傳輸磁共振信號的裝置製造方法
2023-12-05 19:25:31
傳輸磁共振信號的裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種傳輸藉助局部線圈來接收的磁共振信號的裝置。所述磁共振信號被傳送給模擬數字轉換器（ADC）並由其數位化，其中所述磁共振信號被傳送到模擬數字轉換器之前在振幅上被壓縮，然後被低通濾波或帶通濾波，並且在通過模擬數字轉換器數位化之後被擴大。為數字擴大器使用了相比模擬數字轉換器（ADC）的採樣頻率n，以因子2n更高的時鐘頻率。額外地能夠使用用於補償濾波器傳遞函數的數字均衡濾波器（Equalizing-Filter，EQU），特別是在過渡區域。本發明還要求保護一種相應的磁共振信號傳輸裝置、一種線圈裝置和一種採集電路、一種相應的電腦程式產品以及一種相應的電子數據載體。
【專利說明】傳輸磁共振信號的裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種傳輸藉助局部線圈來接收的磁共振信號的裝置。
【背景技術】
[0002]現代的磁共振設備通過安置在患者上的局部線圈同時接收大量的磁共振信號(MR信號)。所述局部線圈是所謂的「局部線圈陣列」的組成部分。所接收的磁共振信號被前置放大、從磁共振設備的中央區域導出並傳輸給被屏蔽的接收器，以便在那裡用於圖像處理。
[0003]磁共振信號具有高的信號動態範圍，其包括部分超過150dBHz。為了能夠處理這類信號而不使信噪比明顯變差，處理該信號的部件具有相比信號動態範圍還要寬闊的可使用的動態範圍。
[0004]從DE 101 48 442 C2中公知一種磁共振信號的傳輸方法，該方法的應用導致對接收路徑上的模擬數字轉換器的動態範圍要求明顯降低。該方法的基礎在於，在轉換前藉助所謂的壓縮器來壓縮接收信號振幅。在轉換之後，再次擴大該信號振幅。這得出總系統的線性傳遞函數。
[0005]通過應用模擬振幅壓縮器，使振幅動態範圍與信號帶寬交換。壓縮後的信號具有明顯擴大的信號頻譜。為了能夠達到足夠精確的信號擴大，該壓縮器輸出信號應該儘可能無偏差地傳送到所謂的擴大器，以便擴大輸出信號。頻譜的削減導致在擴大時的錯誤，並因此導致在擴大後的輸出頻譜中不期望的效果。這涉及諧波和互調產物。由此產生以下的問題:
[0006]a)壓縮器輸出信號的諧波的過濾導致在擴大後的信號中形成諧波。如果時間離散地(例如數字地)進行擴大，則諧波通過逆卷積(Riickfaltung)出現在採樣的第一奈奎斯特帶中。
[0007]圖1b示出了奈奎斯特區或奈奎斯特帶I至3的例子，其中頻率在X軸上採用MHz，並且功率電平在y軸上採用分貝毫瓦標註。
[0008]b)壓縮器輸出信號(過濾互調產物)的波段限制導致在擴大後的信號中形成互調產物。
[0009]該效果要求足夠大的選擇模擬數字轉換器或A/D轉換器(ADC)的模擬輸入帶寬。如果採樣頻率在此不相應地匹配，則導致採樣的混疊帶中的噪聲影響通過卷積(Einfaltung)所獲得的可使用的動態範圍的嚴重減小。
[0010]但是，由於結構技術或傳輸技術的原因，例如在數字數據的無線電傳輸時的結構組件的可用性、功率需求、帶寬需求等，不能任意高地選擇採樣頻率。如果例如在壓縮器和ADC之間插入無線電傳輸，則帶寬需求隨著待傳輸的通道的數量增長而超出可實際應用的界限。
[0011]為了降低需要由ADC處理的動態範圍，可以在該ADC前插入可變的或者可轉接的放大。這具有的缺點是，必須根據各自最大可能的信號提前選擇所述放大。如果需要期待大的信號，則降低所述放大，並且ADC的量化噪聲相對於來自患者的熱噪聲更受到重視。
【發明內容】
[0012]本發明要解決的技術問題是，實現一種傳輸方法和與此關聯的裝置，藉助其能夠克服以上描述的問題。
[0013]所述技術問題由根據本發明的方法或裝置來解決。具有優勢的本發明的構造由下述執行例的描述來獲悉。[0014]本發明的一方面涉及一種磁共振信號的傳輸方法，其中該磁共振信號被傳送到模擬數字轉換器(ADC)並由其進行數位化，其中模擬的磁共振信號在傳送給模擬數字轉換器前進行振幅壓縮，並在數位化後通過模擬數字轉換器擴大。本發明進行了以下設置，即該磁共振信號在壓縮之後至少在一個頻率範圍被濾波。優選是使用低通濾波器或帶通濾波器。
[0015]在同時滿足擴大的信號的線性和頻譜純度的要求的前提下，壓縮的信號的頻譜帶寬會本質地降低(例如從50MHz到5MHz)。這通過省略噪聲卷積(Rauscheinfaltung)放大了系統動態範圍。
[0016]按照本發明的措施的目的在於，儘可能窄地限制壓縮器輸出信號的帶寬。模擬振幅壓縮與隨後的波段限制的組合使得具有小的位深(Bit-Tiefe)的ADC的應用成為可能。
[0017]相比模擬數字轉換器的採樣頻率，提高了在採樣後在擴大前的時鐘頻率。優選是為數字的擴大器使用相比ADC的採樣頻率以因子2"更高的時鐘頻率或數據傳輸率(n=l，2，3^-)。開頭提到的諧波因此保留在基帶中，並可以由此被濾波。
[0018]額外能夠使用用於補償濾波器傳遞函數的數字均衡濾波器，特別是在過渡區域。
[0019]本發明的擴展設置為，給模擬數字轉換器額外傳送帶通濾波後的噪聲信號。這個所謂的抖動(Dithering)信號在大的壓縮器輸入信號電平的情況下，也導致採樣的LSB的噪聲形狀的調節(因此導致消減的壓縮器放大)。
[0020]本發明的擴展設置為，藉助查閱表實現所述擴大。這可以例如只包括振幅擴大，或者也包括附加的相位修正。
[0021 ] 本發明的擴展設置為，所述壓縮的磁共振信號在擴大之前以傳輸線來傳輸。
[0022]本發明的擴展設置為，所述壓縮的磁共振信號在擴大之前至少部分地被無線傳輸。
[0023]因此，這樣的傳輸方法可以被用於具有無線傳輸的多通道系統中，因為無線傳輸需要大大降低的帶寬。
[0024]本發明的另一方面涉及一種線圈裝置，具有用於採集磁共振信號的線圈、後置於該線圈的用於壓縮磁共振信號振幅的壓縮器、後置於該壓縮器的模擬數字轉換器和後置於該模擬數字轉換器的用於將壓縮的磁共振信號耦合輸入到傳輸路段的耦合輸入元件。用於濾波壓縮的磁共振信號的至少一個頻率範圍的濾波器後置於壓縮器。優選是使用低通濾波器或帶通濾波器作為這樣的濾波器。
[0025]本發明的另一方面涉及一種用於採集磁共振信號的採集電路，具有擴大器和後置於該擴大器的用於從傳輸路段耦合輸出磁共振信號的耦合輸出元件，其特徵在於，用於提高時鐘頻率的單元前置於該擴大器。
[0026]本發明的另一個方面涉及一種磁共振信號傳輸裝置，具有這樣的線圈裝置和這樣的採集電路，其構造為適合於執行這裡所描述的傳輸方法。這樣的磁共振信號傳輸裝置能夠應用在具有無線傳輸的多通道系統，因為無線傳輸需要大大降低的帶寬。
[0027]關於所述方法提出的優點和設計類似地適用於線圈裝置或採集電路或磁共振信號傳輸裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本發明的其它優點、細節和擴展結合附圖由以下對實施例的描述給出。所舉出的例子不構成對本發明的限制。其中:
[0029]圖1示出了沒有波段限制的壓縮擴展器系統；
[0030]圖1b示出了如開頭已經描述的壓縮器輸出信號的奈奎斯特區I至3的例子；
[0031]圖2示出了具有低通濾波和奈奎斯特採樣的壓縮擴展器系統；
[0032]圖3示出了低通濾波的效果；
[0033]圖4示出了具有低通濾波和奈奎斯特採樣的壓縮擴展器系統；
[0034]圖5示出了具有帶通採樣的壓縮擴展器系統；
[0035]圖6示出了具有模擬無線信號傳輸的壓縮擴展器系統；以及
[0036]圖7示出了具有數字無線信號傳輸的壓縮擴展器系統。
【具體實施方式】
[0037]按照圖4示出了壓縮擴展器系統的構造元件。這包括串聯布置的前端F、壓縮器C、低通濾波器LPF、模擬數字轉換器或A/D轉換器ADC、用於頻率響應修正的所謂的均衡器EQU、用於上採樣(數據傳輸率轉換)和插值的單元SAM、查閱表LT以及用於抽樣的單元DEC。
[0038]諧波通常在擴大信號時產生，在時間離散的採樣下，所述諧波被卷積到採樣的第一奈奎斯特區中。被幹擾的卷積取決於放大器的時鐘頻率。數據傳輸率或時鐘頻率可以在採樣之後、但在擴大之前例如通過用於上採樣並用於插值的單元SAM進行提升。諧波因此保留在基帶中，並能夠在隨後的抽樣之前被濾波。
[0039]當A/D轉換器ADC被布置在局部線圈時，該措施是有利的。能夠較低地設定採樣頻率。在高的時鐘頻率下，所述擴大發生在局部線圈之外的系統側(例如在無線數據傳輸之後)。所以，在局部線圈內的功率損耗能夠最小化。
[0040]參考圖2，對於例如帶通濾波或低通濾波壓縮的信號的濾波器，在濾波器傳遞函數由導通轉變到截止範圍的頻率範圍中，通過擴大產生幹擾的互調產物。該互調產物不會被消除或不被充分地消除，因為壓縮器輸出信號的關聯的頻譜部分被減弱或消除。在圖2中由奈奎斯特區I至3示出示例。藉助濾波器頻率響應的補償能夠抵消該效果。
[0041]在圖3中，以點狀虛線給出了未補償情況下產生的頻譜，並且又以實線給出了補償情況下產生的頻譜。
[0042]在例如應用SAW (Surface Acoustic Wave,表面聲波)濾波器的情況下，同樣可以補償與平滑的頻率響應(即在濾波器傳遞函數中所謂的波紋)的現有偏差。在圖4中表明，藉助均衡器或均衡濾波器能夠在數字範圍實現所述補償。所述補償能夠考慮到可能使用的抽樣濾波器的頻率響應。因為以數字形式實現抽樣濾波器，所以對此的補償(均衡)是可以重現的。在此，在補償時既考慮信號振幅，也考慮了信號相位。所述補償可以實現直至使濾波器減弱達到例如25dB的頻率。所述相位應該僅僅在線性相位性(linear-phasigkeit)方面被補償，其導致恆定的群時延。
[0043]該措施的目的在於，儘可能窄的限制壓縮器輸出信號的帶寬。模擬振幅壓縮與隨後的波段限制的組合使得具有小的位深的ADC的應用成為可能。所以，現有的12位的ADC已經足夠用於3特斯拉MR信號的採樣。
[0044]為了在沒有壓縮器並且沒有可轉接的放大的情況下進行完全動態範圍的採樣，相反需要18位的ADC。
[0045]隨著壓縮器的調節的提高，壓縮器的放大自壓縮應用開始持續地降低。由此也減少了 ADC的輸入端的噪聲功率。這導致，在大的信號電平下，與信號疊加的噪聲電壓不足以用來調節採樣的小的LSB階段(LSB=Ieast significant bit,最低有效位)。由此在經過動態範圍時，在輸出信號中產生不期望的確定性的階段，並且量化錯誤不再是隨機的，即相關的概率密度和頻譜的功率密度不再是均勻分布的。
[0046]如圖7所示，由帶通濾波器BPF帶通濾波的噪聲信號被傳送到ADC輸入端，該噪聲信號被稱為「抖動」。這樣的選擇噪聲帶的頻譜位置，使得在採樣後該噪聲帶與所期待的接收信號的頻譜不重疊。
[0047]圖6示出了用於模擬無線傳輸MR接收信號的裝置。移動部分(局部線圈)除了局部線圈元件外，還包括前端F (包含放大器、混合器和濾波器)、在中間頻率層(例如在3特斯拉時的3.2MHz)處理信號的模擬振幅壓縮器C、低通濾波器LPF以及用於可無線傳輸無線電信號的發射元件。該發射元件藉助調製器M將壓縮的、低通濾波的中間頻率信號調製到發射器TX的高頻載體，並通過發射天線發射該載體。
[0048]除了可能的振幅調製或單邊帶調製外，主要感興趣的是頻率調製，因為隨著調製係數n = AF/fmod提高，總是獲得更多的信噪收益(S/N)。在此，AF是所謂的頻率偏移，SP載體頻率向上或向下的最大偏移，並且fmod是調製頻率，例如是3.2MHz的中間頻率位置。根據J.R.Carson總結的關係，頻率調製的信號所佔據的帶寬於是等於B=2 ( n+2) fmod=2(AF+2fmod)。
[0049]在此可以看出，當藉助帶通濾波或低通濾波能夠限制調製信號的最大頻率(即壓縮器的輸出信號)時，是具有優勢的。例如fmod，max=5MHz0帶寬則圍繞3.2MHz的中間頻率被限制在± 1.8MHz。藉助AF=50MHz的偏移，得到n =10的調製係數，並得到B=120MHz的佔據帶寬。如果不對壓縮器輸出信號進行波段限制，則必須帶有如此多的奇次諧波，以至於壓縮器輸出信號的頻譜部分功率下降至可忽略的值。只帶有前十個諧波就意味著fmod, max=95MHz。對於相同的調製係數，也就是對於相同的S/N收益，於是得到B=2.28GHz的佔據帶寬，這需要極其高的載體頻率，並且尤其使得多通道系統在頻率多路傳輸方法中沒有吸引力。
[0050]在系統側，藉助連接在接收器RX的輸入端上的接收天線來接收調製後的高頻信號，並且在採集電路中將其解調。該接收信號被奈奎斯特採樣。藉助第一查閱表(例如LTl)能夠補償可能的頻率調製器M及頻率解調器DM的非線性化。隨後的均衡濾波器EQU補償在線圈側的信號處理的頻率響應(模擬低通濾波器)。
[0051]作為第二查閱表(例如LT2)實施的數字振幅擴大器在提升後的80MS/s的時鐘頻率下運行，以便防止產生的諧波被卷積(Einfalten)。兩個查閱表也可以合併為一個總的查閱表。在抽樣階段DEC之後，具有lOMS/s的數據提供用於進一步處理。[0052]圖7示意性示出了用於數字無線傳輸MR接收信號的裝置。移動部分(局部線圈)除了局部線圈元件之外，還包括模擬前端(放大器、濾波器)、能夠在高頻層(例如在3T下123.2MHz)處理信號的模擬振幅壓縮器C、帶通濾波器BPF、噪聲信號發生器DNG (也稱為抖動噪聲發生器)、A/D轉換器ADC、數據頻率抽樣階段DEC以及(高頻)發射元件TX。
[0053]這樣測定所述帶通濾波器，使得通道波段僅跨距隨後的採樣的一個奈奎斯特區。在具有20MS/s的採樣下，3特斯拉MR接收信號在123.2MHz下，落在第13號奈奎斯特區中。頻譜的信號部分，如不落在該120至130MHz的波段中的噪聲，通過採樣在基帶中卷積並應當被抑制例如至少-30dB。
[0054]在壓縮器和ADC之間的接口上，饋入頻譜的波段限制的噪聲信號，其也被稱為抖動信號。在高的壓縮器輸入信號電平(因此減小的壓縮器放大)下，該信號也產生對採樣的LSB的噪聲形狀的調節。應當這樣地選擇噪聲信號(在123.2MHz下地3特斯拉接收信號)的頻譜位置，使得該噪聲信號在採樣之後位於基帶中5MHz至IOMHz的範圍。該噪聲信號於是被隨後的抽樣濾波器抑制，並且不會導致對接收信號的幹擾，也就是說，不導致信噪比的損失。噪聲帶由此可以位於FS*[n+(l/4?"3/4)]的帶中，只要該範圍落在ADC的模擬輸入帶寬中。根據測定準則，噪聲帶能夠至少部分地超過採樣的兩個相鄰的奈奎斯特帶。這樣能夠最寬的配置噪聲發生器之後的帶通濾波器。這可以以最小可能的噪聲功率密度產生所需的噪聲電壓。由此能夠使幹擾電勢最小化。這可以是25MHz至35MHz的範圍。在採樣(帶通濾波器欠採樣)之後，接收信號降至3.2MHz。現在能夠將該信號頻譜地限制在0至5MHz，並且隨後被抽樣至lOMS/s的數據傳輸率。通過抽樣濾波器的低通限制效果將噪聲信號從接收信號中分離。
[0055]在位深是12位的ADC的情況下，產生具有120Mb/s的數據流。隨後的高頻發射器將該數字數據調製到高頻載體上，並且通過天線發射該載體。在系統側，藉助接收天線和接收器RX來接收該調製後的高頻信號，並且在採集電路或在接收器的解調器中將其解調。隨後的均衡濾波器通過模擬帶通濾波器並通過數字抽樣`濾波器來補償線圈側的信號處理的頻率響應。作為查閱表LT實施的數字振幅擴大器在提升後的80MS/s的時鐘頻率上運行，以便防止產生的諧波被卷積。在抽樣階段之後，為進一步處理提供具有lOMS/s的數據。
【權利要求】
1.一種磁共振信號傳輸方法，其中所述磁共振信號以模擬形式被傳送給模擬數字轉換器(ADC)並由其數位化，其中所述磁共振信號在被傳送到所述模擬數字轉換器之前在振幅上被壓縮，並且在數位化之後通過所述模擬數字轉換器擴大，其特徵在於，在被傳送到所述模擬數字轉換器之前，所述壓縮後的磁共振信號的至少一個頻率範圍被濾波。
2.按照權利要求1所述的傳輸方法，其特徵在於，通過帶通濾波器或低通濾波器進行所述濾波。
3.按照權利要求1或2所述的傳輸方法，其特徵在於，相比所述模擬數字轉換器的採樣頻率，提高了採樣之後和擴大之前的時鐘頻率。
4.按照權利要求3所述的傳輸方法，其特徵在於，相比所述模擬數字轉換器(ADC)的採樣頻率n，以因子2n提高了所述擴大的時鐘頻率，其中n是整自然數。
5.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，額外向所述模擬數字轉換器(ADC)傳送帶通濾波後的噪聲信號。
6.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述擴大之前使用數字均衡器濾波器(EQU)。
7.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，藉助查閱表(LT、LT1、LT2)進行所述擴大。
8.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓縮的磁共振信號在擴大之前以傳輸線來傳輸。
9.按照上述權利要求中任一項所述的方法，其特徵在於，所述壓縮的磁共振信號在擴大之前至少部分地被無線傳輸。
10.一種線圈裝置，具有用於採集磁共振信號的線圈，並且具有後置於該線圈的用於壓縮所述磁共振信號的振幅的壓縮器(C)、後置於該壓縮器的模擬數字轉換器(ADC)和後置於該模擬數字轉換器的用於將所述壓縮的磁共振信號耦合輸入到傳輸路段的耦合輸入元件，其特徵在於，用於濾波所述壓縮的磁共振信號的至少一個頻率範圍的濾波器後置於所述壓縮器(C)。
11.按照權利要求10所述的線圈裝置，其特徵在於，所述耦合輸入元件被構造為用於可無線傳輸的無線電信號的發射元件(TX)。
12.按照權利要求10或11所述的線圈裝置，其特徵在於，所述濾波器被構造為帶通濾波器(BPF)或者低通濾波器(LPF)。
13.一種用於採集磁共振信號的採集電路，具有擴大器和後置於該擴大器的用於從傳輸路段耦合輸出所述磁共振信號的耦合輸出元件，其特徵在於，用於提高時鐘頻率的單元(SAM)前置於所述擴大器。
14.按照權利要求13所述的採集電路，其特徵在於，所述耦合輸出元件被構造為用於能夠無線傳輸的無線電信號的接收元件(RX)。
15.按照權利要求13或14所述的採集電路，其特徵在於，所述擴大器被構造為查閱表(LT、LT1、LT2)。
16.按照權利要求14或15所述的採集電路，其特徵在於，均衡濾波器(EQU)前置於所述用於提聞時鐘頻率的單兀(SAM)。
17.—種磁共振信號傳輸裝置，具有按照權利要求10至12中任一項所述的線圈裝置和按照權利要 求13至16中任一項所述的採集電路，其被構造為適合用於執行按照上述方法權利要求中任一項所述的傳輸方法。
【文檔編號】G01R33/36GK103675731SQ201310397232
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2012年9月5日
【發明者】J.博倫貝克, R.奧佩爾特, M.維斯特 申請人:西門子公司