NL1030055C2 - Magnetische-resonantiedetector en werkwijze. - Google Patents

Description

% *

Korte aanduiding: Magnetische-resonantiedetector en werkwijze.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op beeldvorming en spectroscopiesystemen en meer in het bijzonder op magnetische-re-sonantiesystemen en werkwijzen.

Magnetische systemen met een sterk magnetisch veld, zoals mag-5 netische-resonantie(MR)systemen, zijn typisch binnen een afgeschermde omgeving geplaatst. De afgeschermde omgeving is de omgeving, waarin een magneetboring van een magnetische-resonantiesysteem is gelegen. Typisch wordt een magnetische-resonantiedetector gebruikt om elektromagnetische signalen, die informatie over het af te beelden object 10 dragen, te detecteren. De elektromagnetische signalen worden vervolgens versterkt en naar een buiten de afgeschermde omgeving geplaatste bedienerconsole verzonden voor verdere verwerking.

Verschillende MR-detectoren worden als detectie-elementen in MRI-systemen gebruikt en wel voor het detecteren en overdragen van 15 elektromagnetische signalen. MR-detectoren kunnen ontvangerspoelen, zoals radiofrequentiespoelen, oppervlaktespoelen en oppervlakte-spoelarrays bevatten. Om de kwaliteit van de beelden te verhogen of het gezichtsveld uit te breiden of de beeldvormingssnelheid te vergroten, omvatten MRI-systemen soms verschillende MR-detectoren.

20 Eén probleem bij het vergroten van het aantal MR-detectoren in het MR-systeem is de daarmee gepaard gaande toename van het aantal geleidende kabels. De geleidende kabels worden gebruikt om analoge RF-signalen van de MR-detectoren naar buiten het beeldvormingsvolume en de magneetboring gelegen elektronica te leiden. De geleidende kabels 25 worden ook gebruikt om stuursignalen en elektrische energie van de systeemelektronica buiten de magneetboring naar de MR-detector te leiden. De elektrische energie kan worden gebruikt om een op of nabij de MR-detector gemonteerde voorversterker aan te sturen.

De geleidende kabels kunnen log, stijf en mechanisch moeilijk 30 te hanteren zijn. Bovendien kunnen deze geleidende kabels radiofre-quentielussen creëren, welke lussen potentieel een in het af te beelden subject geïnduceerde brandvlek zouden kunnen veroorzaken. Verder hebben de geleidende kabels en de op de geleidende kabels gebruikte geleidende afschermingen de neiging om overgangs- of interferentiesig- I 030055 t» - 2 - nalen op te pikken en deze in de MR-detectorarray te koppelen, hetgeen een beeldartefact en beeldverslechtering veroorzaakt.

Een ander probleem bij het vergroten van het aantal MR-detecto-ren is de daarmee gepaard gaande toename van de ruimte, die vereist is 5 om de MR-detectoren en de geleidende kabels te installeren. Bovendien draagt de implementatie van dergelijke systemen bij aan een totale toename van de kosten van het systeem.

Er bestaat daarom behoefte aan het overdragen van signalen met hoge betrouwbaarheid tussen de ontvangerspoel in de magneetboring en 10 elektronica buiten de magneetboring.

Kort gezegd is volgens één aspect van de uitvinding een MR-sys-teem verschaft. Het MR-systeem omvat ten minste één MR-detector, die is ingericht om een aantal signalen binnen een afgeschermde omgeving te detecteren. Het MR-systeem omvat verder een digitaliseringsschake-15 ling (hierna ten minste één digitaliseringsschakeling), die is ingericht voor het digitaliseren van de analoge signalen teneinde digitale signalen te genereren. De digitaliseringsschakeling van de MR-detector is gelegen binnen een afgeschermde omgeving. Het MR-systeem omvat verder een eerste overdrachtselement, dat is ingericht voor het overdra-20 gen van het aantal digitale signalen aan een aantal elektronische inrichtingen.

In een andere uitvoeringsvorm is een werkwijze voor het generen van informatie over een object onder gebruikmaking van een magneti-sche-resonantiesysteem verschaft. De werkwijze omvat het detecteren 25 van een aantal analoge signalen binnen een afgeschermde omgeving en het digitaliseren van de analoge signalen teneinde digitale signalen te genereren. De digitalisering vindt plaats binnen de afgeschermde omgeving. De werkwijze omvat verder het overdragen van de digitale signalen aan een aantal binnen de afgeschermde omgeving gelegen elek-30 tronische inrichtingen.

In een alternatieve uitvoeringsvorm is een geïntegreerde ont-vangerschakeling, die geschikt is voor gebruik in een magnetische-resonantie (MR)systeem, verschaft. De geïntegreerde ontvanger omvat een ontvangerspoel, die geschikt is voor het detecteren van een aantal 35 analoge signalen, en een aan de ontvangerspoel gekoppelde digitaliseringsschakeling, die is ingericht voor het omzetten van het aantal analoge signalen in een corresponderend aantal digitale signalen.

Deze en andere kenmerken, aspecten en voordelen van de uitvinding zullen duidelijker worden bij het lezen van de volgende gedetail 1030055 - 3 - leerde beschrijving onder verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin gelijke verwijzingscijfers dezelfde onderdelen in de verschillende tekeningen representeren, waarin: fig. 1 is een blokschéma, dat één uitvoeringsvorm van een mag-5 netische-resonantiebeeldvormingssysteem, uitgevoerd volgens één aspect van de uitvinding, toont; fig. 2 en fig. 3 zijn blokschéma's, die uitvoeringsvormen van de digitaliseringsschakeling, uitgevoerd onder gebruikmaking van een directe-omzettingssysteem, toont; 10 fig. 4 zijn blokschéma's, die uitvoeringsvormen van de digita liseringsschakeling, uitgevoerd onder gebruikmaking van een heterody-ne-vormende ontvangerschakeling, tonen; fig. 5 is een blokschéma van een uitvoeringsvorm van een geïn-tegreerde-ontvangersysteem, uitgevoerd volgens één aspect van de uit-15 vinding.

Fig. 1 is een blokschéma van een voorbeelduitvoeringsvorm van een magnetische-resonantie(MRI)systeem 10 met een sterk magnetisch veld, welk systeem kan worden gebruikt volgens aspecten van de uitvinding. Andere magnetische-resonantiesystemen, zoals magnetische-reso-20 nantiespectroscopiesystemen, die kunnen worden gebruikt om materiaaleigenschappen te analyseren, kunnen eveneens voordeel halen uit de onderhavige technieken. De volgende toelichting van een MRI-systeem is louter een voorbeeld van één van dergelijke implementaties en is niet bedoeld om beperkend te zijn in termen van modaliteit of anatomie.

25 De hierin gebruikte term "sterk veld" verwijst naar door het MRI-systeem geproduceerde magnetische velden, die sterker zijn dan ongeveer 0,5 Tesla. Voor uitvoeringsvormen van de uitvinding is het sterke veld bij voorkeur 0,5 Tesla tot 7 Tesla. Het MRI-systeem zou bijvoorbeeld een GE-Sigma MR-scanner, verkrijgbaar bij GE Medical Sys-30 tems, Ine., kunnen zijn, welke scanner geschikt is om de werkwijze volgens de uitvinding uit te voeren, hoewel andere systemen eveneens gebruikt zouden kunnen worden. Elke component is hieronder in detail beschreven.

Zoals hierin gebruikt, verwijzen "geschikt om", "ingericht" en 35 dergelijke naar inrichtingen in het systeem om de elementen van het systeem te doen samenwerken teneinde een beschreven effect te verschaffen; deze termen verwijzen ook naar werkingscapaciteiten van elektrische of optische elementen, zoals analoge of digitale componenten of toepassingsspecifieke inrichtingen (zoals een toepassingsspeci- 1030055 - 4 - fieke geïntegreerde schakeling (ASIC)), versterkers of dergelijke, die geprogrammeerd zijn om een uitgangssignaal in reactie op gegeven ingangssignalen te verschaffen, en naar mechanische inrichtingen voor het optisch of elektrisch aan elkaar koppelen van componenten.

5 De werking van het MR-systeem wordt bestuurd, door een bediener- console 32, dat een processor 28 en een bedienerkoppeling 30 bevat.

Het console 32 omvat een processor 28, die een bediener in staat stelt om de productie en weérgave van beelden via de bedienerkoppeling 30 te besturen. De processor bevat een aantal modules, die via een moeder-10 bord met elkaar communiceren. Deze modules bevatten een beeldproces-sormoduul, een CPU-moduul, een pulsgeneratormoduul en een geheugenmo-duul, bekend in de techniek als een framebuffer voor het opslaan van beeldgegevensarrays. De processor is typisch verbonden met een schijf-opslag en een tapestation (niet weergegeven) voor opslag van beeldge-15 gevens en programma's, en de processor communiceert met een afzonderlijke systeembesturing (niet weergegeven) via een snelle seriële verbinding .

Het pulsgeneratormoduul sluit het bedienerconsole via een seriële verbinding aan. De systeembesturing ontvangt commando's van de 20 bediener, welke commando's de uit te voeren aftastsequentie aangeven. Het pulsgeneratormoduul stuurt de systeemcomponenten aan om de gewenste aftastsequentie uit te voeren. Het pulsgeneratormoduul produceert gegevens, die de tijdsbepaling, sterkte en vorm van de te produceren radiofrequentie(RF)pulsen, en de tijdsbepaling en lengte van het gege-25 vensverwervingsvenster aan. Het pulsgeneratormoduul is verbonden met een reeks van gradiëntversterkers (niet weergegeven) om de tijdsbepaling en de vorm van de tijdens de aftasting te produceren gradiëntpul-sen aan te geven.

De door het pulsgeneratormoduul geproduceerde gradiëntgolfvor-30 men worden toegevoerd aan een gradiëntversterkersysteem (niet weergegeven) , dat Gx, Gy en Gz versterkers (niet weergegeven) omvat. Elke· gradiëntversterker activeert een corresponderende gradiëntspoel in een in het algemeen met het verwijzingscijfer 15 aangeduide boring om de voor het positiecoderen van de verworven signalen gebruikte magne-35 tisch-veldgradiënten te produceren. De gradiëntspoelboring 15 vormt een deel van een magneetboring 14, die een polariserende magneet 16 en een geheel-lichaam ontvangerspoel 18 bevat. In de getoonde uitvoeringsvorm is de ontvangerspoel een radiofrequentiespoel. Een beeldvor-mingsvolume 20 is weergegeven als het gebied binnen de magneetboring 1030055 - 5 - 14 voor het ontvangen van een subject 34 en bevat een patiëntboring. Zoals hierin gebruikt, is het bruikbare volume van een MRI-scanner in het algemeen gedefinieerd als het volume binnen het volume 20, dat een doorlopend gebied binnen de patiëntboring is, waarin de homogeniteit 5 van hoofd-, gradiënt- en RF-velden binnen bekende, aanvaardbare bereiken voor beeldvorming ligt.

Een zendermoduul is ingericht om pulsen te produceren en de pulsen worden verschaft aan de ontvangerspoel 26. De door de aangeslagen kernen in het subject 30 uitgezonden resulterende signalen kunnen 10 door dezelfde ontvangerspoel 18 worden gedetecteerd en aan de digita-liseringsschakeling worden verschaft.

De digitaliseringsschakeling 24 is ingericht voor het digitaliseren van de analoge signalen om digitale signalen te genereren. In één uitvoeringsvorm worden de digitale signalen vervolgens verzonden 15 naar elektronische inrichtingen 34 via een eerste overdrachtselement 21. In de getoonde uitvoeringsvorm is het eerste overdrachtselement een optische geleider.

Er kan worden opgemerkt, dat de digitaliseringsschakeling van de ontvangerspoel binnen een afgeschermde omgeving 12 is gelegen. In 20 één uitvoeringsvorm is de digitaliseringsschakeling binnen de magneet-boring gelegen. In de getoonde uitvoeringsvorm is de digitaliseringsschakeling binnen het beeldvormingsvolume 20 gelegen.

De door elektronische inrichtingen geconditioneerde digitale signalen worden vervolgens via een tweede overdrachtselement 26 naar 25 een geheugenmoduul in de bedienerconsole geleid. Voorbeelden van tweede overdrachtselementen bevatten, doch zijn daartoe niet beperkt, optische geleiders, coaxiale kabels en draadloze netwerken. Wanneer de aftasting is voltooid is een gehele array van gegevens verworven in het geheugenmoduul. Een processor (niet weergegeven) is werkzaam 30 met het Fourier-transformeren van de gegevens tot een array van beeldgegevens. In reactie op van een bediener ontvangen commando's kunnen deze beeldgegevens door een beeldprocessor verder worden bewerkt en vervolgens worden weergegeven.

In één uitvoeringsvorm worden de digitale signalen als een se-35 rieel uitgangssignaal overgedragen. In een andere uitvoeringsvorm kan de digitaliseringsschakeling een aantal digitaliseringsschakelingen (niet weergegeven) bevatten, welke schakelingen zijn ingericht voor het genereren van een aantal digitale signalen. De digitale signalen worden vervolgens parallel aan de elektronische inrichtingen en/of de 1030055 - 6 - processor overgedragen. In een specifiekere uitvoeringsvorm omvat de digitaliseringsschakeling een aantal digitaliseringsschakelingen, die zijn ingericht voor het genereren van een aantal digitale signalen. De digitale signalen worden verder gecombineerd om een enkel digitaal 5 signaal te genereren, welk enkele digitale signaal aan dé elektronische inrichting en/of de processor wordt overgedragen.

Zoals is weergegeven in fig. 1, zijn de magneetboring .14, de gradiëntspoel 15, de polariserende magneet 16, de ontvangerspoel 18 en de digitaliseringsschakeling binnen een afgeschermde kamer 12 gelegen. 10 Het bedienerconsole is buiten de afgeschermde kamer gelegen. De MR-signalen worden naar het bedienerconsole gezonden onder gebruikmaking van het tweede overdrachtselement.

Zoals eerder is beschreven, is de digitaliseringsinrichting ge^-schikt voor gebruik in sterke magnetische velden variërend van 15 0,5 Tesla tot 18 Tesla. De wijze waarop de digitaliseringsschakeling kan worden uitgevoerd is in detail beschreven onder verwijzing naar fig. 2 tot fig. 6.

Fig. 2 is een blokschema van één uitvoeringsvorm van de volgens één aspect van de uitvinding uitgevoerde digitaliseringsschakeling. De 20 digitaliseringsschakeling omvat een directe-omzettingssysteem 40. Elke component van het directe-omzettingssysteem is hieronder in detail beschreven.

Het directe-omzettingssysteem ontvangt analoge signalen van een lage-ruisversterker 22. De analoge signalen worden aan een variabele-25 versterkingsfactorblok 42 verschaft, welk blok is ingericht om een gewenste hoeveelheid versterking voor de analoge signalen te introduceren. Er kan worden opgemerkt, dat het variabele-versterkingsfactorblok een variabele-versterkingsfactorversterker (VGA), een verzwakker of een combinatie daarvan kan omvatten.

30 Deze signalen worden vervolgens aan een Nyquist analoog-naar- digitaal omzetter (ADC) 44 verschaft. De Nyquist-ADC is ingericht om de analoge signalen in corresponderende digitale signalen onder gebruikmaking van het Nyquist-principe om te zetten, welk principe bepaalt, dat de bemonsteringssnelheid van de ADC ten minste twee maal 35 de frequentie van het analoge signaal is om het signaal zonder alia-seringseffecten volledig te kunnen representeren.

In een andere, in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm is het directe-omzettingssysteem 40 uitgevoerd onder gebruikmaking van een banddoorlaat-ADC 46. In dergelijke omzetters is de bemonsteringssnel- . f 0 3 0055 - 7 - heid typisch lager dan twee maal de frequentie van het analoge signaal. De banddoorlaat-ADC zet het analoge signaal in een corresponderend digitaal signaal om en dit digitale signaal wordt onder gebruikmaking van het overdrachtselement 26 verzonden.

5 Fig. 4 is een blokschema van een andere uitvoeringsvorm van de digitaliseringsschakeling 24, die is uitgevoerd onder gebruikmaking van een heterodyne-vormend ontvangersysteem 50. Het heterodyne-vormende ontvangersysteem omvat een variabele-versterkingsfactorblok 52 en een buffer 54. Het van de lage-ruisversterker ontvangen analoge sig-10 naai wordt door het variabele-versterkingsfactorblok geleid en aan een menger 56 verschaft. Het variabele-versterkingsfactorblok 52 verschaft een stuurmiddel voor het aanpassen van de versterkingsfactor in afhankelijkheid van de amplitude van het analoge signaal.

De menger 56 ontvangt het analoge Larmor-frequentiesignaal en 15 het locale oscillatorfrequentiesignaal en genereert een corresponderend middenfrequentiesignaal. De menger 56 omvat actieve mengers, die zijn uitgevoerd onder gebruikmaking van niet-magnetische componenten, zoals algemeen bekend is in de techniek. Het middenfrequentiesignaal wordt aan een filter 57 verschaft, waarin ongewenste zijbanden kunnen 20 worden verwijderd. Het gefilterde signaal wordt aan de Nyquist-ADC 58 verschaft.

De Nyquist-ADC 58 werkt op een overeenkomstige wijze als beschreven met verwijzing naar de Nyquist-ADC 44 in fig. 2. De Nyquist-ADC kan worden uitgevoerd onder gebruikmaking van een keramisch filter 25 of samengevoegd-element LC-filter met niet-magnetische inductoren. In één uitvoeringsvorm kan een uitgang van de ADC een seriële gegevens-uitgang hebben.

Zoals beschreven met verwijzing naar fig. 1, zijn in één uitvoeringsvorm de digitaliseringsschakeling en de ontvangerspoel ge-30 scheiden componenten, die binnen de afgeschermde ruimte zijn gelegen. In een specifiekere uitvoeringsvorm van de uitvinding is een geïntegreerde ontvangerschakeling 72, die geschikt is voor gebruik in een magnetische-resonantie(MR)systeem, verschaft, zoals is weergegeven in fig. 7. Elke component is hieronder in detail beschreven.

35 De geïntegreerde ontvanger omvat een ontvangerspoel 74, die ge schikt is voor het detecteren van een aantal analoge signalen. De ontvangerspoel kan een oppervlaktespoel, oppervlakte-spoelarray of een radiofrequentiespoel zijn. De geïntegreerde ontvanger is geschikt voor 1030055 - 8 - gebruik in een sterk magnetisch veld variërend van 0,5 Tesla tot 18 Tesla.

De digitaliseringsschakeling 78 is gekoppeld aan de ontvanger-spoel en is ingericht voor het omzetten van het aantal analoge signa-5 len in een corresponderend aantal digitale signalen. De digitaliseringsschakeling kan een analoog-naar-digitaal omzetter of een analoog-naar-optisch omzetter zijn. De digitaliseringsschakeling kan onder gebruikmaking van elk van de in fig. 2 tot fig. 6 beschreven technieken zijn geïmplementeerd.

10 In de getoonde uitvoeringsvorm bevat de geïntegreerde ontvan- gerschakeling verder een lage-ruisversterker 75. Een variabele-ver-sterkingsfactorversterker 76 is geschakeld tussen de lage-ruisversterker 75 en de digitaliseringsschakeling. De variabele-versterkingsfac-torversterker is ingericht voor het versterken van het aantal analoge 15 signalen en het verschaffen van de versterkte signalen aan de digitaliseringsschakeling.

Hoewel slechts bepaalde kenmerken van de uitvinding hierin zijn getoond en beschreven, zullen vele modificaties en veranderingen duidelijk zijn voor de vakman. Het is daarom duidelijk, dat de bijgevoeg-20 de conclusies bedoeld zijn om dergelijke modificaties en veranderingen als vallende binnen de gedachte van de uitvinding te omvatten.

1030055

Claims (10)

1. Magnetische-resonantie(MR)systeem voor het genereren van signalen, die representatief zijn voor informatie over een object, waarbij het MR-systeem omvat: ten minste één MR-detector (18), die is ingericht om een aan-5 tal signalen binnen een afgeschermde omgeving (12) te detecteren; een digitaliseringsschakeling (24), die is ingericht voor het digitaliseren van de analoge signalen om digitale signalen te genereren, waarbij de MR-detector en digitaliseringsschakeling binnen een afgeschermde omgeving zijn gelegen; 10 een eerste overdrachtselement (21), dat is ingericht voor het overdragen van het aantal digitale signalen aan een aantal elektronische inrichtingen (34).

2. MR-systeem volgens conclusie 1, waarin de digitaliseringsschakeling binnen een magneetboring (14) is geplaatst, waarbij de 15 magneetboring zich binnen de afgeschermde omgeving bevindt.

3. MR-systeem volgens conclusie 1 of 2, waarin de digitaliseringsschakeling binnen een beeldvormingsvolume is geplaatst, waarbij het beeldvormingsvolume (20) zich binnen de af geschermde omgeving bevindt . 2Q

4. MR-systeem volgens elk van de voorgaande conclusies, waarin het aantal digitale signalen onder gebruikmaking van een tweede overdrachtselement (26) aan een processor (28) buiten de afgeschermde omgeving kan worden overgedragen; waarbij de processor is ingericht om de digitale signalen te ontvangen en te bewerken teneinde de in- 25 formatie over het object te genereren en waarbij het tweede overdrachtselement is geselecteerd uit een uit optische vezels, coaxiale kabels, draadloos netwerk en akoestische-golfnetwerk bestaande groep.

5. MR-systeem volgens elk van de voorgaande conclusies, waarin de digitaliseringsschakeling een directe-omzettingssysteem (40) omvat 30 en waarin het directe-omzettingssysteem een Nyquist-omzetter (44) of een banddoorlaatomzetter (46) omvat.

6. MR-systeem volgens elk van de voorgaande conclusies, waarin de digitaliseringsschakeling een frequentieverschil-producerend ont-vangersysteem (50) omvat en waarin het frequentieverschil-producerende 35 ontvangersysteem een Nyquist-omzetter (44) omvat. 1030055 - 10 - Λ

7. Werkwijze voor het genereren van informatie over een object onder gebruikmaking van een magnetische-resonantiesysteem, waarbij de werkwijze omvat: het detecteren van een aantal analoge signalen binnen een afge-5 schermde omgeving; het digitaliseren van de analoge signalen om digitale signalen te genereren, waarbij het digitaliseren plaatsvindt binnen de afgeschermde omgeving; het overdragen van dè digitale signalen aan een aantal binnen 10 de afgeschermde omgeving gelegen elektronische inrichtingen.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, waarin het digitaliseren het gebruik van een directe-omzettingstechniek of een frequentieverschil-producerend ontvangersysteem omvat.

9. Werkwijze volgens conclusie 8, verder omvattende het over-15 dragen van de digitale signalen aan een processor, die buiten de afgeschermde omgeving is gelegen, waarbij het overdragen plaatsvindt onder gebruikmaking van ten minste één van optische vezels, coaxiale kabels en draadloos netwerk.

10. Geïntegreerde ontvangerschakeling geschikt voor gebruik in 20 een magnetische-resonantie(MR)systeem, waarbij de ontvanger omvat: een ontvangerspoel geschikt voor het detecteren van een aantal analoge signalen; en een aan de ontvangerspoel gekoppelde digitaliseringsschakeling, die is ingericht voor het omzetten van het aantal analoge signalen in 25 een corresponderend aantal digitale signalen. 1030055