CN112083367B - 导频音设备、磁共振断层成像设备和运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导频音设备、磁共振断层成像设备和运行方法。本发明涉及一种用于采集患者的生理数据的导频音设备和具有相应的导频音设备的磁共振断层成像设备。导频音设备具有导频音发送器，导频音发送器被设计为用于，在ISM频带中发送导频音。

Description

导频音设备、磁共振断层成像设备和运行方法
技术领域
本发明涉及一种具有导频音发送器和导频音接收器的导频音设备。导频音发送器被设计为用于向患者中发出电磁高频信号。导频音接收器被设计为用于接收高频信号，并且对关于患者中的生理过程的信息进行解码。
背景技术
导频音设备发出弱的交变电磁场，其通过衰减、反射和/或干涉与患者的身体相互作用。由此改变幅值和/或相位，其中，与患者的身体中的运动一起随着时间发生变化，因此也可以采集由于呼吸、心跳或者消化导致的内部运动，而不会由于安置在内部或者皮肤上的传感器而对患者增加负担。
磁共振断层成像设备是如下成像设备，为了对检查对象进行成像，这些成像设备利用外部强磁场，将检查对象的核自旋对齐，并且通过交变磁场，激励核自旋围绕该对齐进动。自旋从该激励状态到具有较小的能量的状态的进动或返回，作为响应又产生交变磁场，经由天线接收该交变磁场。
借助梯度磁场对这些信号进行位置编码，位置编码随后使得接收到的信号能够与体积元素相关联。然后，对接收到的信号进行分析，并且提供检查对象的三维成像显示。
根据所使用的脉冲序列，也称为序列，在磁共振断层成像中进行图像采集需要几毫秒至几秒，其中，通常，采集时间越长，使得噪声伪影越小。因此，有意义的是，相应地在身体保持相对不运动的阶段开始时，开始进行图像采集，以便在图像采集期间避免由于运动引起的运动伪影。不可避免的运动例如是呼吸和心跳。然而，在此，在有运动的阶段之后，例如在呼气或者心肌收缩之后，也跟随着相对静止的阶段。在该阶段中进行的图像采集具有相对长的时间段，并且预期运动少，从而在此可以预期最好的测量结果。
在此，原则上，已经知道例如借助机械传感器或者通过测量肌肉的激励电势的电极，来采集运动。
文献DE 10 2015 203 385描述了一种借助高频信号采集运动的基本方法。在此，在磁共振断层成像设备的患者记录中持续地采集信号，并且评估由于运动、例如由于干涉或者衰减改变而导致的信号改变。然后，可以根据该信号的特定模式，识别出由呼吸或者心跳引起的患者的运动。
从文献WO 2015/150953 A1中，已知一种用于发出同步信号的发送器，发送器的两个天线布置在患者通道(Patientendurchführung)的端部。在此，也可以发出导频音作为同步信号。
文献DE 10 2015 224 158描述了一种用于在磁共振断层成像设备中进行导频音导航的发送器，以及用于识别患者的运动的方法。发送器具有能量供应装置和天线。发送器被设计为用于，通过天线发出导频音信号。发送器还具有解耦元件，以便针对如下信号，保护发送器输出，这些信号是在磁共振断层成像期间，在磁共振断层成像设备的激励脉冲下，由天线接收到的信号。在根据本发明的方法中，由磁共振断层成像设备的控制器识别发送器的导频音信号的与运动有关的改变。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题是，改善导频音信号的应用。
上述技术问题通过根据本发明的导频音设备和根据本发明的磁共振断层成像设备来解决。
根据本发明的导频音设备被设计为用于采集生理数据。这应当理解为，利用导频音设备产生如下信号，该信号随着患者身体中的生理过程而改变，使得接收器可以检测到这些过程。在此，接收器可以是导频音设备的接收器。但是也可以想到，由医学成像设备的接收器，例如磁共振断层成像设备的接收器，来接收导频音信号。在此，导频音设备具有导频音发送器，其被设计为用于，在ISM频带中发送导频音。ISM频带是在监管下针对工业、科学和医学应用释放的高频频带。特别是，在这些频带中不设置可能被所发射的信号干扰的其它应用。因此，在这些频带中，在没有屏蔽措施的情况下，也允许较高的发送功率。但是，同时，由于竞争应用，预计会有较高的干扰水平。也允许以大的功率进行发射的一个示例性的频带处于26.9和27.3MHz之间。其它的这种频带处于6.7MHz和6.8MHz、13.5MHz和13.6MHz、40.6MHz和40.7MHz以及433.0MHz和434.8MHz之间。
以有利的方式，ISM频带中的导频音应用使得能够在没有复杂的屏蔽措施的情况下进行应用，因此例如也能够在患者床中进行移动应用等。
下面的描述给出其它有利的实施方式。
在一个可以想到的实施方式中，导频音设备具有用于接收导频音的接收器。在接收器与导频音发送器之间存在信号连接，导频音发送器通过该信号连接，获得关于导频音的频率上的干扰水平的信息。该信息例如可以给出干扰信号水平或者信噪比。在此，导频音发送器被设计为用于，依据导频音的频率上的干扰水平，来调节导频音的发送功率。例如，导频音设备可以被设计为用于，随着干扰水平的增大，提高要发出的导频音信号的增益，使得可以实现恒定的足够的信噪比。
以有利的方式，与干扰信号有关的功率调节，使得能够针对受干扰的环境中的生理数据的可靠记录以及不受干扰的环境中的最小辐射，实现足够的信号水平。
在一个可能的实施方式中，根据本发明的导频音设备的导频音发送器具有调制器。调制器被设计为用于，以相关模式(Korrelationsmuster)对导频音进行调制。可以想到简单的利用特定频率的正弦波的幅值或者频率调制，但是更复杂的调制类型、例如利用比特序列(例如伪随机序列)的QPSK或者QAM也是可以的。甚至可以想到利用噪声极限以下的信号水平的扩频调制。接收器具有互补相关器，互补相关器被设计为用于，根据调制，对接收到的导频音信号进行滤波。根据调制类型，例如可以使用用于所选择的调制类型的相应的窄带滤波器或解码器，和/或可以使用用于识别伪比特序列的自相关器。
利用唯一地可识别的模式对导频音进行调制，使得能够区分或者分离干扰信号，因此使得在没有屏蔽的情况下，在受干扰的频带中也能够运行。
本发明的一个可以想到的实施方式具有包括根据本发明的导频音设备的磁共振断层成像设备。在此，磁共振断层成像设备被设计为用于，使用ISM频带中的磁共振信号来进行成像。关于ISM频带，参考前面的描述。特别是，将如下方式视为为了进行成像而使用，即，用于核自旋对齐的场磁体的静磁场B0具有如下强度，在该强度下，要成像的核自旋的拉莫尔频率处于ISM频带中，由此针对为了激励核自旋而产生的交变磁场，具有ISM频带中的频率。
以有利的方式，ISM频带中的拉莫尔频率保证更高的极限值适用于激励脉冲到空间中的辐射，因此可以完全放弃用于磁共振断层成像设备的高频屏蔽舱，或者高频屏蔽舱可以明显更简单。
在根据本发明的磁共振断层成像设备的一个可能的实施方式中，导频音发送器和磁共振断层成像设备被设计为用于，在相应的不同的ISM频带中，产生导频音和磁共振信号。将具有相应的不相交的频率范围的ISM频带，视为不同的ISM频带。例如，拉莫尔频率可以处于26.9和27.3MHz之间，而导频音可以具有6.7MHz和6.8MHz的频率。
通过对于导频音和磁共振信号使用不同的ISM频带，信号的分离更简单。特别是，可以对导频音的接收器设置更简单的滤波器。同时，可以针对激励脉冲的大的幅值，更简单地实施用于导频音发送器和导频音接收器的保护措施。
在根据本发明的磁共振断层成像设备的另一个可以想到的实施方式中，导频音发送器和磁共振断层成像设备被设计为用于，在相同的ISM频带中，产生导频音和磁共振信号，其中，导频音信号处于磁共振信号的带宽外部。例如可以想到，导频音信号和磁共振信号的频率处于26.9和27.3MHz之间。在此，例如将如下频率范围视为磁共振信号的带宽，在该频率范围内，依据频率，磁共振信号的幅值相对于最大幅值下降小于3dB、6dB或者12dB。磁共振信号例如可以处于27.0MHz和27.3MHz之间的频率范围内，并且导频音信号的频率是26.9MHz。
在使用相同的ISM频带时，例如可以想到，共同的接收器对导频音信号和磁共振信号进行接收和评估，因此可以放弃单独的导频音接收器。
在根据本发明的磁共振断层成像设备的一个可能的实施方式中，磁共振断层成像设备具有用于磁共振信号的接收器。接收器与导频音发送器信号连接。导频音发送器被设计为用于，通过该信号连接，传送参考导频音信号。在此，如下信号被视为参考导频音信号，该信号给出没有干扰信号和/或与患者的相互作用的导频音信号的特性。
这例如可以包括幅值、相位和/或调制。在最简单的情况下，其可以涉及如下信号，该信号被馈送至导频音发送器的高频输出级，并且通过作为信号连接的屏蔽的线路，被馈送至接收器。也可以想到具有馈送至高频输出级的输入信号中的数字化的导频音信号的数据流。用来产生导频音信号的数字参数，例如频率说明、幅值说明、相位说明和/或调制信号、例如伪随机数序列，也是可以的。
接收器被设计为用于，依据参考导频音信号，来抑制接收到的磁共振信号中的导频音部分。在最简单的情况下，在已知导频音参考信号与接收器接收到的导频音信号之间的相位关系和幅值关系的情况下，可以通过幅值的逆转或者180°的相移和相同的幅值绝对值，通过求和，来使接收到的磁共振信号中的导频音信号部分减小。在所提到的参数变化的情况下，也可以通过优化方法、例如LSR，使该部分最小。在此，例如利用伪随机数序列进行调制，通过自相关，使最佳参数的确定变得容易。
以有利的方式，即使导频音信号和磁共振断层成像设备的频率范围部分重叠，通过磁共振断层成像设备的接收器中的对导频音信号的主动干扰抑制，也可以使导频音信号对成像的干扰最小。
附图说明
结合下面对结合附图详细说明的实施例的描述，上面描述的本发明的特性、特征和优点以及其实现方式，将变得更清楚并且更容易理解。
图1示出了具有根据本发明的导频音设备和导频音接收器的根据本发明的磁共振断层成像设备的示意图；
图2示出了对于根据本发明的导频音设备重要的磁共振断层成像设备的功能模块的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的磁共振断层成像设备1的实施方式的示意图，磁共振断层成像设备1具有导频音设备，导频音设备具有导频音发送器60和导频音接收器70。
磁体单元10具有场磁体11，场磁体11在记录区域中产生静磁场B0，用于对齐样品或患者100的核自旋。记录区域的特征在于极其均匀的静磁场B0，其中，均匀性特别是涉及磁场强度或者量值。记录区域几乎是球形的，并且布置在患者隧道16中，患者隧道16沿着纵向方向2延伸通过磁体单元10。移动单元36使患者床30在患者隧道16中可移动。场磁体11通常是可以提供具有高达3T的磁通密度或者更高的磁场的超导磁体。然而，对于较低的场强，也可以使用永磁体或者具有正常导电的线圈的电磁体。
此外，磁体单元10具有梯度线圈12，梯度线圈12被设计为用于，将磁场B0与可变磁场在三个空间方向上叠加，以对所采集的检查体积中的成像区域进行空间区分。梯度线圈12通常是由正常导电的金属丝构成的线圈，其可以在检查体积中产生彼此正交的场。
磁体单元10还具有身体线圈14，身体线圈14被设计为用于，向检查体积中辐射经由信号导线馈送的高频信号，接收由患者100发出的共振信号，并且经由信号导线输出。
控制单元20向磁体单元10供应用于梯度线圈12和身体线圈14的不同的信号，并且对接收到的信号进行分析。
因此，控制单元20具有梯度控制器21，梯度控制器21被设计为用于经由馈电线向梯度线圈12供应可变电流，可变电流以时间协调的方式在检查体积中提供所希望的梯度场。
此外，控制单元20具有高频单元22，接收单元22被设计为用于，产生具有预先给定的时间走向、幅值和谱功率分布的高频脉冲，用于激励患者100中的核自旋的磁共振。在此，可以实现千瓦范围内的脉冲功率。可以通过身体线圈14，或者也可以通过局部发射天线，将激励脉冲辐射到患者100中。
控制器23通过信号总线25，与梯度控制器21和高频单元22通信。
局部线圈50布置在患者100上，局部线圈50通过连接线路33与高频单元22和其接收器连接。
高频单元22具有导频音发送器60。导频音发送器60与局部线圈50信号连接，局部线圈50具有用于发出导频音信号的发送天线。但是也可以想到，在患者隧道16中或者在患者100上布置用于导频音信号的单独的发送天线。同样也可以想到，将导频音发送器60布置在局部线圈50中。
高频单元22具有导频音接收器70。导频音接收器70与局部线圈50信号连接，局部线圈50具有用于接收导频音信号的接收天线。但是也可以想到，在患者隧道16中或者在患者100上布置用于导频音信号的单独的接收天线。但是导频音接收器70为此也可以使用局部线圈的如下一个或多个天线线圈，该一个或多个天线线圈被设置为用于，至少当导频音信号和磁共振信号处于相同的ISM频带中时，接收磁共振信号。在此，也可以想到，导频音接收器70与用于磁共振信号的接收器相同，并且仅对天线线圈的信号应用滤波器或者算法形式的一些附加的处理步骤，来提取导频音信号。但是，原则上也可以想到，将导频音接收器70布置在局部线圈50中。
图2示意性地示出了借助导频音采集生理参数所需的功能单元，下面根据这些功能单元，来说明本发明的工作方式。在此，一方面可能涉及在图1中的根据本发明的磁共振断层成像设备(1)中示出的导频音设备，但是同样可以想到，在没有磁共振断层成像设备的情况下，独立地例如在患者床中或者作为便携式单元，实现在图2中示出的示例性的导频音设备。
导频音发送器60产生导频音信号，随后通过感应回路61将导频音信号辐射到患者中。为此，导频音发送器60首先具有振荡器62，其产生具有适当的频率的高频信号。在此，在一个实施方式中，作为医学图像采集装置的磁共振断层成像设备1中的频率，优选接近磁共振断层成像设备1在进行成像时使用的拉莫尔频率的频率范围，或者处于该频率范围内。代替导频音发送器60中的振荡器62，特别是在磁共振断层成像设备1中，可以由高频单元22馈送高频信号，或者根据导频音发送器中的馈送的信号产生高频信号，以便特别是相对于磁共振信号，确保足够高的频率稳定性，并且使与图像采集的相互作用最小。
但是在另一个实施方式中，也可以想到，导频音发送器60使用与磁共振信号的频率所在的ISM频带不同的不相交的ISM频带中的频率。
也可以与磁共振断层成像设备1无关地，利用单独的部件，例如在患者床100中或者在可移动的监视设备中，实施根据本发明的具有导频音发送器60和导频音接收器70的导频音设备。在此，使用ISM频带中的导频音信号是特别有利的，因为即使在传统的具有高频屏蔽舱的磁共振断层成像设备1中，处于运送床上的患者也可能离开运送床，于是导频音设备在屏蔽舱外部必须遵守更严格的发射规范。
导频音发送器60还具有调制器63，以便将调制信号，例如由调制器63产生的代码，调制到高频信号上。在此，原则上，使得能够唯一地标记导频音信号的任意代码都是合适的。此外，有利的是，代码具有相位信息，从而在下面说明的接收器中可以识别出相移，并且可以区分导频音信号的不同的传播路径。此外，在磁共振断层成像设备1中有利的是，代码产生尽可能统计上的信号的频谱分布，以防止由于k空间中的各个干扰峰而产生图像伪影。产生这种代码的一种可能的方式例如是调制器63中的伪随机序列发生器。但是原则上也可以想到利用例如具有几千赫兹的频率的正弦信号的简单的调制。
调制器63将代码或者调制信号施加到高频信号上。在此，例如可以应用诸如幅值调制、频率调制、相位调制的调制方法，或者诸如正交幅值调制(Quadratur-Amplituden-Modulation)的更复杂的方法。也可以想到扩频调制(Spread-Spektrum-Modulation)。
通过感应线圈61发出的导频音信号随后在患者隧道16中传播，并且以不同的方式，部分通过患者，并且部分直接到达天线线圈51。由于在时间上随着生理参数而改变的吸收和相移，以及由于随之改变的由以不同的传播路径到达的导频音信号的波产生的干涉，在天线线圈71中感应出幅值和/或相位随着生理参数改变的电流。如果天线线圈71是多个天线线圈中的一个，例如是具有天线矩阵的局部线圈50，那么此外也可以采集和评估分布在空间上的多个位置的幅值和/或相位。
将天线线圈71的信号馈送至导频音接收器70，导频音接收器70通常首先对信号进行放大和预处理，例如应用带通滤波器。随后，与所使用的调制类型互补地进行解调。此外，与在导频音发送器60中应用的编码对应地进行解码。对于利用伪随机序列进行的编码，进行相应的自相关，利用自相关来选择导频音信号，并且也可以确定关于相位的信息。因此，通过将接收到的信号与伪随机序列的模(Template)标量相乘，在相位正确的情况下，将导频音信号分离。
当在k空间中通过频率和/或相位进行编码时，导频音接收器例如可以依据轨迹或者脉冲串，从控制器23得到关于导频音发送器使用的频率和/或相位的信息，并且利用滤波器在k空间中选择相应的信号。结合伪随机序列，也可以想到k空间中的自相关，来选择导频音信号。
当在时间上对导频音信号进行编码时，又可以想到，当期望磁共振信号时，导频音接收器70依据控制器23的信号，与脉冲串同步地抑制输入信号。
最后，导频音接收器70针对生理参数，对与MR信号分离的导频音信号进行评估。在此，可以应用与频率有关以及与时间有关的滤波器，和/或可以与预先确定的类似的生理过程的测量曲线进行匹配(拟合(Fitting))，以从导频音信号中提取生理参数。例如，在通过胸带同时测量呼吸，或者在同时记录EKG时同时测量心跳时，可以记录导频音的不同的时间上的走向，以便然后稍后还例如在使用人工智能算法的情况下，根据导频音信号，来确定生理参数，例如相对于呼吸周期或者心跳的时间点。
为此，可以作为单独的单元，或者作为图像采集装置的一部分，来实施导频音接收器70。特别是在具有高频单元22的天线和接收器以及磁共振信号的频率范围内的导频音信号的磁共振断层成像设备1中，可以将已有的用于MR信号的接收器，也用于导频音。在此，在进行数字信号处理的情况下，也可以想到，作为软件，在信号处理器或者FPGA上，实现前面描述的滤波器以及自相关和解码器算法。也可以想到，使得在图像评估或者控制器23中实施用于确定生理参数的算法。
在根据本发明的导频音设备的一个实施方案中，也可以想到，导频音接收器70对接收到的导频音的质量进行评估。例如，导频音接收器70可以具有用于确定信噪比(SNR)的检测器，或者也可以仅具有用于导频音信号的水平测量仪。导频音接收器被设计为用于，通过信号连接，将关于如此确定的导频音的质量的信息，传输至导频音发送器60。
也可以想到，控制器23获得该信息，进行评估，并且与评估的结果对应地，通过信号连接，向导频音发送器60转发控制信号。导频音发送器60例如具有高频输出级，高频输出级具有控制输入端，在控制输入端上，来自控制器23的更强的水平信号或者相应的控制信号使辐射的高频功率减小。因此，使辐射的高频功率减小到所需要的最小值，或者例如在SNR的情况下，当接收质量太差时，也可以使得功率提高。
当然也可以想到其它简单或者复杂的模拟和/或数字的调节电路，在这些调节电路中，通过由导频音接收器70对接收到的导频音的评估，来影响导频音发送器60中的导频音的发出。特别是，可以设计为在控制器23中进行这种复杂的评估并且实现调节电路。
虽然在细节上通过优选实施例详细说明和描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于采集生理数据的导频音设备，其中，所述导频音设备具有导频音发送器(60)，所述导频音发送器被设计为用于，在ISM频带中发送导频音，
其中，所述导频音设备具有用于接收导频音的接收器(70)，并且所述导频音发送器(60)被设计为用于，依据导频音的频率上的干扰水平，来调节导频音的发送功率。
2.根据权利要求1所述的导频音设备，其中，所述导频音发送器(60)具有调制器(63)，所述调制器被设计为用于，利用相关模式对导频音进行调制，并且所述导频音设备还具有接收器(70)，所述接收器具有相关器，所述相关器被设计为用于，借助调制，对接收到的导频音信号进行滤波。
3.一种磁共振断层成像设备，其具有根据权利要求1或2所述的导频音设备，其中，所述磁共振断层成像设备(1)被设计为用于，使用ISM频带中的磁共振信号来进行成像。
4.根据权利要求3所述的磁共振断层成像设备，其中，所述导频音发送器(60)和所述磁共振断层成像设备(1)被设计为用于，在相应的不同的ISM频带中，产生导频音和磁共振信号。
5.根据权利要求3所述的磁共振断层成像设备，其中，所述导频音发送器(60)和所述磁共振断层成像设备(1)被设计为用于，在相同的ISM频带中，产生导频音和磁共振信号，其中，导频音信号处于磁共振信号的带宽外部。
6.根据权利要求5所述的磁共振断层成像设备，其中，所述磁共振断层成像设备(1)具有用于磁共振信号的接收器(70)，其中，所述接收器(70)与所述导频音发送器(60)信号连接，并且被设计为用于，通过信号连接，从所述导频音发送器(60)获得参考导频音信号，并且所述接收器(70)被设计为用于，依据所述参考导频音信号，来抑制接收到的磁共振信号中的导频音部分。
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