CN101171761B - 在多通道发送/接收天线设备中用于功率监视的方法和电路装置 - Google Patents

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Abstract

公开了用于操作多通道发送/接收天线设备或装置的方法和电路装置，包括功率监视单元，特别地使用于磁共振成像(MRI)系统。这些方法和电路装置特别地被提供来保证：在使用包括多个线圈和/或线圈段的天线设备或装置的情形下，病人的特定吸收率不被超过，其中所述多个线圈和/或线圈段被独立地提供以具有不同的振幅和/或相位和/或波形和/或功率电平的RF发送信号。最大功率电平被设置用于发送通道中的至少一个。如果对于那个通道所提供的功率电平或所反射的功率超过最大功率电平，则激活一个报警状态。最大总计功率电平被设置用于多个发送通道。如果对于该多个发送通道所提供的总计功率电平或所反射的总计功率电平超过最大总计功率电平，则激活一个报警状态。

Description

在多通道发送/接收天线设备中用于功率监视的方法和电路装置
本发明涉及用于操作多通道发送/接收天线设备或装置的方法和电路装置，包括功率监视单元，特别地使用于磁共振成像(MRI)系统，以及涉及这样的系统。 
包括多个RF天线单元-比如特别是在分布阵列中的RF线圈和/或线圈段(它们例如是在EP 1 314 995中公开的)-的多通道发送/接收天线设备或装置与单一通道RF线圈相比较提供了许多优点，特别是在使用于磁共振成像系统中时。 
这样的天线阵列使得有可能生成具有某种均匀图案(homogeneouspattern)或其它场强分布的RF场(B1场)，以便例如仅仅在病人的感兴趣区域激励核或剪裁该场，以便实现任意的激励图案。而且，利用这样的多通道天线装置可以实现和生成特定的RF信号序列、更高的场强、高的翻转角(flip angle)或实时序列，以及可以加速多维激励。 
然而，必须小心不超过病人的某个特定吸收率(SAR)。为了保证这一点，US-PS 6,762,605公开了一种方法和一种包括至少一个发射天线的磁共振设备，其中使用存储的数据为当前的测量计算当前的SAR，以及其中修改计划的参数，以便使当前的SAR值在预定的SAR极限内。 
然而，这样的早先数据的存储，当前SAR的计算和修改计划的参数，特别是在多个发射天线的情形下(即线圈和/或线圈段)，会造成很大的范围(extent)。 
支撑本发明的一个目的是提供一种用于操作多通道发送接收天线设备的方法和电路装置，通过它能以更容易和更灵活的方式监视发射的RF功率，以便例如不超过病人的某个SAR极限。 
支撑本发明的另一个目的是提供一种用于操作多通道发送接收天线设备的方法和电路装置，通过它可以在例如发送通道或RF放大器的故障状况的情形下，基本上避免由于不可确定的场条件而造成的对于病人的任何风险。 
这些目的中的至少一个是通过按照权利要求4的方法和按照权利要求1的电路装置来解决的。 
这些解决方案具有如下优点：对于每个RF发送通道，可以设置不同的最大发射功率电平，而不会冒超过被应用到检查对象的某个功率极限(或病人的SAR)的风险。 
这个解决方案的另一个优点是：不单可以监视最大功率而且还可以监视各个通道的RF功率的加权和值。 
从属权利要求公开了本发明的有利的实施例。 
从参照附图作出的、本发明的示例性和优选的实施例的以下说明将明白本发明的另外的细节、特性和优点，在图上显示： 
图1是按照本发明的优选实施例的电路装置的示意性框图； 
图2是按照图1的电路装置的功率监视单元的示意性框图；以及 
图3是按照图2的功率监视单元的详细框图。 
在引入作为本公开内容一部分的、以上提到的EP 1 314 995中示例地公开了可以由按照本发明的方法和电路装置操作的几种多通道发送/接收天线设备或装置。 
这样的天线设备特别地是RF线圈装置，其包括具有不同尺寸和/或不同位置的多个(n个)RF线圈和/或线圈段，它们每个被连接到按照本发明的电路装置的发送/接收单元或通道1，...n上。 
图1显示用于操作多通道发送/接收天线设备的电路装置的优选实施例的示意性框图，其中该电路装置是磁共振成像(MRI)系统的一部分，且尤其是相关的多通道数据获取系统的一部分。电路装置被示例地提供用于操作发送/接收天线装置，该发送/接收天线装置包括n个线圈(或线圈段)，用于生成B1场和从待检查的对象中接收松弛信号(relaxationsignal)。 
电路装置的基本部件优选地以一个或多个附加(add-on)电路板的形式在频谱仪10中被实施。这些电路板优选地是至少一个发送板Tx和至少一个接收板Rx，它们每个分别包括多个(n个)发送通道和多个(n个)接收通道。 
电路装置还包括具有中央功率监视单元21的多通道RF放大器20(或多个(n)个单一通道RF放大器)。这个单元21也可以位于频谱仪10中，或例如在使用没有配备这样的单元的单一通道或多通道放大器的情形下 作为分开的单元。最后，提供了多个(n)个收发开关30。 
发送板Tx的输出1，...n与用于放大RF发送信号的RF放大器20的输入相连接，这些RF发送信号优选地互相独立地被控制，具有不同的和变化的相位、振幅和/或波形。RF放大器20的输出信号被供应到n个收发开关30的输入，收发开关30被提供来当被中央控制或处理器单元(未示出)切换到发送模式下时，把放大的RF发送信号经由输入/输出端口Tx/Rx1，...Tx/Rx n供应到天线设备的每一个线圈或线圈段。 
功率监视单元21被提供来保证不超过被发送的最大RF功率的某个预定电平，以便例如限制施加到病人的特定吸收率(SAR)。为此，功率监视单元21监视放大器20的通道的功率电平。如果这些通道的任何一个超过它的预置的最大功率极限(优选地，该最大功率极限可以是对于每个通道不同的)、或各个通道的RF功率的加权和值超过预置的最大功率极限，则功率监视单元21或相关的中央控制或处理器单元可以优选地同时阻断所有的放大器通道。 
用于切断放大器通道的其它条件例如是环境条件，如太高的温度、至少一个发送通道的故障状况、电源故障等等。 
而且，功率监视单元21可被提供来如果例如反射的RF信号超过预定的功率电平则切断放大器通道，因为这也可以表示故障状况，例如到天线设备的线圈或线圈段的连接断开，在这种情形下，所有的放大器通道必须立即关断，因为在这样的条件下对于局部SAR而言生成的RF场是未知的且因此是不安全的。 
由线圈或线圈段接收的信号(通常是松弛信号)在由中央控制或处理器单元把收发开关30切换到接收模式后，经由收发开关30的输入/输出端口Tx/Rx 1，...Tx/Rx n路由到该至少一个接收板Rx的每一个接收通道，以用于数字化和进一步处理。 
图2更详细地显示这样的功率监视单元21。 
假设由所述电路装置操作的天线设备包括多个(n)个线圈和/或线圈段(即，n个通道)，它们优选地相对于发送的和/或接收的RF信号的振幅和/或相位和/或波形互相独立地被控制，则功率监视单元21包括：一个或多个(n)个第一输入B1n，用于来自频谱仪10的阻断信号；多个(n)个第二输入Pn，用于来自RF放大器的每个通道的发送或前向RF功率；多个(n)个第三输入Rn，用于来自RF放大器的每个通道的反射RF功率； 一个或多个(n)个第四输入C/Sn，用于去往和来自频谱仪10的控制状态总线；以及一个或多个第五输入E，用于代表某些环境条件的信号。此外，功率监视单元21包括多个(n)个输出B2n，用于提交阻断信号到RF放大器的每个通道。 
功率监视单元21包括一个n通道阻断开关211(或多个(n)个单一通道阻断开关)，其输入与第一输入B1n相连接，以及它的输出分别与功率监视单元21的输出B2n相连接。 
提供了用于最大断路电平的多个(n)个第一检测单元212n和用于总计电平的多个(n)个第二检测单元213n，它们的输入与功率监视单元21的第二输入Pn相连接。 
此外，提供了用于最大断路电平的多个(n)个第三检测单元214n和用于总计电平的多个(n)个第四检测单元215n，它们的输入与功率监视单元21的第三输入Rn相连接。 
最后，功率监视单元21包括中央控制单元216，其具有分别用于第一、第二、第三和第四检测单元212n、213n、214n、215n中每个的比较结果CR的各自多个(n)个输入，以及其经由控制状态总线C/S与这些单元的每一个相连接。中央控制单元216的另一个输入与功率监视单元21的第四输入C/Sn相连接。功率监视单元21的第五输入E与中央控制单元216相连接，以用于接收代表环境条件的信号。中央控制单元216的输出e与阻断开关211相连接，以便提交用于启用阻断开关211的使能信号。 
用于最大断路电平的检测单元212n、214n被提供来对于每个通道把实际前向和反射的功率电平分别与对于每个通道独立地和优选地用不同值设置的相关最大断路电平相比较，以及把比较结果发送到中央控制单元216。根据对于SAR的极限(病人安全性)，用于切断判决的断路电平的设置可以从以下项取得： 
-病人体重(在检查前输入) 
-病人到一个组(例如，小、中等、大)的分配 
-以低分辨率的初始探查扫描，确定病人位置和体重。 
测量的功率和附加信息可以在数值(FEM，FDTD，...)或分析模拟中或在预测模型(几次模拟的结果被存储在存储器)中被使用来设置对于每个通道和每次检查的新的RF功率电平。 
用于总计电平的检测单元213n、215n被提供来把所有通道的实际前 向和反射的功率电平分别与对于前向和反射的功率独立地设置的最大总计功率电平相比较，以及把比较结果发送到中央控制单元216。 
如果检测单元212n、214n、213n、215n的比较结果之一表明，实际的功率电平超过最大断路电平或实际的总计电平超过最大总计电平，则中央控制单元216启用阻断开关211，以便经由在输出B2n处的阻断信号同时和立即地关断RF放大器20。 
因为对于某些应用，例如象测量校准数据，不是所有的线圈都处在发送或接收模式，而是某些线圈处在发送模式而其它线圈处在接收模式，所以阻断信号也由频谱仪10提供，它们被路由到功率监视单元21。如果只有一个用于来自频谱仪10的阻断信号的第一输入B1，则所有的通道被同时阻断或打开。然而，优选地提供多个(n)个第一输入B1n，以使得个别的放大器(或通道)可被阻断。 
通过以上的电路装置，被施加到病人的RF功率可以有效地被限制，进而保证不超过特定吸收率。特别是在使用具有多个独立操作的线圈或线圈段的天线设备和这些线圈或线圈段中仅仅一个发生故障的情形下。 
这特别地是通过对于每个通道—即天线设备的线圈和/或线圈段—不单监视发射的前向RF功率而且也监视反射功率而达到的。而且，通过附加地或替换地监视前向和/或反射功率的总计电平，病人的安全性大大地提高。 
检测单元212n、213n、214n、215n优选地被提供用于把输入的RF信号变换成DC信号，以用于进一步处理。为此，优选地提供对数放大器、数字电位计和基于运算放大器的比较电路。 
图3显示如图2所示的功率监视单元21的这样实现方案的优选实施例。 
用于前向功率的最大断路电平的检测单元212n包括：对于按照第一替换例的多个(n)个通道的每一个的RF到DC变换器2101、2102，它包括宽带对数放大器；和多个(n)个断路电平比较器2103。 
而且，提供了多个(n)个贮存装置2104，用于由中央控制单元216经C/S总线设置的、具有DC电压(例如，通过数字电位计)形式的、对于每个通道的最大断路电平。最大断路电平优选地可以独立地和用不同数值被预置在用于每个通道的每个最大断路电平贮存装置2104中。 
按照第一替换例，每个通道的前向RF功率信号藉助于多个(n)个RF 到DC变换器2101被变换成DC信号。该DC信号然后被路由到相关的断路电平比较器2103，该比较器把该DC电压与以DC电压形式被存储在用于每个通道的贮存装置2104中的、设置的最大断路电平相比较。 
代替于这种模拟处理，生成的DC信号可以按照第二替换例在数字域中被进一步处理。在这种情形下，对于每个通道，提供模拟到数字变换器2102，它把DC信号变换成数字信号，每个数字信号在断路电平比较器2103中如上所述地与设置的断路电平进行比较。 
按照第三替换例，可以使用高速模拟到数字变换器以及解调器，而不是RF到DC变换器2101，以便藉助于所谓的直接变换原理把前向RF信号变换成数字信号。每个数字信号再次被馈送到断路电平比较器2103，用于把该数字信号如上所述地与设置的断路电平进行比较。 
要选择的替换例取决于某些边界条件以及可得到的芯片的价格。 
多个(n)个断路电平比较器2103的比较结果被供应到单元2105，用于评估且特别是用于逻辑地组合这些结果、以及用于生成给中央控制单元216的一个相关输出信号，其例如指示在至少一个发送通道中设置的最大功率电平被超过。在这种情形下，中央控制单元216生成禁用信号e，它被馈送到阻断开关211，以便如上所述地关断至少一个RF放大器。单元2105也由中央控制单元216经由C/S总线来控制，因为在例如不是所有的通道都处在发送模式的情形下，比较器2103的输出信号的逻辑组合函数可以被改变，以便忽略某些通道。 
用于RF前向功率的总计电平的这些检测单元213n包括：贮存装置2106，用于对每个通道的多个(n)个加权因子，采用由中央控制单元216数字地控制的、例如电位计的形式；模拟求和单元2107；由中央控制单元216控制的最大电平单元2108；和逻辑比较器功能单元2109。 
求和单元2107接收分别通过变换输入的RF前向功率信号而由单元2101和/或2102生成的、模拟的或数字化的DC信号。 
这些信号藉助于被存储在贮存装置2106中的、对于每个通道的加权因子而被加权，然后在把这些信号提交到逻辑比较器功能单元2109之前把它们相加求和，其中逻辑比较器功能单元2109具有由最大电平单元2108设置的附加最大电平函数。 
比较器功能单元2109被提供来把提交的和值信号与由中央控制单元216控制或设置的、一个或多个警告和/或最大总计电平进行比较。 
在几个这样的电平的情形下，比较器功能单元2109优选地包括两个或多个输出，以便生成例如警告信号“wr”—即发送的RF功率电平可能很快超过设置的最大功率电平，以使得频谱仪10能够例如通过稍微延长RF信号序列而改变它。这将防止扫描中止，以及防止重复进行全部扫描的必要性。 
除此以外，如果和值信号达到另一个(更大的)预定的最大电平，则错误信号 “er”被提交给中央控制单元216，通过它把RF放大器如上所述地关断。 
在上述的使用高速模拟到数字变换器以及解调器、而不是使用RF到DC变换器的第三替换例的情形下，这些处理步骤也在数字域中实行。 
能以数字电位计数值或寄存器数值的形式实现的、所有上述的设置的最大值或电平，优选地在检查之前例如在预备阶段期间被预先确定或预先设置。然而，附加地或替换地，这些比较值或电平例如在改变条件的情形下也可以在检查(扫描)期间被改变或适配。 
被提供来监视施加到功率监视单元21第三输入Rn的反射功率RF信号(可选的第二监视功能)的、用于最大断路电平的检测单元214n和用于总计电平的检测单元215n，基本上分别与如上所述的检测单元212n和213n是相同的。下面，只说明主要的差别。 
与上述的在其中监视太高的特定吸收率的发送(前向)功率路径(第一监视功能)相反，这个第二监视功能可被使用于检测可能发生的故障状况，例如象损坏的RF电缆、断裂的线圈单元、RF链的中断、线圈和/或单元线圈的显著失谐等等。在这方面，通常必须考虑，在通道之间的功率耦合可以是正常运行模式，或者可以是在去耦合措施失败的情况下发生的。 
然而，通常在这种反射功率路径中必须允许某些反射功率，因为不是总能够保证线圈和/或线圈单元的完美匹配。 
因此，应当定义对于最大断路电平与总计电平的下限值。如果这些极限值不被超过，则假设为正常工作状况，以及反射功率可以从前向功率中被减去，以便得到施加到病人的精确的功率。 
所有上述的监视步骤优选地在任何时间在实时的基础上进行，但尤其是在检查现行(active)中、或MRI系统中存在病人的期间。 
因此，按照本发明的功率监视单元是MRI系统的重要的安全部件，以便保证在任何时间都不超过特定吸收率的极限。所以，功率监视单元21 可以由备用系统(第二功率监视单元)使用与第一功率监视单元相同的输入并在故障状况的情形下经由环境输入E通知后者、而被复制。替换地，为了减小由于冗余性造成的故障的可能性，可以实现两个独立的路径和/或可以使用用于每个功率监视单元的第二或分开的电源。 

Claims (8)

1.用于操作多通道发送接收天线设备或装置的方法，其中由该天线设备或装置发送的功率电平通过进行步骤(a)和(b)；(c)和(d)；(e)；(f)序列中的至少一个而被监视：
(a)设置用于该发送通道中的至少一个发送通道的至少一个极限或最大功率电平，
(b)检测在该至少一个发送通道上被提供到天线设备或装置的发送功率电平，并将该发送功率电平与对该至少一个发送通道设置的该至少一个极限或最大功率电平相比较，以及如果在该至少一个发送通道上提供的功率电平超过该至少一个设置的极限或最大功率电平，则激活一个报警状态；
(c)设置对于多个发送通道的至少一个极限或最大总计功率电平，
(d)检测在该多个发送通道上被提供到天线设备或装置的发送总计功率电平，并将该发送总计功率电平与对于该多个发送通道设置的该至少一个极限或最大总计功率电平相比较，以及如果在至少一个发送通道上提供的总计功率电平超过该至少一个设置的极限或最大总计功率电平，则激活一个报警状态；
(e)对于在发送通道的至少一个发送通道上反射的功率电平，进行步骤(a)和(b)，
(f)对于在多个发送通道上反射的总计功率电平，进行步骤(c)和(d)。
2.按照权利要求1的方法，其中通过生成警告信号或错误信号、和/或通过关断该至少一个发送通道或把该至少一个发送通道与天线设备或装置分离开，而激活一个报警状态。
3.按照权利要求1的方法，用于操作包括多个线圈和/或线圈段的天线设备或装置，这些线圈和/或线圈段被提供以具有不同的振幅和/或相位和/或波形和/或功率电平的RF信号，其中所述极限或最大功率电平和/或总计功率电平对于不同的通道被设置以不同的数值。
4.按照权利要求1的方法，其中按照步骤(d)的总计功率电平通过加权求和该多个通道的功率电平而被确定，其中加权因子是恒定的预置因子或在检查期间被适配。
5.按照权利要求1的方法，其中发送功率电平按照步骤(a)和(b)被监视，以便确定检查对象的特定吸收率。
6.用于操作多通道发送接收天线设备或装置的电路装置，其用于进行按照权利要求1到5的至少一项的方法，该电路装置包括功率监视单元(21)，用于监视以下的至少一项：
-在至少一个发送通道上被提供到天线设备或装置的发送功率电平，
-在多个发送通道上被提供到天线设备或装置的总计发送功率电平，
-在至少一个发送通道上反射的反射功率电平，
-在多个发送通道上反射的总计反射功率电平，
以及如果发送的和/或反射的功率电平超过设置的最大功率电平，则切断发送通道中的至少一个发送通道。
7.多通道RF放大器或频谱仪，使用于磁共振成像系统中，包括按照权利要求6的电路装置。
8.包括按照权利要求6的电路装置的磁共振成像系统。
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