CN101796743A - 用于无线医学应用的天线选择训练协议 - Google Patents
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Abstract
在医学成像设置中，使用诸如探头和局部线圈的无线局部设备。由于环境变量可能改变，因此从成像套件周围的不同位置的发射并且接收来自主成像机器的信号。在确定多个位置中的哪一个对于接收是最佳的时，主机器天线系统(26)从各个位置发射训练请求包。位于局部探头设备(22)处的无线收发器(24)响应于其接收的每个训练请求包。通过评估响应，成像仪可以确定最佳的天线位置。包括了睡眠模式和双重检验机制，以改善功率消耗、性能和通信可靠性。
Description
本发明涉及无线通信领域。其在主诊断成像设备与局部探头、线圈等进行无线通信的诊断成像设置中具有具体应用。然而，将会理解的是，其在从多个通信位置查询无线设备以确定最佳传输路径的任何设置中也具有具体应用。
已经在各种各样的应用中实现了无线通信技术，以给予可从其中获得益处的人们更大的自由。由于无线医学应用的充满前途的市场，其吸引了越来越多的关注。在医学系统中，通常在探头设备和主成像设备之间连接有大量的线缆。探头设备依次附接到患者以采集数据。线缆很重并且对于患者和医生均是不方便的。在一些情况下，例如在MRI系统中，这些线缆可能变得过热并且损伤患者。因此，期望利用无线模块取代这些线缆。超宽带(UWB)技术是充满前途的候选者，这是因为其低传输功率、高数据传输率、低成本以及短传输范围，这些非常好地满足医学应用的需求。
然而，无线医学连接性的解决方案存在若干关键问题，在其对于临床应用可行之前，需要解决这些问题。一个问题就是无线通信的可靠性。医学应用与消费电子应用相比通常具有更高的可靠性需求。例如，在WiMediaUWB通信和无线LAN系统中，所期望的性能标准是在最佳信道中超过90％的平均误包率(PER)。因此，那些实现方式不能保证其可用于所有信道。90％的可靠性标准对于医学应用是过低的。许多医学应用可能需要所实现的无线系统对于所有可能信道具有高达99.999％的可靠率。可以使用一些类型的分集技术以增加无线系统的可靠性。在一些系统中，采用频率分集技术以利用频域分集，但是其通常不够可靠。诸如平均信噪比(SNR)标准的当前提出的天线选择算法无法保证选定的天线可支持所需的数据率。因此，在医学应用中，需要更完善的天线选择协议。
另一关键问题是无线设备的功率消耗。作为“无线”意味着设备必须利用电池以提供功率。因此，低功率消耗是非常重要的，并且在设计用于医学应用的无线通信系统时必须计入考虑。
本发明提供了一种新的、改善的天线定位和查询系统，其克服了上述问题和其他问题。
根据一个方面，提供了一种成像装置。主机器部分包括具有多个天线位置和至少一个天线的天线系统。无线局部设备被定位为邻近主机器部分的成像区域中的对象，并且其具有用于与至少一个主机器天线进行无线通信的无线收发器。天线控制模块使训练请求包从主机器天线发射。无线设备处的处理器通过控制局部设备收发器向主机器天线发射天线选择训练包而响应于对训练请求包的接收。
根据另一方面，提供了一种磁成像装置。主机器部分激发位于成像区域中的对象内的磁共振。定位为邻近对象的无线局部磁共振接收线圈接收来自对象的磁共振。所述装置包括与主机器部分硬连线的多个天线位置。局部接收线圈与主机器部分经由至少一个位于多个天线位置中的一个处的天线进行通信。处理器确定多个天线位置中的哪个对于与局部接收线圈进行通信是最优的。
根据另一方面，提供了一种确定诊断成像设置中的最优天线位置的方法。从第一主机器天线位置发射训练请求数据包。局部设备收发器接收训练请求数据包。一旦接收到训练请求包，局部设备收发器就发射天线选择训练包。利用位于主机器天线位置处的主机器天线接收天线选择训练包。评估天线选择训练包的完整性以查看其是否通过至少一个天线训练标准。
根据另一方面，提供了一种确定用于无线数据通信的最优天线位置的方法。将无线天线置于接听模式。从处于第一机器天线位置的机器天线发射训练请求包。利用无线天线接收训练请求包。利用无线天线发送天线选择训练包。利用机器天线接收天线选择训练包。评估天线选择训练包以查看其是否通过至少一个选择标准。如果第一机器天线位置通过了至少一个选择标准，则将其置于有效天线位置列表中。至少针对第二机器天线位置重复验证步骤。对有效天线列表中的所有天线位置进行排序。从有效天线位置列表中的第一机器天线位置发送双重检验包。利用无线天线接收双重检验包。利用无线天线发送双重检验确认包。评估双重检验确认包。开始数据传输阶段，其中将实质数据从无线天线发射到有效天线位置中的一个。
一个优势在于自动确定了最佳天线通信位置。
另一优势在于增加了数据通信的可靠性。
另一优势在于增加了无线设备的电池寿命。
另一优势在于降低了实现成本。
在阅读和理解以下详细说明后，本领域普通技术人员将会意识到本发明的更多优势。
本发明可以以各种部件和部件的布置以及各种步骤和步骤的布置而变得明显。附图仅用于说明优选实施例的目的，而不应被解释为限制本发明。
图1是磁共振扫描器的示意性图示；
图2是根据本应用的成像套件的透视图；
图3是概述了天线选择技术的流程图。
参考图1，磁共振扫描器10包括圆柱形的主磁体组件12。主磁体组件12优选地为超导低温屏蔽(cryoshielded)螺线管，其限定了将对象放置于其中以进行成像的膛14。主磁体组件12产生沿膛14的纵轴取向的基本恒定的主磁场。尽管图示了圆柱形的主磁体组件12，但是将会理解的是也可预期其他磁体布置，例如垂直场、开放磁体、非超导磁体以及其他构型。另外，可以使用利用了无线通信的其他诊断成像系统，例如CT、PET、SPECT、X射线、超声等。
梯度线圈16产生膛14中的磁场梯度以用于空间编码磁共振信号、产生磁化扰乱(magnetization-spoiling)场梯度等。优选地，磁场梯度线圈16包括配置为产生三个正交方向上的磁场梯度的线圈段，所述三个正交方向通常为纵向或z方向、横向或x方向以及垂直或者y方向。
整体射频线圈组件18生成用于激发对象的偶极中的磁共振的射频脉冲。射频线圈组件18还用作探测从成像区域发射的磁共振信号。将射频屏蔽20置于RF线圈18和梯度线圈16之间。诸如局部线圈阵列22(图示为头线圈)的另外的无线设备22位于膛14内，用于对磁共振信号的更敏感的局部空间编码、激发以及接收。可预期各种类型的局部线圈阵列，例如具有一个输出的简单的表面RF线圈、具有两个输出的正交线圈组件、具有若干输出的相控阵列、具有许多输出的SENSE线圈阵列、具有输出和输入两者的组合RF和梯度线圈等。另外，无线设备22不局限于局部RF线圈，而是可以为任何无线设备，例如局部SpO2传感器、温度计、血压袖带、ECG传感器等。局部线圈22装备有无线收发器24以向至少一个天线26发送通信并且从其接收通信，所述至少一个天线26位于成像区域外部，紧邻磁共振扫描器10，例如邻近膛的服务端。
梯度脉冲放大器30向磁场梯度线圈16递送控制电流以产生选定的磁场梯度。梯度放大器还将电脉冲递送给装备有梯度线圈的局部线圈阵列的梯度线圈。优选为数字射频发射器的射频发射器32向射频线圈组件18施加射频脉冲或者脉冲包以生成选定的磁共振激励。射频接收器34无线地耦合到局部线圈22以接收所感应出的磁共振信号并对其解调。任选地，整体线圈18以有线互连的形式连接至接收器。
为了获取对象的磁共振成像数据，将对象置于磁共振膛14的内部，并且成像区域在主磁场的等中心处或其附近。序列控制器40与梯度放大器30和射频发射器32通信以产生选定的瞬态磁共振序列或者稳态磁共振序列，从而空间编码这种磁共振，以选择性地扰乱(spoil)对象的磁共振或者另外地生成对象的选定的磁共振信号特征。所生成的磁共振信号被局部线圈22探测，被无线地发射到天线26，被通信至射频接收器34并且被存储在k空间存储器42中。重建处理器44重建成像数据以产生存储在图像存储器46中的图像表示。在一个合适的实施例中，重建处理器44执行逆傅里叶变换重建。
所得到的图像表示由视频处理器48处理并且显示在装备有人类可读显示器的用户接口50上。接口50优选地为个人计算机或者工作站。除了产生视频图像，图像表示可以由打印机驱动器处理，并且被打印，被通过计算机网络或者因特网传输等。优选地，用户接口50还允许放射学家或者其他操作者与磁共振序列控制器40通信以选择磁共振成像序列、修改成像序列、执行成像序列等。
可以实施针对医学应用的多种天线系统技术以达到所需的通信可靠性。在所有可能的多种天线传输方案中，天线选择由于其较低的实现复杂性而成为良好的选择。在医学系统中，通信模式是不对称的，并且大部分通信是处于上行链路上的，所述上行链路为从探头设备到主机器。因此，可在探头侧使用单个天线而在主机器处使用多个天线，从而使得可以选择接收天线。
在所图示的实施例中，局部线圈22通过无线收发器模块24与接收器34和序列控制器40经由天线26进行通信。这一多个天线的系统26可以是真实的多个天线的系统，其具有包括RF开关的N个实际天线从而仅需要一个RF链；或者是“虚拟的”多个天线的系统，其仅具有一个真实的天线，但该天线可以移动到N个不同的位点以模拟N个独立的天线。这种天线可以绕轨道52移动，所述轨道52设置为围绕膛的一端，例如如图1所示的服务端。局部线圈收发器24可以以三种模式工作：接听模式、发射模式和睡眠模式。
或者，如图2中所示，天线系统可以包括多个天线26’。
通过概述的方式，并且继续参考图1，在预扫描设置模式中，控制器40的天线控制子系统40a使与天线26相关联的收发器向收发器24发射信号。收发器24中的处理器与数据包响应。天线控制模块的评估处理器40b评估所接收的测试信号与已知的测试信号准确匹配的程度。然后天线控制模块将天线26移动到另一位置或者切换到固定天线26’中的另一个，并且重复所述过程。由每个天线或者在每个位置接收的数据的相对质量被存储在存储器或者表40c中。
在成像期间，天线控制模块从存储器40c中选择最佳天线/天线位置。收发器24将共振数据存储在板载存储器中并且以包的形式将其发射。数据评估处理器40b分析每个所接收的共振信号并且确定其是否达到用于输送给接收器34的可接受的准确度。如果没有达到，天线26再次尝试发送数据。如果在选定次数的尝试之后未获得令人满意的传输准确度，则天线控制模块40a切换至在存储器40c中列出的下一最佳天线/天线位置并且再次尝试。根据需要在其他天线/天线位置重复这一过程，以获得具有选定准确水平的数据包。
现在参考图3，更加详细地查看该过程，在天线位置选择过程的开始，局部线圈收发器24进入接听模式，并且与天线系统连接的主机器天线26进入睡眠模式。当将患者移动到合适的位置以成像时，在场人员开始测量操作，启动主机器天线26并且将其切换到第一天线位置(i＝1)60。从第一位置，天线26开始发射请求训练(RTT)信号包62。发射后，主机器天线26切换至接听模式并且接听来自局部线圈22的响应包。如果局部线圈收发器24正确地探测到RTT包，则局部线圈收发器24将向主机器发射天线选择训练包(ASTP)以帮助其估计局部线圈22和主机器的当前天线位置之间的信道64。在RTT包中，存在睡眠定时器值Ts。
在完成ASTP传输之后，局部线圈收发器24将使自身处于睡眠模式达Ts时段。这帮助局部线圈22保存电池功率。控制器40使用时间段Ts来评估ASTP包并且进行天线切换(在一个天线的实施例中物理地移动天线，或者在多个天线的实施例中切换信道)。如果使用虚拟的多个天线的系统，则主机器可以使用这一时间来在周围移动天线26。对于虚拟的多个天线的情况，移动时间可以相对长，并且通过使局部线圈收发器24进入睡眠模式，局部线圈收发器24可以保存功率。在经过了Ts时段之后，局部线圈收发器24再次切换到接听模式并且接听来自主机器天线26的下一通信。
主机器天线26尝试探测ASTP包66。如果未探测到ASTP包，则该过程超时68。将天线位置移动到70下一天线位置或者“切换”到下一天线26’并且再次发射RTT包。如果主机器未探测到ASTP包，并且重传输过程未超时，则主机器将尝试来自相同位置的RTT。主机器天线26将在允许的时间内尽可能长时间地重发射RTT，并且如果所有RTT都失败，则主机器将当前天线或者天线位置评估为失败并且切换到下一可用的天线或者天线位置70。主机器核查是否存在其还未尝试的天线或者天线位置72。如果存在至少一个另外的天线26’或者天线位置，则主机器切换到该天线74并且重新开始整个过程。
主机器天线26从新的天线位置再次发射RTT包。如果局部线圈22从同一天线26接收到多个RTT(RTT包中存在天线索引字段)并且之前已经发送了ASTP响应，则局部线圈22将保持静态以使得主机器使当前天线失效。在这种情况下，如果主机器未接收到ATSP，则推定其不是最优位置。
如果在步骤66中主机器天线26接收到ATSP，则主机器估计当前天线26’或者天线位置的信道准确度76。评估处理器40b核查ATSP是否通过了选择标准78。可能的标准可以包括OFDM系统中多个数据子载波的平均信噪比、最差信噪比。基于以上标准将通过了选择标准的所有候选天线排序并且存储在存储器40c中的有效天线列表中82。在一个实施例中，根据有效天线的位置对其进行排序。如果选择标准失败，则主机器继续移动到下一天线26’或者天线位置。
基于所测量的信道，主机器建立起有效候选天线表，其包括被确定为能够支持期望的数据率的所有天线(或者在虚拟的多个天线的情况下的位置)。主机器选择有效天线列表中的最佳天线并且切换至该最佳天线84。为了保证选定的天线可以达到所需的可靠性，使用“双重检验”程序来检验通信的可靠性。在切换至选定天线后，主机器收发器26将向局部线圈22发射“双重检验请求”(DCR)包86。如果局部线圈22正确地接收到DCR包，其将发射具有期望的数据率的预定义数据包，所述预定义数据包将被用于在随后的数据传输阶段传输真实的共振数据。如果主机器正确地接收到这一预定义的伪数据包(DCTP)，这意味着局部线圈22通过了双重检验88，则主机器可以确认选定的天线26足够好，并且向局部线圈发送双重检验确认以结束天线选择训练阶段并且进入数据采集阶段90。任选地，主机器可以重发射DCR以进行两次双重检验。如果主机器探测到所接收的伪数据包是错误的并且误码率(BER)高于所需的BER，或者主机器没有探测到伪数据包，则主机器将做出评价：当前选定的信道无法支持将来的数据传输，并且切换到有效天线列表中的下一最优天线92并且重复“双重检验”程序。主机器检验所有有效位置直到用尽有效天线列表94。如果有效天线列表中所有的天线26或者位置都在“双重检验”程序中失败，则天线选择过程以失败结束96。在这种情况下，主机器可以输出警告消息98并且将患者移动很少的量以改变信道，或者引导用户重新定位患者、不同地布置实际的天线等。然后，重复天线选择程序。
尽管天线选择过程很严格，但是一些传输可能是不完整的。在一个实施例中，局部线圈22容纳有板载存储器，从而使得当数据丢失或者损坏时，一旦主机器发出请求就重发射共振数据。
在另一实施例中，当主机器获得第一有效候选天线时，主机器直接切换到双重检验程序86。如果当前天线26或者位置通过了双重检验程序，其将立即使用当前选定的天线来进行数据传输。如果天线26在双重检验程序中失败，则主机器将移动到下一可用的天线并且再次进行天线选择训练程序。这一实施例可以降低天线选择训练协议的运行时间，这是因为一找到第一可接受的天线26或者位置就中断该过程。在某一天线26’或者天线位置变得无法令人满意这一不大可能发生的事件中，天线控制处理器40c可以向序列控制器40发送反馈消息以使脉冲序列暂停，同时从列表中选择下一天线26’或者天线位置。一旦下一天线26’或者天线位置准备就绪，天线控制处理器40c就通知序列控制器40可以重新启动序列。
所描述的实施例可用于无线医学应用，例如无线MRI和无线超声系统，其中在主机器侧使用多个天线并且使用接收器天线选择方案。在许多医学应用中，环境是静态的或者准静态的，这意味着环境不会随时间有明显的变化。至少，在单次扫描的时间内不会有明显的变化。介入式程序可能导致装备或者人员的移动，其不利地影响所接收的数据的准确度。因此，多个天线分集(或者空间分集)是充满前途的选择。多个天线的系统可以提供高分集度，例如时空编码以及天线选择算法。天线选择是更具吸收力的解决方案，这是因为其可以达到与仅具有一个RF链的最优时空编码技术相同的分集度，以及与单个天线的情况几乎相同的基带信号处理复杂性，从而得到更低的实现成本。
以上描述的实施例将尽可能多的功率消耗任务置于使用AC功率的主机器侧。可以在主机器侧使用多个天线或者虚拟天线阵列，而在探头侧仅使用一个天线，以降低功率消耗。在这种多个探头的实施例中，探头可以链接至另一接近的主探头或者具有非常低的功率发射器以向该主探头进行发射，该主探头可携载更大功率的收发器。
已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和理解上述详细说明后，其他人员可以做出修改和改变。旨在将本发明解释为包括所有这种修改和改变，只要它们落入随附的权利要求或其等同物的范围内。
Claims (23)
1.一种成像装置，包括：
主机器部分，其包括具有多个天线位置和至少一个天线(26’)的天线系统；
无线局部设备(22)，其定位为邻近所述主机器部分的成像区域中的对象，所述无线局部设备(22)具有用于与至少一个主机器天线(26)进行无线通信的无线收发器(24)；
天线控制模块(40a)，其使训练请求包从所述主机器天线(26’)发射；以及
所述无线设备(22)的处理器，其通过控制所述局部设备收发器(24)向所述主机器天线(26’)发射天线选择训练包而响应于对所述训练请求包的接收。
2.如权利要求1所述的成像装置，还包括数据评估处理器(40b)，其评估所述天线选择训练包以验证所述天线选择训练包满足通信标准。
3.如权利要求2所述的成像装置，其中，天线控制模块(40a)还在所述天线选择训练包满足所述通信标准时控制所述主机器天线(26)向所述局部设备(22)发送双重检验包。
4.如权利要求3所述的成像装置，其中，一旦接收到双重检验包，所述局部设备处理器就控制所述局部设备收发器(24)发送双重检验确认包。
5.如权利要求2所述的成像装置，其中，所述天线控制模块(40a)在天线轨道(52)上移动所述天线(26)至所述多个天线位置中的下一位置。
6.如权利要求5所述的成像装置，其中，所述天线控制模块(40a)控制所述主机器天线(26)从所述下一位置发射新的训练请求包。
7.如权利要求5所述的成像装置，其中，在所述天线(26)的位置改变的同时所述局部设备(22)进入睡眠模式。
8.如权利要求5所述的成像装置，其中，所述天线轨道(52)包括具有通向所述无线收发器(24)的视线的天线位置。
9.如权利要求1所述的成像装置，还包括：
多个主机器天线(26’)，其位于所述主机器部分所位于的成像套件周围的各点处。
10.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述处理器位于所述局部线圈(22)上。
11.如权利要求1所述的成像装置，其中，所述处理器定位为远离所述主机器部分上的所述局部线圈(22)。
12.一种磁成像装置，包括：
主机器部分，其用于激发位于成像区域中的对象内的磁共振；
无线局部磁共振接收线圈(22)，其定位为邻近所述对象以接收来自所述对象的磁共振；
多个天线位置，其硬连线到所述主机器部分，所述局部接收线圈(22)经由至少一个位于所述多个天线位置中的一个处的天线(26)与所述主机器部分进行通信；
处理器(40b)，其用于确定所述多个天线位置中的哪个对于与所述局部接收线圈(22)的通信是最优的。
13.如权利要求12所述的磁成像装置，还包括：
主磁体(12)，其用于创建所述装置的成像区域中的基本均匀的主磁场；
梯度线圈组件(16)，其用于在所述主磁场上感应出梯度磁场；
射频线圈组件(20)，其至少用于发射射频信号至所述成像区域中以在所述对象内感应出磁共振；以及
重建处理器(44)，其将至少来自所述局部线圈(22)的磁共振信号重建成所述成像区域中的所述对象的一部分的图像表示。
14.一种确定诊断成像设置中的最优天线位置的方法，包括：
a)从第一主机器天线位置发射训练请求数据包；
b)利用局部设备收发器(24)接收所述训练请求数据包；
c)一旦接收到所述训练请求包，所述局部设备收发器(24)就发射天线选择训练包；
d)利用位于所述主机器天线位置处的主机器天线(26)接收所述天线选择训练包；
e)评估所述天线选择训练包的完整性以查看其是否通过至少一个天线训练标准。
15.如权利要求14所述的方法，其中，一旦通过了所述至少一个天线训练标准，就将所述第一主机器天线位置添加到有效天线位置列表中，并且从第二主机器天线位置重复步骤b)-e)。
16.如权利要求15所述的方法，还包括：
对所述有效天线位置列表中包括的所有主机器天线位置进行排序。
17.如权利要求15所述的方法，还包括：
从所述有效天线位置列表中的第一天线位置发射双重检验包。
18.如权利要求17所述的方法，还包括：
接收来自所述局部设备收发器(24)的双重检验确认。
19.如权利要求18所述的方法，还包括：
开始诊断成像扫描，其中，所述局部设备(22)收集与所述扫描有关的信息并且将其发射到所述主机器天线位置。
20.如权利要求15所述的方法，其中，在诊断成像扫描期间按照所述有效天线位置列表中的位置的顺序改变天线位置。
21.如权利要求14所述的方法，其中，一旦未通过所述至少一个天线训练标准，就从第二主机器天线位置重复步骤b-e。
22.如权利要求14所述的方法，还包括：
在所述局部设备收发器(24)发射所述天线选择训练包之后导致所述局部设备(22)处于睡眠模式达预定时间段。
23.一种确定用于无线数据通信的最优天线位置的方法，包括：
a)将无线天线(24)置于接听模式；
b)从处于第一机器天线位置的机器天线(26)发射训练请求包；
c)利用所述无线天线(24)接收所述训练请求包；
d)利用所述无线天线(24)发送天线选择训练包；
e)利用所述机器天线(26)接收所述天线选择训练包；
f)评估所述天线选择训练包以查看其是否通过至少一个选择标准；
g)将所述第一机器天线位置置于有效天线位置列表中；
h)至少针对第二机器天线位置重复步骤a)-g)；
i)对所述有效天线列表中的天线位置进行排序；
j)从所述有效天线位置列表中的第一机器天线位置发送双重检验包；
k)利用所述无线天线(24)接收所述双重检验包；
l)利用所述无线天线(24)发送双重检验确认包；
m)评估所述双重检验确认包；
n)开始数据传输阶段，其中将实质数据从所述无线天线(24)发射到所述有效天线位置中的一个。
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