AT526399B1 - Schaltung zur Signalaufbereitung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne (20) einer lokale RF-Spule (9) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) umfassend einen Vorverstärker (31) je RF-Antenne (20), welcher das Signal der RF-Antenne (20) verstärkt, wobei an den Vorverstärker (31) ein Analog-zu-Digitalwandler (33) anschließt, welcher das verstärkte Signal des Vorverstärkers (31) digitalisiert, wobei der Vorverstärker (31) und der Analog-zu-Digitalwandler (33) in CMOS-Technologie ausgeführt sind.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne einer lokalen RF-Spule eines Magnetresonanztomographiesystems.

[0002] Die derzeit wichtigsten diagnostischen Verfahren im Gesundheitssektor sind nicht-invasive bildgebende Verfahren, welche eine (Früh-)Erkennung von Erkrankungen ermöglichen und Basis für nachhaltige therapeutische Entscheidungen sind. Jedoch gehen die Möglichkeiten von bildgebenden Verfahren weit über den diagnostischen Bereich in der Klinik oder Veterinärmedizin hinaus und finden Anwendung in verschiedensten Bereichen der Forschung (z.B. Materialforschung, Neurowissenschaften, etc.). Zum heutigen Zeitpunkt kann man die Magnetresonanztomographen (MRT) als den Goldstandard in den bildgebenden Verfahren betrachten, da durch die genaue Darstellung des untersuchten Materials, vor allem weiche Materie, komplexe Abläufe und Strukturen verständlich werden.

[0003] Die Magnetresonanztomographie richtet mittels starker äußerer Magnetfelder die Kernspins der zu untersuchenden Objektes aus und regen diese durch elektro-magnetische Wechselfelder zur Präzession um diese Ausrichtung an. Die Präzession bzw. Rückkehr aus diesem höher energetischen, angeregten Zustand in einen Zustand niedrigerer Energie, erzeugt wiederum ein elektromagnetisches Wechselfeld, welches über Radiofrequenzantennen (RF-Antennen) empfangen wird. Zur örtlichen Kodierung der detektierten Signale werden magnetische Gradientenfelder aufgeprägt, welche rückwirkend eine Volumenelement-Zuordnung erlauben. Die Bildrekonstruktion erfolgt durch die Auswertung (z.B. Fourier-Transformation) der empfangenen Signale der RF- Antennen und erzeugt eine bildgebende, tomographische Darstellung des Untersuchungsobjektes.

[0004] Eine maßgebende Größe für die Qualität von MR Scans ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), welches wesentlich die Qualität und Dauer eines MR Scans beeinflusst, aber selbst von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu zählen Faktoren wie die Feldstärke des MRT, das angewendeten Antennendesign, die Länge von elektrischen Signalleitungen oder auch die verwendete Elektronik zur Verstärkung und Verarbeitung des empfangenen MR Signals. Das durch Lokalspulenanordnungen (Local Coils, Coils, Coil Arrays) bzw. Antennensysteme empfangene Signal ist ein durch die MR-Messung induziertes Spannungssignal, welches dann mittels eines rauscharmen Vorverstärkers (zB. LNA), innerhalb des Sichtfeldes bzw. Field-of-View (FoV) im Magnetfeld, verstärkt und schließlich möglichst verlustarm an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Als Empfangs-Spulenanordnungen wird allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z.B. aus einem oder mehreren Antennenelementen (Spulenelementen) bestehen kann. Mehrere Antennenelemente werden als Array-Spulen bezeichnet. Diese einzelnen Antennenelemente sind resonante Hochfrequenz-Schaltkreise, welche es in verschiedenen Ausführungen (zB. Loopantenne, Flex-PCB-Coil, Sattelspulen, Butterfly) gibt. Dem Array-System nachgereiht befinden sich diverse Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke (Tuning, Matching, Decoupling), der Vorverstärker, weitere Elektronik (z.B. Mantelwellensperren zur Gleichtaktunterdrückung) und ein Steckersystem zur Anbindung an das MR-System. Je früher das durch die Einzelantennen empfangene MR Signal verstärkt wird, desto weniger störende Einflüsse können die Signalqualität, das SNR und somit auch die Bildqualität bzw. Scandauer negativ beeinflussen.

[0005] Derzeit sind diese Vorverstärker und die dazugehörigen Komplementärschaltungen, mit diskreten Komponenten aufgebaut und beanspruchen, besonders bei mehr-kanaliger Lokalspulenanordnung (Coil Arrays), relativ viel Platz im Bauraum in der ohnehin bereits beengten Umgebung der MRT Röhre bzw. an oder nahe den Coil Arrays. Die Signalübertragung bis zur internen technischen Schnittstelle der MRT OEM (Original Equipment Manufacturer) Hersteller und das darauffolgende Rekonstruktionssystem erfolgt zumeist in analoger Form via Koaxialkabel. Die verlustbehaftete Übertragung über eine Koaxialleitung selbst kann wiederum zu negativer Beeinflussung (Gleichtakt-Störsignale) des SNR führen, durch die innerhalb der MRT Röhre notwendige Einstrahlung von Energie zur Anregung der Kernspins durch die Sendeantenne.

[0006] Durch den limitierten Durchmesser der MRT-Röhre (physikalische bzw. technische Limits

Aufgrund eines notwendigen homogenen Sichtfeldes (Field of View - FOV)), die Verwendung von mehrkanaligen Lokalspulen bzw. das Fehlen von Ganzkörper-Sende- und Empfangsspulen (Bodycoils) bei manchen MR-Geräten und die immer wichtiger werdende Verwendung bzw. Kombination von weiteren bildgebenden bzw. funktionellen Anwendungen innerhalb des MRT, entsteht ein signifikanter Platzmangel innerhalb des MRT. Außerdem schwindet der Patientenkomfort, je kleiner der Platz innerhalb der MRT Röhre wird, was wiederum Probleme von Unwohlsein, bis hin zu kompletten Abbrüchen oder Nicht-Durchführbarkeit von Untersuchungen führen kann. Auf der anderen Seite besteht der Wunsch nach einem möglichst hohen SNR um damit ein möglichst fehlerfreies und detailliertes Bild zu erzeugen und nicht einen wesentlichen Teil des Signals entlang der Signalkette oder durch sonstige Komponenten, zu verlieren. Zusätzlich besteht das Problem das alle Instrumente (Empfangs- bzw. Sendespule, etc.) lediglich bei einer bestimmten Frequenz, welche durch das Hauptmagnetfeld bestimmt ist, funktionieren. Dies hat zur Folge das jedes MRT Gerät mehrere Sende- bzw. Empfangsspulen hat, die auch nur dort bzw. bei ähnlichen Geräten mit gleicher Feldstärke und Konfiguration, funktionieren.

[0007] In der MRT werden zumeist Wasserstoffatome (1H) gemessen. Es können aber auch weitere Nuklide gemessen werden (Multi-nuclear MRI), um beispielsweise den Metabolismus von Organen oder Tumoren darzustellen. Dies erfordert die Verstärkung des empfangenen MR-Signals abseits der hauptsächlich genutzten MR- Frequenz (Larmor-Frequenz).

[0008] Bisher konnte das Platz-Problem nur teilweise durch Verkleinerung der diskreten Komponenten bzw. Platzierung von Komponenten außerhalb der MR-Röhre gelöst werden, wobei die Signalübertragung nach wie vor in analoger Form stattfindet. Der Verbau von mehr als 100 solcher konventioneller Vorverstärker geht mit erheblichen technischen Herausforderungen einher, und führt oft nicht zum gewünschten Ergebnis.

[0009] Der Versuch einen Vorverstärker in CMOS Technologie zu realisieren, wurde bereits unternommen.

[0010] Siehe:

[0011] - Cao, X., et al. Design of a 3T preamplifier which stability is insensitive to coil loading. Journal of Magnetic Resonance #265 (2016), p. 215-223, https://doi.org/10.1016/j.jmr.2016.02.012.

[0012] - Horneff, A., et al. A new CMOS broadband, high impedance LNA for MRI achieving an input referred voltage noise spectral density of 200pV/sqrt(Hz). IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS) 2019, Sapporo, Japan, May 26-29, 2019, p. 1-5, https://10.1109/1SCAS.2019.8702445

[0013] Jedoch wurde noch kein modularer Multi-Frequenz-Verstärker für verschiedene diskrete MR-Frequenzen entwickelt. Die Realisierung dieses Konzeptes als enorm breitbandige, diskret aufgebaute Variante in möglichst kompakter Bauart, hätte sehr hohe parasitäre Impedanzen zur Folge, wodurch die notwendige Verstärkung mit sehr niedriger Rauschverstärkung nicht möglich wäre. Außerdem würde eine solche Variante sehr viel Platz benötigen.

[0014] Das Problem der MRT-Geräte übergreifenden Verwendung von MR Sende- und Empfangsspulen wurde noch gar nicht gelöst.

[0015] Um all diese Problematiken zu lösen wird eine Schaltung nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

[0016] Es wird somit eine Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RFAntenne einer lokale RF-Spule eines Magnetresonanztomographiesystems vorgeschlagen, umfassend einen Vorverstärker je RF-Antenne, welcher das Signal der RF-Antenne verstärkt, wobei an den Vorverstärker ein Analog-zu-Digitalwandler anschließt, welcher das verstärkte Signal des Vorverstärkers digitalisiert, wobei der Vorverstärker als Integrierter Baustein (IC) in Form eines Verstärkerchips vorliegt und der Vorverstärker und der Analog-zu-Digitalwandler in CMOS-Technologie ausgeführt sind, wobei der Vorverstärker ein Vorverstärker mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise umfasst.

[0017] Bevorzugt umfasst die Schaltung mehrere RF-Antennen, wobei jeder RF-Antenne ein Vorverstärker als Integrierter Baustein zugeordnet ist.

[0018] CMOS steht für Complementary metal-oxide-semiconductor („komplementärer / sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter“) und ist eine Bezeichnung für Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal-MOSFETs als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. MOSFET steht für Metall-Oxid- Halbleiter-Feldeffekttransistor.

[0019] Bevorzugt wird, dass mehrere RF-Antennen vorhanden sind, wobei je einer von mehreren Vorverstärkern das Signal einer RF-Antenne verstärkt, wobei zumindest ein Analog-zu-Digitalwandler an je einem von mehreren seiner Eingänge das verstärkte Signal eines Vorverstärkers erhält.

[0020] Bevorzugt wird, dass der Analog-zu-Digitalwandler eine Wandlung des verstärkten Signals des Vorverstärkers von einem analogen elektrischen Signal in ein optisches digitales Signal vornimmt.

[0021] In einer anderen Ausführungsvariante kann das digitalisierte Signal des Analog-zu-Digitalwandlers drahtlos übertragen werden.

[0022] Bevorzugt wird, dass die Schaltung eine Steuerungseinheit umfasst, welche mit einer Sende- und Empfangsantennensteuereinheit des Magnetresonanztomographiesystems kommuniziert, wobei die Schaltung einer Steuerungseinheit Einstellungswerte für zumindest ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk (Tuning-, Matching- und Detuning-Netzwerk) zumindest einer RF-Antenne erhält.

[0023] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit bevorzugt über eine optische Leitung erfolgt und auch die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals bevorzugt über die optische Leitung erfolgt.

[0024] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über eine optische Leitung erfolgt und die Kommunikation zwischen der Steuerungseinheit und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit über eine zusätzliche analoge Steuerleitung erfolgt.

[0025] Durch die erfindungsgemäße Ausführung, dass der Vorverstärker ein Vorverstärker mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker mehrere unterschiedliche rauscharme Verstärkungsschaltkreise umfasst, wird erreicht, dass alle Arbeitsfrequenzen inkl. Multikern-Anwendungen in der MR und weiteren komplementären Anwendungen abgedeckt werden können.

[0026] Bevorzugt wird, dass die Auswahl der Arbeitsfrequenz über die Steuerungseinheit erfolgt.

[0027] Bevorzugt wird, dass die Schaltung ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk (Tuning-, Matching- und Detuning-Netzwerk), zumindest einen Vorverstärker, zumindest einen Analog-zu-Digitalwandler und zumindest eine Steuerungseinheit umfasst, wobei die genannten Komponenten an einem gemeinsamen Socket-PCB (Steckplatzelement) vorliegen 0der die genannten Komponenten in beliebiger Kombination an getrennten Socket-PCBs vorliegen, wobei die Socket-PCBs spezifisch an die Systemanforderungen von Geräten unterschiedlicher MRT Hersteller angepasst sind.

[0028] Bevorzugt wird, dass die Schaltung innerhalb eines lokalen RF-Spulenelements vorliegt. Die Schaltung kann beispielsweise in einem starren Gehäuse einer lokalen RF-Spule, beispielsweise einer Kopfspule, vorliegen oder in einer flexiblen lokalen RF- Spule, welche beispielsweise in Form einer, Decke oder sonstigen flexiblen Struktur, ausgeführt sein kann und sich an die Körperkontur einer Person anpassen kann.

[0029] In einer Ausführungsvariante kann die Schaltung auch außen an der lokalen RF-Spule vorliegen. In einer Ausführungsvariante können Teile der Schaltung innen und andere Teile außen an der lokalen RF-Spule vorliegen.

[0030] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Vorverstärker mit einem On-Board Analog-zu-Digitalwandler versehen ist.

[0031] In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass je ein Vorverstärker mit je einem Ana

log-zu-Digitalwandler verbunden ist.

[0032] In einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass mehrere Vorverstärker mit einem gemeinsamen Analog-zu-Digitalwandler verbunden sind.

[0033] Bevorzugt ist der integrierte Verstärker für verschiedene MR- Frequenzen über eine optische oder analoge Verbindung durch eine Kontroll- und Steuereinheit programmierbar. Das erlaubt die Verwendung bei verschiedenen MR-Feldstärken bei optimaler Leistung (Frequenzmodularität).

[0034] Um die Erfindung an unterschiedlichen MRT Plattformen unterschiedlicher Hersteller umsetzten zu können, werden in einer Ausführungsvariante jeweils an die MRT Hersteller angepasste Socket-PCBs verwendet. In einer Ausführungsvariante sind diese Socket-PCBs ebenfalls modular aufgebaut.

[0035] Diese Socket-PCBs versorgen (mit Strom und Steuersignalen) den Vorverstärker und den Analog-zu-Digitalwandler, sowie alle weiteren Komponenten, wie eine RF Antenne und ein Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk. Uber die Socket-PCBs werden Steuersignale zur Frequenz-Anpassung der RF Antenne und des Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk geleitet. Die Socket-PCBs stellen etwaige weitere herstellerspezifische Funktionen via optischer, analoger, oder drahtloser Verbindung zu einer Steuereinheit, insbesondere einer Radiofrequenzantennensteuereinheit, zur besseren Integration zur Verfügung.

[0036] Die CMOS Technologie ermöglicht es, die bisher noch diskrete und äußerst rauschempfindliche Topologie des Vorverstärkers, in einen robusten und vielfach kleineren Integrierten Baustein (IC) zu transferieren, ohne dabei an Verstärkungsleistung zu verlieren. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit einer direkten Digitalisierung der Empfangssignale und Vorverlegung der digitalen Geräteschnittstelle (Frontend). Weiter erlaubt die CMOS Integration eine wesentlich energiesparendere Realisierung und auch eine elektromagnetisch verträglichere Lösung, als bisherige diskrete Vorverstärker für die Magnetresonanztomographie (MRT).

[0037] Die Frequenzmodularität des CMOS Verstärkers ist ein wesentlicher Vorteil und ermöglicht die Verwendung eines einzigen CMOS Verstärkerchips für verschiedene MR Geräte Feldstärken (z.B. 0.55 Tesla, 1.5 Tesla, 3 Tesla, 4 Tesla, 7 Tesla, 10.5 Tesla, 11.4 Tesla, 14 Tesla, etc.) und erspart somit die Produktion von mehreren auf die anzuwendende Feldstärke konstrujerten, analogen Verstärkern.

[0038] Eine Miniaturisierung ermöglicht nicht nur die oben genannten elektrischen Vorteile, sondern ermöglicht auch systemweite Vorteile. Durch kleinere Verstärker wird eine höhere Antennendichte innerhalb einer MRT-Empfangsspule ermöglicht (je mehr Empfangskanäle verwendet werden können, desto schneller oder höher auflösende MR Scans werden ermöglicht; dzt. Standard sind 32 Kanäle; bisher erprobt: 128 Kanäle; Simulationen zeigten Vorteile bei der Verwendung von bis zu 256 Kanälen), da die Baugröße drastisch reduziert werden kann und somit mehr Platz innerhalb des Gehäuses geschaffen wird. Der zusätzliche Platz kann für weitere Anwendungen, wie Magnet - Feldmonitoring/ - Beeinflussung, Transkranielle-Magnetfeld-Stimulation (TMS), Elektroenzephalographie (EEG), etc. oder für weitere Verbesserungen im Bereich der Methodik bzw. Diagnostik, oder auch design-technisch mehr Platz und Komfort für die Patienten/Probanden zur Verfügung gestellt werden.

[0039] Eine örtlich möglichst frühe Digitalisierung des MR-Signals hat weiter den Vorteil, störende Interaktionen zwischen Signal-Transferleitungen (Gleichtaktunterdrückung) zu eliminieren, welche die Stabilität von diskreten Verstärkern beeinflussen und selbst auch das Signal-RauschVerhältnis drastisch verschlechtern können. Die modulare Bauweise des Systems nach einem Baustein-Prinzip, ermöglicht es das Frontend von MR Sende- und Empfangsspulen auf die jeweiligen Bedürfnisse und Bedingungen anzupassen. Je nach Sende- bzw. Empfangssystem kann das Ausgangssignal eines oder mehrerer CMOS Verstärker an einen ADC gesendet werden. Dieser ADC kann innerhalb oder außerhalb der lokalen MR Sende- bzw. Empfangsspule/-einheit sitzen. Von dort kann das digitalisierte MR Signal bevorzugt optisch an das MR Backend weitergeleitet werden.

[0040] Die modulare Kombination von integriertem CMOS-Verstärker und Analog-Digital-Wandler (ADC) kann auf individuell angepassten, Hersteller- bzw. Kunden-spezifischen Grundplatinen/-trägern (PCB-Printed Circuit Board) realisiert werden.

[0041] Die Kombination aus modularer Bauweise und Frequenzmodularität erlaubt es bereits bestehende MR-Systeme aufzurüsten und somit die Systeme auf den neusten technischen Stand zu bringen. Dies erlaubt eine kostengünstige Auf- bzw. Umrüstung älterer MR- Scanner Systeme und trägt zur nachhaltigeren Nutzung dieser teuren Technologie bei.

[0042] Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht:

[0043] Fig. 1: Zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Magnetresonanztomographiesystems (MRT-System).

[0044] Fig. 2: zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Systemkomponenten.

[0045] Fig. 3: zeigt schematisch die Verwendung von mehreren unterschiedlichen Verstärkerblöcken zur Verstärkung der individuell empfangenen und angepassten MR-Signale von Radiofrequenzspulen.

[0046] Fig. 4: Zeigt schematisch die Anwendung von modularen Empfangseinheiten an einem Kopfspulensystem.

[0047] In Fig. 1 ist ein Magnetresonanztomographiesystem (MRT-System) 1 veranschaulicht, welches einen Tunnel 2 aufweist, in welchen eine auf einer Liege 8 befindliche Person 3 für die Bildgebung platzierbar ist. Das MRT-System 1 umfasst eine supraleitende Magnetspule 4, mehrere Gradientenspulen 5 und Shimspulen 6. Optional kann eine Sende- und Empfangs- Körperspule 7 gemeinsam mit den zuvor genannten Spulen integral im MRT-Gerät vorliegen. Bei Vorhandensein einer Sende- und Empfangs-Körperspule 7 kann das MRT-Gerät mit den im Gehäuse integrierten Spulen zur Bildgebung verwendet werde. Wenn keine Empfangs-Körperspule 7 vorhanden ist, wird eine zusätzliche lokale Empfangsspule, welche hierin als Radiofrequenz-Spule bzw. lokale RF-Spule 9 bezeichnet wird, benötigt, welche an der Person 3 vorliegt. Eine zusätzliche lokale RF-Spule 9 kann auch bei vorhandener Empfangs-Körperspule 7 genutzt werden, da diese vorteilhaft näher am Körper der Person 3 vorliegt. Die RF-Spule 9 kann als reine Empfangsspule oder als Sende- und Empfangsspule (Transceiver-Spule) vorliegen.

[0048] Wie veranschaulicht ist, liegt die lokale RF-Spule 9 an bzw. um ein Körperteil der Person 3 vor und befindet sich bei der Bildgebung mit der Person 3 im Tunnel 2.

[0049] Weiters veranschaulicht ist eine MRT Steuereinheit 10, welche Untereinheiten 11-14 umfassen kann, welche zur Steuerung von Teilsystem des MRT-Geräts dienen können. Zudem weist die MRT Steuereinheit 10 einen Datenspeicher 15 auf, oder ist mit einem solchen über ein Netzwerk verbunden. Das MRT-Gerät ist in einem abgeschirmten Raum 16 angeordnet, wobei die MRT Steuereinheit 10 oder zumindest die meisten Komponenten der MRT Steuereinheit 10 auBerhalb des abgeschirmten Raums 16 vorliegen.

[0050] Die Datenübertragung zwischen MRT-Gerät und MRT Steuereinheit 10 erfolgt über Datenleitungen, welche meist analoge und digitale Signalleitungen umfassen. Insbesondere ist dies bei den Daten der lokale RF-Spule 9 der Fall. Eine drahtlose Übertragung wurde zumindest in der Patentliteratur bereits vorgeschlagen.

[0051] Die einzelnen Untereinheiten 11-14 der Steuereinheit MRT 10 sind eine allgemeine Steuerung 11, eine Gradientensteuerung 13, eine Shimspulensteuerung 14 und eine RadiofrequenzSende- und Empfangsantennensteuereinheit 12. Die Signalleitung zwischen Gradientenspulen 5 und der Gradientensteuerung 13 erfolgt über eine Signalleitung 18 des Gradientenuntersystems. Die Signalleitung zwischen Shimspulen 6 und der Shimspulensteuerung 14 erfolgt über eine Signalleitung 19 des Shimspulenuntersystems.

[0052] Die Signalleitung zwischen der Sende- und Empfangs- Körperspule 7 und der lokale RFSpule 9 und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt über Signalleitungen 17.

Bei Vorhandensein einer lokalen RF-Spule 9 kann die Sende- und Empfangs- Körperspule 7 als Sendespule betrieben werden. Wenn die lokale RF-Spule 9 eine Transceiverspule ist, wird die Sende- und Empfangs- Körperspule 7 nicht benötigt.

[0053] Nach dem Stand der Technik befindet sich die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 im abgeschirmten Raum 16, da eine Leitung eines analogen Signals über ein Koaxialkabel von der lokalen RF-Spule 9 zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt. Bei dieser Art der Übertragung muss der Ubertragungsweg kurz gehalten werden, sodass sich die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 seitlich am MRT-Gerät befindet. Eine drahtlose Übertragung von Daten durch die Abschirmung hindurch ist nicht möglich.

[0054] Die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 kann sich bei der gegenständlichen Erfindung auch außerhalb des abgeschirmten Raumes 16 befinden, weil die Digitalisierung des Signals bereits im Frontend erfolgt, also vor der Leitung des Signals an die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12.

[0055] Die gegenständliche Erfindung betrifft die Signalverarbeitung von Empfangsspulen, insbesondere von lokalen RF-Spulen 9 und ist in den Figuren 2-4 veranschaulicht.

[0056] Im oberen Teil der Fig. 2 ist eine einzelne RF-Antenne 20 dargestellt, welche als Coil bezeichnet werden kann und in unterschiedlicher Bauform, wie beispielsweise als Ringantenne (Loop Coil), vorliegen kann.

[0057] Das Signal der RF-Antenne 20 wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 (Tuning-, Matching- und DetuningNetzwerk) mit dem Vorverstärker 31 verbunden. Tuning ist die Einstellung der Spulenelektronik an die Resonanzfrequenz der Person. Matching ist die Anpassung der Spulenimpedanz um Rückkopplungen zu vermindern. Detuning ist das Deaktivieren (Entkopplung) der einzelnen Empfangselemente 20 bzw. 28 während der Einstrahlung des RF Pulses durch die Sende-Antenne um die Protonen anzuregen (Erzeugung des MR Signals). Dies schützt auch den Vorverstärker 31, und andere Elektronik vor Überlastung, und stellt auch eine von mehreren Patientensicherheits-Schichten dar, die vor HF-Unfällen schützen. Da diese Vorgänge bzw. die dazu benötigten Schaltungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hierin nicht näher darauf eingegangen.

[0058] Die Erfindung betrifft das Digitale Frontend 22 umfassend einen Low-Noise Verstärker (Vorverstärker - PA) 31 und einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 33, welche beide in CMOSTechnologie vorliegen.

[0059] Die Datenübertragung vom Digitalen Frontend 22 zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt bevorzugt über eine optische oder eine koaxiale Leitung 23. Denkbar wäre auch eine drahtlose Übertragung.

[0060] Der Analog-zu-Digital-Wandler 33 kann einen oder mehrere optische Ausgänge umfassen und daher das zuvor analoge, elektrische Signal in ein digitales optisches Signal wandeln. Alternativ kann nach dem Analog-zu-Digital-Wandler 33 ein zusätzlicher Wandler folgen, der das elektrische digitale Signal in ein optisches digitales Signal wandelt.

[0061] Das optische digitale Signal kann über einen oder mehrere Lichtwellenleiter an die Sendeund Empfangsantennensteuereinheit 12 übertragen werden.

[0062] Als weniger bevorzugte Alternative zur optischen Übertragung kann das digitale Signal auch über ein Koaxialkabel oder drahtlos per Funk übertragen werden, wobei diese Ubertragungsarten bereits im Stand der Technik dokumentiert sind.

[0063] Die Steuerung des Digitalen Frontend 22 kann über die optische Leitung 23 und/oder eine optionale analoge Steuerleitung 24 erfolgen oder auch drahtlos. Die Stromversorgung des Digitalen Frontend 22 und der Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke 21 erfolgt über eine Gleichstrom-Stromversorgung 27.

[0064] Zur Bearbeitung der Daten des Digitalen Frontend 22 umfasst die Sende- und Empfangs-

antennensteuereinheit 12 Filter-, Modulations- und Verstärkungsmodule 25. Die Steuersignale hierfür stammen von einer Uberwachungs- und Steuereinheit 26 der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12.

[0065] In Abwandlung der oberen Abbildung veranschaulicht die untere Abbildung in Fig. 2 ein RF-Antennenarray 28. Das Array kann als Parallel Array vorliegen oder wie veranschaulicht als Phased Array. Jede RF-Antenne 20 des RF-Antennenarrays 28 ist mit einem Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 eines Arrays 29 aus mehreren Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 versehen. Für jede RF-Antenne des RF-Antennenarrays 28 ist ein Vorverstärker 31 in CMOS-Technologie im digitalen Frontend 22 vorhanden, also ein Vorverstärkerarray 30. Das digitale Frontend 22 umfasst zumindest einen Analog-zu- DigitalWandler 33. Ein Analog-zu-Digital-Wandler 33 kann dabei die verstärkten Signale aller Vorverstärker 31 des digitalen Frontend 22 digitalisieren. Das digitale Frontend 22 kann aber auch mehrere Analog-zu-Digital-Wandler 33 umfassen, je nach Anzahl der RF-Antennen des RF-Antennenarrays 28 und der Anzahl der Eingänge des Analog-zu-Digital-Wandlers 33. Der übrige Aufbau ist ident zum oberen Teil der Fig. 2.

[0066] Die verstärkten Signale von mehreren Vorverstärken liegen jeweils an einem eigenen Eingang eines Analog-zu-Digital-Wandlers 33 an, sodass eine parallele bzw. zeitgleiche Digitalisierung der verstärkten Signale erfolgt. Die Anzahl der Ausgänge des Analog-zu-Digital-Wandlers 33 kann der Anzahl der Eingänge entsprechen. Der Analog-zu-Digital-Wandler 33 kann aber auch die analogen Signale mehrerer Eingänge an einem digitalen Ausgang als ein digitales Signal bereitstellen.

[0067] Vorteilhaft ist, dass die Übertragung des MR-Signals vom digitalen Frontend 22 zum MRBackend (also zur Sende- und Empfangsantennensteuvereinheit 12) optisch und digital erfolgen kann, sodass diese unempfindlich gegenüber Störungen ist und wenn nötig auch die elektromagnetische Abschirmung überwinden kann.

[0068] Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsvariante eines digitalen Frontends 22, welches für einen frequenzmodularen Betrieb geeignet ist. Dabei ist für die RF-Antenne 20 ein Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorhanden. Der Vorverstärker 31 ist ein rauscharmer Breitband CMOS Low-Noise Verstärker. Der Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz umfasst mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise 32, deren selektive Verwendung eine Vorauswahl einer Frequenz ermöglicht.

[0069] Wie in Fig. 3 unmittelbar erkennbar ist, umfasst der Vorverstärker 31 (in Form eines Verstärkerchips wie weiter oben offenbart) zumindest drei unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise 32, deren Eingangssignal von einer einzelnen RF-Antenne 20 stammt und deren Ausgangssignal einem einzelnen Eingang des Analog-zu-Digitalwandlers 33 anliegt, wobei der Verstärkerchip zumindest einen zusätzlichen Eingang umfasst, für die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch selektive Verwendung eines der Verstärkungsschaltkreise.

[0070] Das Frontend 22 umfasst eine Steuerungseinheit 34, welche die Einstellung des Verstärker-Arbeits-Frequenzpunkts vornimmt. Zudem kann die Steuerungseinheit 34 die Einstellung von Rauschunterdrückungsparametern, das Empfangsspulentuning und Detuning und/oder eine Systemtaktsteuerung vornehmen. Die Anbindung der Steuerungseinheit 34 an das MR-Backend, insbesondere zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12, kann über eine optische, drahtlose oder analoge Anbindung erfolgen.

[0071] Die Art der Kommunikation der Steuerungseinheit 34 der gegenständlichen Schaltung mit dem MRT-System bzw. der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 ist vom MRT-System abhängig, an welchem die gegenständliche Erfindung umgesetzt wird und kann somit als vorgegeben angesehen werden. Die Steuerungssignale können dabei in analoger oder digitaler Form von der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 bereitgestellt werden. Die Steuersignale sind Signale die zur Steuerung der Systemkomponenten benötigt werden und sind somit unterschiedlich zu den MRT-Signalen der RF-Antennen 20. Die Steuersignale können aber am selben UÜbertragungsweg wie die digitalisierten MRT-Signalen der RF-Antennen 20 übertragen werden.

Die Steuersignale werden aber nicht vom Vorverstärker 31 verstärkt.

[0072] Das Frontend 22 umfasst einen Analog-zu-Digital-Wandler 33, der das verstärkte und digitalisierte MRT-Signal der RF-Antenne 20 über die bevorzugt optische Datenleitung 23 ans Backend sendet. Dadurch, dass der Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorliegt, kann die Verstärkung an die Empfangsfrequenz der RF-Antenne 20 bzw. die Sendefrequenz des verwendeten MRT-Geräts angepasst werden.

[0073] Durch die Frequenzmodularität des Vorverstärkers 31 ergibt sich auch die Notwendigkeit das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 nachzustellen. Da eine Frequenzanpassung des Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerks 21 aus dem Stand der Technik bekannt ist und nicht Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist, wird dies hierin nicht weiter erörtert.

[0074] In Fig. 4 sind Ausführungsvarianten veranschaulicht, um die Erfindung an unterschiedliche MRT Plattformen anpassen zu können. Dazu wird bevorzugt ein jeweils an den MRT Hersteller angepasstes Socket-PCB 36 (Steckplatzelement) verwendet. In einer Ausführungsvariante sind diese Socket-PCBs 36 ebenfalls modular aufgebaut.

[0075] In einer Ausführungsvariante (Mit Bezugszeichen 35 veranschaulicht) sind zumindest ein Vorverstärker 31 oder zumindest ein Vorverstärkerarray 30, zumindest ein Analog-zu- DigitalWandler 33 und zumindest eine Steuerungseinheit 34 an einem gemeinsamen Socket-PCB 36 platziert.

[0076] Das Socket-PCB 36 kann zudem ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 und/oder ein Netzwerkarray 29 umfassen.

[0077] Dieses Socket-PCB 36 versorgt (mit Strom und Steuersignalen) den Vorverstärker 31 und den Analog-zu-Digitalwandler 33, sowie alle weiteren Komponenten, wie eine RF Antenne 20 und das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21.

[0078] Über das Socket-PCB 36 werden Steuersignale zur Frequenz-Anpassung einer oder mehrerer RF Antenne 20 und das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 geleitet.

[0079] Die Socket-PCBs 36 stellen etwaige weitere herstellerspezifische Funktionen via optischer, drahtloser, oder analoger Verbindung zu einer Steuereinheit, insbesondere zur Sendeund Empfangsantennensteuereinheit 12, zur besseren Integration zur Verfügung.

[0080] Die Anzahl der Socket-PCBs 36, welche für eine lokale RF-Spule 9 benötigt werden, hängt davon ab, wie viele RF Antennen 20 diese umfasst und wie viele Vorverstärker 31 an einem Socket-PCBs 36 verbaut sind. Dadurch, dass jeder Vorverstärker 31 bevorzugt als Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorliegt, kann die Schaltung ident für unterschiedliche Socket-PCBs 36 vorliegen. Die Socket-PCBs 36 unterscheiden sich daher bevorzugt in ihrer physischen Form, wie Größe und Art und Anordnung der Anschlüsse bzw. Schnittstellen.

[0081] In einer Ausführungsvariante (Mit Bezugszeichen 37 veranschaulicht) sind Funktional getrennte Socket-PCBs 38, 39 vorhanden, wobei die zuvor genannten Komponenten des einen Socket-PCBs 36 in beliebiger Kombination auf mehrere Socket-PCBs 38, 39 aufgeteilt sind.

[0082] Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise eine Digitalisierung- und Übertragungseinheit umfassen, also zumindest einen ADC und eine optische Schnittstelle zur optischen Leitung 23.

[0083] Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise einen oder mehrere Vorverstärker 31 umfassen.

[0084] Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise eine Steuerungseinheit 34 umfassen.

[0085] In der unter 37 veranschaulichten Ausführungsvariante ist ein Socket-PCB 38 veranschaulicht, welches einen ADC und eine Steuerungseinheit 34 umfasst.

[0086] In der unter 37 veranschaulichten Ausführungsvariante ist ein Socket-PCB 39 veranschaulicht, welches einen Vorverstärker 31 umfasst.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne (20) einer lokale RF-Spule (9) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) umfassend einen Vorverstärker (31) je RF-Antenne (20), welcher das Signal der RF-Antenne (20) verstärkt, dadurch gekennzeichnet, dass an den Vorverstärker (31) ein Analog-zu-Digitalwandler (33) anschließt, welcher das verstärkte Signal des Vorverstärkers (31) digitalisiert, wobei der Vorverstärker (31) und der Analog-zu-Digitalwandler (33) in CMOS-Technologie ausgeführt sind, wobei der Vorverstärker (31) in einem Integrierten Baustein (IC) vorliegt und ein Vorverstärker (31) mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker (31) mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise (32) umfasst.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere RF-Antenne (20) vorhanden sind, wobei je einer von mehreren Vorverstärkern (31) das Signal einer RF-Antenne (20) verstärkt, wobei der Analog-zu-Digitalwandler (33) an je einem von mehreren seiner Eingänge das verstärkte Signal eines Vorverstärkers (31) erhält.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog-zu-Digitalwandler (33) eine Wandlung des verstärkten Signals des Vorverstärkers (31) von einem analogen elektrischen Signal in ein optisches digitales Signal vornimmt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Steuerungseinheit (34) umfasst, welche mit einer Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) des Magnetresonanztomographiesystems (1) kommuniziert, wobei die Steuerungseinheit (34) Einstellungswerte für zumindest ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk (21) zumindest einer RF-Antenne (20) erhält.

5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit (34) und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) über eine optische Leitung (23) erfolgt und auch die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über die optische Leitung (23) erfolgt.

6. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über eine optische Leitung (23) erfolgt und die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit (34) und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) über eine zusätzliche Steuerleitung (24) erfolgt.

7. Schaltung nach Anspruch 1 in Kombination mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Arbeitsfrequenz über die Steuerungseinheit (34) erfolgt.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk (21), zumindest einen Vorverstärker (31), zumindest eine Digitalisierungseinheit (33) und zumindest eine Steuerungseinheit (34) umfasst, wobei die genannten Komponenten an einem gemeinsamen Socket-PCB (36) vorliegen oder die genannten Komponenten in beliebiger Kombination an getrennten SocketPCBs (38, 39) vorliegen, wobei die Socket-PCBs (36, 38, 39) spezifisch an die Systemanforderungen von Geräten unterschiedlicher MRT Hersteller angepasst sind.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung innerhalb des Gehäuses einer lokalen RF-Spule (9) vorliegt.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverstärker (31) in Form eines Verstärkerchips zumindest drei unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise (32) umfasst, deren Eingangssignal von einer einzelnen RF-Antenne (20) stammt und deren Ausgangssignal einem einzelnen Eingang des Analog-zu-Digitalwandlers (33) anliegt, wobei der Verstärkerchip zumindest einen zusätzlichen Eingang umfasst, für die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch selektive Verwendung eines der Verstärkungsschaltkreise (32).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen