廖艷芬

摘要：數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing）簡稱DSP，是一種用數(shù)字方式進(jìn)行信號處理，即利用熟悉計算機(jī)和專用數(shù)字處理設(shè)備對信號進(jìn)行分析、變換、綜合、濾波、估計、與識別等處理。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被測物體進(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。

磁共振成像信號是調(diào)制在拉莫進(jìn)動頻率的窄帶高頻信號，該信號有三個特性，一：信號強(qiáng)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(tǒng)通常包括信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、頻率解調(diào)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(shù)據(jù)接收系統(tǒng)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(shù)對不同幅度的磁共振信號進(jìn)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(qū)分磁共振信號中有頻率和相位信息。

2：數(shù)字解調(diào)

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

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(shù)字濾波器實(shí)質(zhì)是用一有限精度算法實(shí)現(xiàn)的離散時間線性時不變系統(tǒng)，以完成對信號進(jìn)行濾波處理的功能。其輸入是一組由模擬信號經(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。

射頻信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)會被輸入到DDC中的NCO中進(jìn)行第二級解調(diào)，變成基帶信號，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，然后通過兩級可變系數(shù)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(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的統(tǒng)計特性的估計為依據(jù)，采取特定算法自動的調(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)是梯度場的引入帶來的進(jìn)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(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函數(shù)轉(zhuǎn)化為另一個周期函數(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)過計算機(jī)進(jìn)行圖像增強(qiáng)、圖像平滑、圖像邊緣檢測、圖像壓縮等圖像處理后形成圖像。

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指導(dǎo)老師：劉云連