CN103675731A - 传输磁共振信号的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传输借助局部线圈来接收的磁共振信号的装置。所述磁共振信号被传送给模拟数字转换器（ADC）并由其数字化，其中所述磁共振信号被传送到模拟数字转换器之前在振幅上被压缩，然后被低通滤波或带通滤波，并且在通过模拟数字转换器数字化之后被扩大。为数字扩大器使用了相比模拟数字转换器（ADC）的采样频率n，以因子2ⁿ更高的时钟频率。额外地能够使用用于补偿滤波器传递函数的数字均衡滤波器（Equalizing-Filter，EQU），特别是在过渡区域。本发明还要求保护一种相应的磁共振信号传输装置、一种线圈装置和一种采集电路、一种相应的计算机程序产品以及一种相应的电子数据载体。

Description

传输磁共振信号的装置

技术领域

本发明涉及一种传输借助局部线圈来接收的磁共振信号的装置。

背景技术

现代的磁共振设备通过安置在患者上的局部线圈同时接收大量的磁共振信号（MR信号）。所述局部线圈是所谓的“局部线圈阵列”的组成部分。所接收的磁共振信号被前置放大、从磁共振设备的中央区域导出并传输给被屏蔽的接收器，以便在那里用于图像处理。

磁共振信号具有高的信号动态范围，其包括部分超过150dBHz。为了能够处理这类信号而不使信噪比明显变差，处理该信号的部件具有相比信号动态范围还要宽阔的可使用的动态范围。

从DE 101 48 442 C2中公知一种磁共振信号的传输方法，该方法的应用导致对接收路径上的模拟数字转换器的动态范围要求明显降低。该方法的基础在于，在转换前借助所谓的压缩器来压缩接收信号振幅。在转换之后，再次扩大该信号振幅。这得出总系统的线性传递函数。

通过应用模拟振幅压缩器，使振幅动态范围与信号带宽交换。压缩后的信号具有明显扩大的信号频谱。为了能够达到足够精确的信号扩大，该压缩器输出信号应该尽可能无偏差地传送到所谓的扩大器，以便扩大输出信号。频谱的削减导致在扩大时的错误，并因此导致在扩大后的输出频谱中不期望的效果。这涉及谐波和互调产物。由此产生以下的问题：

a）压缩器输出信号的谐波的过滤导致在扩大后的信号中形成谐波。如果时间离散地（例如数字地）进行扩大，则谐波通过逆卷积（Rückfaltung）出现在采样的第一奈奎斯特带中。

图1b示出了奈奎斯特区或奈奎斯特带1至3的例子，其中频率在x轴上采用MHz，并且功率电平在y轴上采用分贝毫瓦标注。

b）压缩器输出信号（过滤互调产物）的波段限制导致在扩大后的信号中形成互调产物。

该效果要求足够大的选择模拟数字转换器或A/D转换器（ADC）的模拟输入带宽。如果采样频率在此不相应地匹配，则导致采样的混叠带中的噪声影响通过卷积（Einfaltung）所获得的可使用的动态范围的严重减小。

但是，由于结构技术或传输技术的原因，例如在数字数据的无线电传输时的结构组件的可用性、功率需求、带宽需求等，不能任意高地选择采样频率。如果例如在压缩器和ADC之间插入无线电传输，则带宽需求随着待传输的通道的数量增长而超出可实际应用的界限。

为了降低需要由ADC处理的动态范围，可以在该ADC前插入可变的或者可转接的放大。这具有的缺点是，必须根据各自最大可能的信号提前选择所述放大。如果需要期待大的信号，则降低所述放大，并且ADC的量化噪声相对于来自患者的热噪声更受到重视。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，实现一种传输方法和与此关联的装置，借助其能够克服以上描述的问题。

所述技术问题由根据本发明的方法或装置来解决。具有优势的本发明的构造由下述执行例的描述来获悉。

本发明的一方面涉及一种磁共振信号的传输方法，其中该磁共振信号被传送到模拟数字转换器（ADC）并由其进行数字化，其中模拟的磁共振信号在传送给模拟数字转换器前进行振幅压缩，并在数字化后通过模拟数字转换器扩大。本发明进行了以下设置，即该磁共振信号在压缩之后至少在一个频率范围被滤波。优选是使用低通滤波器或带通滤波器。

在同时满足扩大的信号的线性和频谱纯度的要求的前提下，压缩的信号的频谱带宽会本质地降低（例如从50MHz到5MHz）。这通过省略噪声卷积（Rauscheinfaltung）放大了系统动态范围。

按照本发明的措施的目的在于，尽可能窄地限制压缩器输出信号的带宽。模拟振幅压缩与随后的波段限制的组合使得具有小的位深（Bit-Tiefe）的ADC的应用成为可能。

相比模拟数字转换器的采样频率，提高了在采样后在扩大前的时钟频率。优选是为数字的扩大器使用相比ADC的采样频率以因子2ⁿ更高的时钟频率或数据传输率（n=1,2,3,…）。开头提到的谐波因此保留在基带中，并可以由此被滤波。

额外能够使用用于补偿滤波器传递函数的数字均衡滤波器，特别是在过渡区域。

本发明的扩展设置为，给模拟数字转换器额外传送带通滤波后的噪声信号。这个所谓的抖动（Dithering）信号在大的压缩器输入信号电平的情况下，也导致采样的LSB的噪声形状的调节（因此导致消减的压缩器放大）。

本发明的扩展设置为，借助查阅表实现所述扩大。这可以例如只包括振幅扩大，或者也包括附加的相位修正。

本发明的扩展设置为，所述压缩的磁共振信号在扩大之前以传输线来传输。

本发明的扩展设置为，所述压缩的磁共振信号在扩大之前至少部分地被无线传输。

因此，这样的传输方法可以被用于具有无线传输的多通道系统中，因为无线传输需要大大降低的带宽。

本发明的另一方面涉及一种线圈装置，具有用于采集磁共振信号的线圈、后置于该线圈的用于压缩磁共振信号振幅的压缩器、后置于该压缩器的模拟数字转换器和后置于该模拟数字转换器的用于将压缩的磁共振信号耦合输入到传输路段的耦合输入元件。用于滤波压缩的磁共振信号的至少一个频率范围的滤波器后置于压缩器。优选是使用低通滤波器或带通滤波器作为这样的滤波器。

本发明的另一方面涉及一种用于采集磁共振信号的采集电路，具有扩大器和后置于该扩大器的用于从传输路段耦合输出磁共振信号的耦合输出元件，其特征在于，用于提高时钟频率的单元前置于该扩大器。

本发明的另一个方面涉及一种磁共振信号传输装置，具有这样的线圈装置和这样的采集电路，其构造为适合于执行这里所描述的传输方法。这样的磁共振信号传输装置能够应用在具有无线传输的多通道系统，因为无线传输需要大大降低的带宽。

关于所述方法提出的优点和设计类似地适用于线圈装置或采集电路或磁共振信号传输装置。

附图说明

本发明的其它优点、细节和扩展结合附图由以下对实施例的描述给出。所举出的例子不构成对本发明的限制。其中：

图1示出了没有波段限制的压缩扩展器系统；

图1b示出了如开头已经描述的压缩器输出信号的奈奎斯特区1至3的例子；

图2示出了具有低通滤波和奈奎斯特采样的压缩扩展器系统；

图3示出了低通滤波的效果；

图4示出了具有低通滤波和奈奎斯特采样的压缩扩展器系统；

图5示出了具有带通采样的压缩扩展器系统；

图6示出了具有模拟无线信号传输的压缩扩展器系统；以及

图7示出了具有数字无线信号传输的压缩扩展器系统。

具体实施方式

按照图4示出了压缩扩展器系统的构造元件。这包括串联布置的前端F、压缩器C、低通滤波器LPF、模拟数字转换器或A/D转换器ADC、用于频率响应修正的所谓的均衡器EQU、用于上采样（数据传输率转换）和插值的单元SAM、查阅表LT以及用于抽样的单元DEC。

谐波通常在扩大信号时产生，在时间离散的采样下，所述谐波被卷积到采样的第一奈奎斯特区中。被干扰的卷积取决于放大器的时钟频率。数据传输率或时钟频率可以在采样之后、但在扩大之前例如通过用于上采样并用于插值的单元SAM进行提升。谐波因此保留在基带中，并能够在随后的抽样之前被滤波。

当A/D转换器ADC被布置在局部线圈时，该措施是有利的。能够较低地设定采样频率。在高的时钟频率下，所述扩大发生在局部线圈之外的系统侧（例如在无线数据传输之后）。所以，在局部线圈内的功率损耗能够最小化。

参考图2，对于例如带通滤波或低通滤波压缩的信号的滤波器，在滤波器传递函数由导通转变到截止范围的频率范围中，通过扩大产生干扰的互调产物。该互调产物不会被消除或不被充分地消除，因为压缩器输出信号的关联的频谱部分被减弱或消除。在图2中由奈奎斯特区1至3示出示例。借助滤波器频率响应的补偿能够抵消该效果。

在图3中，以点状虚线给出了未补偿情况下产生的频谱，并且又以实线给出了补偿情况下产生的频谱。

在例如应用SAW（Surface Acoustic Wave，表面声波）滤波器的情况下，同样可以补偿与平滑的频率响应（即在滤波器传递函数中所谓的波纹）的现有偏差。在图4中表明，借助均衡器或均衡滤波器能够在数字范围实现所述补偿。所述补偿能够考虑到可能使用的抽样滤波器的频率响应。因为以数字形式实现抽样滤波器，所以对此的补偿（均衡）是可以重现的。在此，在补偿时既考虑信号振幅，也考虑了信号相位。所述补偿可以实现直至使滤波器减弱达到例如25dB的频率。所述相位应该仅仅在线性相位性（linear-phasigkeit）方面被补偿，其导致恒定的群时延。

该措施的目的在于，尽可能窄的限制压缩器输出信号的带宽。模拟振幅压缩与随后的波段限制的组合使得具有小的位深的ADC的应用成为可能。所以，现有的12位的ADC已经足够用于3特斯拉MR信号的采样。

为了在没有压缩器并且没有可转接的放大的情况下进行完全动态范围的采样，相反需要18位的ADC。

随着压缩器的调节的提高，压缩器的放大自压缩应用开始持续地降低。由此也减少了ADC的输入端的噪声功率。这导致，在大的信号电平下，与信号叠加的噪声电压不足以用来调节采样的小的LSB阶段（LSB=leastsignificant bit，最低有效位）。由此在经过动态范围时，在输出信号中产生不期望的确定性的阶段，并且量化错误不再是随机的，即相关的概率密度和频谱的功率密度不再是均匀分布的。

如图7所示，由带通滤波器BPF带通滤波的噪声信号被传送到ADC输入端，该噪声信号被称为“抖动”。这样的选择噪声带的频谱位置，使得在采样后该噪声带与所期待的接收信号的频谱不重叠。

图6示出了用于模拟无线传输MR接收信号的装置。移动部分（局部线圈）除了局部线圈元件外，还包括前端F（包含放大器、混合器和滤波器）、在中间频率层（例如在3特斯拉时的3.2MHz）处理信号的模拟振幅压缩器C、低通滤波器LPF以及用于可无线传输无线电信号的发射元件。该发射元件借助调制器M将压缩的、低通滤波的中间频率信号调制到发射器TX的高频载体，并通过发射天线发射该载体。

除了可能的振幅调制或单边带调制外，主要感兴趣的是频率调制，因为随着调制系数η=ΔF/fmod提高，总是获得更多的信噪收益（S/N）。在此，ΔF是所谓的频率偏移，即载体频率向上或向下的最大偏移，并且fmod是调制频率，例如是3.2MHz的中间频率位置。根据J.R.Carson总结的关系，频率调制的信号所占据的带宽于是等于B=2（η+2）fmod=2（ΔF+2fmod）。

在此可以看出，当借助带通滤波或低通滤波能够限制调制信号的最大频率（即压缩器的输出信号）时，是具有优势的。例如fmod,max=5MHz。带宽则围绕3.2MHz的中间频率被限制在±1.8MHz。借助ΔF=50MHz的偏移，得到η=10的调制系数，并得到B=120MHz的占据带宽。如果不对压缩器输出信号进行波段限制，则必须带有如此多的奇次谐波，以至于压缩器输出信号的频谱部分功率下降至可忽略的值。只带有前十个谐波就意味着fmod,max=95MHz。对于相同的调制系数，也就是对于相同的S/N收益，于是得到B=2.28GHz的占据带宽，这需要极其高的载体频率，并且尤其使得多通道系统在频率多路传输方法中没有吸引力。

在系统侧，借助连接在接收器RX的输入端上的接收天线来接收调制后的高频信号，并且在采集电路中将其解调。该接收信号被奈奎斯特采样。借助第一查阅表（例如LT1）能够补偿可能的频率调制器M及频率解调器DM的非线性化。随后的均衡滤波器EQU补偿在线圈侧的信号处理的频率响应（模拟低通滤波器）。

作为第二查阅表（例如LT2）实施的数字振幅扩大器在提升后的80MS/s的时钟频率下运行，以便防止产生的谐波被卷积（Einfalten）。两个查阅表也可以合并为一个总的查阅表。在抽样阶段DEC之后，具有10MS/s的数据提供用于进一步处理。

图7示意性示出了用于数字无线传输MR接收信号的装置。移动部分（局部线圈）除了局部线圈元件之外，还包括模拟前端（放大器、滤波器）、能够在高频层（例如在3T下123.2MHz）处理信号的模拟振幅压缩器C、带通滤波器BPF、噪声信号发生器DNG（也称为抖动噪声发生器）、A/D转换器ADC、数据频率抽样阶段DEC以及（高频）发射元件TX。

这样测定所述带通滤波器，使得通道波段仅跨距随后的采样的一个奈奎斯特区。在具有20MS/s的采样下，3特斯拉MR接收信号在123.2MHz下，落在第13号奈奎斯特区中。频谱的信号部分，如不落在该120至130MHz的波段中的噪声，通过采样在基带中卷积并应当被抑制例如至少-30dB。

在压缩器和ADC之间的接口上，馈入频谱的波段限制的噪声信号，其也被称为抖动信号。在高的压缩器输入信号电平（因此减小的压缩器放大）下，该信号也产生对采样的LSB的噪声形状的调节。应当这样地选择噪声信号（在123.2MHz下地3特斯拉接收信号）的频谱位置，使得该噪声信号在采样之后位于基带中5MHz至10MHz的范围。该噪声信号于是被随后的抽样滤波器抑制，并且不会导致对接收信号的干扰，也就是说，不导致信噪比的损失。噪声带由此可以位于FS*[n+(1/4…3/4)]的带中，只要该范围落在ADC的模拟输入带宽中。根据测定准则，噪声带能够至少部分地超过采样的两个相邻的奈奎斯特带。这样能够最宽的配置噪声发生器之后的带通滤波器。这可以以最小可能的噪声功率密度产生所需的噪声电压。由此能够使干扰电势最小化。这可以是25MHz至35MHz的范围。在采样（带通滤波器欠采样）之后，接收信号降至3.2MHz。现在能够将该信号频谱地限制在0至5MHz，并且随后被抽样至10MS/s的数据传输率。通过抽样滤波器的低通限制效果将噪声信号从接收信号中分离。

在位深是12位的ADC的情况下，产生具有120Mb/s的数据流。随后的高频发射器将该数字数据调制到高频载体上，并且通过天线发射该载体。在系统侧，借助接收天线和接收器RX来接收该调制后的高频信号，并且在采集电路或在接收器的解调器中将其解调。随后的均衡滤波器通过模拟带通滤波器并通过数字抽样滤波器来补偿线圈侧的信号处理的频率响应。作为查阅表LT实施的数字振幅扩大器在提升后的80MS/s的时钟频率上运行，以便防止产生的谐波被卷积。在抽样阶段之后，为进一步处理提供具有10MS/s的数据。

Claims (17)

1.一种磁共振信号传输方法，其中所述磁共振信号以模拟形式被传送给模拟数字转换器（ADC）并由其数字化，其中所述磁共振信号在被传送到所述模拟数字转换器之前在振幅上被压缩，并且在数字化之后通过所述模拟数字转换器扩大，其特征在于，在被传送到所述模拟数字转换器之前，所述压缩后的磁共振信号的至少一个频率范围被滤波。

2.按照权利要求1所述的传输方法，其特征在于，通过带通滤波器或低通滤波器进行所述滤波。

3.按照权利要求1或2所述的传输方法，其特征在于，相比所述模拟数字转换器的采样频率，提高了采样之后和扩大之前的时钟频率。

4.按照权利要求3所述的传输方法，其特征在于，相比所述模拟数字转换器（ADC）的采样频率n，以因子2n提高了所述扩大的时钟频率，其中n是整自然数。

5.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，额外向所述模拟数字转换器（ADC）传送带通滤波后的噪声信号。

6.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述扩大之前使用数字均衡器滤波器（EQU）。

7.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助查阅表（LT、LT1、LT2）进行所述扩大。

8.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压缩的磁共振信号在扩大之前以传输线来传输。

9.按照上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述压缩的磁共振信号在扩大之前至少部分地被无线传输。

10.一种线圈装置，具有用于采集磁共振信号的线圈，并且具有后置于该线圈的用于压缩所述磁共振信号的振幅的压缩器（C）、后置于该压缩器的模拟数字转换器（ADC）和后置于该模拟数字转换器的用于将所述压缩的磁共振信号耦合输入到传输路段的耦合输入元件，其特征在于，用于滤波所述压缩的磁共振信号的至少一个频率范围的滤波器后置于所述压缩器（C）。

11.按照权利要求10所述的线圈装置，其特征在于，所述耦合输入元件被构造为用于可无线传输的无线电信号的发射元件（TX）。

12.按照权利要求10或11所述的线圈装置，其特征在于，所述滤波器被构造为带通滤波器（BPF）或者低通滤波器（LPF）。

13.一种用于采集磁共振信号的采集电路，具有扩大器和后置于该扩大器的用于从传输路段耦合输出所述磁共振信号的耦合输出元件，其特征在于，用于提高时钟频率的单元（SAM）前置于所述扩大器。

14.按照权利要求13所述的采集电路，其特征在于，所述耦合输出元件被构造为用于能够无线传输的无线电信号的接收元件（RX）。

15.按照权利要求13或14所述的采集电路，其特征在于，所述扩大器被构造为查阅表（LT、LT1、LT2）。

16.按照权利要求14或15所述的采集电路，其特征在于，均衡滤波器（EQU）前置于所述用于提高时钟频率的单元（SAM）。

17.一种磁共振信号传输装置，具有按照权利要求10至12中任一项所述的线圈装置和按照权利要求13至16中任一项所述的采集电路，其被构造为适合用于执行按照上述方法权利要求中任一项所述的传输方法。

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