DE102007001299A1

DE102007001299A1 - Anordnung zur Signalumwandlung

Info

Publication number: DE102007001299A1
Application number: DE102007001299A
Authority: DE
Inventors: Jan Bollenbeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-07-17
Also published as: US20080164879A1; US7583084B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandluangsspule (ES) eines Magnetresonanzgeräts in ein digitales Signal (DS). Ein Ausgang der Empfangsspule (ES) ist mit einem rauscharmen Verstärker derart verbunden, dass das analoge Empfangssignal (ESA) von der Empfangsspule (ES) zum Verstärker (VER) gelangt. Der Verstärker (VER) ist ausgangsseitig mit einer Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung derart verbunden, dass das analoge Empfangssignal (ESA) als verstärktes Empfangssignal zur A/D-Wandlung an die Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung gelangt. Die Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung ist als Delta-Sigma-Modulator (DSM) ausgestaltet, der aus dem verstärkten Empfangssignal (ESV) einen digitalen Datenstrom (DS) mit einer Breite von einem Bit bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Umwandlung eines analogen Empfangssignals einer Empfangsspule eines Magnetresonanzgeräts in ein digitales Signal gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus WO 2006/048816 ist bekannt, eine Umwandlung von analogen Empfangssignalen einer Empfangsspule einer Magnetresonanzanlage in einen digitalen Datenstrom direkt an der Empfangsspule vorzunehmen. Dabei wird ein Analog-Digital-Wandler verwendet, der räumlich innerhalb eines Empfangsbereichs der Empfangsspule angeordnet ist. Damit werden raumeinnehmende und teure Koaxialkabel eingespart. Aktive Empfangselemente werden in der digitalen Ebene ausgewählt, so dass vorteilhaft analoge Umschaltelektronik entfallen kann. Aufgrund der Größe der zu verarbeitenden Signaldynamik von mehr als 150 dB/Hz werden am Eingang des Analog-Digital-Wandlers zusätzliche Stufen mit steuerbarer Verstärkung angeordnet.
Ein Nachteil ist jedoch, dass entstehende Verlustwärme der Elemente ebenfalls innerhalb des Empfangsbereichs zur Wirkung kommt und ein zu untersuchender Patient damit zusätzlich belastet wird. Ein weiterer Nachteil ist, dass verwendete Analog-Digital-Wandler und deren Beschaltung aufgrund der, durch die digitale Signalverarbeitung entstehenden steilen Signalflanken, Störenergie emittieren, die Artefakte in einem Untersuchungsergebnis erzeugen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zur Umwandlung eines analogen Empfangssignals einer Empfangsspule eines Magnetresonanzgeräts in ein digitales Signal anzugeben, die eine verringerte Verlustwärme im Empfangsbereich gewährleistet und mit der durch digitale Schaltflanken verursachte Störungen reduziert werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine Empfangsspule ausgangsseitig mit einem rauscharmen Verstärker verbunden, so dass ein analoges Empfangs- bzw. Ausgangssignal der Empfangsspule zum Verstärker gelangt. Der Verstärker ist ausgangsseitig mit einem Delta-Sigma-Modulator verbunden, so dass das verstärkte analoge Empfangssignal durch den Modulator in einen digitalen Datenstrom umgewandelt wird.
Durch verwendete hohe Abtastraten des Delta-Sigma-Modulators wird entstehende Störleistung über einen breiten Frequenzbereich "verschmiert" und damit Artefakte im Untersuchungsergebnis reduziert.
Der verwendete Delta-Sigma-Modulator ist im Vergleich zu anderen Wandlertypen sehr leistungseffizient und erzeugt damit eine äußerst geringe Verlustwärme bzw. Verlustleistung.
Der Delta-Sigma-Modulator ist vorteilhafterweise im Spulengehäuse der Empfangsspule angeordnet. Durch diese Anordnung ist es möglich, einen 1 bit-breiten Datenstrom zu bilden und diesen über eine Verbindung, die vorteilhafterweise als Lichtwellenleiter ausgebildet sein kann, zu einem räumlich entfernten Dezimationsfilter zu übertragen. Der Dezimationsfilter kann beispielsweise innerhalb einer "Digital-Signal-Prozessing-Unit" (oder kurz DSP-Einheit) angeordnet sein. Bei der rechenintensiven Datendezimation entsteht Verlustleistung in Form von Wärme. Durch die räumliche Trennung der Analog-Digital-Wandlung einerseits und der Dezimation andererseits wird eine Patientenbeeinflussung durch die Verlustleistung vermieden. Dies ist insbesondere bei Untersuchungen mit einer großen Anzahl bzw. großen Dichte von Empfangselementen wünschenswert.
Die erfindungsgemäße räumliche Trennung von Delta-Sigma-Modulator und Daten-Dezimationsfilter erfolgt an einer Schnittstelle, an der intrinsisch eine 1-bit Datenbreite vorliegt. Damit wird eine zur Datenübertragung bislang benötigte Parallel-Seriell-Wandlung im Spulengehäuse vermieden, die bei Verwendung eines konventionellen Analog-Digital-Wandlers bislang nötig war. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden sowohl elektrische Komponenten als auch Verlustleistung eingespart.
Durch eine vorteilhafte zeitliche Verschachtelung mehrerer Datenströme zu einem resultierenden Summendatenstrom werden zusätzlich Bauteile eingespart.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes erstes Ausgestaltungsbeispiel,
2 ein erfindungsgemäßes zweites Ausgestaltungsbeispiel,
3 einen beispielhaften Bandpass-Delta-Sigma-Modulator zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung,
4 eine beispielhafte Kombination mit Frequenzmischer und Tiefpass-Delta-Sigma Modulator zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung, und
5 eine beispielhafte Kombination mit Frequenzmischer und Tiefpass-Delta-Sigma Modulator als Teil einer Quadratur-Mischer Architektur zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
1 zeigt ein erstes Ausgestaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Empfangssignal-Anordnung ESA, die einen Anschluss einer Empfangsspule ES, einen rauscharmen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung VER und einen Delta-Sigma-Modulator DSM aufweist.
Die Empfangsspule ES ist ausgangsseitig in einer bevorzugten Ausgestaltung über eine symmetrische Leitung L mit dem rauscharmen Verstärker VER verbunden. Dadurch gelangt ein analoges Empfangssignal ESA der Empfangsspule ES an den Verstärker VER. Dieser bildet aus dem analogen Empfangssignal ESA ein verstärktes analoges Empfangssignal ESV.
Der Verstärker VER ist ausgangsseitig mit dem Delta-Sigma-Modulator DSM verbunden, dem damit das verstärkte analoge Empfangssignal ESV eingangsseitig angeschaltet ist. Der Delta-Sigma-Modulator DSM bildet aus dem verstärkten analogen Empfangssignal ESV einen digitalen Datenstrom DS mit einer Breite von einem Bit.
Der Datenstrom DS wird in einer vorteilhaften Weiterbildung einer Umwandlungseinrichtung WE zugeführt, die hier beispielsweise als elektrisch-optischer-Wandler ausgestaltet ist. Dieser Wandler WE bildet für eine Fernübertragung aus dem digitalen Datenstrom DS ein optisches Signal, das über eine Leitung LT, die hier beispielhaft als Lichtwellenleiter LWL ausgestaltet ist, übertragen wird.
Beispielsweise erfolgt die Übertragung des umgewandelten Datenstrom DS zu einer hier nicht dargestellten DSP-Einheit zur weiteren Verarbeitung, z. B. zur Rückumwandlung in einen elektrischen, digitalen Datenstrom und anschließenden Daten Dezimation.
Die Dezimation könnte mit Hilfe eines Dezimationsfilters in räumlicher Entfernung zur Empfangssignal-Anordnung ESA durchgeführt werden, um entstehende Verlustleistung bzw. Verlustwärme vom Patienten fernzuhalten.
In einer alternativen Ausgestaltung dazu ist es auch möglich, das Dezimationsfilter aufzuteilen und nur einen Teil davon in räumlicher Entfernung zur Empfangssignal-Anordnung ESA anzuordnen.
Der Delta-Sigma-Modulator DSM wird über ein Signal CLK getaktet.
In einer alternativen Ausgestaltung (hier nicht dargestellt) ist auch eine Umwandlung des Datenstroms DS durch die Wandeleinrichtung WE in ein Funksignal möglich. Dann wird anstelle der leitungsgebundenen Übertragung über den beispielhaften Lichtwellenleiter LWL eine Funksignalübertragung durchgeführt.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes zweites Ausgestaltungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit insgesamt n parallelen Empfangssignal-Anordnungen ESA1 bis ESAn.
Jede der n Empfangssignal-Anordnungen ESA1 bis ESAn ist wie in 1 beschrieben ausgestaltet.
Eine erste Empfangssignal-Anordnung ESA1 bildet einen ersten Datenstrom DS1, der an einen Eingang einer Interleaving-Einrichtung INT gelangt.
Eine zweite Empfangssignal-Anordnung ESA2 bildet einen zweiten Datenstrom DS2, der an einen weiteren Eingang der Interleaving-Einrichtung INT gelangt.
Eine n-te Empfangssignal-Anordnung ESAn bildet einen n-ten Datenstrom DSn, der an einen n-ten Eingang der Interleaving-Einrichtung INT gelangt.
Mit Hilfe der Interleaving-Einrichtung INT werden die digitalen n Datenströme DS1 bis DSn zeitlich verschachtelt zu einem Summendatenstrom SDS zusammengefasst, der wieder für eine Fernübertragung vergleichbar zu 1 einer Umwandlungseinrichtung WE zugeführt wird. Die Interleaving-Einrichtung INT läuft synchron zum Signal CLK jedoch mit gegenüber dem Signaltakt CLK n-facher Taktrate.
Durch diese parallelisierte Anordnung ist es möglich, Empfangssignale von n Empfangsspulen zusammenzufassen, um diese dann zu übertragen.
Bevorzugt sind die n Empfangssignal-Anordnungen ESA1 bis ESAn gemeinsam mit der Interleaving-Einrichtung INT und der Umwandlungseinrichtung WE in einem gemeinsamen Gehäuse integriert.
Nach erfolgter Fernübertragung, beispielsweise über einen Lichtwellenleiter LWL, wird der Summendatenstrom wieder in einzelne Datenströme aufgeteilt bzw. "de-interleaved", um die Dezimation der einzelnen Datenströme getrennt voneinander durchführen zu können.
3 zeigt einen beispielhaften Bandpass-Delta-Sigma-Modulator BP-DSM zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
Dieser ist derart ausgebildet, dass ein nutzbarer Dynamikbereich des Delta-Sigma-Wandlers auf einer vorgegebenen Mittenfrequenz +/– einer ebenfalls vorgegebenen Bandbreite maximal wird.
Die Noise-Shape-Funktion des Delta-Sigma-Wandlers bildet dann in diesem Frequenzbereich einen Bereich mit niedrigem Rauschflur.
Der Delta-Sigma-Wandler kann dann das ihm zugeführte, verstärkte Empfangssignal ESV direkt aus dem Empfangsfrequenzbereich umsetzen.
Eine Dimensionierung des Delta-Sigma-Wandlers BP-DSM wird für jeden gewünschten Frequenzbereich des Empfangssignals vorgenommen.
4 zeigt eine Kombination mit Frequenzmischer und Tiefpass Delta-Sigma Modulator zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
Dem Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator TP-DSM sind ein Bandpass BP und ein Mischer M derart vorgeschaltet, dass das verstärk te Empfangssignal ESV über den Bandpass BP und über den Mischer M zum Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator TP-DSM gelangt.
Der Bandpass BP ist als Spiegelfrequenzfilter ausgestaltet, während der Mischer M in vorteilhafter Weise als einfacher Umpoler ausgeführt sein kann und das Eingangssignal auf einen niedrigeren Frequenzbereich umsetzt.
Der verwendete Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator TP-DSM ist im Vergleich zu dem in 3 geschilderten Bandpass-Delta-Sigma-Modulator im Entwurf und in der Fertigung leichter zu realisieren.
Mit Hilfe des Bandpassfilter BP wird ein Einmischen von Rauschleistung aus Nebenempfangsfrequenzbändern verhindert.
Ein Lokaloszillatorsignal für den Mischer M kann durch einen Frequenzteiler T aus dem Taktsignal CLK des Delta-Sigma-Modulators gewonnen werden.
5 zeigt eine beispielhafte, Spiegelfrequenz unterdrückende Mischer-Modulator-Kombination zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die hier geschilderte Anordnung arbeitet nach dem Prinzip eines Quadratur-Mischers. Da dieser Mischertyp Signale im Spiegelfrequenzband unterdrückt, ist im Vergleich zu 4 kein Bandpass als Spiegelfrequenzfilter notwendig.
Das verstärkte Empfangssignal ESV wird in zwei Teilsignale TS1, TS2 in einem Signalteiler TLR aufgeteilt, wobei beide Teilsignale einen gleichen Signalpegel aufweisen.
Ein erstes Teilsignal TS1 wird ohne Phasenverschiebung an einen ersten Mischer M1 übergeben, während ein zweites Teilsignal TS2 mit 90°-Phasenverschiebung an einen zweiten Mischer M2 übergeben wird.
Mit Hilfe der beiden bau- und funktionsgleichen Mischer M1, M2 erfolgt eine Umsetzung der beiden Teilsignale TS1 und TS2 in einen niedrigeren Zwischenfrequenzbereich.
Jedem der beiden Mischer M1, M2 ist jeweils ein Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator TP-DSM nachgeschaltet. Deren Ausgangsignale werden wieder über einen Interleaver INT zu einem Summendatenstrom SDS mit der Breite von einem Bit zusammengefasst.
Jeweilige Taktsignale für die Mischer M1, M2 und für die Tiefpass-Delta-Sigma-Modualtoren TP-DSM werden durch Teiler T1 und T2 aus dem Taktsignal CLK gebildet.
Alternativ zu der im Signalteiler TLR durchgeführten 90° Phasenschiebung können auch die beiden Taktsignale CLK1, CLK2 mit einem Phasenversatz von 90° zueinander beaufschlagt werden.
Der Interleaver INT ist ebenfalls mit dem Taktsignal CLK getaktet.
Die für die Funktion des Quadraturmischers notwendige breitbandige 90° Phasenschiebung der Zwischenfrequenzsignale zueinander und die anschließende Addition der beiden Teilsignale wird nach der Signal-Rückwandlung, dem De-Interleaving und der Datendezimation in der DSP-Einheit durchgeführt.
Da in der Mischeranordnung oder den Delta-Sigma-Modulatoren eventuell vorhandene Phasen- und Amplitudenfehler in der DSP-Einheit kompensiert werden können, wird mit Hilfe dieser Anordnung eine sehr gute Unterdrückung von Siegelfrequenzband-Anteilen erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/048816 [0002]

Claims

Anordnung zur Umwandlung eines analogen Empfangssignals (ESA) einer Empfangsspule (ES) eines Magnetresonanzgeräts in ein digitales Signal (DS), – bei der ein Ausgang der Empfangsspule (ES) mit einem rauscharmen Verstärker (VER) derart verbunden ist, dass das analoge Empfangssignal (ESA) von der Empfangsspule (ES) zum Verstärker (VER) gelangt, – bei dem der Verstärker (VER) ausgangsseitig mit einer Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung derart verbunden ist, dass das analoge Empfangssignal (ESA) als verstärktes Empfangssignal zur A/D-Wandlung an die Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung gelangt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Einrichtung zur Analog-Digital-Wandlung als Delta-Sigma-Modulator (DSM) ausgestaltet ist, der aus dem verstärkten Empfangssignal (ESV) einen digitalen Datenstrom (DS) mit einer Breite von einem Bit bildet.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Delta-Sigma-Modulator (DSM) ausgangsseitig mit einer Umwandlungseinrichtung (WE) verbunden ist, so dass der digitale Datenstrom (DS) an die Umwandlungseinrichtung (WE) gelangt, und – dass die Umwandlungseinrichtung (WE) zur Umwandlung des digitalen Datenstroms (DS) für eine Fernübertragung ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass der Ausgang der Empfangsspule (ES1, ES2, ESn), der Verstärker (VER1, VER2, VERn) und der Delta-Sigma-Modualtor (DSM1, DSM2, DSMn) zu einer Empfangssignal-Anordnung (ESA1, ..., ESAn) zusammengefasst sind, die den digitalen Datenstrom (DS1, ..., DSn) als Ausgangssignal aufweist, – dass insgesamt n Empfangssignal-Anordnungen (ESA1, ..., ESAn) ausgangsseitig mit einer Interleaving-Einrichtung (INT) derart verbunden sind, dass die n Ausgangssignal-Datenströme (DS1, DS2, DSn) der Delta-Sigma-Modualtoren (DSM1, DSM2, DSMn) als Eingangssignale an jeweils zugeordnete Eingänge der Interleaving-Einrichtung (INT) gelangen, so dass die Interleaving-Einrichtung (INT) aus den n Ausgangssignal-Datenströmen (DS1, ..., DSn) einen Summendatenstrom (SDS) bildet.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, – dass die Interleaving-Einrichtung (INT) ausgangsseitig mit einer Umwandlungseinrichtung (WE) verbunden ist, so dass der digitale Summendatenstrom (SDS) an die Umwandlungseinrichtung (WE) gelangt, und – dass die Umwandlungseinrichtung (WE) zur Umwandlung des digitalen Datenstroms (DS) für eine Fernübertragung ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung (WE) als elektrisch-optischer-Wandler oder als Funkschnittstelle ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung (WE) zur Durchführung der Fernübertragung mit einer Leitung (LT) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (LT) als Lichtwellenleiter (LWL) ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwandlungseinrichtung (WE) über eine Einrichtung zur Fernübertragung (LT, LWL) mit einem Dezimationsfilter verbunden ist, an den der digitale Datenstrom (DS) bzw. Summendatenstrom (SDS) zur Dezimation gelangt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Delta-Sigma-Modulator (DSM) in einem Spulengehäuse der Empfangsspule (ES) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die n Empfangssignal-Anordnungen (ESA1, ESA2, ESAn), die Interleaving-Einrichtung (INT) und die Umwandlungseinrichtung (WE) in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Delta-Sigma-Modulator (DSM) als Bandpass-Delta-Sigma-Modulator (BP-DSM) ausgestaltet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Delta-Sigma-Modulator (DSM) als Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) ein Bandpass (BP) und ein Mischer (M) derart vorgeschaltet sind, dass das verstärkte Empfangssignal (ESV) über den Bandpass (BP) und über den Mischer (M) zum Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpass (BP) als Spiegelfrequenzfilter ausgestaltet ist und dass der Mischer (M) eine Umpolfunktion aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, – dass der Delta-Sigma-Modulator (DSM) einen ersten und einen zweiten Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) aufweist, – dass dem ersten Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) ein erster Mischer (M1) und dem zweiten Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) ein zweiter Mischer (M2) vorgeschaltet ist, – dass ein Signalteiler (TLR) vorgesehen ist, an den das verstärkte Empfangssignal (ESV) eingangsseitig angeschaltet ist, wobei der Signalteiler (TLR) aus dem Empfangssignal (ESV) zwei phasenverschobene Teilsignale (TS1, TS2) bildet, wobei – ein erstes Teilsignal (TS1) über den ersten Mischer (M1) zum ersten Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) gelangt und wobei – ein zweites Teilsignal (TS2) über den zweiten Mischer (M2) zum zweiten Tiefpass-Delta-Sigma-Modulator (TP-DSM) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Interleaver INT vorgesehen ist, an den die Ausgangsdatenströme (DS1, DS2) der beiden Tiefpass-Delta-Sigma-Modulatoren (TP-DSM) eingangsseitig angeschaltet sind und der daraus einen zeitlich verschachtelten Summendatenstrom (SDS) erzeugt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rauscharme Verstärker eine einstellbare Verstärkung aufweist.