-
Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanztomographie-System, oder kurz MRT-System, das eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds zum Hervorrufen einer Magnetresonanz in einem Körper sowie eine in dem Magnetfeld angeordnete Empfangsvorrichtung mit wenigstens einer Empfangsspule aufweist. Zu der Erfindung gehört auch eine entsprechende Empfangsvorrichtung, die frei an dem zu untersuchenden Körper anordenbar ist. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Gewinnen eines Magnetresonanz-Bildsignals, oder MR-Bildsignals.
-
Ein MRT-System der genannten Art sowie eine entsprechende Empfangsvorrichtung sind beispielsweise aus der
DE 199 11 988 A1 bekannt.
-
Ein System zum Erstellen von Magnetresonanztomogrammen ist in der Regel aus wenigstens zwei räumlich voneinander getrennten Teilen gebildet. Der erste Teil umfasst eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds, welche in einem zu untersuchenden Körper, beispielsweise einem Köper eines menschlichen oder tierischen Patienten, oder aber auch in einer Materialprobe, eine Magnetresonanz hervorrufen kann. Nahe des Körpers ist es schwierig, komplexe elektronische Schaltungen oder sogar Computeranlagen für die Berechnung der Tomogramme zu betreiben. Diese Anlagen stören durch hochfrequente Wechselfelder die Empfangseinrichtung, mit der das von dem Körper aufgrund der Magnetresonanz ausgestrahlte Magnetresonanzsignal, oder kurz MR-Signal, empfangen wird. Dieser Bereich, in dem der Einsatz von potentiell störenden Schaltungen zu vermeiden ist, wird hier als Messfeld beizeichnet. Zur Verarbeitung des MR-Signals, insbesondere zum Aufbereiten der darin enthaltenen Bildinformationen, wird das Signal aus dem Messfeld heraus zu einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise einer Computeranlage, übertragen, die sich in einem HF-mäßig abgeschirmten Bereich befindet, von dem aus also keine störende hochfrequente Strahlung (HF-Strahlung) in den Messbereich gelangen kann. Die hierzu zu überwindenden räumlichen Abstände können 5 m und mehr betragen.
-
Das MR-Signal enthält die gewünschten Bildinformationen in einem bestimmten Frequenzband, dessen Mittenfrequenz von einer Feldstärke des Grundmagnetfelds oder B0-Magnetfelds abhängt. Eine Bandbreite des Frequenzbands ergibt sich aus Gradientenfeldern, welche durch Gradientenspulen des MRT-Systems erzeugt werden. Für die digitale Aufbereitung der MR-Bildinformationen durch die Auswerteeinheit muss das MR-Signal, oder ein davon abgeleitetes Signal, mittels eines Analog-Digital-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt werden.
-
Aus der oben genannten Druckschrift ist hierzu bekannt, einen Analog-Digital-Wandler nahe der Empfangsspule anzubringen und so das hochfrequente MR-Signal direkt abzutasten, um den analogen Schaltungsaufwand zu reduzieren. Die mittels des A/D-Wandlers gewonnenen digitalen Abtastwerte können dann beispielsweise über eine serielle Datenverbindung zu der Auswerteeinrichtung aus dem Magnetfeld herausgeführt werden. Bei der A/D-Wandlung sind jedoch hohe A/D-Wandler-Abtastraten gewünscht, um einen hohen Dezimationsgewinn zu erhalten, d. h. es ist eine deutliche Überabtastung des analogen Signals gefragt, beispielsweise um einen Faktor 2 und mehr. Diese hohen A/D-Wandler-Abtastraten bedingen eine entsprechend hohe Datenübertragungsrate, die bei der Übertragung aus dem Magnetfeld heraus gewährleistet sein muss. Mit der immer weiter steigenden Feldstärke des Grundmagnetfelds heutiger MRT-Systeme ergibt sich allerdings eine Mittenfrequenz des MR-Signals, die im Bereich von 40 MHz bis 500 MHz liegen kann. Entsprechend schnelle A/D-Wandler machen die Herstellung des MRT-Systems sehr kostspielig. Zudem werden durch die langen Kommunikationsverbindungen zwischen dem A/D-Wandler und der HF-mäßig abgeschirmten Auswerteeinheit über die Verbindungsleitungen entsprechend hochfrequente Störsignale abgestrahlt, die nur mit großem Aufwand zu unterdrücken sind.
-
Um die MR-Bildinformationen aus dem MR-Signal zu gewinnen, wird das die Bildinformationen enthaltende Frequenzband in ein Basisband verschoben, wo die Bildinformationen als niederfrequentes Signal weiterverarbeitet werden können. Ein digitales Heruntermischen in das Basisband nahe am Untersuchungsmagnetfeld, d. h. z. B. innerhalb der Empfangsvorrichtung, ist nicht sinnvoll, da dann eine Steuerverbindung von der Auswerteeinheit benötigt wird, um die Abtastrate des A/D-Wandler an die momentan verwendete Messsequenz anpassen zu können. Das Steuersignal kann aus der Steuerverbindung abgestrahlt und über eine elektromagnetische Einkoppelung in ein Empfangsspulenelement der Empfangsvorrichtung einkoppeln und dort das MR-Signal stören.
-
In der
US 6 977 502 B1 ist ein Magnetresonanztomograph beschrieben, welcher in einer Ausführungsform dazu ausgelegt ist, ein empfangenes Magnetresonanzsignal zu digitalisieren und anschließend abwärts zu mischen. Durch das Abwärtsmischen mittels des Empfangsmoduls wird das digitalisierte Signal spektral in das Basisband verschoben. Das Empfangsmodul weist eine einstellbare Eingangsdynamik auf, um Magnetresonanzsignale unterschiedlicher Amplitude gleichförmig verarbeiten zu können.
-
In der
US 2007/0 224 698 A1 ist ein MRI-System beschrieben, bei dem ein Magnetresonanzsignal von einer Empfangsspule empfangen wird und direkt digitalisiert wird, um durch eine anschließende digitale Verarbeitung zu erreichen, dass kein Herabmischen in eine Zwischenfrequenz nötig ist. Das digitalisierte, hochfrequente Empfangssignal wird direkt in den K-Raum transformiert.
-
In der
US 2010/0 260 293 A1 ist ein NMR-Tomograph beschrieben, der ein Empfangsteil mit Empfangsspulen aufweist, das dazu ausgelegt ist, die Signale der Empfangsspulen zu digitalisieren und in digitaler Form als optisches Signal über eine Glasfaser aus einem Untersuchungsraum in den Technikraum zu übertragen. In das Empfangsteil kann auch ein digitaler Demodulator eingebaut sein. Aufgabe des Demodulators ist es, aus dem digitalisierten Empfangssignal ein Basisbandsignal zu erzeugen.
-
In der
DE 38 11 066 A1 ist ein Kernresonanz-Spektrometer beschrieben, bei welchem das Signal einer Empfangsspule digitalisiert wird und anschließend durch zweifaches Unterabtasten eine Kopie durch Faltungsprodukte in einem Frequenzbereich erzeugt wird, der von einem Prozessor für eine Fourier-Transformation bearbeitet werden kann.
-
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, die Gewinnung der Bildinformationen mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
-
Die Aufgabe wird durch ein MRT-System gemäß Patentanspruch 1, eine Empfangsvorrichtung gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen MRT-Systems sind durch die Unteransprüche gegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System ist ebenfalls in der im Magnetfeld angeordneten Empfangsvorrichtung wenigstens ein Empfangsspulenelement vorgesehen, das mit einem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers gekoppelt ist, so dass ein MR-Signal des Empfangsspulenelements (ohne vorheriges analoges Heruntermischen) in ein digitales MR-Signal wandelbar ist. Das digitale MR-Signal wird aber nun nicht unmittelbar aus dem Magnetfeld heraus zu der HF-mäßig abgeschirmten Auswerteeinrichtung übertragen. Stattdessen ist ein digitaler Ausgang des Analog-Digital-Wandlers über eine digitale Mischereinrichtung und eine Taktratenreduktionseinrichtung mit dem Datenausgang der Empfangsvorrichtung gekoppelt, von dem aus die verarbeiteten Daten dann zu der Auswerteeinrichtung übertragen werden. Die Mischereinrichtung ist hierbei dazu ausgelegt, ein vorbestimmtes Frequenzband des MR-Signals in einen Zwischenfrequenzbereich abwärts zu mischen und hierdurch ein digitales Zwischenfrequenz-Signal, oder kurz ZF-Signal, zu erzeugen. Durch die Taktratenreduktionseinrichtung wird dann dieses heruntergemischte ZF-Signal in der Taktrate reduziert.
-
Mittels des erfindungsgemäßen MRT-Systems lässt sich das folgende erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen von MR-Bildinformationen durchführen. Bei dem mittels des Empfangsspulenelements empfangenen MR-Signal befinden sich die Bildinformationen in einem durch die Feldstärke des Grundmagnetfelds und die Gradientenfelder festgelegten Frequenzbereich. Durch unmittelbares Abtasten des MR-Signals der Empfangsspule mittels des A/D-Wandlers befinden sich die MR-Bildinformationen weiterhin innerhalb dieses verhältnismäßig hochfrequenten Frequenzbands. Mit dem Begriff unmittelbares Wandeln ist hierbei gemeint, dass das MR-Signal vor der A/D-Wandlung nicht bereits auf analoger Seite durch einen Mischer demoduliert wird. Durch die digitale Mischereinrichtung wird nun dieses Frequenzband durch Abwärtsmischen in einen vorbestimmten Zwischenfrequenzbereich verschoben. Es ist anschließend problemlos möglich, das ZF-Signal mittels der Taktratenreduktionseinrichtung in der Taktrate zu reduzieren und das derart taktratenreduzierte ZF-Signal aus dem Magnetfeld mit einer deutlich geringeren Übertragungsbandbreite aus dem Magnetfeld herauszuführen als es möglich wäre, wenn das Ausgangssignal des A/D-Wandlers unmittelbar übertragen werden müsste.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich eine große Zahl baulicher Vereinfachungen bei einem MRT-System ergibt, wenn das Frequenzband mit den MR-Bildinformationen nicht einstufig aus dem Hochfrequenzbereich in das Basisband heruntergemischt wird, sondern ein digitales Heruntermischen in das Basisband in zwei Stufen erfolgt, nämlich zunächst in eine Zwischenfrequenzband im Bereich des Magnetfelds und anschließend, nach der Übertragung aus dem Magnetfeld heraus, in das Basisband.
-
So muss etwa die Taktratenreduktion für das ZF-Signal nicht variabel ausgestaltet sein. Sie kann stattdessen sehr einfach als Taktratenreduktion mit festem Reduktionsfaktor ausgestaltet sein. Es ist insbesondere möglich einen ganzzahligen Reduktionsfaktor vorzusehen, so dass das taktratenreduzierte ZF-Signal durch einfaches Weglassen einzelner Werte des digitalen ZF-Signals erzeugt werden kann. Dabei hat sich gezeigt, dass eine Taktratenreduktion möglich ist, bei welcher nur jeder sechste oder sogar jeder achte empfangene Eingangswert als Ausgabewert ausgegeben wird.
-
Auch die Mischereinrichtung zum Heruntermischen oder Demodulieren des MR-Signals in das ZF-Signal sollte möglichst einfach konstruiert sein und möglichst wenig Energie verbrauchen. Andernfalls kommt es durch Abwärme zu einem thermischen Rauschen, welches die Bildqualität des MRT-Systems beeinflussen kann. Entsprechend sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung vor, dass die Mischereinrichtung eine Gewichtungseinrichtung aufweist, die dazu ausgelegt ist, das ZF-Signal zu erzeugen, indem sie aufeinanderfolgenden Werte des MR-Signals mit korrespondierenden Werten aus einer periodischen Wertefolge multipliziert, die aus den Werten 1 und –1 (also: 1, –1, 1, –1, 1, –1, ...) oder den Werten 0, 1, 0, –1 (also: 0, 1, 0, –1, 0, 1, 0, –1, 0, 1, 0, –1, ...) gebildet ist. Der digitale Mischer kann in einer konkrete Realisierung der Erfindung z. B. einfach durch eine Multiplikation mit den einfachen Werten 0, 1 und –1 oder aber auch durch ein Multiplexen erreicht werden, bei welchem einer 0 ein A/D-Wandler-Ausgangsdatum, diesem wieder eine 0 und dieser ein invertiertes A/D-Wandler-Ausgangsdatum folgt, falls die Wertefolge 1, 0, –1, 0 verwendet wird. Damit entspricht dieses Heruntermischen einer Multiplikation mit einem Lokaloszillatorsignal, dessen Frequenz einem Viertel der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers entspricht.
-
Zweckmäßigerweise ist der A/D-Wandler für eine Überabtastung des MR-Signals ausgelegt. Hierdurch lassen sich die nachgeschalteten Komponenten der Empfangsvorrichtung noch weiter in der Ausgestaltung vereinfachen, wie im Folgenden genauer erläutert ist.
-
So ist es etwa bekanntermaßen nötig, nach dem Heruntermischen das ZF-Signal und vor der Abtastratenreduktion mittels eines Tiefpassfilters zu filtern, um unerwünschte Mischprodukte in dem Signal zu dämpfen, die andernfalls bei der Taktratenreduktion zu einer Rückfaltung führen würden. Besonders wenig Rechenleistung und damit eine einfache, in einer Empfangsvorrichtung betreibbare Variante bildet hierbei ein digitales FIR-Filter (FIR – Finite-Impulse-Response). Als ganz besonders zweckmäßig hat sich hier die Verwendung eines CIC-Filters (CIC – Cascaded-Integrator-Comb-Filter, kaskadiertes Integrator-Differenziator-Filter) erwiesen. Dieses lässt sich bei der hier beschriebenen Verwendung ohne einen Multiplikator realisieren. Ist nun zusätzlich eine Überabtastung durch den A/D-Wandler vorgesehen, können besonders wenig Koeffizienten bei diesen Filtern vorgesehen sein, da sich die hierdurch ergebende geringere Flankensteilheit der Frequenzgänge dieser Filter aufgrund der Überabtastung nicht nachteilig bemerkbar macht.
-
Um auch die Komponenten der magnetisch abgeschirmten Auswerteeinrichtung einfacher ausgestalten zu können, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass durch geeignete Wahl des Tastverhältnisses der Taktratenreduktion die Überabtastung erhalten bleibt.
-
Für die Übertragung der von der Taktreduktionseinrichtung erzeugten digitalen Werte, d. h. des taktreduzierten ZF-Signals, über die verhältnismäßig langen Verbindungsleitungen hin zu der Auswerteeinrichtung kann die Empfangsvorrichtung zweckmäßigerweise eine Scrambling-Einrichtung aufweisen, durch welche an dem bereits erwähnten Datenausgang der Empfangsvorrichtung gescrambelte Daten erzeugbar sind. Die sich hierdurch ergebende Randomisierung der Werte verhindert ein Einkoppeln korrelierter Störungen in den analogen Signalpfad der Empfangsvorrichtung, also in die Empfangsspule und ggf. in eine dieser nachgeschalteten Verstärkungsanpassung und Bandpassfilterung.
-
Zudem kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Empfangsvorrichtung eine Dithering-Einrichtung aufweist, durch welche am Datenausgang ein Dithering der Zeitabstände aufeinanderfolgend ausgesendeter digitaler Datenwerte erzeugbar ist. Hierdurch lassen sich harmonische Störsignale vermeiden, die ansonsten durch das periodische Aussenden einzelner digitaler Werte über die Verbindungsleitungen abgestrahlt werden können. Durch das Dithering der Zeitabstände werden dieser verunregelmäßigt, so dass sich periodisch ausgestrahlte Störimpulse in geringerem Maße ausbilden.
-
Bei der Verwendung der beschriebenen, verhältnismäßig einfach aufgebauten Komponenten zur Signalverarbeitung muss darauf geachtet werden, dass sich im Signalpfad unregelmäßige Frequenzgänge ergeben können, durch welche auch die Signalanteile, welche Bildinformationen enthalten, verzerrt werden können. Das erfindungsgemäße MRT-System weist hier allerdings den Vorteil auf, dass sich diese Verzerrungen auch besonders einfach wieder beseitigen lassen. Hierzu kann gemäß einer Weiterbildung des MRT-Systems ein digitaler Equalizer vorgesehen sein. Dieser reicht aus, um die durch die beschriebenen Komponenten bewirkten eventuell hervorgerufenen Signalverzerrungen wieder auszugleichen. Der Equalizer kann dabei in der Empfangsvorrichtung oder auf Seiten der Auswerteeinrichtung vorgesehen sein.
-
Im Zusammenhang mit der Auswerteeinrichtung ist diese auch bei dem MRT-System von dem Messfeld abgeschirmt. Der Datenausgang der Empfangsvorrichtung ist zum Übertragen des taktratenreduzierten und ggf. gescrambelten ZF-Signals über eine Datenübertragungseinrichtung, z. B. einen Lichtwellenleiter, mit dem Dateneingang der Auswerteeinrichtung gekoppelt. Um schließlich aus dem taktratenreduzierten ZF-Signal die gewünschten Bildinformationen zu erhalten, weist die Auswerteeinrichtung eine zweite Mischereinrichtung zum Heruntermischen des taktratenreduzierten ZF-Signals in ein Basisbandsignal sowie eine weitere Einrichtung zur Taktratenreduktion auf. Diese zweite Taktratenreduktionseinrichtung ist nun derart ausgestaltet, dass mit ihr eine variable Taktratenreduktion durchgeführt werden kann, wie sie in gängigen MRT-Systemen erwünscht ist. Da sich die Auswerteeinrichtung in einem großen Abstand zum Messfeld in einem HF-mäßig abgeschirmten Bereich befindet, kann die Auswerteeinrichtung auch weitaus einfacher mit Energie versorgt werden und entsprechend leistungsstärkere Signalverarbeitungskomponenten aufweisen.
-
Die Empfangsvorrichtung des MRT-Systems kann ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein. Bei einer mehrteiligen Ausgestaltung kann beispielsweise vorgesehen sein, die Empfangsspule frei beweglich, beispielsweise als Sonde, auszugestalten, die im Falle eines MRT-Systems für medizinische Untersuchungen bei einem Patienten z. B. mittels einer Bandage am Körper festgebunden werden könnte. Der A/D-Wandler könnte dann beispielsweise in dem Patiententisch oder in einem anderen Bereich der Magneteinrichtung angeordnet sein.
-
Eine einteilige Ausgestaltung der Empfangsvorrichtung ist ebenfalls zweckmäßig, um beispielsweise ein Empfangsspulen-Array mit in festen geometrischen Verhältnissen zueinander angeordneten Empfangsspulen bereitstellen zu können, deren MR-Signal sämtlich innerhalb der Empfangsvorrichtung in ZF-Signale umgewandelt werden, das dann mit wenig Verdrahtungsaufwand an dem übrigen MRT-System übertragen werden zu können. Hierzu sieht die Erfindung entsprechend eine Empfangsvorrichtung für ein solches MRT-System vor, bei welcher die wenigstens eine Empfangsspule der Empfangsvorrichtung zusammen mit dem der jeweiligen Empfangsspule nachgeordneten Analog-Digital-Wandler und der zu diesem gehörigen Mischereinrichtung sowie der nachgeordneten Taktratenreduktionseinrichtung sämtlich in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
-
Die Empfangsvorrichtung ist hierdurch frei an einem zu untersuchenden Körper anordenbar und hierbei über ein verhältnismäßig dünnes und flexibles Kabel, z. B. ein Koaxialkabel oder einen Lichtwellenleiter, mit der Auswerteeinrichtung koppelbar. Anstelle eines Kabels kann auch vorgesehen sein, die Daten des taktratenreduzierten ZF-Signals über drahtlose, optische Verbindung oder eine Funkverbindung aus dem Magnetfeld heraus zu der Auswerteeinrichtung zu übertragen.
-
Zu der erfindungsgemäßen Empfangsvorrichtung gehören auch Weiterbildungen, die Merkmale umfassen, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen MRT-System beschrieben wurden. Diese Weiterbildungen sind hier deshalb nicht noch einmal gesondert beschrieben.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt die Figur einen Magnetresonanztomographen 10, oder kurz Tomographen 10, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-Systems darstellt.
-
Bei dem Tomographen 10 befindet sich in einem Untersuchungsraum 12 ein Magnet 14 sowie eine Empfangseinrichtung 16. Die Empfangseinrichtung 16 ist nahe an einem Körper 18 angeordnet. Der Körper 18 und die Empfangseinrichtung 16 befinden sich in einem Magnetfeld 20 des Magneten 14. Bei dem Magneten 14 kann es sich beispielsweise um eine Mehrzahl von Magnetspulen handeln, von denen eine ein Grundmagnetfeld B0 und weitere Spulengradientenfelder sowie HF-Wechselfelder erzeugen, wie sie insgesamt zum Hervorrufen einer Magnetresonanz in dem Körper 18 benötigt werden. Bei dem Körper 18 kann es sich beispielsweise um ein Körperteil eines nicht weiter dargestellten Patienten handeln.
-
Mittels der Empfangsvorrichtung 16 wird das von dem Körper 18 aufgrund der Magnetresonanz abgestrahlte magnetische Wechselfeld empfangen und in ein digitales Signal umgewandelt, das über eine Kommunikationsverbindung 22 durch eine Abschirmung für HF-Strahlung, oder kurz HF-Abschirmung 24, hindurch zu einer Auswerteeinrichtung 26 übertragen wird. Die Auswerteeinrichtung 26 kann beispielsweise einen Personalcomputer oder eine vergleichbare Rechenanlage umfassen. Durch die Auswerteeinheit 26 werden aus dem empfangenen digitalen Signal Bilddaten für ein Magnetresonanztomogramm berechnet. Dies kann dann beispielsweise einem Benutzer des Tomographen 10 auf einem (nicht dargestellten) Bildschirm angezeigt werden.
-
Der Tomograph 10 kann zusätzlich zur Empfangsvorrichtung 16 weitere gleichartige Empfangsvorrichtungen aufweisen. Im Folgenden ist beispielhaft nur die Empfangsvorrichtung 16 beschreiben.
-
Die Empfangsvorrichtung 16 erzeugt das digitale Signal aus einem analogen Empfangssignal einer Empfangsspule 28, welche das von dem Körper 18 ausgestrahlte magnetische Wechselfeld in ein elektrisches Signal umwandelt. Neben der Empfangsspule 28 kann die Empfangsvorrichtung 16 weitere Empfangsspulen und dieser nachgeordnete Komponenten aufweisen, wie durch Auslassungspunkte in der Figur dargestellt ist. Der Übersichtlichkeit halber ist im Folgenden lediglich der Signalpfad für die eine Empfangsspule 28 beschrieben.
-
Das analoge Wechselspannungssignal der Spule 28 wird in bekannter Weise durch eine Verstärkungsanpassung und Bandpassfilterung 30 dahingehend angepasst, dass es für die Aussteuerung eines Analogeingangs 32 eines Analog-Digital-Wandlers oder kurz A/D-Wandlers 34 eine geeignete Dynamik aufweist. Ein Ausgang 36 des A/D-Wandlers 34 ist mit einem digitalen Mischer 38 gekoppelt, welcher das digitale Ausgangssignal des A/D-Wandlers 34 digital in eine Zwischenfrequenzlage mischt. Durch einen nachgeschalteten Tiefpassfilter 40 werden die hochfrequenten Mischprodukte durch eine digitale Filterung gedämpft. Dem Tiefpassfilter 40 ist eine feste Abtastratenreduktion 42 nachgeschaltet. Eine Sendeeinrichtung 44 bereitet das taktratenreduzierte Signal für eine Übertragung über die Kommunikationsverbindung 22 auf. Die Kommunikationsverbindung 22 ist hierzu mit einem digitalen Datenausgang 46 an die Empfangseinrichtung 16 angeschlossen.
-
Der digitale Mischer 38 kann einfach durch eine Multiplikation mit den vier Werten +1, 0, –1, 0 bzw. durch ein Multiplexen eines A/D-Wandler-Ausgangsdatums, einer Null und (unter Auslassung eines Wandlerausgangsdatums) einem invertierten nächste Wandlerdatum sowie einer weiteren Null realisiert werden. Es ist kein aufwändiger, numerisch steuerbarer Oszillator für diese Form des Heruntermischens nötig. Die durch den Mischer 38 auf diese Weise durchgeführte Mischung entspricht einer Multiplikation mit einem Sinussignal, dessen Frequenz ein Viertel der Abtastfrequenz des A/D-Wandlers beträgt.
-
Das Tiefpassfilter 40 vor der Abtastratenreduktion 42 kann durch einen digitalen FIR-Filter oder vorzugsweise mit einem kaskadierten Integrator-Kammfilter (CIC-Filter) realisiert sein.
-
Durch die Taktreduktion 42 wird aus den Daten des tiefpass-gefilterten Signals in dem gezeigten Beispiel jeder achte Abtastwert entnommen. Die Abtastrate ist derart gewählt, dass die Anforderungen an die Flankensteilheit des Tiefpassfilters 40 nicht besonders hoch sind, so dass das Tiefpassfilter 40 nur verhältnismäßig wenig Filterkoeffizienten aufweist.
-
Das heruntergemischte und in seiner Taktrate reduzierte Signal wird mit der derart reduzierten Datenrate seriell über die Kommunikationsverbindung 22 aus dem Magnetfeld 20 herausgeführt.
-
Die Auswerteeinrichtung 26 empfängt das digitale Signal aus der Kommunikationsverbindung 22 über einen Eingang 48, von dem aus es einer Vorverarbeitungseinrichtung 50 zugeführt wird. Durch die Vorverarbeitungseinrichtung 50 werden die durch die Sendeeinrichtung 44 für die Signalübertragung durchgeführten Bearbeitungsschritte wieder rückgängig gemacht. So kann vorgesehen sein, dass die Sendeeinrichtung 44 die Daten verscrambled und die Vorverarbeitungseinrichtung 50 ein entsprechendes Descrambling durchführt. Hierdurch wird bei der Übertragung über die Kommunikationsverbindung 22 eine Störung im Analogsignalpfad der Empfangsvorrichtung 16 und der übrigen Empfangsvorrichtungen vermieden. Eine weitere Methode zur Störsignalvermeidung kann in einem Einführen eines Jitters durch die Sendeeinrichtung 44 bestehen, so dass Datenpakete nicht mit festem Zeitabstand über Kommunikationsverbindung 22 verschickt, sondern der Zeitabstand nach dem Zufallsprinzip variiert wird. Durch die Vorverarbeitungseinrichtung 50 wird dieses Dithering dann wieder kompensiert.
-
Die Empfangsvorrichtung 16 und die Auswerteeinrichtung 26 sind über die Kommunikationsverbindung 22 vorzugsweise nur hochohmig gekoppelt oder sogar galvanisch entkoppelt. Dies verhindert insbesondere die Bildung eines Gleichtaktstroms in elektrisch leitenden Komponenten der Kommunikationsverbindung 22. Bei der Kommunikationsverbindung 22 kann es sich dabei um eine drahtgebundene oder kapazitive Verbindung handeln. Auch eine optische Verbindung über einen Lichtwellenleiter ist möglich. Die Kommunikationsverbindung 22 kann auch drahtlos als optische Verbindung mit Laserstrahlübertragung oder als eine Funkverbindung ausgestaltet sein.
-
Das Ausgangssignal der Vorverarbeitungseinrichtung 50 wird einer zweiten Signalverarbeitungsstufe zugeführt, in welcher das Signal von einem digitalen Mischer 52 in ein Basisband heruntergemischt, mittels eines Tiefpassfilters 54 digital gefiltert und von einer variablen Abtastratenreduktion 56 heruntergetaktet wird. Das Ausgangssignal der Abtastratenreduktion 56 wird einer in der Figur nicht näher veranschaulichten Bildverarbeitung zum Erzeugen des Magnetresonanztomogramms zugeführt. Bei der Abtastratenreduktion 56 ist ein Steuereingang 58 mit einer Steuervorrichtung für die Magnetspulen des Magnets 14 gekoppelt, durch welche die Abtastratenreduktion 56 an eine für die Untersuchung des Körpers 18 ausgewählte Sequenz angepasst wird.
-
Vor der digitalen Mischung 52 und Filterung 54 in der zweiten Stufe kann ein Equalizing-Filter einen gegebenenfalls unerwünschten Frequenzgang in einem Nutzsignalband ausgleichen, wie er beispielsweise durch ein CIC-Filter in dem Tiefpass 40 verursacht sein kann. Dieses Equalizing-Filter kann auch den Frequenzgang der Empfangsspule 28, eines Vorverstärkers in der Vorverarbeitungsschaltung 30 und des übrigen analogen Signalpfads mitkompensieren. Das Equalizing-Filter kann dazu in der Sendeeinrichtung 44 oder der Vorverarbeitungseinrichtung 50 bereitgestellt sein.
-
Die einzelnen Komponenten der Empfangsvorrichtung 16 und der Auswerteeinrichtung 26 können durch an sich bekannte Elemente realisiert werden. Insbesondere können die digitalen Komponenten durch entsprechende Verarbeitungsprogramme eines digitalen Signalprozessors oder ein FPGA (Field Programmable Gate Array) realisiert sein.
-
Zu dem Tomographen 10 ist im Folgenden anhand von konkreten Zahlenbeispielen noch einmal die Funktionsweise des zweistufigen digitalen Heruntermischens des MR-Signals der Empfangsspule 28 in das Basisband veranschaulicht.
-
Für diese Erläuterung sei zunächst angenommen, dass bei dem Magneten 14 das Grundmagnetfeld eine Feldstärke von 0,5 T aufweise. Eine Mittenfrequenz des MR-Signals, das der Körper 18 bei dieser Magnetfeldstärke ausstrahlt, liegt bei ca. 21,3 MHz. Das MR-Signal wird mittels eines Bandpasses der Vorverarbeitungsschaltung 30 auf ein Nutzband begrenzt, in welchem sich die Bildinformationen befinden. Dieses Frequenzband kann beispielsweise eine Breite von +/–250 kHz um die Mittenfrequenz aufweisen. Bei der Abtastung durch den A/D-Wandler 34 mit beispielsweise einer Abtastfrequenz von 80 MHz bleibt das Nutzsignalband im Bereich von 21,3 MHz. Bei der beschriebenen Mischung mit einem Viertel der Abtastfrequenz, also mit 20 MHz, wird das Nutzband in den Bereich von 1,05 MHz bis 1,55 MHz transferiert oder verschoben. Nach Nyquist wäre wohl nur noch eine Abtastrate von 3,1 MHz nötig. Um bei der Datenreduktion den Gewinn durch die Überabtastung (Abtastung mit 80 MHz bei einer Signalbandbreite von weniger als 2 MHz) beizubehalten, wird das Signal des Mischers 38 dem Tiefpassfilter 40 zugeführt, der das Summen-Mischprodukt (21,3 MHz + 20 MHz) unterdrückt. Von dem tiefpass-gefilterten Signal leitet die Taktreduktion 42, wie bereits beschrieben, jeden achten Abtastwert weiter. Damit beträgt dann die Abtastrate des taktratenreduzierten Signals 10 MHz und liegt damit deutlich über der durch das Nyquist-Kriterium vorgegebenen minimalen Abtastrate.
-
Nachfolgend sind für eine allgemeinere Erläuterung in einer Tabelle die gängigen Magnetfeldstärken für heutige MRT-Systeme mit den zugehörigen, gemessenen MR-Frequenzen aufgeführt. Grundsätzlich gilt, dass die MR-Frequenz direkt proportional zur Magnetfeldstärke des Magnetfelds
20 ist. Die exakte Feldstärke wird aber bevorzugt so gewählt, dass sich nicht Frequenzbereiche des Nutzbandes ergeben, die durch Rundfunk oder andere Funkdienste belegt sind. Deshalb sind in der Tabelle die direkten Proportionalitäten nicht gegeben.
| Feldstärke | MR-Frequenz | Abtastfrequenz | 1. Mischerfrequenz | 1. Zwischenfrequenz | Reduzierte Abtastfrequenz |
| 0,5 T | ~21,3 MHz | 80 MHz | 20 MHz | 1,3 MHz | 10 MHz |
| 1 T | ~42,6 MHz | 60 MHz | 15 MHz | 2,4 MHz | 10 MHz |
| 1,5 T | ~63,6 MHz | 80 MHz | 20 MHz | 3,6 MHz | 10 MHz |
| 3 T | ~123,2 MHz | 160 MHz | 40 MHz | 3,2 MHz | 10 MHz |
-
Wie aus der Tabelle zu sehen ist, ist durch eine geeignete Wahl der Abtastfrequenz und Anwendung einer ersten Mischung im Mischer 38 mit einem Viertel der Abtastfrequenz immer eine Zwischenfrequenz erzielbar, die gemäß Nyquist immer mit einer reduzierten Abtastrate von 10 MHz bzw. 10 MSamples/s verlustfrei dargestellt werden kann.
-
Insgesamt ist durch die Beispiele gezeigt, wie es möglich ist, ohne große Schirmungsmaßnahmen einen ersten A/D-Wandler mit nachgeschalteter erster Mischerstufe nahe an einer Empfangsspule anzubringen und die derart gewonnenen Daten kostengünstig aus dem störkritischen Bereich herauszuführen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Tomograph
- 12
- Untersuchungsraum
- 14
- Magnet
- 16
- Empfangsvorrichtung
- 18
- Körper
- 20
- Magnetfeld
- 22
- Kommunikationsverbindung
- 24
- HF-Abschirmung
- 26
- Auswerteeinrichtung
- 28
- Empfangsspule
- 30
- Vorverarbeitungsschaltung
- 32
- Eingang
- 34
- Analog-Digital-Wandler
- 36
- Ausgang
- 38
- digitaler Mischer
- 40
- Tiefpassfilter
- 42
- feste Taktreduktion
- 44
- Sendeeinrichtung
- 46
- Ausgang
- 48
- Eingang
- 50
- Vorverarbeitungseinrichtung
- 52
- digitaler Mischer
- 54
- digitales Tiefpassfilter
- 56
- variable Abtastratenreduktion
- 58
- Steuereingang
