JP4376791B2 - 複数の送信チャネルを有するｍｒ機器用の高周波システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の共振器素子を有する高周波コイル構造を有するＭＲ機器用の高周波システムに係り、このコイル構造は、送信ユニットに接続され、送信ユニットの各送信チャネルは、共振器素子に割り当てられる。

本発明は更に、この種類の高周波システムを有するＭＲ機器に係る。

ＭＲ画像生成に関して、核磁化の局所化は、時間可変的で、空間的に不均一な磁場（傾斜磁場）によって検査容積において行われる。画像を生成するために、ＭＲ信号は、検査容積を囲む高周波コイル装置において高周波パルス及び傾斜パルスの好適なシーケンスの影響下で発生される電圧として時間領域において記録される。そして、実際の画像再構成は、時間信号のフーリエ変換によって行われる。

一般的なＭＲ機器の高周波システムの一部は、容積画像の生成に使用可能である、例えば、一体にされたボディコイルのような送信及び受信コイルである。別個のサーフェスコイル、又は、いわゆるフェースドアレイコイルも、受信信号品質の向上（向上した信号対雑音比、より高い解像度）を達成するために用いてもよい。励起と、ＭＲ信号の検出の両方に使用されるボディコイルは、通常、いわゆる、バードケージコイルである。これらは、検査容積の周りに配置され、主磁場方向に平行に延在する複数の導体棒を有し、これらの導体棒は、コイルの端面にある円形導体を介して一緒に接合される。このような種類のボディコイルの共振特性は、コンデンサ素子によって決定され、このコンデンサ素子によって、導体素子は、網に接続される。

検査容積からのＭＲ信号を受信するために複数のサーフェスコイルを並列使用することは、例えば、特許文献１から公知である。この文書によると、特に、被験者の手足の領域に配置される複数のサーフェスコイルは、並列動作され、それにより、全体画像を形成するよう検出されたＭＲ信号を合成する。この利点は、サーフェスコイルの制限された空間感度範囲によって、大きい信号対雑音比が発生することである。画像生成のためのサーフェスコイルの組み合わせも、ＳＹＮＥＲＧＹ（シナジー）から公知である。

最近では、複数の共振器素子を有する高周波コイル装置を使用する傾向があり、これらの複数の共振器素子は、送信モードのために、ＭＲ機器の送信ユニットに接続され、また、送信ユニットの送信チャネルは、個々の共振器素子のそれぞれに割当てられる。

別個の送信チャネルが、この種類のＭＲ機器の高周波コイル装置の各共振器素子に割当てられる結果、検査容積の磁場分布は、有利に、完全に制御可能となる。従って、個々の送信チャネル上の振幅及び位相の個別の事前選択によって高周波コイル装置における任意の考えられる電流分配を生成することが可能である。ＨＦフィードの時間特性も、各送信チャネルにおいて区別するよう個別に事前選択され得る。これにより、例えば、従来のバードケージコイルの磁場分布を任意の共振モードにシミュレートする機会が存在する。従って、個々の送信チャネルの振幅及び位相は、ＭＲ機器のソフトウェアによって制御され得、これは、磁場分布（ＲＦシミング）の直接的なインタラクティブ制御を可能にする。例えば、ＨＦ磁場均一性の完全に自動化されたループ制御を画像生成シーケンスに組み込んで、被験者の様々な誘電特性からの可変影響といった磁場分布の可変影響に対する補正をすることも考えられる。

別個の送信チャネルが割り当てられるサーフェスコイルも、ある場合には、本発明の高周波システムの高周波コイル装置の一部であり得、それにより、サーフェスコイルも、検査容積における高周波磁場の可変生成のための送信モードにおいて使用され得る。

検査容積における高周波磁場の所望する空間分布を予め選択するこのような種類の高周波システムによって与えられる機会の結果、多数の興味深い適用分野が開かれる。従って、例えば、傾斜は、空間における様々な方向において高周波磁場において生成され得る。空間可変且つ時間可変の高周波磁場パターンを予め選択する結果、高速画像生成のために使用される得る局所的コーディングは、それにより励起される核磁化分布上に与えられる（これは、送信ＳＥＮＳＥ（Transmit-SENSE）方法として知られる）。

更に、検査容積における核磁化の空間的に選択的なプレサチュレーションも考えられる。

問題は、従来のＭＲ機器では、上述したタイプの高周波システムの使用は、非常に多くの複雑性を有してのみ可能であるという点である。基本的に、複数の送信チャネルは、対応する数の高周波電力増幅器が必要となるようにする。従来のＭＲ機器の送信ユニットは、通常、１つのチャネルしか有さないが、数キロワットの範囲で利用可能な高周波出力を形成可能な多段高周波電力増幅器（送信増幅器）が具備される。対応数の送信チャネルに供給するためにこのような種類の複数の送信増幅器を使用することは、不都合なことに、非常に費用集約的にする。というのは、ＭＲ機器内で使用されるｋＷ送信増幅器は、非常に高価な部品だからである。その一方で、代わりに複数の低電力送信増幅器を使用することは賢明ではなく、何故なら、その結果、高周波システムのマルチチャネル設計の結果得られる検査容積内の高周波磁場の生成における柔軟性及び可変性が厳しく制限されてしまい得るからである。上述したように数キロワットの電力は、従来のＭＲ送信増幅器によって容易に供給可能ではあり、複数の送信チャネルを有する高周波システム全体に対して適切でもある。しかし、問題は、適用に応じて、高周波コイル装置の全ての共振器素子全体に全電力を均等に分配する、又は、共振器素子の１つだけに単一の送信チャネルを介して全電力を供給することが可能でなければならないという点である。
国際公開第９９／２７３８１号

上述に基づいて、本発明は、ＭＲ機器用の費用効果的な高周波システムを提供することを目的とし、その高周波システムの送信ユニットは、複数の送信チャネルに、可能な限り最も柔軟性があり可変の方法で高周波送信信号を供給可能である。

上述したようなタイプの高周波システムから開始するに、本発明の目的は、送信ユニットには、複数の高周波増幅器が具備され、その高周波増幅器の入力は、第１の制御可能マルチプレクサ／分配器網を介して低電力送信信号を受信可能であり、その高周波増幅器の出力信号は、第２の制御可能マルチプレクサ／分配器網を介して送信チャネルに分配可能であることによって達成される。

本発明の高周波システムでは、個々の高周波増幅器は、２つのマルチプレクサ／分配器網を介して並列に接続される。送信ユニットの入力信号は、第１のマルチプレクサ／分配器網によって、複数の高周波増幅器に希望に応じて分配され得る。従って、例えば、入力信号の１つのみを、全ての並列接続された高周波増幅器か、又は、並列接続された高周波増幅器のうちの少なくとも幾つかに供給することが可能である。本発明では、高周波増幅器の出力信号は、第２のマルチプレクサ／分配器網を介して送信チャネルに分配される。従って、送信チャネルの幾つかのみ又は更にはたった１つの送信チャネルだけに、増加された又は最大の送信電力で供給するために、複数の高周波増幅器の全ての出力信号を合算することが可能である。同様に、個々の高周波増幅器のそれぞれの出力信号を、全送信チャネル間に一様に分配することも可能である。従って、本発明の高周波システムは、検査容積における高周波磁場の生成における最大限の柔軟性及び可変性を確実にする。

従来のＭＲ送信増幅器と同じように、本発明の高周波システムの送信ユニットには、上述したように、複数の並列接続された高周波増幅器が具備される。従って、高周波増幅器の個々の出力の合計は、送信ユニットの全送信電力に対応する。従って、本発明の高周波システムの技術的な複雑さは、従来のＭＲ機器の複雑さとほとんど異ならない。従って、本発明は、複数の送信チャネルを有するＭＲ機器の動作を、従来のＭＲ機器と比べて送信ユニットに対し非常に高い費用がかかることなく可能にする。

特に、１つの送信チャネルだけを有するＭＲ機器も、本発明の高周波システムの送信ユニットを用いて動作可能であるという事実も、利点である。このために、送信ユニットの１つの単一入力信号は、第１のマルチプレクサ／分配器網によって全部の高周波増幅器の入力に均等に分配されることが可能である。高周波増幅器の出力信号は、次に、第２のマルチプレクサ／分配器網によって合わされ、最大電力を有する１つの単一出力信号が得られる。従って、本発明の高周波システムの送信ユニットは、従来のＭＲ送信増幅器と正確に同じ方法で動作し得る。しかし、複数の送信チャネルに供給するために、送信チャネルの数に対応する入力信号の数が、同じ送信ユニットを使用して、個々に、及び、互いに独立して増幅され得る。

本発明の高周波システムの送信ユニットには、マルチプレクサ／分配器網を作動させるための制御ユニットが便宜上具備される。送信ユニットに割当てられるこの制御ユニットによって、ＭＲ機器の中央制御ユニットによって予め選択される制御信号は、マルチプレクサ／分配器網を作動させるよう変換され得る。原則的に、送信ユニットに割当てられる制御ユニットは、２つの別個の分配マトリクスを処理し、それにより、入力信号の高周波増幅器の入力への分配、及び、高周波増幅器の出力信号の送信チャネルへの分配は、予め選択される。

個々の高周波増幅器の利得係数が、制御ユニットにより制御可能である場合は特に適切である。このために、例えば、個々の高周波増幅器の切換素子が、利得係数を制御するために制御ユニットに直接接続されることが可能である。或いは、利得係数は、マルチプレクサ／分配器網によって制御ユニットによって制御され得、これらの網は、このために、例えば、好適な電子的に制御可能な減衰器素子が具備されてもよい。

本発明の高周波システムを用いて検査容積における高周波磁場の分布を正確に決定するためには、制御ユニットが、測定センサに接続されると好都合である。測定センサは、個々の共振器素子によって生成された高周波磁場の強度を決定する。送信ユニットに割当てられる制御ユニットによって、複数の並列制御ループが実現され、制御変数は、共振器素子によって生成される高周波磁場の強度である。測定センサは、実効値を供給し、適用に依存して、高周波磁場強度の所望値が、ＭＲ機器の中央制御ユニットによって予め選択される。送信ユニットの高周波増幅器の利得係数は、測定センサによって捕捉された信号に応じた操作された変数として制御ユニットによって変更される。

本発明の高周波システムには、低電力送信信号を生成する複数の制御可能な高周波信号生成器が好都合に具備される。複数の制御可能な高周波信号生成器の結果、送信ユニット用の独立した入力信号を生成することが可能である。ＭＲ機器の検査容積における高周波磁場分布の最大制御のために、送信チャネルを介して共振器素子に供給される高周波信号の振幅及び位相、並びに送信波形は、制御可能な高周波信号生成器によって個別に予め選択されるべきである。

本発明の高周波システムの有利な展開は、共振器素子に割当てられる複数の受信チャネルを有する受信ユニットを有する。従って、一方で、個々の共振器素子によって検出されたＭＲ信号を組み合わせることによって空間的に均一な感度プロファイルを有する容積画像生成を行う機会が存在する。或いは、別々に検出されたＭＲ信号から部分的な画像が生成され得る。この部分画像は、次に、完全な画像を形成するよう組み合わせられる。一方で、このことは、信号対雑音比を改善するには有利であり得、個々の共振器素子は、ＳＹＮＥＲＧＹ（シナジー）コイルとして使用される。個々の画像を、個々の共振器素子に割当てられる空間感度プロファイルに基づいて互いに組み合わせ、それにより、画像生成時の測定時間を節約する（いわゆるＳＥＮＳＥ方法）機会も存在する。

高周波増幅器、また、適用可能である場合は、マルチプレクサ／分配器網を保護するために、絶縁体が、本発明の高周波システムに設けられるべきであり、これらは、高周波増幅器の出力と、第２の制御可能なマルチプレクサ／分配器網の対応入力との間、及び／又は、第２の制御可能なマルチプレクサ／分配器網の出力と、高周波コイル装置の対応共振器素子との間に接続される。このために好適であると考えられ得る非相互作用的な構成要素の例は、市販されるサーキュレータである。

本発明の高周波システムは、ＭＲ機器が、検査容積内に均一な静磁場を生成する主磁場コイルと、検査容積内に傾斜磁場を生成する多数の傾斜コイルと、傾斜コイル及び高周波システムを作動させる中央制御ユニットと、ＭＲ信号を処理及び表示する再構成及び表示ユニットとを有する場合に、検査容積に高周波磁場を生成し、且つ、検査容積からのＭＲ信号を獲得するのに適している。

本発明は、図面に示す実施例を参照しながら更に説明するが、本発明は、この実施例に制限されない。

図面中に示すＭＲ機器の中心には、検査容積１００があり、その中に患者１０２が、患者台１０１上に載せられる。検査容積１００の領域内には、例えば、１．５テスラの強度を有する静止した及び実質的に均一な磁場が、図示しない主磁場磁石によって生成される。上述したように、時間可変傾斜磁場も、ＭＲ画像生成のために検査容積１００内に生成されなければならない。検査容積１００を囲む傾斜管１０３内に収容される複数の傾斜コイルが、このために使用される。図示する傾斜管１０３は、非対称の断面を有する。これは、例えば、最大可能傾斜磁場強度を達成するために有利である。ＭＲ画像生成に必要である高周波磁場の生成は、傾斜管１０３内において検査容積１００の周りに配置され、主磁場磁石の長手軸と平行に延在する導体素子を有する共振器素子１０４によって行われる。導体素子は、互いに連結され、また、適用可能な場合、コンデンサを介して接地に関連し、その結果、装置の共振特性が決定される。共振器素子１０４は、図面に示すＭＲ機器の高周波コイル装置を形成し、これは、検査容積１００内でのＭＲ信号の励起に加えて、その検出にも使用される。傾斜管１０３と、コイル装置の共振器素子１０４との間には、ＨＦスクリーン１０５が置かれる。これは、検査容積１００全体を囲う。これによって、干渉信号が、ＭＲ機器の環境から遮断され、また、更に、環境への高周波放射が抑えられる。図示する８つの共振器素子１０４のそれぞれは、切換スイッチＳに接続され、このスイッチによって、動作モードに依存して、当該の共振器素子１０４は、２つの可能な端子の内の１つに接続される。送信モード用の端子は、番号１乃至８により示し、受信モード用の端子は、小文字ａ乃至ｈにより示す。対応する番号が設けられた送信ユニット１０６の出力は、端子１乃至８に割当てられる。送信ユニット１０６の１つの送信チャネルは、共振器素子１０４のそれぞれに割り当てられる。送信ユニット１０６には、複数の高周波増幅器１０７が具備される。増幅器の入力は、第１の制御可能マルチプレクサ／分配器網１０８を介して低電力送信信号を受信する。高周波増幅器１０７の出力信号は、第２の制御可能マルチプレクサ／分配器網１０９を介して送信チャネル１乃至８に分配される。マルチプレクサ／分配器網１０８及び１０９を作動させるために、送信ユニット１０６には、制御ユニット１１０が具備される。高周波増幅器１０７の利得係数は、制御ユニット１１０によって個別に制御可能である。送信ユニット１０６内に含まれる構成要素を保護するために、複数の絶縁体（サーキュレータ）１２４が、第２のマルチプレクサ／分配器網１０９の上流及び下流の両方に設けられる。検査容積１００内に測定センサとして、ピックアップコイル１１１が配置され、その測定信号１１２は、検査容積１００における高周波磁場分布が正確に規制するために、制御ユニット１１０に供給される。送信ユニット１０６用の高周波入力信号を生成するために、複数の制御可能高周波信号生成器１１３が設けられ、それによって、送信ユニット１０６の送信チャネル１乃至８を介して共振器素子１０４に供給される高周波信号の振幅及び位相は、個別に予め選択可能である。高周波信号生成器１１３は、制御ユニット１１４によって作動され、これは、デジタルデータバス１１５を介して高周波信号生成器１１３に接続される。高周波信号生成器１１３によって生成される低電力送信信号の波形、周波数、振幅、及び位相の事前選択は、制御ユニット１１４によって行われる。更に、高周波コイル装置の個々の共振器素子１０４に供給される信号の時間系列は、制御ユニット１１４によって制御される。受信モード用の端子ａ乃至ｈには、受信ユニット１１６の対応する文字により示される受信チャネルが割当てられる。各受信チャネルａ乃至ｈは、感度のいい前置増幅器／復調器モジュール１１７が具備される。受信ユニット１１６によってレジスタされるＭＲ信号は、デジタルデータバス１１８を介して、最初に、受信ユニット１１６の制御ユニット１１９に、そこから、再構成ユニット１２０に送信され、再構成ユニット１２０では、デジタル信号は互いに組み合わされ、フーリエ解析される。再構成ユニット１２０によって生成された画像は、次に、マイクロコンピュータ１２１のモニタ上に出力される。マイクロコンピュータ１２１は同時に、ユーザによるＭＲ機器の制御にも使用される。このために、コンピュータ１２１は、中央制御ユニット１２２にも接続される。中央制御ユニット１２２によって、傾斜コイル、送信ユニット１０６、及び、制御ユニット１１４を介して高周波信号生成器１１３が作動される。患者１０２の体に直接置かれ、受信ユニット１１６の対応入力に、端子ｉ乃至ｊを介して接続されるサーフェスコイル１２３も、画像生成に使用され得る。サーフェスコイル１２３は、は、例えば、局所的な心臓画像生成に使用され得、患者１０２の背中の領域に配置されるコイル装置の導体素子１０４（端子ｇ及びｈ）は、データ記録のために相乗効果動作でサーフェスコイル１２３と共に使用される。

本発明の実施例を示す図である。

Claims (9)

1. 複数の共振器素子を有する高周波コイル装置を有するＭＲ機器用の高周波システムであって、前記コイル装置は、送信ユニットに結合され、前記送信ユニットの各送信チャネルは、前記共振器素子に割当てられる、高周波システムであって、
   前記送信ユニットは、複数の高周波増幅器を有し、
   前記高周波増幅器の入力は、第１の制御可能マルチプレクサ／分配器網を介して低電力送信信号を受信可能であり、
   前記高周波増幅器の出力信号は、第２の制御可能マルチプレクサ／分配器網を介して前記送信チャネルに分配可能であることを特徴とする高周波システム。
2. 前記マルチプレクサ／分配器網を作動させるために前記送信ユニットに割当てられる制御ユニットを有することを特徴とする請求項１記載の高周波システム。
3. 前記送信ユニットの前記高周波増幅器のそれぞれの利得係数は、前記制御ユニットによって制御可能であることを特徴とする請求項２記載の高周波システム。
4. 前記制御ユニットに結合され、前記個々の共振器素子によって生成される高周波磁場の強度を決定するよう作用する測定センサを有することを特徴とする請求項３記載の高周波システム。
5. 前記低電力送信信号を生成する複数の制御可能高周波信号生成器を有することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の高周波システム。
6. 前記送信チャネルを介して前記共振器素子に供給される前記高周波信号の振幅及び位相は、個別に事前に選択可能であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の高周波システム。
7. 各共振器素子に割当てられる複数の受信チャネルを有する受信ユニットを有することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の高周波システム。
8. 前記高周波増幅器の出力と、前記第２の制御可能マルチプレクサ／分配器網の対応入力との間、及び／又は、前記第２の制御可能マルチプレクサ／分配器網の出力と、前記高周波コイル装置の対応共振器素子との間に接続される絶縁体を有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の高周波システム。
9. 検査容積内に均一な静磁場を生成する主磁場コイルと、
   前記検査容積内に傾斜磁場を生成する多数の傾斜コイルと、
   前記検査容積内に高周波磁場を生成し且つ前記検査容積からのＭＲ信号を獲得する高周波システムと、
   前記傾斜コイル及び前記高周波システムを作動させる中央制御ユニットと、
   前記ＭＲ信号を処理及び表示する再構成及び表示ユニットと、
   を有するＭＲ機器であって、
   前記高周波システムの設計は、請求項１乃至８のうちいずれか一項に記載した設計であることを特徴とするＭＲ機器。

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