子工业出版社，2009，7

[2]黄祥国，李燕主编 医学影像设备学 —3版 —北京：人民卫生出版社，2004

[3]吴正大主编 信号与线性系统分析 —4版 —北京：高等教育出版社，2005，8

指导老师：刘云连