DE102020118102A1 - Method for detecting the magnetic response of a distribution of magnetizable particles to a magnetic excitation field - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur Erfassung der magnetischen Antwort einer Verteilung magnetisierbarer Partikel auf ein magnetisches Anregungsfeld mit einer vorbestimmten Grundfrequenz, wobei die magnetische Antwort in wenigstens einer Detektionsspule ein Spannungssignal mit Anteilen der Harmonischen der Grundfrequenz induziert und wobei in wenigstens einer Kompensationsspule ein vom magnetischen Anregungsfeld induziertes Kompensationssignal erzeugt und mit dem Spannungssignal destruktiv superponiert wird, so dass ein kompensiertes Spannungssignal an einem Ausgang der Spulenanordnung abgegriffen wird.Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich durch eine spezielle Zuführung des kompensierten Spannungssignals, das Isolieren der führenden Harmonischen mit dem ersten Übertragungsglied, das Unterdrücken der führenden Harmonischen mit dem zweiten Übertragungsglied, das optionale Zuführen der verbleibenden Signalanteile zu einem weiteren Paar von Übertragungsgliedern mit einem vorbestimmten Bandbreitenbereich um die nächsthöhere Harmonische und wiederholen der vorhergehenden Schritte, das Digitalisieren des verbleibenden Signals, wobei jedem Digitalisierungsschritt im jeweiligen Übertragungsglied eine Signalverstärkung derart vorgeschaltet wird, dass die vorbekannte Messdynamik der Digitalisierungseinrichtung ausgeschöpft wird, und die Rekonstruktion der magnetischen Antwort der Partikelverteilung aus den digitalisierten Signalen unter Berücksichtigung der separaten Signalverstärkungen und vorab ermittelter Kalibrierdaten.A method is described for detecting the magnetic response of a distribution of magnetizable particles to a magnetic excitation field with a predetermined fundamental frequency, the magnetic response inducing a voltage signal with components of the harmonics of the fundamental frequency in at least one detection coil and a voltage signal induced by the magnetic excitation field in at least one compensation coil Compensation signal is generated and destructively superimposed with the voltage signal, so that a compensated voltage signal is tapped at an output of the coil arrangement. The technical solution described is characterized by a special supply of the compensated voltage signal, the isolation of the leading harmonics with the first transmission element, the suppression of the leading harmonics with the second transmission element, the optional supply of the remaining signal components to a further pair of transmission elements with a vorbesti mmten bandwidth range around the next higher harmonic and repeat the previous steps, digitizing the remaining signal, with each digitizing step in the respective transmission element being preceded by signal amplification in such a way that the previously known measuring dynamics of the digitizing device are exhausted, and the reconstruction of the magnetic response of the particle distribution from the digitized signals taking into account the separate signal amplifications and previously determined calibration data.
Description
Die Erfindung betrifft ein Messverfahren für die Partikelantwort einer Verteilung magnetisierbarer Partikel auf eine magnetische Anregung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Messdatengewinnung beim Magnetic Particle Imaging (MPI) für einem Patienten vorverabreichte, funktionalisierte Partikel zur Bestimmung ihrer Verteilung im Patienten.The invention relates to a measurement method for the particle response of a distribution of magnetizable particles to a magnetic excitation. The invention relates in particular to the acquisition of measurement data in magnetic particle imaging (MPI) for functionalized particles previously administered to a patient in order to determine their distribution in the patient.
Beim MPI werden beispielsweise super-paramagnetische Eisenoxid-Nanopartikel („super paramagnetic iron oxide nanoparticle“, SPION) durch ein zeitlich periodisches Anregungsmagnetfeld, engl. „drive field“, periodisch magnetisiert. Die Magnetisierung der Partikel hängt dabei nichtlinear von der Magnetfeldstärke ab und bringt selbst ein zeitabhängiges Magnetfeld als Partikelantwort hervor. Durch Erfassen und Analysieren des Zeitverhaltens der Partikelantwort im Verhältnis zur Charakteristik des Anregungsfeldes kann auf die Partikelkonzentration geschlossen werden.At the MPI, for example, super-paramagnetic iron oxide nanoparticles (SPION) are excited by a temporally periodic excitation magnetic field. "drive field", periodically magnetized. The magnetization of the particles depends non-linearly on the magnetic field strength and itself produces a time-dependent magnetic field as the particle response. By recording and analyzing the time behavior of the particle response in relation to the characteristics of the excitation field, conclusions can be drawn about the particle concentration.
Zur Eingrenzung der MPI-Messung auf kleine Volumina wird das magnetische Anregungsfeld mit einem üblich zeitlich konstanten Selektionsmagnetfeld, engl. „selection field“, überlagert. Das Selektionsmagnetfeld weist an wenigstens einem vorbestimmten Punkt des Messvolumens eine Nullstelle auf. Ausgehend von diesem so genannten feldfreien Punkt, kurz: FFP, steigt das Selektionsmagnetfeld in alle Richtungen schnell an, so dass magnetisierbare Nanopartikel schon in geringem Abstand zum FFP in die magnetische Sättigung gelangen. Weit vom FFP entfernte Nanopartikel reagieren kaum noch auf das Anregungsmagnetfeld und leisten keinen signifikanten Beitrag zur Partikelantwort. Das MPI-Messsignal stammt vielmehr aus der lokalen Umgebung des FFP und gibt über die dort vorhandene, lokale Partikelkonzentration Auskunft. Alternativ kann statt eines einzelnen FFP auch eine feldfreie Linie, kurz: FFL, mit Quadrupol-Magnetanordnungen bzw. mit einer geeigneten Konfiguration magnetfelderzeugender Spulen generiert werden.To limit the MPI measurement to small volumes, the magnetic excitation field is combined with a selection magnetic field that is usually constant over time. "selection field", overlaid. The selection magnetic field has a zero at at least one predetermined point of the measurement volume. Starting from this so-called field-free point, in short: FFP, the selection magnetic field increases rapidly in all directions, so that magnetizable nanoparticles reach magnetic saturation even at a short distance from the FFP. Nanoparticles that are far away from the FFP hardly react to the excitation magnetic field and make no significant contribution to the particle response. Rather, the MPI measurement signal comes from the local environment of the FFP and provides information about the local particle concentration there. Alternatively, instead of a single FFP, a field-free line, FFL for short, can be generated with quadrupole magnet arrangements or with a suitable configuration of magnetic field-generating coils.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Position eines FFP oder einer FFL innerhalb einer Region, aus der MPI-Messdaten gewonnen werden sollen - dem sogenannten „field of view“, FOV -, durch Überlagerung des statischen Selektionsfeldes mit einem zeitveränderlichen homogenen Magnetfeld zu verschieben. Dabei werden FFP bzw. FFL entlang zeitlich periodischer Pfade bewegt, die das FOV möglichst vollständig überstreichen bzw. durchlaufen. It is known from the prior art to determine the position of an FFP or an FFL within a region from which MPI measurement data are to be obtained - the so-called "field of view", FOV - by overlaying the static selection field with a time-varying homogeneous magnetic field to move. In this case, FFP or FFL are moved along temporally periodic paths that sweep over or run through the FOV as completely as possible.
Beispielsweise kann ein FFP entlang einer zwei- oder dreidimensionalen Lissajous-Trajektorie geführt werden. Die erfasste Partikelantwort wird mit der aktuellen Position von FFP oder FFL registriert, um einen Flächen- oder Volumenscan der Partikelverteilung im Innern des Objekts bzw. eines lebenden Patienten, zu gewinnen.For example, an FFP can be guided along a two- or three-dimensional Lissajous trajectory. The detected particle response is registered with the current position of the FFP or FFL to obtain an area or volume scan of the particle distribution inside the object or a living patient.
Zum Erfassen der Partikelantwort ist die Verwendung von Detektionsspulen als Magnetfeldsensoren gängig, wobei die Partikelantwort und alle vorhandenen Störfelder durch Induktion in Spannungssignale übersetzt werden. Die Störungen werden dann auf der Ebene der elektrischen Signale behandelt, beispielsweise durch Signal-Filterung im Fourier-Raum. Dabei ist vorbekannt, dass die Partikelantwort überwiegend die Grundfrequenz des Anregungsmagnetfeldes und ihre höheren Harmonischen aufweist, so dass diese Frequenzanteile gezielt zu messen sind.Detection coils are commonly used as magnetic field sensors to record the particle response, with the particle response and all existing interference fields being converted into voltage signals by induction. The disturbances are then treated at the level of the electrical signals, for example by signal filtering in Fourier space. It is previously known that the particle response predominantly has the fundamental frequency of the excitation magnetic field and its higher harmonics, so that these frequency components can be measured in a targeted manner.
Problematisch ist bei diesem Ansatz gleichwohl die eingeschränkte Messdynamik der notwendigen Digitalisierung bei der Erfassung der analogen Ausgangsspannung einer Detektionsspule. Die Spule empfängt große Magnetfeldanteile mit der Grundfrequenz ohne wesentliche Information über die Partikelverteilung und zugleich sehr viel kleinere, informationstragende Magnetfeldanteile - die gesuchte Partikelantwort - mit der Grundfrequenz und ihren höheren Harmonischen, die im Rauschen des AD-Wandlers („analog-to-digital converter“, ADC) verschwinden, wenn dieser nicht übersteuern soll.The problem with this approach is the limited measuring dynamics of the necessary digitization when acquiring the analog output voltage of a detection coil. The coil receives large magnetic field components with the basic frequency without significant information about the particle distribution and at the same time very much smaller, information-carrying magnetic field components - the desired particle response - with the basic frequency and its higher harmonics, which are contained in the noise of the AD converter ("analog-to-digital converter “, ADC) disappear if this should not overdrive.
Die Publikation von
- a. Abgreifen der induzierten Spannung am Ausgang der Detektionsspule und Unterdrücken der Grundfrequenz mit einem stark dämpfenden, passiven Hochpass- oder Bandstoppfilter.
- b. Vorsehen einer Kompensationsspulenanordnung, die das Anregungsfeld - aber nicht das Partikelsignal - genauso wie die Detektionsspule(n) erfasst und beide derart auslöschend verschaltet sind, dass in der Superposition der induzierten Spannungen die Anteile des Sendesignals bei der Grundfrequenz möglichst kompensiert, zumindest aber sehr klein sind (vgl.
1 ).
- a. Tapping off the induced voltage at the output of the detection coil and suppressing the fundamental frequency with a heavily damping, passive high-pass or band-stop filter.
- b. Provision of a compensation coil arrangement which detects the excitation field - but not the particle signal - in the same way as the detection coil(s) and both are connected in such a canceling manner that in the superposition of the induced voltages the components of the transmission signal at the fundamental frequency are compensated as far as possible, but at least are very small (see.
1 ).
Beide Ansätze haben gravierende Nachteile:
- a. Die Grundfrequenz wird so stark gedämpft, dass der Anteil der Partikelantwort bei der Grundfrequenz im Rauschen verloren geht. Sie muss je nach Rekonstruktionsverfahren für die weitere Auswertung geschätzt werden. Die Signalenergie des Partikelsignals wird verringert und der Rauschabstand verschlechtert.
- b. Die Signalstärke des Anregungsfeldes ist um etwa sechs Größenordnungen größer als die Partikelantwort. Es ist deshalb schwierig und aufwendig, eine Kompensationsspulenanordnung so zu realisieren, dass eine vollständige Auslöschung der Signalanteile des Anregungsfeldes erfolgt. In der Praxis wird dies oft nicht erreicht, sondern es bleibt im kompensierten Spannungssignal eine Grundfrequenzkomponente zurück, die zwar den Grundfrequenzanteil der Partikelantwort umfasst, aber das Anregungsfeld dominiert typischerweise immer noch das Signal um mehr als eine Größenordnung. Digitalisiert man dieses Signal unter Ausnutzung des vollen Dynamikumfangs eines ADC, dann lassen sich weniger höhere Harmonische erfassen als mit dem obigen Filteransatz. Dafür kann der Grundfrequenzanteil der Partikelantwort mittels einer Leermessung von dem Anregungssignalanteil getrennt werden.
- a. The fundamental frequency is attenuated so much that the part of the particle response at the fundamental frequency is lost in the noise. Depending on the reconstruction method, it must be estimated for further evaluation. The signal energy of the particle signal is reduced and the signal-to-noise ratio deteriorates.
- b. The signal strength of the excitation field is about six orders of magnitude larger than the particle response. It is therefore difficult and expensive to implement a compensation coil arrangement in such a way that the signal components of the excitation field are completely eliminated. In practice, this is often not achieved, instead leaving a fundamental frequency component in the compensated voltage signal which, while comprising the fundamental frequency component of the particle response, typically still dominates the signal by more than an order of magnitude. If this signal is digitized using the full dynamic range of an ADC, fewer higher harmonics can be captured than with the above filter approach. For this purpose, the fundamental frequency component of the particle response can be separated from the excitation signal component by means of a blank measurement.
Gräser et al. kombinieren beide Ansätze, indem sie ein kompensiertes Spannungssignal abgreifen und mit einer deutlich schwächeren Dämpfung filtern. Die reduzierte Dämpfung gestattet es, dass auch die Partikelantwort bei der Grundfrequenz digitalisierbar bleibt und in der Nachbearbeitung am Rechner lediglich mit der bekannten Transferfunktion des Filters reskaliert werden muss. Zugleich werden mit der vorbekannten Messdynamik des AD-Wandlers mehr höhere Harmonische des Signals erfasst als dies mit einem stärker dämpfenden Filter ohne passive Kompensation möglich wäre.Grass et al. combine both approaches by tapping a compensated voltage signal and filtering it with a significantly weaker attenuation. The reduced damping means that the particle response at the fundamental frequency can also remain digitized and only has to be rescaled with the known transfer function of the filter in post-processing on the computer. At the same time, with the previously known measuring dynamics of the AD converter, more higher harmonics of the signal are recorded than would be possible with a more strongly damping filter without passive compensation.
Der Arbeit von
Die Patentschrift
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine verbesserte Nutzung der Messdynamik eines AD-Wandlers zur Erfassung MPI-tauglicher Messdaten mit einfacheren Mitteln als im Stand der Technik vorzuschlagen.The invention therefore sets itself the task of proposing an improved use of the measurement dynamics of an AD converter for acquiring MPI-compatible measurement data using simpler means than in the prior art.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung der magnetischen Antwort einer Verteilung magnetisierbarer Partikel auf ein magnetisches Anregungsfeld mit einer vorbestimmten Grundfrequenz, wobei die magnetische Antwort in wenigstens einer Detektionsspule ein Spannungssignal mit Anteilen der Harmonischen der Grundfrequenz induziert und wobei in wenigstens einer Kompensationsspule ein vom magnetischen Anregungsfeld induziertes Kompensationssignals erzeugt und mit dem Spannungssignal destruktiv superponiert wird, so dass ein kompensiertes Spannungssignal an einem Ausgang der Spulenanordnung abgegriffen wird, gekennzeichnet durch die Schritte
- a. Zuführen des kompensierten Spannungssignals zu einem ersten Paar von Übertragungsgliedern mit einem vorbestimmten Bandbreitenbereich um die führende Harmonische umfassend ein erstes Übertragungsglied und ein zweites Übertragungsglied;
- b. Isolieren der führenden Harmonischen mit dem ersten Übertragungsglied aufweisend eine Bandpass- oder Tiefpasscharakteristik und Digitalisieren des isolierten Signalanteils;
- c. Unterdrücken der führenden Harmonischen mit dem zweiten Übertragungsglied aufweisend eine Bandstopp- oder Hochpasscharakteristik und Abgreifen der verbleibenden Signalanteile;
- d. Optionales Zuführen der verbleibenden Signalanteile zu einem weiteren Paar von Übertragungsgliedern mit einem vorbestimmten Bandbreitenbereich um die nächsthöhere Harmonische und wiederholen der Schritte b und c;
- e. Digitalisieren des verbleibenden Signals, wobei
- f. jedem Digitalisierungsschritt im jeweiligen Übertragungsglied eine Signalverstärkung derart vorgeschaltet wird, dass die vorbekannte Messdynamik der Digitalisierungseinrichtung ausgeschöpft wird;
- g. Rekonstruktion der magnetischen Antwort der Partikelverteilung aus den digitalisierten Signalen unter Berücksichtigung der separaten Signalverstärkungen und vorab ermittelter Kalibrierdaten.
- a. supplying the compensated voltage signal to a first pair of transmission links having a predetermined bandwidth range around the leading harmonic, comprising a first transmission link and a second transmission link;
- b. isolating the leading harmonics with the first transmission link having a band-pass or low-pass characteristic and digitizing the isolated signal portion;
- c. Suppression of the leading harmonics with the second transmission element having a bandstop or high-pass characteristic and tapping off the remaining signal components;
- i.e. optionally supplying the remaining signal components to a further pair of transmission links with a predetermined bandwidth range around the next higher harmonic and repeating steps b and c;
- e. digitizing the remaining signal, where
- f. each digitization step in the respective transmission element is preceded by a signal amplification such that the previously known measurement dynamics of the digitization device are exhausted;
- G. Reconstruction of the magnetic response of the particle distribution from the digitized signals, taking into account the separate signal amplifications and previously determined calibration data.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an.The dependent claims specify advantageous refinements of the method.
Als Übertragungsglied werden hier alle technischen Einrichtungen bezeichnet, die geeignet sind, ein elektrisches Signal entsprechend einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion - hier auch: eine Frequenzcharakteristik aufweisend - zu transformieren und die im Signalpfad zwischen der kompensierten Empfangsspule und der Digitalisierungseinrichtung angeordnet sind. Hierfür sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten wie beispielsweise passive Schwingkreise aus Spulen und Kondensatoren oder aktive Filterschaltungen auf Basis von Operationsverstärkern bekannt.All technical devices that are suitable for transforming an electrical signal according to a frequency-dependent transfer function - here also: having a frequency characteristic - are referred to as a transmission element here and that are arranged in the signal path between the compensated receiving coil and the digitizing device. Various options are known to those skilled in the art for this purpose, such as passive oscillating circuits made up of coils and capacitors or active filter circuits based on operational amplifiers.
Unter einem Paar von Übertragungsgliedern werden hier zwei aufeinander abgestimmte Übertragungsglieder verstanden, die das Signal in demselben vorbestimmten Bandbreitenbereich um dieselbe vorbestimmte Frequenz herum transformieren.A pair of transmission elements is understood here to mean two transmission elements which are matched to one another and which transform the signal in the same predetermined bandwidth range around the same predetermined frequency.
Als die führende Harmonische wird hier stets die im Signal noch nicht unterdrückte Harmonische der niedrigsten Ordnung bezeichnet. Im Falle von mehrdimensionaler Anregung mit kommensurablen Anregungsfrequenzen gilt dies genauso für die Mischfrequenzen.The harmonic of the lowest order that has not yet been suppressed in the signal is always referred to here as the leading harmonic. In the case of multidimensional excitation with commensurable excitation frequencies, this also applies to the mixed frequencies.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das kompensierte Spannungssignal am Ausgang der Spulenanordnung abzugreifen und hiernach zwei oder mehr verschiedenen Digitalisierungskanälen zuzuführen. Das Signal wird dabei nach Frequenzbereichen mittels Paaren von Übertragungsgliedern zerlegt, wobei auch die von einem Übertragungsglied jeweils unterdrückten Frequenzanteile erfasst und digitalisiert werden. Alle Teile der Partikelantwort werden digitalisiert erfasst. In jedem einzelnen Separationsschritt wird die führende Harmonische in einem definierten Bandbreitenbereich vom übrigen Spannungssignal mit Hilfe eines Paares von Übertragungsgliedern getrennt und einer separaten Verstärkung und Digitalisierung zugeführt.According to the invention, the compensated voltage signal is tapped at the output of the coil arrangement and then fed to two or more different digitization channels. The signal is broken down according to frequency ranges by means of pairs of transmission elements, with the frequency components suppressed by one transmission element also being recorded and digitized. All parts of the particle response are recorded digitally. In each individual separation step, the leading harmonic is separated from the rest of the voltage signal in a defined bandwidth range using a pair of transmission elements and fed to separate amplification and digitization.
Nach dem Isolieren und Unterdrücken der Grundfrequenz in den Schritten b und c ist in den verbleibenden Signalanteilen üblich die 2. Harmonische führend. Wiederholt man die Schritt b und c mit eben diesem Signal, so wird durch ein der Frequenz der 2. Harmonischen angepasstes Filterpaar auch die 2. Harmonische isoliert und unterdrückt, und in den verbleibenden Signalanteilen führt dann die 3. Harmonische. Dies kann prinzipiell so fortgesetzt werden.After isolating and suppressing the fundamental frequency in steps b and c, the 2nd harmonic is usually leading in the remaining signal components. If steps b and c are repeated with this same signal, the 2nd harmonic is also isolated and suppressed by a filter pair adapted to the frequency of the 2nd harmonic, and the 3rd harmonic then leads in the remaining signal components. In principle, this can be continued.
Zu den wesentlichen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählen, dass die Hinzunahme des Anteils des Partikelsignals an der Grundfrequenz den Rauschabstand des Gesamtsignals deutlich verbessert, und dass weniger Annahmen für die Rekonstruktion der Partikelverteilung getroffen werden müssen. Die Paare von Übertragungsgliedern können auch nur mit passive Bauelementen realisiert werden und fügen somit nur thermisches Rauschen zur Empfangskette hinzu. Im Falle eines Abgriffs des Signals parallel zur Empfangs-Kompensationsspuleneinheit mit einem Einheitsübertragungsglied kann je nach Signalpegel das Filter für das Isolieren der Grundfrequenz auch aktiv ausgeführt sein. Mit jedem zusätzlichen separaten Digitalisierungskanal einer führenden Harmonischen können die verbleibenden Signalanteile mehr verstärkt werden, nämlich immer derart, dass die vorbekannte Messdynamik der Digitalisierungseinrichtung ausgeschöpft wird. Dies kann zur Digitalisierung einer größeren Anzahl von höheren Harmonischen genutzt werden als bislang im Stand der Technik möglich.The main advantages of the method according to the invention include the fact that the addition of the portion of the particle signal to the fundamental frequency significantly improves the signal-to-noise ratio of the overall signal and that fewer assumptions have to be made for the reconstruction of the particle distribution. The pairs of transmission elements can also only be implemented with passive components and thus only add thermal noise to the reception chain. If the signal is tapped parallel to the receiving compensation coil unit with a unit transmission element, the filter for isolating the fundamental frequency can also be designed to be active, depending on the signal level. With each additional separate digitization channel of a leading harmonic, the remaining signal components can be amplified more, namely always in such a way that the previously known measuring dynamics of the digitization device are exhausted. This can be used to digitize a larger number of higher harmonics than was previously possible in the prior art.
Zur Verdeutlichung der Erfindung dienen drei Figuren. Dabei zeigt:
-
1 Die Kompensationsmethode zur passiven Entkopplung von Sende- und Empfangskette. Das Sendefeld wird dabei von der Spule Ltx erzeugt und sowohl in der Empfangsspule Lrx als auch der Kompensationsspule Lc detektiert. Die Ausgangspannung ue ist das durch auslöschende Verschaltung der Spulen Lrx und Lc kompensierte Spannungssignal enthaltend die Partikelantwort der SPIONs (Stand der Technik). -
2 Ein aus zwei Übertragungsgliedern gebildetes Paar zur Erzeugung separater Signalpfade. Das kompensierte Spannungssignal Ue wird durch das Paar von Übertragungsgliedern aufgespalten. -
3 Die bevorzugte Ausführungsform für ein Paar von Übertragungsgliedern. Das am Ausgang der Spulenanordnung abgegriffene, kompensierte Spannungssignal wird als Eingangsspannung ue zugeführt.
-
1 The compensation method for passive decoupling of the transmission and reception chain. The transmission field is generated by the coil L tx and detected both in the receiving coil L rx and the compensation coil L c. The output voltage u e is the voltage signal compensated by the canceling connection of the coils L rx and L c and contains the particle response of the SPIONs (prior art). -
2 A pair formed from two transmission links to create separate signal paths. The compensated voltage signal U e is split by the pair of transmission elements. -
3 The preferred embodiment for a pair of transfer links. The compensated voltage signal tapped off at the output of the coil arrangement is supplied as input voltage u e .
In
Das Spannungssignal Ua,2 beschreibt dabei das im zweiten Übertragungsglied mit der durch die Übertragungsfunktion G2 transformierte Signal, in dem der Bandbreitenbereich der führenden Harmonischen durch eine Bandstopp- oder Hochpasscharakteristik unterdrückt wurde. Das Spannungssignal Ua,1 wiederum beschreibt das im ersten Übertragungsglied mit der durch die Übertragungsfunktion G1 transformierte Signal, in dem der Bandbreitenbereich der führenden Harmonischen durch eine Bandpass- oder Tiefpasscharakteristik verändert wurde. In der Theorie könnte das Eingangssignal Ue durch die Invertierung von entweder G1 oder G2 aus den jeweiligen Ausgangssignalen berechnet werden. Durch den beschränkten Dynamikumfang von realen AD-Wandlern ist dies, wie bereits beschrieben, nicht möglich. Die Rekonstruktion von Ue ist aber in der hier beschriebenen Erfindung dennoch möglich durch das Einführen einer auf bestimmte Bandbereiche begrenzten Zusammenführung der Signale im Sinne von
Der
Neben der Betrachtung eines Bandstoppfilters als Parallelschaltung aus einem Tiefpass und einem Hochpass, kann man ihn alternativ auch als frequenzselektiven Spannungsteiler sehen, bei dem in einer Serienschaltung aus einem LC-Parallelschwingkreis und einem LC-Reihenschwingkreis je ein Spannungsabgriff über je einem der Schwingkreise erfolgt. Dieselbe Schaltung erzeugt somit aus einem Eingangssignal simultan zwei verschiedene Ausgangssignale und bildet insofern zwei verschiedene, miteinander korrespondierende Filter - ein Filterpaar.In addition to considering a band stop filter as a parallel circuit consisting of a low-pass filter and a high-pass filter, you can alternatively see it as a frequency-selective voltage divider in which a series connection of an LC parallel oscillating circuit and an LC series oscillating circuit has a voltage tap across each of the oscillating circuits. The same circuit thus generates two different output signals simultaneously from one input signal and in this respect forms two different, mutually corresponding filters - a filter pair.
Bevorzugt werden die passiven Bauelemente L1, C1, L2 und C2 so bestimmt, dass ein Filterpaar für die N-te Harmonische aus LC-Schwingkreisen jeweils mit der Resonanzfrequenz bei der N-fachen Grundfrequenz besteht, wobei N eine natürliche Zahl ist.The passive components L 1 , C 1 , L 2 and C 2 are preferably determined such that a filter pair for the Nth harmonic consists of LC resonant circuits each with the resonant frequency at N times the fundamental frequency, where N is a natural number .
Das Ausgangssignal ua,2 kann optional dem Eingang weiterer Paare von Übertragungsgliedern, beispielsweise weitere Filter gemäß einer Schaltung nach
In der praktischen Umsetzung mit passiven Filtern als Übertragungsglieder führt jede Stufe der Filterkaskade zusätzliche Dämpfung in das Signal ua,2 ein, so dass eine Kaskade mit wenigen Stufen, etwa bis zu vier, als bevorzugt anzusehen ist. Vorteilhafterweise reicht aber bereits eine Stufe aus, um das Signal-RauschVerhältnis (SNR) der gemessenen Partikelantwort zu verbessern.In the practical implementation with passive filters as transmission elements, each stage of the filter cascade introduces additional attenuation into the signal u a,2 , so that a cascade with a few stages, for example up to four, is to be regarded as preferred. However, one step is advantageously sufficient to improve the signal-to-noise ratio (SNR) of the measured particle response.
Wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, kann der Anteil des Anregungsfeldes an der Grundfrequenz mittels einer Kalibriermessung eingeschätzt und später im Rechner korrigiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die vorab ermittelten Kalibrierdaten wenigstens die Signaldämpfungen und Phasenlagen der nach Filterung digitalisierten Ausgangssignale Ua,1 und ua,2 umfassen und im Wege einer einmaligen Kalibriermessung ohne Partikel im Messvolumen in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz - der Grundfrequenz - ermittelt werden. Die erfindungsgemäß nunmehr ggf. unterschiedlichen Verstärkungen der einzelnen Digitalisierungskanäle sind dem Anwender bekannt und müssen bei der numerischen Rekonstruktion des Partikelsignals entsprechend berücksichtigt werden.As is known per se from the prior art, the proportion of the excitation field in the fundamental frequency can be estimated by means of a calibration measurement and later corrected in the computer. It is advantageous if the previously determined calibration data include at least the signal damping and phase angles of the output signals U a,1 and u a,2 digitized after filtering and are determined by means of a one-off calibration measurement without particles in the measurement volume depending on the excitation frequency - the fundamental frequency . The different amplifications of the individual digitization channels according to the invention are known to the user and must be taken into account accordingly in the numerical reconstruction of the particle signal.
Die exemplarische Schaltung der
Der zentrale Gedanke der Erfindung besteht in einem leicht zu realisierenden Aufteilen des MPI-Spulen-Ausgangssignals in wenigstens zwei Digitalisierungskanäle geordnet nach den Harmonischen der Anregungsfrequenz. Jedem dieser Kanäle wird dabei wenigstens ein Anteil der Partikelantwort zugeführt. Die einzelnen Kanäle können jeweils eigene, der Maximalamplitude der dem Kanal zugeführten - ggf. dort isolierten - Partikelsignalanteile angemessene Verstärkungen aufweisen. Auf diese Weise kann jedem Digitalisierungsschritt eine separate Signalverstärkung derart vorgeschaltet wird, dass die vorbekannte Messdynamik der Digitalisierungseinrichtung ausgeschöpft wird. Eine Übersteuerung des AD-Wandlers wird so vermieden und das SNR für alle Frequenzanteile der Partikelantwort wird verbessert.The central idea of the invention consists in an easy-to-implement splitting of the MPI coil output signal into at least two digitization channels, ordered according to the harmonics of the excitation frequency. At least a portion of the particle response is supplied to each of these channels. The individual channels can each have their own amplifications appropriate to the maximum amplitude of the particle signal components supplied to the channel—possibly isolated there. In this way, each digitization step can be preceded by a separate signal amplification in such a way that the previously known measurement dynamics of the digitization device are fully utilized. This avoids overloading of the AD converter and improves the SNR for all frequency components of the particle response.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102018204311 B3 [0012]DE 102018204311 B3 [0012]
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CN117572309B (en) * | 2023-10-20 | 2024-04-09 | 暨南大学附属第一医院(广州华侨医院) | Magnetic particle spectrometer based on harmonic phase deflection, quantification method and storage medium |
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