JP2007144192A

JP2007144192A - 磁気共鳴撮像システムにおいて複数の受信器コイルからの送信データを空中経由で送信するための光学リンク

Info

Publication number: JP2007144192A
Application number: JP2006320956A
Authority: JP
Inventors: Selaka Bandara Bulumulla; セラカ・バンダラ・ブルミュラ; Glenn Alan Forman; グレン・アラン・フォーマン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2007-06-14
Also published as: NL1032934A1; NL1032934C2; US7173426B1; DE102006056453A1

Abstract

【課題】磁気共鳴撮像システムにおいて複数の受信器コイルからのデータを自由空間において光学的に送信するための光学データリンクを提供する。
【解決手段】磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）において複数の受信器コイルからのデータ（１２）を自由空間において光学的に送信するための光学データリンク（１４）を提供する。この自由空間（例えば、空中経由）光学データリンク（１４）は、ＭＲ画像の作成に使用可能な送信データに対する、無コード式（すなわち、物理的なワイヤや光ファイバの束がない）であり、電磁気に関して本質的に無影響（無線周波数ワイヤレス伝送の様な干渉がない）でありかつスケーラブルな解決法を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は全般的には、磁気共鳴撮像に関し、さらに詳細には、磁気共鳴撮像システムにおいて複数の受信器コイルからのデータを自由空間において光学的に送信するための光学データリンクに関する。

磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムでは、複数の極めて高感度の受信器コイル（例えば、表面コイル）を存在させることがある。当技術分野で周知のように、これらのコイルは、診断ＭＲ手技を受けている対象のある領域に関するＭＲ応答信号を受け取り当該領域のＭＲ画像を作成するためのアンテナとして使用されるのが一般的である。例えば目下のところ、典型的なＭＲＩシステム内には８個または１６個の受信器コイルを存在させることがある。しかし、この数は実際上は、撮像分解能をさらに高めた新式のＭＲＩシステムが市場に導入されるに連れてより大きな数（例えば、３２個、６４個、１２８個またはこれ以上のコイル）まで増加することがあることに留意されたい。

受信器コイルの数が増えるに連れて、これらのコイルと受信器の間のケーブル束（例えば、同軸ケーブル）を介して有効な電気的接続を提供することに問題が生じ出した。例えば、ケーブルの本数が多いことによってＭＲシステムの高磁場環境において障害状態が提起される可能性がある。さらに、ケーブルの本数が多いことによってコイル信号受信器の占有面積や重量が増分式に増えることになる。さらに、受信器コイルは患者の上に配置されることがあるため、物理的な相互接続に由来して重量が増えることは望ましくない。
米国特許第６，１５４，２９９号

周知の幾つかの技法は、受信器コイルによって検知した信号を伝達するために光ファイバ・ケーブルやワイヤレス無線周波数伝送を使用することによって上述の困難に対処しようとしている。光ファイバ・ケーブルの場合、同軸ケーブルが磁場を受けたときに提起する可能性がある障害が大幅に低減または排除される。しかし、光ファイバ接続の数はＭＲＩシステムが使用する受信器コイル数の一次関数で増加するため、高分解能ＭＲＩ用途に適した費用対効果がよいスケーラブルな解決法は問題となったままである。ワイヤレス無線周波数伝送の場合では、このタイプのリンクは、無線スペクトルの周波数の割り当て及び利用を規制する規制当局に関係した厄介な承認手続きを必要とすることがある。さらに、このタイプのリンクは、極めて高感度の受信器前側端において望ましくない電磁気的干渉を生ずることがある。さらに、ワイヤレス送信器では動作のためにかなり大量のパワーを必要とすることがある。

したがって、物理的なケーブルを不要にすると共に、特にＭＲＩシステムが多数の受信器コイルを使用する場合に容易に適応することが可能なスケーラブルでありかつ費用対効果がよい解決法を提供できるような、空中経由（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｔｈｅ−ａｉｒ）の（例えば、無コード式（ｔｅｔｈｅｒｌｅｓｓ）の）光学データリンクを用いて実現し得る、上述した困難を回避またはかなり軽減させたＭＲＩシステム及び技法を提供することが望ましい。

本発明のこれら並びに別の利点については、図面の簡単な説明に示した図面を見ながら以下の説明を読むことによって明らかとなろう。

図１は、本発明の態様を具現化した磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム１０の破断斜視図である。ＭＲＩシステム１０は、ＭＲＩ診断スキャンを受ける対象上に位置決めし得る複数の受信器コイル（例えば、表面コイル１２）を備える。各受信器コイルは、受信器コイルによって検知した磁気共鳴応答信号に基づいてそれぞれのコイル出力信号を供給するように構成されている。当業者によく理解されている技法を用いて、コイル信号のそれぞれはディジタル化されかつ処理されて関心領域のＭＲ画像が作成される。

本発明の発明者らは、受信器コイル１２から離れた光受信器１６までディジタル化したデータを送信するように構成し得る革新的な光学データリンク１４について認識している。この自由空間（例えば、空中経由）光学データリンクは、ＭＲ画像の作成に使用可能なデータを送信するための無コード式（すなわち、物理的なワイヤや光ファイバの束がない）であり、電磁気に関して無影響（無線周波数ワイヤレス伝送の様な干渉がない）でありかつスケーラブルな解決法を提供することができる。

指向的（ｄｉｒｅｃｔｅｄ）光学伝送を用いた例示的な一実施形態では、送信器回路２０は図２に示すような受信器コイル１２_１〜１２_ｎと共通パッケージとすることがある。例えば、受信器コイル１２からの各信号は、前置増幅器２４によって増幅し、周波数変換器２６によって周波数を逓降変換し、アナログ対ディジタル変換器２８によってディジタル化し、マルチプレクサ３０によって多重化し、さらに受信器コイル及び送信器回路と共通パッケージとし得る光学線源３２と接続させることができる。

増幅した信号は周波数の逓降変換を伴わずに（例えば、直接サンプリングで）直接ディジタル化されることもあることが理解されよう。光学線源３２（光学線源駆動部３４と光源３６を備えることがあるような線源）は、送信回路によって制御されており、自由空間を介して受信器コイルデータを光学的に送信することを可能にする。この光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）発生源とすることや、レーザー発生源（例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）、分布帰還型レーザー（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋＬａｓｅｒ：ＤＦＢ）あるいはＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔレーザー）とすることがある。図２は、複数の受信器コイルからの信号を単一で高速の光学線源に多重化できるような例示的な一実施形態を表している。この実現形態では送信器回路及び光学線源にパワー供給するために受信器コイル回路の位置において電気出力を増分式の消費する必要があることが企図される。

この光学伝送を受信するために、マグネットボアの内部など様々な箇所のうちのいずれかに１つまたは複数の受信器１６（図１）が位置決めされることがある。このケースでは、光学経路がかなり短く（例えば、概ね１フィートに）なる。しかしこれによって、受信器コンポーネントは撮像ボリュームの位置またはその近くに形成されるかなり高い磁場を受ける可能性がある。別の例では、ＭＲＩシステムが配置された室内の天井に１つまたは複数の受信器１６が位置決めされることがある。このケースでは、その伝送距離が上の例と比較してかなり長くなる。しかし、受信器コンポーネントは撮像ボリュームからより遠くに離れることになる。さらに別の例では、撮像ボリュームの外部にある１つまたは複数の受信器まで光信号を反射させるために、マグネットボアの表面上に受動的な（ｐａｓｓｉｖｅ）反射面やその他の反射素子を配置させることがある。

高信頼性の光学データリンクを維持するには、光送信器と受信器の間の整列をかなり高い精度で維持する必要がある。しかし、スキャン中に送信器が患者の動きのために移動することがあるためにこの整列は影響を受けることがある。

図３に示した例示的な一実施形態では、送信ビーム４６を空間的に拡散できるように、光発散性のレンズ４２をレーザー発生源３６からのレーザビーム４４を受け取るように位置決めすることがある。この実施形態では、集光性レンズ４５及び光検出器４７を含む受信器４３は、例えば送信器の動きをトラッキングするように構成したビームトラッキング・デバイス４８によって提供し得るようなビームトラッキング機能を備えるように構成されることがある。

図４に示した別の例示的一実施形態では、光受信器のアレイ４９を使用して送信ビームを収集することがある。例えば、単一の受信素子と比較して受信器アレイの表面積がかなり大きいため、患者が動いている間であっても受信器の少なくとも１つまたは幾つかが送信ビームの照射を受ける可能性が高い。アレイ４９は、Ｋａｐｔｏｎポリイミドや適当な任意のポリマーなどの柔軟な材料から製作された２次元アレイとすることがある。受信器のアレイによって供給された信号を処理するためには、光学線源から送信されたデータに基づいて判定するように構成されたプロセッサを用いることがある。

図７は、受信器８２のアレイを備えた例示的な受信器回路８０のブロック図を表している。例えば、フォトダイオード検出器８４からの各それぞれの信号は、増幅器８６（例えば、トランスインピーダンス増幅器）によって増幅されることがあり、信号喪失（ｌｏｓｓｏｆｓｉｇｎａｌ：ＬＯＳ）情報を追加的に提供できる制限型（ｌｉｍｉｔｉｎｇ）増幅器８８によって制限されることがあり、当業者がよく理解するような技法を用いて画像を作成するように構成した撮像プロセッサ（図示せず）に接続される多重分離装置９０によって多重分離するためにアレイデータに基づいた判定を行うように構成されたプロセッサ８９によって処理されることがある。

図５に表した別の例示的実施形態では、光送信器５０をそれぞれの受信器コイル５２と一体化させている。すなわち送信器が、受信器コイルのすべてからの多重化データストリームを送信するために使用されるのではなく、１つの受信器コイルからだけのデータを送信するために使用される（すなわち、各受信器コイルは１つの光送信器を有する）ことがある。この実施形態では、受信器コイル回路の位置に配置させる各光源は、ディジタル化コイル出力データに直接応答してその光ビームを光学的に変調させ、空間的に離間させた１つまたは複数の光検出器５４に空中経由で送信している。

光学伝送を有効にするための例示的な一技法は光送信器と対応する光受信器とが１つの特異的な光学経路（見通し線経路）による光学リンクを構築する指向的（見通し線）伝送とすることがあることが理解されよう。例えばこの技法では、送信器と受信器の間に指定された空間的整列を必要とすることがある。送信ビームのスポットサイズがかなり大きければ、その整列要件はより要求が軽減されることが理解されよう。例えば、赤外線データ協会（ＩｒＤＡ）標準を前提とすると、そのスポットサイズは１ｍ離れた位置で５０ｃｍとなり、この例では、マイクロメートル・レベルの整列の提供は必要としない。この要件は、上で言及したような受信器アレイを使用することによってさらに軽減されることがある。

かなり大きなスポットサイズを用いると、複数の光学伝送が重複する可能性が高まり、またこのケースでは、こうした重複に由来する干渉の影響を低減させるために、マルチユーザ伝送システムの当業者によく理解されているような適当な符号化スキーム（例えば、直交コーディング、スペクトル拡散、など）を用いて伝送をエンコードすることが必要となることがある。干渉の影響を緩和させるためには、直接拡散（Ｄｉｒｅｃｔ−Ｓｅｑｕｅｎｃｅ：ＤＳ）スペクトル拡散など別の多くの技法が使用し得ることが理解されよう。

図６に表した例示的な一実施形態では、光源７０は、１つまたは複数の受信器コイル７４、１つまたは複数のプリアンプ７６、１つまたは複数のアナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器７８、データ・マルチプレクサ８０及び光変調器８２を含み得る受信器コイル回路７２から離間させて配置されている。光源７０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることや、レーザー（例えば、ＶＣＳＥＬ、ＤＦＢまたはＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）とすることがある。動作時において、光ビーム８４が離れた位置の光学線源７０から、マルチプレクサ８０が供給する信号を受け取ってフォトダイオードなどの光検出器９０によって受け取られるような変調済み光信号８８を生成させる受信器コイル（複数のこともある）７４と一体化し得る光変調器８２の方向に向けられる。例えばこのフォトダイオードは、ＰＩＮタイプやアバランシェ・フォトダイオードのタイプとすることができる。検出器９０は受信器コイル回路７２から離間させており、また直接検出受信器として動作するように構成されることがある。この実施形態によれば離した光学線源７０が受信器コイル回路７２の一部でないため、受信器コイル回路の位置におけるパワー消費をかなり低くすることが可能となることが期待される。

一例として、その光変調器８２はマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラー（例えば、強度変調を提供するように構成された光学変調スイッチ）の形態を取ることがある。例えばこのＭＥＭＳミラーは、光ビーム８４を反射させこれによりディジタル「１（ｏｎｅ）」を生成するような第１の変調状態に設定されることがあり、また光ビームを反射せずこれによりディジタル「０（ｚｅｒｏ）」を生成するような第２の変調状態に設定されることがある。別の例では、その光変調器８２は、光ビーム８４を反射させこれによりディジタル「１（ｏｎｅ）」を生成するような第１の変調状態で構成可能であり、さらに入射光ビームを吸収しこれによりディジタル「０（ｚｅｒｏ）」を生成するような第２の変調状態で構成可能である再帰反射性変調器の形態を取ることがある。再帰反射性変調器に関連する追加の背景情報を希望する読者は、マルチ量子ウェル・テクノロジー（ｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を使用する変調型レトロリフレクタの一例を記載している米国特許第６，１５４，２９９号を参照されたい。

光源７０は、かなり長い波長（例えば、概ね１５５０ｎｍ）で動作するように構成させる（これらの長い波長の光は人間の角膜及びこれに付属するレンズによって吸収されやすく、網膜上に集束されないため）ことがある。したがって、より長波長の伝送によって、眼の安全を保ちながらそのパワーをかなり高くする（例えば、点線源では概ね１０ｍＷ）ことが可能となる。そのパワーレベルが眼に対する適用可能な任意に安全標準を満たすように適当に調整されていれば、本発明は上述の光の波長に限定されることがなく、これが単に一例であって別の波長も使用できることが理解されよう。したがって一般に、光学線源からの光は、人間の視力に対する悪影響を制限するのに適した波長及び／またはパワーレベルを有するように選択されることがある。

光学伝送を有効にするための別の例示的技法は、光信号を対象物、壁その他で反射させて最終的に受信器の位置で収集するような拡散光学伝送などの非指向的伝送とすることもある。このケースでは、特異的な見通し線経路を構築するという考え方は適用することができない。
（例示的なデータ速度要件）
各受信器コイルに関して、その信号が６４ＭＨｚを中心としかつ１ＭＨｚの最大帯域幅を有することを前提とする。

さらに、受信器コイル信号が２ＭＳＰＳの速度でサンプリングされかつアナログ形式からディジタル形式に変換され、１６ビットの情報を提供することを前提とする。

さらに各受信器コイルは、１６×２Ｍｂ／ｓデータ、あるいはシリアルの３２Ｍｂ／ｓデータを作成する。
（ＭＲＩの総データ速度はシステム内の受信器コイルの総数に応じて増大するため、その合計データ速度は（例えば、１２８個のコイルを用いたシステムの場合）概ね１２８×３２Ｍｂ／ｓ＝４．０９６Ｇｂ／ｓとなる。）
本発明の好ましい実施形態について図示すると共に本明細書に記載してきたが、こうした実施形態が単に一例として提供されていることは明らかであろう。当業者であれば、本明細書で示した発明を逸脱することなく、多くの変形形態、変更形態及び置換形態を生じさせるであろう。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲の精神及び趣旨によってのみ限定させるように意図している。

本発明の態様を具現化した磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システムの破断斜視図である。指向的光学伝送を実施するように構成させ得る例示的な送信器回路のブロック概要図である。送信された光ビームを空間的に拡散させるために使用し得る光学レンズ配列を含んだ例示的な送信器のブロック図である。送信されたビームを収集するために使用し得る光受信器アレイを提供する例示的な実施形態のブロック図である。受信器コイル信号情報を空中経由で伝えるように光学的に変調された光ビームを送信するために受信器コイルと直接一体化された光学線源を含んだ光学データリンクの別の例示的な一実施形態の概要図である。受信器コイル信号情報を空中経由で伝えるように受信器コイルと一体化させた変調回路によって光学的に変調した光ビームを提供するために受信器コイルから離した光学線源を含んだ光学データリンクの例示的な一実施形態の概要図である。光検出器アレイによって受信器コイルデータを収集するように構成し得るような例示的な受信器回路のブロック概要図である。

符号の説明

１０磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）システム
１２表面コイル
１２_１受信器コイル
１２_Ｎ受信器コイル
１４光学データリンク
１６離した光受信器
２０送信器回路
２４_１増幅器
２４_Ｎ増幅器
２６_１周波数変換器
２６_Ｎ周波数変換器
２８アナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
２８_１アナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
２８_Ｎアナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３０マルチプレクサ
３２光学線源
３４光学線源駆動部
３６光源
４２光発散性レンズ
４３受信器
４４レーザビーム
４５集光性レンズ
４６送信ビーム
４７光検出器
４８ビームトラッキング・デバイス
４９アレイ
５０光送信器
５２受信器コイル
５４光検出器
７０光源
７２受信器コイル回路
７４_１受信器コイル
７４_Ｎ受信器コイル
７６_１プリアンプ
７６_Ｎプリアンプ
７８アナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
７８_１アナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
７８_Ｎアナログ対ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
８０データ・マルチプレクサ
８２光変調器
８２_１光変調器
８２_Ｍ光変調器
８４光ビーム
８４_１光ビーム
８４_Ｍ光ビーム
８６_１増幅器
８６_Ｍ増幅器
８８変調光信号
８８_１変調光信号
８８_Ｍ変調光信号
８９プロセッサ
９０光検出器

Claims

受信器コイルによって検知した複数の磁気共鳴応答信号に基づいてそれぞれのコイル出力信号を供給するように構成された複数の受信器コイル（１２）と、
受信器コイル信号情報を伝達するように構成された少なくとも１つの光ビームを空中経由で送信するために複数の受信器コイルに結合された光学リンク（１４）と、
を備える磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクは受信器コイルと電気的に結合されてディジタル化コイル信号を供給するアナログ対ディジタル変換器（７８）を備えた少なくとも１つの受信器コイル回路（７２）を備えており、該受信器コイル回路はさらに、ディジタル化コイル信号に応答して変調器出力信号を発生させる光変調器（８２）を備えており、該変調器出力信号は空中経由で送信されると共にコイル信号情報を伝達するように構成された光ビームを成している、請求項１に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクはさらに、前記受信器コイル回路から離間させた光学線源（７０）であって、前記ディジタル化コイル信号に応答して前記光変調器によって変調を受けるように光ビームを空中経由で送信するように位置決めされている光学線源を備えている、請求項２に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光変調器はマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備えている、請求項２に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光変調器は変調レトロリフレクタを備えている、請求項２に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクはさらに、受信器コイル回路から離間させると共に空中経由で送信された変調器出力信号を受け取るように位置決めされた少なくとも１つの光検出器（９０）を備えている、請求項２に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学線源からの光は、人間の視力への効果を制限するように選択された波長及び／またはパワーレベルを備えている、請求項３に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクは、ディジタル化コイル信号を供給するように受信器コイル（１２）と電気的に結合させたアナログ対ディジタル変換器（７８）を備えた少なくとも１つの受信器コイル回路（２０）を備えており、該受信器コイル回路はさらに該受信器コイル回路の位置に配置させた少なくとも１つの光学線源（３２）を備えており、該光学線源は該ディジタル化コイル信号に応答して変調された光ビームを空中経由で送信するように位置決めされており、該光学線源が送信した光ビームはコイル信号情報を伝達するように構成された光ビームを成している、請求項１に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクはさらに、受信器コイル回路から離間させると共に光学線源によって空中経由で送信された光ビームを受け取るように位置決めされた少なくとも１つの光検出器（５４）を備えている、請求項８に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクは複数のディジタル化コイル信号を供給するように複数の受信器コイル（７４）にそれぞれ結合された複数のアナログ対ディジタル変換器（７８）を備えた受信器コイル回路（７２）を備えており、該受信器コイル回路はさらに、変調器出力信号を発生させるために複数のディジタル化コイル信号を光変調器に伝達するように接続されたマルチプレクサ（８０）を備えており、該変調器出力信号は空中経由で送信されると共に複数の受信器コイルのそれぞれからのコイル信号情報を伝達するように構成された光ビームを成している、請求項１に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンクはディジタル化コイル信号を供給するように受信器コイル（１２）と電気的に結合させたアナログ対ディジタル変換器（２８）を備えた少なくとも１つの受信器コイル回路（２０）を備えており、該受信器コイル回路はさらに該受信器コイル回路の位置に配置させた少なくとも１つの光学線源（３２）を備えており、該光学線源はディジタル化コイル信号に応答して変調させた光ビームを送信するように構成させており、前記光学リンクはさらに光学線源と光学的に結合されたレンズ系（４２）を備えると共に光学線源が送信した光ビームを空間的に拡散するように構成されている、請求項１に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
前記光学リンク（１４）はさらに、受信器コイル回路から離間させると共に光学線源によって空中経由で送信された光ビームを受け取るように位置決めされ光検出器（９０）を備えており、該光検出器は受信器からなる２次元アレイ（４９）であって、該アレイ内の受信器のうちの少なくとも１つまたは幾つかが患者の動きに由来する光学線源の移動に関わらず光ビームを受け取れるよう構成されている受信器２次元アレイ（４９）を備えている、請求項８に記載の磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）。
受信器コイルによって検知した複数の磁気共鳴応答信号に基づいてそれぞれのコイル出力信号を供給するように構成された複数の受信器コイル（１２）を備えた磁気共鳴（ＭＲ）撮像システム（１０）向けの光学リンク（１４）であって、コイル信号情報を伝達するように構成された複数の光ビームを空中経由で送信するように該複数の受信器コイルに結合させた少なくとも１つの受信器コイル回路（２０）を備える光学リンク（１４）。