JP5717313B2 - センサ装置および外乱信号の補償方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場内で動作するためのセンサ装置ならびに外乱信号の補償方法に関する。

磁気共鳴断層撮影法（ＭＲ、ＭＲＴ）は、人間または動物の体内の組織を表示するための画像化方法である。ＭＲＴは核スピン共鳴の原理に基づいている。それによれば原子核、例えば体内に数多く存在する水素核は磁気モーメントを有する。それによって、原子核は、特定の周波数（共鳴周波数）の電磁放射を有する外部から加えられた磁場において励振され、この放射をその直後に放出する。ＭＲＴでは、この電磁放射を信号として検出する。原子核の共鳴周波数は印加された外部磁場に直接的に比例する。したがって、画像ボリューム内の位置コーディングは、測定中に静磁場に加えていわゆる傾斜磁場が印加されることによって達成される。これは、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向におけるできるだけ直線状の勾配を有する短時間印加される磁場である。傾斜磁場は、たいてい、静磁場を発生する超伝導磁石内に配置されている特定の傾斜磁場コイルから発生される。

他の医用画像化方法は陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）である。ＰＥＴは、特に、体内における生理学的および生化学的なプロセスの表示のために使用される。この場合に、患者には放射性核種を有するトレーサが投与され、放射性核種が体内に広がり、その際に放射線を放出する。ＰＥＴの場合には陽電子を放出する陽電子放射体がトレーサとして使用され、陽電子は体内において２つの反対方向のガンマ量子に崩壊する。これらのガンマ量子は、体の周りに分布させて配置した適切な検出器により測定される。例えば光子がシンチレーション結晶からなるマトリックスによって捕捉され、シンチレーション結晶内では各光子の入射が閃光を発生させる。これが再び光検出器、例えば光電子増倍管またはアバランシェフォトダイオードによって捕捉されかつ増幅される。各検出器の後方で信号の前置増幅が行なわれる。

最近では、ＭＲＴおよびＰＥＴを１つの装置において組み合わせることに関心がある。この場合、ＰＥＴ検出器がＭＲ磁石内に配置される（例えば、非特許文献１参照）。

今日では、ＭＲ装置にＰＥＴを組み込む際に、ＰＥＴ検出器として、前置増幅器と一緒に磁石内に配置されている半導体光センサを使用することが計画されている。前置増幅された信号は後続処理のために磁石から外へ導き出される。しかしながら、この場合に、磁石内に配置された電気回路が静磁場に曝されるだけでなく、時間的に変化し得る磁場、例えば上述の傾斜磁場にも曝されるという問題が生じる。それによって、センサおよび場合によって前置増幅器に属する回路内に、外乱信号を発生させる電圧が誘起される。特に前置増幅器のための入力回路がこの場合に危機的である。なぜならば、ここで受け入れられる外乱信号の全てが共に増幅されるからである。
Ｍａｒｋｕｓ Ｓｃｈｗａｉｇｅｒ ｅｔ ａｌ，"ＭＲ−ＰＥＴ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，Ａｎａｔｏｍｙ，ａｎｄ Ｍｏｒｅ"，Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｉｌｕｔｉｏｎ／Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｉｍａｇｉｎｇ，Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００５

したがって、本発明の課題は、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場内での動作に適したセンサ装置を提供すると共に、それによって発生された外乱信号の補償方法を提供することにある。

センサ装置に関する課題は、本発明によれば、センサ信号の発生に適した電気的センサ回路を含み、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場内で動作するためのセンサ装置において、
センサ回路に加えて少なくとも１つの誘導回路が設けられ、誘導回路内に、磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号と呼ぶ。）が誘起され、
時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路内に誘起される外乱信号を補償するように補償信号をセンサ信号に結合して出力信号を形成する回路装置が設けられていることによって解決される（請求項１）。
センサ装置に関する本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・センサ装置が陽電子放出断層撮影検出器の一部である（請求項２）。
・センサ装置が、更に、センサ信号および補償信号を増幅するための少なくとも１つの前置増幅器を含んでいる（請求項３）。
・回路装置が、前置増幅されたセンサ信号から前置増幅された補償信号を減算するまたは両者を加算する（請求項４）。
・誘導回路が３つの互いに直交する誘導ループを含む（請求項５）。
・複数のセンサ回路が存在し、センサ回路ごとに１つの誘導回路が設けられている（請求項６）。
・各誘導回路が付属のセンサ回路の空間的近傍に配置されている（請求項７）。
・センサ装置が陽電子放出断層撮影検出器の一部であり、Ｎ個の光センサを含み、これらの光センサの信号がＮよりも少ないＭ個の出力線に伝達され、各光センサのセンサ信号が各出力線上で加算され、かつ加算の前に予め定められた係数により重み付けされる（請求項８）。
・誘導回路が、Ｎ個のセンサ回路のうちの１つの別のセンサ回路であり、この別のセンサ回路のセンサ信号が、その他のセンサ回路のセンサ信号に加算され、かつ加算の前に、予め定められた係数により、センサ信号における外乱信号が相殺されるように重み付けされる（請求項９）。
外乱信号の補償方法に関する課題は、本発明によれば、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路内に誘起される外乱信号の補償方法において、
磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号と呼ぶ。）が誘起される誘導回路を用意し、
外乱信号と補償信号とが相殺されるように、補償信号をセンサ回路のセンサ信号に結合し、
結合された信号を出力信号として出力する
ことによって解決される（請求項１０）。
外乱信号の補償方法に関する本発明の有利な実施態様は次の通りである。
・センサ信号と補償信号との結合が、両信号の前置増幅後に初めて行なわれる（請求項１１）。

本発明によれば、センサ装置は、センサ信号を発生するための電気的センサ回路を含むと共に、付加的に磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号と呼ぶ。）が誘起される少なくとも１つの誘導回路を含む。更に、時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路に誘起される外乱信号を補償するように補償信号をセンサ信号に結合して出力信号を形成することのできる回路装置が設けられている。したがって、センサ回路つまり実効回路内に誘起された電圧を他の誘導回路において模擬し、この他の誘導回路によって捕捉された信号を実効信号から減算する、または他の適切な方法で傾斜磁場によって誘起された外乱信号を最小化することが提案される。この付加的な誘導回路は、傾斜磁場の開閉時に実効回路つまりセンサ回路と同じ磁束密度を持つべきである。

特に、この種のセンサ装置は陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）検出器の一部であると好ましい。特に、センサ装置は、センサ信号および補償信号を増幅するための少なくとも１つの前置増幅器も含むと好ましい。前置増幅器は、センサ装置と同様にＭＲ装置の磁石内に配置されているとよいが、しかし磁石の外側に配置することも考えられ得る。

センサ信号および補償信号を互いに結合する回路装置は好ましくは加算回路または減算回路である。特に好ましくは、この回路装置は前置増幅器の後に配置されている。しかしながら、代替として、センサ信号および補償信号が既に前置増幅器の前で互いに結合されてもよい。

誘導回路は、好ましくは誘導ループとも呼ばれる少なくとも１つの導体ループを含む。

時間的に変化し得る磁場はベクトルの性質を持つので、誘導回路内において３つの互いに直交する誘導ループを使用し、これらの誘導ループを、３つの個別信号の位置、向きおよび増幅度の個別調整ならびにその後における加算によって、センサ回路内のそれぞれの望ましくない誘導に合わせることができる。

外乱をひき起こす傾斜コイル磁場がセンサ回路の範囲内において均質である場合に、本発明は特に有利である。したがって、誘導回路は、それに付属するセンサ回路の空間的近傍に配置されていると好ましい。

ＰＥＴ検出器のために必要であるように、複数のセンサ回路が存在しているとよい。この場合にはセンサ回路ごとに１つの誘導回路が設けられている。

しかしながら、代替として、複数のセンサ回路の信号を補正するために１つの誘導回路を使用することもできる。これは、特に、誘導コイルの位置における傾斜磁場が、センサ回路の位置における傾斜磁場よりもその都度定められた係数だけ大きいか又は小さいか、あるいはセンサ回路の位置における傾斜磁場とは異なる方向を持つことが既知である場合に考えられ得る。この場合に補償信号がそれぞれ適切な係数を乗算され、その後初めてセンサ信号と加算または減算によって結合される。このようにして、補償の基礎設定が、傾斜磁場コイル内へのセンサ回路の組み込み位置に応じて個別的に調整可能である。

ＰＥＴ検出器の特に有利な実施態様によれば、Ｎ個よりも少ないＭ個の出力信号が発生されるように、Ｎ個の光センサの信号が重み付け加算される。これは多重化と呼ばれる。それによって、レイアウトにおいて望ましくない誘導電圧を、外乱信号が相殺されるように互いに加算することも行われる。それによって、付加的な誘導回路が節約され、それにともなってプリント基板、増幅器および重み付け回路のための回路装置に対するスペースが節約される。

複数のセンサ回路のために複数の誘導回路が使用される場合には、誘導回路のそれぞれの誘導ループの大きさおよび向きは磁石内への組み込み位置に合わせられるとよい。このことは有意義である。なぜならば、傾斜磁場コイルに対するセンサ回路の相対的位置がさまざまであり、したがって異なる位置における磁場が異なった方向および異なった大きさを持つからである。誘導回路の方向および大きさが位置に合わせられることによって、補償信号とセンサ信号との結合が簡略化される。加算前に、定められた係数によって補償信号を重み付けすることは場合によっては回避される。

本発明は、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路内に誘起される外乱信号の補償方法にも関する。本方法は、磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号と呼ぶ。）が誘起される誘起回路を用意し、外乱信号と補償信号とができるだけ大幅に相殺されるように、補償信号をセンサ回路のセンサ信号に結合し、結合された信号を出力信号として出力することを特徴とする。特に、センサ信号と補償信号との結合は両信号の前置増幅後に行なわれると好ましい。

本方法は、センサ装置に関連して説明した上記特徴に応じて構成することができる。

以下において、添付図面を参照しながら実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。
図１は本発明の実施例によるセンサ装置の概略横断面図を示し、
図２は本発明の実施例による信号処理のフローチャートを示す。

図１は、プリント基板３上に配置された光センサ２、例えばアバランシェフォトダイオードの如き半導体検出器を備えたセンサ装置１を示す。光センサ２は導体５を介して前置増幅器６に接続されている。前置増幅器６は同様にプリント基板３上に配置されている。それによって光センサ２の範囲にはセンサ回路４が位置する。このセンサ回路４はある程度の面積を持ち、したがって傾斜磁場の開閉時にある程度の磁束密度を持つので、センサ回路４は右ハッチングにて示された誘導面を有する。このハッチングにて示された誘導面は外乱信号が誘起される面である。外乱信号は導体５を介して前置増幅器６に伝達され、そこで増幅される。

これらの外乱信号を補償するために、プリント基板３内には他の誘導ループ８が設けられ、図面に左ハッチングにて示されている。この導体ループは、第一近似で時間的に変化し得る均質な磁場を基礎とし得る場合、センサ回路４の誘導ループとほぼ等しい向きにされかつ等しい面を持つ。誘導ループ８の個所における傾斜磁場が周知のように常にセンサ回路４における傾斜磁場よりも大きいかまたは小さい場合には、この傾斜磁場を誘導回路８の大きさおよび向きの調整によって考慮することができる。

図２は信号処理を示す。光センサ２によって発生されたセンサ信号１０が誘導ループ４において捕捉された外乱信号１２と重畳され、第１の前置増幅器６に供給される。誘導回路８によって捕捉された補償信号１４が第２の前置増幅器６’に供給される。前置増幅器６，６’は、それぞれ帯域幅＝ｘおよびゲインを有し、ゲインは前置増幅器６において例えばｖである。この場合に、前置増幅器６’のゲインは−１・ｖ／αである。ただし、αは、センサ回路４に誘起された電圧と誘導回路８に誘起された電圧との間の差を示す。従って、補償信号１４は外乱信号１２とはほぼα倍異なっている。この係数αは、センサ回路４と誘導回路８との間の異なる位置および傾斜磁場の異なる強さおよび方向を表わす。

前置増幅器６，６’のゲインが受信された信号に相応に合わせられたならば、両前置増幅器６，６’が加算器１６において互いに加算結合されて出力信号１８が供給される。代替として加算器１６は複雑化された重み付け回路であってよい。この重み付け回路は、前置増幅器６，６’の信号の任意の結合を行なうことができ、例えば両信号を任意に重み付けして加算または減算することができる。

複数の光センサのセンサ信号が多重化による有利な実施形態にしたがって結合され、Ｎ個の光センサの信号がＮ個よりも少ないＭ個の出力線に伝達されるならば、場合によっては既にそれによって外乱信号の補償が達成可能である。この場合には請求項１に規定された誘導回路は、最初に述べたセンサ回路の信号と、その都度の外乱信号が相殺されるように適切に結合されるセンサ信号を有する他のセンサ回路であるにすぎない。したがって、本発明は、たとえ測定中にＭＲ傾斜磁場が開閉されるにもかかわらず、外乱なしにＰＥＴ信号を測定することを可能にする。

本発明の実施例によるセンサ装置の概略横断面図 本発明の実施例による信号処理のフローチャート

符号の説明

１ センサ装置
２ 光センサ
３ プリント基板
４ センサ回路
５ 導体
６ 前置増幅器
６ 前置増幅器’
８ 誘導ループ
１０ センサ信号
１２ 外乱信号
１４ 補償信号
１６ 加算器
１８ 出力信号

Claims (9)

1. センサ信号（１０）の発生に適した電気的センサ回路（４）を含み、磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場内で動作するためのセンサ装置（１）において、
   センサ回路（４）に加えて少なくとも１つの誘導回路（８）が設けられ、誘導回路（８）内に、磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号（１４）と呼ぶ。）が誘起され、
   時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路（４）内に誘起される外乱信号（１２）を補償するように補償信号（１４）をセンサ信号（１０）に結合して出力信号（１８）を形成する回路装置（１６）が設けられていることを特徴とするセンサ装置。
2. センサ装置（１）が陽電子放出断層撮影検出器の一部であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装置。
3. センサ装置（１）が、更に、センサ信号（１０）および補償信号（１４）を増幅するための少なくとも１つの前置増幅器（６，６’）を含んでいることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサ装置。
4. 回路装置（１６）が、前置増幅されたセンサ信号（１０）から前置増幅された補償信号（１４）を減算するまたは両者を加算することを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載のセンサ装置。
5. 誘導回路（８）が３つの互いに直交する誘導ループを含むことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載のセンサ装置。
6. 複数のセンサ回路（４）が存在し、センサ回路（４）ごとに１つの誘導回路（８）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載のセンサ装置。
7. 各誘導回路（８）が付属のセンサ回路の空間的近傍に配置されていることを特徴とする請求項６記載のセンサ装置。
8. 磁気共鳴断層撮影装置の時間的に変化し得る磁場によってセンサ回路（４）内に誘起される外乱信号（１２）の補償方法において、
   磁気共鳴断層撮影装置の動作時に時間的に変化し得る磁場によって電圧（以下、補償信号と呼ぶ。）が誘起される誘導回路（８）を用意し、
   外乱信号（１２）と補償信号（１４）とが相殺されるように、補償信号（１４）をセンサ回路（４）のセンサ信号（１０）に結合し、
   結合された信号を出力信号として出力する
   ことを特徴とする外乱信号の補償方法。
9. センサ信号（１０）と補償信号（１４）との結合が、両信号の前置増幅後に初めて行なわれることを特徴とする請求項８記載の方法。
   

Images