正交检波的方法和设备以及磁共振成像系统.pdf

为了提供其中不产生不必要频率分量的正交检波器，执行以下过程：把模拟输入信号转换为数字信号f1(t)，以及把信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)。然后，令参考频率为ω0，则正交检波中的I和Q分量按照以下表达式：I＝{f2(t)*sinω0t－f1(t)*sinω0(t－τ)}/sinω0τ以及Q＝{f2(t)*cosω0t－f1(t)*cosω0(t－τ)}/sinω0τ。根据上述表达式的信号处理通过包含延迟部件、乘法部件和减法部件的电路来执行。

1.  一种用于正交检波的方法，
其中把模拟输入信号转换为数字信号f1(t)；把所述信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)；以及令参考频率为ω0，则正交检波中的I和Q分量由表达式1来确定：
[表达式1]
I＝{f2(t)*sinω0t-f1(t)*sinω0(t-τ)}/sinω0τ
Q＝{f2(t)*cosω0t-f1(t)*cosω0(t-τ)}/sinω0τ

2.  一种正交检波器，包括：
模-数转换装置，它把模拟输入信号转换成数字信号f1(t)；
第一延迟装置，它把所述信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)；
第二延迟装置，它把参考信号sinω0t延迟所述采样时间τ，从而形成延迟参考信号sinω0(t-τ)；
第三延迟装置，它把参考信号cosω0t延迟所述采样时间τ，从而形成延迟参考信号cosω0(t-τ)；
第一乘法装置，它把所述信号f2(t)与所述参考信号sinω0t相乘；
第二乘法装置，它把所述信号f1(t)与所述延迟参考信号sinω0(t-τ)相乘；
第三乘法装置，它把所述信号f2(t)与所述参考信号cosω0t相乘；
第四乘法装置，它把所述信号f1(t)与所述延迟参考信号cosω0(t-τ)相乘；
第一减法装置，它确定所述第一乘法装置的输出信号与所述第二乘法装置的输出信号之差；
第二减法装置，它确定所述第三乘法装置的输出信号与所述第四乘法装置的输出信号之差；
第五乘法装置，它把所述第一减法装置的输出信号与预定系数相乘；以及
第六乘法装置，它把所述第二减法装置的输出信号与预定系数相乘。

3.  如权利要求2所述的正交检波器，其特征在于，
所述系数为1/sinω0τ。

4.  如权利要求2或3所述的正交检波器，其特征在于，
所述第一到第三延迟装置、所述第一到第六乘法装置以及所述第一和第二减法装置作为整体由DSP构成。

5.  如权利要求2或3所述的正交检波器，其特征在于，
所述第一到第三延迟装置、所述第一到第六乘法装置以及所述第一和第二减法装置作为整体由FPGA构成。

6.  如权利要求2或3所述的正交检波器，其特征在于，
所述第一到第三延迟装置、所述第一到第六乘法装置以及所述第一和第二减法装置作为整体由ASIC构成。

7.  如权利要求2到6中任一项所述的正交检波器，其特征在于，
所述第一到第三延迟装置、所述第一到第六乘法装置以及所述第一和第二减法装置根据频率为1/τ的时钟进行工作。

8.  如权利要求2到6中任一项所述的正交检波器，其特征在于，
所述第一到第六乘法装置以及所述第一和第二减法装置执行流水线操作。

9.  如权利要求2到8中任一项所述的正交检波器，其特征在于，所述输入信号为RF信号。

10.  一种MRI系统，它通过磁系统把静态磁场、梯度磁场和高频磁场施加到对象上，使所产生的磁共振信号通过正交检波器进行正交检波，以及根据经过正交检波的信号来重构图像，
其中所述正交检波器包括：
模-数转换装置，它把模拟输入信号转换成数字信号f1(t)；
第一延迟装置，它把所述信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)；
第二延迟装置，它把参考信号sinω0t延迟所述采样时间τ，从而形成延迟参考信号sinω0(t-τ)；
第三延迟装置，它把参考信号cosω0t延迟所述采样时间τ，从而形成延迟参考信号cosω0(t-τ)；
第一乘法装置，它把所述信号f2(t)与所述参考信号sinω0t相乘；
第二乘法装置，它把所述信号f1(t)与所述延迟参考信号sinω0(t-τ)相乘；
第三乘法装置，它把所述信号f2(t)与所述参考信号cosω0t相乘；
第四乘法装置，它把所述信号f1(t)与所述延迟参考信号cosω0(t-τ)相乘；
第一减法装置，它确定所述第一乘法装置的输出信号与所述第二乘法装置的输出信号之差；
第二减法装置，它确定所述第三乘法装置的输出信号与所述第四乘法装置的输出信号之差；
第五乘法装置，它把所述第一减法装置的输出信号与预定系数相乘；以及
第六乘法装置，它把所述第二减法装置的输出信号与预定系数相乘。

正交检波的方法和设备以及磁共振成像系统
技术领域
本发明涉及用于正交检波的方法和设备以及MRI(磁共振成像)系统。更具体来讲，本发明涉及其中高频输入信号被转换为低频信号的正交检波的方法和设备以及配备这种正交检波器的MRI系统。
背景技术
MRI系统把作为RF(射频)信号接收的磁共振信号通过参考信号进行正交检波，从而获得基带信号。然后，根据基带信号，MRI系统重构图像。在正交检波中，除基带信号之外，还有一个中心频率为参考信号的两倍的信号。但是，由于这个信号是不需要的，因此通过滤波器将它消除。(例如，参见非专利文献1。)
[非专利文献1]NMR Medicine，Basic and Clinical，ed.“Societyfor the Study of Nuclear Magnetic Resonance Medicine(3rd ed.)，Maruzen，Nov.20，1987，pp.106-108
使参考信号的频率达到与RF信号的中心频率相对应。因此，如果RF信号的中心频率改变，则参考信号的频率必须相应地改变。因此，必须改变用来消除不必要分量的滤波器。
发明内容
因此，本发明的一个目的是实现其中不产生不必要频率分量的正交检波的方法和设备以及配备这种正交检波器的MRI系统。
(1)根据用于解决此问题的一个方面，本发明是一种用于正交检波的方法。所述用于正交检波的方法的特征在于：模拟输入信号被转换为数字信号f1(t)，以及使信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)。然后，设参考频率为ω0，则正交检波中的I和Q分量由表达式2来确定：
[表达式2]
I＝{f2(t)*sinω0t-f1(t)*sinω0(t-τ)}/sinω0τ
Q＝{f2(t)*cosω0t-f1(t)*cosω0(t-τ)}/sinω0τ
(2)根据用于解决此问题的另一方面，本发明是一种正交检波器，其特征在于所述正交检波器包括：模-数转换部件，它把模拟输入信号转换为数字信号f1(t)；第一延迟部件，它把信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)；第二延迟部件，它把参考信号sinω0t延迟采样时间τ，从而形成延迟参考信号sinω0(t-τ)；第三延迟部件，它把参考信号cosω0t延迟采样时间τ，从而形成延迟参考信号cosω0(t-τ)；第一乘法部件，它把信号f2(t)与参考信号sinω0t相乘；第二乘法部件，它把信号f1(t)与延迟参考信号sinω0(t-τ)相乘；第三乘法部件，它把信号f2(t)与参考信号cosω0t相乘；第四乘法部件，它把信号f1(t)与延迟参考信号cosω0(t-τ)相乘；第一减法部件，它确定第一乘法部件的输出信号与第二乘法部件的输出信号之差；第二减法部件，它确定第三乘法部件的输出信号与第四乘法部件的输出信号之差；第五乘法部件，它把第一减法部件的输出信号与预定系数相乘；以及第六乘法部件，它把第二减法部件的输出信号与预定系数相乘。
(3)根据用于解决此问题的又一方面，本发明是MRI系统。MRI系统通过磁系统把静态磁场、梯度磁场和高频磁场施加到对象上，使产生的磁共振信号受到正交检波器的正交检波，以及根据经过正交检波的信号来重构图像。所述MRI系统的特征在于它配备了正交检波器，其中包括：模-数转换部件，它把模拟输入信号转换为数字信号f1(t)；第一延迟部件，它把信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)；第二延迟部件，它把参考信号sinω0t延迟采样时间τ，从而形成延迟参考信号sinω0(t-τ)；第三延迟部件，它把参考信号cosω0t延迟采样时间τ，从而形成延迟参考信号cosω0(t-τ)；第一乘法部件，它把信号f2(t)与参考信号sinω0t相乘；第二乘法部件，它把信号f1(t)与延迟参考信号sinω0(t-τ)相乘；第三乘法部件，它把信号f2(t)与参考信号cosω0t相乘；第四乘法部件，它把信号f1(t)与延迟参考信号cosω0(t-τ)相乘；第一减法部件，它确定第一乘法部件的输出信号与第二乘法部件的输出信号之差；第二减法部件，它确定第三乘法部件的输出信号与第四乘法部件的输出信号之差；第五乘法部件，它把第一减法部件的输出信号与预定系数相乘；以及第六乘法部件，它把第二减法部件的输出信号与预定系数相乘。
根据参考信号的频率，为了使输出信号的幅度适当，系数最好为1/sinω0τ。就通用性而言，第一到第三延迟部件、第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件最好作为整体由DSP构成。
就灵活性而言，第一到第三延迟部件、第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件最好作为整体由FPGA构成。第一到第三延迟部件、第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件因缺少冗余度而最好作为整体由ASIC构成。
就同步操作而言，第一到第三延迟部件、第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件最好是根据频率为1/τ的时钟来工作。由于异步操作是可行的，因此第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件最好是执行流水线操作。
根据本发明，按照以上(1)中所述的方面，执行以下步骤：把模拟输入信号转换为数字信号f1(t)，以及把信号f1(t)延迟采样时间τ，从而形成信号f2(t)。然后，设参考频率为ω0，则正交检波中的I和Q分量由表达式3来确定：
[表达式3]
I＝{f2(t)*sinω0t-f1(t)*sinω0(t-τ)}/sinω0τ
Q＝{f2(t)*cosω0t-f1(t)*cosω0(t-τ)}/sinω0τ
因此，没有产生不必要的频率分量。
根据以上(2)或(3)中所述的另一或又一方面，本发明包括第一到第三延迟部件、第一到第六乘法部件以及第一和第二减法部件。然后根据上述表达式执行信号处理。因此，在输出信号中没有包含不必要的频率分量。
通过以下结合附图对本发明的优选实施例进行的说明，本发明的其它目的和优点将会非常明显。
附图说明
图1是MRI系统的框图。
图2是正交检波电路的框图。
具体实施方式
参照附图，下面将详细地描述实现本发明的最佳模式。本发明不限于实现本发明的最佳模式。图1是MRI系统的框图。这种设备是实现本发明的最佳模式的实例。设备的构成针对MRI系统说明实现本发明的最佳模式的实例。
如图所示，该设备包括磁系统10。磁系统10包括主磁场磁体单元102、梯度线圈单元104以及RF线圈单元106。磁系统10中具有成像空间，要提取其图像的对象被送入和送出此成像空间。
主磁场磁体单元102在成像空间中形成静态磁场。主磁场磁体单元102采用例如超导电磁体来构成。主磁场磁体单元102的构成不限于此，而是可采用常规传导电磁体、永磁体等等来构成。
梯度线圈单元104产生三个梯度磁场。这是用于分别在彼此正交的三个轴的方向上提供具有梯度的静态磁场强度，这三个轴是切片轴、相位轴和频率轴。为了能够产生这类梯度磁场，梯度线圈单元104具有三个梯度线圈系统。
RF线圈单元106形成RF磁场，用于在静态磁场空间中激励对象身体中的自旋。RF磁场的形成还称为RF脉冲的发射。由所激励地自旋产生的电磁波、即磁共振信号通过RF线圈单元106来检测。磁共振信号为RF信号。
磁共振信号变成频域、即傅立叶空间中的信号。磁共振信号在相位轴的方向上和在频率轴的方向上通过梯度在两个轴上被编码。因此，获取的磁共振信号是作为二维傅立叶空间中的信号。二维傅立叶空间还称为k空间。
梯度线圈单元104与梯度驱动单元20连接。梯度驱动单元20向梯度线圈单元104提供驱动信号以产生梯度磁场。梯度驱动单元20具有与梯度线圈单元104中的三个梯度线圈系统对应的三个驱动电路系统。
RF线圈单元106与发射机-接收机单元30连接。发射机-接收机单元30向RF线圈单元106提供驱动信号以发送RF脉冲。另外，发射机-接收机单元30从RF线圈单元106接收检测信号。接收信号在发射机-接收机单元30中被转换为数字信号，稍后将会描述。此外，接收信号通过正交检波电路进行正交检波，并作为数字基带信号被输入到计算机40。
计算机40把从发射机-接收机单元30输入的数据存储在存储器中。在存储器中形成数据空间。这个数据空间对应于k空间。计算机40使k空间中的数据经过二维傅立叶逆变换，从而重构图像。此外，计算机40还控制梯度驱动单元20以及发射机-接收机单元30，从而进行成像。
计算机40与显示单元50和操作单元60连接。
显示单元50包括图形显示器等等。操作单元60包括键盘或配备了指示装置的类似装置。
显示单元50显示从计算机40输出的重构图像和各种信息。操作单元60由用户操作，向计算机40输入各种指令、信息等等。用户通过显示单元50和操作单元60以交互方式操作MRI系统。
图2是框图，说明正交检波电路的实例。正交检波电路构成发射机-接收机单元30的组成部分。这种电路是实现本发明的最佳模式的实例。电路的构成针对正交检波器说明实现本发明的最佳模式的实例。电路的操作针对正交检波方法说明实现本发明的最佳模式的实例。
如图所示，该电路包括：模-数转换器302，数据缓冲器402、404和406，乘法器502、504、506、508、510和512，以及减法器602和604。
模-数转换器302把模拟输入信号转换成数字信号f1(t)。输入信号是从RF线圈单元106接收的RF信号。模-数转换器302的采样周期为τ。模-数转换器302是本发明中的模-数转换部件的实例。
信号f1(t)输入到缓冲器402，缓冲器402则输出信号f2(t)。通过把信号f1(t)延迟τ来获得信号f2(t)。缓冲器402用作延迟装置，其延迟时间为τ。缓冲器402是本发明中的第一延迟部件的实例。
信号f2(t)在乘法器502处与参考信号sinω0t相乘。信号f1(t)在乘法器504中与延迟参考信号sinω0(t-τ)相乘。通过在缓冲器404中把参考信号sinω0t延迟τ来获得延迟参考信号sinω0(t-τ)。
乘法器502是本发明中的第一乘法部件的实例。乘法器504是本发明中的第二乘法部件的实例。缓冲器404是本发明中的第二延迟部件的实例。
减法器602确定乘法器502与504的输出信号之差。这个差信号在乘法器510中与系数1/sinω0τ相乘。根据参考信号的频率，为了使输出信号的幅度适当，把系数设置为1/sinω0τ是适宜的。进行乘法的系数可以是适当的常数值。表示乘法结果的信号作为正交检波信号的I分量被输出。减法器602是本发明中的第一减法部件的实例。乘法器510是本发明中的第五乘法部件的实例。
信号f2(t)在乘法器506中与参考信号cosω0t相乘，以及信号f1(t)在乘法器508中与延迟参考信号cosω0(t-τ)相乘。通过在缓冲器406中把参考信号cosω0t延迟τ来获得延迟参考信号cosω0(t-τ)。
乘法器506是本发明中的第三乘法部件的实例。乘法器508是本发明中的第四乘法部件的实例。缓冲器406是本发明中的第三延迟部件的实例。
减法器604确定乘法器506与508的输出信号之差。这个差信号在乘法器512中与系数1/sinω0τ相乘。根据参考信号的频率，为了使输出信号的幅度适当，把系数设置为1/sinω0τ是适宜的。进行乘法的系数可以是适当的常数值。表示乘法结果的信号作为正交检波信号的Q分量被输出。减法器604是本发明中的第二减法部件的实例。乘法器512是本发明中的第六乘法部件的实例。
通过上述数据处理获得的I和Q分量成为由表达式4来表示的信号：
[表达式4]
I＝{f2(t)*sinω0t-f1(t)*sinω0(t-τ)}/sinω0τ
Q＝{f2(t)*cosω0t-f1(t)*cosω0(t-τ)}/sinω0τ
当参考信号的频率ω0与RF信号的中心频率匹配时，这些I和Q分量都因为以下所述原因而变成基带信号。同时，基带信号没有包含频率为2ω0的信号。因此，不需要用来消除频率为2ω0的信号的滤波器。为此，即使参考信号的频率根据RF信号的中心频率的变化而改变，也可不需任何修改来处理。
这个正交检波电路可用来把频带转换为任何频带以及基带。即使在这种情况下，也只获得输入信号的中心频率与参考信号的频率之差的频率分量。没有产生它们之和的频率分量。因此，不需要用来消除不必要分量的滤波器。
除模-数转换器302之外，该电路作为整体由例如DSP(数字信号处理器)构成。因此，获得通用性极佳的正交检波电路。或者，该电路可由FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)构成。因此，分别获得灵活性极佳或者没有冗余度的正交检波电路。该电路可由适当的分立元件构成，不需要进行添加。
这个电路根据频率为1/τ的时钟进行工作。因此，电路的各个部分的操作可彼此同步。或者，该电路可经过构造，使它执行流水线操作。这样，异步操作是可行的。
下面将描述I和Q分量仅变成基带信号的原因。信号f1(t)由表达式5表示：
[表达式5]
f1(t)＝∫F(ω)*cos{ωt+θ(ω)}dω
信号f2(t)由表达式6表示：
[表达式6]
f2(t)＝f1(t-τ)
     ＝∫F(ω)*cos{ω(t-τ)+θ(ω)}dω
     ＝∫F(ω)*[cos{ωt+θ(ω)}*cos{ωτ}+sin{ωt+θ(ω)}*sin{ωτ}]dω
如果信号f1(t)的频率带宽2ω1比采样周期τ确定的频率带宽充分窄，则表达式7所表示的近似值保持在ω-ω1到ω+ω1的频带之内：
[表达式7]
cos{ωτ}cos{ω0τ}
sin{ωτ}sin{ω0τ}
因此，右边可重写为：
[表达式8]
右边∫F(ω)*[cos{ωt+θ(ω)}*cos{ω0τ}+sin{ωt+θ(ω)}*sin{ω0τ}]dω＝cos{ω0τ}*∫F(ω)*[cos{ωt+θ(ω)}]dω+sin{ω0τ}*∫F(ω)*[sin{ωt+θ(ω)}]dω
该表达式重写为如上所述。
因此，将考虑表达式9所表示的信号g1(t)，其中j为虚数单位。
[表达式9]
g1(t)＝f1(t)+j*[f2(t)-f1(t)*cos{ω0τ}]/sin{ω0τ}
＝∫F(ω)*cos{ωt+θ(ω)}dω
  +j*[cos{ω0τ}*∫F(ω)*[cos{ωt+θ(ω)}]dω
   +sin{ω0τ}*∫F(ω)*[sin{ωt+θ(ω)}]dω
   -∫F(ω)*cos{ωt+θ(ω)}dω*cos[{ω0τ}]/sin{ω0τ}
＝∫F(ω)*cos{ωt+θ(ω)}dω+j*∫F(ω)*sin{ωt+θ(ω)}dω
＝∫F(ω)*[cos{ωt+θ(ω)}+j*sin{ωt+θ(ω)}]dω
如上所述，信号g1(t)变成频率为ω的信号的复数表示。通过利用作为参考信号的由表达式10所表示的信号使信号经过正交检波，这种信号变成只是基带中的信号。
[表达式10]
cos{-ω0t}+j*sin{-ω0t}
这个事实是众所周知的。
这种参考信号按照下式与信号g1(t)相乘：
[表达式11]
g2(t)＝g1(t)*{cos(-ω0t)+j*sin(-ω0t)}
＝[f1(t)+j*{f2(t)-f1(t)*cos(ω0τ)}/sin(ω0τ)]
        *{cos(ω0t)-j*sin(ω0τ)}
＝f1(t)*cos(ω0t)+{f2(t)-f1(t)*cos(ω0τ)}
       /sin(ω0τ)*sin(ω0t)}
       +j*[-f1(t)*sin(ω0t)+{f2(t)-f1(t)*cos(ω0τ)}
       /sin(ω0τ)*cos(ω0t)]
＝[{f1(t)*cos(ω0t)*sin(ω0τ)
    +{f2(t)-f1(t)*cos(ω0τ)}*sin(ω0t)}
    -j*{f1(t)*sin(ω0t)*sin(ω0τ)
    -{f2(t)-f1(t)*cos(ω0τ)}*cos(ω0t)}]/sin(ω0τ)
＝[{f2(t)*sin(ω0t)
   +f1(t)*{cos(ω0t)*sin(ω0τ)-cos(ω0τ)*sin(ω0t)}}
   +j*{f2(t)*cos(ω0t)
-f1(t)*{sin(ω0t)*sin(ω0τ)+cos(ω0τ)*cos(ω0t)}}]/sin(ω0τ)
＝[{f2(t)*sin(ω0t)-f1(t)*sin{ω0(t-τ)}
   +j*{f2(t)*cos(ω0t)-f1(t)*cos{ω0(t-τ)}]/sin(ω0τ)
如上所述，实数部分由表达式12表示：
[表达式12]
I＝{f2(t)*sinω0t-f1(t)*sinω0(t-τ)}/sinω0τ
虚数部分由表达式13表示：
[表达式13]
Q＝{f2(t)*cosω0t-f1(t)*cosω0(t-τ)}/sinω0τ
这些I和Q正是图2所示的正交检波电路的输出信号。
可配置本发明的许多极为不同的实施例，只要没有背离本发明的实质和范围。应该理解，本发明不限于说明书中的具体实施例，而是由所附权利要求来定义。