用于传输磁共振信号的局部天线装置
技术领域
本发明涉及一种局部天线装置,其用于将多个MR接收天线元件的磁共振(MR)信号传输给MR信号处理装置。本发明还涉及一种MR系统,其用于借助这样的局部天线装置生成检查对象的检查区域的MR拍摄。此外,本发明涉及一种用于将多个MR接收天线装置的MR信号传输到MR信号处理装置的方法。
背景技术
医学技术的成像系统如今在患者检查中占据着重要的地位。由成像系统所生成的患者内部器官和结构的图像用于诊断疾病原因、用于规划手术、在实施手术时使用或者也用于准备治疗措施。例如对于这样的成像系统是超声波系统、X射线计算机断层造影(CT)系统、正电子发射断层造影(PET)系统、单光子发射断层造影(SPECT)系统或者MR系统。在最后提到的MR系统中,在MR检查中为了接收检查对象的MR信号大多采用所谓的局部线圈(“local coils”)。这些局部线圈是指MR接收天线部件,其包含主要以导体环形式的MR接收天线元件。在检查时,将这些局部线圈相对近地布置在身体表面上,所述身体表面尽可能直接在患者的待检查器官或身体部位上。与较大的距离患者较远布置的天线不同,这些局部线圈具有这样的优势,即,其被布置在更接近感兴趣的位置上。由此降低了由于电损耗在患者身体内部所引起的噪声分量,这导致局部线圈的信噪比原则上比更远天线的信噪比要好。
通常还在局部线圈内对由MR接收天线元件所接收的MR信号进行预放大,然后从MR设备的中央区域中经由电缆导出并且传输给MR信号处理装置的屏蔽了的接收器。在该MR信号处理装置中然后对所接收的数据进行数字化并且针对成像进行进一步处理。对于更多数目的MR接收天线元件,则针对MR信号的传输也存在更高的对电缆的需求。然而大量电缆使得在检查对象上安装局部线圈变得缓慢,从而造成更长的治疗时间以及由此更大的治疗开销。此外必须设想到,大量患者感觉电缆是干扰的。另外,在MR设备内部的检查空间是有限的,这限制了安装大量电缆,特别是在患者在所属的躺卧装置上被移动的情况下。如果由接收天线元件传输模拟的MR信号,则上述的限制特别符合,原因是,在此通常必须使用屏蔽的(同轴)的电缆,其具有大的横截面、大的重量并且成本很高。
由此存在解决向MR信号处理装置传输MR信号的需求,所述MR信号处理装置减少了所需电缆的数目或者完全避免了电缆。
在US 2007/0182409A1中已经描述一种MR系统,其中MR信号不是经由电缆而是无线地、例如通过光学信号传输给处理装置。然而应用光学信号通常需要在发送器和接收器之间的直视通信,由此在处理局部线圈时存在相应的限制。在WO 2009/081378A1中命名了一种用于MR系统的局部线圈,其既可以接收也可以发送无线信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题是,提供用于将MR信号由MR接收天线元件传输给MR信号处理装置的一种改进了的装置和一种改进了的方法,其是耐用的、成本低廉的并且可以简单安装的。
用于将MR信号从多个MR接收天线元件传输到MR信号处理装置的按照本发明的局部天线装置包含多个模数转换器,其用于采样(Abtastung)MR信号并且转换成数字的MR数据。“多个”在此以及在下文中是指大于零的正自然数。“采样”是指在不同时刻确定MR接收天线元件的模拟MR信号的电平。优选将模数转换器布置在MR接收天线元件的空间附近,从而可以在传输模拟MR应答信号时有利地降低信号损失和信号干扰。可以为一个模数转换器分配一个接收天线元件,但是也可以分配多个接收天线元件。
此外,按照本发明的局部天线装置包含多个传输天线元件,其用于将数字的MR信号通过电磁场无线地传输给MR信号处理装置。在此,可以考虑不同的实施方式,例如棒状天线、带状线天线或者偶极天线。传输天线元件在此与将数字MR数据传输给MR信号处理装置所使用的频率相匹配。局部天线装置可以具有单个的传输天线元件,但是也可以具有多个传输天线元件。
附加地,按照本发明的局部天线装置包含多个发送装置,借助所述发送装置来控制传输天线元件。发送装置产生电的发送功率用于辐射电磁场。此外,发送装置可以提供调制方法,以便通过电磁场将MR数据传输给MR信号处理装置。
此外,按照本发明的局部天线装置包含多个间隔元件(Abstands-element),所述间隔元件被这样布置在局部天线装置上并且被这样构造,使得在所辐射的电磁场的主辐射轴的至少一个方向上形成或确保了至少一个在传输天线元件和与局部天线装置相邻的物体之间的定义的最小辐射距离。主辐射轴在此描述的是这样的轴,在该轴的方向上电磁场具有最强的场强。对于对称的棒状的偶极天线例如公知的是,存在与棒状天线元件的主轴相垂直的主辐射轴。
通过间隔元件可以以有利的方式避免在使用局部天线装置时在MR成像时直接将物体置于传输天线元件上或者位于传输天线元件的直接邻近处。最小辐射距离(或最小距离)是借助间隔元件在相邻的物体和天线之间在主辐射轴的方向被最小保持的距离。这意味着,间隔元件有助于所辐射的电磁场可以尽可能不受干扰地从相邻的物体传播到MR信号处理装置。这由此是特别有意义的,原因是在MR成像时不同类型的物体可以与局部线圈或局部天线装置相邻,例如患者的衣服、覆盖物、绷带材料、其他的医用装置和其敷设电缆等。按照本发明的间隔元件这样起作用,使得减低或者完全避免了这些物体对传输数字MR数据的影响。由于没有固定的手册要医务人员遵循以便避免所述物体紧贴或者相邻,从而相应地简化了局部天线装置的运行。由此这尤其合适,原因是间隔元件是按照本发明的局部天线装置的组成部分,这意味着,无需医务人员在检查对象上安装或者在成像之后去除额外的装置。另一个优点是局部天线装置的成本低廉的技术实施,原因是间隔元件仅仅是所谓的无源部件。由此不需要其他的有源的校准电路和校准信号以及其电源以用于确保更为安全地传输MR信号。最后,传输天线元件和与其相连接的发送装置已经在生产局部线圈装置时对其特征、例如谐振参数和反射参数进行了最优化,原因是,由于间隔元件而在传输天线元件的附近存在定义的周围环境,其不依赖于或者仅仅少许依赖于在成像中的使用条件。
按照本发明的用于将多个MR接收天线元件的MR信号传输给MR信号处理装置的方法包含用于采样MR信号并且将其转换成数字MR数据的方法步骤以及用于将数字MR数据传输给多个发送装置的另一个方法步骤。此外,通过方法步骤所体现的特征在于,其中通过由多个传输天线元件辐射电磁场来无线地将数字MR数据传输给MR信号处理装置,所述传输天线元件与发送装置相连接。在此多个布置在局部天线装置上的间隔元件确保了,在传输天线元件和与局部天线装置相邻的物体之间在电磁场的主辐射轴的至少一个方向上保持至少一个定义的最小辐射距离。
除了常见的MR系统的通常部件之外,按照本发明的MR系统还需要按照本发明所构造的局部天线装置,其中很容易地可以通过使用按照本发明的局部天线装置或必要时通过调整存在的MR信号处理装置来改进常见的MR系统。在很多情况下,这样的对MR系统的调整仅仅涉及到对局部线圈的微小调整。
从属权利要求分别包含本发明特别优选的构造和扩展,其中按照本发明的用于传输MR信号的方法或者按照本发明的MR系统可以类似于按照本发明的局部线圈装置的从属权利要求进行扩展。
在按照本发明的局部天线装置的优选变形中,最小辐射距离基本上对应于近场的大小,其沿着传输天线元件的所辐射的电磁场的主辐射轴。天线或者天线元件的近场通常描述在天线附近的区域,其中场的波状传播仍能够被相邻的或位于附近的物体强烈地干扰。按照本发明布置间隔元件由此使得相邻的物体不影响或者仅仅以可容许的限度影响传输。在此经常可以通过所辐射的电磁场的波长来描述围绕传输天线元件的近场的几何尺寸。这里在简单地布置传输天线元件时常见的是,将与传输天线元件之间距离小于两倍波长(2λ)的场区域称为近场。在复杂地布置传输天线元件时然而也需要定义不同的最小辐射距离,以便实现由相邻物体所引起的干扰的所期望的降低。特别可以考虑的是,最小辐射距离大于两倍波长。
为了将数字MR数据传输给MR信号处理装置,通常需要高的数据率,原因是局部天线装置可能包含多个在成像过程中同时接收MR信号的MR接收天线元件。相应地有利的是,为了传输而使用允许高数据率的频率。特别有利的是这样的局部天线装置,其特征在于,电磁场的波长位于毫米或微米范围内,优选基本上是1.5cm或者基本上是0.5cm。对于局部天线装置的优选实施遵循上述实施,其特征在于,最小辐射距离位于几个厘米的范围内,由此局部线圈不具有过大的尺寸。最小辐射距离优选最大为8cm。最小辐射距离优选最小为0.5cm,特别优选最小为1cm。由此依赖于上述波长范围,最小辐射距离在一种变形中可以优选位于3cm附近或者之上,在另一种变形中可以优选位于1cm附近或者之上。
在按照本发明的局部天线装置的另一个实施方式中,至少一个间隔元件被实施为薄膜,其中薄膜包含多种介电材料并且与传输天线元件直接接触或者布置离传输天线元件很小的距离内。在使用介电材料时,间隔元件可以以优选的方式对所辐射的电磁场自身不发生影响或者仅发生极小的影响。此外,由于与其他相邻的物体相比薄膜的物理特性是已知的,所以在构造局部天线装置时已经可以考虑可能的电磁场辐射的影响。例如在确定发射装置和构造传输天线元件时可以考虑薄膜的特性。此外,使用薄膜使得间隔元件可以灵活地成型。于是,特别有优势的是,这样构造局部天线装置,使得其与特定的解剖结构事实相匹配,例如用于产生患者头部的MR截面图像的局部天线装置。
在按照本发明的局部天线装置的另一种实施方式中,这样布置间隔元件,使得在间隔元件和传输天线元件之间存在空气间隙。特别地,在此可以这样实施间隔元件,使得传输天线元件基本上被局部天线装置包围。
间隔元件优选包含具有低的相对介电常数的材料,原因是这些材料仅仅轻微地影响电磁场的传播。特别优选地,具有小于5的相对介电常数的材料在此是特别优选的材料,其包含PTFE和/或HDPE(High Density Polythylen,高密度聚乙烯)和/或环氧树脂(浇注树脂)。在此用PTFE表示聚四氟乙烯,其也以各种商标名出现,例如DuPont公司的Teflon商标。替换地或者补充地,间隔元件可以包含金属材料,例如被实施为在传输天线元件上方的金属覆盖物。
局部天线装置的特别构造的特征在于,间隔元件至少部分地是局部天线装置的外边界(Begrenzung)的组成部分。通过该设置,避免了在医务人员或患者使用时将间隔元件视为妨碍。此外,在这样的设置中,能够改进局部天线装置的传输特性,而不必改变其通常的造型。
在局部天线装置的优选实施方式中,局部天线装置包含印刷电路板基片和与印刷电路板基片相连接的间隔元件。传输天线元件至少部分地由印刷电路板基片所围绕是特别有利的,原因是:可以广泛使用标准化的已采用的并且成本低廉的印刷电路板制造方法,由此简化了局部天线装置的技术实施。特别有利的是,可以像印刷电路板基片上的导体线路一样实施传输天线元件。在此,印刷电路板基片自身可以作为间隔元件被构造或者起作用,特别是当传输天线元件被印刷电路板基片所包围、即例如实现在印刷电路板基片的内部或者腔内的所谓布线层上的时候。
此外,可以以有利的方式这样构造局部天线装置,使得其包含印刷电路板基片并且将模数转换器、发送装置以及传输天线元件布置在共同的印刷电路板基片上。在此也考虑这样的布置,其中与模数转换器或者发送装置相比,传输天线元件位于相同的侧面或者相对的侧面上。
在局部天线装置的另一种实施方式中,局部天线装置包含多个接收装置,其与传输天线装置相连接并且局部天线装置借助所述接收装置来接收来自MR信号处理装置的MR控制信号。MR信号处理装置通过MR控制信号来影响发送装置的特征,例如使到传输天线元件的发送功率升高或者降低。
在按照本发明的方法的特别优选的实施方式中这样确定最小辐射距离,使得所辐射的电磁场的近场在沿着其主辐射轴的方向上基本上不受与局部线圈装置相邻的物体的影响,和/或传输天线元件的共振频率基本上不受与局部线圈装置相邻的物体的影响。在此上述实施适合用于定义近场并且用于以相应的方式有利地确定最小辐射距离的大小。
附图说明
下面参考所附的附图依据实施例再次进一步阐述本发明。在此用相同的附图标记来表示相同的部件。附图中:
图1示出了按照本发明的局部天线装置的示意性的组件示意图,
图2示出了经过按照本发明的局部天线装置的第一实施例的截面图,
图3示出了经过按照本发明的局部天线装置的第二实施例的截面图,
图4示出了经过按照本发明的局部天线装置的第三实施例的截面图,
图5示意性示出了按照本发明的MR系统的侧视图。
具体实施方式
图1示出了按照本发明的局部天线装置1的示意性的组件布局图,所述局部天线装置包含MR接收天线元件2、信号放大器9、模数转换器4、发送装置6、两个传输天线元件5和间隔元件7。
由MR接收天线元件2所接收的MR信号MS被进一步传输给信号放大器9。除了对输入端一侧的MR信号MS进行线性放大之外,信号放大器9还可以对MR信号MS进行滤波,例如以便降低或去除热噪声分量或者由MR系统13的组件所引起的信号分量。输出端一侧,信号放大器9通过放大了的MR信号MV与模数转换器4相连接。
模数转换器4对放大了的MR信号MV进行采样并且将其转换成数字的MR数据MD。由于待传输的MR信号MS的频带宽度能够依赖于在MR系统13中的磁场的最大梯度强度以及患者P或检查对象的大小,所以可以依据这些参数来选择采样率。所产生的数字的MR数据MD的字宽以及数据率在此可以依赖于采样率、所选择的转换方法、可用的传输率以及其他参数。特别地,在成像时,数字的MR数据MD的数据率可以在时间上发生变化。可以例如按照Delta-Sigma方式、闪速式(Flash-Verfahren)、锯齿式或者按照其他的转换方式来构造模数转换器4。除了变换之外,模数转换器4或者与模数变换器4相关联的组件可以引起数字MR数据MD的数据率和/或字宽的降低。在输出端一侧,模数转换器4与发送装置6相连接。
发送装置6通过天线信号AS对传输天线元件5进行控制。除了产生用于传输天线元件5的发送功率,发送装置6可以产生具有固定的或者时间上可变的传输频率的所谓的载波信号,并且该载波信号可以依赖于数字MR数据MD进行改变,例如通过幅度调制或者频率调制。
按照在此示出的实施方式,传输天线元件5被构造为偶极天线,然而也可以考虑例如棒状天线、带状线这样的其他实施方式,而不脱离本发明的范围。传输天线元件5发出电磁场EF,借助所述电磁场将数字的MR数据MD无线传输到MR信号处理装置3。
给局部天线装置1的传输天线元件5设置了间隔元件7,这样构造所述间隔元件,使得在传输天线元件5和与局部天线装置1相邻的物体之间在电磁场EF的主辐射轴HA的至少一个方向上产生至少一个定义的最小辐射距离MA。
图2示出了经过按照本发明的局部天线装置1的第一实施例的截面图。局部天线装置1包含MR接收天线装置2、信号放大器9、模数转换器4、发送装置6、两个传输天线元件5、间隔元件7和印刷电路板基片8。为了清晰起见,在此没有示出在局部天线装置1的各个部件之间的信号的其他连接。
MR接收天线元件2在该实施例中布置在印刷电路板基片8的此处称为下侧的侧面上并且仅仅由相对薄的(未示出的)壳体壁所覆盖,而其他的组件4、5、6和7布置在相对置的被称为上侧的侧面上。在MR成像中,优选这样在患者P上布置局部天线装置1,使得MR接收天线元件2尽可能靠近患者P的待检查区域。间隔元件7产生在传输天线元件5和与局部天线装置1相邻的物体之间的期望的最小辐射距离MA。
在此处示出的实施例中这样构造间隔元件7,使得在间隔元件7和传输天线元件5之间存在空气间隙LS。可以在此以与印刷电路板基片8的上侧相连接的框架的形式或者以覆盖物的形式实施间隔元件7,所述覆盖物与印刷电路板基片8一起完全地包围传输天线元件5。既可以使用金属材料也可以使用具有低的相对介电常数的材料作为用于这样的框架或覆盖物的材料,原因是,所述材料仅仅轻微地影响电磁场EF的传播。特别优选地,在此具有小于5的相对介电常数的材料是特别优选的材料,其包含PTFE和/或HDPE(High Density Polyethylen,高密度聚乙烯)。
在按照本发明的局部天线装置1的替换的构造中,MR接收天线元件2、信号放大器9、模数转换器4、发送装置6、传输天线元件5和间隔元件7不是布置在印刷电路板基片8上,而是在空间上彼此分离地或者通过其他的组件(例如由塑料组成的框架)部分地或者完全地彼此连接。此外可以考虑,将传输天线元件5或者间隔元件7实施在机械柔韧的材料中。
图3示出了经过按照本发明的局部天线装置1的第二实施例的截面图。间隔元件7在此通过浇注树脂或环氧树脂实施在印刷电路板基片8的上侧上,所述印刷电路板基片8与传输天线元件5直接相连并且产生在传输天线元件5和与局部天线装置1相邻的物体之间的期望的最小辐射距离MA。在侧面上通过框架15来限制间隔元件7。在局部天线装置1的替换的实施方式中可以只有传输天线元件5或者只有局部天线装置1的组件的部分与浇注树脂或环氧树脂相邻。
图4示出了经过按照本发明的局部天线装置1的第三实施例的截面图。在此借助在印刷电路板基片8的上侧上的薄膜来实施间隔元件7,所述薄膜与传输天线元件5直接接触并且也产生在传输天线元件5和与局部天线装置1相邻的物体之间的期望的最小辐射距离MA。可以使用具有低的相对介电常数的材料作为用于这种薄膜的材料。特别优选地,在此具有小于5的相对介电常数的材料是特别优选的材料,其包含PTFE和/或HDPE(High DensityPolyethylen,高密度聚乙烯)。传输天线元件5在此集成在印刷电路板基片8内。特别地可以考虑这样的实施方式,其中印刷电路板基片8部分地或者完全地包围传输天线元件5。
图5示意性地示出了按照本发明的MR系统13的侧视图。患者P位于躺卧装置11的患者卧榻10上。患者卧榻10可以沿着纵轴Z移动,以便在MR系统13的内部区域对患者P进行定位以用于图像拍摄。在患者P上布置了相应于按照图2的实施方式的按照本发明的局部天线装置1。局部天线装置1辐射电磁场EF以用于将数字的MR数据MD传输到MR信号处理装置3,在那里通过接收器14接收数字的MR数据并且供进一步的数据处理和成像来使用。
通过患者覆盖物12来覆盖患者P和局部天线装置1。局部天线装置1借助电磁场EF无线地传输数字的MR数据,并且局部天线装置1的间隔元件7确保了与相邻物体(比如所示出的患者覆盖物12)之间的最小辐射距离。通过这些特征以有利的方式实现了:在典型布置中在医学MR成像时可靠地传输MR信号MS,而不会有电缆连接和类似的装置干扰患者P。同时不需要提供固定的操作手册(例如给医务人员的用于对患者覆盖物12进行定位的手册),以便确保可靠的传输。
最后再次指出,上面详细描述的局部天线装置和方法仅仅是实施例,其可以由专业人员以不同的方式进行修改,而不脱离本发明的范围。例如可以考虑,局部天线装置包含比图1至图5中所示的明显更大数目的MR接收天线元件。特别地,可以以所谓的“天线阵列”的形式在行和列中布置多个MR接收天线元件。此外,在很多情况下,所谓的患者是指人。使用“患者”的概念并没有排除在检查动物时使用按照本发明所述的装置、系统和方法。此外,也包含在检查健康人(例如用于预防)时或者在医学研究范围中的学科试验时的使用。为完整性起见还要指出,所使用的不定冠词“一”或“一个”并不排除可以多重地存在相关特征的情况。同样地,“单元”或者“模块”的概念并没有排除其由多个组件组成的情况,其中组件也可以是空间分布的。同样的也适用于MR局部天线装置,其组件同样可以彼此空间上分离地布置在不同的壳体内。
附图标记列表
1 局部天线装置
2 MR接收天线元件
3 MR信号处理装置
4 模数转换器
5 传输天线元件
6 发送装置
7 间隔元件
8 印刷电路板基片
9 信号放大器
10 患者卧榻
11 躺卧装置
12 患者覆盖物
13 MR系统
14 接收器
15 框架
AS 天线信号
EF 电磁场
HA 主辐射轴
LS 空气间隙
MA 最小距离
MD 数字MR数据
MS MR 信号
MV 放大的MR信号
P 患者/检查对象
Z 患者卧榻的纵轴