DSP在磁共振數據接收系統中的應用分析

廖艷芬

摘要：數字信號處理（Digital Signal Processing）簡稱DSP，是一種用數字方式進行信號處理，即利用熟悉計算機和專用數字處理設備對信號進行分析、變換、綜合、濾波、估計、與識別等處理。隨著科技的發展，DSP技術已廣泛應用于生物醫學領域，本文以DSP在核磁共振（MRI）數據系統中數據接收系統中的應用進行分析，簡述DSP在生物醫學領域的重要性。

關鍵詞：DSP；核磁共振；數據接收

DSP具有精度高、靈活性強、可靠性好、容易大規模集成、時分復用、多維處理等優點。磁共振成像系統主要包括磁體、射頻、梯度等若干子系統，通過時序上精確地控制這些子系統的發射與接收，再利用磁共振成像原理對被測物體進行成像。在磁共振成像系統中，數據接收系統中擔任著將射頻輸出前端的數據進行放大和采集的任務，其性能的好壞直接影響成像的質量。

磁共振成像信號是調制在拉莫進動頻率的窄帶高頻信號，該信號有三個特性，一：信號強度弱，一般在mv量級。二：信號頻率高。三：信號帶寬窄。由于這三個重要的特性核磁共振接收系統通常包括信號放大、模數轉換、頻率解調和濾波抽樣等幾個步驟。

1：信號放大與相敏檢波

磁共振射數據接收系統中至少有兩個前置放大器，第一級放大屬于射頻低噪聲放大的研究范疇，第二級放大是采用增益技術對不同幅度的磁共振信號進行放大。由于磁共振成像時，不同的FOV不同的成像方法不同的切片厚度都會對線圈接收信號的幅度造成影響。相敏檢波的原因是區分磁共振信號中有頻率和相位信息。

2：數字解調

第一級解調是將RF信號和發射機產生的LOIP本振信號進行混頻，把目標信號的中心頻率解調到中頻。第二級解調是采用正交解調的方法將中心頻率在中頻的信號與發射機產生的FDIN本振信號混頻，將目標信號解調至基頻，輸出同相位的I信號和正交的Q信號。

2：A/D轉換

正常情況下，只要滿足Nyquist抽樣定理的A/D轉換器就行，場強越高就需要更高速的A/D芯片。A/D轉換的一般工作過程，①取樣與保持。②量化與編碼。經過A/D轉換器的結果是輸出一系列代碼。

3：數字濾波

數字濾波器是DSP的一個重要分支。它的作用是在形形色色的信號中提取所需要的信號，并抑制不需要的信號，如干擾、噪聲。數字濾波器實質是用一有限精度算法實現的離散時間線性時不變系統，以完成對信號進行濾波處理的功能。其輸入是一組由模擬信號經過取樣和量化的數字量，輸出是經過處理的另一組數字量。

射頻信號經過A/D轉換后，數據會被輸入到DDC中的NCO中進行第二級解調，變成基帶信號，然后進入CIC濾波器，其取率M可在2-32范圍內設置，數據經過FIR濾波器進行補償后由半帶濾波器（RB FILTER）進一步抽取，然后通過兩級可變系數的抽取濾波器（CRCF，DRCF）最后得到I信號和Q信號。

CIC濾波器：全名級聯積分梳狀濾波器，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、實現簡單且速度快。

FIR濾波器：全名有限長單位沖擊響應濾波器，圖3所示的FIR是基于全相位幅頻特性補償的FIR濾波器，它的作用是它可以保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，由于它的單位抽樣響應是有限長的，所以濾波器是一個穩定的系統。

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于二分之一Nyquist頻率。它既可以置于上采樣變化后組合實現插值處理，也可置于下采樣變化前組合實現抽取處理，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。

可變系數濾波器：是以輸入和輸出信號的統計特性的估計為依據，采取特定算法自動的調整濾波器系數，使其達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，其基礎是梯度場的引入帶來的進動頻率改變。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，是灰度在平面空間上的梯度。從數學角度看，傅里葉變換是將一個函數轉化為另一個周期函數。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：一個圖像尺寸為M*N的函數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（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。

經過傅里葉變換之后，經過計算機進行圖像增強、圖像平滑、圖像邊緣檢測、圖像壓縮等圖像處理后形成圖像。

參考文獻：

[1]從玉良，王志宏編著 數字信號處理原理及MATLAB實現 —2版 —北京：電子工業出版社，2009，7

[2]黃祥國，李燕主編 醫學影像設備學 —3版 —北京：人民衛生出版社，2004

[3]吳正大主編 信號與線性系統分析 —4版 —北京：高等教育出版社，2005，8

指導老師：劉云連