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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend Empfangsspulen und eine Empfängervorrichtung zum Verarbeiten von mit Spulenelementen der Empfangsspulen empfangenen Magnetresonanzsignalen sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung.
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In der Magnetresonanzbildgebung ist es üblich, Kernspins durch ein Hochfrequenzfeld einer Sendespule anzuregen. Mittels einer Empfangsspule können Magnetresonanzsignale, die dann von den Kernspins ausgesendet werden, erfasst und zur Ermittlung von Magnetresonanzbildern ausgewertet werden. Dabei können Magnetresonanzspulen auch gleichzeitig als Sendespule und als Empfangsspule ausgebildet sein.
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Sollen Magnetresonanzbilder mit einem hohen Signal/Rauschverhältnis aufgenommen werden, werden heutzutage häufig sogenannte Lokalspulen verwendet, also Antennensysteme, die unmittelbar an dem aufzunehmenden Objekt, insbesondere einem Patienten, angeordnet werden. Beispielswiese ist es bekannt, Lokalspulen auf dem Patienten anzubringen (anteriore Anordnung) oder unter dem Patienten vorzusehen (posteriore Anordnung). Soll nun eine Magnetresonanzmessung durchgeführt werden, induzieren die angeregten Kerne in den einzelnen Spulenelementen der Lokalspule eine Spannung, das Magnetresonanzsignal, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (LNA – low noise amplifier) verstärkt wird und schließlich an eine Empfängervorrichtung (Empfangselektronik) weitergeleitet wird. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses ist die Verwendung starker Grundmagnetfelder, beispielsweise im Bereich von 1,5 T bis 12 T.
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Die Spulenelemente der Lokalspulen sind dabei meist sehr klein ausgebildet, nachdem auch dies das Signal/Rauschverhältnis verbessert. Zudem wurden beschleunigte Messverfahren vorgeschlagen, bei denen eine k-Raum-Unterabtastung vorgenommen wird, beispielsweise im Rahmen der sogenannten parallelen Bildgebung. Aus diesen Gründen wurden sehr dichte Arrays von Spulenelementen vorgeschlagen, wobei die Spulenelemente vollkommen unterschiedliche Ausrichtungen relativ zum Sendefeld haben können. Um diese große Zahl von Spulenelementen auslesen zu können, sind eine Vielzahl von Übertragungskanälen bzw. Übertragungsmöglichkeiten erforderlich. Diese Übertragung findet üblicherweise über eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung, beispielsweise ein Koaxialkabel, statt, wobei eine Schalteinrichtung vorgesehen sein kann, wenn die Zahl der Spulenelemente die Zahl der empfängervorrichtungsseitig vorgesehenen Eingangskanäle übersteigt.
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Die hohen zu übertragenden Kanalzahlen sowie die hohe Dynamik der Magnetresonanzbildgebung erschwert es, drahtlose Empfangsspulen, insbesondere drahtlose Lokalspulen, zu realisieren. Drahtlose Lokalspulen würden eine Mehrzahl an Vorteilen aufweisen. Neben einem positiven Vermarktungseffekt haben kabellose Lokalspulen aufgrund der fehlenden Kabel einen deutlichen Vorteil im Workflow und beim Patientenkomfort. Dies gilt insbesondere, nachdem in der Magnetresonanz die Kabel mit sogenannten Mantelwellensperren zu versehen sind, die eine Patientengefährdung durch Ströme auf den Mänteln der Koaxialkabel hindern sollen. Durch die Mantelwellensperren werden die Kabel dick und schwer.
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Grundsätzlich wurden kabellose Lokalspulen, die mithin mit einer drahtlosen Kommunikationsverbindung arbeiten, bereits vorgeschlagen, wobei beispielsweise Lösungen bekannt sind, bei denen im Sinne einer MIMO-Technologie auch Signale mehrerer Spulenelemente gemeinsam übertragen werden können, vgl. hierzu beispielsweise
DE 10 2007 047 020 A1 . Ein derartiges Vorgehen ließe sich jedoch bei einer in letzterer Zeit häufiger vorgeschlagenen empfangsspulenseitigen Digitalisierung der Magnetresonanzsignale nicht mehr realisieren. Werden die Magnetresonanzsignale empfangsspulenseitig bereits digitalisiert, muss für jedes Spulenelement, dessen Magnetresonanzsignale übertragen werden sollen, ein eigener Sendekanal zur drahtlosen Übertragung zur Verfügung gestellt werden. Konzepte für Magnetresonanzeinrichtungen, die eine drahtlose Übertragung der Magnetresonanzsignale einer Vielzahl von Spulenelementen, insbesondere bei spulenseitiger Digitalisierung, erlauben, sind bislang noch nicht bekannt. Gerade im Hinblick auf die benötigten großen Bandbreiten und hohen Frequenzen ergeben sich schnell Grenzen der Realisierbarkeit.
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Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2010 027 673 A1 offenbart eine Magnetresonanzeinrichtung mit einem Empfangssystem mit wenigstens einem Empfänger, der zur Verarbeitung wenigstens eines Empfangssignals eines Empfangskanals ausgebildet ist, und wenigstens einer Schaltvorrichtung zur veränderlichen Zuordnung einer ersten Zahl von Empfangskanälen zu einer zweiten Zahl an Eingängen des oder der Empfänger. Dabei ist es möglich, dass zur Übertragung der Empfangssignale von einer Lokalspule an die Schaltvorrichtung eine wenigstens teilweise drahtlose Verbindung vorgesehen ist. In diesem Fall treten Frequenzen bzw. Bänder an die Stelle von Anschlüssen bzw. Steckplätzen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetresonanzeinrichtung anzugeben, bei der die Vorteile einer drahtlosen Kommunikationsverbindung möglichst weitgehend realisiert werden können, die aber dennoch im Hinblick auf den Übertragungsaufwand und unter Kostengesichtspunkten optimiert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Magnetresonanzeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Empfangsspulen in wenigstens eine erste Gruppe mit wenigstens einer Empfangsspule und eine zweite Gruppe mit wenigstens einer Empfangsspule aufgeteilt sind, wobei die Empfangsspulen der ersten Gruppe jeweils über eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung mit der Empfängervorrichtung verbunden sind und die Empfangsspulen der zweiten Gruppe je weils über eine drahtlose Kommunikationsverbindung mit der Empfängervorrichtung verbindbar oder verbunden sind.
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Die Erfindung schlägt also eine Systemarchitektur bei einer Magnetresonanzeinrichtung vor, bei der nur ein Teil der Empfangsspulen drahtlos (also kabellos) an das System angebunden sind. Alle anderen Empfangsspulen übermitteln ihre Magnetresonanzsignale, analog und/oder digital, auf eine herkömmliche Art und Weise kabelgebunden an die Verstärkervorrichtung. Die drahtlose Übertragung wird mithin lediglich für solche Empfangsspulen genutzt, bei denen dies sinnvoll ist und bei denen die eingangs bereits genannten Vorteile bezüglich der Handhabbarkeit und des Patientenkomforts auch gegeben sind.
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So kann vorgesehen sein, dass die erste Gruppe alle posterioren Lokalspulen und/oder alle in eine Patientenliege integrierten Lokalspulen und/oder alle mittels einer Anschlussmechanik auf die Patientenliege aufsetzbaren Lokalspulen umfasst. Das bedeutet also, dass Spulen, die ohnehin bereits „fest” integriert sind oder ohnehin unter einem Patienten platziert werden müssen, mithin zeitlich vor dem Patienten, sowie Spulen, bei denen die Infrastruktur für einen einfachen Anschluss bereits an der Patientenliege gegeben ist, jeweils weiter die in diesen Fällen auf bekannte Weise wenig störend realisierbare Verkabelungsinfrastruktur, also ihre kabelgebundene Kommunikationsverbindung, nutzen können. Solche Empfangsspulen der ersten Gruppe besitzen ohnehin einen festen Kontakt zur Magnetresonanzeinrichtung, so dass sie kaum Vorteile bei der Ausführung in drahtloser Technik bieten, lediglich das Wegfallen der kabelgebundenen Energieversorgung und der damit verbundenen Abdrosselung der Leitungen zur Verhinderung der Ausbreitung von Mantelwellen ist als relativ geringer Vorteil zu nennen.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die zweite Gruppe alle anterioren Lokalspulen und/oder alle frei positionierbaren Lokalspulen und/oder nur für bestimmte Anwendungen einzusetzende Lokalspulen umfasst. Über eine drahtlose Kommunikationsverbindung sind also bevorzugt alle anterioren Empfangsspulen und alle Empfangsspulen, bei denen es wichtig ist, dass sie an beliebigen Positionen auf der Liege gelagert werden können, an die Magnetresonanzeinrichtung, insbesondere die Empfängervorrichtung, ankoppelbar. Die zweite Gruppe kann jedoch auch Empfangsspulen umfassen, die nur äußerst selten benötigt werden und daher zunächst erst noch am System, welches beispielsweise keine definierte, feste Infrastruktur für deren Anschluss bietet, angeschlossen werden müssen.
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Durch das beschriebene erfindungsgemäße Konzept kann die maximale Zahl der per Funk zu übertragenden Kanäle deutlich, beispielsweise um bis zu 50 Prozent, reduziert werden, weil große Teile eines zu untersuchenden Patienten auf den in der Patientenliege integrierbaren Empfangsspulen liegen oder mit über eine Anschlussmechanik, die dann auch die Verbindungsleitungen üblicherweise gleich umfasst, leicht ankoppelbaren Empfangsspulen vermessen werden. Eine Reduktion der Zahl der per Funk zu übertragenden Kanäle ist von einer großen Bedeutung, da der hohe Bandbreitenbedarf insbesondere bei digitaldrahtloser Übertragung problematisch ist. Hohe Bandbreiten erfordern hohe Übertragungsfrequenzen, die beispielsweise im Bereich von > 10 GHz mit hohen Kosten verbunden sind, die je nach der verwendeten Übertragungstechnologie in Sprüngen ansteigen, beispielsweise für 24 GHz, 60 GHz, 77 GHz oder 94 GHz. Eine Verwendung derart hoher Frequenzen erfordert wiederum eine teure Empfangstechnik seitens oder vorgeschaltet der Empfängervorrichtung und eine hohe Energieversorgungsleistung zu den Empfangsspulen, die drahtlos übertragen sollen, da die Erzeugung von Sendeleistung für die drahtlose Kommunikationsverbindung in der Empfangsspule mit zunehmender Übertragungsfrequenz ineffizienter wird.
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Mithin ist es durch die erfindungsgemäß mögliche Reduzierung der maximal per Funk zu übertragenden Kanäle möglich, den Bandbreitebedarf, die Frequenz und damit den Leistungsbedarf und die Kosten der drahtlosen Empfangsspulen signifikant zu reduzieren. Dies wird durch Realisierung eines hybriden Magnetresonanz-Empfangssystems erreicht, bei dem nur die Empfangsspulen drahtlos angebunden werden, bei denen dies einen tatsächlichen Vorteil bietet, während die anderen Empfangsspulen über bereits bekannte kabelgebundene Techniken an das System angebunden werden können.
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Wie bereits erwähnt, wirkt sich die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft aus, wenn wenigstens ein Teil der Empfangsspulen eine Digitalisierungsvorrichtung zur Digitalisierung der Magnetresonanzsignale innerhalb der Empfangsspule umfasst. Nach der Digitalisierung ist es erforderlich, jedem digitalisierten Magnetresonanzsignal, mithin jedem Spulenelement, einen Kanal zur Übertragung zuzuordnen. Die Digitalisierung erlaubt mit besonderem Vorteil eine robustere Funkübertragung.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass wenigstens eine Empfangsspule mehrere einzelne Spulenelemente umfasst, deren Magnetresonanzsignale einzeln und/oder gruppenweise zusammengefasst übertragbar sind. Dabei kann zur gruppenweisen Zusammenfassung der Signale ein Multiplexer vorgesehen sein. Beispielsweise sind Empfangsspulen denkbar, die 32 Spulenelemente umfassen. Diese 32 Spulenelemente können nun in vier Gruppen zu jeweils acht Spulenelementen zusammengefasst werden, deren Magnetresonanzsignal über einen Multiplexer zusammengefasst werden. Gegebenenfalls kann auf den Multiplexer dann eine Signalkompressionseinrichtung folgen, wobei die derart zusammengefassten Signale in dem „front end” allesamt einem Analog-Digital-Konverter (ADC) zugefügt werden. Nach einer gegebenenfalls durchzuführenden digitalen Signalverarbeitung kann dann über die spulenseitige Sendeeinrichtung das Aussenden der Magnetresonanzsignale erfolgen. In dem oben genannten Beispiel können beispielsweise vier 8-Kanal-Frontends vorgesehen sein, deren Ausgänge allesamt einem 4-Kanal-ADC zugeführt werden.
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Was die Spulen der ersten Gruppe angeht, können übliche gängige Methoden zur kabelgebundenen Signalübertragung verwendet werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung eine optische und/oder eine elektrische Übertragungsstrecke umfasst. Entsprechend handelt es sich bei den kabelgebundenen Kommunikationsverbindungen beispielsweise um Glasfasern und/oder elektrisch leitfähige Drähte. Die entsprechenden Verbindungsmöglichkeiten sind im Stand der Technik bereits bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.
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Mit der drahtlosen Übertragung der Magnetresonanzsignale geht üblicherweise auch der Wunsch nach einer vollkommenen Kabellosigkeit der entsprechenden Empfangsspulen einher, so dass im Stand der Technik auch Konzepte zur drahtlosen Übertragung von Energie an die Empfangsspulen bereits bekannt sind. So kann vorgesehen sein, dass die Empfangsspulen der zweiten Gruppe wenigstens ein zum Empfang von von einer Sendeantenne für Energie, insbesondere einer Sende-Körperspule der Magnetresonanzeinrichtung, übertragener Energie ausgebildetes Spulenelement umfassen. Das Spulenelement kann dabei eines der zum Empfang der Magnetresonanzsignale dienenden Spulenelemente sein, es ist jedoch auch möglich, ein dediziertes Spulenelement vorzusehen, das allein zum Empfang von Energie ausgebildet ist. Es wurden bereits Konzepte vorgeschlagen, eine bereits vorhandene Sende-Ganzkörperspule der Magnetresonanzeinrichtung auch zum Übertragen von Energie an drahtlose Lokalspulen zu verwenden, jedoch ist es auch möglich (und in manchen Fällen sogar bevorzugt), diese Übertragung durch zusätzliche, dedizierte Sendeantennen vorzunehmen.
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Grundsätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung vorgesehen sein, dass die Zahl der Eingangskanäle der Empfängervorrichtung der Zahl der durch die Empfangsspulen bereitgestellten Spulenelemente entspricht. In diesem Fall muss keine Auswahl der zu nutzenden Kanäle bzw. keine Zuordnung von Spulenelementen zu Eingangskanälen stattfinden, wobei jedoch vorgesehen sein kann, dass eine Auswahl der zu verwendenden, von einem Spulenelement gemessenen Magnetresonanzsignale in einer Software auf einem Bildrechner oder auf einem dem Bildrechner vorgelagerten Digitalbauelement stattfindet.
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Üblicherweise werden jedoch für eine bestimmte Magnetresonanzmessung nicht alle Magnetresonanzsignale aller Spulenelemente benötigt, sondern lediglich die, die auch aus dem aktuellen Field of View stammen. Würde man daher Eingangskanäle und Verarbeitungsbausteine sowie Übertragungsbandbreite für alle diese Spulenelemente bereitstellen, wäre ein letztlich unnötiger, großer Aufwand gegeben.
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Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bevorzugt, wenn die Zahl der durch die Empfangsspulen bereitgestellten Spulenelemente für Magnetresonanzsignale größer ist als die Zahl der Eingangskanäle der Empfängervorrichtung, wobei eine Schaltvorrichtung zur Zuordnung von auszulesenden Spulenelementen zu Eingangskanälen vorgesehen ist. Eine derartige Ausgestaltung ist grundsätzlich bereits von Magnetresonanzeinrichtungen bekannt, bei denen lediglich kabelgebundene Kommunikationsverbindungen existieren. Die vorliegende Erfindung benötigt eine Anpassung dieses Konzepts, nachdem die Magnetresonanzsignale auf unterschiedliche Art und Weise übertragen werden, wobei diese Anpassung auch zur vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung genutzt werden kann.
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So kann in konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass empfängervorrichtungsseitig eine insbesondere eine Signalkonvertierungseinrichtung für die Signale der ersten und der zweiten Gruppe umfassende Zusammenführungseinrichtung für die von den Empfangsspulen übertragenen Magnetresonanzsignale vorgesehen ist. In der Empfängervorrichtung werden mithin die Signale, die in physikalisch unterschiedlicher Form vorliegen (beispielsweise elektrisch/optisch, analog/digital, verschiedene Frequenzlagen, verschieden Multiplexkonzepte), in ein identisches physikalisches und logisches Format gebracht und dann den Eingangskanälen, die für alle Signalpfade identisch sind, zugeführt. Um eine Auswahl bzw. Zuordnung von Magnetresonanzsignalen zu Empfangskanälen durchzuführen, so dass Eingangskanäle gespart werden können, kann vorgesehen sein, dass die Schaltvorrichtung eine der Zusammenführungseinrichtung nachgeordnete Schaltmatrix zur Auswahl der auszuwertenden Magnetresonanzsignale umfasst. In dieser Ausgestaltung ist also eine zentrale Schaltmatrix vorgesehen, der alle (auf dasselbe Format gebrachten) Signale zugeführt werden.
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Denkbar ist es jedoch auch (und gegebenenfalls sogar zusätzlich), dass die Schaltvorrichtung für die erste und/oder die zweiten Gruppe eine Vorauswahleinrichtung zur Auswahl von an die Empfängervorrichtung zu übertragenden Magnetresonanzsignalen umfasst. In einfachster Ausführung sind dies zwei getrennte Schaltmatrizen, die der Zusammenführungseinrichtung vorgeschaltet sind. Dies kann bereits vorteilhaft sein, nachdem mit möglichst weit in Richtung der Spule vorgelagerten Vorauswahleinrichtungen eine möglichst frühzeitige Reduktion der Empfängerkette nur auf die Hardware, die tatsächlich benötigt wird, möglich ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Vorauswahleinrichtung der zweiten Gruppe zu einer dynamischen Zuordnung von auszulesenden Spulenelementen und/oder Spulenelementengruppen zur drahtlosen Übertragungskanälen, insbesondere Frequenzbereichen, ausgebildet ist. Letztlich wird in diesem Fall nur eine bestimmte Zahl an Übertragungskanälen vorgehalten, auf die dynamisch die tatsächlich auszulesenden Spulenelemente verteilt werden können. Hieraus erhält man den besonderen Vorteil, dass die Zahl der benötigten Übertragungskanäle und mithin die benötigte Gesamtbandbreite zur Übertragung nochmals deutlich reduziert werden kann, da üblicherweise kein Fall auftritt, in dem alle beteiligten Spulenelemente gleichzeitig zur Magnetresonanzbildgebung benötigt werden, also allesamt im Field of View Daten aufnehmen. Seitens der zweiten Gruppe werden mithin alle drahtlos angebundenen Empfangsspulen, insbesondere Lokalspulen, dynamisch so konfiguriert, dass nur die Spulenelemente, welche gerade empfangen sollen, ihr Magnetresonanzsignal drahtlos zur Empfängervorrichtung übertragen. Die Vorauswahl geschieht in diesem Fall also bereits bei der Spulenselektion. Dabei sei an dieser Stelle noch der weitere Vorteil angemerkt, dass, da die Schnittstelle zur Empfängervorrichtung drahtlos ist, die Zahl der in der Magnetresonanzeinrichtung gleichzeitig anwendbaren Empfangsspulen beliebig hoch ist, nachdem diese Zahl nicht mehr durch die Zahl der auf der Patientenliege vorhandenen Steckplätze begrenzt wird. Beispielsweise können also zehn Spulen mit je 32 Spulenelementen auf einer Patientenliege eingesetzt werden, die lediglich zwei Steckplätze hat, wobei die zehn Empfangsspulen drahtlos ausgelesen werden. Dabei können je nach der Kapazität der drahtlosen Schnittstelle, letztlich also der verfügbaren Bandbreite, immer ein oder auch zwei Empfangsspulen gleichzeitig ausgelesen werden, wobei es selbstverständlich auch möglich ist, hier eine feinere Aufteilung zu wählen, beispielsweise nur Teilübertragungsbandbreiten vorzusehen und eine Empfangsspule anzuweisen, nur die Magnetresonanzsignale des entsprechenden Teils, beispielsweise einer Gruppe, von Spulenelementen zu übertragen. Andere Empfangsspulen sind gar nicht aktiv, weil sie entweder entsprechend konfiguriert wurden oder, beispielsweise aufgrund ihrer Lage, gar nicht erst mit Energie versorgt werden. Die im Beispiel erwähnten beiden Steckplätze können für posteriore Empfangsspulen der ersten Gruppe verwendet werden, beispielsweise eine Wirbelsäulen-Empfangsspule und/oder eine Kopf-Nacken-Spule. Für die Spulen der ersten Gruppe kann selbstverständlich weiterhin eine Vorselektion, beispielsweise unter Verwendung einer Schaltmatrix als Vorauswahleinrichtung, stattfinden.
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In weiterer Ausgestaltung im Zusammenhang mit dieser dynamischen Zuordnung kann vorgesehen sein, dass die Empfangsspulen wenigsten eine über extern zugeführte Energie betreibbare Steuereinrichtung umfassen, die zum Aussenden eines spulenspezifischen Identifikationssignals, insbesondere auf ein Anfragesignal einer den Empfang von Signalen über die drahtlose Kommunikationsverbindung und/oder die dynamische Zuordnung steuernden Steuereinrichtung der Vorauswahleinrichtung, ausgebildet ist. Spulenseitig wird also bereits eine gewisse Elektronik vorgesehen, die in der Lage ist, zur Identifikation der entsprechenden Empfangsspule zu dienen, um so eine gezielte Zuweisung von Übertragungskanälen zu erlauben. Für diese Steuerung existiert also eine Art „Downlink” zu den Empfangsspulen, über den diese aktiviert/deaktiviert werden können und insbesondere auch Anfragen gesendet werden können. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Spulenidentifikation über dieselbe digitale Schnittstelle erfolgt, über die auch das Senden der Magnetresonanzsignale (Daten-Uplink) erfolgt. Jeder Empfangsspule kann hierbei eine empfangsspulenspezifische digitale Adresse zugeordnet sein. Dabei wird es bevorzugt, dass die Empfangsspule zwar, sobald sie drahtlose Energie empfängt, zum Antworten ausgebildet ist, jedoch nicht ungefragt ihre Identifikation oder sonstige Daten sendet, sondern seitens der Steuereinrichtung der Vorauswahleinrichtung entschieden wird, insbesondere angesteuert von einer Gesamtsteuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung, wann überprüft wird, ob und welche Empfangsspulen zur Verfügung stehen. Derartige Anfragen können beispielsweise bei einem Verfahren der Patientenliege oder dergleichen gestellt werden.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise vorgesehen sein, dass 64 vorhandene Übertragungskanäle in 8 Subbänder (Frequenzbereiche) aufgeteilt werden, wobei durch die Vorauswahleinrichtung einzelne Gruppen von Spulenelementen dynamisch bestimmten Subbändern zuweist. Die Information über diese Zuweisung erfolgt über den „Downlink” zur jeweiligen Empfangsspule.
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In diesem Zusammenhang ist es weiterhin vorteilhaft, wenn eine zur Energieübertragung an die Empfangsspulen der zweiten Gruppe ausgebildete Sendeantenne für Energie in Längsrichtung einer Patientenaufnahme der Magnetresonanzeinrichtung länger als eine Sendespule, insbesondere eine Ganzkörper-Sendespule, insbesondere die Sendespule beidseitig überragend, ausgebildet ist. Die Ganzkörper-Sendespule bzw. sonstige Sendespule definiert letztlich das Field of View für eine Magnetresonanzaufnahme, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Empfangsspulen der zweiten Gruppe bereits mit Energie versorgt werden, bevor sie, beispielsweise bei einer Bewegung der Patientenliege, in das eigentliche Field of View eintreten. Auf diese Weise können die Empfangsspulen der zweiten Gruppe frühzeitig, insbesondere durch eine entsprechende Antwort auf eine Anfrage, identifiziert werden und in Betracht gezogen werden, wenn sie später, beispielsweise im Verlauf einer Übersichtsaufnahme oder im Rahmen einer sonstigen Aufnahmeserie, in das Field of View eingefahren werden.
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Wie bereits erwähnt, erlaubt es die vorliegende Erfindung auch, niedrigere Übertragungsfrequenzen für die drahtlose Kommunikationsverbindung zu verwenden. So kann vorgesehen sein, dass die Funkfrequenz für die drahtlose Kommunikationsverbindung unterhalb von 10 GHz liegt. Dies ist möglich, nachdem niedrigere Bandbreiten benötigt werden, nachdem die Zahl der Kanäle durch die hybride Ausgestaltung sinkt, insbesondere ferner noch durch eine dynamische Zuordnung von Spulenelementen zu Übertragungskanälen weiter reduziert werden kann.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass zum Empfang von über die drahtlose Kommunikationsverbindung übertragenen Magnetresonanzsignalen mehrere Empfangsantennen vorgesehen sind, denen eine Auswahleinrichtung zur Auswahl der von einer der Antennen empfangenen Magnetresonanzsignale nachgeschaltet ist. Eine derartige Ausgestaltung wird üblicherweise auch als Diversity-Empfangssystem bezeichnet. Die Verwendung eines solchen Diversity-Empfangssystems wirkt Signalverlusten durch ungünstige Ausbreitungsbedingungen in der Patientenaufnahme, insbesondere eine Mehrwegeausbreitung, entgegen, indem an mehreren unterschiedlichen Positionen Empfangsantennen vorgesehen sind, wobei lediglich das qualitativ hochwertigste Signal weitergeleitet wird.
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Neben der Magnetresonanzeinrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung, zur Aufnahme von Magnetresonanzsignalen mittels mehrerer Empfangsspulen, wobei Magnetresonanzsignale einer ersten Gruppe von Empfangsspulen kabelgebunden an eine Empfängervorrichtung übertragen werden und Magnetresonanzsignale einer zweiten Gruppe von Empfangsspulen drahtlos an die Empfängervorrichtung übertragen werden. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, mit welchem mithin auch die konkret genannten Vorteile erreicht werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung,
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2 eine mögliche Ausgestaltung einer Empfangsspule der ersten Gruppe,
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3 eine mögliche Ausgestaltung der Empfangsspule der zweiten Gruppe,
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4 eine Prinzipskizze zur Zuordnung von Spulenelementen zu Eingangskanälen in einer ersten Ausführungsform,
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5 eine Prinzipskizze zur Übertragung von Energie an Empfangsspulen der zweiten Gruppe,
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6 eine Prinzipskizze zur Zuordnung von Spulenelementen zu Übertragungskanälen zu einem ersten Zeitpunkt, und
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7 eine Prinzipskizze zur Zuordnung von Spulenelementen zu Übertragungskanälen zu einem zweiten Zeitpunkt.
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1 zeigt eine grobe Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 1, bei der die grundsätzlich bekannten, im Rahmen der vorliegenden Erfindung aber nicht wesentlichen Komponenten wie der Grundfeldmagnet, die Gradientenspulen und dergleichen der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt sind.
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Die Magnetresonanzeinrichtung 1 umfasst mehrere Empfangsspulen 2, die wiederum jeweils eine Mehrzahl von Spulenelementen umfassen können. Vorliegend handelt es sich bei den Empfangsspulen 2 um sogenannte Lokalspulen, die nah an einem zu untersuchenden Patienten angeordnet werden können. Magnetresonanzsignale wenigstens eines Teils der Spulenelemente der Empfangsspulen 2 sollen wie üblich an eine Empfängervorrichtung 3 übertragen werden. Vorliegend ist zur Übertragung eine Art Hybridarchitektur vorgesehen, wobei die Empfangsspulen 2 in eine erste Gruppe 4 und eine zweite Gruppe 5 aufgeteilt sind. Die Empfangsspulen der ersten Gruppe sind jeweils über eine kabelgebundene Kommunikationsverbindung 6 mit der Empfängervorrichtung 3 verbunden, welche beispielsweise eine optische und/oder eine elektrische Übertragungsstrecke umfassen können.
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Bei den Empfangsspulen der ersten Gruppe handelt es sich vorliegend um die posterioren Lokalspulen und alle in eine hier noch nicht näher gezeigte Patientenliege integrierten Lokalspulen. Auch Lokalspulen, die mittels einer Anschlussmechanik auf die Patientenliege aufsetzbar sind, beispielsweise Kopfspulen, sind in der ersten Gruppe 4 enthalten. Die erste Gruppe 4 enthält also alle Empfangsspulen 2, bei denen es nicht auf eine beliebige Positionierbarkeit bzw. eine Positionierbarkeit auf dem Patienten ankommt.
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Die Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5 umfassen alle anterioren Lokalspulen, die üblicherweise frei positionierbar sein sollen, jedoch auch alle anderen Lokalspulen, die frei positionierbar sein sollen. Auch selten benötigte Lokalspulen, die beispielsweise nur für bestimmte Anwendungen eingesetzt werden sollen, können in der zweiten Gruppe 5 enthalten sein. Die Signale der zweiten Gruppe 5 werden über eine drahtlose Kommunikationsverbindung 7, hier eine Funkverbindung, an die Empfängervorrichtung 3 übertragen, das bedeutet, sie sind entweder ständig über die Kommunikationsverbindung 7 mit der Empfängervorrichtung 3 verbunden oder können bei Bedarf mit der Empfängervorrichtung 3 verbunden werden.
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Nachdem nicht alle Empfangsspulen 2 ihre Magnetresonanzsignale drahtlos übertragen müssen, sind weniger Kanäle erforderlich, so dass eine niedrige Funkfrequenz, beispielsweise kleiner als 10 GHz, verwendet werden kann.
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2 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung einer Empfangsspule 2 der ersten Gruppe 4. Ersichtlich umfasst die Empfangsspule 2 eine Mehrzahl von Spulenelementen 8, hier zweiunddreißig Spulenelemente 8, die in vier Gruppen acht Spulenelemente 8 eingeteilt sind. Jede der Gruppen von Spulenelementen 8 ist einem 8-Kanal-Frontend 9 zugeordnet, von denen der einfacheren Darstellung halber nur eines im Vordergrund vollständig gezeigt ist. Die von den Spulenelementen 8 empfangenen Magnetresonanzsignale werden zunächst durch einen rauscharmen Verstärker 10 verstärkt und danach durch einen rauscharmen Frequenzkonverter 11 auf eine Zwischenfrequenz gebracht. Ein Multiplexer 12 fasst die Signale zusammen. Dem Multiplexer 12 folgt eine Signalkompressionseinrichtung 13.
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Die so vorbearbeiteten Magnetresonanzsignale der Frontends 9 werden dann einem gemeinsamen vierkanaligen Analog-Digital-Konverter 14 einer Digitalisierungs- und Sendeeinrichtung 15 zugeführt. Nach einer optionalen digitalen Signalverarbeitung durch einen DSP 16 werden die digitalisierten Signale einer elektro-optischen Konvertereinrichtung 17 zugeführt und dann über die Kommunikationsverbindung 6, welche vorliegend Glasfasern umfasst, zu der Empfängervorrichtung 3 übertragen.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Empfangsspule 2 der zweiten Gruppe 5. Diese ist im Wesentlichen identisch aufgebaut, davon abgesehen, dass in der Digitalisierungs- und Sendeeinrichtung nun eine Sendeeinheit 18 mit einer Antenne 19 vorgesehen ist, um die Magnetresonanzsignale an die drahtlose Kommunikationsverbindung 7 übertragen zu können.
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Ferner umfasst eine Empfangsspule 2 der zweiten Gruppe 5 noch eine Energieempfangseinrichtung 20, die die über eine Sendeantenne zur Übertragung von Energie an die Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5 ausgesendete Energie empfängt. Die Energieempfangseinrichtung 20 weist ein Spulenelement 21 zum Empfang der Energie auf. Diesem ist ein Wandler 22 nachgeschaltet.
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Ferner kann eine Empfangsspule 2 der ersten Gruppe 5 auch eine Steuereinrichtung 23 umfassen, falls eine dynamische Zuweisung von Übertragungskanälen der Kommunikationsverbindung 7 vorgenommen wird, worauf mit Bezug auf die 6 und 7 noch näher eingegangen werden wird.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zahl der Eingangskanäle der Empfängervorrichtung 3 kleiner als die Zahl der Spulenelemente 8 aller Empfangsspulen 2. Mithin ist ein Konzept notwendig, um die Magnetresonanzsignale auszulesender Spulenelemente 8 Eingangssignalen zuzuordnen. Ein erstes Konzept, wie dieses vorgenommen werden kann, wird in der Prinzipskizze der 4 für eine erste Ausführungsform erläutert, die auch das Empfangssystem für die drahtlos über die Kommunikationsverbindung 7 übertragenen Magnetresonanzsignale näher zeigt.
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Gezeigt ist schematisch die Patientenaufnahme 24 der Magnetresonanzeinrichtung 1, in die eine Patientenliege 25 eingeschoben ist. Auf der Patientenliege 25 sind zwei Empfangsspulen 2 der ersten Gruppe 4, nämlich eine posteriore Wirbelsäulenspule 2a und eine auf die Patientenliege 25 mittels einer entsprechenden Anschlussmechanik 26 aufsetzbare Kopfspule 2b sowie zwei anteriore, beliebig positionierbare Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5, hier die Lokalspulen 2c und 2d, angeordnet. Die Glasfasern enthaltenden Kabel der kabelgebundenen Kommunikationsverbindungen 6 sind in 4 ebenso gezeigt. Sie enden an einer Signalkonvertierungseinrichtung 27, die die übertragenen Magnetresonanzsignale auf ein bestimmtes, definiertes Format umsetzt.
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Über die drahtlose Kommunikationsverbindung 7 übertragene Magnetresonanzsignale werden von einer Mehrzahl von Antennen 28, die in der Patientenaufnahme 24 verteilt angeordnet sind, empfangen. Diese bilden Teil eines Diversity-Empfangssystems, das Störungen durch Reflexionen innerhalb der Patientenaufnahme 24 und dergleichen ausgleichen soll. Die von den Antennen 28 empfangenen Übertragungen werden durch Verstärker 29 verstärkt und durch gegebenenfalls mit Mantelwellensperren 30 versehene Kabel an eine Auswahleinrichtung 31 („diversity selector”) weitergeleitet, welche für jeden Übertragungskanal das Signal der besten Qualität auswählt.
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Auch die über die drahtlose Kommunikationsverbindung 7 übertragenen Magnetresonanzsignale werden dann einer Signalkonvertierungseinrichtung 32 zugeführt, die diese Signale ebenso auf das definierte Format bringt, so dass nun alle transportierten Magnetresonanzsignale im gleichen Format vorliegen. Eine Schalteinrichtung 33, die die Magnetresonanzsignale Eingangskanälen der Empfängervorrichtung 3 zuordnen soll, umfasst nun eine Schaltmatrix 34, die diese auf das definierte Format gebrachten Magnetresonanzsignale den Eingangskanälen der Empfängervorrichtung 3 zuordnet, wo die ausgewählten Magnetresonanzsignale dann über eine geeignete Auswertungselektronik 35 weiterverarbeitet werden und schließlich einem Bildrechner 36 zugeführt werden, wo das Magnetresonanzbild rekonstruiert wird.
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Denkbar ist es jedoch auch, die Auswahl der auszulesenden Spulenelemente früher vorzunehmen, im Fall der ersten Gruppe 5 idealerweise bereits vor der Übertragung über die drahtlose Kommunikationsverbindung 7. Um dies zu erläutern, sei zunächst die Übertragung von Energie an die Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5 näher anhand der 5 erläutert. Dort ist in einer Prinzipskizze die letztlich das Field of View definierende Ganzkörper-Sendespule 37 der Magnetresonanzeinrichtung 1 gezeigt. In Längsrichtung der Patientenaufnahme 24 länger ausgeführt und an beiden Seiten das Field of View bzw. die Ganzkörper-Sendespule 37 überragend ist nun zusätzlich eine Sendeantenne 38 für die Übertragung der Energie an die Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5 vorgesehen, wobei die Energieübertragung beispielsweise auf einer Frequenz von 5 MHz erfolgen soll, wozu ein entsprechender Leistungsverstärker 39 vorgesehen ist. Die Ganzkörper-Sendespule 37 wird wie üblich über eine Sendeeinrichtung 40 von der zentralen Messkontrolle einer zentralen Steuereinrichtung 41 angesteuert. Die Energie wird innerhalb der Empfangsspulen 2 über das Spulenelement 21 empfangen.
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Umfassen die Empfangsspulen 2 der zweiten Gruppe 5 nun die Steuereinrichtung 23, so ist auch eine dynamische Zuordnung von Empfangsspulen 2 bzw. Gruppen von Spulenelementen 8 der Empfangsspulen 2 zu Übertragungskanälen möglich, was mit Hilfe der 6 und 7 näher erläutert sei. Dazu ist zunächst festzuhalten, dass aufgrund der längeren Ausführung der Sendeantenne 38 das Energiefeld 42, in dem die Energie empfangen werden kann, größer als das Field of View 43 ist. Damit können, beispielsweise bei einer Bewegung der Patientenliege 25, angedeutet durch den Pfeil 44, Lokalspulen 2 bereits Energie erhalten, bevor sie in das Field of View 43 eintreten. Dann erhält folglich auch die Steuereinrichtung 23 einen Betriebsstrom.
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In der Situation in 6 sind mithin die rechten drei Empfangsspulen 2 mit Energie versorgt, jedoch befinden sich nicht alle ihrer Spulenelemente 8 innerhalb des Field of View 43. Innerhalb des Field of View 43 befinden sich lediglich die Gruppen 45a bis 45h, deren empfangene Magnetresonanzsignale mithin von Interesse sind. Diesen werden nun dynamisch in Form des Kastens 46 angedeutete Übertragungskanäle ch0 bis ch7 zugewiesen, so dass sie an den Empfänger 47 mit den Antennen 28 übertragen werden können. Hierzu ist der Empfänger 47 auch zum Senden von Anfragen ausgebildet und umfasst als Teil der Vorauswahleinrichtung eine weitere Steuereinrichtung 48, die zu bestimmten Anlässen abfragt, welche Empfangsspulen 2 verfügbar sind, beispielsweise immer bei einer Bewegung der Patientenliege 25. Wird eine solche Anfrage empfangen, sendet die Steuereinrichtung 23 eine individuelle digitale Adresse ihrer Empfangsspule 2 zurück, wenn Energie verfügbar ist, sie sich also im Energiefeld 42 befindet. Aufgrund der Information, welche Empfangsspulen 2 verfügbar sind, kann nun die Steuereinrichtung 48 die dynamische Übertragungskanalzuteilung erreichen und sendet entsprechende Anweisungen an die Steuereinrichtungen 23, welche dann einzelne Spulengruppen 45a bis 45h ihr zur Verfügung stehenden Übertragungskanälen ch0 bis ch7 (Subbändern bzw. Frequenzbereichen) zuordnen. Dies ist durch die Pfeile 49 in 6 angedeutet. Über jeden der Übertragungskanäle ch0 bis ch7 können entsprechend acht Magnetresonanzsignale übertragen werden, so dass insgesamt vierundsechzig Magnetresonanzsignale übertragbar sind, wobei die Zuordnung nicht empfangsspulengebunden ist, sondern ersichtlich auch für die Gruppen 45a bis 45h von Spulenelementen 8 derart erfolgen kann, dass von manchen Empfangsspulen 2 nur ein Teil der Gruppen 45 tatsächlich ausgelesen wird und die Magnetresonanzsignale weiter übertragen werden.
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Wie bereits erwähnt, ist diese Zuordnung dynamisch anpassbar, was durch die Darstellung zu einem zweiten Zweitpunkt gemäß 7 näher erläutert werden soll. Die Patientenliege 25 wurde hier gemäß des Pfeils 44 weiterbewegt. In diesem Beispiel befinden sich alle vier gezeigten Empfangsspulen 2 innerhalb des Energiefeldes 42, sind also bestromt.
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Während sich die Gruppen 45f, 45g und 45h nun nicht mehr innerhalb des Field of View 43 befinden, gilt dies nun für die Gruppen 45i, 45j und 45k. Entsprechend wurden die freigewordenen Übertragungskanäle ch5, ch6 und ch7 nun gemäß der Pfeile 49' diesen neu in das Field of View 43 verschobenen Spulengruppen 45i, 45j und 45k zugeordnet.
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Es ist also eine ständige Anpassung durch Austausch von Signalen der Steuereinrichtung 48, 23 möglich.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetresonanzeinrichtung
- 2
- Empfangsspule
- 2a
- Wirbelsäulenspule
- 2b
- Kopfspule
- 2c
- Lokalspule
- 2d
- Lokalspule
- 3
- Empfängervorrichtung
- 4
- erste Gruppe
- 5
- zweite Gruppe
- 6
- drahtgebundene Kommunikationsverbindung
- 7
- drahtlose Kommunikationsverbindung
- 8
- Spulenelement
- 9
- 8-Kanal-Frontend
- 10
- Verstärker
- 11
- Frequenzkonverter
- 12
- Multiplexer
- 13
- Signalkompressionseinrichtung
- 14
- Konverter
- 15
- Digitalisierungs- und Sendeeinrichtung
- 16
- DSP
- 17
- Konvertereinrichtung
- 18
- Sendeeinheit
- 19
- Antenne
- 20
- Energieempfangseinrichtung
- 21
- Spulenelement
- 22
- Wandler
- 23
- Steuereinrichtung
- 24
- Patientenaufnahme
- 25
- Patientenliege
- 26
- Anschlussmechanik
- 27
- Signalkonvertierungseinrichtung
- 28
- Antenne
- 29
- Verstärker
- 30
- Mantelwellensperre
- 31
- Auswahleinrichtung
- 32
- Signalkonvertierungseinrichtung
- 33
- Schalteinrichtung
- 34
- Schaltmatrix
- 35
- Auswertungselektronik
- 36
- Bildrechner
- 37
- Ganzkörper-Sendespule
- 38
- Sendeantenne
- 39
- Leistungsverstärker
- 40
- Sendeeinrichtung
- 41
- Steuereinrichtung
- 42
- Energiefeld
- 43
- Field of View
- 44
- Pfeil
- 45
- Gruppe
- 45a
- Gruppe
- 45b
- Gruppe
- 45c
- Gruppe
- 45d
- Gruppe
- 45e
- Gruppe
- 45f
- Gruppe
- 45g
- Gruppe
- 45h
- Gruppe
- 45i
- Gruppe
- 45j
- Gruppe
- 45k
- Gruppe
- 46
- Kasten
- 47
- Empfänger
- 48
- Steuereinrichtung
- 49
- Pfeil
- 49'
- Pfeil
