DE102007047021A1

DE102007047021A1 - Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen

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Publication number: DE102007047021A1
Application number: DE102007047021A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. Biber; Jan Bollenbeck; Ralph Dr. Oppelt; Markus Dr. Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-10-02
Also published as: CN101403787B; CN101403787A; US7834628B2; US20090096455A1; DE102007047021B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen (MR1, ..., MR8), mit zumindest zwei Empfangszweigen (EZ1, ..., EZ8). Jeder Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) beinhaltet jeweils eine Einzelantenne (L1, ..., L8) einer Lokalspule (LS) sowie einen mit der Einzelantenne (L1, ..., L8) verbundenen Verstärker (V1, ..., V8), so dass aus einem Magnetresonanzsignal (MR1, ..., MR8), das über die Einzelantenne (L1, ..., L8) empfangen wird, ein verstärktes Magnetresonanzsignal (MR1V, ..., MR8V) gebildet wird. Bei einem Multiplexer (MUX) ist jeder Eingang (E1, ..., E8) mit jeweils einem Empfangszweig verbunden, so dass durch den Multiplexer (MUX) die verstärkten Magnetresonanzsignale (MR1V, ..., MR8V) der Empfangszweige (EZ1, ..., EZ8) mit Hilfe eines Zeitmultiplexverfahrens zu einem resultierenden Signal (MRMUX) zusammengefasst werden. Eine Übertragungsstrecke (SL) ist einerseits mit einem Ausgang (A1) des Multiplexer (MUX) und andererseits mit einem Empfänger (REC) verbunden, so dass durch die Übertragungsstrecke (LS) das resultierende Signal (MRMUX) vom Multiplexer (MUX) zum Empfänger (REC) übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen.
Bei Magnetresonanzgeräten werden mit Hilfe von Lokalspulen Magnetresonanzsignale empfangen. Eine Lokalspule besteht im allgemeinen aus mehreren Einzelantennen, die auch als "Loop" bezeichnet werden.
Während der Magnetresonanzuntersuchung induzieren angeregte Atomkerne in den Einzelantennen der Lokalspule jeweilige Spannungen als Magnetresonanzsignale, die rauscharm vorverstärkt und zu einem Empfänger übertragen werden. Diese Übertragung erfolgt im allgemeinen kabelgebunden.
11 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung ein Magnetresonanzgerät gemäß dem Stand der Technik.
Ein Patient P befindet sich in einem zentralen Bereich ZB, der von einem Magneten M umschlossen ist. Am Patienten P selbst sind hier acht Lokalspulen LS angeordnet, wobei jede Lokalspule LS einen ihr zugeordneten Vorverstärker VS sowie ein ihr zugeordnetes Lokalspulenkabel LSK aufweist.
An jedem Lokalspulenkabel LSK steht somit ein vorverstärktes Empfangssignal der zugeordneten Lokalspule LS zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.
Die gezeigten acht Lokalspulenkabel LSK weisen jeweilige Mantelwellensperren MWS auf, mit deren Hilfe eine Entkopplung gegenüber einem zur Magnetresonanzuntersuchung verwendeten Sendemagnetfeld durchgeführt wird.
Die Lokalspulenkabel LSK werden zu einem Kabelstrang KS zusammengefasst. Mit Hilfe des Kabelstrangs KS werden die vor verstärkten Empfangssignale der Lokalspulen LS aus dem zentralen Bereich ZB des Magneten M herausgeführt und einem Empfänger E zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
Bei modernen Magnetresonanzgeräten wird der oft mehrere Meter lange Kabelstrang KS in einer beweglich gelagerten Patientenliege PL geführt. Aufgrund dieser Führung bzw. der Liegenbewegung ergeben sich folgende Probleme:
Jede Lokalspule LS ist über einen Stecker ST mit dem zugeordneten Lokalspulenkabel LSK verbunden. Dadurch werden an vorbestimmten Orten Steckerbündel gebildet, die einerseits einen großen Platzbedarf aufweisen und die andererseits bei jeder Untersuchung vom Bedienungspersonal mit großem Zeitaufwand verbunden bzw. gelöst werden müssen.
Die Mantelwellensperren MWS der Lokalspulenkabel LSK sowie der Kabelstrang KS benötigen ebenfalls wertvollen Platz, der im zentralen Bereich ZB und in der Patientenliege PL nur begrenzt zur Verfügung steht.
Durch die beweglich gelagerte Patientenliege PL muss der Kabelstrang KS sehr biegsam und mechanisch belastbar ausgebildet werden, wodurch höhere Kosten verursacht werden.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, mit der eine Übertragung von Magnetresonanzsignalen von Lokalspulen zu einem Empfänger mit geringem Aufwand an Platz und Kosten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen weist zumindest zwei Empfangzweige auf. Jeder Empfangszweig beinhaltet jeweils eine Einzelantenne einer Lokalspule sowie einen mit der Einzelantenne verbundenen Ver stärker, so dass aus einem Magnetresonanzsignal, das über die Einzelantenne empfangen wird, ein verstärktes Magnetresonanzsignal gebildet wird. Es ist ein Multiplexer vorgesehen, bei dem jeder Eingang mit jeweils einem Empfangszweig verbunden ist, so dass durch den Multiplexer die verstärkten Magnetresonanzsignale der Empfangszweige mit Hilfe eines Zeitmultiplexverfahrens zu einem resultierenden Signal zusammengefasst werden. Eine Übertragungstrecke ist einerseits mit einem Ausgang des Multiplexers und andererseits mit einem Empfänger verbunden, so dass durch die Übertragungstrecke das resultierende Signal vom Multiplexer zum Empfänger übertragen wird.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der bislang notwenige Verkabelungsaufwand zwischen den Einzelantennen einerseits und dem Empfänger andererseits verringert. Durch die vorteilhafte Verwendung einer optischen Übertragungsstrecke entfallen bislang benötigte Koaxialkabel sowie deren Mantelwellen-Sperren. Damit werden Kosten und Platz eingespart.
Durch die Kombination des verwendeten Zeitmultiplexer mit der optischen Übertragungsstrecke ist es möglich, mehrere Einzelantennensignale im Zeitmultiplex über nur einen Lichtwellenleiter zu übertragen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 die erfindungsgemäße Anordnung in einer prinzipiellen Blockdarstellung,
2 beispielhafte Spektren für ein Zeitmultiplexverfahren nach 1.
3 mit Bezug auf 1 eine Signalformung mit Sample&Hold-Gliedern sowie Leitungsequalizern,
4 mit Bezug auf 1 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit Einseitenbandmischern vor dem Multiplexer,
5 mit Bezug auf 1 eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit Umschaltern bzw. Alternatoren,
6 zeigt eine vorteilhafte Alternative zu 5,
7 und 8 zeigen eine zu 1 alternative erfindungsgemäße Anordnung für einen so genannten "X-Kern"-Empfang,
9 eine alternative Ausgestaltung zu 1, bei der ein Taktsignal über die Signalleitung SL zusätzlich mit übertragen wird,
10 eine auf 1 bezogene Datenübertragung in Sende-Empfangs-Umschaltpausen, und
11 das eingangs beschriebene Magnetresonanzgerät gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung in einer prinzipiellen Blockdarstellung.
Eine Lokalspule LS weist hier beispielhaft acht Einzelantennen L1 bis L8 auf.
Ein erster Empfangszweig EZ1 weist eine Einzelantenne L1, einen rauscharmen Verstärker V1 und einen als Bandpass ausgebildeten und auf beispielhaft auf 63,6 MHz abgestimmten Filter BP1 auf.
Weitere Empfangszweige EZ2 bis EZ8 sind entsprechend aufgebaut. Stellvertretend wird der Signalfluss des ersten Empfangszweigs EZ1 näher erläutert.
Ein empfangenes erstes Magnetresonanzsignal MR1 der Einzelantenne L1 gelangt an den rauscharmen Verstärker V1, um ein verstärktes Signal MR1V zu bilden. Das verstärkte Signal MR1V wird dem Filter BP1 zugeführt.
Das nun gefilterte Signal MR1V gelangt an einen ersten Eingang E1 eines Multiplexers MUX, der entsprechend den acht Empfangszweigen EZ1 bis EZ8 acht Eingänge E1 bis E8 aufweist.
Die hier nicht näher dargstellten bzw. beschriebenen Empfangszweige EZ2 bis EZ8 bilden entsprechend verstärkte und gefilterte Signale MR2V bis MR8V, die ebenfalls an jeweils zugeordnete Eingänge E2 bis E8 des Multiplexers MUX geschaltet sind.
Durch den Multiplexer MUX werden die Signale MR1V bis MR8V unter Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens zu einem Signal MRMUX zusammengefasst und über eine Übertragungsstrecke bzw. Signalleitung SL an einen Empfänger REC übertragen.
Die Übertragungsstrecke könnte beispielweise als kabelgebundene oder als optische Übertragungsstrecke oder als Funkübertragungsstrecke ausgestaltet sein.
Beispielsweise wird als Signalleitung SL ein Koaxialkabel oder ein Lichtwellenleiter oder eine Kombination mit einer Sendediode und mit einer Empfangsdiode verwendet.
Nach erfolgter Übertragung des Signals MRMUX erfolgt empfängerseitig eine weitere Verstärkung mit Hilfe eines Empfangsverstärkers VE sowie eine Analog-Digital-Wandlung des Signals mit Hilfe eines A/D-Wandlers ADC.
Mit Hilfe nachfolgender, hier nicht weiter beschriebener Elemente wird das digitalisierte Signal wieder in einzelne Signale aufgeteilt, wobei jedes einzelne Signal wieder jeweils einem der Empfangszweige EZ1 bis EZ8 eindeutig zuordenbar ist. Diese Aufteilung entspricht einem Zeitdemultiplexverfahren, das an das sendeseitige Zeitmultiplexverfahren entsprechend angepasst ist.
Die Empfangszweige EZ1 bis EZ8 und der Multiplexer MUX sind Teil eines Lokalspulengehäuses LSG. Das Lokalspulengehäuse LSG umfasst außerdem einen Zähler Z, der über drei Steuerleitungen ST1 bis ST3 mit dem Multiplexer MUX verbunden ist. Über diese werden parallel zueinander drei Bits zum Umschalten des Multiplexers MUX übertragen, wobei mit Hilfe der Steuerleitung ST3 ein "Most Significant Bit, MSB" und über die Steuerleitung ST1 ein "Least Significant Bit, LSB" über tragen wird. Mit Hilfe der übertragenen drei Bit sind somit acht "Schalterstellungen" des Multiplexers MUX ansteuerbar.
Empfangsseitig ist ein Taktgenerator TG angeordnet, der sowohl den empfangsseitigen A/D-Wandler ADC als auch den Zähler Z mit einem Taktsignal ST versorgt. Hier wird das Taktsignal TS beispielsweise als 80 MHZ Takt über eine eigene Taktleitung TL übertragen, wobei sowohl die Signalleitung SL als auch die Taktleitung TL Bestandteil eines Lokalspulenkabels sind.
Die empfangenen Magnetresonanzsignale MR1 bis MR8 sind Schmalbandsignale mit einer kleinen relativen Bandbreite, die typischerweise 1% ist – gegeben durch das Verhältnis einer Gradientenhubes von +/–10 Millitesla zu einer Grundmagnetfeldstärke von beispielsweise 1,5 Tesla.
Damit ergibt sich ein benötigter Bandbreitebedarf pro Empfangskanal von ca. 800 kHz. Bei einem Zeitmultiplexverfahren ist demnach eine Unterabtastung des empfangenen Magnetresonanzsignals möglich. Theoretisch wäre eine Nyquist-Abtastrate von 1.6 Msamples/s (reelle Daten) pro Kanal ausreichend.
Diese Unterabtastung bewirkt jedoch eine Mehrdeutigkeit bezüglich der Eingangsfrequenz, so dass der Empfänger auch auf anderen Frequenzen zusätzliches Rauschen von Patient, Antenne und Vorverstärker empfangen könnte.
Deshalb werden die Bandpassfilter mit einer gewissen Flankensteilheit vor der Abtastung benötigt, um eine Ausblendung des Breitbandrauschens zu erreichen.
Um eine Reduzierung des Aufwands für die Filter zu erreichen, wird die Abtastrate pro Kanal deutlich höher sein als das oben genannte theoretische Minimum.
Als Bandpassfilter werden bevorzugt Oberflächenwellenfilter (SAW-Filter) verwendet, die besonders günstige Eigenschaften aufweisen, denn sie sind kompakt aufbaubar, aus nicht magnetischem Material herstellbar, weisen eine gute Flankensteilheit auf, besitzen eine hohe Aussteuerbarkeit und eine gute Linearität, und sie sind in großen Stückzahlen preiswert herstellbar.
2 zeigt beispielhafte Spektren für ein Zeitmultiplexverfahren nach 1.
Das in 1 beschriebene System mit acht empfangenen Magnetresonanzsignalen bzw. mit acht Empfangszweigen arbeitet mit einer Summenabtastrate von 80 MHz (vergleiche dort die Taktfrequenz).
Damit wird jeder Empfangszweig mit einer Multiplex-Zyklus-Frequenz von 10 MHz abgetastet. Das gewünschte Magnetresonanzband hat eine beispielhafte Breite von 800 kHz um eine Mittenfrequenz von 63.6 MHz herum – hier z. B. von 63.2 bis 64 MHz.
Zu sperrenden Nebenempfangsfrequenzen liegen dann im Bereich von n × 10 MHz ± 3.6 MHz – also hier bei 3.6 MHz, 6.4 MHz, 13.6 MHz, 16.4 MHz, ..., usw.
Für das Design des Bandpassfilters besonders entscheidend sind Grenzen von nächstliegenden Sperrbändern. Diese sind hier 120 MHz – 63.2 MHz = 56.8 MHz und 130 MHz – 64.0 MHz = 66.0 MHz.
2a zeigt ein Spektrum nach einem der Vorverstärker V1 bis V8.
2b zeigt ein Spektrum nach einem der Vorfilter bzw. Bandpassfilter BP1 bis BP8.
2C zeigt ein Spektrum nach dem Multiplexer MUX.
3 zeigt mit Bezug auf 1 eine erste vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit einer Signalformung, die mit Hilfe von Sample&Hold-Gliedern S&H1, S&H2 sowie einem Equalizer EQU durchgeführt wird.
In der einfachsten Variante des Zeitmultiplexers MUX werden während jeweiliger Abtastzeitschlitze Ausschnitte von jeweiligen HF-Schwingungen auf der Signalleitung SL übertragen.
Auf der Signalleitung SL sind übertragene Spektren schwerpunktmäßig um eine ursprüngliche Hochfrequenz herum angeordnet. Zur Verringerung von Übertragungsverlusten ist es möglich, das jeweilige Signal am Multiplexer MUX nur kurz (z. B. weniger als eine halbe Hochfrequenzperiode lang) zu erfassen und für den Rest des Zeitschlitzes festhalten. Dies erfolgt mit Hilfe eines ersten Sample&Hold-Glieds S&H1.
Beispielsweise schaltet der Multiplexer MUX nur kurz an einen der Eingänge E1 bis E8, um dann "offen" gelassen zu werden. Damit wird der Schwerpunkt des Spektrums am Ausgang des Multiplexers MUX zu niedrigen Frequenzen hin verschoben.
Das Eingangssignal am empfangsseitigen A/D-Wandler ADC sollte während eines Abtastintervalls möglichst konstant sein. Dies wird am einfachsten durch ein weiteres Sample&Hold-Glied S&H2 erreicht.
4 zeigt mit Bezug auf 1 eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit Einseitenbandmischern ESB vor dem Multiplexer MUX.
Jeder der Empfangszweige EZ1 bis EZ8 weist einen Einseitenbandmischer ESB auf, mit dem das jeweilige Magnetresonanzsignal MR1 bis MR8 in eine Zwischenfrequenzebene ZF umgesetzt wird.
Stellvertretend für alle Empfangszweige EZ1 bis EZ8 wird hier der erste Empfangszweig EZ1 näher erläutert.
Das Magnetresonanzsignal MR1 wird über die Einzelantenne L1 empfangen und durch den Verstärker V1 verstärkt. Danach wird es sowohl einem so genannten Phasen-Zweig „ϕ0" (hier realisiert mit einem 0° Phasenschieber) als auch einem so genannten Phasen-Zweig "ϕ0 + 90°" (hier realisiert mit einem 90° Phasenschieber) des Einseitenbandmischers ESB zugeführt.
Ein Ausgangssignal des 0° Phasenschiebers wird mit Hilfe eines Mischers M11 und eines Lokaloszillators LO in die Zwischenfrequenz ZF umgesetzt und gelangt über einen weiteren 0° Phasenschieber zu einem Bandpass ZFBP, der auf die Zwischenfrequenz ZF abgestimmt ist.
Ein Ausgangssignal des 90° Phasenschiebers wird mit Hilfe eines Mischers M12 und des Lokaloszillators LO in die Zwischenfrequenz ZF umgesetzt und gelangt, zusammen mit dem Ausgangssignal des 0° weiteren Phasenschiebers als Summensignal, über einen weiteren 90° Phasenschieber zum Bandpass ZFBP.
Das Ausgangssignal des Bandpasses ZFBP gelangt über einen Zwischenfrequenzverstärker ZFV als verstärktes Magnetresonanzsignal MR1V des ersten Empfangszweigs EZ1 an den Multiplexer MUX.
Die Umsetzung in die Zwischenfrequenz ZF erfolgt vorteilhaft auf eine relativ niedrige Zwischenfrequenz ZF von beispielsweise 3.6 MHz.
Die dazu verwendete Frequenz des Lokaloszillators LO ist dann zweckmäßigerweise ein Vielfaches der Abtastfrequenz, hier beispielweise 6 × 10 MHz.
Dadurch wird erreicht, dass die Notwendigkeit schmaler Bandpassfilter für die Empfangsfrequenz umgangen werden kann. Hier ist noch anzumerken, dass es sich bei dieser Variante mit Frequenzumsetzung nicht um ein "Frequency-Division-Multiplex, FDM"-Verfahren handelt, weil alle Empfangszweige EZ1 bis EZ8 die gleiche Zwischenfrequenz verwenden.
Der Übertragungskanal bzw. die Signalleitung SL muss theoretisch mindestens eine Bandbreite bis zur halben Summenabtastfrequenz zur Verfügung stellen – hier also 0 MHz bis 40 MHz. Um ohne großen Aufwand ein geringes Nebensprechen zu erreichen, ist hier praktisch in etwa eine doppelte Bandbreite, also 80 MHz, erforderlich.
Innerhalb dieser Bandbreite sind lineare Verzerrungen der Übertragungsstrecke noch klein genug einstellbar, um eine Nebensprechdämpfung von größer 20 dB zu ermöglichen.
Bei einem langen, dünnen Koaxialkabel als Signalleitung SL kann es erforderlich sein, eine Dispersion mit einem geeigneten Leitungsequalizer auszugleichen.
Es ist aber auch möglich, das Nebensprechen nach der empfängerseitigen Digitalisierung durch eine gewichtete Addition der Abtastwerte aus den benachbarten Zeitschlitzen zu kompensieren.
Das Taktsignal TS weist hier eine Frequenz von 240 MHZ auf, die mit Hilfe von zwei Teilern T1, T2 in die Lokalsoszillatorfrequenz LO mit 60 MHz und in die Taktfrequenz für den Zähler Z mit 80 MHz umgesetzt wird.
5 zeigt mit Bezug auf 1 eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung mit Umschaltern bzw. Alternatoren UMS1 bis UMS8 vor dem Multiplexer MUX.
Jeder der Empfangszweige EZ1 bis EZ8 weist hier einen Alternator UMS1 bis UMS8 auf, dem das jeweilige Magnetresonanzsignal MR1 bis MR8 nach erfolgter Verstärkung und ggf. nach einer zusätzlichen Zwischenfrequenz-Umsetzung zugeführt wird.
Stellvertretend für alle Empfangszweige EZ1 bis EZ8 wird hier der erste Empfangszweig EZ1 näher erläutert.
Das Magnetresonanzsignal MR1 wird über die Einzelantenne L1 empfangen und durch einen Verstärker V51 verstärkt. Durch den Verstärker V51 wird sowohl ein verstärktes positives Magnetresonanzsignal MR1V+ als auch ein verstärktes negatives Magnetresonanzsignal MR1V– gebildet, die beide dem Alternator UMS1 zugeführt werden. Der Alternator UMS1 ist vergleichbar zu einem Umschalter ausgebildet, der mit Hilfe eines Signals ST3 geschaltet wird.
In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung wird sowohl das Magnetresonanzsignal MR1V+ als auch das Magnetresonanzsignal MR1V– in die Zwischenfrequenz umgesetzt, bevor beide zum Alternator UMS1 gelangen.
Vereinfacht gesagt, wird über den Alternator UMS1 das verstärkte Magnetresonanzsignal des ersten Empfangszweiges EZ1 mit alternierender Polarität an den Multiplexer MUX weitergeleitet.
Bei dieser vorteilhaften Variante wird die Polarität des weitergeleiteten Magnetresonanzsignals MR1V nach jedem Abtastzyklus gewechselt.
So werden hier beispielsweise zuerst alle empfangenen Magnetresonanzsignale MR1V bis MR8V der acht Empfangszweige EZ1 bis EZ8 mit positivem Vorzeichen übertragen – also als Signale MR1V+ bis MR8V+.
Nachfolgend werden alle empfangenen Magnetresonanzsignale MRxV der acht Empfangszweige EZ1 bis EZ8 mit negativem Vorzeichen übertragen – also als Signale MR1V– bis MR8V–.
Als Signal ST3 wird vorteilhaft ein "Most Significant Bit, MSB" des Zählers Z verwendet, der hier als 4-Bit-Zähler realisiert ist und mit einer Frequenz von 80 MHz getaktet wird.
6 zeigt eine zu 5 vorteilhafte Alternative ohne Alternatoren.
Es wird ein Multiplexer MU6 mit 16 Eingängen E1 bis E16 verwendet.
Jeder der Empfangszweige EZ1 bis EZ8 stellt wiederum zwei verstärkte Magnetresonanzsignale MRxV+ bzw. MRxV– zur Verfügung.
In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung werden die beiden Magnetresonanzsignal MRxV+, MRxV– in die Zwischenfrequenz umgesetzt, bevor sie zum Multiplexer MUX6 gelangen.
Den Eingängen E1 bis E8 des Multiplexers MUX6 werden die verstärkten Magnetresonanzsignale mit positivem Vorzeichen zugeführt – also MR1V+ bis MR8V+, während den Eingängen E9 bis E16 des Multiplexers MUX6 die verstärkten Magnetresonanzsignale mit negativem Vorzeichen zugeführt werden – also MR1V– bis MR8V–.
Zur Steuerung des Multiplexers MUX6 wird wieder ein 4-Bit-Zähler Z verwendet, der mit 80 MHz getaktet ist.
Aus den in 5 und 6 beschriebenen Varianten ergeben sich folgende Vorteile:
Es werden Rückwirkungen von der Signalleitung LS auf die Einzelantennen L1 bis L8 vermieden. Diese Rückwirkungen sind im allgemeinen schwer zu beherrschen, da die Signalleitung im Nahfeld der hochempfindlichen magnetischen Einzelantennen L1 bis L8 verläuft. Eine HF-dichte Schirmung der Signalleitung SL ist wegen der Kompatibilität zu den HF-Sende- und Gradientenfeldern nur sehr eingeschränkt möglich.
Beim Zeitmultiplex in der vorher beschriebenen Grundform findet keine Frequenzverschiebung statt, so dass das Spektrum auf der Signalleitung SL Frequenzkomponenten auf der ursprünglichen Empfangsfrequenz enthält.
Die in 5 und 6 beschriebene Verwendung von Magnetresonanzsignalen mit alternierendem Vorzeichen entspricht einer Mischung mit 5 MHz bzw. einer Verschiebung aller Spektralkomponenten um 5 MHz. Damit wird das Spektrum von Anteilen bei 63.6 MHz befreit und die nächstliegenden Bänder sind bei 61.4 und 66.4 MHz.
Außerdem werden quadratische Verzerrungen beseitigt, denn durch die Verwendung von alternierenden Magnetresonanzsignalen zum multiplexen fallen Oberwellen, die durch unerwünschte nichtlineare Verzerrungen zweiter Ordnung gebildet werden, nicht mehr ins ausgewertete Frequenzband.
Für eine Magnetresonanz-Frequenz von 63.3 MHz, die einer niedrigsten Multiplex-Spektralkomponente von 3.3 MHz entspricht, würde eine Harmonische bei 6.6 MHz entstehen, die wegen der 10 MHz Abtastung bei 3.4 MHz gesehen würde und das Empfangsband stören würde.
Bei den in 5 und 6 geschilderten Verfahren erscheint das niedrigste Signalband bei 5 MHZ – 3.3 MHz = 1.7 MHz. Die wiederum bei 3.4 MHz generierte Oberwelle läge jetzt weitab des genutzten Frequenzbereiches.
Der hier geschilderte Zusammenhang gilt ebenso für die höheren Spektralbänder des Multiplexsignals, z. B. 190 MHz – 2 × 63.3 MHz = 63.4 MHz gegenüber 2 × 61.7 MHz – 60 MHz = 63.4 MHz.
Für den Empfang von Magnetresonanzsignalen von anderen Atomarten als Wasserstoff (die sogenannten "X-Kerne") können besondere Schwierigkeiten auftreten, wenn deren Larmorfrequenz bei dem gewählten Grundmagnetfeld sehr nahe bei ganzzahligen Vielfachen der halben Zyklusfrequenz (n × 5 MHz) liegt.
An diesen "Nyquistgrenzen" überlappen sich die mehrdeutigen Frequenzbereiche, und unerwünschten Einfaltungen können durch Bandpassfilter nicht mehr beseitigt werden. Die nachfolgenden Figuren 7 und 8 zeigen Lösungen für dieses Problem.
7 zeigt eine zu 1 alternative erfindungsgemäße Anordnung für einen "X-Kern-Empfang".
Eine Lokalspule LS weist hier beispielhaft vier Einzelantennen L1 bis L4 auf.
Ein erster Empfangszweig EZ1 weist eine Einzelantenne L1 und einen rauscharmen Verstärker V71 auf.
Weitere Empfangszweige EZ2 bis EZ4 sind entsprechend aufgebaut. Stellvertretend wird der Signalfluss des ersten Empfangszweigs EZ1 näher erläutert.
Es ist ein Multiplexer MUX7 zur Durchführung eines Zeitmultiplexverfahrens vorgesehen, wobei der Multiplexer MUX7 insgesamt acht Eingänge E1 bis E8 sowie einen Ausgang A1 aufweist.
Ein empfangenes erstes Magnetresonanzsignal MR1 der Einzelantenne L1 gelangt an den rauscharmen Verstärker V1, um ein verstärktes Signal MR1V zu bilden.
Das verstärkte Signal MR1V gelangt sowohl an einen ersten Eingang E1 des Multiplexers als auch an einen weiteren Eingang E5 des Multiplexers MUX7.
Die hier nicht näher dargstellten bzw. beschriebenen Empfangszweige EZ2 bis EZ4 bilden entsprechend verstärkte Signale MR2V bis MR4V.
Das Signal MR2V gelangt sowohl an den Eingang E2 als auch an den Eingang E6, während das Signal MR3V sowohl an den Eingang E3 als auch an den Eingang E7 und das Signal MR4V sowohl an den Eingang E4 als auch an den Eingang E8 gelangt.
In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung wird nach den jeweiligen Verstärkern und vor dem Multiplexer MUX7 eine Um setzung der Signale in den Zwischenfrequenzbereich vorgenommen.
Durch den Multiplexer MUX7 werden die Signale MR1V bis MR4V unter Verwendung eines Zeitmultiplexverfahrens zum Signal MRMUX zusammengefasst, um nachfolgend über eine Übertragungsstrecke bzw. Signalleitung SL an einen Empfänger REC übertragen zu werden.
Die Übertragungsstrecke könnte beispielweise als kabelgebundene oder als optische Übertragungsstrecke oder als Funkübertragungsstrecke ausgestaltet sein.
Beispielsweise wird als Signalleitung SL ein Koaxialkabel oder ein Lichtwellenleiter oder eine Kombination mit einer Sendediode und mit einer Empfangsdiode verwendet.
Normalerweise wird man den Frequenzplan und die Empfängerzahl eines Magnetresonanz-Systems für die Wasserstoff-Resonanzfrequenz optimieren, da hier die größten Signale auftreten und sie für die weit überwiegende Anzahl von Untersuchungen eingesetzt wird.
Allein durch Austauschen der ansteckbaren Lokalspulenbaugruppen mit den zugehörigen Filtern können aber auch andere Kerne (die sogenannten "X-Kerne") in anderen Frequenzbändern empfangen werden.
Die Vorfilterung ist am besten realisierbar, wenn die Magnetresonanz-Frequenzen nicht zu nahe bei Vielfachen der halben Zyklusfrequenz (hier 5 MHz) liegen. Andernfalls rücken zu sperrenden Aliasbänder sehr nahe an die Nutzfrequenzen heran.
Im Fall ungeradzahliger Vielfacher (z. B. 25 MHz) kann man die Zyklusfrequenz (Abtastfrequenz pro Kanal) bei einem unveränderten System dadurch verdoppeln, dass man jedem Empfangselement zwei Zeitschlitze zur Verfügung stellt – wie hier dargestellt. Die damit einhergehende Halbierung der Kanalzahl ist ein erträglicher Nachteil, da sie nur Untersuchungen mit dem speziellen X-Kern betrifft.
Falls die Resonanzfrequenz eines X-Kerns hingegen nah bei einem Vielfachen der Zyklusfrequenz selbst liegt (z. B. 60 MHz), genügt eine Verdoppelung der Abtastrate alleine nicht.
Hier ist es aber möglich – wie in 8 gezeigt – die jeweiligen Magnetresonanzsignale MR1 bis MR4 der Empfangszweige EZ1 bis EZ4 mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen – hier beispielsweise realisiert mit 0° bzw. 90° Phasenverschiebung – dem Multiplexer MUX8 zuzuführen.
In einer hier nicht dargestellten Weiterbildung wird nach den jeweiligen Verstärkern und vor dem Multiplexer MUX8 eine Umsetzung der Signale in den Zwischenfrequenzbereich vorgenommen.
In Verbindung mit einem Vorzeichenwechsel bei jedem zweiten Zyklus erhält man eine Sequenz von Abtastwerten, die mit (1, j, –1, –j) gewichtet sind. Dies entspricht einer spektralen Verschiebung um eine halbe Zyklusfrequenz (hier 5 MHz).
Nachfolgend kann das Signal mit 20 Msamples/s einfaltungsfrei dargestellt werden. Der Vorzeichenwechsel kann entweder mit dem beschriebenen analogen Alternator oder aber durch nachträgliche digitale Multiplikation mit einer Folge von (1, 1, –1, –1) durchgeführt werden.
9 zeigt eine alternative Ausgestaltung zu 1, bei der ein Taktsignal über die Signalleitung SL zusätzlich mit übertragen wird.
Die Taktfrequenz für den Multiplexer (hier z. B. 10 MHz bzw. 5 MHz) wird so gewählt, dass keine ihrer Vielfachen mit einer genutzten Magnetresonanz-Empfangsfrequenz zusammenfällt.
Dabei werden auch Larmorfrequenzen anderer Kerne als Wasserstoff berücksichtigt. Auch der empfängerseitige A/D-Wandler ADC wird mit einem Vielfachen der Taktfrequenz betrieben.
Die digitalisierten Spektren sind dann im allgemein frei von Eigenstörungen durch das Empfangssystem.
Zur Herstellung eines konstanten Zeit- und Phasenbezugs muss dem Multiplexer MUX ein zentral generiertes Taktsignal zugeführt werden.
Wenn man dessen Frequenz außerhalb des belegten Multiplex-Spektrums wählt, können die zur Signalübertragung verwendeten Koaxialleitungen zur Übertragung mitbenutzt werden.
Das Taktsignal wird über Filter eingeleitet bzw. ausgeleitet.
Werden gemeinsame Vielfache (z. B. 240 MHz) des Taktsignals (vergleiche 80 MHz bei 1) und der LO-Frequenz (vergleiche 60 MHz) übertragen, können alle internen Frequenzen durch einfache Teilerschaltungen generiert werden.
Zur richtigen Zuordnung der Zeitschlitze und zur Feinsynchronisation der Abtastzeitpunkte bei vorab nicht genau bekannter Leitungslänge kann ein Kanal markiert werden, z. B. durch einen etwas abweichenden DC-Offset.
Dieser kann permanent vorhanden sein, systematisch alterniert werden (z. B. 5 MHz), oder nur während eines dedizierten Kalibrationsintervalls nach dem Herstellen der Leitungsverbindung appliziert werden.
10 zeigt eine auf 1 bezogene Datenübertragung von einer Steuereinheit des Magnetresonanzsystems zu den Lokalspulen in Sende-Empfangs-Umschaltpausen.
Der vergleichbar zu 9 zentral generierte Steuertakt kann auch zur seriellen Übertragung von digitalen Steuersignalen an die Lokalspulen mitverwendet werden.
Dies ist zum Beispiel zur Ansteuerung der PIN-Dioden-Verstimmschaltungen oder zur Umschaltung der Vorverstärkung sinnvoll.
Zur Informationsübertragung kann entweder eine separate parallel geführte Datenleitung (Zweidrahtprotokoll), oder eine Modulation des Clock- bzw. Taktsignals selbst benutzt werden.
Dabei müssen Störungen des Empfangs durch die Steuersignale vermieden werden. In einem MR-System wird der Empfangsbetrieb normalerweise immer wieder durch Sendephasen zur MR-Anregung unterbrochen. Man kann diese Zeiten, oder auch nur die einige Mikrosekunden langen Sende-Empfangs-Umschaltpausen, zur Übertragung der seriellen Telegramme nutzen.
Beispielsweise können mit 240 MHz und einer Modulation mit einem Bit pro Trägerperiode in 10 μs bis zu 2400 Bit übertragen werden.

Claims

Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen (MR1, ..., MR8), – mit zumindest zwei Empfangzweigen (EZ1, ..., EZ8), wobei jeder Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) jeweils eine Einzelantenne (L1, ..., L8) einer Lokalspule (LS) sowie einen mit der Einzelantenne (L1, ..., L8) verbundenen Verstärker (V1, ..., V8) beinhaltet, so dass aus einem Magnetresonanzsignal (MR1, ..., MR8), das über die Einzelantenne (L1, ..., L8) empfangen wird, ein verstärktes Magnetresonanzsignal (MR1V, ..., MR8V) als Ausgangssignal des Empfangszweigs gebildet wird, – mit einem Multiplexer (MUX), bei dem jeder Eingang (E1, ..., E8) mit jeweils einem Empfangszweig verbunden ist, so dass durch den Multiplexer (MUX) die verstärkten Magnetresonanzsignale (MR1V, ..., MR8V) der Empfangszweige (EZ1, ..., EZ8) mit Hilfe eines Zeitmultiplexverfahrens zu einem resultierenden Signal (MRMUX) zusammengefasst werden, – bei der eine Übertragungstrecke (SL) einerseits mit einem Ausgang (A1) des Multiplexer (MUX) und andererseits mit einem Empfänger (REC) verbunden ist, so dass durch die Übertragungstrecke (LS) das resultierende Signal (MRMUX) vom Multiplexer (MUX) zum Empfänger (REC) übertragen wird.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Übertragungsstrecke als optische Verbindung oder als kabelgebundene Verbindung oder als Funkverbindung ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der jeder Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) einen Filter (BP1, ..., BP8) aufweist, der dem Verstärker (V1, ..., V8) nachgeschaltet ist, so dass das verstärkte Magnetresonanzsignal (MR1V, ..., MR8V) gefiltert zum zugeordneten Multiplexereingang (E1, ..., E8) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 1, bei der die Empfangszweige (EZ1, ..., EZ8) und der Multiplexer MUX in einem Lokalspulengehäuse (LSG) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, – bei der der Multiplexer (MUX) mit einem Zähler (Z) verbunden ist, der den Multiplexer (MUX) steuert, und – bei der der Zähler mit einem Taktsignal (TS) getaktet ist, das seitens des Empfängers (REC) gebildet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, – bei der zwischen dem Ausgang (A1) des Multiplexers (MUX) und der Übertragungsstrecke (SL) eine Sample&Hold-Einrichtung (S&H1) geschaltet ist, über die das resultierende Signal (MRMUX) zur Übertragungsstrecke (LS) gelangt, und/oder – bei der seitens des Empfängers (REC) eine Sample&Hold-Einrichtung (S&H2) und/oder ein Equalizer (EQU) angeordnet ist, die der Übertragungsstrecke (LS) nachgeschaltet sind, so dass das resultierende Signal (MRMUX) von der Übertragungsstrecke (LS) über den Equalizer (EQU) und/oder über die Sample&Hold-Einrichtung (S&H2) zu einem A/D-Wandler (ADC) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 6, bei der beim Multiplexer (MUX) während eines Abtastintervalls bzw. während eines Zeitschlitzes ein ausgewählter Eingang (E1, ..., E8) nur für die Dauer eines prozentualen Zeitschlitzanteils mit dem Ausgang (A1) des Multiplexers (MUX) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) eine Einrichtung zur Umsetzung in eine Zwischenfrequenz (ESB) aufweist, die dem Verstärker (V1, ..., V8) nachgeschaltet ist, so dass das verstärkte Magnetresonanzsignal (MR1V, ..., MR8V) als zwischenfrequentes Signal zum zugeordneten Multiplexereingang (E1, ..., E8) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Einrichtung zur Umsetzung in die Zwischenfrequenz als Einseitenbandmischer (ESB) ausgestaltet ist.
Anordnung nach einem Ansprüche 1 bis 7, bei der der Verstärker (V51, ..., V58) bei jedem Empfangszweig (EZ1, EZ8) zur Bildung eines verstärkten positiven Magnetresonanzsignals (MR1V+, ..., MR1V8+) und zur Bildung eines verstärkten negativen Magnetresonanzsignals (MR1V–, ..., MR8V–) ausgestaltet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, bei der jeder Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) einen Umschalter (UMS1, ..., UMS8) aufweist, der dem Verstärker (V51, ..., V58) nachgeschaltet ist, so dass entweder das verstärkte positive oder das verstärkte negative Magnetresonanzsignal (MR1V+, MR1V–, ...) wahlweise zum zugeordneten Multiplexereingang (E1, ..., E8) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 10, – bei der der Multiplexer (MUX6) für jeden Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) jeweils zwei Eingänge (E1, ..., E16) aufweist, und – bei der der Verstärker (V61, ..., V68) von jedem Empfangszweig (EZ1, ..., EZ8) mit den beiden zugeordneten Eingängen (E1, ..., E16) des Multiplexers (MUX6) verbunden ist, so dass sowohl das verstärkte positive als auch das verstärkte negative Magnetresonanzsignal (MR1V+, MR1V–, ...) gleichzeitig zum Multiplexer (MUX6) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 1, – bei der der Multiplexer (MUX7) für jeden Empfangszweig (EZ1, ..., EZ4) jeweils zwei Eingänge (E1–E5, ..., E4–E8) aufweist, und – bei der der Verstärker (V71, ..., V74) von jedem Empfangszweig (EZ1, ..., EZ4) mit den beiden zugeordneten Eingängen (E1–E5, ..., E4–E8) des Multiplexers (MUX6) verbunden ist, so dass das verstärkte Magnetresonanz signal (MR1V, ..., MR4V) gleichzeitig an die beiden zugeordneten Eingänge (E1–E5, ..., E4–E8) des Multiplexers (MUX7) gelangt.
Anordnung nach Anspruch 13, – bei der der Verstärker (V71, ..., V74) von jedem Empfangszweig (EZ1, ..., EZ4) über eine Einrichtung zur 0°-Phasenverschiebung mit einem zugeordneten ersten Eingang (E1) des Multiplexers (MUX8) verbunden ist, und – bei der der Verstärker (V71, ..., V74) von jedem Empfangszweig (EZ1, ..., EZ4) über eine Einrichtung zur 90°-Phasenverschiebung mit einem zugeordneten zweiten Eingang (E5) des Multiplexers (MUX8) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der seitens des Lokalspulengehäuses (LSG) und seitens des Empfängers (REC) Koppel-Einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe über die Übertragungsstrecke (SL) sowohl das resultierende Signal (MRMUX) als auch das seitens des Empfängers (REC) gebildete Taktsignal (TS) übertragen wird.