-
Die Erfindung betrifft eine Lokalspulenvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, ein System mit einem Magnetresonanztomographen und einer Lokalspulenvorrichtung, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Lokalspulenvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher einer Recheneinrichtung ladbar ist, und einen elektronisch lesbaren Datenträger mit darauf gespeicherten Steuerinformationen für ein Computerprogramm.
-
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eine bekannte bildgebende Modalität in der Medizintechnik. Dabei wird ein Untersuchungsobjekt, insbesondere ein Patient, einem zumindest im Wesentlichen statischen Magnetfeld ausgesetzt, dem ein ebenfalls zumindest im Wesentlichen statischer Gradient, also ein räumlich linear ansteigendes Gradientenfeld, aufgeprägt oder überlagert wird. Es werden dann Hoch- oder Radiofrequenzpulse, also ein magnetisches Wechselfeld eingestrahlt, mit dem in dem Untersuchungsobjekt Kernspins resonant angeregt werden. Diese angeregten Kernspins können dann von einer oder mehreren Empfangsspulen, die als Antennen fungieren, als MRT-Signal gemessen werden.
-
Für Aufnahmen mit einem hohen Signal-zu-Rausch-Verhältnis werden in der Regel sogenannte Lokalspulenvorrichtungen verwendet. Diese sind als Antennensysteme ausgebildet, die in unmittelbarer Nähe auf dem Untersuchungsobjekt angebracht werden können. Bei einer MRT-Messung induzieren die angeregten Kerne in einer Empfangsspule der Lokalspulenvorrichtung eine Spannung, die dann üblicherweise mit einer Kettenverstärkung, das heißt, einem rauscharmen Vorverstärker (LNA) und zumindest einem zusätzlich nachgeschalteten Verstärker, verstärkt und schließlich an eine Signalverarbeitung des Magnetresonanztomographen weitergeleitet wird. Der zeitliche Verlauf des empfangenen MRT-Signals weist dabei die systematische Besonderheit auf, dass sich ein Signalpegel im überwiegenden Teil der Empfangszeit in einer Größenordnung des thermischen Rauschflurs bewegt. Lediglich in einem Bruchteil der Empfangszeit, nahe des „k-Raum-Zentrums“, wo alle Spin-Signale in Phase sind, tritt ein viel höherer Signalpegel auf.
-
Um eine volle Signaldynamik des empfangenen MRT-Signals aufnehmen zu können, ist in der Lokalspulenvorrichtung eine Empfangsverstärkervorrichtung vorgesehen, die eine Umschaltung der Empfangspfadkettenverstärkung in zwei oder mehreren Stufen realisiert. Dazu wird für einen bestimmten Teil des abzutastenden k-Raums ein hoher Verstärkungsfaktor verwendet und für den zentralen Bereich des k-Raums ein niedriger Verstärkungsfaktor.
-
Ein Problem bei einer Lokalspulenvorrichtung ist es, dass eine oder mehrere Verstärkerstufen im gesamten Aussteuerbereich bis hin zum maximal zu erwartenden MRT-Signalpegel hochlinear arbeiten müssen, um Signalverzerrungen zu verhindern, die sich in Bildartefakten äußern würden. Um die Anforderungen an die Linearität zu erfüllen, werden die einzelnen Verstärkerstufen mit einem entsprechend hohen Ruhestrom betrieben. Hierdurch ergibt sich jedoch ein hoher Leistungsumsatz, was neben einem hohen Energiebedarf zu einer starken Erwärmung der Lokalspulenvorrichtung führt. Diese kann insbesondere für einen Patienten unangenehm sein.
-
Aus der Druckschrift
US 2008 / 0 204 027 A1 ist eine Hochfrequenz-Empfangsspule bekannt, die eine Antenne aufweist, die auf eine Magnetresonanzfrequenz abgestimmt ist, um ein Magnetresonanzsignal zu empfangen. Elektronische Elemente sind auf oder als Teil der Antenne implementiert. Die elektronischen Elemente weisen einen Kompressionsschaltkreis auf, der das Magnetresonanzsignal mit einer Verstärkung komprimiert, die eine Verstärkungssteuerung vorgibt. Die elektronischen Elemente erzeugen eine Darstellung der Magnetresonanzsignale mit verringerter Dynamik auf Basis des komprimierten Magnetresonanzsignals. Die in der Dynamik reduzierte Darstellung des Magnetresonanzsignals wird von der Lokalspule weitergegeben.
-
Die Druckschrift
CN 1 10 161 440 A beschreibt einen Empfänger, Signalverarbeitungsverfahren und einen Magnetresonanztomographen. Ein Verstärkerschaltkreis in dem Empfänger weist einen linearen Übertragungsbereich und einen nichtlineare Kompressionsbereich auf. Ist ein empfangenes Analogsignal unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts, arbeitet der Verstärkerschaltkreis in dem linearen Übertragungsbereich und oberhalb des Schwellwerts in dem nichtlinearen Kompressionsbereich. Anschließend wird das verarbeitete verstärkte Analogsignal in einem A/D-Wandler digitalisiert. Da der nichtlineare Kompressionsbereich des Verstärkerschaltkreises den Dynamikumfang im Vergleich zum linearen Bereich reduziert, wird der erforderliche Dynamikbereich des A/D-Wandlers verringert und damit die Kosten und der Energieverbrauch.
-
Aus der Druckschrift
DE 10 2012 215 726 A1 ist eine Anordnung zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen bekannt, die mit Hilfe von Lokalspulen empfangen werden. Das Magnetresonanzsignal wird einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und von diesem digitalisiert, wobei das Magnetresonanzsignal in seiner Amplidude vor dem Zuführen zum Analog-Digital-Wandler komprimiert, dann tief- oder bandpassgefiltert und nach dem Digitalisieren durch den Analog-Digital-Wandler expandiert wird. Es wird eine im Vergleich zur Abtastraten des Analog-Digital-Wandlers um einen Faktor 2 höheren Taktrate für den digitalen Expander verwendet. Ein digitales Equalizing-Filter zur Kompensation der Filterübertragungsfunktion, insbesondere im Übergangsbereich, kann zusätzlich verwendet werden.
-
Die Druckschrift
DE 10 2014 218 281 A1 beschreibt ein Verfahren und ein Empfangssystem für ein bildgebendes Magnetresonanztomographiesystem, mit mindestens einer Multiplexer-Einrichtung für mehrere an einen Analog-Digital-Wandler schaltbare Empfangssignale jeweils einer Antenne einer Lokalspule. Die Abtastraten eines Analog-Digital-Wandlers für die Abtastung eines Empfangssignals sind veränderbar.
-
Aus der Druckschrift
US 6 043 659 A ist ein Magnetresonanztomograph bekannt, der einen Magnetresonanzscan ausführt, um Signale zu erfassen, aus denen eine Abbildung rekonstruiert werden kann. Die Signale werden vor der Digitalisierung von einem nichtlinearen Vorverstärker komprimiert. Nach der Digitalisierung wird das Signal wieder mit der korrekten Amplitude von einem Dekomprimierungs-Schaltkreis hergestellt. So wird das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert, ohne die Größe des Analog-Digital-Wandlers zu verändern.
-
Die Druckschrift JOUDA, Mazin, et al. Automatie Adaptive Gain for Magnetic Resonance Sensitivity Enhancement. Analytical chemistry, 2019, 91. Jg., Nr. 3, S. 2376-2383 beschreibt ein Verfahren, das SQNR (signal-to-quantization noise ratio) zu verbessern und damit das gesamte Signal-zu-Rausch-Verhältnis, indem die Verstärkung des Empfängers vor der Analog-DigitalWandlung dynamisch angepasst wird. Die Verstärkungsanpassung erfolgt automatisch in einer geschlossenen Regelschleife mit der Hüllkurve des Magnetresonanzsignals als Steuersignal. Mit dem Signal wird die Modulation der Verstärkung überwacht, um eine präzise Wiederherstellung des Signals zu gewährleisten.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lokalspulenvorrichtung mit einem verringerten Leistungsumsatz bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Figuren angegeben.
-
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Ruhestrom beziehungsweise Arbeitspunkt einer jeweiligen Verstärkereinheit einer Empfangsverstärkervorrichtung der Lokalspulenvorrichtung jeweils nur nahe des k-Raum-Zentrums auf eine hohe lineare Ansteuerbarkeit hin dimensioniert werden muss, also in einem Hochstrom-Modus betrieben werden muss, und außerhalb des k-Raum-Zentrums in einem Niedrigstrom-Modus betrieben werden kann, in dem die einzelnen Verstärkerstufen auf eine minimale Rauschzahl dimensioniert sind.
-
Durch die Erfindung ist eine Lokalspulenvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen (MRT) mit zumindest einer Empfangsspule bereitgestellt, wobei die Empfangsspule dazu ausgebildet, ein MRT-Signal zu empfangen, und mit einer Empfangsverstärkervorrichtung, die zumindest eine Ausgangsverstärkereinheit aufweist, wobei die Empfangsverstärkervorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, das empfangene MRT-Signal zur Ansteuerung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu verstärken. Mit anderen Worten weist die Lokalspulenvorrichtung des Magnetresonanztomographen eine oder mehrere Empfangsspulen, sogenannte Coils beziehungsweise Local-Coils auf, die als Antennen dienen und das Signal der angeregten Kernspins als MRT-Signal empfangen können. Dieses Signal wird zur Ansteuerung eines Analog-Digital-Wandlers durch eine Empfangsverstärkervorrichtung verstärkt, wobei die Empfangsverstärkervorrichtung als eine hardwarebasierte Verstärkervorrichtung mit einem oder mehreren Verstärkereinheiten, beispielsweise als Kettenverstärkung, ausgebildet sein kann. Die Empfangsverstärkervorrichtung weist zumindest eine Ausgangsverstärkereinheit auf, die das MRT-Signal zu einem Ausgang der Empfangsverstärkervorrichtung hin verstärkt, so dass es als Eingang des Analog-Digital-Wandlers verwendet werden kann.
-
Die Ausgangsverstärkereinheit ist dazu ausgebildet, das MRT-Signal unterhalb eines Signalpegelschwellenwertes mit einem hohen Verstärkungsfaktor, einer sogenannten High-Gain-Stufe, zu verstärken und oberhalb des Signalpegelschwellenwertes mit einem niedrigen Verstärkungsfaktor, einer sogenannten Low-Gain-Stufe, zu verstärken, wobei die Empfangsverstärkervorrichtung ferner dazu ausgebildet ist, einen Ruhestrom beziehungsweise einen Arbeitspunkt der zumindest einen Ausgangsverstärkereinheit in Abhängigkeit eines vorgegebenen MRT-Signalpegels zu verändern. Das heißt, dass die Ausgangsverstärkereinheit zwei Verstärkungsstufen aufweisen kann, eine mit einem hohen Verstärkungsfaktor und eine mit einem niedrigen Verstärkungsfaktor. Eine Umschaltung des Verstärkungsfaktors kann bei einem Signalpegelschwellenwert durchgeführt werden, wobei der Signalpegelschwellenwert vorzugsweise so gewählt ist, dass außerhalb des k-Raum-Zentrums, bei dem der MRT-Signalpegel niedrig ist und sich in der Größenordnung des thermischen Rauschflurs bewegt, beispielsweise bei -174 dBm/Hz, mit dem hohen Verstärkungsfaktor verstärkt wird und nahe des k-Raum-Zentrums, beispielsweise bei einem Signalpegel von -30 dBm (für 3 Tesla MRT-Systeme), mit dem niedrigen Verstärkungsfaktor.
-
Zusätzlich dazu wird der Ruhestrom und damit der Arbeitspunkt der Ausgangsverstärkereinheit in Abhängigkeit dieses MRT-Signalpegels verändert, um einen Leistungsumsatz der Empfangsverstärkervorrichtung zu reduzieren. Der MRT-Signalpegel, mit dem die Ausgangsverstärkereinheit ihren Ruhestrom ändert, kann insbesondere in Abhängigkeit des zu erwartenden Signalpegels vorgegeben sein.
-
Die Ausgangsverstärkereinheit kann ein hardware-basierter Verstärker sein, insbesondere ein SGA (Switchable Gain Amplifier), dessen integrierter Schaltkreis beispielsweise einen oder mehrere Bipolar-Transistoren, vorzugsweise Kleinsignal-Bipolar-Transistoren, umfasst. Hierbei kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass bei modernen Kleinsignal-Bipolar-Transistoren die niedrigste Rauschzahl bei kleinen Kollektorströmen erzielt wird. Das Einstellen des Ruhestroms der Ausgangsverstärkereinheit kann beispielsweise mittels Steuersignalen durchgeführt werden, durch die die Ausgangsverstärkereinheit zur Einstellung des Ruhestroms angesteuert wird.
-
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ein Leistungsumsatz, der hauptsächlich vom Ruhestrom beziehungsweise dem Arbeitspunkt der zumindest einen Ausgangsverstärkereinheit abhängt, reduziert werden kann, wobei die Empfangsverstärkervorrichtung weiterhin die gesamte Signalpegeldynamik des MRT-Signals zur Ansteuerung des ADC erfüllen kann. Durch die Begrenzung des Leistungsumsatzes kann eine Erwärmung der Lokalspulenvorrichtung reduziert werden, was insbesondere vorteilhaft für einen Patientenkomfort ist. Außerdem kann ein Energiebedarf der Lokalspulenvorrichtung reduziert werden, wodurch ein drahtloser Betrieb der Lokalspulenvorrichtung, das heißt ein Betrieb mittels eines Akkumulators oder einer drahtlosen Energieübertragung, ermöglicht werden kann.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Empfangsverstärkervorrichtung dazu ausgebildet, die Ausgangsverstärkereinheit unterhalb eines ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes des MRT-Signals in einem Niedrigstrom-Modus zu betreiben und oberhalb des ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes in einem Hochstrom-Modus, wobei der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert kleiner als der Signalpegelschwellenwert ist. Mit anderen Worten wird vor der Umschaltung des Verstärkungsfaktors von dem hohen Verstärkungsfaktor zu dem niedrigen Verstärkungsfaktor der Ruhestrom der Ausgangsverstärkereinheit bei einem ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert von einem Niedrigstrom-Modus zu einem Hochstrom-Modus verändert. Beispielsweise kann die Ausgangsverstärkereinheit bei einem MRT-Signalpegel, das dem ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert entspricht, ein Steuersignal (Bias-Switch) erhalten, um vom Niedrigstrom-Modus in den Hochstrom-Modus oder umgekehrt umzuschalten. Im Niedrigstrom-Modus (Low Bias) kann die Ausgangsverstärkereinheit vorzugsweise einen Arbeitspunkt mit geringer Rauschzahl aufweisen. Im Hochstrom-Modus (High Bias) kann die Ausgangsverstärkereinheit auf maximale lineare Aussteuerbarkeit hin dimensioniert sein. Der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert ist vorzugsweise für einen MRT-Signalpegel vorgegeben, in dem die Ausgangsverstärkereinheit mit dem niedrigen Verstärkungsfaktor noch hinreichend linear arbeitet. Der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert ist vorzugsweise kleiner als der Signalpegelschwellenwert, damit sowohl bei hohem Verstärkungsfaktor als auch bei niedrigem Verstärkungsfaktor die Ausgangsverstärkereinheit dieselbe maximale Ausgangsleistung liefern kann. Durch diese Ausgestaltungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Ausgangsverstärkereinheit, die als Operationsverstärker ausgebildet sein kann, auf beiden Verstärkerstufen den gesamten Arbeitsbereich eines anzusteuernden Analog-Digital-Wandlers erfüllen kann und gleichzeitig durch den Betrieb im Niedrigstrom-Modus ein Leistungsumsatz der Lokalspulenvorrichtung minimiert werden kann.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Lokalspulenvorrichtung den ADC aufweist, wobei der Signalpegelschwellenwert durch einen maximalen Eingangspegelwert des ADC bei dem hohen Verstärkungsfaktor vorgegeben ist. Das bedeutet, dass der Analog-Digital-Wandler vorzugsweise in der Lokalspulenvorrichtung vorgesehen ist und der Signalpegelschwellenwert, bei dem die Verstärkerstufe umgestellt wird, durch den MRT-Signalpegel vorgegeben ist, bei dem der maximale Eingangspegelwert des ADC mit dem hohen Verstärkungsfaktor erreicht ist. Mit anderen Worten wird, wenn der Eingangspegelwert des ADC den maximalen Wert vor Übersteuerung des ADC erreicht, der Verstärkungsfaktor von dem hohen Verstärkungsfaktor zu dem niedrigen Verstärkungsfaktor umgestellt. Das kann beispielsweise durch Ansteuerung der Eingangsverstärkereinheit mittels eines Steuersignals (Gain Switch) erreicht werden.
-
Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, dass der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert durch einen Wert des MRT-Signalpegels vorgegeben ist, der um einen Verstärkungsfaktorwert kleiner ist als der Signalpegelschwellenwert, wobei der Verstärkungsfaktorwert das Verstärkungsverhältnis zwischen hohem Verstärkungsfaktor und niedrigem Verstärkungsfaktor ist. Beispielsweise wird bei einem MRT-Signalpegel von -40 dBm, der den Signalpegelschwellenwert darstellen kann, eine Verstärkung zwischen hohem Verstärkungsfaktor auf niedrigen Verstärkungsfaktor in einem Verhältnis von 12 dB reduziert. Folglich ist der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert bei einem Signalpegel von -52 dBm vorgegeben. Eine Ruhestromumstellung vom Niedrigstrom-Modus in den Hochstrom-Modus beim ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert ist vorteilhaft, da so die Ausgangsverstärkereinheit sowohl bei niedrigem Verstärkungsfaktor als bei hohem Verstärkungsfaktor bis zum maximalen Eingangspegelwert des ADCs betrieben werden kann. Mit anderen Worten kann die Ausgangsverstärkereinheit mit niedrigem Verstärkungsfaktor vom ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert bis zum maximalen Eingangspegelwert des ADCs mit linearer Ansteuerbarkeit betrieben werden und nach Umschalten auf den niedrigen Verstärkungsfaktor ebenfalls. Aufgrund der Linearität eines Ausgangspegelsignals der Ausgangsverstärkereinheit kann somit ein Ausgangspegel ausgegeben werden, der bei dem Umschaltpegelschwellenwert und bei dem Signalpegelschwellenwert gleich ist.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Empfangsverstärkervorrichtung zusätzlich zu der Ausgangsverstärkereinheit eine Eingangsverstärkereinheit auf, wobei die Ausgangsverstärkereinheit der Eingangsverstärkereinheit nachgeschalten ist. Die Eingangsverstärkereinheit kann in vorteilhafterweise als ein rauscharmer Verstärker (LNA) ausgebildet sein, der das MRT-Signal vor der Ausgangsverstärkereinheit verstärkt. Das heißt, dass die Empfangsverstärkervorrichtung als Verstärkerkette mit zumindest der Eingangsverstärkereinheit und der nachgeschalteten Ausgangsverstärkereinheit ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Empfangsverstärkervorrichtung dazu ausgebildet, die Eingangsverstärkereinheit unterhalb eines zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes in einem Eingangsverstärker-Niedrigstrom-Modus zu betreiben und oberhalb des zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes in einem Eingangsverstärker-Hochstrom-Modus. Hierzu kann beispielsweise bei Erreichen des zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes ein Steuersignal (Bias Switch der Eingangsverstärkereinheit) an die Empfangsverstärkervorrichtung gesendet werden, durch den der Ruhestrom und damit der Arbeitspunkt der Eingangsverstärkereinheit zwischen Eingangsverstärker-Niedrigstrom-Modus und Eingangsverstärker-Hochstrom-Modus umgeschaltet werden kann. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass zusätzlich ein Strom und damit ein Leistungsumsatz reduziert werden kann.
-
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass der zweite Umschaltsignalpegelschwellenwert der Signalpegelschwellenwert ist. Mit anderen Worten wird die Eingangsverstärkereinheit gleichzeitig mit der Änderung des hohen Verstärkungsfaktors zu dem niedrigen Verstärkungsfaktor umgestellt. Hierbei kann die Eingangsverstärkereinheit bei einem niedrigeren MRT-Signalpegel als die Ausgangsverstärkereinheit von dem Niedrigstrom-Modus zu dem Hochstrom-Modus umgestellt werden, da der rauscharme Verstärker für den gesamten Ansteuerbereich ausgelegt sein kann. Der Vorteil, dass der zweite Umschaltsignalpegelschwellenwert einen gleichen Wert aufweist wie der Signalpegelschwellenwert ist, dass ein Betrag und eine Phase der Verstärkung des Signals durch die Empfangsverstärkervorrichtung für eine jeweilige Arbeitspunkteinstellung und/oder eine Verstärkungsfaktoränderung in einer nachgelagerten digitalen Signalverarbeitung unter Umständen korrigiert werden muss. Dies kann beispielsweise mittels eines gemessenen Korrekturfaktors durchgeführt werden. Durch die Zusammenlegung des zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes mit dem Signalpegelschwellenwert können somit Messungen zur Korrekturfaktorbestimmung reduziert werden, wodurch Mess-Zeit und Kosten eingespart werden können.
-
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Lokalspulenvorrichtung eine drahtlose Energieversorgung, insbesondere einen Akkumulator und/oder eine Induktionsspule, aufweist. Somit kann die Lokalspulenvorrichtung flexibel am Untersuchungsobjekt, insbesondere an einem Patienten, angeordnet werden. Da durch die Veränderung des Ruhestroms in Abhängigkeit des MRT-Signalpegels der Leistungsumsatz verringert werden kann, ist ein Betrieb einer Lokalspulenvorrichtung mit einem Akkumulator und/oder einer Energieversorgung durch eine Induktionsspule effizienter oder überhaupt erst ermöglicht.
-
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Lokalspulenvorrichtung eine Kommunikationsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, ein oder mehrere Steuersignale zum Verändern des Verstärkungsfaktors und/oder zum Verändern des Ruhestroms drahtlos zu empfangen. Insbesondere können die jeweiligen Steuersignale vom Magnetresonanztomographen an die Lokalspulenvorrichtung zum Umschalten des Verstärkungsfaktors und/oder zum Umschalten des Ruhestroms gesendet werden, wobei die Steuersignale von der Kommunikationsvorrichtung empfangen und zur Ansteuerung der Empfangsverstärkervorrichtung bereitgestellt werden. Das Empfangen von Steuersignalen, die insbesondere vom MRT geniert werden können, ist vorteilhaft, da insbesondere das MRT bestimmen kann, welcher Bereich des k-Raums gemessen wird und folglich welcher MRT-Signalpegel zu erwarten ist. Somit kann eine Umschaltung bei Erreichen von einem der Schwellenwerte schnell und zuverlässig durchgeführt werden. Die Kommunikationsvorrichtung kann beispielsweise als WLAN oder einem ähnlichen Übertragungsstandard ausgebildet sein und eine bidirektionale Funkverbindung zu dem MRT herstellen. Insbesondere kann ein jeweiliges Steuersignal auch durch Modulation eines drahtlos übertragenen Referenzsignals, das einen Referenztakt für eine Abtastung, eine digitale Signalverarbeitung und/oder für verwendete Synthesizer vorgibt, umgesetzt sein. Alternativ kann ein Steuersignal zum Beispiel auch über eine Modulation eines Signals zur drahtlosen Energieübertragung erreicht werden.
-
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Kommunikationsvorrichtung einen optischen Sensor umfasst, der dazu ausgebildet ist, das Steuersignal als ein optisches Signal zu empfangen. Beispielsweise kann die Empfangsverstärkervorrichtung über ein Lichtsignal gesteuert werden, insbesondere ein Infrarotsignal. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Steuersignal über eine Modulation eines In-Bore-Lichtes, zum Beispiel über eine Intensitätsmodulation, erreicht werden. Der optische Sensor kann als Fotodiode ausgebildet sein, der das optische Signal empfangen kann.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein System mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) und einer Lokalspulenvorrichtung gemäß der Erfindung oder einer der vorangegangenen Weiterbildungen der Erfindung, wobei der Magnetresonanztomograph und/oder die Lokalspulenvorrichtung eine Speichereinheit aufweisen, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Korrekturparameter zur Korrektur eines Betrags und einer Phase des MRT-Signals durch die Änderung des Verstärkungsfaktors und/oder die Änderung des Ruhestroms einer digitalen Signalverarbeitung des MRT bereitzustellen. Mit anderen Worten kann eine Speichereinheit, insbesondere ein nicht flüchtiger Speicher, vorgesehen sein, der einer digitalen Signalverarbeitung des MRT einen Korrekturparameter bereitstellen kann. Der Korrekturparameter kann dazu verwendet werden, eine eventuell auftretende Betrags- oder Phasenänderung aufgrund der Verstärkungs- und/oder der jeweiligen Ruhestromänderung zu korrigieren. Der Korrekturparameter kann vorzugsweise in einer vorangegangenen Messung mit der Lokalspulenvorrichtung bestimmt werden und beispielsweise bei einer erstmaligen Inbetriebnahme der Lokalspulenvorrichtung durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Korrekturparameter bereits bei der Fertigung der Lokalspulenvorrichtung ermittelt werden und in der Speichereinheit gespeichert werden. Durch diesen Aspekt der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass eine Betrags- und/oder Phasenänderung bei der Umschaltung des Verstärkungsfaktors und des Ruhestroms korrigiert werden können.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Lokalspulenvorrichtung, wobei durch ein Steuersignal zumindest eine Ausgangsverstärkereinheit einer Empfangsverstärkervorrichtung zur Änderung eines Verstärkungsfaktors angesteuert wird und wobei durch das Steuersignal oder ein oder mehrere weitere Steuersignale ein Ruhestrom der Ausgangsverstärkereinheit verändert wird, wobei ein jeweiliges Steuersignal in Abhängigkeit eines vorgegebenen MRT-Signalpegels erzeugt wird. Durch diesen Aspekt der Erfindung ergeben sich gleiche Vorteile und Variationsmöglichkeiten wie bei der Lokalspulenvorrichtung. Die Lokalspulenvorrichtung sowie die entsprechenden Vorteile sind jeweils sinngemäß auch auf das erfindungsgemäße System und/oder zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragbar. Es gehören also zu der Erfindung auch solche Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lokalspulenvorrichtung, des erfindungsgemäßen Systems und des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche Ausgestaltungen aufweisen, die hier nicht explizit in der jeweiligen Kombination beschrieben sind, um eine unnötige Redundanz zu vermeiden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein erfindungsgemäßes Computerprogramm, welches ein erfindungsgemäßes Verfahren auf einer elektronischen Recheneinrichtung implementiert. Das Computerprogramm kann hierbei auch in Form eines Computerprogrammprodukts vorliegen, welches direkt in einem Speicher einer Recheneinrichtung ladbar ist. Das Computerprogrammprodukt weist Programmcodemittel auf, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, wenn das Computerprogrammprodukt in bzw. durch die Recheneinrichtung ausgeführt wird.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen elektronisch lesbaren Datenträger. Dabei umfasst der erfindungsgemäße elektronisch lesbare Datenträger auf ihm gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen, welche zumindest ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen oder derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer Recheneinrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführen.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
-
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Systems mit einem Magnetresonanztomographen und einer Lokalspulenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
- 2 ein beispielhafter Graph mit Schaltschwellen einer Empfangsverstärkervorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform; und
- 3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
-
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Sie sind jedoch nicht einschränkend zu sehen.
-
In 1 ist ein System 10 mit einem Magnetresonanztomographen (MRT) 12 und einer Lokalspulenvorrichtung 14 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. Die Lokalspulenvorrichtung 14 kann in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ellenbogenregion eines Patienten 16 angeordnet sein, der sich für eine Untersuchung auf einem Patiententisch 18 des Magnetresonanztomographen 12 befinden kann. Die Lokalspulenvorrichtung 14 ist dabei besonders bevorzugt als eine drahtlose Lokalspulenvorrichtung ausgebildet. Das bedeutet, dass vorzugsweise keine Kabel zur Signal- oder Stromversorgung zu dem Magnetresonanztomographen 12 oder dem Patiententisch 18 geführt sind. Das hat den Vorteil, dass die Lokalspulenvorrichtung 14 flexibler an dem Patienten 16 angeordnet werden kann.
-
Die Anordnung der Lokalspulenvorrichtung 14 in einer Ellenbogenregion ist hier nur als ein Beispiel zu verstehen, beispielsweise kann die Lokalspulenvorrichtung 14 auch an andere zu untersuchende anatomische Regionen, wie zum Beispiel Kopf, Knie, Brust, Herz, Prostata, Fußgelenk, Handgelenk und Schulter angeordnet werden. Der Magnetresonanztomograph 12 kann beispielsweise ein Hauptmagnetfeld von 1,5, 3 oder 7 Tesla aufweisen. In den nachfolgenden Beispielen, insbesondere den Zahlenbeispielen, wird angenommen, dass es sich um einen 1,5 Tesla Magnetresonanztomographen 12 handelt.
-
Damit die Lokalspulenvorrichtung 14 als drahtlose Lokalspulenvorrichtung betrieben werden kann, ist vorgesehen, dass die Lokalspulenvorrichtung 14 eine drahtlose Energieversorgung 20 aufweist, die vorzugsweise eine Induktionsspule 22 umfasst, die dazu ausgebildet ist, durch elektromagnetische Induktion eine elektrische Spannung zu induzieren, mit der beispielsweise ein Akkumulator 24 geladen werden kann. Mittels der im Akkumulator 24 gespeicherten Energie kann dann die drahtlose Lokalspulenvorrichtung 14, insbesondere eine Empfangsverstärkervorrichtung 26 der Lokalspulenvorrichtung 14 mit Strom versorgt werden.
-
Die Empfangsverstärkervorrichtung 26 ist dazu ausgebildet, ein MRT-Signal, das von einer Empfangsspule 28 empfangen werden kann, zur Ansteuerung eines Analog-Digital-Wandlers 30 zu verstärken. Das durch den Analog-Digital-Wandler 30 digitalisierte MRT-Signal kann dann beispielsweise durch eine Kommunikationsvorrichtung 32 an den Magnetresonanztomographen 12 gesendet werden, wobei der Magnetresonanztomograph 12 beispielsweise eine Recheneinrichtung 34 aufweist, die dazu ausgebildet ist, das digitalisierte MRT-Signal weiter zu verarbeiten. Die Kommunikationsvorrichtung 32 kann beispielsweise ein Funkmodul aufweisen, wobei das Funkmodul dazu ausgebildet ist, Signale drahtlos zu senden und/oder zu empfangen. Die Recheneinrichtung 34 des Magnetresonanztomographen 12 kann vorzugsweise als ein Computer mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (Central Processing Unit, CPU) ausgebildet sein.
-
Zum Verstärken des MRT-Signals kann die Empfangsverstärkervorrichtung 26 vorzugsweise eine Eingangsverstärkereinheit 36 und eine nachgeschaltete Ausgangsverstärkereinheit 38 aufweisen. Die Eingangsverstärkereinheit 36 kann bevorzugt als rauscharmer Verstärker (Low Noise Amplifier, LNA) ausgebildet sein, und die Ausgangsverstärkereinheit 38 kann als SGA (Switchable Gain Amplifier) ausgebildet sein. Zusätzlich zu der Eingangs- und Ausgangsverstärkereinheit 36, 38 kann die Empfangsverstärkervorrichtung 26 einen der jeweiligen Verstärkereinheit 36, 38 nachgeschalteten Bandpass 40 aufweisen.
-
Der zeitliche Verlauf des empfangenen MRT-Signals weist dabei die systematische Besonderheit auf, dass ein MRT-Signalpegel im überwiegenden Teil der Empfangszeit einen niedrigen Signalpegel aufweist und nur in einem Bruchteil der Empfangszeit, in der alle Spin-Signale in Phase sind, einen viel höheren Signalpegel aufweist. Mit anderen Worten ist der Signalpegel in Randbereichen des k-Raums niedrig und im Zentrum des k-Raums hoch, wobei der k-Raum eine Matrix von gemessenen Rohdaten der phasen und frequenzkodierten Signale darstellt. Um diese Signaldynamik abzubilden, insbesondere um den Analog-Digital-Wandler 30 im spezifizierten Ansteuerbereich ansteuern zu können, ist die Ausgangsverstärkereinheit 38 dazu ausgebildet, das MRT-Signal mit zumindest zwei Verstärkungseinstellungen zu verstärken. Hierzu kann insbesondere bei einem niedrigen MRT-Signalpegel ein hoher Verstärkungsfaktor (High-Gain-Stufe) verwendet werden und ab einem genügend hohen MRT-Signalpegel ein niedriger Verstärkungsfaktor (Low-Gain-Stufe).
-
Um eine Signalverzerrung zu vermeiden, die sich in Bildartefakten äußeren würde, wurde bisher üblicherweise vorgesehen, die Empfangsverstärkervorrichtung 26, insbesondere die Eingangsverstärkereinheit 36 und die Ausgangsverstärkereinheit 38 mit einem Arbeitspunkt zu betreiben, der im gesamten Ansteuerbereich bis hin zu einem maximal zu erwartenden MRT-Signalpegel hoch linear arbeitet. Um die Anforderungen an die Linearität erfüllen zu können, müssten die einzelnen Verstärkereinheiten 36, 38 jedoch mit einem entsprechend hohen Ruhestrom betrieben werden. Das hat jedoch den Nachteil, dass ein hoher Leistungsumsatz erreicht wird, was sich insbesondere nachteilig auf die drahtlose Lokalspulenvorrichtung 14 auswirken würde, da beispielsweise der Akkumulator 24 stark belastet werden würde. Des Weiteren würde sich aufgrund eines hohen Leistungsumsatzes die Lokalspulenvorrichtung 14 erwärmen, was sich insbesondere bei den zeitaufwendigen Messungen mit dem Magnetresonanztomographen 12 nachteilig auf einen Patientenkomfort des Patienten 16 auswirken würde.
-
Um die nachteiligen Effekte durch den hohen Leistungsumsatz zu begrenzen, ist die Empfangsverstärkervorrichtung 26 dazu ausgebildet, einen Ruhestrom der Eingangsverstärkereinheit 36 und/oder der Ausgangsverstärkereinheit 38 in Abhängigkeit eines vorgegebenen MRT-Signalpegels zu verändern. Zur Veranschaulichung ist in 2 ein beispielhafter Graph mit Eingangspegeln und Ausgangspegeln der jeweiligen Verstärkereinheit und Schaltschwellen dargestellt. Auf der x-Achse ist hierbei ein jeweiliger Eingangspegel in dBm und auf der y-Achse ein jeweiliger Ausgangspegel in dBm dargestellt. Der Graph g1 stellt hierbei einen Ein- und Ausgangspegel der Eingangsverstärkereinheit 36 dar und der Graph g2 einen Eingangs- und Ausgangspegel der Ausgangsverstärkereinheit 38. Die Graphen s1 und s2 in der 2 stellen schematisch Schaltsignale dar, wobei diese in dieser Figur nur zu besseren Verständlichkeit abgebildet sind und keine Signalpegel oder Ströme darstellen. Das heißt, dass die Einheiten und Zahlenbeispiele der x- und y-Achse für s1 und s2 nicht repräsentativ sind. Der Ausgangspegel der Ausgangsverstärkereinheit 38 (y-Wert des Graphen g2) speist in diesem Beispiel den Analog-Digital-Wandler 30 der Lokalspulenvorrichtung 14.
-
Die Empfangsverstärkervorrichtung 26 ist dazu ausgebildet, die Ausgangsverstärkereinheit 38 unterhalb eines Signalpegelschwellenwertes t1, der in diesem Beispiel bei -40 dBm liegt, mit dem hohen Verstärkungsfaktor (High-Gain-Stufe) und oberhalb des Signalpegelschwellenwertes t1 mit einem niedrigen Verstärkungsfaktor (Low-Gain-Stufe) zu verstärken. Der Signalpegelschwellenwert t1 kann insbesondere durch einen maximalen Eingangspegelwert des Analog-Digital-Wandlers 30 vorgegeben sein, der in diesem Beispiel bei +16 dBm liegen kann. Bei Erreichen oder kurz vor Erreichen des Signalpegelschwellenwerts t1 kann die Ausgangsverstärkereinheit 38 ein Steuersignal 42 (Gain Switch) zur Veränderung des Verstärkungsfaktors empfangen, so dass der Ausgangspegel der Ausgangsverstärkereinheit 38 um einen Verstärkungsfaktorwert, der ein Verstärkungsfaktorverhältnis zwischen dem hohen Verstärkungsfaktor und dem niedrigen Verstärkungsfaktor ist, heruntersetzt. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Verstärkungsfaktorwert den Signalpegel g2 der Ausgangsverstärkereinheit 38 beim Signalpegelschwellenwert t1 beispielsweise um 12 dB von 16 dBm auf 4 dBm heruntersetzen. Der Signalpegelschwellenwert t1 ist also so vorgegeben, dass der Analog-Digital-Wandler 30 weder im Betrieb mit hohem Verstärkungsfaktor noch im Betrieb mit niedrigem Verstärkungsfaktor übersteuert wird. Des Weiteren ist eine Kettenverstärkung der Eingangsverstärkereinheit 36 und der Ausgangsverstärkereinheit 38 vorzugsweise so vorgegeben, dass eine Anforderung an eine MRT-Systemrauschzahl erfüllt wird, wobei die Systemrauschzahl im High-Gain Betriebsfall beispielsweise bei Werten kleiner 0,6 dB liegen kann.
-
Zur Einstellung des Ruhestroms ist die Empfangsverstärkervorrichtung 26 dazu ausgebildet, die Ausgangsverstärkereinheit 38 unterhalb eines ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t2, der in diesem Beispiel bei -52 dBm Eingangspegel des MRT-Signals liegen kann, in einem Niedrigstrom-Modus und oberhalb des ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t2 in einem Hochstrom-Modus zu betreiben. Hierzu kann die Ausgangsverstärkereinheit 38 ein Steuersignal 44 zur Veränderung des Ruhestroms der Ausgangsverstärkereinheit 38 empfangen (Bias Switch). Hierbei kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass bei modernen Kleinsignal-Bipolar-Transistoren eine niedrigste Rauschzahl bei kleinen Kollektorströmen erzielt wird. Das heißt, unterhalb des ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t2.
-
Oberhalb des ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t2 wird die Ausgangsverstärkereinheit 38 jedoch auf maximale lineare Ansteuerbarkeit hin dimensioniert, damit die Empfangsverstärkervorrichtung 26 in beiden Verstärkungseinstellungen dieselbe maximale Ausgangsleistung für den Analog-Digital-Wandler 30 erreicht. Daher ist der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert t2 durch einen Wert des MRT-Signalpegels vorgegeben, der das Verhältnis zwischen den logarithmierten Verstärkungsfaktorwerten im High-Gain-Modus und Low-Gain-Modus kleiner ist als der Signalpegelschwellenwert t1. Mit anderen Worten wird vom Signalpegelschwellenwert t1, der bei -40 dBm liegt, der Verstärkungsfaktorwert, der das Verstärkungs-Verhältnis darstellt, subtrahiert, wobei dieser in diesem Beispiel 12 dB aufweist, wodurch der erste Umschaltsignalpegelschwellenwert t2 bei -40 dBm - 12 dB = - 52 dBm vorgegeben ist. Das heißt, dass für den Graph g2 zwischen t2 und t1 und anschließend nach der Umschaltung auf den niedrigen Verstärkungsfaktor dieselbe lineare Ansteuerbarkeit gegeben ist.
-
Zusätzlich kann die Empfangsverstärkervorrichtung 26 dazu ausgebildet sein, die Eingangsverstärkereinheit 36 unterhalb eines zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t3 in einem Eingangsverstärker-Niedrigstrom-Modus zu betreiben und oberhalb des zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwerts t3 in einem Eingangsverstärker-Hochstrom-Modus. Hierzu kann die Eingangsverstärkereinheit 36 ein Steuersignal 46 zur Änderung des Ruhestroms der Eingangsverstärkereinheit 36 empfangen, durch das der Ruhestrom und damit der Arbeitspunkt der Eingangsverstärkereinheit 36 umgestellt wird (Bias Switch).
-
Die Umschaltung der Eingangsverstärkereinheit 36 kann dabei bei einem höheren MRT-Signalpegelwert stattfinden als die Umschaltung der Ausgangsverstärkereinheit 38, da hierbei keine vorgelagerte Verstärkungs-Umstellung berücksichtigt werden muss. Vorzugsweise wird daher der zweite Umschaltsignalpegelschwellenwert t3 bei dem gleichen MRT-Signalpegel wie der Signalpegelschwellenwert t1 vorgegeben, in diesem Beispiel bei -40 dBm. Das hat zusätzlich den Vorteil, dass eventuell auftretende Änderungen des Betrags und der Phase der Kettenverstärkung in den jeweiligen Arbeitspunkteinstellungen nur einmal für die beiden Schwellenwerte t1 und t3 und ein anderes Mal für den ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert t2 durchgeführt werden muss.
-
Insgesamt kann also, unter der Vorgabe, dass im Hochstrom-Modus als auch im Niedrigstrom-Modus bei der jeweils spezifizierten Vollaussteuerung des Analog-Digital-Wandlers 30, also bei -28 dBm beziehungsweise bei -40 dBm, dieselbe Linearitätsanforderung erfüllt wird, mittels der Ruhestrombegrenzung der Ruhestrom im Niedrigstrom-Modus auf einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes reduziert werden. Im weitaus überwiegenden Teil der Empfangszeit, das heißt in Randbereichen des k-Raums, kann somit die Empfangsverstärkervorrichtung 26 mit einem reduzierten Leistungsumsatz betrieben werden.
-
Die Steuersignale 42, 44, 46 zur Änderung des Verstärkungsfaktors und/oder zur Änderung eines jeweiligen Ruhestroms können vorzugsweise von dem Magnetresonanztomographen 12 an die Lokalspulenvorrichtung 14 gesendet werden, wobei diese insbesondere von der Kommunikationsvorrichtung 32 drahtlos empfangen werden können, um die jeweilige Verstärkereinheit 36, 38 anzusteuern. Besonders bevorzugt kann die Kommunikationsvorrichtung 32 einen optischen Sensor 48 umfassen, der beispielsweise eine Fotodiode sein kann. Somit können die jeweiligen Steuersignale 42, 44, 46 über ein optisches Signal von dem optischen Sensor 48 empfangen werden. Hierzu kann der Magnetresonanztomograph 12 beispielsweise ein Patientenlicht 50, das auch als In-Bore-Licht bezeichnet wird, aufweisen, das über eine Intensitätsmodulation, vorzugsweise im Hochfrequenzbereich, die Steuersignale an die Kommunikationsvorrichtung 32 senden kann. Somit kann eine schnelle Signalübertragung zum Umschalten der jeweiligen Verstärkereinheit 36, 38 erreicht werden.
-
Des Weiteren kann der Magnetresonanztomograph 12 eine Speichereinheit 52 umfassen, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Korrekturparameter zur Korrektur eines Betrags und einer Phase des MRT-Signals durch die Änderung des Verstärkungsfaktors und/oder die Änderung des Ruhestroms einer digitalen Signalverarbeitung des Magnetresonanztomographen 12 bereitzustellen, wobei die digitale Signalverarbeitung vorzugsweise in der Recheneinrichtung 34 des Magnetresonanztomographen 12 durchgeführt werden kann. Der Korrekturparameter kann beispielsweise durch ein Experiment ermittelt werden, das als ein Schritt zur Inbetriebnahme des Magnetresonanztomographen 12 und/oder der Lokalspulenvorrichtung 14 einmalig durchgeführt wird. Alternativ kann der Korrekturparameter auch bei einer Fertigung der Lokalspulenvorrichtung 14 ermittelt und in der Speichereinheit 52 gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Speichereinheit 52 auch direkt in der Lokalspulenvorrichtung 14 vorgesehen sein.
-
In 3 ist ein Verfahrensdiagramm zum Betreiben der Lokalspulenvorrichtung 14 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform dargestellt. In einem Schritt S10 kann ein MRT-Signalpegel einen niedrigen Wert aufweisen, und eine Ausgangsverstärkereinheit 38 kann das MRT-Signal mit einem hohen Verstärkungsfaktor verstärken. Des Weiteren kann ein Ruhestrom der Ausgangsverstärkereinheit 38 mit einem Niedrigstrom-Modus betrieben werden und ein Ruhestrom einer Eingangsverstärkereinheit 36 in einem Eingangsverstärker-Niedrigstrom-Modus.
-
Bei Erreichen eines ersten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t2 durch den MRT-Signalpegel kann in einem Schritt S12 die Ausgangsverstärkereinheit 38 mittels eines Steuersignals 44 zur Änderung des Ruhestroms der Ausgangsverstärkereinheit 38 von dem Niedrigstrom-Modus in einem Hochstrom-Modus angesteuert werden.
-
In einem Schritt S14 kann bei Erreichen eines zweiten Umschaltsignalpegelschwellenwertes t3 ein weiteres Steuersignal 46 zur Änderung des Ruhestroms der Eingangsverstärkereinheit 36 von dem Eingangsverstärker-Niedrigstrom-Modus zu einem Eingangsverstärker-Hochstrom-Modus erzeugt werden, um damit die Eingangsverstärkereinheit 36 anzusteuern.
-
Anschließend oder gleichzeitig zum Schritt S14 kann in einem Schritt S16 ein Signalpegelschwellenwert t1 durch den MRT-Signalpegel erreicht werden, wobei dann ein Steuersignal 42 zur Änderung des Verstärkungsfaktors von einem hohen Verstärkungsfaktor zu einem niedrigen Verstärkungsfaktor erzeugt wird und wobei die Ausgangsverstärkereinheit 38 mit diesem Steuersignal 42 angesteuert wird.
-
Das hierin beschriebene Verfahren kann auch in Form eines Computerprogramms bzw. eines Computerprogrammprodukts vorliegen, dass das Verfahren innerhalb einer Recheneinrichtung (34) eines Magnetresonanztomographen (12) implementiert. Ebenso kann ein elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen vorliegen, welche zumindest ein beschriebenes Computerprogrammprodukt umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in insbesondere einer elektronischen bzw. der elektronischen Recheneinrichtung (34) eines Magnetresonanztomographen (12) ein beschriebenes Verfahren durchführen.
-
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform besteht ein Aspekt darin, eine volle Signaldynamik bei 1,5 Tesla und 3 Tesla nur durch Umschaltung einer Empfangspfadkettenverstärkung (Empfangsverstärkervorrichtung 26) in zwei oder mehreren Stufen (drei oder mehr) zu realisieren. Dazu wird für einen bestimmten Teil des abzutastenden k-Raums eine High-Gain-Stufe mit mehr Verstärkung und einer kleineren Gesamtrauschzahl der Empfangsverstärkervorrichtung 26 verwendet und für einen zentralen Bereich des k-Raums eine Low-Gain-Stufe mit weniger Verstärkung und einer geringfügig größeren Rauschzahl. Diese Gain-Stufen können Teil einer analogen Empfangsverstärkervorrichtung 26 vor einer Abtastung durch einen Analog-Digital-Wandler 30 sein. Die Gain-Umschaltung hat jedoch keinen relevanten Einfluss auf eine ungesetzte Leistung.
-
Zusätzlich zu der Gain-Umschaltung wird daher auch der Ruhestrom beziehungsweise Arbeitspunkt (Bias) von einzelnen Verstärkerschaltungen (Eingangsverstärkereinheit 36 und Ausgangsverstärkereinheit 38) in Abhängigkeit vom zu erwartenden MRT-Signalpegel geschaltet. In einem Hochstrom-Modus (High Bias) wird die Ausgangsverstärkereinheit 38 auf maximale lineare Ansteuerbarkeit hin dimensioniert, in einem Niedrigstrom-Modus (Low Bias) hingegen auf minimale Rauschzahl. Hierbei kann die Tatsache ausgenutzt werden, dass bei modernen Kleinsignal-Bipolar-Transistoren die niedrigste Rauschzahl bei kleinen Kollektorströmen erzeugt wird.
-
Ein Schaltsignal „Gain Switch“ (42) kann die Kettenverstärkung um ΔG (logarithmiertes Verhältnis der Verstärkungen) reduzieren. Ein Umschalten der Kettenverstärkung erfolgt, wenn der erwartete MRT-Signalpegel einen festgelegten Schwellenpegel (Signalpegelschwellenwert t1) erreicht. Dieser liegt um mindestens ΔG unterhalb eines spezifizierten Maximalpegels des Analog-Digital-Wandlers 30, bei dem das Empfangssystem (Lokalspulenvorrichtung 14) im Low-Gain-Modus noch hinreichend linear arbeitet. Das Umschalten des Arbeitspunktes der Eingangsverstärkereinheit 36 (Low Noise Amplifier, LNA) über ein Steuersignal „Bias Switch“ (46) kann gleichzeitig mit dem Umschalten der Kettenverstärkung erfolgen.
-
Da die schaltbare Verstärkerstufe (Ausgangsverstärkereinheit 38) in beiden Gain-Modi dieselbe maximale Ausgangsleistung liefern soll, erfolgt deren Umschaltung über ein Schaltsignal „Bias Switch“ (44) bereits bei einem ersten Umschaltsignalpegelschwellenwert t2 (erster Umschaltsignalpegelschwellenwert t2 = Signalpegelschwellenwert t1 - ΔG).
-
Ein Betrag und eine Phase der Kettenverstärkung können in den jeweiligen Arbeitspunkteinstellungen unterschiedliche Werte aufweisen. Diese Unterschiede können in einer nachgelagerten digitalen Signalverarbeitung korrigiert werden. Ein dazu verwendeter Korrekturparameter kann in einem MRT-Experiment ermittelt werden, das als Tune-up-Schritt einmalig bei einer Inbetriebnahme vom Service durchgeführt werden kann. Alternativ können Korrekturparameter in einer Lokalspulenfertigung ermittelt und im System gespeichert werden.
-
Unter der Vorgabe, dass in beiden Bias-Modi bei der jeweils spezifizierten Vollaussteuerung dieselbe Linearitätsanforderung erfüllt wird, zum Beispiel spezifiziert über Intermodulationsabstand dritter Ordnung bei einem Zweitontest, kann bei einem strombegrenzten Verstärker der Ruhestrom im Low-Bias-Modus auf den Bruchteil 10(-ΔP_max/20) = 0,25 des ursprünglichen Wertes reduziert werden. Im weitaus überwiegenden Teil der Empfangszeit können die Verstärker somit mit einem auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes reduzierten Leistungsumsatz (Low Bias) betrieben werden.
-
Für drahtlose Lokalspulen kann eine Steuerung der Gain- und Bias-Umschaltung zum Beispiel über einen dedizierten Funkrückkanal (bidirektionale Funkverbindung), eine Steuerung über ein Lichtsignal, wie beispielsweise ein Infrarotlichtsignal oder eine Modulation eines In-Bore-Lichtes (zum Beispiel mittels Intensitätsmodulation), über eine Modulation eines drahtlos übertragenen Referenzsignals (Referenztakt für eine Abtastung und/oder eine digitale Signalverarbeitung für verwendete Synthesizer) oder über eine Modulation eines Signals zur drahtlosen Energieübertragung erfolgen.
-
Insgesamt ist es unerheblich, ob die empfangenen MRT-Signale auf der Lokalspulenvorrichtung 14 digitalisiert und digital übertragen oder ob sie direkt analog übertragen und erst im Magnetresonanztomographen 12 digitalisiert werden. Ebenso ist es unerheblich, ob im Zuge einer analogen Signalverarbeitung eine Frequenzumsetzung erfolgt oder nicht.
-
Ein Einsatzbereich der Lokalspulenvorrichtung 14 ist zudem nicht auf eine drahtlose Lokalspule beschränkt. So können auch in einer drahtgebundenen Lokalspule die Rauschzahl bei geringer Aussteuerung verringert werden sowie insbesondere in besonders leichten „Deckenspulen“ eine Verlustleistung und somit eine störende Erwärmung reduziert werden.
