具有單獨數字轉換器的rf接收線圈組件和使其同步的裝置的製作方法
2023-04-23 05:02:21 2
專利名稱：具有單獨數字轉換器的rf接收線圈組件和使其同步的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對放置在檢查區中的主體進行磁共振(MR)成像的設備。
此外，本發明還涉及一種用於MR成像的方法和用於MR成像設備的電腦程式。
在MR成像中，對目標(患者身體)應用包括RF和磁場梯度脈衝的脈衝序列以生成脈衝編碼磁共振信號，通過利用接收天線對其掃描以從該目標獲得信息和重建其圖像。由於其最初的發展，應用MRI的臨床相關領域數量有了極大增長。MRI可以應用於身體的幾乎每個部位，並且可以用於獲得關於人體多個重要功能的信息。在MR掃描期間應用的脈衝序列完全確定該重建圖像的特徵，例如目標中的位置和方向、尺寸、解析度、信噪比、對比度、運動靈敏性等等。MRI設備的操作者必須選擇合適的序列，並且必須調節和優化其參數以用於各個應用。
在已知的並行MRI技術中，採用了具有不同空間靈敏度分布圖(profile)的多個接收天線，例如用於增強局部靈敏度或減少用於診斷圖像的掃描時間。後者例如是根據已知的SENSE技術，通過獲取比根據Nyquist法則完全覆蓋預定視場實際需要的更少的一組相位編碼磁共振信號來實現。
已經證明，上述SENSE技術和其他已知的並行MR成像技術對於實際應用是非常高效的。因此，現代MR系統日益要求整體的並行成像。這必然就需要使用設置在該MR設備檢查區中的大量的MR接收天線(線圈)，每個天線與單獨的接收通道相關聯。為了將各個接收天線連接到通常被設置在實際檢查室外面的MR設備的後端電子設備，需要許多電纜。這種電纜鋪設是昂貴的並且龐大的，這在考慮到普通MR設備檢查室內的有限空間時是一個主要影響。特別是在接收線圈被集成在移動患者支架中的情況下，必要的電纜鋪設是一個技術挑戰並且因而是成本高昂的。在MR成像中使用越多的天線，在被檢查患者身體周圍處理的電纜就變得越複雜。通常，使用設置在檢查區附近的所謂組合箱(combiner box)，其中來自各個接收天線的電纜被捆綁在一起。多功能電纜從該組合箱出發並通向該MR設備的後端電子設備。當然，這些多功能電纜及其相應的組合箱包括多個金屬部件和導線。一個已知的問題是，這些金屬部件和導線將會干擾檢查區中的射頻場，並且會導致在各個金屬部件和導線附近的被檢查身體組織中產生很高的局部特定吸收率(SAR)。這對於MR設備的操作安全是一個大問題。例如，患者靠近將接收天線連接到該MR設備中央處理單元的導線的區域中的皮膚會受到局部燒傷。
例如從US 5245288中可知，可以通過將該接收和解調MR信號從被設置在檢查區附近的接收單元無線傳輸到MR設備的中央處理單元，而免除在MR接收天線和MR設備的遠程信號處理電子設備之間的電纜。該已知系統使用了混頻級(mixing stage)，其中將接收的MR信號與恆定頻率的混頻信號混頻。該混頻信號是從也被無線傳輸到該已知系統的接收單元的參照信號獲取的。
遺憾的是，這種已知技術不能用於並行成像。當使用多個該已知種類的無線接收單元時，各個混頻級之間的隨機相位差和相位波動將導致不可預料的圖像偽像(artifact)。而且，由於各個傳輸信號的不可解決的幹擾，該已知系統的技術原則上不允許從多個接收單元並行無線傳輸MR信號。
因此，很容易理解，需要一種允許使用多個接收天線大量並行成像的改進的MR成像設備。從而，本發明的基本目的是提供一種設置成將各個接收天線接收的MR信號並行傳輸到MR設備的中央處理單元而不需要額外的電纜的MR設備。
根據本發明，提供了一種用於對放置在檢查區中的身體進行磁共振成像的MR設備。該設備包括主磁體，用於在檢查區中生成靜態和基本均勻的主磁場。提供放置在檢查區中或其附近的多個接收單元，每個接收單元包括用於從該身體接收MR信號的接收天線。各個接收單元具有數位化裝置，用於採樣該接收的MR信號和將該信號採樣轉換為數位訊號，然後將其傳輸到中央處理單元。本發明的設備還包括用於同步該MR信號的採樣的同步裝置。
本發明的要點是，將相當大一部分數字電子設備從已知MR設備的後端轉移到檢查區中，從而能夠顯著減少磁體和中央處理單元之間所需的電纜數量。本發明相比常規MR系統能夠顯著增加接收通道的數量。由於上述原因，不能再利用常規技術來處理各個接收線圈和後端電子設備之間的對應的大量電纜。
本發明的設備的特徵在於，每個接收單元包括數位化裝置，用於將MR信號轉換為數位訊號採樣，從而能夠通過數字數據傳輸實現並行(復用)傳輸而不會在各個信號之間幹擾。為此，該MR設備的每個接收單元還必須提供有適當的發射器。特別有利的是，根據本發明，僅需要單個共用數字數據連接用於在接收單元與中央處理單元之間進行數據傳輸。
本發明還解決同步該MR設備的各個接收通道的重要問題。根據本發明的設備的接收單元是獨立工作的。沒有該同步裝置，各個接收單元的數位化裝置的採樣時鐘將具有不同和隨機的相位關係。這將導致該發射信號的嚴重相位失真。為了能夠並行成像，本發明的MR設備包括同步該接收單元的各個數位化裝置的操作的同步裝置。該同步裝置確保了對於每個接收通道良好限定不同數位訊號採樣的採樣時間，從而有效避免了對圖像質量具有不利影響的相位誤差。
必須注意的是，根據本發明的同步僅用於對於該數位化裝置的工作進行精確的時間確定。在本發明的意義內，絕不需要使得不同接收單元的各個電子設備以相同的定時執行該信號採樣。
還必須注意的是，不需要在整個掃描期間建立該接收單元的同步。根據本發明，僅在實際信號獲取期間良好限定該數位化裝置的定時就足夠了。MR掃描典型地持續達幾分鐘，並且包括幾百到幾千個獲取周期，每個獲取周期僅花費幾毫秒或者甚至不到1毫秒。從而僅在完整MR成像掃描的較小時間片段期間需要同步。
利用本發明的設備，如果接收單元的發射器適應於將數位訊號無線電傳輸到中央處理單元是有利的。由於以這種方式建立了各個接收單元和MR設備的後端電子設備之間的完全無線通信，所以能夠有效地避免上述大量電纜的缺點。對於本發明的實施例，MR設備的各個接收單元必須包括用於將數位訊號轉換為(調製)射頻信號的適當轉換器。用於具有足夠帶寬的無線數字通信的標準電子部件同樣是已知的和低成本商業可用的。這些部件例如是在無線局域計算機網絡(WLAN)中已知的，例如是在2.4GHz頻帶的載波頻率工作，並且有利地提供對於本發明的應用足夠的高數據率，即使並行使用相對較大數量的接收單元也可以滿足。
可替換地，該接收單元的發射器可以適於通過光纖將數位訊號傳輸到中央處理單元。光學數據傳輸也具有標準電子設備商業可用和得到的數據率較高的優點。因為需要光纖，所以不能完全避免上述與複雜電纜連接的問題。但是光纖仍然具有優點，即它們不包含金屬部件或導線，從而檢查區中的射頻場不會被幹擾，並且還避免了涉及增加SAR的問題。
根據本發明的MR設備的同步裝置可以包括參照信號生成器，用於生成供給接收單元的參照信號。該參照信號例如可以用於建立各個接收單元的數位化裝置的採樣時鐘的固定相位關係。
根據本發明的一個實施例，該參照信號可以簡單地是在檢查區中生成的頻率接近於該MR信號頻率的導頻音(pilot tone)。該MR信號通常具有在500Hz和1.5MHz之間的帶寬。由接收單元的接收天線拾取的信號是分布在Larmor頻率(例如在1.5T的64MHz)周圍的這些MR信號。該導頻音可以僅在該MR信號的信號帶寬外部生成，從而使其仍然與實際MR信號一起被各個接收單元的接收天線接收而不幹擾該MR信號。然後，該導頻音在該MR設備的完整接收鏈中傳播，並且可以用於同步接收單元的分布式電子設備。在最簡單的情況下，直到圖像重建將並行接收到的所有信號採樣關聯到一個公共時間幀才使用該導頻音。根據這一實施例，數位化裝置的操作的同步被作為該數位訊號的純粹後處理來進行。當然也可能通過適當的有線連接將該參照信號提供到接收單元的數位化電子設備。如果是在數位化之前由該接收單元對接收的MR信號解調，那麼該參照信號例如可以被注入到相應的基帶信號中以便為該數位訊號提供一個公共時間幀。
在本文中必須注意的是，根據本發明的MR設備的同步裝置不是必須用於物理控制各個數位化裝置的工作。當以前述的方式使用參照信號時，分別並且因而是以實質異步的方式對利用不同接收單元獲得的信號進行實際數位化。在本發明上下文中的同步僅僅意味著用於信號採樣的公共時間幀。為此，在本發明的意義上，不同數位化裝置的實際物理操作不必要受到該同步裝置的影響。
根據本發明的另一實施例，該接收單元可以被設置成從該參照信號獲取該數位化裝置的採樣頻率。常規的MR設備使用單個中央時鐘，從而根據需要獲取多個頻率，進而實現在整個系統中的同步操作。在常規MR設備中，該中央時鐘的分配被限制到中央處理單元，其通常是被設置在實際檢查區外部的單個機架(rack)。根據本發明，該中央時鐘信號可以作為參照信號通過適當的電纜無線供給到各個接收單元，以建立它們各自的數位化裝置的同步操作。對於該中央時鐘信號的延遲的校準是必要的，因為必須考慮將該時鐘信號傳播到接收單元的時間。在本發明的將數位訊號從接收單元無線傳輸到中央處理單元的實際實施例中，也可以無線傳輸該數位化裝置的採樣時鐘。例如，它可以從該射頻通信連結的載波頻率或者其他更低頻信號中獲取。為此，該接收單元可以配備有鎖定到該傳輸的參照信號的本地振蕩器，例如通過適當的鎖相環(PLL)電路。該無線傳輸的時鐘信號的頻率優選地應該匹配該數位化裝置的實際採樣頻率的整數倍。以這種方式可以避免對於所得到MR圖像的影響。
根據本發明的一個優選實施例，該接收單元每個可以包括被同步裝置的拉伸(stretch)控制器控制的拉伸生成器。該拉伸控制器規定各個接收單元的數位化裝置的操作的定時。該拉伸生成器包括輸入命令先入先出(FIFO)緩衝器、定時器、和「下一」和「當前」寄存器。該拉伸生成器的輸出和輸入事件通過存儲在該FIFO緩衝器中的命令以較高的時間精度控制(例如1納秒精度和100納秒解析度)。拉伸生成器一般可用於生成波形。在MR設備中，拉伸生成器例如被用於在MR測量期間控制前端設備。根據本發明，該拉伸生成器用於精確控制該接收的MR信號的採樣定時。本發明的MR設備的中央處理單元可以包括通過各個通信連結(無線電傳輸或光纖)連接到各個接收單元的拉伸生成器的拉伸控制器。在信號傳輸期間發生的位誤差可以有利地使用上述該拉伸生成器/控制器的工作原理來處理。通過在該通信連結的「遠端」(即在該MR設備的接收單元一端)建立拉伸來實現遠程拉伸操作。可以分別在該通信連結的「近端」(即該MR設備的後端電子設備一端)和「遠端」使用兩個同步的數字計算機以確保正確的定時。為了同步各個計數器，可以以上述方式使用參照信號。
利用本發明的MR設備，還有利地使用信號相關裝置，其被設置成使由不同接收單元接收的MR信號和/或噪聲信號相關，並且基於該相關來確定由各個接收單元的數位化裝置所生成的數位訊號的採樣時間。相鄰接收單元的接收天線具有至少部分重疊的視場，並且至少殘餘地電感耦合(inductively coupled)。因此，相關由這些接收單元寄存的MR信號和噪聲。該相關可以用於定義由各個接收單元接收和數位化的MR信號的公共時間幀。對於該接收單元的操作的同步例如可以通過在實際圖像重建之前基於該相關重新計算數位訊號的採樣時間來實現。
本發明不僅涉及一種設備，還涉及一種用於對放置在MR設備的檢查區中的身體的至少一部分進行磁共振成像的方法，該方法包括以下步驟通過包括RF脈衝和切換磁場梯度的MR成像序列激勵該身體內的核磁化；通過放置在檢查區中或其附近的多個接收單元從該身體獲取MR信號，每個接收單元包括接收天線；採樣該接收的MR信號和將該信號採樣轉換為數位訊號，其中使用同步裝置同步該接收單元的各個數位化裝置的操作；將該數位訊號發送到中央處理單元；和根據該數位訊號採樣重建MR圖像。
有利地，可以在計算機硬體上實施適於執行本發明的成像過程的電腦程式以控制磁共振掃描器。該電腦程式可以在合適的數據載體上提供，例如CD-ROM或磁碟。可選地，也可以由用戶從網際網路伺服器上下載。
以下附圖公開了本發明的優選實施例。然而，應當理解，該附圖僅被設計用於示例性目的而不是對於本發明的限制定義。在附圖中
圖1示出了根據本發明的磁共振掃描器的實施例，圖2示意性示出了根據本發明的多個接收單元及其對應的同步裝置的結構。
在圖1中，以框圖形式顯示了根據本發明的磁共振成像設備1。該設備1包括用於生成穩定和均勻主磁場的一組主磁線圈2，和三組梯度線圈3、4和5，用於疊加具有可控強度和在選定方向上具有梯度的附加磁場。通常，該主磁場的方向標記為z方向，垂直於它的兩個方向為x和y方向。該梯度線圈通過電源9供電。設備1還包括輻射發射器6，是一個天線或線圈，用於向放置在設備1的檢查區中的身體7發射射頻(RF)脈衝，該輻射發射器6耦合到調製器8以生成和調製該RF脈衝。還提供有放置在該設備1的檢查區中或其附近的接收單元10a、10b、10c。每個接收單元10a、10b、10c分別包括用於從身體接收MR信號的接收天線11a、11b、11c。這些接收天線構成了用於並行成像的線圈陣列。該接收天線11a、11b、11c例如是如SENSE成像所需的具有不同空間靈敏度分布圖的分離的表面線圈。該接收的MR信號被各個接收單元10a、10b、10c採樣並轉換為數位訊號。接收單元10a、10b、10c配備有信號傳輸天線12a、12b、12c，用於以復用方式將該數位訊號無線電傳輸到對應的數據處理單元13，例如是配備有無線電天線14的計算機，用於例如根據已知的SENSE技術將該接收的數字磁共振信號轉換為圖像。該圖像可以在可視顯示單元15上顯示。調製器8、發射器6和用於梯度線圈3、4和5的電源9被控制系統16控制以生成用於並行成像的實際成像序列。該控制系統16還連接到同步裝置17以同步接收單元10a、10b、10c的數位化操作。在MR設備的所示實施例中，同步裝置17生成參照信號，即所謂導頻音，通過導頻音天線18無線供給到接收單元10a、10b、10c。當然在一個可選實施例中，也可以通過發射器6傳輸該導頻音。在圖像獲取期間，該導頻音由接收單元10a、10b、10c通過接收天線11a、11b、11c與MR信號一起寄存。該導頻音通過設備1的整個接收鏈傳播，並且可以由處理單元13使用以便為各個接收單元10a、10b、10c生成的數位訊號採樣限定一個公共時間幀。以這種方式，作為在圖像重建期間由中央處理單元13執行的純粹後處理步驟，而同步該接收單元10a、10b、10c的獨立數位化裝置的操作。
參照圖2，示出了根據本發明的多個接收單元10a、10b、10c及其對應的同步裝置17的結構。該接收單元10a、10b、10c配備有用於從被檢查患者的身體接收MR信號的接收線圈11a、11b、11c。該接收線圈11a、11b、11c連接到靈敏模擬射頻前置放大器19a、19b、19c。該接收單元10a、10b、10c還包括可變衰減器20a、20b、20c，用於根據該接收的MR信號的幅度調節增益。衰減器20a、20b、20c連接到形成接收單元10a、10b、10c的數位化裝置的模數轉換器21a、21b、21c。由模數轉換器生成的數位訊號被供給到發射器22a、22b、22c，用於通過該MR設備的無線電通信鏈路23進行(多路復用)數字無線電傳輸。為此，每個接收單元配備有無線電信號傳輸天線12a、12b、12c。圖2所示實施例的同步裝置17包括連接到天線18的無線數字無線電通信模塊24，用於在接收單元10a、10b、10c和圖2中未示出的MR設備的中央處理單元之間建立無線電通信。為了根據本發明同步各個接收單元10a、10b、10c的數位化裝置21a、21b、21c的操作，從連接到發射器22a、22b、22c的本地振蕩器25a、25b、25c獲取模數轉換器21a、21b、21c的採樣時鐘。該本地振蕩器25a、25b、25c被鎖定到該數字通信鏈路23的載波頻率，例如通過圖2中未示出的適當的PLL電路鎖定。
權利要求
1.用於對放置在檢查區中的身體(7)進行磁共振成像的MR設備，該設備(1)包括主磁體(2)，用於在檢查區中生成靜態和基本均勻的主磁場；放置在檢查區中或其附近的多個接收單元(10a，10b，10c)，每個接收單元(10a，10b，10c)包括用於從身體接收MR信號的接收天線(12a，12b，12c)，用於採樣該接收的MR信號和將該信號採樣轉換為數位訊號的數位化裝置(21a，21b，21c)，以及將該數位訊號傳輸到中央處理單元(13)的發射器(22a，22b，22c)；和用於同步該MR信號的採樣的同步裝置(17)。
2.如權利要求1所述的MR設備，其中該接收單元(10a，10b，10c)的發射器(22a，22b，22c)適應於將數位訊號無線電傳輸到中央處理單元(13)。
3.如權利要求1所述的MR設備，其中接收單元的發射器適應於通過光纖將數位訊號傳輸到中央處理單元。
4.如權利要求1所述的MR設備，其中該同步裝置(17)包括用於生成參照信號的參照信號生成器，該參照信號被供給該接收單元(10a，10b，10c)。
5.如權利要求4所述的MR設備，其中該參照信號是由接收單元(10a，10b，10c)接收的除了該MR信號之外的射頻信號。
6.如權利要求4所述的MR設備，其中該接收單元(10a，10b，10c)被設置成從該參照信號獲取該數位化裝置(21a，21b，21c)的採樣頻率。
7.如權利要求1所述的MR設備，其中每個接收單元(10a，10b，10c)包括被同步裝置(17)的拉伸控制器控制的拉伸生成器，該拉伸控制器規定各個接收單元(10a，10b，10c)的數位化裝置(21a，21b，21c)的操作的定時。
8.如權利要求1所述的MR設備，其中同步裝置(17)包括信號相關裝置，該信號相關裝置被設置成使由不同接收單元(10a，10b，10c)接收的MR信號和/或噪聲信號相關，並且基於該相關確定由各個接收單元(10a，10b，10c)的數位化裝置(21a，21b，21c)所生成的數位訊號的採樣時間。
9.用於對放置在MR設備(1)的檢查區中的身體(7)的至少一部分進行MR成像的方法，該方法包括以下步驟通過包括RF脈衝和切換磁場梯度的MR成像序列來激勵身體(7)內的核磁化；通過放置在該檢查區中或其附近的多個接收單元(10a，10b，10c)從身體(7)獲取MR信號，每個接收單元(10a，10b，10c)包括接收天線和數位化裝置(21a，21b，21c)；採樣該接收的MR信號和將該信號採樣轉換為數位訊號，其中使用同步裝置(17)同步該MR信號的採樣；將該數位訊號發送到中央處理單元(13)；和根據該數位訊號採樣重建MR圖像。
10.如權利要求9所述的方法，其中通過無線數字數據連接(23)將數位訊號從接收單元(10a，10b，10c)傳輸到中央處理單元(13)。
11.用於MR設備的電腦程式，具有用於以下操作的指令通過MR設備生成包括RF脈衝和切換磁場梯度的MR成像序列；同步由該MR設備的多個接收單元的各個數位化裝置對MR信號的採樣；處理從各個接收單元傳輸的採樣和數位化的MR信號；根據該數位訊號採樣重建MR圖像。
全文摘要
本發明涉及一種用於對放置在靜態和基本均勻的主磁場中的身體(7)進行磁共振成像的設備(1)，包括主磁體(2)，用於在檢查區中生成靜態和基本均勻的主磁場。為了提供被設置成允許整體並行成像而不需要在各個接收線圈和後端電子設備之間的大量電纜的MR設備(1)，本發明建議提供放置在該檢查區中或其附近的多個接收單元(10a，10b，10c)，每個接收單元(10a，10b，10c)包括用於從該身體接收MR信號的接收天線(12a，12b，12c)，用於採樣該接收的MR信號和將該信號採樣轉換為數位訊號的數位化裝置(21a，21b，21c)，和將該數位訊號傳輸到中央處理單元(13)的發射器(22a，22b，22c)。此外，該設備(1)包括用於同步該接收單元(10a，10b，10c)的各個數位化裝置(21a，21b，21c)的操作的同步裝置(17)。
文檔編號G01R33/3415GK101052890SQ200580037906
公開日2007年10月10日 申請日期2005年10月31日 優先權日2004年11月4日
發明者M·J·A·M·范赫爾沃特, F·范利裡, L·德夫裡斯, J·H·登博夫, M·H·M·W·默爾特斯, C·L·G·哈姆, M·薩斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司