DE10148442A1

DE10148442A1 - Übertragungsverfahren für ein Magnetresonanzsignal und hiermit korrespondierende Einrichtungen

Info

Publication number: DE10148442A1
Application number: DE10148442A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2021-10-02
Also published as: US6822445B2; US20030062895A1; DE10148442C2

Abstract

Ein Magnetresonanzsignal wird einem Analog-Digital-Wandler (9) zugeführt und von diesem digitalisiert. Zuvor wird das Magnetresonanzsignal komprimiert, so dass große Signalwerte überproportional reduziert werden. Nach dem Digitalisieren durch den Analog-Digital-Wandler (9) wird das Magnetresonanzsignal expandiert, so dass große Signalwerte überproportional verstärkt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Übertragungsverfahren für ein Magnetresonanzsignal, wobei das Magnetresonanzsignal einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und von diesem digitalisiert wird. Sie betrifft ferner eine korrespondierende Spulenanordnung zu Erfassen des Magnetresonanzsignals, eine korrespondierende Erfassungsschaltung zum Digitalisieren des Magnetresonanzsignals sowie eine Magnetresonanzsignalübertragungseinrichtung.
Magnetresonanzsignale weisen einen hohen Signaldynamikbereich auf, der teilweise über 90 dB liegt. Um derartige Signale ohne merkliche Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses verarbeiten zu können, müssen die Komponenten, mittels derer das Signal verarbeitet wird, einen noch größeren Dynamikbereich verarbeiten können. Dies erfordert in der Regel eine hochlineare Signalverarbeitungselektronik mit relativ großem Leistungsbedarf sowie üblicherweise die Verwendung von Zwei- Bereichs-Analog-Digital-Wandlern. Derartige Komponenten, die teilweise sogar Spezialkomponenten sind, sind vergleichsweise teuer.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Übertragungsverfahren und hiermit korrespondierende Einrichtungen zu schaffen, mittels derer zur Signalübertragung kostengünstigere Komponenten verwendbar sind.

Die Aufgabe wird für das Übertragungsverfahren dadurch gelöst, dass das Magnetresonanzsignal vor dem Zuführen zum Analog-Digital-Wandler komprimiert wird, so dass große Signalwerte überproportional reduziert werden, und das Magnetresonanzsignal nach dem Digitalisieren durch den Analog-Digital- Wandler expandiert wird, so dass große Signalwerte überproportional verstärkt werden.

Hiermit korrespondierend wird die Aufgabe für die Spulenanordnung dadurch gelöst, dass zwischen einer Spule zum Erfassen des Magnetresonanzsignals und einem Einkoppelelement zum Einkoppeln des Magnetresonanzsignals in eine Übertragungsstrecke ein Kompressor angeordnet ist, mittels dessen große Signalwerte überproportional reduzierbar sind.

Für die Erfassungsschaltung wiederum wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass dem Digital-Analog-Wandler ein Expander nachgeordnet ist, mittels dessen große Signalwerte überproportional verstärkbar sind.

Eine erfindungsgemäße Magnetresonanzsignalübertragungseinrichtung besteht dann aus einer Spule zum Erfassen eines Magnetresonanzsignals, einem der Spule nachgeordneten Kompressor zum überproportionalen Reduzieren großer Signalwerte, einem dem Kompressor nachgeordneten Analog-Digital-Wandler und einem dem Analog-Digital-Wandler nachgeordneten Expander zum überproportionalen Verstärken großer Signalwerte.

Die erfindungsgemäße Lösung führt dazu, dass eine hohe Empfindlichkeit für Kleinsignale auf Kosten einer etwas schlechteren Amplitudenauflösung für große Signale erreicht wird. Magnetresonanzsignale sind aber während des größten Teils des Empfangszeitraums sowieso sehr klein. Das kurzzeitige große Signalmaximum dauert nur kurz an. In diesem Bereich ist eine verringerte Auflösung auch hinnehmbar.

Aufgrund der reduzierten Dynamikanforderungen ist es bei der vorliegenden Erfindung möglich, das komprimierte Magnetresonanzsignal dem Analog-Digital-Wandler optisch zuzuführen, z. B. über einen Lichtwellenleiter. Ebenso ist es auch möglich, das komprimierte Magnetresonanzsignal dem Analog-Digital- Wandler leitungslos zuzuführen. Insbesondere eine Funkverbindung kommt hierfür in Frage.

Als optimal hat sich erwiesen, wenn das Magnetresonanzsignal in etwa gemäß einer Linear-Logarithmuskennlinie komprimiert wird. Aber auch wenn das Magnetresonanzsignal in etwa gemäß einer Potenzkennlinie mit einem Potenzfaktor komprimiert wird, führt dies zu akzeptablen Ergebnissen. Wenn insbesondere der Potenzfaktor zwischen 0,2 und 0,5 liegt, insbesondere zwischen 0,3 und 0,35, z. B. bei einem Drittel, ergibt sich mittels der Potenzkennlinie eine fast so gute Komprimierung wie mittels der Linear-Logarithmuskennlinie.

Wenn das Expandieren mittels einer Lookup-Table erfolgt, ist die Expansionsfunktion auf einfache Weise an die Gegebenheiten des Systems anpassbar.

Wenn zum Ermitteln einer Expansionsfunktion des Expanders dem Kompressor eine Vielzahl von Schwingungen zugeführt wird, die eine einheitliche Schwingungsfrequenz, aber verschiedene Schwingungsamplituden aufweisen, korrespondierende Ausgangsamplituden des Analog-Digital-Wandlers erfasst werden und anhand der Schwingungsamplituden und der Ausgangsamplituden die Expansionsfunktion ermittelt wird, ist die Expansionsfunktion des Expanders besonders zuverlässig ermittelbar.

Im einfachsten Fall ist das expandierte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal.

Das Magnetresonanzsignal wird nach dem Expandieren bandgefiltert. Wenn das über die Übertragungsstrecke übertragene Signal bandbegrenzt ist, ist es besser, wenn das bandgefilterte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung Fig. 1 bis 3 je eine Magnetresonanzsignalübertragungseinrichtung und
Fig. 4 eine Vorgehensweise zur Ermittlung einer Expansionsfunktion eines Expanders.
Gemäß Fig. 1 weist eine Spulenanordnung 1 eine Spule 2 auf. Mittels der Spule 2 ist ein Magnetresonanzsignal erfassbar. Das von der Spule 2 erfasste Magnetresonanzsignal wird über einen Koppelkondensator 3 an einen Kompressor 4 weitergegeben. Im Kompressor 4 wird das Magnetresonanzsignal komprimiert, und zwar derart, dass große Signalwerte überproportional reduziert werden.
Gemäß Fig. 1 weist der Kompressor 4 in etwa eine linear-logarithmische Kennlinie auf. Solange also das Eingangssignal des Kompressors 4 betragsmäßig unterhalb eines Grenzwerts liegt, ist das Ausgangssignal in etwa linear vom Eingangssignal abhängig. Wenn hingegen das Eingangssignal betragsmäßig größer als der Grenzwert ist, erfolgt eine in etwa logarithmische. Abschwächung. Der Grenzwert ist dabei dadurch bestimmt, dass die Logarithmuskennlinie beim Grenzwert die gleiche Steigung aufweist wie der Linearteil der Kennlinie.
Das Ausgangssignal des Kompressors 4 wird an ein Einkoppelelement 5 weitergegeben. Mittels des Einkoppelelements 5 wird das Ausgangssignal des Kompressors 4 in eine Übertragungsstrecke 6 eingekoppelt. Gemäß Fig. 1 ist die Übertragungsstrecke 6 als Lichtwellenleiter ausgebildet. Das Einkoppelelement 5 ist somit als Sendeelement für ein optisches Signal ausgebildet. Typischerweise ist das Einkoppelelement 5 eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode.
Das komprimierte Magnetresonanzsignal wird über die Übertragungsstrecke 6 optisch zu einer Erfassungsschaltung 7 übertragen. Dort wird es über ein Auskoppelelement 8 aus der Übertragungsstrecke 6 ausgekoppelt. Das Auskoppelelement 8 muss selbstverständlich aufgrund der optischen Übertragung als Empfangselement für ein optisches Signal ausgebildet sein. Als Ausführungsformen für das Auskoppelelement 8 kommen insbesondere eine Photodiode und ein Phototransistor in Frage.
Das ausgekoppelte komprimierte Magnetresonanzsignal wird einem Analog-Digital-Wandler 9 zugeführt und von diesem digitalisiert. Das digitalisierte Magnetresonanzsignal wird einem Expander 10 zugeführt. Dort werden große Signalwerte überproportional verstärkt. Der Expander 10 ist vorzugsweise als sogenannte Lookup-Table realisiert. Dem Expander 10 ist ein digitales Bandfilter 11 nachgeordnet. Das Magnetresonanzsignal wird also nach dem Expandieren bandgefiltert.
Aufgrund der Kompression des analogen Magnetresonanzsignals und der Expansion des digitalisierten Magnetresonanzsignals ist es möglich, dass der Analog-Digital-Wandler 9 einen kleineren Dynamikbereich aufweist als ohne Kompression und Expansion, z. B. nur 12 Bit gegenüber 16 Bit.
Im einfachsten Fall, der in Fig. 1 dargestellt ist, realisiert der Expander 10 eine Expansionsfunktion, welche die Umkehrfunktion der Kompressorkennlinie darstellt. In diesem Fall ist das expandierte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal.
Die Darstellung in Fig. 2 korrespondiert im wesentlichen mit der von Fig. 1. Sie weist aber drei Unterschiede auf.
Zum einen wird das Magnetresonanzsignal im Kompressor 4 nicht mit einer Linear-Logarithmuskennlinie komprimiert, sondern in etwa gemäß einer Potenzkennlinie mit einem Potenzfaktor. Der Potenzfaktor liegt typischerweise zwischen 0,2 und 0,5, insbesondere zwischen 0,3 und 0,35. Gemäß Fig. 2 liegt er bei einem Drittel. Der Kompressor 4 gemäß Fig. 2 realisiert also einen Kennlinie in etwa gemäß der Kubikwurzel des Eingangssignals.
Ferner ist die Übertragungsstrecke 6 gemäß Fig. 2 als Funkstrecke ausgebildet. Die Koppelelemente 5, 8 sind also als Sende- bzw. Empfangselemente für ein nichtleitungsgebundenes Signal ausgebildet. Das Magnetresonanzsignal wird somit zwischen den Koppelelementen 5, 8 leitungslos übertragen.
Schließlich ist die Übertragungsstrecke 6 bandbegrenzt. In diesem Fall ist nicht bereits das expandierte, sondern erst das bandgefilterte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal.
Die drei unterschiedlichen Eigenschaften - Kennlinie des Kompressors 4, Ausbildung der Übertragungsstrecke 6 und Bandbegrenzung der Übertragungsstrecke 6 - sind völlig unabhängig voneinander. Es sind also beliebige Kombinationen der in Fig. 1 und der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsformen möglich. Ferner sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Darstellungen gemäß den Fig. 1 und 2 vereinfacht sind. Beispielsweise sind Verstärkerelemente, welche lediglich eine lineare Verstärkung bewirken, nicht mit dargestellt.
Fig. 3 zeigt nun eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Gemäß Fig. 3 wird das analoge Magnetresonanzsignal unkomprimiert über die Übertragungsstrecke 6 von der Spule 2 zur Erfassungsschaltung 7 übertragen. Der Kompressor 4 ist in diesem Fall Bestandteil der Erfassungsschaltung 7.
Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 3 ist die Übertragungsstrecke 6 vorzugsweise als Koaxialkabel ausgebildet. Eine Ausbildung als optische Übertragungsstrecke 6 oder als Funkstrecke ist zwar möglich. In diesem Fall muss aber ein reduzierter Dynamikbereich in Kauf genommen werden.
Wenn die Übertragungsstrecke 6 nicht bandbegrenzt ist, entspricht die Expansionsfunktion des Expanders 10 einfach der Umkehrfunktion des Kompressors 4. Wenn hingegen die Übertragungsstrecke 6 bandbegrenzt ist, ist die Expansionsfunktion nicht so einfach ermittelbar. In diesem Fall ist vor dem Kompressor 4 und nach dem Analog-Digital-Wandler 9 gemäß Fig. 4 je ein Schalter 12, 13 vorgesehen. Die Schalter 12, 13 sind von einer Ansteuereinheit 14 ansteuerbar. Bei entsprechender Ansteuerung der Schalter 12, 13 ist einerseits ein Frequenzgenerator 15 mit dem Schalter 12 verbunden, anderseits wird das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 9 der Ansteuereinheit 14 zugeführt.
Der Frequenzgenerator 15 erzeugt eine Schwingung mit einer Kreisfrequenz ω. Die Kreisfrequenz ω entspricht dabei der Grundfrequenz des zu erfassenden Magnetresonanzsignals. Dem Frequenzgenerator 15 werden von der Ansteuereinheit 14 nunmehr nacheinander verschiedene Schwingungsamplituden A_i vorgegeben. Der Frequenzgenerator 15 erzeugt daraufhin eine Schwingung mit der Schwingungsfrequenz ω und der Schwingungsamplitude A_i. Am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 9 steht daraufhin eine korrespondierende Ausgangsamplitude A_i' an, die der Ansteuereinheit 14 zugeführt und von dieser erfasst wird. Anhand der Gesamtheit der Schwingungsamplituden A_i und der Ausgangsamplituden A_i' ist die Ansteuereinheit 14 somit in der Lage, die Expansionsfunktion des Expanders 10 zu ermitteln. Die Expansionsfunktion wird dann von der Ansteuereinheit 14 im Expander 10 hinterlegt.
Mittels des erfindungsgemäßen Übertragungsverfahrens und der entsprechenden Einrichtungen hierzu ist eine erhebliche Kostenreduzierung bei der Realisierung einer Magnetresonanzanlage erzielbar.

Claims

1. Übertragungsverfahren für ein Magnetresonanzsignal, wobei das Magnetresonanzsignal einem Analog-Digital-Wandler (9) zugeführt und von diesem digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetresonanzsignal vor dem Zuführen zum Analog-Digital-Wandler (9) komprimiert wird, so dass große Signalwerte überproportional reduziert werden, und dass das Magnetresonanzsignal nach dem Digitalisieren durch den Analog-Digital- Wandler (9) expandiert wird, so dass große Signalwerte überproportional verstärkt werden.

2. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Magnetresonanzsignal dem Analog-Digital-Wandler (9) optisch zugeführt wird.

3. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Magnetresonanzsignal dem Analog-Digital-Wandler (9) leitungslos zugeführt wird.

4. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetresonanzsignal in etwa gemäß einer Linear- Logarithmuskennlinie komprimiert wird.

5. Übertragungsverfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetresonanzsignal in etwa gemäß einer Potenzkennlinie mit einem Potenzfaktor komprimiert wird.

6. Übertragungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Potenzfaktor zwischen 0,2 und 0,5 liegt, insbesondere zwischen 0,3 und 0,35, z. B. bei einem Drittel.

7. Übertragungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expandieren mittels einer Lookup-Table (10) erfolgt.

8. Übertragungsverfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ermitteln einer Expansionsfunktion des Expanders (10) dem Kompressor (4) eine Vielzahl von Schwingungen zugeführt wird, die eine einheitliche Schwingungsfrequenz (ω), aber verschiedene Schwingungsamplituden (A_i) aufweisen, dass korrespondierende Ausgangsamplituden (A_i') des Analog-Digital-Wandlers (9) erfasst werden und dass anhand der Schwingungsamplituden (A_i) und der Ausgangsamplituden (A_i') die Expansionsfunktion ermittelt wird.

9. Übertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal ist.

10. Übertragungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetresonanzsignal nach dem Expandieren bandgefiltert wird und dass das bandgefilterte Magnetresonanzsignal proportional zum unkomprimierten Magnetresonanzsignal ist.

11. Spulenanordnung mit einer Spule (2) zum Erfassen eines Magnetresonanzsignals, einem der Spule (2) nachgeordneten Kompressor (4) zum überproportionalen Reduzieren großer Signalwerte und einem dem Kompressor (4) nachgeordneten Einkoppelelement (5) zum Einkoppeln des komprimierten Magnetresonanzsignals in eine Übertragungsstrecke (6).

12. Spulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (5) als Sendeelement für ein optisches Signal ausgebildet ist.

13. Spulenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (5) als Sendeelement für ein nicht leitungsgebundenes Signal ausgebildet ist.

14. Spulenanordnung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (4) in etwa eine Linear-Logarithmuskennlinie aufweist.

15. Spulenanordnung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (4) in etwa eine Potenzkennlinie mit einem Potenzfaktor aufweist.

16. Spulenanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Potenzfaktor zwischen 0,2 und 0,5 liegt, insbesondere zwischen 0,3 und 0,35, z. B. bei einem Drittel.

17. Erfassungsschaltung zum Erfassen eines Magnetresonanzsignals, mit einem Analog-Digital-Wandler (9) und einem dem Analog-Digital-Wandler (9) nachgeordneten Expander (10) zum überproportionalen Verstärken großer Signalwerte.

18. Erfassungsschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Analog-Digital-Wandler (9) ein Kompressor (4) zum überproportionalen Reduzieren großer Signalwerte vorgeordnet ist.

19. Erfassungsschaltung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass dem Analog-Digital-Wandler (9) ein Auskoppelelement (8) zum Auskoppeln des Magnetresonanzsignals aus einer Übertragungsstrecke (6) vorgeordnet ist.

20. Erfassungsschaltung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement (8) als Empfangselement für ein optisches Signal ausgebildet ist.

21. Erfassungsschaltung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Auskoppelelement (8) als Empfangselement für ein nicht leitungsgebundenes Signal ausgebildet ist.

22. Erfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (10) als Lookup-Table ausgebildet ist.

23. Erfassungsschaltung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass dem Expander (10) ein Bandfilter (11) nachgeordnet ist.

24. Magnetresonanzsignalübertragungseinrichtung, bestehend aus einer Spule (2) zum Erfassen eines Magnetresonanzsignals, einem der Spule (2) nachgeordneten Kompressor (4) zum überproportionalen Reduzieren großer Signalwerte, einem dem Kompressor (4) nachgeordneten Analog-Digital-Wandler (9) und einem dem Analog-Digital-Wandler (9) nachgeordneten Expander (10) zum überproportionalen Verstärken großer Signalwerte.