DE4037294A1

DE4037294A1 - Empfaengerschaltanordnung mit einer gruppe von oberflaechenspulen

Info

Publication number: DE4037294A1
Application number: DE4037294A
Authority: DE
Inventors: Hanan Keren
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1989-11-30
Filing date: 1990-11-23
Publication date: 1991-07-25
Also published as: IL92510A; US5160891A; IL92510A0

Description

Die Erfindung betrifft Magnetresonanz-Abbildungssysteme (MRI) und/oder Magnetresonanz-Spektroskopiesysteme (MRS) und insbes. eine Empfängerschaltanordnung zum Empfangen von Signalen aus einer Gruppe von Oberflächenspulen in derartigen Systemen.

Magnetresonanzsysteme nehmen Bilddarstellungs- und/oder spektrographische Daten unter Verwendung starker Magneten auf, um hohe statische Magnetfelder zu erzeugen. Innerhalb des Magneten sind Gradientenspulen vorgesehen, um die Magnetfelder zu fokussieren. Die hohen statischen Magnet felder werden verwendet, um bestimmte Kerne (Spine) der abzubildenden oder spektroskopisch zu untersuchenden Prüf lings magnetisch auszurichten. Ein HF-Impuls wird verwendet, um die ausgerichteten Spine zu "kippen" so daß mindestens eine Projektion der gekippten Spine in einer Ebene senkrecht zur Ebene liegt, in der die Spine ausgerichtet sind. Die gekippten Spine rotieren oder präzessieren in der orthogona len Ebene mit der Larmor-Frequenz, die gleich γB/π ist, wobei

B = die Stärke des statischen magnetischen Feldes,
γ = die gyromagnetische Konstante/Element, und
π = die Konstante 3,1416 . . .

Ein abklingendes Signal, das als freies Induktionsabfallsig nal (FID = free induction decay) bekannt ist, wird dadurch erzeugt, daß die rotierenden Spine Kraftlinien im Magnetfeld schneiden. Das Abklingen des Signals tritt deshalb auf, weil dann, wenn der HF-Impuls beendet ist, die Spine, die eine Nutation ausgeführt haben oder gekippt sind, in der orthogo nalen Ebene eine Phasenabweichung auszuführen und in den ausgerichteten Zustand zurückzukehren versuchen. Es sind die FID-Signale in der einen oder anderen Form, die zu Bilddar stellungs- und/oder spektroskopischen Zwecken verwendet werden.

Es gibt viele Arten von Magneten, die zur Erzeugung des hohen statischen Magnetfeldes verwendet werden können; bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein supralei tender Magnet eingesetzt. Das Prüfling oder der Patient wird in die Bohrung des supraleitenden Magneten eingesetzt und dort dem hohen statischen Magnetfeld ausgesetzt.

Zum Übertragen von HF-Impulsen und/oder zum Empfangen der FID-Signale werden HF-Spulen verwendet. Diese Spulen werden in einen Übertragungszustand erregt, bei dem der HF-Impuls eine Frequenz gleich der Larmor-Frequenz hat.

Die HF-Spulen sind entweder Körperspulen, die innerhalb des großen Magneten gewickelt sind, oder Spezialspulen, die häufig zusätzlich zu den Körperspulen verwendet werden. Diese Spezialspulen sind so ausgelegt, daß sie bestimmten Teilen des Körpers unmittelbar benachbart angeordnet sind, z. B. der Wirbelsäule, den Gliedmaßen oder dem Kopf. Oberflächenspulen sind Spezialspulen, die so ausgelegt sind, daß sie bestimmten Teilen des Körpers unmittelbar benachbart sind. Oberflächen spulen sind aufgrund der Nähe der Sonde zu dem Körperteil, von dem Daten aufgenommen werden sollen, besonders effektiv.

Unabhängig von der verhältnismäßig hohen Effizienz der Spezialspulen einschließlich Oberflächenspulen bleibt das Signal-Geräusch-Verhältnis (SNR) der erfaßten Daten während der eingeprägten kleinen Amplituden der FID-Signale kritisch. Das SNR wird u. a. wegen der Aufnahme von Streusignalen (Geräusch) durch die Spule verringert, die durch Streukapazi täten und/oder Wechselinduktivitäten zwischen den Spulen in Phasenschieberspulenanordnungen oder in Oberflächenspulenan ordnungen verursacht werden.

Das SNR wird ferner wegen der Änderungen in der Impedanz der Spule aufgrund der "Belastung" (loading) durch den Patienten vermindert. Unterschiedliche Patienten haben unterschiedliche Körperimpedanzen, und belasten somit die HF-Sonden auf unterschiedliche Weise. Auch ist der menschliche Körper unsymmetrisch. Die Spulenbelastung ist somit nicht symme trisch, was zu Änderungen in den aus der Spule an unter schiedlichen Stellen im Körper aufgenommenen Signalen führt. Das SNR wird auch nachteilig durch die Größe der Oberflächen spule beeinflußt, so daß dann, wenn andere Parameter gleich sind, das SNR umso kleiner wird, je größer die Oberflächen spule ist.

Eine Oberflächenspulenanordnung, wie sie in vorliegender Erfindung verwendet werden kann, ist in der israelischen Patentanmeldung 0 91 805 vom 27.9.1989 mit dem Titel "Surface Coil Array" beschrieben und dargestellt.

Ein Problem bei HF-Spulenanordnungen, die in MR-Systemen verwendet werden, besteht darin, daß das MRI-System eine Quadraturanzeige verwendet, d. h., die Anzeige ist anwendbar sowohl für den Dispersionsbetrieb als auch für den Absorp tionsbetrieb, die jeweils um 90° phasenverschoben sind. Ein anderer Weg, um die Orientierung der Spulen zu beschreiben, ist, daß die Quadraturanzeige echte Daten und imaginäre Daten ergibt. Eine exakter Abgleich zwischen jeder der Spulen ist entscheidend, um u. a. Reflexionen zu verhindern. Die Einrich tung, die hier beschrieben ist, ermöglicht eine Relaxation der Forderung z. B. nach einem exakten Abgleich.

Bei vorliegender Erfindung wird von einem Stand der Technik ausgegangen, der durch das US-Patent 48 25 162 belegt ist. In dieser Druckschrift ist die Nuklear-Magnetresonanz-Abbil dungseinrichtung (NMR) mit Mehrfachoberflächenspulen, d. h. einer Gruppe von Oberflächenspulen, beschrieben und darge stellt. Fig. 10 dieser Druckschrift zeigt die Empfängerschal tung zur Kopplung der Gruppe von Spulen mit einer Bildverar beitungseinrichtung in einem MRI-System.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltanordnung zu schaffen, um eine Oberflächenspulenanordnung so auszubilden, das eine Reflexion verhindert wird. Bei bekannten Empfänger schaltanordnungen für Oberflächenspulen ist es erforderlich, einen wesentlichen Teil der Zeit mit dem Abgleich der Schaltung zu verbringen, die die HF-Spulenanordnungen mit der Bildverarbeitungseinrichtung koppelt, um einen fehlenden Abgleich zwischen den Signalen zu verhindern, die aus den unterschiedlichen, individuellen Spulen der Spulenanordnungen empfangen werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Schaltanordnung nach der Erfindung zum Empfangen von Signalen aus einer Gruppe von Oberflächenspulen und zum Verarbeiten dieser empfangenen Signale für das Erzeugen von Bilddaten weist eine Einrichtung auf, die die Notwendigkeit des Abgleichs der Schaltanordnung zur Verhinderung von Reflexionen minimiert. Des weiteren werden die Signale aus den unterschiedlichen HF-Spulen einer Gruppe von Oberflächen spulen in echte und imaginäre Teile in der Verarbeitungs schaltung aufgeteilt, die so nahe wie möglich an der Bild verarbeitungseinrichtung angeordnet ist. In der Regel ist ein Abgleich nur erforderlich, nachdem die empfangenen Signale in ihre realen und imaginären Bestandteile aufgeteilt worden sind.

Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, die Signale während der Verarbeitung im Multiplexbetrieb zu behandeln, um den Schaltungsaufwand zu minimieren.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Empfänger schaltung zum Koppeln der Ausgänge einer Gruppe von Oberflächenspulen mit einer Verarbeitungseinrichtung, und

Fig. 2 ein Blockschaltbild von Einzelheiten der HF-Blöcke nach Fig. 1.

Die Schaltung zum Empfangen von Signalen aus einer Gruppe von Oberflächenspulen nach der Erfindung ist in Fig. 1 allgemein mit 11 bezeichnet; jede der Oberflächenspulen der Gruppe ist mit der Schaltanordnung gekoppelt. So sind die HF-Spulen 12, 13, 14 und 16 jeweils mit Empfangskanälen gekoppelt, die Vorverstärker 17, 18, 19 und 20 aufweisen. Die Vorverstärker 17-20 mit 50 Ohm Eingangsimpedanzen werden normalerweise bei der Magnetresonanz-Bilddarstellung zum Verstärken der von den HF-Spulen aufgenommenen FID-Signale verwendet. Jeder Vorverstärker ist mit einem Verstärker gekoppelt dargestellt, z. B. der Vorverstärker 17 mit dem Eingang des Verstärkers 22, der Vorverstärker 18 mit dem Eingang des Verstärkers 23, der Vorverstärker 19 mit dem Eingang des Verstärkers 24 und der Vorverstärker 20 mit dem Eingang des Verstärkers 25. Der Signalausgang eines jeden Verstärkers wird mit Dämpfungsvor richtungen variabler Spannung eingestellt, z. B. der Dämpf ungsvorrichtung 26, die mit dem Ausgang des Verstärkers 22 verbunden ist, die Dämpfungsvorrichtung 27, die mit dem Ausgang des Verstärkers 23 verbunden ist, die Dämpfungsvor richtung 28, die mit dem Ausgang des Verstärkers 24 verbunden ist, und die Dämpfungsvorrichtung 29, die mit dem Ausgang des Verstärkers 25 verbunden ist.

Die Steuerung einer jeden spannungsveränderlichen Dämpfungs vorrichtung wird durch einen Steuerprozessor oder Steuercom puter 35 durchgeführt. Der Computer gibt Steuersignale über einen HF-Kanal 30, um u. a. die Ausgänge der spannungsverän derlichen Dämpfungsvorrichtung 26, 27, 28 und 29 zu steuern. Die Dämpfungsvorrichtungen werden wechselweise so einge stellt, daß sie ein Mmaximum von anteiligen Signalen an den Prüfling geben und die Schaltanordnung, die in jedem Spulen signal vorgesehen ist, halten. Die Spannungsausgänge der spannungsveränderlichen Dämpfungsvorrichtungen 26-29 werden erneut in dem Satz von Verstärkern 31-34 verstärkt, bzw. an spannungsveränderliche Dämpfungsvorrichtungen 26-29 gelegt.

Es sind Vorkehrungen vorgesehen, um ein demoduliertes Signal im Hörbereich aus den empfangenen Signalen zu erhalten. Insbesondere sind HF-Vorrichtungen 36-39 dargestellt, die mit den Ausgängen der Verstärker 31-34 verbunden sind. Jede der HF-Vorrichtungen weist drei Eingänge auf, die die Eingänge aus den Verstärkern 31-34 und zwei Eingänge aus einem Frequenzsynthesizer 41 darstellen.

Der Frequenzsythesizer 41 ist bei einer bevorzugten Ausfüh rungsform ein PTS 160/250 Frequenzsynthesizer, wie er von der Firma Programmed Test Sources Inc., Littleton, MA, USA bezogen werden kann. Der Frequenzsynthesizer 41 ist mit dem Computer 27 für Steuer- und Taktzwecke verbunden. Die beiden Ausgänge aus dem Frequenzsynthesizer sind:

1. ein kombinierter HF- und IF-Ausgang, der bei einer bevorzugten Ausführungsform in der Größenordnung von 1,2 MHz beträgt, und

2. ein zweiter Frequenzausgang mit Frequenzen von 1, 10 und 100 MHz.

Der Ausgang der HF-Vorrichtungen besteht aus Signalen mit verringerter Frequenz. Die Ausgänge einer jeden HF-Vorrich tung 36-39 sind mit Prüf- und Halte-Vorrichtungen verbun den, die mit Analog-Digital-Wandlern 42, 43, 44 und 45 kombiniert sind.

Die Einheiten 42-44 und 46 nehmen jeweils Steuersignale aus dem Computer 27 über einen Schnellkanal 47 auf.

Die Prüf- und Halte-Schaltungen prüfen die empfangenen Signale am Ausgang der HF-Vorrichtungen 36-39. Die Digital signalausgänge der kombinierten Prüf- und Halte-Analog/Digi tal-Wandler 42, 43, 44 und 46 sind mit 20 KBite Speichern 48, 49, 51 und 52 verbunden. Diese Speicher wirken als Puffer für den Ausgang des Analaog/Digital-Teiles der Wandler 42, 43, 44 und 46. Die Ausgänge der Speicher 48-51 sind mit einem Multiplexer (MUX) 53 verbunden. Der Ausgang des MUX 53 wird durch Digitalsignalprozessoren 54 und 56 verarbeitet, die mit Speichern 48, 49 und 51, 52 gekoppelt sind, damit zwei Quadratursignale entstehen. Der Ausgang des Digitalsignalpro zessors 54 wird mit cos ([fk/f_o] · π · n) multipliziert. Der Ausgang des Digitalsignalprozessors 56 ist das Quadratursig nal sin ([-fk/f_o] · π · n), wobei

f_o = Larmor-Frequenz im Mittelpunkt des Magneten, und
f_k = mittlere Frequenz des von jeder Spule empfangenen Signales (k = 1, 2 .... n).

Die beiden Quadratursignale - und zwar jeweils eines aus jedem Digitalsignalprozessor - werden über die Digitaltief paßfilter 57 und 58 gegeben, welche Steuersignale aus dem Computer 27 über den Digitalsignalprozessor 59 empfangen. Der Prozessor 59 gibt den Ausgängen der beiden Digitaltiefpaßfil ter 57 und 58 Fourier-Transformationen auf. Der Ausgang beider Filter wird über einen Analog/Digital-Wandler 61 gesendet, der als Puffer für die Nachrichtenverbindung mit dem Bildprozessor wirkt. Der Ausgang des Analog-Digital- Wandlers 61 ist mit einem Bildprozessor 62 gekoppelt. Der Ausgang des Bildprozessors 62 wird an die Sichtanzeigevor richtung 63 gegeben, auf der eine Bilddarstellung erzeugt wird.

An der Stelle der Aufteilung des empfangenen Signales in seine Quadraturkomponenten werden die Einstellungen zur Verhinderung einer Reflexion erforderlich. In vorliegendem Fall sind die Signalprozessoren von dem Eingang in die Schaltungsvorrichtung, nämlich die HF-Spulen, soweit wie möglich entfernt, so daß Schaltungseinstellungen zum Abgleich der Quadraturabschnitte der empfangenen Signale ein Minimum werden.

Die HF-Vorrichtungen 36-39 sind in Fig. 2 dargestellt, in der Details einer typischen HF-Vorrichtung gezeigt sind. Die HF-Vorrichtung 36 (wie entsprechend auch die anderen HF- Vorrichtungen) nimmt Eingangssignale auf, die aus der Dämpfungsvorrichtung mit veränderlicher Spannung über einen Verstärker 31 und die Leitung 71 kommen. Das Signal auf der Leitung 71 (z. B. 81 MHz) wird in ein Bandpaßfilter einge führt, das von 10-90 MHz reicht. Der Ausgang des Bandpaß filters 72 wird in einen Eingang der Mischvorrichtung eingeführt, der andere Eingang der Mischvorrichtung 73 mit zwei Eingängen ist beispielsweise das HF + IF +1,2 MHz Signal oder 192,2 MHz. Am Ausgang der Mischvorrichtung 73 werden obere und untere Seitenbänder von 273,2 und 111,2 MHz mit einem weiteren Bandpaßfilter 74 gekoppelt, das sich über einen Bereich von 111,2 + 5 MHz erstreckt. Der Ausgang des Bandpaßfilters 74 wird in die Mischvorrichtung 76 eingeführt. Der andere Eingang in die Mischvorrichtung ist ein 100 MHz Signal aus dem Synthesizer 41. Der Ausgang der Mischvorrich tung beträgt dann 11,2 + 0,5 MHz. Dieser Ausgang wird über das Bandpaßfilter 77 mit einem Bereich von 11,2 + 0,5 MHz gesendet.

Das 1, 10 und 100 MHz Signal aus dem Synthesizer 41 wird aus der Leitung 78 aufgegeben. Die Leitung 78 speist in verschie dene Bandpaßfilter ein, z. B. die Filter 80, 81 und 84. Das Bandpaßfilter 80 beispielsweise ermöglicht, daß das 100 MHz Signal der Mischvorrichtung 76 unter Ausschluß der 10 MHz und 1 MHz Signale aufgegeben wird.

Der Ausgang des Bandpaßfilters 77 wird der Mischvorrichtung 79 aufgegeben, die ferner ein 10 MHz Signal aus dem Bandpaß filter 81 und der Leitung 78 aufnimmt. Der Ausgang der Mischvorrichtung 79 sind 21,2 + 0,5 MHz oder 1,2 + 0,5 MHz Signale. Dieser Ausgang wird in das Bandpaßfilter 82 mit einem Paßband von 1,2 + 0,1 MHz gekoppelt. Der Ausgang des Bandpaßfilters 82 geht an eine Mischvorrichtung 83.

Die Mischvorrichtung 83 nimmt ein zweites Signal aus der Leitung 78 über das Bandpaßfilter 84 auf, das das 1 MHz Signal unter Ausschluß der 10 MHz und 100 MHz Signale durchläßt. Der Ausgang der Mischvorrichtung 83 (2,2 + 0,1 MHz und 0,2 + 0,1 MHz) geht dann in einen Tiefpaßfilter 86, der Signale bis zu 200 kHz durchläßt und mit der Prüf- und Halteschaltung, z. B. der Schaltanordnung 42, die das 200000 Hz Signal prüft, gekoppelt ist.

In der Praxis sind eine Gruppe von HF-Spulen, z. B. die HF-Spulen 12, 13, 14 und 16, mit der Schaltanordnung verbun den, die den Aufwand an Einstellungen, wie sie zur Verhinder ung von Reflexionen erforderlich sind, auf ein Minimum herabsetzt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Quadraturan zeige- und -aufteilungsabschnitte der Schaltanordnungen so nahe wie möglich an der Bildverarbeitungseinrichtung ange schlossen werden. Die MUX-Schaltanordnung wird soweit wie möglich von der Bildverarbeitungseinrichtung weg angeordnet, was den erforderlichen Schaltungsaufwand reduziert. Bei spielsweise verringert das Anordnen der Quadraturaufteilungs schaltungen nach der Multiplexeinrichtung die Anzahl solcher erforderlichen Schaltungen ganz entscheidend. Die empfangende Gruppe von HF-Spulen wird über Verstärkungsschaltungen in Vorrichtungen zum Herabsetzen der Frequenz des HF-Signales eingespeist (d. h. Demodulation oder Anzeige des HF-Signales). Die Demodulationssignale (Audio) werden geprüft und in digitale Signale umgewandelt. Die digitalen Signale werden über eine Puffer- und Multiplexeinrichtung der Verarbei tungseinrichtung zur Quadraturschaltung des Signales zuge führt. Das aufgeteilte Signal wird gefiltert, um den Ge räuschpegel zu reduzieren, und für die Sichtanzeige verar beitet.

Claims

1. Empfängerschaltanordnung zum Empfangen von Signalen aus einer Gruppe von Oberflächenspulen in einem Magnetreso nanzsystem, gekennzeichnet durch
einen Empfängerkanal für jede Spule der Gruppe von Oberflächenspulen,
eine Vorrichtung zum Vorverarbeiten der empfangenen Signale, die eine Vorrichtung zur Umwandlung der empfan genen Signale in digitale Signale aufweist,
eine Vorrichtung zum Multiplexen der vorverarbeiteten Signale aus den Empfängerkanälen,
eine Vorrichtung zum Aufteilen der gebündelten (multi plexed) vorverarbeiteten Signale in Quadraturkomponenten,
eine Vorrichtung in der Schaltanordnung zum Minimieren der Notwendigkeit, die Schaltanordnung zur Verhinderung von Reflexionen abzugleichen,
eine Sichtanzeigevorrichtung,
eine Vorrichtung zum Verarbeiten der vorverarbeiteten Signale, um Bilddaten zu erzeugen, und
eine Vorrichtung zur Auswertung der Bilddaten, um Bilddarstellungen auf der Sichtanzeigevorrichtung zu erzeugen.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in der Schaltanordnung zum Minimieren der Notwendigkeit, die Schaltanordnung abzugleichen, um Reflexionen zu verhindern, Mittel aufweist, um die Vorrichtung zur Teilung der gebündelten, vorverarbeiteten Signale in Quadraturkomponenten so nahe wie möglich an der Sichtanzeigevorrichtung zu positionieren.

3. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Unterteilung der empfangenen Signale in Quadraturkomponenten der Multiplexervorrich tung nachgeschaltet ist.

4. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Umwandlung der empfangenen Signale in digitale Signale eine Prüf- und Haltevorrich tung aufweist, die jedem der Kanäle zugeordnet ist.

5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Unterteilung der empfangenen Signale in Quadraturkomponenten ein Paar Phasenschieberkanäle aufweist, deren jeder einen Digitalsignalprozessor enthält, welcher mit dem Ausgang der Multiplexvorrichtung gekoppelt ist,
daß ein erster der Digitalsignalprozessoren in einem ersten der Quadraturkanäle ein erstes Quadratursignal erzeugt, und
daß ein zweiter der Digitalsignalprozessoren in einem zweiten Quadraturkanal ein zweites Quadratursignal erzeugt, das um 90° gegenüber dem ersten Phasenschieber signal phasenverschoben ist.

6. Schaltanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein digitales Tiefpaßfilter, das mit jedem der Quadratur kanäle gekoppelt ist, um das Signal-Geräusch-Verhältnis durch Reduzieren des Geräusches zu erhöhen.

7. Schaltanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetresonanzsystem ein 2 Tesla-System ist, und daß die Signalvorverarbeitungsvorrichtung eine Vorrich tung zum Demodulieren der empfangenen Signale aufweist, um 200 kHz Signale in jedem der Kanäle zu erzeugen, die mit jeder der HF-Spulen in der Spulengruppe gekoppelt sind.

8. Schaltanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulationsvorrichtung Mischer und Bandpaß filter aufweist, um die empfangene Signalfrequenz von etwa 110 MHz auf 200 kHz zu reduzieren.