JP5172658B2 - マルチチャネル送受信アンテナ装置を操作するための方法及び回路装置。 - Google Patents

Description

本発明は、安全手段を有し、特に磁気共鳴撮像（MRI）システムに用いられるマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置を操作するための方法及び回路配置、及びそのようなシステムに関する。

個別に制御することができ、分散アレイ中に配置される、特にRFコイル及び／又はそのようなコイルの部品、素子若しくはセグメント（以下、一般に「コイルセグメント」と呼称する）の形の複数のアンテナ素子を有するマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置は、１チャネルRFコイルと比較して、特に磁気共鳴撮像システムにおいて使用される場合、多くの利点を提供する。そのようなマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置が例えば特許文献１に開示される。

そのようなアンテナ装置は、一定の均質性、又は例えば患者の関心領域内のみの原子核を励起するための磁界強度の他の分布を有するRF磁場（B₁磁場）を発生させること、即ち任意の励起パターンを実現するために磁場を調整することを可能にする。さらに、RF信号の特別なシーケンス、より大きな磁界の強さ、大きなフリップ角度又はリアルタイムシーケンスを、そのようなマルチチャネルアンテナ装置によって実現及び発生することができ、多次元励起を促進することができる。

そのようなアンテナ装置を操作するための回路装置は、マルチチャネルRF増幅器又は複数の1チャネルRF増幅器を有し、チャネル及び増幅器それぞれの数は、通常、アンテナ装置のコイル及び/又はコイルセグメントの数nに等しい。

１チャネルRF増幅器及び１つのRFコイルが使用される場合に反して、RFコイル及び／又はコイルセグメントが多かれ少なかれお互いにカップリングすることを考慮しなければならない。これ及びカップリングによって生じる可能性があるより大きな不整合に起因して、RF増幅器の出力へ反射して戻ってくるRF電力は相当大きな値に達する場合があり、RF増幅器に損害を与える危険性を無視することができない。さらに、ハードウェア故障の場合、特にコイル及び/又はコイルセグメントのうちの少なくとも１つとの接続が切断された場合、反射がかなり増加する可能性があり、発生する磁場が確認できなくなって、患者及びRF増幅器又は他のハードウェアコンポーネントに危険な状況又は危害が生じることを考慮しなければならない。
EP 1 314 995

RF増幅器は通常その出力における反射電力として、そのピーク電力レベルの数分の一のみを受け入れることが可能であるので、そのようなRF増幅器の最大ピーク電力能力は、その出力における反射電力に起因した損害の危険を回避するために使用されることができない。その出力において一定の電力レベルを超えた場合にRF増幅器をオフにする内部電力モニタユニットを使用する場合でも、回路装置中の他のRF増幅器によって発生する反射RF電力が、チャネルのカップリングに起因して出力に達し、オフにされるRF増幅器に損害を与えることを防止することはできない。

本発明の目的は、特にRF増幅器のようなハードウェアコンポーネントの安全性を大幅に改善することができる、マルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置を操作する方法及び回路装置を提供することである。

さらに、ハードウェアコンポーネントの安全性に加えて、検査対象及び特に患者の比吸収率（specific absorption rate）に適用される規定の最大RF電力を超過しないことを確実にする、マルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置を操作する方法及び回路装置が提供される。

この目的は、請求項１に記載の回路装置及び請求項６に記載の方法によってそれぞれ解決される。

これらの解決案は、RF増幅器がその出力における比較的小さい反射RF電力に起因してオフにされ又は損害を受けてしまう危険を冒さずに、RF増幅器の最大ピーク電力能力を使用することができるという利点を有する。これによって、回路装置に実際に必要とされる範囲のピーク電力を有するRF増幅器を使用することができる。電力エレクトロニクスは回路装置のコストのかなりの程度を決定するので、これは相当な経済的利点を有する。

従属請求項は本発明の有利な実施の形態を開示する。

請求項2〜5に記載の回路装置は、検査対象（特に患者）の比吸収率はモニタすることができ、そして、特にアンテナ装置のコイル及び／又はコイルセグメントのうちの少なくとも１つへの配線の切断のようなハードウェア故障の場合でも、放射される規定の最大RF電力レベルを超過しないことを確実にすることができる、という利点を有する。

さらに詳細には、本発明の特徴及び利点は、図面を参照した本発明の例及び好ましい実施の形態についての以下の説明から明らかになる。

この開示の一部を参照することで得られる上述の特許文献１中に、本発明による方法及び回路装置によって操作することができるいくつかのマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置が、見本として開示される。

そのようなアンテナ装置は特に、個別に制御されるために本発明による回路装置の送受信ユニット又はチャネル1,...nに各々接続された、異なる大きさ及び／又は異なる位置を有するn個のRFコイル及び／又はコイルセグメント（若しくは、コイル素子若しくは部品）を有するRFコイル装置である。

図1は、マルチチャネル送受信アンテナ装置を操作するための回路装置の好ましい実施の態様の概略ブロック図を示し、この回路装置は磁気共鳴撮像（MRI）システムの一部、特に、関連するマルチチャネルデータ取得システムの一部である。回路装置は、見本として、B₁磁場を発生させて被検査対象物から緩和信号を受信するためのn個のコイル（及び／又はコイルセグメント）を有する送受信アンテナ機器又は装置を操作するために提供される。

回路装置の重要な構成部分は、好ましくは、１つ以上のアドオン回路基板の形でスペクトロメータ1中に実装される。これらの回路基板は、好ましくは、各々がそれぞれ送信チャネル及び受信チャネルを有するn個の送信基板Tx1,..Txx,...Txn及び対応するn個の受信基板（図示せず）である。RF増幅器ユニット11（1x）の出力と駆動されるコイル又はコイルセグメントC1（Cx）との間1に接続される大電力RF負荷117（1x7）を伴うサーキュレータ114（1x4）を用いることにより、コイル又はコイルセグメントC1（Cx）から反射された、又は１つのコイル又はコイルセグメントCxから他のコイル又はコイルセグメントへカップリングしたRFパワーの大部分は、サーキュレータ114（1x4）のRF負荷117（1x7）中で放散され、RF増幅器111（1x1）は、反射電力レベルの非常に小さい割合だけをその出力において受け取る。

送信基板Tx1,...,Txnは、異なる及び変動する振幅及び／又は位相及び／又は波形及び／又は周波数を有するRF信号を発生させるために、スペクトロメータ1（特にスペクトロメータ1内の中央制御即ちプロセッサユニット）によって制御される。これらのRF信号はそれから、図1中のチャネル1及びチャネルxに対して示されるような１チャネルRF増幅器11,...1x,...1nの各々によって、又はn個のチャネルを有するマルチチャネルRF増幅器によって増幅され、そしてアンテナ装置の１つのコイル又はコイルセグメントC1,...Cx,...Cnの各々に供給される。

さらに回路装置は、各々のチャネルのRF経路から分離される順方向及び反射RF電力レベル信号を異なる位置においてモニタし、n個のコイル及び／若しくはコイルセグメントに供給されるある設定された最大電力レベル並びに／又は異なるチャネルからのそのような電力レベルの合計を超過した場合に、一つ又は全てのRF増幅器11,..1nを無効にすることができる中央電力モニタユニット2を有する。

回路装置は次に、図1を参照して、並びに図1に見本として示される２つのチャネル1及びxを参照して、より詳細に説明される。全てのチャネル1,...x,... nは、好ましくは同一に構成される。

送信基板Tx1（Txx）によって生成される出力RF送信信号（要求信号）は、RF増幅器111（1x1）と第１方向性カプラ112（1x2）と内部電力モニタユニット113（1x3）とを有するRF増幅器ユニット11（1x）に供給される。第１方向性カプラ112（1x2）の出力信号は、サーキュレータ114（1x4）の第１端子に入力され、サーキュレータ114（1x4）の第２端子から出力され、第２方向性カプラ115（1x5）を通過し、アンテナ装置の結合したコイル又はコイルセグメントC1（Cx）に供給される。サーキュレータ114（1x4）の第３端子は、第３方向性カプラ116（1x6）を介して大電力RF負荷117（1x7）に接続される。

RF増幅器ユニット11（1x）の出力と駆動されるコイル又はコイルセグメントC1（Cx）との間に接続される大電力RF負荷117（1x7）とサーキュレータ114（1x4）を用いることにより、コイル又はコイルセグメントC1（Cx）から反射されたRFパワーの大部分は、サーキュレータ114（1x4）のRF負荷117（1x7）中で放散され、RF増幅器111（1x1）は反射電力レベルの非常に小さい割合だけをその出力において受け取る。

前述のように、これは、RF増幅器の最大ピーク電力能力を使用することができるという利点を有する。さらに、マルチチャネル送受信システムの場合には、チャネル間のカップリングを介して伝達される他の作動中のRF増幅器によって生成されるRF電力に起因して損害が発生する危険性を回避することができる。

本発明によるサーキュレータ114（1x4）及び大電力RF負荷117（1x7）を使用することにより、RF増幅器がその出力において耐えることができるレベルを超えた反射電力レベルが生じた場合の内部電力モニタユニット113（1x3）によるRF増幅器111（1x1）のシャットダウンが防止される。

サーキュレータ114（1x4）は例えば、約0.2デシベルの順方向減衰、及び反射電力に対する約20デシベルの減衰を有する。全てのチャネルのサーキュレータ及び負荷は好ましくは、ラック内に取り付けることができる強制空冷又は水冷ヒートシンク上に取り付けられる。これは、回路装置全体を非常にコンパクトに構成することを可能とし、これは小型のマルチチャネルRF増幅器を使用する場合は特に関心をひく。RF負荷117（1x7）は好ましくは、少なくともRF増幅器111（1x1）のピーク電力に耐えることができるために必要な大きさとされる。

RF増幅器111（1x1）の出力における第１方向性カプラ112（1x2）は、順方向電力信号FP11（FPx1）及び反射電力信号RP11（RPx1）のための出力を有し、それらの信号は内部電力モニタユニット113（1x3）の入力に接続される。この電力モニタユニット113（1x3）の出力信号は、RF増幅器111（1x1）を制御する。これによって、RF増幅器111（1x1）が例えば、（例えば点bにおける断線に起因した）過剰な反射RF電力によって損害を受けることをさらに防止することができる。さらに、電力モニタユニット113（1x3）によって順方向電力信号FP11（FPx1）を評価することにより、RF増幅器111（1x1）によって生成されるピークRF電力レベルのある予め設定された最大値を上回ることを防止する。

サーキュレータ114（1x4）に起因して、そのようなサーキュレータと関連して十分に安全でなく信頼性が高くない可能性があるので、従来の比吸収率（SAR）モニタコンセプトを使用しないことが好ましい。患者の安全性を十分に保証し、定められた比吸収率制限を満たすために、送信基板Txxとコイル又はコイルセグメントCxとの間の経路中のライン又はケーブルが破断し又は不通となった場合に（それは未定の電磁界分布ひいては患者に対する潜在的な危害につながる）、以下に説明される方向性カプラの一つ以上は、中央電力モニタユニット2によってそれらの出力信号のいくつか又は全部を評価するために使用される。これによって、患者の比吸収率をモニタすることができ、さらに、ハードウェア故障、特に図1に示される位置"a"から"g"のうちの少なくとも１か所におけるラインの破断又は不通の場合には、１つ又は全てのRF増幅器を同時にオフすることができる。

順方向及び反射電力信号FP11,RP11（FPx1,RPx1）のための第１方向性カプラ112（1x2）の出力は同様に評価のために中央電力モニタユニット2に接続される。これは、サーキュレータ114（1x4）の第２端子における第２方向性カプラ115（1x5）に対して同様にあてはまり、順方向電力信号FP12（FPx2）及び反射電力信号RP12（RPx2）のための出力を有し、それらは中央電力モニタユニット2に接続される。最後に、RF負荷117（1x7）の第３方向性カプラ116は、順方向電力信号FP13（FPx3）及び反射電力信号RP13（RPx3）のための出力を有し、それらは同様に中央電力モニタユニット2に接続される。

中央電力モニタユニット2は、これらの順方向及び反射電力信号に基づいて、RF増幅器ユニット11（1x）に供給される出力無効信号B21（B2x）によって、各々のRF増幅器ユニット11,...1x,...1nを個別に制御する。

さらに、意図してチャネルに電力がない状態にしているのかチャネルが故障状態（例えばラインが破断し又は不通になっている状態）にあるのかを中央電力モニタユニット2が区別することを可能にするために、１つ以上の送信基板Tx1,..Txnがアクティブでない、即ち意図された0の値を持っているという起こりうるケースを表示するn個の入力無効信号B1nが、スペクトロメータ1から中央電力モニタユニット2へ配線を介して供給される。この情報は、非常に低い時間分解能で又はビン情報として、同様にスペクトロメータ1と中央電力モニタユニット2との間の制御ステータスバスC/Sを介して送信されることができる。最後に、RF増幅器ユニット111（1x1）は、同様に制御ステータスバスC/Sを介してスペクトロメータ1と接続される。

患者の比吸収率をモニタするため及び患者に対する安全性を保証するために、好ましくは、第１方向性カプラ112（1x2）の反射電力信号RP11（RPx1）、第２方向性カプラ115（1x5）の順方向電力信号FP12（FPx2）、及び第３方向性カプラ116（1x6）の順方向電力信号FP13（FPx3）は、中央電力モニタユニット2によって評価される。この場合、他の順方向及び反射電力信号はモニタされる必要はないが、それらを冗長な情報として使用することができる。評価自体は図2及び3を参照して説明される。

図2は、中央電力モニタユニット2のサブモジュール21の重要な構成部分の簡略ブロック図を示す。

このサブモジュール21は、全てのチャネルの第１方向性カプラ112,...1x2,...1n2からのn個の送信即ち順方向RF電力信号に対するn個の第１入力FPn1、及び回路装置の全てのチャネルの第１方向性カプラ112,...1x2,...1n2からのn個の反射RF電力信号に対するn個の第２入力RPn1を有する。

最大トリップレベルのためのn個の第１検出ユニット212n、及び最大合計レベルのためのn個の第２検出ユニット213nが提供され、その入力はサブモジュール21の第１入力FPn1に接続される。

さらに、最大トリップレベルのためのn個の第３検出ユニット214n、及び最大合計レベルのためのn個の第４検出ユニット215nが提供され、その入力はサブモジュール21の第２入力RPn1に接続される。

最後に、図2は、第１、第２、第３及び第４検出ユニット212n, 213n, 214n, 215nそれぞれの各々の比較結果CRに対するn個の入力を各々持ち、これらのユニットの各々と制御ステータスバスC/Sを介して接続される中央制御ユニット24の一部を示す。

最大トリップレベルのための検出ユニット212n, 214nは、各々のチャネル1,...x,...nについて、実際の順方向及び反射電力レベル信号を、それぞれ、各々のチャネルに対して独立に及び好ましくは異なる値に設定された関連する最大トリップレベルと比較するために提供され、中央制御ユニット24に比較結果CRを送信する。

最大合計電力レベルのための検出ユニット213n, 215nは、２つ以上のチャネルの実際の順方向及び反射合計電力レベル信号を、それぞれ、順方向及び反射電力に対してそれぞれ独立に設定された最大合計電力レベルと比較するために提供され、中央制御ユニット24に比較結果CRを送信する。

検出ユニット212n, 214n, 213n, 215nの比較結果の１つが、実際の電力レベルが最大トリップレベルを上回るか、又は実際の合計レベルが最大合計レベルを上回ることを示す場合、出力B2nにおける無効信号を介してRF増幅器ユニット11,...1nを同時かつ直ちにオフにするために、中央制御ユニット24は無効スイッチ25（図3）をイネーブルする。

検出ユニット212n、213n、214n、215nは、好ましくは更なる処理のために入力RF信号を直流信号に変換するように提供される。この目的のために、好ましくは、対数増幅器、デジタルポテンショメーター及びオペアンプに基づく比較回路が提供される。好ましくは、信号はデジタル領域での処理のためにデジタル信号に変換される。

図3は、図1による完結した中央電力モニタユニット2の概略ブロック図を示す。

電力モニタユニット2は、3つのサブモジュール21、22、23、全てのサブモジュール21、22、23の比較結果が提示される中央コントロールユニット24、及びnチャネル無効スイッチ25（又はn個の１チャネル無効スイッチ）を有し、図1に示すように、その入力B1nはスペクトロメータ1に接続され、その出力B2nはRF増幅器ユニット11,...1nに接続される。

無効スイッチ25は、前述したように、サブモジュール21、22、23の比較結果CRの評価に基づいて、無効出力B2nを介してRF増幅器ユニット11,...1nのうちの少なくとも１つをオフするために中央制御ユニット24によって生成されるイネーブル信号"en"によって制御される。

好ましくは、中央電力モニタユニット24はリアルタイムに動作して、連続的に又はシステム内の患者をスキャンする間だけ前記信号をモニタする。

最後に、図3は、スペクトロメータ1への及びスペクトロメータ1からの制御ステータスバスC/Sに対する入力C/Sn、並びに特定の環境条件を表す信号に対する入力Eを示す。

本発明の回路装置によって、一方ではRF増幅器をそれらの最大ピーク電力レベルに至るまで使用することができ、他方では患者に適用されるRF電力を効果的に制限することができ、特に、複数の独立して動作するコイル及び／又はコイルセグメントを備えたアンテナ機器が使用され、これらのコイル若しくはコイルセグメント又は関連したチャネルの１つ以上においてハードウェア故障が発生する場合に、比吸収率を上回らないことが保証される。

さらに、本発明による方法及び回路装置は、全身撮像を実現するための強い及び極めて強い磁場システムの重要な構成部分として応用できる。

以上を要約すると、本発明の方法及び回路装置は、
−耐え得る反射電力のレベルに関係なく、ほとんど全ての単一チャネル又はマルチチャネルRF増幅器（真空管又はソリッドステート）をマルチチャネル送信システムに使用すること、
−そのRFコイル素子を駆動している任意のRF送信チャネルのハードウェア故障が起きた場合、任意のMR系列に対して、特に患者の許容範囲内のSAR制限に接近する系列に対して、SAR安全性制限を満たすことを保証すること、
−強い及び極めて強い磁場のMRIシステムにとって特に重要となることが予想される、マルチチャネルRF送信MRIシステムのための安全性測定をカバーするIEC標準の拡張の基礎を提供すること、
−要求RF送信信号を、ゼロ振幅要求信号（非クリティカル状態）と破断し又は不通となったケーブル（クリティカル状態）との区別を可能にする順方向電力信号に関連させること、
を可能にする。

本発明の好ましい実施形態による回路装置の概略ブロック図。 図1による回路装置の中央電力モニタユニットのサブモジュールの概略ブロック図。 図1による中央電力モニタユニットの概略ブロック図。

Claims (10)

1. 磁気共鳴撮像システムに用いられるマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置を操作する回路装置であって、前記回路装置が、
   アンテナ素子と、RF増幅器の出力及び前記アンテナ素子間のパス内にその第１及び第２端子が接続される少なくとも１つのサーキュレータとに供給される送信信号を増幅する少なくとも１つの前記RF増幅器、
   前記サーキュレータの第３端子に接続され、前記サーキュレータの第２端子に反射されるRF電力を放散させるRF負荷、
   前記サーキュレータの少なくとも１つの端子に接続された少なくとも１つの方向性カプラ、及び
   前記方向性カプラにより順方向電力信号及び反射電力信号を提供され、前記反射及び／又は順方向電力信号のうちの少なくとも１つが規定の最大トリップレベル及び／又は規定の最大合計レベルを上回る場合に、前記RF増幅器のうちの少なくとも１つをオフにする電力モニタユニット、
   を有し、前記回路構成は、
   （１）前記方向性カプラが前記サーキュレータの第２端子と前記アンテナ素子との間に接続された第２方向性カプラであり、第２方向性カプラが第２順方向電力信号及び第２反射電力信号を前記電力モニタユニットに提供する構成、及び
   （２）前記方向性カプラが前記サーキュレータの第３端子と前記RF負荷との間に接続された第３方向性カプラであり、第３方向性カプラが第３順方向電力信号及び第３反射電力信号を前記電力モニタユニットに提供する構成、
   の一方を有する回路装置。
2. 前記電力モニタユニットが前記回路装置の中央電力モニタユニットである請求項１に記載の回路装置。
3. 前記電力モニタユニットが、前記アンテナ素子に供給されるRF電力をモニタし及び／又は評価するために、前記反射及び／又は順方向電力信号のうちの少なくとも１つを処理する請求項１及び２のいずれか一項に記載の回路装置。
4. 磁気共鳴撮像システムに用いられ、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回路装置を備えたマルチチャネル送受信アンテナ機器又は装置を操作する方法であって、前記アンテナ素子に供給されるRF電力をモニタし及び／又は評価するために、前記反射及び／又は順方向電力信号のうちの少なくとも１つが、少なくとも１つの規定の最大トリップレベル及び／又は異なるチャネルからの少なくとも１つの規定の最大合計レベルと比較される方法。
5. 前記反射及び／又は順方向電力信号のうちの少なくとも１つが規定の最大トリップレベル及び／又は規定の最大合計レベルを上回る場合に、前記RF増幅器のうちの少なくとも１つが前記電力モニタユニットによってオフにされる請求項４に記載の方法。
6. 請求項１及び２のいずれか一項に記載の回路装置を有する、特に磁気共鳴撮像システムに用いられるスペクトロメータ。
7. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回路装置を有する磁気共鳴撮像システム。
8. プログラム可能マイクロプロセッサにおいて実行される際に請求項４又は請求項５に記載の方法を実行するコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
9. インターネットに接続されたコンピュータ上で実行される際に、請求項７に記載の磁気共鳴撮像システム又はそのコンポーネントの１つにダウンロードされる請求項８に記載のコンピュータプログラム。
10. 請求項８に記載のコンピュータプログラムコード手段を格納するコンピュータ読み取り可能媒体。

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