CN111295594A - 用于磁共振成像(mri)系统中的无线通信的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种磁共振成像系统(100、200、300、400)包括无线通信站(600)，所述无线通信站：经由接收天线元件(630)接收与第一时钟(510)同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号；从相控阵列天线(620)的两个或更多个发射天线元件(620‑1)发射两个或更多个第二时钟信号；从所述发射天线元件中的至少两个发射天线元件发射表示感测到的磁共振信号的数据；响应于(一个或多个)接收到的第一时钟信号而输出时钟同步信号；并且响应于所述时钟同步信号而将第二时钟(610)同步到所述第一时钟信号。所述第一时钟信号由另一无线通信站(500)的相控阵列天线(520)发射。相位和信号分集发射允许第一无线通信站和第二无线通信站在这些站之间的视线路径丢失的情况下维持时钟同步。

Description

用于磁共振成像(MRI)系统中的无线通信的系统和方法

技术领域

本系统总体上涉及具有无线型射频(RF)线圈部分的磁共振成像(MRI)系统及其操作方法。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种成像方法，其通常使用对质子的频率和相位编码来进行图像重建。最近，MRI系统已经开始使用一个或多个无线型RF线圈来感测从正在进行MRI检查的对象发出的磁共振信号。具体地，无线RF线圈在采集时段期间采集模拟MR信息，并且然后相关联的RF站对模拟MR信息进行转换以形成数字化的数据(诸如数字化的原始数据(k空间)信息)。此后，第一无线通信站(也被称为移动站)无线地通信到第二无线通信站(也被称为基站)，其将数据传递到系统控制器以用于进一步处理和/或显示在MRI系统的显示器上。

在国际专利公布WO/2017103759A2中公开了这种系统的范例。

这里，移动RF站依靠内部时钟用于与MRI系统和基站的系统时钟(例如，主时钟)的正确同步。针对每次扫描产生的数据量需要高吞吐量，并且与被使用的通信信道的数量成正比。由于时钟正被MRI系统用来采集诊断成像数据，因此相位抖动应当被最小化。

然而，由于无线RF线圈的无线性质以及诱发的RF抖动和相位漂移，使用常规的无线通信方法通常难以准确地维持移动通信站、基站的内部时钟和MRI系统时钟之间的同步。例如，MRI系统的移动通信站和MRI系统的通信基站之间的视线(LOS)可能由于患者定位或运动而被阻挡，因此时钟同步信息可能丢失，从而造成时钟漂移并且最终丢失时钟同步。

遗憾的是，当无线RF站内部时钟与MRI系统时钟未能准确同步时，由于所使用的编码方法的性质，无线RF站内部时钟的相位噪声可能导致重建图像中的图像伪影，特别是在长时间采集期间。例如，能够显示出，如果要求原始图像数据中的由时钟引发的均方根(RMS)相位误差保持低于1度，则RMS时间抖动应当被控制为保持在64MHz处小于44皮秒(ps)，在128MHz处小于22ps。

因此，将期望提供用于MRI系统的无线通信的系统和方法。还将期望提供用于MRI系统的无线通信系统和方法，其促进移动通信站的内部时钟到MRI系统的主时钟的时钟恢复和同步，其能够维持移动通信站和与MRI系统的其余部分相关联的通信基站之间的时钟同步。此外，将期望提供用于无线RF站以基于在视线可能被阻挡并且传输是经由多路径传播的情况下接收的MRI系统传输来将无线RF站内部时钟与MRI系统时钟进行同步的系统和方法。

发明内容

在一个方面中，本发明能够提供了一种磁共振成像(MRI)系统，包括：磁体，其被配置为产生磁场；患者台，其被配置为保持患者；梯度线圈，其被配置为至少部分地环绕所述患者的至少一部分；射频(RF)线圈单元，其被配置为将RF信号应用于正被成像的患者的至少一部分，并且改变所述患者的所述部分中的所述磁场的对齐；传感器，其被配置为感测响应于所述RF信号而从所述患者发出的磁共振信号；第一无线通信站；以及第二无线通信站，其与所述第一无线通信站分离且间隔开，并且被配置为将表示感测到的磁共振信号的数据无线发射到所述第一无线通信站。所述第一无线通信站包括：第一时钟；第一相控阵列天线，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件，其中，所述第一发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第一时钟同步的两个或更多个对应的第一时钟信号；第一接收天线元件，其被配置为无线接收与第二时钟同步的两个或更多个第二时钟信号之中的至少一个第二时钟信号；第一接收器，其被配置为从所述第一接收天线元件接收所述至少一个第二时钟信号，并且响应于此而输出第一时钟同步信号；以及第一时钟同步电路，其被配置为接收所述第一时钟同步信号，并且响应于此而将所述第一时钟同步到所述至少一个第二时钟信号。所述第二无线通信站包括：所述第二时钟；第二相控天线阵列，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第二发射天线元件，其中，所述第二发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第二时钟同步的所述两个或更多个第二时钟信号，并且所述第二发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据；第二接收天线元件，其被配置为从无线发射所述第一时钟信号的所述两个或更多个第一发射天线元件中的至少一个发射天线元件无线接收所述两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号；第二接收器，其被配置为从所述第二接收天线元件接收所述至少一个第一时钟信号，并且响应于此而输出第二时钟同步信号；以及第二时钟同步电路，其被配置为接收所述第二时钟同步信号，并且响应于此而将所述第二时钟同步到所述至少一个第一时钟信号。

本发明的另一方面能够提供一种方法，包括：产生磁场；将RF信号应用于正被成像的患者的至少一部分，并且改变所述磁场的对齐；感测响应于所述RF信号而从所述患者发出的磁共振信号；在接收器处经由接收天线元件接收与第一时钟同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号；从相控阵列天线的两个或更多个对应的发射天线元件无线发射与第二时钟同步的两个或更多个第二时钟信号，所述相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的发射天线元件；从所述相控阵列天线的所述发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示感测到的磁共振信号的数据；响应于在所述接收器处接收的所述至少一个第一时钟信号，输出第二时钟同步信号；以及响应于所述第二时钟同步信号而将所述第二时钟同步到所述至少一个第一时钟信号。

本发明的又一方面能够提供一种设备，包括：传感器，其被配置为感测响应于磁场和射频信号而从患者发出的磁共振信号；以及无线通信站，其被配置为无线发射表示感测到的磁共振信号的数据。所述无线通信站包括：接收天线元件，其被配置为无线接收与第一时钟同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号；接收器，其被配置为从所述接收天线元件接收所述至少一个第一时钟信号，并且响应于此而输出第二时钟同步信号；第二时钟；相控阵列天线，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的发射天线元件，其中，所述发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第二时钟同步的两个或更多个对应的第二时钟信号，并且所述发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据；以及时钟同步电路，其被配置为接收所述第二时钟同步信号，并且响应于此而将所述第二时钟同步到所述至少一个第一时钟信号。

附图说明

根据下面结合附图考虑的示范性实施例的详细描述，将更容易理解本发明。

图1图示了磁共振成像(MRI)系统的示范性实施例。

图2是采用无线通信的MRI系统的示范性实施例的方框图。

图3是采用无线波束形成和天线分集的MRI系统的示范性实施例的概念图示。

图4是采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统中使用的无线通信系统的功能方框图。

图5示出了采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统中使用的通信基站的功能方框图。

图6示出了采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统中使用的移动通信站的功能方框图。

图7图示了包括采用波束形成和天线分集的无线通信系统的MRI系统的操作方法的范例实施例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，这些实施例被提供作为本发明的教导范例。

图1图示了磁共振成像(MRI)系统100的示范性实施例。MRI系统100包括：磁体系统102；患者台104，其被配置为保持患者10；梯度线圈106，其被配置为至少部分地环绕MRI系统100生成针对其的图像的患者10的至少一部分；以及射频线圈108，其被配置为将射频信号应用于正被成像的患者10的至少一部分，并且改变磁场的对齐；以及传感器20，其被配置为检测由射频信号和患者10引起的磁场的变化。在本文中讨论的实施例中，传感器20可以包括与对应的无线RF站相关联的RF线圈单元，如将在下面中更详细地描述的。

MRI系统的一般操作是众所周知的，并且因此这里不再重复。

图2是采用无线通信的MRI系统200的示范性实施例的方框图。

MRI系统200包括静场磁体201、梯度磁场线圈202、梯度电源203、患者台或患者床204、患者台控制器205、RF线圈单元206a、无线RF站206b、发射器207、时钟生成器208、RF/梯度场控制器209、驱动器210、无线电单元211、重建前端215、重建系统220、存储设备221、显示器222、输入单元223、主控制器224以及数据生成器225。

在一些实施例中，除了无线RF站206b之外的部件被包括在与无线RF站206b分离的主单元中。此外，主单元可以被分成机架和处理系统。在这种情况下，例如，可以在机架中提供静场磁体201、梯度磁场线圈202、梯度电源203、患者台204、患者台控制器205、RF线圈单元206a、发射器207、RF/梯度场控制器209以及无线电单元211，同时可以在处理系统中提供时钟生成器208、驱动器210、重建前端215、重建系统220、存储设备221、显示器222、输入单元223以及主控制器224。

静场磁体201具有中空的圆柱形形状，并且在其内部空间中生成均匀的静态磁场。例如，永磁体或超导磁体被用作静场磁体201。

梯度磁场线圈202具有中空的圆柱形形状，并且被设置在静场磁体201内部。梯度磁场线圈202可以包括对应于彼此正交的X轴、Y轴、Z轴的三种线圈的组合。当三种线圈分别被供应有来自梯度电源203的电流时，梯度磁场线圈202生成其强度沿着X轴、Y轴、Z轴倾斜的梯度磁场。另外，Z轴在与例如静态磁场的方向相同的方向上。X轴、Y轴、Z轴的梯度磁场分别对应于例如切片选择梯度磁场Gs、相位编码梯度磁场Ge和读出梯度磁场Gr。切片选择梯度磁场Gs用于确定给定的成像部分。相位编码梯度磁场Ge用于根据空间位置来改变磁共振信号的相位。读出梯度磁场Gr用于根据空间位置来改变磁共振信号的频率。

对象20在被安装在患者台204的顶板204a上时被插入到梯度磁场线圈202的内部空间(成像空间)中。患者台204使顶板204a在患者台控制器205的控制下在其纵向方向(图1中的左右方向)和垂直方向上移动。通常，患者台204被安装为使得该纵向方向与静态场磁体101的中心轴平行。

RF线圈单元206a包括容纳在圆柱形壳体中的一个或多个线圈。RF线圈单元206a可以被设置在梯度磁场线圈102的内部。向RF线圈单元206a供应来自发射器207的高频脉冲(RF脉冲)以生成高频磁场。

无线RF站206b可以被安装在顶板204a上，嵌入顶板204a中或者被附接到对象20。在成像时，无线RF站206b与对象20一起被插入成像空间中，并且接收或感测作为电磁波从对象20发出的磁共振信号，并且响应于此而产生表示感测到的磁共振信号的数字数据。无线RF站206b可以包括或被附接到一个、两个或更多个接收RF线圈单元，所述接收RF线圈单元可以包括充当用于感测从对象20发出的磁共振信号的传感器206c的任何种类的线圈或/或其他元件。无线RF站206b包括作为电信号(例如作为数字信号)进行无线发射的功能，该数字数据表示从对象20感测或接收到的磁共振信号。无线RF站206b还包括与MRI系统200的系统时钟(参见下文)同步并且生成第一时钟信号的时钟，如下文讨论的。

发射器207向RF线圈单元206a供应对应于拉莫尔频率的RF脉冲。

时钟生成器208(在本文中也被称为主时钟或第一时钟)生成具有预定频率的第一时钟信号。时钟生成器208可以被用作系统时钟，所述系统时钟充当针对MRI系统100200的整体操作的定时的参考。

RF/梯度场控制器209在主控制器224的控制下根据所需的脉冲序列来改变梯度磁场，并且控制梯度电源203和发射器207，使得可以发射RF脉冲。另外，RF/梯度场控制器209在已经由驱动器210适当调整了该信号的水平之后被提供有第一时钟信号。RF/梯度场控制器209与该第一时钟信号同步地执行脉冲序列。

无线电单元211接收从无线RF站206b数字处理且无线发射的磁共振信号。无线电单元211对接收到的数字磁共振信号进行数字解调以被数字地处理，然后将经解调的信号输出到重建前端215。无线电单元211还将数据与第一时钟信号一起无线发射到无线RF站206b。

重建前端215使从无线电单元211提供的磁共振信号经受增益控制、频率转换和正交检测。重建前端215还对在无线RF站206b中压缩的磁共振信号的幅度进行解压缩。

重建系统220基于在重建前端215中处理的磁共振信号中的至少一个来重建对象20的图像。

存储设备221存储各种类型的数据，例如，指示在重建系统220中重建的图像的图像数据。

在主控制器224的控制下，显示器222显示在重建系统220中重建的图像或包括供用户操作MRI系统200的各种类型的操作屏幕的各种类型的信息。任何方便的显示设备(例如，液晶显示器)能够用作显示器22。

输入单元223接受来自MRI系统200的操作者的各种命令和信息输入。输入单元223可以包括诸如鼠标或跟踪球的指针设备、诸如模式转换开关的选择设备和/或诸如键盘的输入设备。

主控制器224具有未示出的CPU、存储器等，并且控制整个MRI系统200。

数据生成器225在主控制器224的控制下生成用于经由无线电单元211与无线RF站206b通信的数据信号。

MRI系统的一般操作是众所周知的，并且因此这里将不再重复。

在接下来的讨论中，参考第一通信站(特别是第一无线通信站)以及第二通信站。在一些实施例中，第一无线通信站可以被认为是基站，并且第二无线通信站可以被认为是移动站。在一些实施例中，MRI系统200的主单元的部分(包括例如无线电单元211、时钟生成器208、驱动器210和可选的主控制器224)可以对应于下面描述的第一无线通信站，并且无线RF站206b可以对应于第二无线通信站。

无线RF站206b依靠内部(“第二”)时钟用于与MRI系统200的主或系统(“第一”)时钟正确同步。然而，由于通信链路的无线性质和诱发的RF噪声，使用保持低相位抖动并且避免相位滑移的常规的无线通信方法通常难以准确地使无线RF站206b的第二时钟与系统时钟同步。

相应地，如下面更详细地解释的，无线RF站206b可以(例如，经由无线电单元211)与MRI系统200的其余部分通信，所述MRI系统具有经由通信链路的每侧处的多个发射天线的相控阵列的无线波束形成，从而经过两个或更多个天线发射时钟信号和数据以实现分集发射。

由于用于相位和数据分集的这种无线波束形成的引入，益处可以至少加倍。第一，相位准确性可以改善，因为增加了冗余。第二，数据可靠性可以改善，因为相同的信息能够针对增加用于误差校正的一个或若干天线进行传输。

图3是采用无线波束形成和天线分集的MRI系统300的示范性实施例的概念图示。除此之外，MRI系统300包括经过无线MRI通信链路350与彼此无线通信的第一无线通信站311和第二无线通信站306。第一无线通信站311与MRI控制系统324通信。MRI系统300包括未在图3中标记或具体示出的其他部件，诸如磁体系统、梯度线圈、患者床等。MRI系统300可以是MRI系统100和/或MRI系统200的一个实施例。

第一无线通信站311可以是MRI系统200的通信基站的一个实施例，包括例如无线电单元211、时钟生成器208、驱动器210，并且第二无线通信站306可以是图2的无线RF站206b的一个实施例。

如图3中示出并且在下面关于图4-6中示出的实施例更详细地描述的，第一无线通信站311包括第一相控阵列天线，所述第一相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件和至少一个第一接收天线元件。类似地，第二无线通信站306包括第二相控阵列天线，所述第二相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第二发射天线元件和至少一个第二接收天线元件。

图4是采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统(诸如MRI系统100、200和/或300)中使用的无线通信系统400的功能方框图。

无线通信系统400包括经过无线MRI通信链路450与彼此无线地通信的第一无线通信站411和第二无线通信站406。

第一无线通信站411可以是图3的第一无线通信站311和/或MRI系统200的通信基站的一个实施例，包括例如无线电单元211、时钟生成器208、驱动器210等，并且第二无线通信站406可以是图3的第二无线通信站306和/或图2的无线RF站206b的一个实施例。

如图4中示出并且在下面关于图5和6中示出的实施例更详细地描述的，第一无线通信站411包括：第一时钟、第一相控阵列天线、至少一个第一接收天线元件、第一RF处理器、第一数字波束形成器与基带处理器、以及第一时钟同步电路，所述第一相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件。第二无线通信站406包括：第二时钟、第二相控阵列天线、至少一个第二接收天线元件、第二RF处理器、第二数字波束形成器与基带处理器、以及第二时钟同步电路，所述第二相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件。

图5更详细地示出了采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统(诸如MRI系统100、200和/或300)中使用的通信基站500的功能方框图。通信基站500可以是图4的第一无线通信站411的一个实施例。

通信基站500包括第一时钟510、第一相控阵列天线520、至少一个第一接收天线元件530、RF处理器540、数字波束形成器与基带处理器550、以及第一时钟同步电路560，所述第一相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件520-1。RF处理器540和数字波束形成器与基带处理器550的部分包括第一接收器570。RF处理器540包括模拟波束形成处理器580，其处理第一接收天线元件530处的到达信号以利用相位和信号分集来训练第一时钟510并且利用第一发射天线元件520-1同步地发射。

图6示出了采用波束形成和天线分集并且可以在MRI系统中使用的移动通信站600的功能方框图。移动通信站600可以是图4的第二无线通信站406的一个实施例。

移动通信站600包括第二时钟610、第二相控阵列天线620、第二接收天线元件630、RF处理器640、数字波束形成器与基带处理器650、以及第二时钟同步电路660，所述第二相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第二发射天线元件620-1。RF处理器640和数字波束形成器与基带处理器650的部分包括第二接收器670。RF处理器640包括模拟波束形成处理器680，其可以处理第二接收天线元件630处的到达信号以利用相位和信号分集来训练第二时钟610并且利用第二发射天线元件620-1同步地发射。

在图4-6中示出了用于MRI无线链路的无线波束形成的主部件。目的是保持无线通信链路可操作用于MRI系统所需的参数内的时钟同步和数据传输。由于时钟同步被无线执行(经过空气)，需要相位跟踪来校正每个终端处的本地振荡器(LO)。相位分集信息经由波束形成和使用预编码技术的基带处理来生成。数据和时钟经由多个天线(即，经由发射天线阵列520/620)来发送。特别地，数据和时钟能够被分布为使得至少两个天线元件520-1/620-1用于时钟同步并且两个天线元件520-1/620-1用于每个无线通信站处的数据(以实现分集)。每个无线通信站处的一个或多个接收天线元件530/630可以至少用来收集具有分集信息的发射的波束的和。基于这种认识，每个发射阵列天线元件520-1/620-1以不同的相位发射，所述不同的相位通过模拟波束形成器处理器580来建立，并且所述不同的相位进而经由时钟同步电路(例如，时钟同步电路560)与从接收到的另一个无线通信站406/411的各种发射天线的时钟信号收集的时钟相位信息同步。

经由无线MRI通信链路450，若干信息来源以分别依据取决于载体相位的F(n)和F(n)’的到达角度到达接收天线元件530/630。在每个接收天线元件530/630处，信号分集有助于更准确的时钟同步和数据信噪比(SNR)。在这种情况下，如果由一个无线通信站406/411的一个天线元件520-1/620-1发射的信号被被患者10或被患者移动阻挡到达另一个无线通信站411/406的接收天线元件530/630(LOS丢失)，则冗余能够补偿以最小化载体跟踪上的任何相位滑移。

来自接收器天线元件(k)处的n_t发射天线元件520-1/620-1的针对符号m的基带中的恢复信号被定义为：

其中α_l[m]表示针对符号m分配的功率，并且

表示所应用的相移，总信道增益通过下式来定义：

这里，我们假设信道分量在每个无线通信站的接收器处是已知的，即，平坦衰落假设将移除信道信息状态的需要。

现在将描述包括无线通信系统400的MRI系统(例如MRI系统100、MRI系统200和/或MRI系统300)的示范性操作，所述无线通信系统包括可以具有图5的通信基站500的架构的第一无线通信站411和可以具有图6的移动通信站600的架构的第二无线通信站406。

当患者台(例如，图2的患者台204)保持患者10时，MRI系统的磁体系统(例如，图2的静场磁体201)产生磁场。一个或多个梯度磁场线圈(例如，图2的梯度磁场线圈202)至少部分地环绕患者10的至少一部分，并且射频(RF)线圈单元(例如，图2的RF线圈单元206a)将RF信号应用于正被成像的患者10的至少一部分，并且改变患者10的该部分中的磁场的对齐。传感器206c感测响应于RF信号而从患者10发出的磁共振信号。第二无线通信站(例如，第二无线通信站206b/306/406/600)无线发射表示感测到的磁共振信号的数据，并且与第二无线通信站206b/306/406/600分离且间隔开的第一无线通信站(例如，第一无线通信站311/411/500)从第二无线通信站206b/306/406/600无线接收表示感测到的磁共振信号的数据。

第一无线通信站311/411/500包括：第一时钟510、第一相控阵列天线520、至少一个第一接收天线元件530、第一接收器570(例如，包括RF处理器540和数字波束形成器与基带处理器550的部分)、以及第一时钟同步电路560，所述第一相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件520-1，其中，第一发射天线元件520-1中的两个或更多个发射天线元件发射与第一时钟510同步的两个或更多个对应的第一时钟信号，所述至少一个第一接收天线元件被配置为接收与第二时钟同步并且从第二无线通信站311/411/500发射的两个或更多个第二时钟信号之中的至少一个第二时钟信号，所述第一接收器被配置为从第一接收天线元件530接收至少一个第二时钟信号并且响应于此而输出第一时钟同步信号，所述第一时钟同步电路被配置为接收第一时钟同步信号并且响应于此而将第一时钟510同步到至少一个第二时钟信号。

第二无线通信站311/411/600包括：第二时钟610、第二相控天线阵列620、至少一个第二接收天线元件630、第二接收器670(例如，包括RF处理器540和数字波束形成器与基带处理器650的部分)、以及第二时钟同步电路660，所述第二相控天线阵列包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第二发射天线元件620-1，其中，第二发射天线元件620-1中的两个或更多个发射天线元件发射与第二时钟同步的两个或更多个第二时钟信号，并且第二发射天线元件620-1中的至少两个发射天线元件发射表示感测到的磁共振信号的数据，所述至少一个第二接收天线元件被配置为从发射第一时钟信号的两个或更多个第一发射天线元件520-1中的至少一个发射天线元件接收两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号，所述第二接收器被配置为从第二接收天线元件630接收至少一个第一时钟信号并且响应于此而输出第二时钟同步信号，所述第二时钟同步电路被配置为接收第二时钟同步信号并且响应于此而将第二时钟610同步到至少一个第一时钟信号。

这里，因为与第二时钟610同步的两个或更多个第二时钟信号由第二无线通信站306/406/600从第二相控天线阵列620的两个或更多个第二发射天线元件620-1发射，所以如果从第二发射天线元件620-1中的一个发射天线元件到第一接收天线元件530的直线对传被阻挡，则至少一个第二时钟信号仍然可以从其路径未被阻挡的另一第二发射天线元件620-1到达第一接收天线元件530。类似地，因为与第一时钟510同步的两个或更多个第一时钟信号由第一无线通信站311/411/500从第一相控天线阵列520的两个或更多个第一发射天线元件520-1发射，所以如果从第一发射天线元件520-1中的一个发射天线元件到第二接收天线元件630的直线对传被阻挡，则至少一个第一时钟信号仍然可以从其路径未被阻挡的另一第一发射天线元件520-1到达第二接收天线元件630。由此，时钟同步可以被维持。

而且，数据冗余可以由将表示感测到的磁共振信号的数据从第二相控天线阵列620的两个或更多个第二发射天线元件620-1发射到第一接收天线元件530的第二无线通信站306/406/600来提供。可以为从第一无线通信站311/411/500发射到第二无线通信站306/406/600的任何数据提供类似的数据冗余。

在大多数情况下，取决于有多少(如果有的话)直线对传通信路径被阻挡，预期到(一个或多个)第二接收天线元件630将从发射两个或更多个第一时钟信号的两个或更多个第一发射天线元件520-1接收至少两个第一时钟信号。在此情况下，第二接收器670响应于从发射第一时钟信号的两个或更多个第一发射天线元件520-1接收的至少两个第一时钟信号而输出第二时钟同步信号。而且在大多数情况下，预期到(一个或多个)第一接收天线元件530将从发射两个或更多个第二时钟信号的两个或更多个第二发射天线元件620-1接收至少两个第二时钟信号。在此情况下，第二接收器670响应于从发射第二时钟信号的两个或更多个第二发射天线元件620-1接收的至少两个第二时钟信号而输出第一时钟同步信号。

有益地，发射与第一时钟510同步的两个或更多个第一时钟信号的两个或更多个第一发射天线元件520-1以与彼此不同的相位发射。而且有益地，发射表示感测到的磁共振信号的数据的第一发射天线元件中的至少两个发射具有与彼此不同的相位的信号。

在一些实施例中，第二接收器还被配置为接收表示感测到的磁共振信号的数据。

在一些范例实施例中，MRI系统可以包括时钟分频器(例如，被包括在RF处理器540的模拟波束形成器处理器580内)，所述时钟分频器被配置为接收来自第一时钟510的输出并且响应于此而提供与第一时钟510同步的具有两个或更多个彼此不同的相位的两个或更多个第一时钟信号，所述两个或更多个第一时钟信号可以由对应数量的不同的第一发射天线元件520-1发射。

图7图示了操作MRI系统(诸如MRI系统100、200和/或300)的方法700的范例实施例，所述MRI系统包括采用波束形成和天线分集的无线通信系统(诸如无线通信系统400)。

操作710包括产生磁场。

操作720包括将RF信号应用于正被成像的患者的至少一部分，并且改变磁场的对齐。

操作730包括感测响应于RF信号而从患者发出的磁共振信号。

操作740包括在接收器处经由接收天线元件接收与第一时钟同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号。

操作750包括从相控阵列天线的两个或更多个对应的发射天线元件无线发射与第二时钟同步的两个或更多个第二时钟信号，所述相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件。

操作760包括从相控阵列天线的发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示感测到的磁共振信号的数据。

操作770包括响应于接收到的至少一个第一时钟信号而输出第二时钟同步信号。

操作770包括响应于第二时钟同步信号而将第二时钟同步到至少一个第一时钟信号。

应当理解，操作在图7中列出的顺序仅仅是用于描述操作的顺序，并不意味着指示操作必然以该顺序被执行。许多操作实际上可以在与彼此相同的时间被执行。例如操作740和/或750可以与操作710-730并行地被执行，等等。实际上，应当理解，一般来说，这些操作可以在移动通信站处收集磁共振数据并且将数据无线发射到MRI系统的通信基站同时通过利用每个站处的多个发射天线的相位和信号分集的使用维持这些站之间的时钟同步的方法中被连续地执行。

MRI系统需要维持一种生态系统，其能够共存于一个稳定且良好受控的医学设施中，以便正常运行并且不会干扰其他电磁设备。这是由于弱的患者信号与强的MRI发射器的高度敏感性质导致的。这些要求使得MRI系统需要被定位在有限且受限的RF屏蔽室内。MRI位置和生态系统需要用于无线通信的特定且不寻常的条件。无线通信协议应当在具有不可预知的MRI条件的环境内维持高水平的服务质量，所述不可预知的MRI条件包括高功率杂散发射、在不影响MRI信号或信噪比(SNR)的情况下在位置、频率和时间上具有信号传播的较大变化的密集多路径信道条件。

为了解决这些问题中的一个或多个，在如上面描述的MRI机器和无线通信系统的一些实施例中，第一无线通信站和第二无线通信站可以根据符合超宽带(UWB)通信标准的通信协议与彼此通信，其中，短脉冲(例如小于几纳秒)相移键控(PSK)调制信号被散布在宽频谱上。这种短脉冲UWB技术也可以被称为直接序列UWB(DS-UWB)或脉冲无线电UWB(IR-UWB)。与受信号传播条件影响很大的传统窄带技术(蓝牙、WiFi等)或正交频分复用UWB(OFDM-UWB)不同，脉冲UWB在诸如可能在MRI室中发现的多路径环境中盛行。这里应当理解，对于给定的功率发射掩码，UWB意味着具有大于500MHz的带宽的传输，对于短脉冲PSK UWB，这意味着每比特的能量(Eb)具有等于大于500MHz的信道带宽的扩频因子。因为Eb被散布在整个UWB信道上，所以存在零均值衰退。短脉冲也受益于反射路径延迟的定时大于传输时段。针对短脉冲UWB信道的概率密度函数能够大于多路径环境中的自由空间性能。扩频因子和发射限制也意味着短脉冲UWB干扰和拦截的概率较低，这是在生成强MRI频率和谐波杂散的环境中共存所必需的。UWB标准允许在3.1GHz至10.6GHz的频率范围内进行传输，这允许被采用的精确频率被选择以避免严重拥塞的频谱，如2.4GHz和5.8GHz。

针对无线MRI系统通信中的时钟同步的挑战之一是无线时钟同步信号的传播延迟的时间变化。这样的时间变化可以由患者、患者台或MRI室内部的操作人员的运动而引起。

在一些实施例中，通过使用具有长编码长度的UWB信号作为同步脉冲，也可以减少接收到的信号中的多路径回波。编码信号可以被选择为使得其具有带低旁瓣的强自相关峰值。这样的信号的范例是伪随机噪声(PRN)码，例如，巴克码或黄金码。

尽管在本文中公开了优选实施例，但是保持在本发明的构思和范围之内的许多变化是可能的。在查阅本文中的说明书、附图和权利要求书之后，这样的变化对于本领域普通技术人员来说将变得清楚。因此，除了在权利要求的范围之内以外，本发明不受限制。

Claims (20)

1.一种磁共振成像(MRI)系统(100、200、300、400)，包括：

磁体(201)，其被配置为产生磁场；

患者台(204)，其被配置为保持患者(10)；

梯度线圈(202)，其被配置为至少部分地环绕正被成像的所述患者的至少一部分；

射频(RF)线圈单元(206a)，其被配置为将RF信号应用于患者的至少所述部分，并且改变所述患者的所述部分中的所述磁场的对齐；

传感器(206c)，其被配置为感测响应于所述RF信号而从所述患者发出的磁共振信号；

第一无线通信站(211、311、500)；以及

第二无线通信站(206b、306、406、600)，其与所述第一无线通信站分离且间隔开，并且被配置为将表示感测到的磁共振信号的数据无线发射到所述第一无线通信站，

其中，所述第一无线通信站包括：

第一时钟(510)，

第一相控阵列天线(520)，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第一发射天线元件(520-1)，其中，所述第一发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第一时钟同步的两个或更多个对应的第一时钟信号，

第一接收天线元件(530)，其被配置为无线接收与第二时钟同步的两个或更多个第二时钟信号之中的至少一个第二时钟信号，

第一接收器(570)，其被配置为从所述第一接收天线元件接收所述至少一个第二时钟信号，并且响应于此而输出第一时钟同步信号，以及

第一时钟同步电路(560)，其被配置为接收所述第一时钟同步信号，并且响应于此而将所述第一时钟同步到所述至少一个第二时钟信号，并且

其中，所述第二无线通信站包括：

所述第二时钟(610)，

第二相控天线阵列(620)，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的第二发射天线元件(620-1)，其中，所述第二发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第二时钟同步的所述两个或更多个第二时钟信号，并且所述第二发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据，

第二接收天线元件(630)，其被配置为从发射所述第一时钟信号的所述两个或更多个第一发射天线元件中的至少一个发射天线元件无线接收所述两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号，

第二接收器(670)，其被配置为从所述第二接收天线元件接收所述至少一个第一时钟信号，并且响应于此而输出第二时钟同步信号，以及

第二时钟同步电路(660)，其被配置为接收所述第二时钟同步信号，并且响应于此而将所述第二时钟同步到所述至少一个第一时钟信号。

2.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，其中，所述第二接收天线元件还被配置为从发射所述两个或更多个第一时钟信号的所述两个或更多个第一发射天线元件无线接收至少两个第一时钟信号，并且所述第二接收器还被配置为响应于从发射所述第一时钟信号的所述两个或更多个第一发射天线元件接收到的所述至少两个第一时钟信号而输出所述第二时钟同步信号。

3.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，其中，所述第一接收天线元件还被配置为从发射所述两个或更多个第二时钟信号的所述两个或更多个第二发射天线元件无线接收至少两个第二时钟信号，并且所述第一接收器还被配置为响应于从发射所述第二时钟信号的所述两个或更多个第二发射天线元件接收的所述至少两个第二时钟信号而输出所述第一时钟同步信号。

4.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，其中，发射与所述第一时钟同步的所述两个或更多个第一时钟信号的所述两个或更多个第一发射天线元件以与彼此不同的相位发射。

5.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，其中，无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据的所述第二发射天线元件中的所述至少两个发射天线元件以与彼此不同的相位发射。

6.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，其中，所述第一接收器还被配置为无线接收表示所述感测到的磁共振信号的所述数据。

7.根据权利要求1所述的MRI系统(100、200、300、400)，还包括：模拟波束形成处理器(580)，其被配置为接收来自所述第一时钟的输出，并且响应于此而提供与所述第一时钟同步的具有两个或更多个彼此不同的相位的所述两个或更多个第一时钟信号。

8.一种方法(700)，包括：

产生(710)磁场；

将RF信号应用(720)于正被成像的患者(10)的至少一部分，并且改变所述磁场的对齐；

感测(730)响应于所述RF信号而从所述患者发出的磁共振信号；

在接收器(670)处经由接收天线元件(630)接收(740)与第一时钟(510)同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号；

从相控阵列天线(620)的两个或更多个对应的发射天线元件(620-1)无线发射(750)与第二时钟(610)同步的两个或更多个第二时钟信号，所述相控阵列天线包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的发射天线元件；

从所述相控阵列天线的所述发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射(760)表示感测到的磁共振信号的数据；

响应于在所述接收器处接收的所述至少一个第一时钟信号，输出(770)第二时钟同步信号；以及

响应于所述第二时钟同步信号而将所述第二时钟同步(780)到所述至少一个第一时钟信号。

9.根据权利要求8所述的方法(700)，还包括：

从包括与彼此分离且间隔开的另外多个分开定相的发射天线元件(520-1)的另一相控天线阵列(520)无线发射所述两个或更多个第一时钟信号；

在另一接收器(570)处经由另一接收天线元件(530)从发射所述第二时钟信号的所述两个或更多个发射天线元件中的至少一个接收所述两个或更多个第二时钟信号之中的至少一个第二时钟信号，并且响应于此而输出第一时钟同步信号；以及

响应于所述第一时钟同步信号而将所述第一时钟同步到所述至少一个第二时钟信号。

10.根据权利要求9所述的方法(700)，还包括另一个接收器接收表示所述感测到的磁共振信号的所述数据。

11.根据权利要求9所述的方法(700)，还包括：

在另一个接收器处经由另一个接收天线元件接收所述两个或更多个第二时钟信号之中的至少两个第二时钟信号；以及

响应于所述至少两个第二时钟信号而输出所述第一时钟同步信号。

12.根据权利要求8所述的方法(700)，还包括：

在所述接收器处经由所述接收天线元件接收所述两个或更多个第一时钟信号之中的至少两个第一时钟信号；以及

响应于所述至少两个第一时钟信号而输出所述第一时钟同步信号。

13.根据权利要求8所述的方法(700)，其中，无线发射与所述第二时钟同步的所述两个或更多个第二时钟信号包括以彼此不同的相位无线发射所述两个或更多个第二时钟信号。

14.一种设备(206c/206b、306、406、600)，包括：

传感器(206c)，其被配置为感测响应于磁场和射频信号而从患者发出的磁共振信号；以及

无线通信站(206b、306、406、600)，其被配置为无线发射表示感测到的磁共振信号的数据，

其中，所述无线通信站包括：

接收天线元件(630)，其被配置为无线接收与第一时钟(510)同步的两个或更多个第一时钟信号之中的至少一个第一时钟信号，

接收器(670)，其被配置为从所述接收天线元件接收所述至少一个第一时钟信号，并且响应于此而输出第二时钟同步信号，

第二时钟(610)，

相控阵列天线(620)，其包括与彼此分离且间隔开的多个分开定相的发射天线元件(620-1)，其中，所述发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第二时钟同步的两个或更多个对应的第二时钟信号，并且所述发射天线元件中的至少两个发射天线元件无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据，以及

时钟同步电路(660)，其被配置为接收所述第二时钟同步信号，并且响应于此而将所述第二时钟同步到所述至少一个第一时钟信号。

15.根据权利要求14所述的设备(306b、306、406、500)，其中，所述接收天线元件还被配置为无线接收所述两个或更多个第一时钟信号之中的所述至少两个第一时钟信号，并且所述接收器还被配置为响应于所述至少两个第一时钟信号而输出所述第二时钟同步信号。

16.根据权利要求14所述的设备(306b、306、406、500)，其中，无线发射与所述第二时钟同步的所述对应的两个或更多个第二时钟信号的所述两个或更多个发射天线元件以彼此不同的相位发射。

17.根据权利要求14所述的设备(306b、306、406、500)，其中，无线发射表示所述感测到的磁共振信号的所述数据的所述发射天线元件中的所述至少两个发射天线元件以彼此不同的相位发射。

18.根据权利要求14所述的设备(306b、306、406、500)，还包括：时钟分频器(660)，其被配置为接收来自所述第二时钟的输入，并且响应于此而提供与所述第一时钟同步的具有两个或更多个彼此不同的相位的所述两个或更多个第一时钟信号。

19.根据权利要求14所述的设备(306b、306、406、500)，还包括：另一无线通信站(500)，其包括：

所述第一时钟(510)；

另一相控天线阵列(520)，其包括与彼此分离且间隔开的另外多个分开定相的发射天线元件(520-1)，其中，所述多个其他发射天线元件中的两个或更多个发射天线元件无线发射与所述第一时钟同步的所述两个或更多个第一时钟信号，

另一接收天线元件(530)，其被配置为从发射所述第二时钟信号的所述两个或更多个发射天线元件中的至少一个发射天线元件无线接收所述两个或更多个第二时钟信号之中的至少一个第二时钟信号，

另一接收器(570)，其被配置为从另一个接收天线元件接收所述至少一个第二时钟信号，并且响应于此而输出第一时钟同步信号，以及

另一时钟同步电路(560)，其被配置为接收所述第一时钟同步信号，并且响应于此而将所述第一时钟同步到所述至少一个第二时钟信号。

20.根据权利要求19所述的设备(306b、306、406、500)，其中，另一个接收器还被配置为接收表示所述感测到的磁共振信号的所述数据。

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