一種基于改進(jìn)非局部均值的cpmg信號(hào)去噪算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于改進(jìn)非局部均值的低場核磁共振信號(hào)濾波新方法，屬于低場核磁共振信號(hào)處理領(lǐng)域。步驟包括：a.輸入待降噪的低場核磁共振CPMG回波信號(hào)；b.計(jì)算出輸入的CPMG回波信號(hào)從首點(diǎn)開始到回波信號(hào)幅度下降至首點(diǎn)幅度的30%之間的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并將點(diǎn)的個(gè)數(shù)作為整個(gè)濾波算法的搜索窗寬度；c.根據(jù)CPMG回波信號(hào)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差大小按照線性函數(shù)求取相似窗口的大小；d.利用Stein無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的方法求取非局部均值算法的最優(yōu)衰減參數(shù)的大?。籩.利用步驟b、c和d所求得的參數(shù)按照非局部均值算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行最終濾波。優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：與原始非局部均值算法對(duì)比，能取得更好的濾波效果，得到更加精確的反演譜。
【專利說明】一種基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信號(hào)去噪算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及信號(hào)處理領(lǐng)域，特別涉及低場核磁共振信號(hào)的降噪方法領(lǐng)域，具體地 說，是一種基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信號(hào)去噪算法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，低場核磁共振技術(shù)在能源勘探、地下水源尋找、災(zāi)害防治、食品化工的在線 無損檢測等方面應(yīng)用十分廣泛。低場核磁共振在使用弛豫信息進(jìn)行分析和檢測的應(yīng)用領(lǐng) 域中具有無可替代的地位。首先，高場強(qiáng)情況下單次掃描的脈沖個(gè)數(shù)受到限制(脈沖個(gè)數(shù) 過多會(huì)造成能源浪費(fèi)，同時(shí)頻繁的高能沖擊會(huì)對(duì)接收線圈，特別是前置放大器造成很大的 損害)，而要得到準(zhǔn)確的弛豫譜，就必須給予足夠多的數(shù)據(jù)。如果使用低場核磁共振檢測技 術(shù)，可以很容易的獲取多個(gè)回波數(shù)據(jù)。其次，當(dāng)樣品中存在順磁性物質(zhì)或鐵磁性物質(zhì)時(shí)，高 場強(qiáng)下誘發(fā)的強(qiáng)內(nèi)部梯度場會(huì)嚴(yán)重影響到主磁場的均勻性，因此只能使用低場設(shè)備進(jìn)行檢 測。最后，低場核磁設(shè)備易于小型化，更容易進(jìn)行磁屏蔽和電磁屏蔽，而且價(jià)格低廉，這些特 點(diǎn)推動(dòng)了低場核磁共振檢測技術(shù)在各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用。
[0003] 然而，采用低場核磁共振技術(shù)進(jìn)行檢測時(shí)，接收到的回波信號(hào)微弱且信噪比低，真 實(shí)的信號(hào)容易淹沒在背景噪聲中，嚴(yán)重影響到后續(xù)的反演等操作的準(zhǔn)確性。目前，信號(hào)處理 領(lǐng)域中信號(hào)降噪的方法很多，現(xiàn)有的核磁共振信號(hào)降噪算法大致可歸為三類：純時(shí)域降噪 算法、純頻域降噪算法、時(shí)-頻降噪算法。純時(shí)域算法是核磁共振中較早開始研究的信號(hào)降 噪算法，其中較為經(jīng)典的是時(shí)間平均法，該算法就是對(duì)譜線進(jìn)行多次重復(fù)的掃描，把每次掃 描的結(jié)果在時(shí)間平均計(jì)算機(jī)上加起來，然后將結(jié)果除以累加次數(shù)得到最后輸出。雖然理論 上通過盡可能多的重復(fù)采集可以提高SNR，但是這樣會(huì)大大延長數(shù)據(jù)處理時(shí)間，因而在實(shí)際 應(yīng)用中存在局限性。純頻域算法是傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的信號(hào)降噪算法，噪聲是一個(gè)偶 然過程，而信號(hào)是周期性變化的過程，這兩個(gè)過程的頻譜寬度是不一樣的，所以可以利用信 號(hào)與噪聲的頻譜差別來濾除噪聲。當(dāng)信號(hào)與噪聲頻譜接近或混疊，純頻域降噪效果不是很 好。時(shí)-頻降噪算法的原理就是：將含噪信號(hào)經(jīng)過時(shí)-頻變換后，有用信號(hào)一般集中在少 數(shù)的變換系數(shù)上，而噪聲通常分布在各個(gè)變換系數(shù)上。在信號(hào)集中的少數(shù)系數(shù)上SNR高， 對(duì)這部分系數(shù)予以保留；而在其它噪聲集中的系數(shù)上SNR低，對(duì)于這些系數(shù)，通過設(shè)定閾值 等方式進(jìn)行處理，最后將處理后的系數(shù)進(jìn)行逆變換，就得到了降噪后的信號(hào)。較為常用的 時(shí)-頻降噪算法主要包括：〇. Ahmed和M. Fahmy提出的SLTF變換下的核磁共振信號(hào)降噪算 法，Y. Lu和S. Joshi等人提出的Gabor變換下的核磁共振信號(hào)降噪算法，P. Angelidis和 GSergiads提出的Zak變換下的核磁共振信號(hào)降噪算法和小波算法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于改進(jìn)非局部均值的CPMG 號(hào)去噪算法。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：一種基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信 號(hào)去噪算法，包括如下步驟： a. 輸入待降噪的低場核磁共振CPMG回波信號(hào)； b. 計(jì)算出輸入的CPMG回波信號(hào)從首點(diǎn)開始到回波信號(hào)幅度下降至首點(diǎn)幅度的30%之 間的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并將點(diǎn)的個(gè)數(shù)作為整個(gè)濾波算法的搜索窗寬度； c. 根據(jù)CPMG回波信號(hào)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差大小按照線性函數(shù)求取相似窗口的大小； d. 利用Stein無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的方法求取非局部均值算法的最優(yōu)衰減參數(shù)的大??； e. 利用步驟b、c和d所求得的參數(shù)按照非局部均值算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行最終濾波。
[0006] 步驟c中所述的求取相似窗口的大小，可按如下步驟獲得： 2. 1首先取半徑長度為的固定線寬，以CPMG回波信號(hào)點(diǎn)作為線寬的中心，然后按照公 式（1)計(jì)算所述的線寬范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)方差并作為中心信號(hào)點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差，依次改變線寬中 心點(diǎn)的位置可求得CPMG回波信號(hào)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)方差，最后將每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差存儲(chǔ)在與 信號(hào)同樣大小的向量中。其中為該信號(hào)段數(shù)據(jù)的平均值，Λ是輸入信號(hào)的幅值，是以八 為中心的鄰域信號(hào)點(diǎn)的幅值，且

【權(quán)利要求】
1. 一種基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信號(hào)去噪算法，其特征在于，包括如下步驟： a. 輸入待降噪的低場核磁共振CPMG回波信號(hào)； b. 計(jì)算出輸入的CPMG回波信號(hào)從首點(diǎn)開始到回波信號(hào)幅度下降至首點(diǎn)幅度的30%之 間的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，并將點(diǎn)的個(gè)數(shù)作為整個(gè)濾波算法的搜索窗寬度； c. 根據(jù)CPMG回波信號(hào)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差大小按照線性函數(shù)求取相似窗口的大??； d. 利用Stein無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)的方法求取非局部均值算法的最優(yōu)衰減參數(shù)的大小； e. 利用步驟b、c和d所求得的參數(shù)按照非局部均值算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行最終濾波。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信號(hào)去噪算法，其特征在于，步 驟c中所述的求取相似窗口的大小，可按如下步驟獲得： 2. 1首先取半徑長度為的固定線寬，以CPMG回波信號(hào)點(diǎn)作為線寬的中心，然后按照公 式（1)計(jì)算所述的線寬范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)方差并作為中心信號(hào)點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差，依次改變線寬中 心點(diǎn)的位置可求得CPMG回波信號(hào)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)方差，最后將每個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)方差存儲(chǔ)在與 信號(hào)同樣大小的向量中，其中瓦為該信號(hào)段數(shù)據(jù)的平均值，Ji是輸入信號(hào)的幅值，是以 Ji為中心的鄰域信號(hào)點(diǎn)的幅值，且
2. 2首先找出在步驟2. 1中所有信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)方差的最大值和最小值，分別記為 ，然后分別取為信號(hào)最大相似窗口半徑和最小相似窗口半徑，最后按照 公式（2)計(jì)算出每個(gè)信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行非局部均值濾波的相似窗口半徑，σ:(5)為信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù) 據(jù)方差，
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進(jìn)非局部均值的CPMG信號(hào)去噪算法，其特征在于，步 驟d中所述的求解最優(yōu)衰減參數(shù)的大小，按如下步驟進(jìn)行： 3. 1根據(jù)步驟b和步驟c所求參數(shù)，通過輸入一個(gè)衰減參數(shù)值λ，按照公式（3)計(jì)算出 信號(hào)的Stein無偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值（Stein，sunbiasedriskestimated，SURE)，
其中是NLM算法的微分，=Z#,σ2是信號(hào)的噪聲方差； Tkcx. 3. 2重復(fù)步驟3.1，通過迭代的方式從小到大輸入一系列的λ值，即可得到λ與SURE的變化曲線，曲線最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的衰減參數(shù)值即為所求最優(yōu)λ值。
【文檔編號(hào)】G06F17/00GK104462014SQ201410660768
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】趙彬, 聶生東, 王麗嘉, 周小龍, 蘇冠群, 張英力, 楊培強(qiáng) 申請(qǐng)人:上海理工大學(xué)