DE102020208232A1

DE102020208232A1 - Vorrichtung, System und Verfahren zur Datenübertragung mittels Breitbandsignalen für Lokalspulen

Info

Publication number: DE102020208232A1
Application number: DE102020208232.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fackelmeier; Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2021-01-28
Also published as: CN112305477B; US11300642B2; US20210025952A1; CN112305477A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Breitbandsignalen in einer Lokalspule und einen Magnetresonanztomographen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist einen ersten Analog-Digital-Wandler zur Digitalisierung eines Magnetresonanzsignals, einen Signalformer, einen Pulsfilter und eine Sendeantenne auf. Der Signalformer ist ausgelegt, einen Oberwellenanteil in einem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers zu erhöhen, und der Pulsfilter ist ausgelegt, das Ausgangssignal des Signalformers auf ein vorbestimmtes Frequenzband zu beschränken, bevor es über die Sendeantenne ausgesendet wird. Der Empfänger ist ausgelegt, das Signal über eine Empfangsantenne zu empfangen und zu digitalisieren und mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung eine digitale Repräsentanz des Magnetresonanzsignals zurückzugewinnen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Breitbandsignalen in Lokalspulen. Die Vorrichtung weist einen ersten Analog-Digital-Wandler, einen Signalformer und einen Pulsfilter auf. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Magnetresonanztomographen mit einer erfindungsgemäßen Lokalspule und einem Empfänger zum Empfang des Signals der Lokalspule.
Magnetresonanztomographen sind bildgebende Vorrichtungen, die zur Abbildung eines Untersuchungsobjektes Kernspins des Untersuchungsobjektes mit einem starken äußeren Magnetfeld ausrichten und durch ein magnetisches Wechselfeld zur Präzession um diese Ausrichtung anregen. Die Präzession bzw. Rückkehr der Spins aus diesem angeregten in einen Zustand mit geringerer Energie wiederum erzeugt als Antwort ein magnetisches Wechselfeld, das über Antennen empfangen wird.
Mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern wird den Signalen eine Ortskodierung aufgeprägt, die nachfolgend eine Zuordnung von dem empfangenen Signal zu einem Volumenelement ermöglicht. Das empfangene Signal wird dann ausgewertet und eine dreidimensionale bildgebende Darstellung des Untersuchungsobjektes bereitgestellt.
Um einen möglichst guten Signal-zu-Rauschabstand zu erhalten, werden vorzugsweise Empfangsantennen, auch als Lokalspulen bezeichnet, unmittelbar am Körper des Patienten angeordnet. Die empfangenen Magnetresonanzsignale werden dabei wegen der großen Bandbreite nach einer Verstärkung über Kabel an den Magnetresonanztomographen zur Auswertung übertragen. Die Kabel sind aber wegen erforderlicher Abschirmungen und Sicherheitsmaßnahmen steif und umständlich handzuhaben.
Es gibt bereits Ansätze, die empfangenen Magnetresonanzsignale von der Lokalspule drahtlos zu dem Magnetresonanztomographen zu erzeugen. Dabei führen jedoch erforderliche Maßnahmen zur Datenkompression und Übertragungssicherheit zu komplexen Baugruppen in der Lokalspule, die durch einen erhöhten Stromverbrauch die Laufzeit im drahtlosen Betrieb aufgrund begrenzter Batteriekapazität einschränken. Auch führt die zusätzliche Erwärmung zu einem Unbehagen beim Patienten.
Es stellt sich daher die Aufgabe, die Bilderfassung mit drahtlosen Lokalspulen bei Magnetresonanztomographen zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen und ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb nach Anspruch 9 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Erzeugen von Breitbandsignalen in Lokalspulen vorgesehen. Als Breitbandsignale werden dabei Signale angesehen, die geeignet sind, den Informationsgehalt der Magnetresonanzsignale von einer oder mehrerer Antennenspulen digitalisiert drahtlos von der Lokalspule zu dem Magnetresonanztomographen zu übertragen. Insbesondere werden dabei Signale im Rahmen von regulatorisch in mehreren Ländern unter dem Begriff „Ultra-Wide-Band“ (UWB) definierte Bänder mit Bandbreiten von 500 MHz und Vielfachen zwischen 3 GHz und 11 GHz übertragen, die Bandbreiten zwischen mehreren Megahertz bis zu Gigahertz aufweisen, insbesondere aber bis 500 MHz eines dieser UWB.
Die Vorrichtung weist einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf. Der erste Analog-Digital-Wandler steht mit einer Antennenspule der Lokalspule in Signalverbindung. Vorzugsweise wird dabei das Magnetresonanzsignal vor der Digitalisierung durch einen Low-Noise-Verstärker (LNA) verstärkt und gefiltert, um unerwünschte Störsignale auszublenden. Der erste Analog-Digital-Wandler tastet dabei das Magnetresonanzsignal mit einer ausreichend hohen Abtastfrequenz gemäß Nyquist-Theorem ab, um den erforderlichen Informationsgehalt bezüglich Amplitude und Phase zu erfassen. Dabei ist es denkbar, dass das Magnetresonanzsignal vor der Abtastung in einen niedrigeren Frequenzbereich (Basisband) umgesetzt wird, denkbar ist grundsätzlich aber auch eine Überabtastung bezüglich der Bandbreite und anschließende digitale Frequenzumsetzung.
Der Signalformer erhält das digitalisierte Magnetresonanzsignal des ersten ADC und ist ausgelegt, einen Oberwellenanteil in dem Ausgangssignal des ersten ADC zu erhöhen. Unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten dafür sind nachfolgend zu den Unteransprüchen angegeben. Als Oberwellenanteil wird hierbei auch allgemein ein Frequenzanteil angesehen, dessen Frequenz oberhalb der Grundfrequenz des ersten Analog-Digital-Wandlers liegt, die durch die Abtastrate für ein Magnetresonanzsignal gegeben ist. Nicht als Oberwelle im Sinne der Erfindung wird hingegen ein Signal angesehen, dass durch Mischen bzw. Modulieren einer Trägerfrequenz wie beispielsweise Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, QAM oder ähnliche mit dem ADC-Ausgangssignals erzeugt wird.
Der Pulsfilter steht mit dem Signalformer in Signalverbindung und ist ausgelegt, das Ausgangssignal des Signalformers auf ein vorbestimmtes Frequenzband zu beschränken, vorzugsweise auf ein regulatorisch vorgegebenes UWB.
Die Lokalspule weist weiterhin eine Sendeantenne in Signalverbindung mit dem Pulsformer auf. Die Signalverbindung kann eine passive Signalleitung, beispielsweise aber auch ein Hochfrequenzverstärker sein. Als Sendeantenne kommt dabei grundsätzlich jede Antenne in Frage, die geeignet ist, ein Hochfrequenzsignal mit den Frequenzen des Ausgangssignals des Pulsformers abzustrahlen. Aufgrund der erforderlichen Bandbreiten sind dabei die UWB-Frequenzbereiche bevorzugt, die üblicherweise im Gigahertzbereich angesiedelt sind. Dementsprechend wären beispielsweise Dipolantennen oder auch Arrays derartiger Antennen geeignet. Die Antennen können auch flächig auf Substraten ausgeführt sein oder als Teil des Gehäuses der Lokalspule.
Auf vorteilhafte Weise stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus den Magnetresonanzsignalen ein mit wenigen energiesparenden Elementen drahtlos übertragbares Signal in einem zugelassenen Frequenzbereich mit großer Bandbreite bereit.
Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph weist eine Lokalspule mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf. In der Lokalspule ist eine Sendeantenne zum Aussenden des Ausgangssignals des Pulsfilters vorgesehen. Die Sendeantenne erzeugt, wenn sie mit dem Signal des Pulsfilters direkt oder über einen Verstärker versorgt wird, ein elektrisches und/oder magnetisches Hochfrequenzwechselfeld in einem Ultra-Wide-Band (UWB, das zumindest am Magnetresonanztomographen und/oder einer Umgebung dessen empfangbar ist.
Der Magnetresonanztomograph weist weiterhin einen Empfänger auf. Der Empfänger weist eine Empfangsantenne auf, die ausgelegt ist, das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgesendete elektrische und/oder magnetische Wechselfeld in ein elektrisches Signal für den Empfänger zu wandeln und diesem zuzuführen. Der Empfänger weist darüber hinaus einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC) auf, der das empfangene Signal digitalisiert. Das Signal kann davor durch einen Eingangsverstärker verstärkt und beispielsweise einen Bandpass gefiltert werden, um Störsignale anderer Frequenzbereiche zu unterdrücken. Denkbar ist auch eine nachfolgend in einem Unteranspruch beschriebene Frequenzumsetzung. Der zweite ADC kann aber beispielsweise auch durch Überabtastung und Dezimation eine Frequenzumsetzung der digitalen Signale bewirken.
Schließlich weist der Empfänger eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung auf, der das digitalisierte Signal vom zweiten ADC zugeführt wird. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist dabei ausgelegt, aus dem Signal des zweiten ADC die Information des ursprünglichen Magnetresonanzsignals für die Bildrekonstruktion zurückzugewinnen, hier auch als digitale Repräsentanz des Magnetresonanzsignals bezeichnet. Beispielsweise kann durch entsprechende Zurückfaltung aus Oberwellen des ursprünglichen Signals des ersten ADC die ursprüngliche Bitfolge des digitalisierten Magnetresonanzsignals gewonnen werden. Bei Verwendung von Scramblern stehen entsprechende komplementäre Algorithmen zur Rückgewinnung der ursprünglichen Bitfolge zur Verfügung. Bei Verwendung von Redundanzinformation können darüber hinaus auch Übertragungsfehler erkannt und geg. Falls auch korrigiert werden.
Der zu der Vorrichtung komplementäre Empfänger erlaubt mit wenigen diskreten Bauelementen die Rückgewinnung der digitalisierten Magnetresonanzsignale bzw. deren für die Bildrekonstruktion relevanten Informationen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind zu den Unteransprüchen angegeben.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Oberwellenanteil erhöht werden, indem die Flanken des Digitalsignals durch Komparator, Trigger oder Hochfrequenzverstärker steiler gemacht werden.
In einer denkbaren Ausführungsform ist der Signalformer eine Logikschaltung, die ausgelegt ist, die Bitrate zu erhöhen. Der Signalformer könnte beispielsweise eine Schaltung sein, die ein einfaches Upsampling durch Bitverdoppelung bzw. Vervielfachung ausführt, wobei jedes Bit durch jeweils eine Bitfolge mit zwei oder mehrere Bits mit Pegelwechsel ersetzt wird. Denkbar sind aber auch Scrambler oder andere digitale Verfahren, die auf deterministische Weise die Bitfrequenz erhöhen. Möglich sind auch Schaltkreise, die Redundanzinformationen hinzufügen und auf diese Weise die Datenrate und damit die Frequenz erhöhen. Grundsätzlich kann der Signalformer dabei auch als Teil des ersten ADC realisiert sein.
Durch Erhöhung der Flankensteilheit kann mit minimalem Energie- und Hardwareaufwand der Frequenzanteil bei hohen Frequenzen gesteigert werden. Funktionen wie Scrambler und Redundanz steigern darüber hinaus die Übertragungssicherheit.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Pulsfilter durch aktive oder passive Filter, insbesondere Bandpassfilter bereitgestellt. Denkbar sind aber auch elektromechanische Filter wie Quarzfilter, Oberflächenwellenfilter oder andere Filtertechniken der Hochfrequenztechnik.
Die analogen Filter erlauben auf kostengünstige Weise die Einhaltung der regulatorischen Grenzwerte für Ultra-Wide-Band.
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist der Empfänger einen Mischer auf. Der Mischer ist ausgelegt, das von der Empfangsantenne empfangene Signal der Lokalspule in ein niedrigeres Frequenzband umzusetzen.
Auf vorteilhafte Weise erlaubt das Umsetzen des Eingangssignals die Verwendung kostengünstigerer Bauelemente für den zweiten ADC.
In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist der Empfänger eine Mehrzahl an Empfangsantennen auf. Die Antennen sind zueinander beabstandet angeordnet. Als beabstandet werden dabei Abstände zwischen den Antennen angesehen, die größer als ein Zehntel, ein Fünftel oder die halbe Wellenlänge des erzeugten UWB-Signals sind, sodass das Signal mit unterschiedlichen Phasenlagen an den Empfangsantennen ankommt und so auch bei destruktiven Interferenzen an einer Empfangsantenne an einer anderen Empfangsantenne ein ausreichend starkes Signal empfangen wird. Die Empfangsantennen sind dazu vorzugsweise über das Volumen bzw. die Wandung des Patiententunnels verteilt.
Der Empfänger weist dabei eine Auswahlschaltung auf, die ausgelegt ist, eines oder eine Kombination der Signale der Mehrzahl an Empfangsantennen mit einem besseren Signal-zu-Rauschabstand auszuwählen. Denkbar wäre es beispielsweise, dass der Empfänger mehrere unterschiedliche Linearkombinationen der Signale der Empfangsantennen bildet und die Linearkombination mit der größten Amplitude auswählt. Denkbar ist auch eine adaptive Auswahlschaltung, die ausgelegt ist, die Amplitudenverhältnisse und Phasenverschiebung der einzelnen Empfangsantennensignale zu variieren und so das Empfangssignal zu optimieren.
Auf vorteilhafte Weise ist der Magnetresonanztomograph durch die Auswahlschaltung in der Lage, Signaleinbrüche durch Mehrwegeausbreitung und Interferenz zu unterdrücken und einen permanenten Empfang sicherzustellen.
In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist der Empfänger einen Equalizer auf. Als Equalizer wird dabei eine analoge oder digitale Signalverarbeitung verstanden, die einen nicht-konstanten Frequenzgang und/oder Phasenverschiebung aufweist. Dabei ermöglicht ein digitaler Equalizer darüber hinaus eine Anpassung der Charakteristik im Betrieb ohne Veränderung der Hardware. Dies kann auch adaptiv mit einer permanenten Anpassung im Betrieb vorgesehen sein. Dabei ist der Equalizer ausgelegt, eine Frequenzgangcharakteristik von Signalformer, Pulsfilter, Sendeantenne und/oder Empfangsantenne zu kompensieren. Mit anderen Worten, der Equalizer reduziert durch eine komplementäre Charakteristik eine durch eine, mehrere oder alle der genannten Einheiten verursachte Veränderungen des Frequenzgangs und/oder Phase. In einer analogen Form kann der Equalizer durch Hoch-, Tief- oder Bandpässe realisiert sein. Digital kann der Equalizer beispielsweise durch Verzögerungsglieder, Summationsglieder oder auch eine Fourier-Transformation realisiert sein.
Der Equalizer kann Signalveränderungen auf dem Übertragungspfad reduzieren und so eine Rückgewinnung der ursprünglichen Signale und deren Informationsgehalt ermöglichen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Magnetresonanztomographen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine schematische Darstellung einer Lokalspule mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine schematische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen mit einer erfindungsgemäßen Lokalspule;
4 eine beispielhaftes Frequenzschema;
5 einen schematischer Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen 1 mit einer erfindungsgemäßen Lokalspule 50.
Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. des Patienten 100 in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich zeichnet sich durch ein äußerst homogenes statisches Magnetfeld B0 aus, wobei die Homogenität insbesondere die Magnetfeldstärke bzw. den Betrag betrifft. Der Aufnahmebereich ist nahezu kugelförmig und in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Eine Patientenliege 30 ist in dem Patiententunnel 16 von der Verfahreinheit 36 bewegbar. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Untersuchungsvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Untersuchungsvolumen erzeugen können.
Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Untersuchungsvolumen abzustrahlen und von dem Patient 100 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben.
Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 und wertet die empfangenen Signale aus.
So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Untersuchungsvolumen bereitstellen.
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 100 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die Anregungspulse können über die Körperspule 14 oder auch über eine lokale Sendeantenne in den Patienten 100 abgestrahlt werden.
Eine Steuerung 23 kommuniziert über einen Signalbus 25 mit der Gradientensteuerung 21 und der Hochfrequenzeinheit 22.
Auf dem Patienten 100 ist eine Lokalspule 50 angeordnet, die in drahtloser Signalverbindung mit der Hochfrequenzeinheit 22 und deren Empfänger 61 steht.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Lokalspule 50 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Lokalspule weist eine oder mehrerer Antennenspulen 51 auf, die ausgelegt sind, ein Magnetresonanzsignal aus dem Patienten 100 zu empfangen. Das von der bzw. den Antennenspulen 51 empfange Magnetresonanzsignal kann dann durch eine analoge Signalaufbereitung aufbereitet werden, beispielsweise einen Vorverstärker (low noise amplifier LNA) und/oder einen Eingangsfilter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin einen ersten Analog-Digital-Wandler 53 auf, der das Magnetresonanzsignal digitalisiert. Der Analog-Digital-Wandler weist dabei eine Abtastrate auf, die gemäß Nyquist-Theorem mindestens dem Doppelten der höchsten Nutzfrequenz des Magnetresonanzsignals entspricht. Dabei ist es auch denkbar, dass das Magnetresonanzsignal zunächst auf analogem Weg in ein Basisband durch einen Oszillator und Mischer umgesetzt wird, bevor die A-D-Wandlung erfolgt. Es ist aber auch denkbar, dass durch den Analog-Digital-Wandler 53 durch Unterabtastung eine digitale Frequenzumsetzung erfolgt. Denkbar wäre auch, dass beispielsweise durch analog-Multiplexer und Sample-and-Hold-Glieder der Analog-Digital-Wandler 53 die Magnetresonanzsignale mehrerer Antennenspulen 51 parallel wandelt und multiplext.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Signalformer 54 auf. Es ist die Idee der Erfindung, das Ergebnis der Analog-Digitalwandlung auf möglichst direktem Weg in einen Frequenzbereich eines Ultra-Wide-Band (UWB) für die Übertragung umzusetzen. In einer möglichen Ausführungsform kann dies durch Erhöhung des Oberwellen-Anteils erreicht werden, sodass ein nennenswerter Anteil der Energie des Ausgangssignals des Signalformers in dem UWB liegt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Flanken des Digitalsignals durch Komparator, Trigger oder Hochfrequenzverstärker steiler gemacht werden.
In einer anderen denkbaren Ausführungsform kann der Signalformer 54 auch eine Logikschaltung sein, die ausgelegt ist, die Bitrate zu erhöhen. Der Signalformer 54 könnte beispielsweise eine Schaltung sein, die ein einfaches Upsampling durch Bitverdoppelung oder Vervielfachung ausführt. Vorzugsweise wird dabei jedes Bit durch ein Bitmuster aus zwei oder entsprechend mehr Bits ersetzt, wobei das Bitmuster Pegelwechselenthält. Denkbar sind aber auch Scrambler oder andere digitale Verfahren, die auf deterministische Weise die Bitfrequenz erhöhen. Möglich sind auch Schaltkreise, die Redundanzinformationen hinzufügen und auf diese Weise die Datenrate und damit die Frequenz erhöhen.
Grundsätzlich kann der Signalformer 54 dabei auch als Teil des ersten Analog-Digital-Wandlers 53 realisiert sein. Dabei wäre es beispielsweise auch denkbar, durch das Multiplexen mehrerer Magnetresonanzsignale die Taktfrequenz und damit auch die Anteile der Oberwellen in einem UWB zu erhöhen.
Regulatorische Anforderungen an eine Übertragung in UWB erfordern, dass Aussendungen elektromagnetischer Wellen außerhalb des UWB ausreichend stark gedämpft werden, um Funkdienste in diesen Frequenzbereichen nicht zu stören. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist deshalb einen Pulsfilter 55 auf, der Frequenzanteile des Ausgangssignals des Signalformers 54 in diesen Frequenzbereichen außerhalb des UWB um mehr als 12 dB, 24 dB, 40 dB oder 60 dB unterdrückt. Derartige Filter können durch einzelne oder Kaskadierung von Hoch-, Tief- oder Bandpässen aus Widerständen, Kapazitäten und/oder Induktivitäten bereitgestellt werden, wie Pi- oder T-Filter. Denkbar sind aber auch andere Filtertechnologien wie beispielsweise Leitungskreise, Hohlraumresonatoren oder Oberflächenwellenfilter.
In 4 ist dazu ein beispielhaftes Frequenzschema aufgetragen. An der Abszisse ist die Frequenz f angetragen, an der Ordinate die Amplitude A. Das Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers 53 weist dabei bis zur Frequenz f₀ Basisfrequenzanteile auf, die die Information tragen und den Grundfrequenzen der Ausgangspulse des ersten Analog-Digital-Wandlers 53 entsprechen. Zwischen f₀ und 2×f₀ sowie zwischen 2×f₀ und 3×f₀ sind die ersten und zweiten Oberwellen des Signals zwischen Frequenz 0 und 2×f₀ dargestellt. Diese weisen jeweils eine geringere Amplitude bzw. Energie auf. Für ein Rechtecksignal nimmt beispielsweise die Amplitude für die n-te Oberwelle mit 1/n ab, für harmonische Signale geht der Oberwellenanteil gegen Null. Der Signalformer 54 kann deshalb beispielsweise in Form eines Schmitt-Triggers durch möglichst steile Flanken den Oberwellenanteil maximieren.
Durch den mit dem Fenster 65 angedeuteten Filterdurchlassbereich wird der Frequenzbereich angedeutet, den das Pulsfilter 55 durchlässt. Der Filterdurchlassbereich entspricht dabei vorzugsweise einem Teilbereich eines oder einem ganzen Ultra-Wide-Band.
Das auf ein UWB begrenzte Ausgangssignal des Pulsfilters 55 wird einer Sendeantenne 56 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt, um als elektromagnetische Welle die Information des bzw. der Magnetresonanzsignale zu dem Empfänger 61 des Magnetresonanztomographen 1 zu übertragen. Dabei ist es denkbar, dass das Ausgangssignal über mehrere Sendeantennen 56 auszusenden, um eine Überbrechung der Übertragung zu verhindern, wenn eine Sendeantenne 56 beispielsweise durch den Körper des Patienten 100 verdeckt ist.
Die einzelnen Funktionsgruppen der Lokalspule 50 werden von einer Energieversorgung 52 mit Energie versorgt. Da die Lokalspule 50 die Magnetresonanzsignale drahtlos zu dem Magnetresonanztomographen 1 überträgt, erfolgt vorzugsweise auch die Versorgung der Lokalspule 50 mit Energie ohne dauerhafte elektrische Verbindung zu dem Magnetresonanztomographen 1. Als Energieversorgung 52 kann deshalb eine aufladbare Batterie in der Lokalspule 50 vorgesehen sein, die auf einer Ladestation aufgeladen wird. Denkbar ist auch eine drahtlose Energieversorgung 52, beispielsweise über eine Induktionsschleife.
3 zeigt eine schematische Teildarstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1 mit einer erfindungsgemäßen Lokalspule 50, die insbesondere das Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Lokalspule 50 mit dem erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1 erläutert.
Zum Empfang der von der Sendeantenne 56 der Lokalspule 50 ausgesendeten elektromagnetischen Wellen weist der Magnetresonanztomograph 1 mindestens eine, vorzugsweise mehrere Empfangsantennen 60 auf, die in oder in der Nähe des Patiententunnels 16 angeordnet sind. Bei mehreren Empfangsantennen 60 sind diese gegeneinander so beabstandet, dass durch Diversität ein kontinuierlicher Empfang auch bei unterschiedlichen Positionen der Patientenliege 30 gewährleistet ist. Die kann beispielsweise erreicht werden, indem der Abstand der Antennen größer als die halbe, eine ganze oder mehrere Wellenlänge Lambda der von der bzw. den Sendeantennen 56 ausgesendeten elektromagnetischen Wellen ist. Eine Auswahlschaltung 62 kann dann die Antenne mit dem stärksten Signal auswählen.
Es ist aber auch denkbar, dass mehrerer Empfangsantennen 60 eine Matrix ausbilden, und die Auswahlschaltung 62 über eine Einrichtung zur variablen Phasenverschiebung und Summation aufweist, sodass durch eine Antennensteuerung eine flexible Richtwirkung auf die Lokalspule 50 einstellbar ist, um den Empfang sicherzustellen und zu optimieren.
Das empfangene Signal wird nachfolgend durch einen zweiten Analog-Digital-Wandler 63 zur weiteren Verarbeitung digitalisiert. Vorzugsweise erfolgt vorher noch eine Verstärkung und Filterung, um eine Einfaltung von Störsignalen aus Frequenzbereichen außerhalb des UWB zu reduzieren und die Dynamik des Analog-Digital-Wandlers optimal zu nutzen. Denkbar ist auch eine Frequenzumsetzung des Empfangssignals in ein Basisband durch analoge Mischung oder digitale Unterabtastung. Mit zunehmend verfügbaren schnellen, kostengünstigen und energiesparenden digitalen Schaltkreisen ist es ebenfalls denkbar, dass auch die Kombination bzw. Auswahl der Antennensignale erst nach einer Digitalisierung durch den zweiten Analog-Digital-Wandler 62 digital erfolgt.
Anschließend gewinnt eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung 64 die ursprüngliche Information des Magnetresonanzsignals zurück. Bei bekannter ursprünglicher Pulsform, z.B. Rechteck, kann aus einem Teil des Oberwellenspektrums wieder das ursprüngliche Signal rückgewonnen werden. Beispielsweise können nach einer Fouriertransformation die Koeffizienten der niedrigeren Frequenzen der m-ten Oberwelle (Oberwelle der Ordnung Null ist die Grundfrequenz) aus dem empfangenen Signal der n-ten Oberwelle durch Multiplikation mit dem Faktor n/m rekonstruiert werden. Die Rekonstruktion kann dabei je nach angenommener ursprünglicher Pulsform variieren.
Bei Verwendung eines Scramblers auf der Sendeseite der Lokalspule 50 können entsprechende komplementäre Algorithmen angewendet werden, um die ursprünglichen Signale zurückzugewinnen. Auch ist es denkbar beim Multiplex mehrerer Kanäle auf der Sendeseite durch geeignete Bitmuster eine Synchronisation auf der Empfangsseite zu erzielen, um die Kanäle wieder trennen zu können.
In 5 ist ein schematischer Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
In einem Schritt S10 empfängt die Lokalspule 50 ein Magnetresonanzsignal mittels der Antennenspule 51. Das Empfangen kann dabei auch ein Verstärken mit einem LNA und/oder das Filtern des Magnetresonanzsignals in Bezug auf einen Frequenzgang umfassen.
In einem Schritt S20 digitalisiert der erste Analog-Digitalwandler 53 das Magnetresonanzsignal.
In einem Schritt S30 erhöht der Signalformer 54 einen Oberwellenanteil in einem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers 53. Als Oberwellenanteil wird hier auch im verallgemeinerten Sinne ein Frequenzanteil des Ausgangssignals des Signalformers 54 angesehen, der über der Grundfrequenz bzw. Abtastrate des ersten Analog-Digital-Wandlers 53 liegt. Wenn beispielsweise der Signalformer 53 durch einen Schmitt-Trigger bereitgestellt wird, der die Flankensteilheit des digitalen Signals erhöht, handelt es sich um Oberwellen im klassischen Sinne. Im Sinne der Erfindung werden aber auch beispielsweise durch Scrambeln oder durch digitalen Signalmultiplex erzeugte höhere Frequenzanteile im Signal nach dem ersten Analog-Digital-Wandler 53 angesehen. Dabei wird an dieser Stelle das Digitalsignal selbst bezüglich der Frequenzanteile wie ein analoges Signal betrachtet und nicht dessen numerischer Informationsgehalt.
In einem Schritt S40 beschränkt der Pulsfilter 55 das Ausgangssignal des Signalformers 54 auf ein vorbestimmtes Frequenzband. Der Pulsfilter kann beispielsweise ein Pi- oder T-Filter oder auch eine andere Art von Bandpassfilter sein. Der beschränkte Frequenzbereich entspricht dabei vorzugsweise einem regulatorisch vorbestimmten Ultra-Wide-Band.
In einem Schritt S50 wird dabei ein Hochfrequenzsignal in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Pulsfilters 55 über die Sendeantenne 56 ausgesendet. Denkbar ist beispielsweise, dass vorher noch eine Verstärkung des gefilterten Signals erfolgt.
In einem Schritt S60 empfängt die Empfangsantenne 60 das Hochfrequenzsignal. Das Empfangen kann darüber hinaus auch ein Vorverstärken und Filtern unerwünschter Frequenzbereiche außerhalb des UWB umfassen.
In einem Schritt S70 digitalisiert der zweite Analog-Digital- Wandler 63 das empfangene Hochfrequenzsignal, sodass in einem Schritt S80 eine Signalverarbeitungseinrichtung 64 eine digitale Repräsentanz des Magnetresonanzsignals zurückgewinnt. Unterschiedliche Möglichkeiten zur Rückgewinnung sind bereits zur 3 näher ausgeführt.
Aus der digitalen Repräsentanz kann dann in weiteren denkbaren Schritten mit den üblichen Rekonstruktionsverfahren beispielsweise durch die Steuereinheit 20 eine Abbildung des Patienten 100 gewonnen werden und auf einer Anzeige ausgegeben werden.
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.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen von Breitbandsignalen in Lokalspulen, wobei die Vorrichtung einen ersten Analog-Digital-Wandler (53), einen Signalformer (54), einen Pulsfilter (55) und eine Sendeantenne (56) aufweist, wobei der erste Analog-Digital-Wandler (53) mit einer Antennenspule (51) der Lokalspule (50) in Signalverbindung steht und ausgelegt ist, ein von der Antennenspule (51) empfangenes Magnetresonanzsignal zu digitalisieren, wobei der Signalformer (54) ausgelegt ist, einen Oberwellenanteil in einem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers (53) zu erhöhen, wobei der Pulsfilter (55) ausgelegt ist, das Ausgangssignal des Signalformers (54) auf ein vorbestimmtes Frequenzband zu beschränken und die Sendeantenne (56) in Signalverbindung mit dem Pulsformer (55) steht und ausgelegt ist, ein Hochfrequenzsignal in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Pulsfilters (55) zu senden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalformer (54) ein Schmitt-Trigger, Komparator oder Hochfrequenzverstärker ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Signalformer (54) eine Logikschaltung ist, die die Bitrate erhöht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pulsfilter (55) ein Bandpassfilter ist.
Magnetresonanztomograph, wobei der Magnetresonanztomograph (1) eine Lokalspule (50) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Empfänger (61) aufweist, wobei der Empfänger (61) eine Empfangsantenne (60), einen zweiten Analog-Digital-Wandler (63) und eine digitale Signalverarbeitungseinrichtung (64) aufweist; wobei die Lokalspule (50) eine Sendeantenne (56) zum Aussenden des Ausgangssignals des Pulsfilters (55) aufweist; wobei die Empfangsantenne (60) ausgelegt ist, das Signal der Lokalspule (50) zu empfangen; wobei der zweite Analog-Digital-Wandler (63) ausgelegt ist, das empfangene Signal der Lokalspule (50) zu digitalisieren; wobei die Signalverarbeitungseinrichtung (64) ausgelegt ist, aus dem Ausgangssignal des zweiten Analog-Digital-Wandlers (63) eine digitale Repräsentanz eines Magnetresonanzsignals der Lokalspule (50) zurückzugewinnen.
Magnetresonanztomograph nach Anspruch 5, wobei der Empfänger (61) einen Mischer aufweist, der ausgelegt ist, das von der Empfangsantenne (60) empfangene Signal der Lokalspule (50) in ein niedrigeres Frequenzband umzusetzen.
Magnetresonanztomograph nach Anspruch 5, wobei der Empfänger (61) eine Mehrzahl an Empfangsantennen (60) aufweist, die zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei der Empfänger (61) eine Auswahlschaltung (62) aufweist, die ausgelegt ist eines oder eine Kombination der Signale der Mehrzahl an Empfangsantennen (60) mit einem besseren Signal-zu-Rauschabstand auszuwählen.
Magnetresonanztomograph nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Empfänger (61) einen Equalizer aufweist, der ausgelegt ist, eine Frequenzgangcharakteristik von Signalformer (54), Pulsfilter (55), Sendeantenne (56) und/oder Empfangsantenne (60) zu kompensieren.
Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanztomographen (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: (S10) Empfangen eines Magnetresonanzsignals mittels einer Antennenspule (51); (S20) Digitalisieren des Magnetresonanzsignals mit einem ersten Analog-Digitalwandler (53); (S30) Erhöhen eines Oberwellenanteil in einem Ausgangssignal des ersten Analog-Digital-Wandlers (53) mit einem Signalformer (54); (S40) Beschränken des Ausgangssignals des Signalformers (54) auf ein vorbestimmtes Frequenzband mittels eines Pulsfilters (55) ; (S50) Aussenden eines Hochfrequenzsignals in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Pulsfilters (55) über eine Sendeantenne (56); (S60) Empfangen des Hochfrequenzsignals mit einer Empfangsantenne (60); (S70) Digitalisieren des empfangenen Hochfrequenzsignals mittels eines zweiten Analog-Digital-Wandlers (63); (S80) Rückgewinnen einer digitale Repräsentanz des Magnetresonanzsignals aus dem Ausgangssignal des zweiten Analog-Digital-Wandlers (63) mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung (64).