CN101052890A - 具有单独数字转换器的rf接收线圈组件和使其同步的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对放置在静态和基本均匀的主磁场中的身体(7)进行磁共振成像的设备(1)，包括主磁体(2)，用于在检查区中生成静态和基本均匀的主磁场。为了提供被设置成允许整体并行成像而不需要在各个接收线圈和后端电子设备之间的大量电缆的MR设备(1)，本发明建议提供放置在该检查区中或其附近的多个接收单元(10a，10b，10c)，每个接收单元(10a，10b，10c)包括用于从该身体接收MR信号的接收天线(12a，12b，12c)，用于采样该接收的MR信号和将该信号采样转换为数字信号的数字化装置(21a，21b，21c)，和将该数字信号传输到中央处理单元(13)的发射器(22a，22b，22c)。此外，该设备(1)包括用于同步该接收单元(10a，10b，10c)的各个数字化装置(21a，21b，21c)的操作的同步装置(17)。

Description

具有单独数字转换器的RF接收线圈组件和使其同步的装置

本发明涉及一种用于对放置在检查区中的主体进行磁共振(MR)成像的设备。

此外，本发明还涉及一种用于MR成像的方法和用于MR成像设备的计算机程序。

在MR成像中，对目标(患者身体)应用包括RF和磁场梯度脉冲的脉冲序列以生成脉冲编码磁共振信号，通过利用接收天线对其扫描以从该目标获得信息和重建其图像。由于其最初的发展，应用MRI的临床相关领域数量有了极大增长。MRI可以应用于身体的几乎每个部位，并且可以用于获得关于人体多个重要功能的信息。在MR扫描期间应用的脉冲序列完全确定该重建图像的特征，例如目标中的位置和方向、尺寸、分辨率、信噪比、对比度、运动灵敏性等等。MRI设备的操作者必须选择合适的序列，并且必须调节和优化其参数以用于各个应用。

在已知的并行MRI技术中，采用了具有不同空间灵敏度分布图(profile)的多个接收天线，例如用于增强局部灵敏度或减少用于诊断图像的扫描时间。后者例如是根据已知的SENSE技术，通过获取比根据Nyquist法则完全覆盖预定视场实际需要的更少的一组相位编码磁共振信号来实现。

已经证明，上述SENSE技术和其他已知的并行MR成像技术对于实际应用是非常高效的。因此，现代MR系统日益要求整体的并行成像。这必然就需要使用设置在该MR设备检查区中的大量的MR接收天线(线圈)，每个天线与单独的接收通道相关联。为了将各个接收天线连接到通常被设置在实际检查室外面的MR设备的后端电子设备，需要许多电缆。这种电缆铺设是昂贵的并且庞大的，这在考虑到普通MR设备检查室内的有限空间时是一个主要影响。特别是在接收线圈被集成在移动患者支架中的情况下，必要的电缆铺设是一个技术挑战并且因而是成本高昂的。在MR成像中使用越多的天线，在被检查患者身体周围处理的电缆就变得越复杂。通常，使用设置在检查区附近的所谓组合箱(combiner box)，其中来自各个接收天线的电缆被捆绑在一起。多功能电缆从该组合箱出发并通向该MR设备的后端电子设备。当然，这些多功能电缆及其相应的组合箱包括多个金属部件和导线。一个已知的问题是，这些金属部件和导线将会干扰检查区中的射频场，并且会导致在各个金属部件和导线附近的被检查身体组织中产生很高的局部特定吸收率(SAR)。这对于MR设备的操作安全是一个大问题。例如，患者靠近将接收天线连接到该MR设备中央处理单元的导线的区域中的皮肤会受到局部烧伤。

例如从US 5245288中可知，可以通过将该接收和解调MR信号从被设置在检查区附近的接收单元无线传输到MR设备的中央处理单元，而免除在MR接收天线和MR设备的远程信号处理电子设备之间的电缆。该已知系统使用了混频级(mixing stage)，其中将接收的MR信号与恒定频率的混频信号混频。该混频信号是从也被无线传输到该已知系统的接收单元的参照信号获取的。

遗憾的是，这种已知技术不能用于并行成像。当使用多个该已知种类的无线接收单元时，各个混频级之间的随机相位差和相位波动将导致不可预料的图像伪像(artifact)。而且，由于各个传输信号的不可解决的干扰，该已知系统的技术原则上不允许从多个接收单元并行无线传输MR信号。

因此，很容易理解，需要一种允许使用多个接收天线大量并行成像的改进的MR成像设备。从而，本发明的基本目的是提供一种设置成将各个接收天线接收的MR信号并行传输到MR设备的中央处理单元而不需要额外的电缆的MR设备。

根据本发明，提供了一种用于对放置在检查区中的身体进行磁共振成像的MR设备。该设备包括主磁体，用于在检查区中生成静态和基本均匀的主磁场。提供放置在检查区中或其附近的多个接收单元，每个接收单元包括用于从该身体接收MR信号的接收天线。各个接收单元具有数字化装置，用于采样该接收的MR信号和将该信号采样转换为数字信号，然后将其传输到中央处理单元。本发明的设备还包括用于同步该MR信号的采样的同步装置。

本发明的要点是，将相当大一部分数字电子设备从已知MR设备的后端转移到检查区中，从而能够显著减少磁体和中央处理单元之间所需的电缆数量。本发明相比常规MR系统能够显著增加接收通道的数量。由于上述原因，不能再利用常规技术来处理各个接收线圈和后端电子设备之间的对应的大量电缆。

本发明的设备的特征在于，每个接收单元包括数字化装置，用于将MR信号转换为数字信号采样，从而能够通过数字数据传输实现并行(复用)传输而不会在各个信号之间干扰。为此，该MR设备的每个接收单元还必须提供有适当的发射器。特别有利的是，根据本发明，仅需要单个共用数字数据连接用于在接收单元与中央处理单元之间进行数据传输。

本发明还解决同步该MR设备的各个接收通道的重要问题。根据本发明的设备的接收单元是独立工作的。没有该同步装置，各个接收单元的数字化装置的采样时钟将具有不同和随机的相位关系。这将导致该发射信号的严重相位失真。为了能够并行成像，本发明的MR设备包括同步该接收单元的各个数字化装置的操作的同步装置。该同步装置确保了对于每个接收通道良好限定不同数字信号采样的采样时间，从而有效避免了对图像质量具有不利影响的相位误差。

必须注意的是，根据本发明的同步仅用于对于该数字化装置的工作进行精确的时间确定。在本发明的意义内，绝不需要使得不同接收单元的各个电子设备以相同的定时执行该信号采样。

还必须注意的是，不需要在整个扫描期间建立该接收单元的同步。根据本发明，仅在实际信号获取期间良好限定该数字化装置的定时就足够了。MR扫描典型地持续达几分钟，并且包括几百到几千个获取周期，每个获取周期仅花费几毫秒或者甚至不到1毫秒。从而仅在完整MR成像扫描的较小时间片段期间需要同步。

利用本发明的设备，如果接收单元的发射器适应于将数字信号无线电传输到中央处理单元是有利的。由于以这种方式建立了各个接收单元和MR设备的后端电子设备之间的完全无线通信，所以能够有效地避免上述大量电缆的缺点。对于本发明的实施例，MR设备的各个接收单元必须包括用于将数字信号转换为(调制)射频信号的适当转换器。用于具有足够带宽的无线数字通信的标准电子部件同样是已知的和低成本商业可用的。这些部件例如是在无线局域计算机网络(WLAN)中已知的，例如是在2.4GHz频带的载波频率工作，并且有利地提供对于本发明的应用足够的高数据率，即使并行使用相对较大数量的接收单元也可以满足。

可替换地，该接收单元的发射器可以适于通过光纤将数字信号传输到中央处理单元。光学数据传输也具有标准电子设备商业可用和得到的数据率较高的优点。因为需要光纤，所以不能完全避免上述与复杂电缆连接的问题。但是光纤仍然具有优点，即它们不包含金属部件或导线，从而检查区中的射频场不会被干扰，并且还避免了涉及增加SAR的问题。

根据本发明的MR设备的同步装置可以包括参照信号生成器，用于生成供给接收单元的参照信号。该参照信号例如可以用于建立各个接收单元的数字化装置的采样时钟的固定相位关系。

根据本发明的一个实施例，该参照信号可以简单地是在检查区中生成的频率接近于该MR信号频率的导频音(pilot tone)。该MR信号通常具有在500Hz和1.5MHz之间的带宽。由接收单元的接收天线拾取的信号是分布在Larmor频率(例如在1.5T的64MHz)周围的这些MR信号。该导频音可以仅在该MR信号的信号带宽外部生成，从而使其仍然与实际MR信号一起被各个接收单元的接收天线接收而不干扰该MR信号。然后，该导频音在该MR设备的完整接收链中传播，并且可以用于同步接收单元的分布式电子设备。在最简单的情况下，直到图像重建将并行接收到的所有信号采样关联到一个公共时间帧才使用该导频音。根据这一实施例，数字化装置的操作的同步被作为该数字信号的纯粹后处理来进行。当然也可能通过适当的有线连接将该参照信号提供到接收单元的数字化电子设备。如果是在数字化之前由该接收单元对接收的MR信号解调，那么该参照信号例如可以被注入到相应的基带信号中以便为该数字信号提供一个公共时间帧。

在本文中必须注意的是，根据本发明的MR设备的同步装置不是必须用于物理控制各个数字化装置的工作。当以前述的方式使用参照信号时，分别并且因而是以实质异步的方式对利用不同接收单元获得的信号进行实际数字化。在本发明上下文中的同步仅仅意味着用于信号采样的公共时间帧。为此，在本发明的意义上，不同数字化装置的实际物理操作不必要受到该同步装置的影响。

根据本发明的另一实施例，该接收单元可以被设置成从该参照信号获取该数字化装置的采样频率。常规的MR设备使用单个中央时钟，从而根据需要获取多个频率，进而实现在整个系统中的同步操作。在常规MR设备中，该中央时钟的分配被限制到中央处理单元，其通常是被设置在实际检查区外部的单个机架(rack)。根据本发明，该中央时钟信号可以作为参照信号通过适当的电缆无线供给到各个接收单元，以建立它们各自的数字化装置的同步操作。对于该中央时钟信号的延迟的校准是必要的，因为必须考虑将该时钟信号传播到接收单元的时间。在本发明的将数字信号从接收单元无线传输到中央处理单元的实际实施例中，也可以无线传输该数字化装置的采样时钟。例如，它可以从该射频通信链接的载波频率或者其他更低频信号中获取。为此，该接收单元可以配备有锁定到该传输的参照信号的本地振荡器，例如通过适当的锁相环(PLL)电路。该无线传输的时钟信号的频率优选地应该匹配该数字化装置的实际采样频率的整数倍。以这种方式可以避免对于所得到MR图像的影响。

根据本发明的一个优选实施例，该接收单元每个可以包括被同步装置的拉伸(stretch)控制器控制的拉伸生成器。该拉伸控制器规定各个接收单元的数字化装置的操作的定时。该拉伸生成器包括输入命令先入先出(FIFO)缓冲器、定时器、和“下一”和“当前”寄存器。该拉伸生成器的输出和输入事件通过存储在该FIFO缓冲器中的命令以较高的时间精度控制(例如1纳秒精度和100纳秒分辨率)。拉伸生成器一般可用于生成波形。在MR设备中，拉伸生成器例如被用于在MR测量期间控制前端设备。根据本发明，该拉伸生成器用于精确控制该接收的MR信号的采样定时。本发明的MR设备的中央处理单元可以包括通过各个通信链接(无线电传输或光纤)连接到各个接收单元的拉伸生成器的拉伸控制器。在信号传输期间发生的位误差可以有利地使用上述该拉伸生成器/控制器的工作原理来处理。通过在该通信链接的“远端”(即在该MR设备的接收单元一端)建立拉伸来实现远程拉伸操作。可以分别在该通信链接的“近端”(即该MR设备的后端电子设备一端)和“远端”使用两个同步的数字计算机以确保正确的定时。为了同步各个计数器，可以以上述方式使用参照信号。

利用本发明的MR设备，还有利地使用信号相关装置，其被设置成使由不同接收单元接收的MR信号和/或噪声信号相关，并且基于该相关来确定由各个接收单元的数字化装置所生成的数字信号的采样时间。相邻接收单元的接收天线具有至少部分重叠的视场，并且至少残余地电感耦合(inductively coupled)。因此，相关由这些接收单元寄存的MR信号和噪声。该相关可以用于定义由各个接收单元接收和数字化的MR信号的公共时间帧。对于该接收单元的操作的同步例如可以通过在实际图像重建之前基于该相关重新计算数字信号的采样时间来实现。

本发明不仅涉及一种设备，还涉及一种用于对放置在MR设备的检查区中的身体的至少一部分进行磁共振成像的方法，该方法包括以下步骤：通过包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列激励该身体内的核磁化；通过放置在检查区中或其附近的多个接收单元从该身体获取MR信号，每个接收单元包括接收天线；采样该接收的MR信号和将该信号采样转换为数字信号，其中使用同步装置同步该接收单元的各个数字化装置的操作；将该数字信号发送到中央处理单元；和根据该数字信号采样重建MR图像。

有利地，可以在计算机硬件上实施适于执行本发明的成像过程的计算机程序以控制磁共振扫描器。该计算机程序可以在合适的数据载体上提供，例如CD-ROM或磁盘。可选地，也可以由用户从因特网服务器上下载。

以下附图公开了本发明的优选实施例。然而，应当理解，该附图仅被设计用于示例性目的而不是对于本发明的限制定义。在附图中：

图1示出了根据本发明的磁共振扫描器的实施例，

图2示意性示出了根据本发明的多个接收单元及其对应的同步装置的结构。

在图1中，以框图形式显示了根据本发明的磁共振成像设备1。该设备1包括用于生成稳定和均匀主磁场的一组主磁线圈2，和三组梯度线圈3、4和5，用于叠加具有可控强度和在选定方向上具有梯度的附加磁场。通常，该主磁场的方向标记为z方向，垂直于它的两个方向为x和y方向。该梯度线圈通过电源9供电。设备1还包括辐射发射器6，是一个天线或线圈，用于向放置在设备1的检查区中的身体7发射射频(RF)脉冲，该辐射发射器6耦合到调制器8以生成和调制该RF脉冲。还提供有放置在该设备1的检查区中或其附近的接收单元10a、10b、10c。每个接收单元10a、10b、10c分别包括用于从身体接收MR信号的接收天线11a、11b、11c。这些接收天线构成了用于并行成像的线圈阵列。该接收天线11a、11b、11c例如是如SENSE成像所需的具有不同空间灵敏度分布图的分离的表面线圈。该接收的MR信号被各个接收单元10a、10b、10c采样并转换为数字信号。接收单元10a、10b、10c配备有信号传输天线12a、12b、12c，用于以复用方式将该数字信号无线电传输到对应的数据处理单元13，例如是配备有无线电天线14的计算机，用于例如根据已知的SENSE技术将该接收的数字磁共振信号转换为图像。该图像可以在可视显示单元15上显示。调制器8、发射器6和用于梯度线圈3、4和5的电源9被控制系统16控制以生成用于并行成像的实际成像序列。该控制系统16还连接到同步装置17以同步接收单元10a、10b、10c的数字化操作。在MR设备的所示实施例中，同步装置17生成参照信号，即所谓导频音，通过导频音天线18无线供给到接收单元10a、10b、10c。当然在一个可选实施例中，也可以通过发射器6传输该导频音。在图像获取期间，该导频音由接收单元10a、10b、10c通过接收天线11a、11b、11c与MR信号一起寄存。该导频音通过设备1的整个接收链传播，并且可以由处理单元13使用以便为各个接收单元10a、10b、10c生成的数字信号采样限定一个公共时间帧。以这种方式，作为在图像重建期间由中央处理单元13执行的纯粹后处理步骤，而同步该接收单元10a、10b、10c的独立数字化装置的操作。

参照图2，示出了根据本发明的多个接收单元10a、10b、10c及其对应的同步装置17的结构。该接收单元10a、10b、10c配备有用于从被检查患者的身体接收MR信号的接收线圈11a、11b、11c。该接收线圈11a、11b、11c连接到灵敏模拟射频前置放大器19a、19b、19c。该接收单元10a、10b、10c还包括可变衰减器20a、20b、20c，用于根据该接收的MR信号的幅度调节增益。衰减器20a、20b、20c连接到形成接收单元10a、10b、10c的数字化装置的模数转换器21a、21b、21c。由模数转换器生成的数字信号被供给到发射器22a、22b、22c，用于通过该MR设备的无线电通信链路23进行(多路复用)数字无线电传输。为此，每个接收单元配备有无线电信号传输天线12a、12b、12c。图2所示实施例的同步装置17包括连接到天线18的无线数字无线电通信模块24，用于在接收单元10a、10b、10c和图2中未示出的MR设备的中央处理单元之间建立无线电通信。为了根据本发明同步各个接收单元10a、10b、10c的数字化装置21a、21b、21c的操作，从连接到发射器22a、22b、22c的本地振荡器25a、25b、25c获取模数转换器21a、21b、21c的采样时钟。该本地振荡器25a、25b、25c被锁定到该数字通信链路23的载波频率，例如通过图2中未示出的适当的PLL电路锁定。

Claims (11)

1.用于对放置在检查区中的身体(7)进行磁共振成像的MR设备，该设备(1)包括：

主磁体(2)，用于在检查区中生成静态和基本均匀的主磁场；

放置在检查区中或其附近的多个接收单元(10a，10b，10c)，每个接收单元(10a，10b，10c)包括用于从身体接收MR信号的接收天线(12a，12b，12c)，用于采样该接收的MR信号和将该信号采样转换为数字信号的数字化装置(21a，21b，21c)，以及将该数字信号传输到中央处理单元(13)的发射器(22a，22b，22c)；和

用于同步该MR信号的采样的同步装置(17)。

2.如权利要求1所述的MR设备，其中该接收单元(10a，10b，10c)的发射器(22a，22b，22c)适应于将数字信号无线电传输到中央处理单元(13)。

3.如权利要求1所述的MR设备，其中接收单元的发射器适应于通过光纤将数字信号传输到中央处理单元。

4.如权利要求1所述的MR设备，其中该同步装置(17)包括用于生成参照信号的参照信号生成器，该参照信号被供给该接收单元(10a，10b，10c)。

5.如权利要求4所述的MR设备，其中该参照信号是由接收单元(10a，10b，10c)接收的除了该MR信号之外的射频信号。

6.如权利要求4所述的MR设备，其中该接收单元(10a，10b，10c)被设置成从该参照信号获取该数字化装置(21a，21b，21c)的采样频率。

7.如权利要求1所述的MR设备，其中每个接收单元(10a，10b，10c)包括被同步装置(17)的拉伸控制器控制的拉伸生成器，该拉伸控制器规定各个接收单元(10a，10b，10c)的数字化装置(21a，21b，21c)的操作的定时。

8.如权利要求1所述的MR设备，其中同步装置(17)包括信号相关装置，该信号相关装置被设置成使由不同接收单元(10a，10b，10c)接收的MR信号和/或噪声信号相关，并且基于该相关确定由各个接收单元(10a，10b，10c)的数字化装置(21a，21b，21c)所生成的数字信号的采样时间。

9.用于对放置在MR设备(1)的检查区中的身体(7)的至少一部分进行MR成像的方法，该方法包括以下步骤：

通过包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列来激励身体(7)内的核磁化；

通过放置在该检查区中或其附近的多个接收单元(10a，10b，10c)从身体(7)获取MR信号，每个接收单元(10a，10b，10c)包括接收天线和数字化装置(21a，21b，21c)；

采样该接收的MR信号和将该信号采样转换为数字信号，其中使用同步装置(17)同步该MR信号的采样；

将该数字信号发送到中央处理单元(13)；和

根据该数字信号采样重建MR图像。

10.如权利要求9所述的方法，其中通过无线数字数据连接(23)将数字信号从接收单元(10a，10b，10c)传输到中央处理单元(13)。

11.用于MR设备的计算机程序，具有用于以下操作的指令：

通过MR设备生成包括RF脉冲和切换磁场梯度的MR成像序列；

同步由该MR设备的多个接收单元的各个数字化装置对MR信号的采样；

处理从各个接收单元传输的采样和数字化的MR信号；

根据该数字信号采样重建MR图像。

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