WO2024026520A1 - Circuit for the signal processing of a signal from an rf antenna - Google Patents

Circuit for the signal processing of a signal from an rf antenna Download PDF

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WO2024026520A1
WO2024026520A1 PCT/AT2023/060255 AT2023060255W WO2024026520A1 WO 2024026520 A1 WO2024026520 A1 WO 2024026520A1 AT 2023060255 W AT2023060255 W AT 2023060255W WO 2024026520 A1 WO2024026520 A1 WO 2024026520A1
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signal
preamplifier
circuit
control unit
antenna
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Bernhard Gruber
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Bernhard Gruber
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Definitions

  • the invention relates to a circuit for signal processing of a signal from at least one RF antenna of a local RF coil of a magnetic resonance tomography system.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • Magnetic resonance tomography uses strong external magnetic fields to align the core spins of the object to be examined and stimulates them to precess around this alignment using alternating electromagnetic fields.
  • the precession or return from this higher energy, excited state to a state of lower energy in turn creates an alternating electromagnetic field, which is received via radio frequency antennas (RF antennas).
  • RF antennas radio frequency antennas
  • magnetic gradient fields are applied, which retroactively allow a volume element assignment.
  • the image reconstruction is carried out by evaluating (e.g. Fourier transformation) the signals received from the RF antennas and creates an imaging, tomographic representation of the examination object.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the signal received by local coil arrangements (local coils, coils, coil arrays) or antenna systems is a voltage signal induced by the MR measurement, which is then transmitted using a low-noise preamplifier (e.g. LNA) within the field of view or field-of-view ( FoV) in the magnetic field, amplified and finally transmitted to the receiving electronics with as little loss as possible.
  • LNA low-noise preamplifier
  • An antenna system is generally referred to as a receiving coil arrangement, which can consist, for example, of one or more antenna elements (coil elements). Multiple antenna elements are called array coils. These individual antenna elements are resonant high-frequency circuits, which are available in various designs (e.g. loop antenna, flex PCB coil, saddle coils, butterfly). Following the array system are various setting, adaptation and decoupling networks (tuning, matching, decoupling), the preamplifier, other electronics (e.g. standing wave filters for common mode suppression) and a connector system for connection to the MR system. The sooner you get through it The MR signal received by individual antennas is amplified, the less disruptive influences can negatively influence the signal quality, the SNR and thus also the image quality and scan duration.
  • these preamplifiers and the associated complementary circuits are constructed with discrete components and, especially with multi-channel local coil arrangements (coil arrays), take up a relatively large amount of space in the already cramped environment of the MRI tube or on or near the coil arrays.
  • the signal transmission to the internal technical interface of the MRT OEM (Original Equipment Manufacturer) egg tray and the subsequent reconstruction system is usually carried out in analog form via coaxial cable.
  • the lossy transmission via a coaxial line itself can in turn lead to negative influences (common-mode interference signals) on the SNR due to the radiation of energy required within the MRI tube to excite the core spins through the transmitting antenna.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • a circuit for signal processing of a signal from at least one RF antenna of a local RF coil of a magnetic resonance tomography system comprising a preamplifier for each RF antenna, which amplifies the signal of the RF antenna, with a digitization unit connected to the preamplifier, which does this amplified signal of the preamplifier is digitized, the preamplifier being present as an integrated component (IC), the preamplifier being a preamplifier with a selectable working frequency, in that the preamplifier comprises several different amplification circuits.
  • IC integrated component
  • the preamplifier is preferably extremely low-noise with a noise figure of less than 1 dB, in particular less than or equal to 0.7 dB.
  • the digitization unit includes at least one analog-to-digital converter.
  • the preamplifier and the digitization unit can be present together in an integrated module.
  • the preamplifier and the digitization unit can be present in or as two separate integrated components.
  • An integrated module comprising the preamplifier and/or the digitization unit, and can optionally include additional components such as mixers or filters, which can preferably be switched on and off.
  • the mixers and filters can be controllable; in particular, the parameters of the mixers and filters can be adjusted based on a selected working frequency of the preamplifier.
  • an integrated component can include several preamplifiers, each of the several preamplifiers being a preamplifier with a selectable operating frequency, in that each preamplifier has several different ones Amplification circuits include.
  • the multiple preamplifiers can be identical, i.e. with identical amplification circuits (number and frequency ranges of the amplification circuits) or with different amplification circuits (number and/or frequency ranges of the amplification circuits).
  • the signal from one RF antenna can be applied to each of the several preamplifiers of the integrated module.
  • the multiple preamplifiers of the integrated component can be controlled together by selecting the amplification circuit identically for all preamplifiers of the integrated component.
  • the multiple preamplifiers of the integrated component can be controlled individually in a different variant, so that the choice of the amplification circuit can be made differently for each preamplifier of the integrated component.
  • the circuit preferably comprises several RF antennas, with each RF antenna being assigned a preamplifier of an integrated component.
  • each RF antenna being assigned a preamplifier of an integrated component.
  • at least one integrated component includes several preamplifiers in order to be able to amplify the signals from several RF antennas.
  • the preamplifier and/or the analog-to-digital converter are designed as an ASIC (application-specific integrated circuit).
  • the preamplifier and the analog-to-digital converter are designed using CMOS technology.
  • CMOS Complementary metal-oxide-semiconductor and is a name for semiconductor devices that use both p-channel MOSFETs and n-channel MOSFETs on a common substrate .
  • MOSFET stands for metal-oxide-semiconductor field effect transistor.
  • RF antennas there are several RF antennas, with one of several preamplifiers amplifying the signal of an RF antenna, with at least one analog-to-digital converter receiving the amplified signal of a preamplifier at one of several of its inputs.
  • analog-to-digital converter converts the amplified signal of the preamplifier from an analog electrical signal into an optical digital signal.
  • the digitized signal from the analog-to-digital converter can be transmitted wirelessly.
  • the circuit comprises a control unit which communicates with a transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance tomography system.
  • the circuit comprises a control unit which controls the selection of the amplification circuit of each preamplifier. It is preferred that the control unit communicates with a transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance imaging system and controls the selection of the amplification circuit of each preamplifier.
  • the control unit preferably also controls or switches on or off the optional additional components such as mixers and filters.
  • At least one setting, adaptation and decoupling network (tuning, matching and detuning network) is set via the control unit, in particular in that the control unit receives setting values for the setting from the transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance tomography system -, adaptation and decoupling network receives at least one RF antenna and can preferably change it.
  • the communication between the control unit and the transmitting and receiving antenna control unit preferably takes place via an optical line and the signal transmission of the amplified and digitized signal also preferably takes place via the optical line.
  • the signal transmission of the amplified and digitized signal takes place via an optical line and the communication between the control unit and the transmitting and receiving antenna control unit takes place via an additional analog control line.
  • the preamplifier is a preamplifier with a selectable working frequency, in that the preamplifier comprises several different low-noise amplification circuits, ensures that all working frequencies including multi-core applications in MR and other complementary applications can be covered.
  • Low-noise is defined here as an amplifier or an amplification circuit that has a noise figure (NF) of less than 1.5 dB. However, a noise figure (NF) of less than 1 dB is preferred.
  • the typical gain of a low noise amplifier is between 10 and 20 dB with single stage gain or between 10 and 40 dB depending on the number of amplifier stages.
  • the amplifying circuits may be single-stage amplifying circuits or multi-stage amplifying circuits.
  • the selection of the working frequency i.e. the selection of the required amplifier circuit, takes place via the control unit.
  • the circuit comprises at least one preamplifier, at least one digitization unit and at least one control unit, the components mentioned being present in integrated form or as separate components on a common socket PCB, or the components mentioned being present individually or in any combination on separate socket PCBs.
  • PCBs are available, whereby the socket PCBs are specifically adapted to the system requirements of devices from different MRI manufacturers.
  • the setting, adaptation and decoupling network can also be present on a separate socket PCB or, in addition to one or more of the components mentioned, on a common socket PCB.
  • the circuit is present within a local RF coil element.
  • the circuit can be present, for example, in a rigid housing of a local RF coil, for example a head coil, or in a flexible local RF coil, which can be designed, for example, in the form of a blanket or other flexible structure and adapts to the contour of a person's body can adapt.
  • the preamplifier in the form of an amplifier chip comprises at least three different amplification circuits, the input signal of which comes from a single RF antenna and the output signal of which is present at a single input of the digitization unit, the amplifier chip comprising at least one additional input for selecting the working frequency by selectively using one of the amplification circuits.
  • each of the amplifier circuits of a preamplifier has a bandwidth predetermined by its circuit components, the amplifier circuits together covering a larger bandwidth than the respective individual amplifier circuit, each amplifier circuit being assigned a definable working area, the selection of that amplifier circuit taking place in its working area the determined or expected signal frequency to be amplified.
  • the circuit can also be present on the outside of the local RF coil. In one embodiment variant, parts of the circuit can be present on the inside and other parts on the outside of the local RF coil.
  • the preamplifier is provided with an on-board analog-to-digital converter.
  • one preamplifier is connected to one analog-to-digital converter.
  • a preamplifier is combined with an analog-to-digital converter in a common integrated module.
  • a preamplifier and an analog-to-digital converter are present as separate modular components that are combined to implement the circuit.
  • preamplifiers are connected to a common analog-to-digital converter.
  • the integrated amplifier is preferably programmable for different MR frequencies via an optical or analog connection by a monitoring and control unit. This allows it to be used at various relevant MR field strengths and resonances (multi-core) with optimal performance (frequency modularity).
  • a programmable interface on the integrated preamplifier is preferably used to switch additional integrated optional modules or features (such as filters, mixers, etc.) on or off in order to achieve the greatest possible flexibility in the MRI To enable conditions specified by platforms.
  • socket PCBs adapted to the MRI manufacturer are used, which also allow modular additional modules or features (such as mixers, filters, etc.) to be integrated thereon .) to switch on or off.
  • these socket PCBs also have a modular structure.
  • socket PCBs supply (with power and control signals) the preamplifier and the analog-to-digital converter, as well as all other components such as an RF antenna and a matching and decoupling network. Control signals for frequency adjustment of the RF antenna and the adjustment and decoupling network are routed via the socket PCBs.
  • the socket PCBs provide any additional manufacturer-specific functions via an optical, analog or wireless connection to a control unit, in particular a radio frequency antenna control unit, for better integration.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • frontend digital device interface
  • CMOS integration allows a significantly more energy-saving implementation and also a more electromagnetically compatible solution than previous discrete preamplifiers for magnetic resonance imaging (MRI).
  • MRI magnetic resonance imaging
  • the frequency modularity of the integrated amplifier is a significant advantage and allows the use of a single amplifier chip for different MR device field strengths (e.g. 0.55 Tesla, 1.5 Tesla, 3 Tesla, 4 Tesla, 7 Tesla, 10.5 Tesla, 11.4 Tesla, 14 Tesla, etc.) and thus saves the production of several analog amplifiers designed for the applicable field strength.
  • MR device field strengths e.g. 0.55 Tesla, 1.5 Tesla, 3 Tesla, 4 Tesla, 7 Tesla, 10.5 Tesla, 11.4 Tesla, 14 Tesla, etc.
  • a conventional implementation of an extremely low-noise multi-frequency amplifier covering bandwidths of up to/above 1 GHz, which should be extremely compact, would result in significant parasitic impedances, meaning that the desired properties would not be achievable.
  • Such an implementation is therefore only possible in an integrated form (e.g. CMOS).
  • Miniaturization not only enables the electrical benefits mentioned above, but also enables system-wide benefits.
  • Smaller amplifiers enable a higher antenna density within an MRI receiving coil (the more receiving channels that can be used, the faster or higher resolution MR scans are made possible; Currently the standard is 32 channels; tested so far: 128 channels; Simulations showed advantages when using up to 256 channels) as the size can be drastically reduced, thus creating more space within the housing.
  • the additional space can be used for further applications, such as magnetic field monitoring/influencing, transcranial magnetic field stimulation (TMS), electroencephalography (EEG), etc. or for further improvements in the area of methodology or diagnostics, or even more in terms of design Space and comfort are provided for the patients/subjects.
  • Digitalizing the MR signal locally as early as possible also has the advantage of eliminating disruptive interactions between signal transfer lines (common mode rejection), which influence the stability of discrete amplifiers and can themselves drastically worsen the signal-to-noise ratio.
  • the modular design of the system based on a building block principle makes it possible to adapt the front end of MR transmitting and receiving coils to the respective needs and conditions.
  • the output signal of one or more integrated amplifiers can be sent to an ADC.
  • This ADC can be located inside or outside the local MR transmitter or receiver coil/unit. From there, the digitized MR signal can preferably be forwarded optically to the MR backend.
  • ADC analog-digital converter
  • PCB-Printed Circuit Board PCB-Printed Circuit Board
  • certain features or modules that are integrated in the integrated amplifier can be switched on or off electronically.
  • the integrated design of the amplifier makes it easier to add or switch on and off integrated, optionally necessary features or elements in order to ensure the highest possible compatibility.
  • Optionally necessary is a feature or element that is required for at least one MRI system and is not required for at least one other MRI system. So that the amplifier can be used on both MRI systems, it contains the feature or element, which is switchable and/or adjustable. Adjustability can be provided for features or elements that are required on at least two MRI systems but are used with different parameters.
  • Fig. 1 Shows the basic structure of a magnetic resonance imaging system (MRI system).
  • MRI system magnetic resonance imaging system
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the system components according to the invention.
  • Fig. 3 shows schematically the use of several different amplifier blocks to amplify the individually received and adapted MR signals from radio frequency coils.
  • Fig. 4 Shows schematically the use of modular receiving units on a head coil system.
  • Fig. 5 illustrates an exemplary classification of specific modular amplifier bandwidths and working ranges.
  • the MRI system 1 illustrates a magnetic resonance imaging system (MRI system) 1, which has a tunnel 2 in which a person 3 located on a couch 8 can be placed for imaging.
  • the MRI system 1 includes a superconducting magnetic coil 4, several gradient coils 5 and shim coils 6.
  • a transmitting and receiving body coil 7 can be present integrally in the MRI device together with the aforementioned coils. If there is a transmitting and receiving body coil 7, the MRI device can be used for imaging with the coils integrated in the housing. If there is no receiving body coil 7, an additional local receiving coil, which is referred to herein as a radio frequency coil or local RF coil 9, is required, which is present on the person 3.
  • An additional local RF coil 9 can also be used if a receiving body coil 7 is present, since this is advantageously closer to the body of the person 3.
  • the RF coil 9 can be present as a pure receiving coil or as a transmitting and receiving coil (transceiver coil).
  • the local RF coil 9 is located on or around a part of the body of the person 3 and is located in the tunnel 2 during imaging with the person 3.
  • an MRI control unit 10 which can include subunits 11-14, which can be used to control the subsystem of the MRI device.
  • the MRI control unit 10 has a data memory 15 or is connected to one via a network.
  • the MRI device is arranged in a shielded room 16, with the MRI control unit 10 or at least most components of the MRI control unit 10 being outside of the shielded room 16.
  • the data transmission between the MRI device and the MRI control unit 10 takes place via data lines, which usually include analog and digital signal lines. This is particularly the case with the data from the local RF coil 9. Wireless transmission has already been proposed, at least in the patent literature.
  • the individual subunits 11-14 of the MRI control unit 10 are a general control 11, a gradient control 13, a shim coil control 14 and a radio frequency transmitting and receiving antenna control unit 12.
  • the signal line between gradient coils 5 and the gradient control 13 takes place via a signal line 18 of the gradient subsystem.
  • the signal line between shim coils 6 and the shim coil control 14 takes place via a signal line 19 of the shim coil subsystem.
  • the signal line between the transmitting and receiving body coil 7 and the local RF coil 9 and the transmitting and receiving antenna control unit 12 takes place via signal lines 17. If a local RF coil 9 is present, the transmitting and receiving body coil 7 can be operated as a transmitting coil become. If the local RF coil 9 is a transceiver coil, the transmitting and receiving body coil 7 is not needed.
  • the transmitting and receiving antenna control unit 12 is located in the shielded room 16, since an analog signal is routed via a coaxial cable from the local RF coil 9 to the transmitting and receiving antenna control unit 12. With this type of transmission, the transmission path must be kept short, so that the transmitting and receiving antenna control unit 12 is located on the side of the MRI device. Wireless transmission of data through the shield is not possible.
  • the transmitting and receiving antenna control unit 12 can also be located outside the shielded room 16 because the signal is digitized in the front end, i.e. before the signal is routed to the transmitting and receiving antenna control unit 12.
  • the present invention relates to the signal processing of receiving coils, in particular local RF coils 9, and is illustrated in Figures 2-4.
  • a single RF antenna 20 is shown, which can be referred to as a coil and can be in different designs, such as a loop coil.
  • the signal from the RF antenna 20 is, as is known in the art, connected to the preamplifier 31 through a tuning, matching and detuning network 21.
  • Tuning is the adjustment of the coil electronics to the person's resonance frequency.
  • Matching is the adjustment of the coil impedance to reduce feedback.
  • Detuning is the deactivation (decoupling) of the individual receiving elements 20 or 28 during the irradiation of the RF pulse by the transmitting antenna in order to excite the protons (generation of the MR signal). This also protects the preamplifier 31 and other electronics from overload, and also provides one of several patient safety layers that protect against RF accidents. Since these processes and the circuits required for them are known from the prior art, they will not be discussed in more detail here.
  • the invention relates to the digital front end 22 comprising a low-noise amplifier (preamplifier - PA) 31 and a digitization unit 33, both of which are in integrated form, in particular in CMOS technology.
  • the digitization unit 33 includes at least one analog-to-digital converter (ADC).
  • the data transmission from the digital front end 22 to the transmitting and receiving antenna control unit 12 preferably takes place via an optical or a coaxial line 23.
  • Wireless transmission would also be conceivable.
  • the digitization unit 33 can include one or more optical outputs and therefore convert the previously analog electrical signal into a digital optical signal. Alternatively, an additional converter can follow the digitization unit 33, which converts the electrical digital signal into an optical digital signal.
  • the digitization unit can include a signal mixer for combining or modulating the digital signal and/or a filter for removing interfering, unwanted sidebands by having the digitization unit and these functionalities in a common integrated module. The signal mixer and/or the filter can also follow the digitization unit 33.
  • the optical digital signal can be transmitted to the transmitting and receiving antenna control unit 12 via one or more optical fibers.
  • the digital signal can also be transmitted via a coaxial cable or wirelessly by radio, although these types of transmission are already documented in the prior art.
  • the digital front end 22 can be controlled via the optical line 23 and/or an optional analog control line 24 or wirelessly.
  • the digital front end 22 and the setting, adaptation and decoupling networks 21 are supplied with power via a direct current power supply 27. Alternatively or optionally, this can also be done using energy harvesting systems or circuits, whereby depending on availability and strength, this energy comes from the radiated electromagnetic fields.
  • the transmitting and receiving antenna control unit 12 includes filter, modulation and amplification modules 25, which can alternatively or optionally also be brought forward or integrated into the digitization unit 33 and/or can be optionally switched on.
  • the control signals for this come from a monitoring and control unit 26 of the transmitting and receiving antenna control unit 12.
  • the lower illustration in FIG. 2 illustrates an RF antenna array 28.
  • the array can be in the form of a parallel array or, as illustrated, as a phased array.
  • Each RF antenna 20 of the RF antenna array 28 is provided with a setting, matching and decoupling network 21 of an array 29 of a plurality of setting, matching and decoupling networks 21.
  • a preamplifier 31 is present in integrated form in the digital front end 22, i.e. a preamplifier array 30.
  • Each preamplifier of the preamplifier array is preferably present as one or in its own integrated module.
  • the digital front end 22 includes at least one digitization unit 33.
  • the digitization unit 33 includes an integrated analog-to-digital converter (ADC) and preferably mixers, filters and/or other optional modules or components.
  • a digitization unit 33 can digitize and optionally modulate, filter and/or manipulate the amplified signals of all preamplifiers 31 of the digital front end 22.
  • the digital front end 22 can also include several digitization units 33, depending on the number of RF antennas of the RF antenna array 28 and the number of inputs of the digitization units 33. The remaining structure is identical to the upper part of Fig. 2.
  • the amplified signal from one of several preamplifiers is present at its own input of a digitization unit 33, so that a parallel or simultaneous digitization and optional manipulation of the amplified signals from several preamplifiers takes place.
  • the number of outputs of the digitization unit 33 can correspond to the number of inputs.
  • the digitization unit 33 can also provide the analog signals from several inputs at a digital output as a digital signal.
  • the transmission of the MR signal from the digital front end 22 to the MR backend i.e. to the transmitting and receiving antenna control unit 12
  • the transmission of the MR signal from the digital front end 22 to the MR backend can be carried out optically and digitally, so that it is insensitive to interference and can also overcome the electromagnetic shielding if necessary.
  • Fig. 3 illustrates an embodiment variant of a digital front end 22, which is suitable for frequency-modular and extremely low-noise operation.
  • a preamplifier 31 with a selectable working frequency for the RF antenna 20 is an extremely low-noise broadband amplifier in an integrated design (e.g. CMOS).
  • the preamplifier 31 with a selectable operating frequency includes several different amplification circuits 32, the selective use of which enables a frequency to be preselected.
  • the individual amplification circuits 32 have a narrow band, so that in combination they cover a wide band.
  • Each amplification circuit 32 has a defined operating point (AP,1; AP, 2; AP, 3; AP, 4 ... AP,n ) around which the amplification circuit 32, within the preamplifier 31, works.
  • Each amplification circuit 32 therefore has a defined working range 40, 41, 42, 43, with the selection of the amplification circuit 32 depending on the expected signal frequency of the next signal cycle of the MRI.
  • the respectively selected amplification circuit 32 amplifies the signal received by the RF antenna 20 and forwarded through an adjustment, adaptation and decoupling network 21, within the frequency band or frequency range of its working range 40, 41, 42, 43, which is each determined by a lower limit frequency fL,l to fL,4 or fL,n and an upper limit frequency fH,l to fH,4 or fH,n is defined.
  • the required frequency band and the operating point fvp can be selected and adjusted by selecting an amplification circuit 32, in particular automatically by the control unit 34.
  • the working frequency is set automatically in such a way that the resonance frequency of the signal applied to the integrated component is used to select the preamplifier circuit 32 in this signal cycle or in the subsequent signal cycle depending on the resonance frequency. This can be done in particular through an internal Feedback loop and magnetic field sensors that detect the resonance frequency take place.
  • the recognition of the resonance frequency can take place in the integrated component, which includes the at least one preamplifier 31, or through an additional part of the circuit.
  • each individual preamplifier 31 only one amplifier circuit 32 can be activated per MRI signal cycle.
  • different frequency ranges and operating points can be provided and set for several amplifiers 31.
  • the gain is shown linearly in FIG. 5 over the frequency range of the working range 40, 41, 42, 43 as an ideal.
  • the amplifier circuits are preferably in the form of bandpass amplifiers, which means that they have a gain maximum at the operating point, which can be at least approximately constant over a certain bandwidth and then has a falling edge at lower and higher frequencies.
  • the working areas 40, 41, 42, 43 are preferably located so that they are within the bandwidth of the bandpass amplifier.
  • each of the amplifier circuits 31 has a bandwidth predetermined by its circuit components, with each amplifier circuit 31 being assigned a definable working area 40, 41, 42, 43, the selection of the respective amplifier circuit 31 being carried out in its working area 40, 41, 42, 43 is the expected signal frequency or the signal frequency to be amplified.
  • the bandwidths of the amplifier circuits 31 can therefore overlap, but the defined working areas 40, 41, 42, 43 cannot.
  • a purely exemplary amplification curve is shown for the amplifier circuit 31 with the assigned working area 42 with a dotted line.
  • the preamplifier 31 (in the form of an amplifier chip as disclosed above) comprises at least three different amplification circuits 32, the input signal of which comes from a single RF antenna 20 and the output signal of which corresponds to a single input of the analog to Digital converter 33 is present, the amplifier chip comprising at least one additional input for selecting the working frequency by selectively using one of the amplification circuits.
  • the front end 22 preferably includes a control unit 34, which controls the setting of the amplifier working frequency point.
  • the front end 22 preferably includes any other integrated circuits for signal processing or improvement, which can be activated or deactivated.
  • the front end 22 preferably includes optionally necessary modules for better system integration on different MR systems from different manufacturers, in particular communication modules.
  • the control unit 34 can carry out the setting of noise suppression parameters, the reception coil tuning and detuning and/or system clock control.
  • the connection of the control unit 34 to the MR backend, in particular to the transmitting and receiving antenna control unit 12, can take place via an optical, wireless or analog connection.
  • the type of communication between the control unit 34 of the circuit in question and the MRI system or the transmitting and receiving antenna control unit 12 depends on the MRI system on which the invention in question is implemented and can therefore be viewed as predetermined become.
  • the control signals can be provided in analog or digital form by the transmitting and receiving antenna control unit 12.
  • the control signals are signals that are required to control the system components and are therefore different from the MRT signals of the RF antennas 20.
  • the control signals can be transmitted on the same transmission path as the digitized MRT signals of the RF antennas 20.
  • the control signals are not amplified by the preamplifier 31.
  • the front end 22 includes a digitization unit 33, which sends the amplified and digitized and optionally mixed and filtered or otherwise processed MRI signal from the RF antenna 20 to the backend via the preferably optical data line 23. Because the preamplifier 31 has a selectable working frequency, the gain can be adapted to the reception frequency of the RF antenna 20 or the transmission frequency of the MRI device used.
  • the frequency modularity of the preamplifier 31 also results in the need to adjust the setting, adaptation and decoupling network 21. Since frequency adjustment of the adjustment, adaptation and decoupling network 21 is known from the prior art and is not the object of the present invention, this will not be discussed further here.
  • the front end 22 is designed completely in an integrated design, in particular as an ASIC (application-specific integrated circuit).
  • the integrated module includes at least one preamplifier 31 with several amplifier circuits 32, at least one digitization unit 33 and at least one control unit 34.
  • the components of the front end 22 described as optional can be integrated into the integrated module.
  • socket PCB 36 slot element
  • these socket PCBs 36 are also modular.
  • At least one preamplifier 31 or at least one preamplifier array 30, at least one digitization unit 33 and at least one control unit 34 are placed on a common socket PCB 36.
  • the socket PCB 36 may also include an adjustment, matching and decoupling network 21 and/or a network array 29.
  • This socket PCB 36 supplies (with power and control signals) the preamplifier 31 and the digitization unit 33, as well as all other components, such as an RF antenna 20 and the setting, adaptation and decoupling network 21.
  • the energy supply can also be achieved by means of integrated, switchable Energy harvesting infrastructure (e.g. induction of scattered electromagnetic fields).
  • Control signals for frequency adjustment of one or more RF antennas 20 and the setting, adaptation and decoupling network 21 are routed via the socket PCB 36.
  • the socket PCBs 36 provide any additional manufacturer-specific functions via an optical, wireless or analog connection to a control unit, in particular to the transmitting and receiving antenna control unit 12, for better integration.
  • the number of socket PCBs 36 required for a local RF coil 9 depends on how many RF antennas 20 it includes and how many preamplifiers 31 are installed on a socket PCB 36. Because each preamplifier 31 is preferably present as a preamplifier 31 with a selectable working frequency, the circuit can be identical for different socket PCBs 36.
  • the socket PCBs 36 therefore preferably differ in their physical form, such as size and type and arrangement of the connections or interfaces.
  • socket PCBs 38, 39 are present, with the previously mentioned components of one socket PCB 36 being divided into several socket PCBs 38, 39 in any combination.
  • a socket PCB 38, 39 can, for example, comprise a digitization and transmission unit, i.e. at least one digitization unit 33 and an optical interface to the optical line 23.
  • a socket PCB 38, 39 can include one or more preamplifiers 31, for example.
  • a socket PCB 38, 39 can include a control unit 34, for example.
  • a socket PCB 38 which includes a digitization unit 33 and a control unit 34.
  • a socket PCB 39 is illustrated, which includes a preamplifier 31.

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Abstract

The invention relates to a circuit for the signal processing of a signal from at least one RF antenna (20) of a local RF coil (9) of a magnetic resonance imaging system (1), comprising one preamplifier (31) per RF antenna (20), which preamplifier amplifies the signal from the RF antenna (20), wherein a digitization unit (33) is connected to the preamplifier (31) and digitizes the amplified signal from the preamplifier (31), and wherein the preamplifier (31) is present in an integrated component (IC) and is a preamplifier (31) having a selectable working frequency since the preamplifier (31) comprises a plurality of different amplification circuits (32).

Description

SCHALTUNG ZUR SIGNALAUFBEREITUNG EINES SIGNALS EINER RF-ANTENNE CIRCUIT FOR SIGNAL PROCESSING OF A SIGNAL FROM AN RF ANTENNA
Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne einer lokalen RF-Spule eines Magnetresonanztomographiesystems. The invention relates to a circuit for signal processing of a signal from at least one RF antenna of a local RF coil of a magnetic resonance tomography system.
Die derzeit wichtigsten diagnostischen Verfahren im Gesundheitssektor sind nicht-invasive bildgebende Verfahren, welche eine (Früh-)Erkennung von Erkrankungen ermöglichen und Basis für nachhaltige therapeutische Entscheidungen sind. Jedoch gehen die Möglichkeiten von bildgebenden Verfahren weit über den diagnostischen Bereich in der Klinik oder Veterinärmedizin hinaus und finden Anwendung in verschiedensten Bereichen der Forschung (z.B. Materialforschung, Neurowissenschaften, etc.). Zum heutigen Zeitpunkt kann man die Magnetresonanztomographen (MRT) als den Goldstandard in den bildgebenden Verfahren betrachten, da durch die genaue Darstellung des untersuchten Materials, vor allem weiche Materie, komplexe Abläufe und Strukturen verständlich werden. The currently most important diagnostic procedures in the health sector are non-invasive imaging procedures, which enable (early) detection of diseases and form the basis for sustainable therapeutic decisions. However, the possibilities of imaging procedures go far beyond the diagnostic area in clinical or veterinary medicine and are used in a wide variety of areas of research (e.g. materials research, neuroscience, etc.). At this point in time, magnetic resonance imaging (MRI) can be viewed as the gold standard in imaging procedures, as complex processes and structures can be understood through the precise representation of the material being examined, especially soft matter.
Die Magnetresonanztomographie richtet mittels starker äußerer Magnetfelder die Kemspins der zu untersuchenden Objektes aus und regen diese durch elektro-magnetische Wechselfelder zur Präzession um diese Ausrichtung an. Die Präzession bzw. Rückkehr aus diesem höher energetischen, angeregten Zustand in einen Zustand niedrigerer Energie, erzeugt wiederum ein elektro-magnetisches Wechselfeld, welches über Radiofrequenzantennen (RF -Antennen) empfangen wird. Zur örtlichen Kodierung der detektierten Signale werden magnetische Gradientenfelder aufgeprägt, welche rückwirkend eine Volumenelement-Zuordnung erlauben. Die Bildrekonstruktion erfolgt durch die Auswertung (z.B. Fourier-Transformation) der empfangenen Signale der RF-Antennen und erzeugt eine bildgebende, tomographische Darstellung des Untersuchungsobjektes. Magnetic resonance tomography uses strong external magnetic fields to align the core spins of the object to be examined and stimulates them to precess around this alignment using alternating electromagnetic fields. The precession or return from this higher energy, excited state to a state of lower energy, in turn creates an alternating electromagnetic field, which is received via radio frequency antennas (RF antennas). For local coding of the detected signals, magnetic gradient fields are applied, which retroactively allow a volume element assignment. The image reconstruction is carried out by evaluating (e.g. Fourier transformation) the signals received from the RF antennas and creates an imaging, tomographic representation of the examination object.
Eine maßgebende Größe für die Qualität von MR Scans ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), welches wesentlich die Qualität und Dauer eines MR Scans beeinflusst, aber selbst von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Dazu zählen Faktoren wie die Feldstärke des MRT, das angewendeten Antennendesign, die Länge von elektrischen Signalleitungen oder auch die verwendete Elektronik zur Verstärkung und Verarbeitung des empfangenen MR Signals. Das durch Lokalspulenanordnungen (Local Coils, Coils, Coil Arrays) bzw. Antennensysteme empfangene Signal ist em durch die MR-Messung induziertes Spannungssignal, welches dann mittels eines rauscharmen Vorverstärkers (zB. LNA), innerhalb des Sichtfeldes bzw. Field-of-View (FoV) im Magnetfeld, verstärkt und schließlich möglichst verlustarm an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Als Empfangs-Spulenanordnungen wird allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z.B. aus einem oder mehreren Antennenelementen (Spulenelementen) bestehen kann. Mehrere Antennenelemente werden als Array-Spulen bezeichnet. Diese einzelnen Antennenelemente sind resonante Hochfrequenz-Schaltkreise, welche es in verschiedenen Ausführungen (zB. Loopantenne, Flex-PCB-Coil, Sattelspulen, Butterfly) gibt. Dem Array-System nachgereiht befinden sich diverse Einste llungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke (Tuning, Matching, Decoupling), der Vorverstärker, weitere Elektronik (z.B. Mantelwellensperren zur Gleichtaktunterdrückung) und ein Steckersystem zur Anbindung an das MR-System. Je früher das durch die Einzelantennen empfangene MR Signal verstärkt wird, desto weniger störende Einflüsse können die Signalqualität, das SNRund somit auch die Bildqualität bzw. Scandauer negativ beeinflussen. A decisive factor for the quality of MR scans is the signal-to-noise ratio (SNR), which significantly influences the quality and duration of an MR scan, but is itself influenced by various factors. These include factors such as the field strength of the MRI, the antenna design used, the length of electrical signal lines or the electronics used to amplify and process the received MR signal. The signal received by local coil arrangements (local coils, coils, coil arrays) or antenna systems is a voltage signal induced by the MR measurement, which is then transmitted using a low-noise preamplifier (e.g. LNA) within the field of view or field-of-view ( FoV) in the magnetic field, amplified and finally transmitted to the receiving electronics with as little loss as possible. An antenna system is generally referred to as a receiving coil arrangement, which can consist, for example, of one or more antenna elements (coil elements). Multiple antenna elements are called array coils. These individual antenna elements are resonant high-frequency circuits, which are available in various designs (e.g. loop antenna, flex PCB coil, saddle coils, butterfly). Following the array system are various setting, adaptation and decoupling networks (tuning, matching, decoupling), the preamplifier, other electronics (e.g. standing wave filters for common mode suppression) and a connector system for connection to the MR system. The sooner you get through it The MR signal received by individual antennas is amplified, the less disruptive influences can negatively influence the signal quality, the SNR and thus also the image quality and scan duration.
Derzeit sind diese Vorverstärker und die dazugehörigen Komplementärschaltungen, mit diskreten Komponenten aufgebaut und beanspruchen, besonders bei mehr-kanaliger Lokalspulenanordnung (Coil Arrays), relativ viel Platz im Bauraum in der ohnehin bereits beengten Umgebung der MRT Röhre bzw. an oder nahe den Coil Arrays. Die Signalübertragung bis zur internen technischen Schnittstelle der MRT OEM (Original Equipment Manufacturer) Eiersteller und das darauffolgende Rekonstruktionssystem erfolgt zumeist in analoger Form via Koaxialkabel. Die verlustbehaftete Übertragung über eine Koaxialleitung selbst kann wiederum zu negativer Beeinflussung (Gleichtakt-Störsignale) des SNR führen, durch die innerhalb der MRT Röhre notwendige Einstrahlung von Energie zur Anregung der Kemspins durch die Sendeantenne. Currently, these preamplifiers and the associated complementary circuits are constructed with discrete components and, especially with multi-channel local coil arrangements (coil arrays), take up a relatively large amount of space in the already cramped environment of the MRI tube or on or near the coil arrays. The signal transmission to the internal technical interface of the MRT OEM (Original Equipment Manufacturer) egg tray and the subsequent reconstruction system is usually carried out in analog form via coaxial cable. The lossy transmission via a coaxial line itself can in turn lead to negative influences (common-mode interference signals) on the SNR due to the radiation of energy required within the MRI tube to excite the core spins through the transmitting antenna.
Durch den limitierten Durchmesser der MRT-Röhre (physikalische bzw. technische Limits Aufgrund eines notwendigen homogenen Sichtfeldes (Field of View - FOV)), die Verwendung von mehr-kanaligen Lokalspulen bzw. das Fehlen von Ganzkörper-Sende- und Empfangsspulen (Bodycoils) bei manchen MR-Geräten und die immer wichtiger werdende Verwendung bzw. Kombination von weiteren bildgebenden bzw. funktionellen Anwendungen innerhalb des MRT, entsteht ein signifikanter Platzmangel innerhalb des MRT. Außerdem schwindet der Patientenkomfort, je kleiner der Platz innerhalb der MRT Röhre wird, was wiederum Probleme von Unwohlsein, bis hin zu kompletten Abbrüchen oder Nicht-Durchführbarkeit von Untersuchungen führen kann. Auf der anderen Seite besteht der Wunsch nach einem möglichst hohen SNR um damit ein möglichst fehlerfreies und detailliertes Bild zu erzeugen und nicht einen wesentlichen Teil des Signals entlang der Signalkette oder durch sonstige Komponenten, zu verlieren. Zusätzlich besteht das Problem das alle Instrumente (Empfangs- bzw. Sendespule, etc.) lediglich bei einer bestimmten Frequenz, welche durch das Hauptmagnetfeld bestimmt ist, funktionieren. Dies hat zur Folge das jedes MRT Gerät mehrere Sende- bzw. Empfangsspulen hat, die auch nur dort bzw. bei ähnlichen Geräten mit gleicher Feldstärke und Konfiguration, funktionieren.Due to the limited diameter of the MRI tube (physical or technical limits due to a necessary homogeneous field of view (FOV)), the use of multi-channel local coils and the lack of whole-body transmitting and receiving coils (body coils). Some MR devices and the increasingly important use or combination of other imaging or functional applications within the MRI result in a significant lack of space within the MRI. In addition, patient comfort decreases as the space within the MRI tube becomes smaller, which in turn can lead to problems ranging from discomfort to complete cancellations or inability to perform examinations. On the other hand, there is a desire for the highest possible SNR in order to create an image that is as error-free and detailed as possible and not to lose a significant part of the signal along the signal chain or through other components. In addition, there is the problem that all instruments (receiving or transmitting coils, etc.) only work at a certain frequency, which is determined by the main magnetic field. This means that every MRI device has several transmitting or receiving coils that only work there or on similar devices with the same field strength and configuration.
In der MRT werden zumeist Wasserstoffatome (1H) gemessen. Es können aber auch weitere Nuklide gemessen werden (Multi-nuclear MRI), um beispielsweise den Metabolismus von Organen oder Tumoren darzustellen. Dies erfordert die Verstärkung des empfangenen MR-Signals abseits der hauptsächlich genutzten MR-Frequenz (Larmor-Frequenz). In MRI, hydrogen atoms (1H) are mostly measured. However, other nuclides can also be measured (multi-nuclear MRI), for example to show the metabolism of organs or tumors. This requires the amplification of the received MR signal away from the primarily used MR frequency (Larmor frequency).
Bisher konnte das Platz-Problem nur teilweise durch Verkleinerung der diskreten Komponenten bzw. Platzierung von Komponenten außerhalb der MR-Röhre gelöst werden, wobei die Signalübertragung nach wie vor in analoger Form stattfindet. Der Verbau von mehr als 100 solcher konventioneller Vorverstärker geht mit erheblichen technischen Herausforderungen einher, und führt oft nicht zum gewünschten Ergebnis. So far, the space problem has only been partially solved by reducing the size of the discrete components or placing components outside the MR tube, although signal transmission still takes place in analog form. Installing more than 100 of these conventional preamplifiers involves considerable technical challenges and often does not produce the desired result.
Der Versuch einen Vorverstärker in integrierter Form (z.B. CMOS) zu realisieren, wurde bereits unternommen. Siehe: An attempt has already been made to realize a preamplifier in integrated form (e.g. CMOS). Please refer:
• Cao, X., et al. Design of a 3T preamplifier which stability is insensitive to coil loading. Journal of Magnetic Resonance #265 (2016), p. 215-223, https://doi.org/10.1016/jjmr.2016.02.012. • Cao, X., et al. Design of a 3T preamplifier which stability is insensitive to coil loading. Journal of Magnetic Resonance #265 (2016), p. 215-223, https://doi.org/10.1016/jjmr.2016.02.012.
• Homeff, A., et al. A new CMOS broadband, high impedance LNA for MRI achieving an input referred voltage noise spectral density of 200pV/sqrt(Hz). IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS) 2019, Sapporo, Japan, May 26-29, 2019, p. 1-5, https://10.1109/ISCAS.2019.8702445• Homeff, A., et al. A new CMOS broadband, high impedance LNA for MRI achieving an input referred voltage noise spectral density of 200pV/sqrt(Hz). IEEE International Symposium on Circuits and Systems, (ISCAS) 2019, Sapporo, Japan, May 26-29, 2019, p. 1-5, https://10.1109/ISCAS.2019.8702445
Jedoch wurde noch kein modularer Multi-Frequenz-Verstärker für verschiedene diskrete MR-Frequenzen entwickelt. Die Realisierung dieses Konzeptes als enorm breitbandige, diskret aufgebaute Variante in möglichst kompakter Bauart, hätte sehr hohe parasitäre Impedanzen zur Folge, wodurch die notwendige Verstärkung mit sehr niedriger Rauschverstärkung nicht möglich wäre. Außerdem würde eine solche Variante sehr viel Platz benötigen. However, a modular multi-frequency amplifier for different discrete MR frequencies has not yet been developed. The realization of this concept as an extremely broadband, discretely constructed variant in the most compact possible design would result in very high parasitic impedances, which would mean that the necessary amplification with very low noise amplification would not be possible. In addition, such a variant would require a lot of space.
Das Problem der MRT-Geräte übergreifenden Verwendung von MR Sende- und Empfangsspulen wurde noch gar nicht gelöst. The problem of using MR transmitting and receiving coils across MRI devices has not yet been solved.
Um all diese Problematiken zu lösen, wird eine Schaltung nach Anspruch 1 vorgeschlagen. In order to solve all of these problems, a circuit according to claim 1 is proposed.
Es wird somit eine Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne einer lokale RF-Spule eines Magnetresonanztomographiesystems vorgeschlagen, umfassend einen Vorverstärker je RF-Antenne, welcher das Signal der RF-Antenne verstärkt, wobei an den Vorverstärker eine Digitalisierungseinheit anschließt, welche das verstärkte Signal des Vorverstärkers digitalisiert, wobei der Vorverstärker als Integrierter Baustein (IC) vorliegt, wobei der Vorverstärker ein Vorverstärker mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise umfasst. A circuit for signal processing of a signal from at least one RF antenna of a local RF coil of a magnetic resonance tomography system is therefore proposed, comprising a preamplifier for each RF antenna, which amplifies the signal of the RF antenna, with a digitization unit connected to the preamplifier, which does this amplified signal of the preamplifier is digitized, the preamplifier being present as an integrated component (IC), the preamplifier being a preamplifier with a selectable working frequency, in that the preamplifier comprises several different amplification circuits.
Bevorzugt ist der Vorverstärker äußerst rauscharm mit einer Rauschzahl unter 1 dB, insbesondere kleiner gleich 0,7 dB. The preamplifier is preferably extremely low-noise with a noise figure of less than 1 dB, in particular less than or equal to 0.7 dB.
Die Digitalisierungseinheit umfasst zumindest einen Analog-zu-Digitalwandler. The digitization unit includes at least one analog-to-digital converter.
Der Vorverstärker und die Digitalisierungseinheit können gemeinsamen in einem integrierten Baustein vorliegen. Der Vorverstärker und die Digitalisierungseinheit können in oder als zwei getrennte integrierte Bausteine vorliegen. The preamplifier and the digitization unit can be present together in an integrated module. The preamplifier and the digitization unit can be present in or as two separate integrated components.
Ein integrierter Baustein umfassend den Vorverstärker und/oder die Digitalisierungseinheit, und kann optional zusätzliche Komponenten wie Mischer oder Filter umfassen, welche bevorzugt hinzuschaltbar und wegschaltbar sind. Die Mischer und Filter können steuerbar sein, insbesondere kann eine Anpassung von Parametern der Mischer und Filter aufgrund einer ausgewählten Arbeitsfrequenz des Vorverstärkers erfolgen. An integrated module comprising the preamplifier and/or the digitization unit, and can optionally include additional components such as mixers or filters, which can preferably be switched on and off. The mixers and filters can be controllable; in particular, the parameters of the mixers and filters can be adjusted based on a selected working frequency of the preamplifier.
Es können auch mehrere Vorverstärker, wie oben beschrieben, in einer Gruppe, also einem Array, zusammengeführt sein und in integrierter Variante ausgeführt sein. Daher kann ein integrierter Baustein mehrere Vorverstärker umfassen, wobei jeder der mehreren Vorverstärker ein Vorverstärker mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem jeder Vorverstärker mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise umfasst. Die mehreren Vorverstärker können ident vorliegen, also mit identen Verstärkungsschaltkreisen (Anzahl und Frequenzbereiche der Verstärkungsschaltkreise) oder mit unterschiedlichen Verstärkungsschaltkreisen (Anzahl und/oder Frequenzbereiche der Verstärkungsschaltkreise). An jedem der mehreren Vorverstärker des integrierten Bausteins kann das Signal je einer RF -Antenne anliegen. Die mehreren Vorverstärker des integrierten Bausteins können in einer Variante gemeinsam angesteuert werden, indem die Wahl des Verstärkungsschaltkreises für alle Vorverstärker des integrierten Bausteins ident erfolgt. Die mehreren Vorverstärker des integrierten Bausteins können in einer anderen Variante individuell angesteuert werden, sodass die Wahl des Verstärkungsschaltkreises für jeden Vorverstärker des integrierten Bausteins unterschiedlich erfolgen kann. Several preamplifiers, as described above, can also be combined in a group, i.e. an array, and designed in an integrated version. Therefore, an integrated component can include several preamplifiers, each of the several preamplifiers being a preamplifier with a selectable operating frequency, in that each preamplifier has several different ones Amplification circuits include. The multiple preamplifiers can be identical, i.e. with identical amplification circuits (number and frequency ranges of the amplification circuits) or with different amplification circuits (number and/or frequency ranges of the amplification circuits). The signal from one RF antenna can be applied to each of the several preamplifiers of the integrated module. In one variant, the multiple preamplifiers of the integrated component can be controlled together by selecting the amplification circuit identically for all preamplifiers of the integrated component. The multiple preamplifiers of the integrated component can be controlled individually in a different variant, so that the choice of the amplification circuit can be made differently for each preamplifier of the integrated component.
Bevorzugt umfasst die Schaltung mehrere RF -Antennen, wobei jeder RF -Antenne ein Vorverstärker eines Integrierten Bausteins zugeordnet ist. In einer Variante ist ein Integrierter Baustein je RF-Antenne vorhanden. In einer anderen Variante umfasst zumindest ein Integrierter Baustein mehrere Vorverstärker um die Signale mehrerer RF -Antennen verstärken zu können. The circuit preferably comprises several RF antennas, with each RF antenna being assigned a preamplifier of an integrated component. In one variant, there is an integrated component per RF antenna. In another variant, at least one integrated component includes several preamplifiers in order to be able to amplify the signals from several RF antennas.
In einer Variante sind der Vorverstärker und/oder der Analog-zu-Digitalwandler als ASIC (applicationspecific integrated circuit -Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgeführt. In one variant, the preamplifier and/or the analog-to-digital converter are designed as an ASIC (application-specific integrated circuit).
In einer Variante sind der Vorverstärker und der Analog-zu-Digitalwandler in CMOS-Technologie ausgeführt. In one variant, the preamplifier and the analog-to-digital converter are designed using CMOS technology.
CMOS steht fur Complementary metal -oxide-semiconductor („komplementärer / sich ergänzender Metall-Oxid-Halbleiter“) und ist eine Bezeichnung für Halbleiterbauelemente, bei denen sowohl p-Kanal- MOSFETs als auch n-Kanal-MOSFETs auf einem gemeinsamen Substrat verwendet werden. MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. CMOS stands for Complementary metal-oxide-semiconductor and is a name for semiconductor devices that use both p-channel MOSFETs and n-channel MOSFETs on a common substrate . MOSFET stands for metal-oxide-semiconductor field effect transistor.
Bevorzugt wird, dass mehrere RF-Antennen vorhanden sind, wobei je einer von mehreren Vorverstärkern das Signal einer RF-Antenne verstärkt, wobei zumindest ein Analog -zu-Digitalwandler an je einem von mehreren seiner Eingänge das verstärkte Signal eines Vorverstärkers erhält. It is preferred that there are several RF antennas, with one of several preamplifiers amplifying the signal of an RF antenna, with at least one analog-to-digital converter receiving the amplified signal of a preamplifier at one of several of its inputs.
Bevorzugt wird, dass der Analog-zu-Digitalwandler eine Wandlung des verstärkten Signals des Vorverstärkers von einem analogen elektrischen Signal in ein optisches digitales Signal vomimmt. It is preferred that the analog-to-digital converter converts the amplified signal of the preamplifier from an analog electrical signal into an optical digital signal.
In einer anderen Ausfuhrungsvariante kann das digitalisierte Signal des Analog-zu-Digitalwandlers drahtlos übertragen werden. In another embodiment variant, the digitized signal from the analog-to-digital converter can be transmitted wirelessly.
Bevorzugt wird, dass die Schaltung eine Steuerungseinheit umfasst, welche mit einer Sende- und Empfangsantennensteuereinheit des Magnetresonanztomographiesystems kommuniziert. It is preferred that the circuit comprises a control unit which communicates with a transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance tomography system.
Bevorzugt wird, dass die Schaltung eine Steuerungseinheit umfasst, welche die Auswahl des Verstärkungsschaltkreise jedes Vorverstärkers vomimmt. Bevorzugt wird, dass die Steuerungseinheit mit einer Sende- und Empfangsantennensteuereinheit des Magnetresonanztomographiesystems kommuniziert und die Auswahl des Verstärkungsschaltkreise jedes Vorverstärkers vomimmt. It is preferred that the circuit comprises a control unit which controls the selection of the amplification circuit of each preamplifier. It is preferred that the control unit communicates with a transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance imaging system and controls the selection of the amplification circuit of each preamplifier.
Die Steuerungseinheit nimmt bevorzugt zudem die Steuerung oder das Hinzu- oder Wegschalten der optionalen zusätzliche Komponenten wie Mischer und Filter vor. The control unit preferably also controls or switches on or off the optional additional components such as mixers and filters.
Es kann auch vorgesehen sein, dass über die Steuerungseinheit eine Einstellung zumindest eines Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerks (Tuning-, Matching- und Detuning-Netzwerk) erfolgt, insbesondere indem die Steuerungseinheit von der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit des Magnetresonanztomographiesystems Einstellungswerte für das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk zumindest einer RF-Antenne erhält und bevorzugt verändern kann. It can also be provided that at least one setting, adaptation and decoupling network (tuning, matching and detuning network) is set via the control unit, in particular in that the control unit receives setting values for the setting from the transmitting and receiving antenna control unit of the magnetic resonance tomography system -, adaptation and decoupling network receives at least one RF antenna and can preferably change it.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit bevorzugt über eine optische Leitung erfolgt und auch die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals bevorzugt über die optische Leitung erfolgt.In one embodiment variant it is provided that the communication between the control unit and the transmitting and receiving antenna control unit preferably takes place via an optical line and the signal transmission of the amplified and digitized signal also preferably takes place via the optical line.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über eine optische Leitung erfolgt und die Kommunikation zwischen der Steuerungseinheit und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit über eine zusätzliche analoge Steuerleitung erfolgt. In one embodiment variant it is provided that the signal transmission of the amplified and digitized signal takes place via an optical line and the communication between the control unit and the transmitting and receiving antenna control unit takes place via an additional analog control line.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung, dass der Vorverstärker ein Vorverstärker mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker mehrere unterschiedliche rauscharme Verstärkungsschaltkreise umfasst, wird erreicht, dass alle Arbeitsfrequenzen inkl. Multikem- Anwendungen in der MR und weiteren komplementären Anwendungen abgedeckt werden können.The inventive design that the preamplifier is a preamplifier with a selectable working frequency, in that the preamplifier comprises several different low-noise amplification circuits, ensures that all working frequencies including multi-core applications in MR and other complementary applications can be covered.
Als rauscharm ist hierin ein Verstärker bzw. ein Verstärkungsschaltkreis zu verstehen, welcher eine Rauschzahl (NF) von unter 1.5 dB aufweist. Bevorzugt wird allerdings eine Rauschzahl (NF) von unter 1 dB. Die typische Verstärkung eines rauscharmen Verstärkers liegt zwischen 10 und 20 db bei einstufiger Verstärkung oder zwischen 10 und 40 dB, in Abhängigkeit der Anzahl der Verstärkerstufen. Low-noise is defined here as an amplifier or an amplification circuit that has a noise figure (NF) of less than 1.5 dB. However, a noise figure (NF) of less than 1 dB is preferred. The typical gain of a low noise amplifier is between 10 and 20 dB with single stage gain or between 10 and 40 dB depending on the number of amplifier stages.
Die Verstärkungsschaltkreise können als einstufige Verstärkungsschaltkreise oder mehrstufige Verstärkungsschaltkreise vorliegen. The amplifying circuits may be single-stage amplifying circuits or multi-stage amplifying circuits.
Bevorzugt wird, dass die Auswahl der Arbeitsfrequenz also die Auswahl des benötigten Verstärkerschaltkreises über die Steuerungseinheit erfolgt. It is preferred that the selection of the working frequency, i.e. the selection of the required amplifier circuit, takes place via the control unit.
Bevorzugt wird, dass die Schaltung zumindest einen Vorverstärker, zumindest eine Digitalisierungseinheit und zumindest eine Steuerungseinheit umfasst, wobei die genannten Komponenten in integrierter Form oder als getrennte Komponenten an einem gemeinsamen Socket-PCB vorliegen oder die genannten Komponenten einzeln oder in beliebiger Kombination an getrennten Socket- PCBs vorliegen, wobei die Socket-PCBs spezifisch an die Systemanforderungen von Geräten unterschiedlicher MRT Hersteller angepasst sind. Auch das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk (Tuning-, Matching- und Detuning- Netzwerk) kann an einem eignen Socket-PCB vorliegen oder zusätzlich zu einer oder mehrerer der genannten Komponenten an einem gemeinsamen Socket-PCB.. It is preferred that the circuit comprises at least one preamplifier, at least one digitization unit and at least one control unit, the components mentioned being present in integrated form or as separate components on a common socket PCB, or the components mentioned being present individually or in any combination on separate socket PCBs. PCBs are available, whereby the socket PCBs are specifically adapted to the system requirements of devices from different MRI manufacturers. The setting, adaptation and decoupling network (tuning, matching and detuning network) can also be present on a separate socket PCB or, in addition to one or more of the components mentioned, on a common socket PCB.
Bevorzugt wird, dass die Schaltung innerhalb eines lokalen RF-Spulenelements vorliegt. Die Schaltung kann beispielsweise in einem starren Gehäuse einer lokalen RF-Spule, beispielsweise einer Kopfspule, vorliegen oder in einer flexiblen lokalen RF-Spule, welche beispielsweise in Form einer, Decke oder sonstigen flexiblen Struktur, ausgefuhrt sein kann und sich an die Körperkontur einer Person anpassen kann. It is preferred that the circuit is present within a local RF coil element. The circuit can be present, for example, in a rigid housing of a local RF coil, for example a head coil, or in a flexible local RF coil, which can be designed, for example, in the form of a blanket or other flexible structure and adapts to the contour of a person's body can adapt.
Bevorzugt wird, dass der Vorverstärker in Form eines Verstärkerchips zumindest drei unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise umfasst, deren Eingangssignal von einer einzelnen RF-Antenne stammt und deren Ausgangssignal an einem einzelnen Eingang der Digitalisierungseinheit anliegt, wobei der Verstärkerchip zumindest einen zusätzlichen Eingang umfasst, für die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch selektive Verwendung eines der Verstärkungsschaltkreise. It is preferred that the preamplifier in the form of an amplifier chip comprises at least three different amplification circuits, the input signal of which comes from a single RF antenna and the output signal of which is present at a single input of the digitization unit, the amplifier chip comprising at least one additional input for selecting the working frequency by selectively using one of the amplification circuits.
Bevorzugt wird, dass jeder der Verstärkerschaltkreise eines Vorverstärkers eine durch dessen Schaltungskomponenten vorgegebene Bandbreite aufweist, wobei die Verstärkerschaltkreise gemeinsam eine größere Bandbreite abdecken als der jeweilige einzelne Verstärkerschaltkreis, wobei jedem Verstärkerschaltkreis ein definierbarer Arbeitsbereich zugewiesen ist, wobei die Auswahl jenes Verstärkerschaltkreises erfolgt, in dessen Arbeitsbereich die ermittelte oder erwartete zu verstärkende Signalfrequenz liegt. It is preferred that each of the amplifier circuits of a preamplifier has a bandwidth predetermined by its circuit components, the amplifier circuits together covering a larger bandwidth than the respective individual amplifier circuit, each amplifier circuit being assigned a definable working area, the selection of that amplifier circuit taking place in its working area the determined or expected signal frequency to be amplified.
In einer Ausfuhrungsvariante kann die Schaltung auch außen an der lokalen RF-Spule vorliegen. In einer Ausführungsvariante können Teile der Schaltung innen und andere Teile außen an der lokalen RF-Spule vorliegen. In one embodiment variant, the circuit can also be present on the outside of the local RF coil. In one embodiment variant, parts of the circuit can be present on the inside and other parts on the outside of the local RF coil.
In einer Ausfuhrungsvariante ist vorgesehen, dass der Vorverstärker mit einem On-Board Analog-zu- Digitalwandler versehen ist. In one embodiment variant it is provided that the preamplifier is provided with an on-board analog-to-digital converter.
In einer Ausfuhrungsvariante ist vorgesehen, dass je ein Vorverstärker mit je einem Analog-zu- Digitalwandler verbunden ist. In one embodiment variant it is provided that one preamplifier is connected to one analog-to-digital converter.
In einer Ausfuhrungsvariante ist vorgesehen, dass ein Vorverstärker mit einem Analog-zu-Digitalwandler in einem gemeinsamen integrierten Baustein kombiniert sind. In one embodiment variant it is provided that a preamplifier is combined with an analog-to-digital converter in a common integrated module.
In einer Ausfuhrungsvariante ist vorgesehen, dass ein Vorverstärker und ein Analog-zu-Digitalwandler als getrennte modulare Bausteine vorliegen, die zur Realisierung der Schaltung kombiniert werden.In one embodiment variant it is provided that a preamplifier and an analog-to-digital converter are present as separate modular components that are combined to implement the circuit.
In einer anderen Ausfuhrungsvariante ist vorgesehen, dass mehrere Vorverstärker mit einem gemeinsamen Analog-zu-Digitalwandler verbunden sind. In another embodiment variant it is provided that several preamplifiers are connected to a common analog-to-digital converter.
Bevorzugt ist der integrierte Verstärker für verschiedene MR-Frequenzen über eine optische oder analoge Verbindung durch eine Kontroll- und Steuereinheit programmierbar. Das erlaubt die Verwendung bei verschiedenen relevanten MR-Feldstärken und Resonanzen (Multi-Kem) bei optimaler Leistung (Frequenzmodularität) . The integrated amplifier is preferably programmable for different MR frequencies via an optical or analog connection by a monitoring and control unit. This allows it to be used at various relevant MR field strengths and resonances (multi-core) with optimal performance (frequency modularity).
Um die Erfindung an unterschiedlichen MRT Plattformen unterschiedlicher Hersteller umsetzten zu können, wird bevorzugt eine programmierbare Schnittstelle am integrierten Vorverstärker verwendet um zusätzliche integrierte optionale Module oder Features (wie Filter, Mischer, etc.) zu- oder wegzuschalten, um größtmögliche Flexibilität an von der MRT Plattformen vorgegebene Bedingungen zu ermöglichen.In order to be able to implement the invention on different MRI platforms from different manufacturers, a programmable interface on the integrated preamplifier is preferably used to switch additional integrated optional modules or features (such as filters, mixers, etc.) on or off in order to achieve the greatest possible flexibility in the MRI To enable conditions specified by platforms.
Um die Erfindung an unterschiedlichen MRT Plattformen unterschiedlicher Hersteller umsetzten zu können, wird in einer anderen Ausfiihrungsvariante vorgeschlagen, dass jeweils an die MRT Hersteller angepasste Socket-PCBs verwendet werden, welche ebenfalls erlauben darauf integrierte modulare zusätzliche Module oder Features (wie Mischer, Filter, etc.) zu- bzw. wegzuschalten. In einer Ausführungsvariante sind diese Socket-PCBs ebenfalls modular aufgebaut. In order to be able to implement the invention on different MRI platforms from different manufacturers, it is proposed in another embodiment that socket PCBs adapted to the MRI manufacturer are used, which also allow modular additional modules or features (such as mixers, filters, etc.) to be integrated thereon .) to switch on or off. In one design variant, these socket PCBs also have a modular structure.
Diese Socket-PCBs versorgen (mit Strom und Steuersignalen) den Vorverstärker und den Analog-zu- Digitalwandler, sowie alle weiteren Komponenten, wie eine RF Antenne und ein Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk. Über die Socket-PCBs werden Steuersignale zur Frequenz-Anpassung der RF Antenne und des Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk geleitet. Die Socket-PCBs stellen etwaige weitere herstellerspezifische Funktionen via optischer, analoger, oder drahtloser Verbindung zu einer Steuereinheit, insbesondere einer Radiofrequenzantennensteuereinheit, zur besseren Integration zur Verfügung. These socket PCBs supply (with power and control signals) the preamplifier and the analog-to-digital converter, as well as all other components such as an RF antenna and a matching and decoupling network. Control signals for frequency adjustment of the RF antenna and the adjustment and decoupling network are routed via the socket PCBs. The socket PCBs provide any additional manufacturer-specific functions via an optical, analog or wireless connection to a control unit, in particular a radio frequency antenna control unit, for better integration.
Die integrierte Form, insbesondere in CMOS-Technologie, ermöglicht es, die bisher noch diskrete und äußerst rauschempfindliche Topologie des Vorverstärkers, in einen robusten und vielfach kleineren Integrierten Baustein (IC) zu transferieren, ohne dabei an Verstärkungsleistung zu verlieren. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit einer direkten Digitalisierung der Empfangssignale und Vorverlegung der digitalen Geräte Schnittstelle (Frontend). Weiter erlaubt die CMOS Integration eine wesentlich energiesparendere Realisierung und auch eine elektromagnetisch verträglichere Lösung, als bisherige diskrete Vorverstärker für die Magnetresonanztomographie (MRT). The integrated form, especially in CMOS technology, makes it possible to transfer the previously discrete and extremely noise-sensitive topology of the preamplifier into a robust and much smaller integrated component (IC) without losing amplification performance. At the same time, it is possible to directly digitize the received signals and advance the digital device interface (frontend). Furthermore, the CMOS integration allows a significantly more energy-saving implementation and also a more electromagnetically compatible solution than previous discrete preamplifiers for magnetic resonance imaging (MRI).
Die Frequenzmodularität des integrierten Verstärkers ist ein wesentlicher Vorteil und ermöglicht die Verwendung eines einzigen Verstärkerchips für verschiedene MR Geräte Feldstärken (z.B. 0.55 Tesla, 1.5 Tesla, 3 Tesla, 4 Tesla, 7 Tesla, 10.5 Tesla, 11.4 Tesla, 14 Tesla, etc.) und erspart somit die Produktion von mehreren auf die anzuwendende Feldstärke konstruierten, analogen Verstärkern. Eine herkömmliche Realisierung eines extrem rauscharmen Multi-Frequenz-Verstärkers der Bandbreiten von bis/über 1 GHz abdeckt, der äußerst kompakt ausgeführt sein sollte, würde erhebliche parasitäre Impedanzen nach sich ziehen, wodurch die gewünschten Eigenschaften nicht erreichbar wären. Eine solche Realisierung ist somit nur in integrierter Form (z.B. CMOS) möglich. The frequency modularity of the integrated amplifier is a significant advantage and allows the use of a single amplifier chip for different MR device field strengths (e.g. 0.55 Tesla, 1.5 Tesla, 3 Tesla, 4 Tesla, 7 Tesla, 10.5 Tesla, 11.4 Tesla, 14 Tesla, etc.) and thus saves the production of several analog amplifiers designed for the applicable field strength. A conventional implementation of an extremely low-noise multi-frequency amplifier covering bandwidths of up to/above 1 GHz, which should be extremely compact, would result in significant parasitic impedances, meaning that the desired properties would not be achievable. Such an implementation is therefore only possible in an integrated form (e.g. CMOS).
Eine Miniaturisierung ermöglicht nicht nur die oben genannten elektrischen Vorteile, sondern ermöglicht auch systemweite Vorteile. Durch kleinere Verstärker wird eine höhere Antennendichte innerhalb einer MRT-Empfangsspule ermöglicht (je mehr Empfangskanäle verwendet werden können, desto schneller oder höher auflösende MR Scans werden ermöglicht; dzt. Standard sind 32 Kanäle; bisher erprobt: 128 Kanäle; Simulationen zeigten Vorteile bei der Verwendung von bis zu 256 Kanälen), da die Baugröße drastisch reduziert werden kann und somit mehr Platz innerhalb des Gehäuses geschaffen wird. Der zusätzliche Platz kann für weitere Anwendungen, wie Magnet - Feldmonitoring/ - Beeinflussung, Transkranielle-Magnetfeld-Stimulation (TMS), Elektroenzephalographie (EEG), etc. oder für weitere Verbesserungen im Bereich der Methodik bzw. Diagnostik, oder auch design-technisch mehr Platz und Komfort für die Patienten/Probanden zur Verfügung gestellt werden. Miniaturization not only enables the electrical benefits mentioned above, but also enables system-wide benefits. Smaller amplifiers enable a higher antenna density within an MRI receiving coil (the more receiving channels that can be used, the faster or higher resolution MR scans are made possible; Currently the standard is 32 channels; tested so far: 128 channels; Simulations showed advantages when using up to 256 channels) as the size can be drastically reduced, thus creating more space within the housing. The additional space can be used for further applications, such as magnetic field monitoring/influencing, transcranial magnetic field stimulation (TMS), electroencephalography (EEG), etc. or for further improvements in the area of methodology or diagnostics, or even more in terms of design Space and comfort are provided for the patients/subjects.
Eine örtlich möglichst frühe Digitalisierung des MR-Signals hat weiter den Vorteil, störende Interaktionen zwischen Signal-Transferleitungen (Gleichtaktunterdrückung) zu eliminieren, welche die Stabilität von diskreten Verstärkern beeinflussen und selbst auch das Signal-Rausch-Verhältnis drastisch verschlechtern können. Die modulare Bauweise des Systems nach einem Baustein-Prinzip, ermöglicht es das Frontend von MR Sende- und Empfangsspulen auf die jeweiligen Bedürfnisse und Bedingungen anzupassen. Je nach Sende- bzw. Empfangssystem kann das Ausgangssignal eines oder mehrerer integrierter Verstärker an einen ADC gesendet werden. Dieser ADC kann innerhalb oder außerhalb der lokalen MR Sende- bzw. Empfangsspule/-einheit sitzen. Von dort kann das digitalisierte MR Signal bevorzugt optisch an das MR Backend weitergeleitet werden. Digitalizing the MR signal locally as early as possible also has the advantage of eliminating disruptive interactions between signal transfer lines (common mode rejection), which influence the stability of discrete amplifiers and can themselves drastically worsen the signal-to-noise ratio. The modular design of the system based on a building block principle makes it possible to adapt the front end of MR transmitting and receiving coils to the respective needs and conditions. Depending on the transmitting or receiving system, the output signal of one or more integrated amplifiers can be sent to an ADC. This ADC can be located inside or outside the local MR transmitter or receiver coil/unit. From there, the digitized MR signal can preferably be forwarded optically to the MR backend.
Die modulare Kombination von integriertem Verstärker und Analog-Digital-Wandler (ADC) kann auf individuell angepassten, Hersteller- bzw. Kunden-spezifischen Grundplatinen/-trägem (PCB-Printed Circuit Board) realisiert werden. Bevorzugt sind bestimmte Features oder Module die im integrierten Verstärker integriert sind, elektronisch zu- bzw. wegschaltbar. The modular combination of integrated amplifier and analog-digital converter (ADC) can be implemented on individually adapted, manufacturer- or customer-specific motherboards/carriers (PCB-Printed Circuit Board). Preferably, certain features or modules that are integrated in the integrated amplifier can be switched on or off electronically.
Die Kombination aus modularer Bauweise des integrierten Bausteins oder von PCBs und Frequenzmodularität erlaubt es bereits bestehende MR-Systeme aufzurüsten und somit die Systeme auf den neusten technischen Stand zu bringen. Dies erlaubt eine kostengünstige Auf- bzw. Umrüstung älterer MR-Scanner Systeme und trägt zur nachhaltigeren Nutzung dieser teuren Technologie bei. The combination of modular design of the integrated component or PCBs and frequency modularity makes it possible to upgrade existing MR systems and thus bring the systems up to the latest technical standards. This allows older MR scanner systems to be cost-effectively upgraded or converted and contributes to the more sustainable use of this expensive technology.
Außerdem erleichtert die integrierte Bauweise des Verstärkers das Hinzufügen bzw. Zu- und Wegschalten von integrierten optional notwendigen Features oder Elementen, um möglichst hohe Kompatibilität zu gewährleisten. Als optional notwendig ist ein Feature oder Element zu verstehen, dass für zumindest ein MRT-System benötigt wird und für zumindest ein anderes MRT-System nicht benötigt wird. Damit der Verstärker an beiden MRT-Systemen einsetzbar ist, enthält dieser das Feature oder Element, wobei dieses schaltbar und/oder einstellbar ist. Eine Einsteilbarkeit kann für Features oder Elemente vorgesehen sein, welche an zumindest zwei MRT-Systemen benötigt werden, aber mit unterschiedlichen Parametern verwendet werden. In addition, the integrated design of the amplifier makes it easier to add or switch on and off integrated, optionally necessary features or elements in order to ensure the highest possible compatibility. Optionally necessary is a feature or element that is required for at least one MRI system and is not required for at least one other MRI system. So that the amplifier can be used on both MRI systems, it contains the feature or element, which is switchable and/or adjustable. Adjustability can be provided for features or elements that are required on at least two MRI systems but are used with different parameters.
Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen veranschaulicht: The invention is illustrated using drawings:
Fig. 1: Zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Magnetresonanztomographiesystems (MRT-System).Fig. 1: Shows the basic structure of a magnetic resonance imaging system (MRI system).
Fig. 2: zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Systemkomponenten. Fig. 3: zeigt schematisch die Verwendung von mehreren unterschiedlichen Verstärkerblöcken zur Verstärkung der individuell empfangenen und angepassten MR-Signale von Radiofrequenzspulen. Fig. 2: shows a schematic representation of the system components according to the invention. Fig. 3: shows schematically the use of several different amplifier blocks to amplify the individually received and adapted MR signals from radio frequency coils.
Fig. 4: Zeigt schematisch die Anwendung von modularen Empfangseinheiten an einem Kopfspulensystem . Fig. 4: Shows schematically the use of modular receiving units on a head coil system.
Fig. 5: veranschaulicht eine beispielhafte Einteilung von spezifischen modularen Verstärkerbandbreiten und Arbeitsbereichen. Fig. 5: illustrates an exemplary classification of specific modular amplifier bandwidths and working ranges.
In Fig. 1 ist ein Magnetresonanztomographiesystem (MRT-System) 1 veranschaulicht, welches einen Tunnel 2 aufweist, in welchen eine auf einer Liege 8 befindliche Person 3 für die Bildgebung platzierbar ist. Das MRT-System 1 umfasst eine supraleitende Magnetspule 4, mehrere Gradientenspulen 5 und Shimspulen 6. Optional kann eine Sende- und Empfangs- Körperspule 7 gemeinsam mit den zuvor genannten Spulen integral im MRT-Gerät vorliegen. Bei Vorhandensein einer Sende- und Empfangs- Körperspule 7 kann das MRT-Gerät mit den im Gehäuse integrierten Spulen zur Bildgebung verwendet werde. Wenn keine Empfangs-Körperspule 7 vorhanden ist, wird eine zusätzliche lokale Empfangsspule, welche hierin als Radiofrequenz-Spule bzw. lokale RF-Spule 9 bezeichnet wird, benötigt, welche an der Person 3 vorliegt. Eine zusätzliche lokale RF-Spule 9 kann auch bei vorhandener Empfangs-Körperspule 7 genutzt werden, da diese vorteilhaft näher am Körper der Person 3 vorliegt. Die RF-Spule 9 kann als reine Empfangsspule oder als Sende- und Empfangsspule (Transceiver-Spule) vorliegen. 1 illustrates a magnetic resonance imaging system (MRI system) 1, which has a tunnel 2 in which a person 3 located on a couch 8 can be placed for imaging. The MRI system 1 includes a superconducting magnetic coil 4, several gradient coils 5 and shim coils 6. Optionally, a transmitting and receiving body coil 7 can be present integrally in the MRI device together with the aforementioned coils. If there is a transmitting and receiving body coil 7, the MRI device can be used for imaging with the coils integrated in the housing. If there is no receiving body coil 7, an additional local receiving coil, which is referred to herein as a radio frequency coil or local RF coil 9, is required, which is present on the person 3. An additional local RF coil 9 can also be used if a receiving body coil 7 is present, since this is advantageously closer to the body of the person 3. The RF coil 9 can be present as a pure receiving coil or as a transmitting and receiving coil (transceiver coil).
Wie veranschaulicht ist, hegt die lokale RF-Spule 9 an bzw. um ein Körperteil der Person 3 vor und befindet sich bei der Bildgebung mit der Person 3 im Tunnel 2. As illustrated, the local RF coil 9 is located on or around a part of the body of the person 3 and is located in the tunnel 2 during imaging with the person 3.
Weiters veranschaulicht ist eine MRT Steuereinheit 10, welche Untereinheiten 11-14 umfassen kann, welche zur Steuerung von Teilsystem des MRT-Geräts dienen können. Zudem weist die MRT Steuereinheit 10 einen Datenspeicher 15 auf, oder ist mit einem solchen über ein Netzwerk verbunden. Das MRT-Gerät ist in einem abgeschirmten Raum 16 angeordnet, wobei die MRT Steuereinheit 10 oder zumindest die meisten Komponenten der MRT Steuereinheit 10 außerhalb des abgeschirmten Raums 16 vorliegen. Also illustrated is an MRI control unit 10, which can include subunits 11-14, which can be used to control the subsystem of the MRI device. In addition, the MRI control unit 10 has a data memory 15 or is connected to one via a network. The MRI device is arranged in a shielded room 16, with the MRI control unit 10 or at least most components of the MRI control unit 10 being outside of the shielded room 16.
Die Datenübertragung zwischen MRT-Gerät und MRT Steuereinheit 10 erfolgt über Datenleitungen, welche meist analoge und digitale Signalleitungen umfassen. Insbesondere ist dies bei den Daten der lokale RF-Spule 9 der Fall. Eine drahtlose Übertragung wurde zumindest in der Patentliteratur bereits vorgeschlagen. The data transmission between the MRI device and the MRI control unit 10 takes place via data lines, which usually include analog and digital signal lines. This is particularly the case with the data from the local RF coil 9. Wireless transmission has already been proposed, at least in the patent literature.
Die einzelnen Untereinheiten 11-14 der MRT Steuereinheit 10 sind eine allgemeine Steuerung 11, eine Gradientensteuerung 13, eine Shimspulensteuerung 14 und eine Radiofrequenz- Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12. Die Signalleitung zwischen Gradientenspulen 5 und der Gradientensteuerung 13 erfolgt über eine Signalleitung 18 des Gradientenuntersystems. Die Signalleitung zwischen Shimspulen 6 und der Shimspulensteuerung 14 erfolgt über eine Signalleitung 19 des Shimspulenuntersystems . Die Signalleitung zwischen der Sende- und Empfangs- Körperspule 7 und der lokale RF-Spule 9 und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt über Signalleitungen 17. Bei Vorhandensein einer lokalen RF-Spule 9 kann die Sende- und Empfangs- Körperspule 7 als Sendespule betrieben werden. Wenn die lokale RF-Spule 9 eine Transceiverspule ist, wird die Sende- und Empfangs- Körperspule 7 nicht benötigt. The individual subunits 11-14 of the MRI control unit 10 are a general control 11, a gradient control 13, a shim coil control 14 and a radio frequency transmitting and receiving antenna control unit 12. The signal line between gradient coils 5 and the gradient control 13 takes place via a signal line 18 of the gradient subsystem. The signal line between shim coils 6 and the shim coil control 14 takes place via a signal line 19 of the shim coil subsystem. The signal line between the transmitting and receiving body coil 7 and the local RF coil 9 and the transmitting and receiving antenna control unit 12 takes place via signal lines 17. If a local RF coil 9 is present, the transmitting and receiving body coil 7 can be operated as a transmitting coil become. If the local RF coil 9 is a transceiver coil, the transmitting and receiving body coil 7 is not needed.
Nach dem Stand der Technik befindet sich die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 im abgeschirmten Raum 16, da eine Leitung eines analogen Signals über ein Koaxialkabel von der lokalen RF-Spule 9 zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt. Bei dieser Art der Übertragung muss der Übertragungsweg kurz gehalten werden, sodass sich die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 seitlich am MRT-Gerät befindet. Eine drahtlose Übertragung von Daten durch die Abschirmung hindurch ist nicht möglich. According to the prior art, the transmitting and receiving antenna control unit 12 is located in the shielded room 16, since an analog signal is routed via a coaxial cable from the local RF coil 9 to the transmitting and receiving antenna control unit 12. With this type of transmission, the transmission path must be kept short, so that the transmitting and receiving antenna control unit 12 is located on the side of the MRI device. Wireless transmission of data through the shield is not possible.
Die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 kann sich bei der gegenständlichen Erfindung auch außerhalb des abgeschirmten Raumes 16 befinden, weil die Digitalisierung des Signals bereits im Frontend erfolgt, also vor der Leitung des Signals an die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12.In the present invention, the transmitting and receiving antenna control unit 12 can also be located outside the shielded room 16 because the signal is digitized in the front end, i.e. before the signal is routed to the transmitting and receiving antenna control unit 12.
Die gegenständliche Erfindung betrifft die Signalverarbeitung von Empfangsspulen, insbesondere von lokalen RF-Spulen 9 und ist in den Figuren 2-4 veranschaulicht. The present invention relates to the signal processing of receiving coils, in particular local RF coils 9, and is illustrated in Figures 2-4.
Im oberen Teil der Fig. 2 ist eine einzelne RF -Antenne 20 dargestellt, welche als Coil bezeichnet werden kann und in unterschiedlicher Bauform, wie beispielsweise als Ringantenne (Loop Coil), vorliegen kann.In the upper part of FIG. 2, a single RF antenna 20 is shown, which can be referred to as a coil and can be in different designs, such as a loop coil.
Das Signal der RF-Antenne 20 wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 (Tuning-, Matching- und Detuning -Netzwerk) mit dem Vorverstärker 31 verbunden. Tuning ist die Einstellung der Spulenelektronik an die Resonanzfrequenz der Person. Matching ist die Anpassung der Spulenimpedanz um Rückkopplungen zu vermindern. The signal from the RF antenna 20 is, as is known in the art, connected to the preamplifier 31 through a tuning, matching and detuning network 21. Tuning is the adjustment of the coil electronics to the person's resonance frequency. Matching is the adjustment of the coil impedance to reduce feedback.
Detuning ist das Deaktivieren (Entkopplung) der einzelnen Empfangselemente 20 bzw. 28 während der Einstrahlung des RF Pulses durch die Sende-Antenne um die Protonen anzuregen (Erzeugung des MR Signals). Dies schützt auch den Vorverstärker 31, und andere Elektronik vor Überlastung, und stellt auch eine von mehreren Patientensicherheits-Schichten dar, die vor HF-Unfällen schützen. Da diese Vorgänge bzw. die dazu benötigten Schaltungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hierin nicht näher darauf eingegangen. Detuning is the deactivation (decoupling) of the individual receiving elements 20 or 28 during the irradiation of the RF pulse by the transmitting antenna in order to excite the protons (generation of the MR signal). This also protects the preamplifier 31 and other electronics from overload, and also provides one of several patient safety layers that protect against RF accidents. Since these processes and the circuits required for them are known from the prior art, they will not be discussed in more detail here.
Die Erfindung betrifft das Digitale Frontend 22 umfassend einen Low-Noise Verstärker (Vorverstärker - PA) 31 und eine Digitalisierungseinheit 33, welche beide in integrierter Form, insbesondere in CMOS- Technologie, vorliegen. Die Digitalisierungseinheit 33 umfasst zumindest einen Analog-zu-Digital- Wandler (ADC). The invention relates to the digital front end 22 comprising a low-noise amplifier (preamplifier - PA) 31 and a digitization unit 33, both of which are in integrated form, in particular in CMOS technology. The digitization unit 33 includes at least one analog-to-digital converter (ADC).
Die Datenübertragung vom Digitalen Frontend 22 zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 erfolgt bevorzugt über eine optische oder eine koaxiale Leitung 23. Denkbar wäre auch eine drahtlose Übertragung. Die Digitalisierungseinheit 33 kann einen oder mehrere optische Ausgänge umfassen und daher das zuvor analoge, elektrische Signal in ein digitales optisches Signal wandeln. Alternativ kann nach der Digitalisierungseinheit 33 ein zusätzlicher Wandler folgen, der das elektrische digitale Signal in ein optisches digitales Signal wandelt. Die Digitalisierungseinheit kann einen Signalmischer zur Kombination oder Modulation des digitalen Signals und/oder einen Filter zur Entfernung von störenden nicht erwünschten Seitenbändem umfassen, indem die Digitalisierungseinheit und diese Funktionalitäten in einem gemeinsamen integrierten Baustein vorliegen. Der Signalmischer und/oder der Filter kann auch auf die Digitalisierungseinheit 33 folgen. The data transmission from the digital front end 22 to the transmitting and receiving antenna control unit 12 preferably takes place via an optical or a coaxial line 23. Wireless transmission would also be conceivable. The digitization unit 33 can include one or more optical outputs and therefore convert the previously analog electrical signal into a digital optical signal. Alternatively, an additional converter can follow the digitization unit 33, which converts the electrical digital signal into an optical digital signal. The digitization unit can include a signal mixer for combining or modulating the digital signal and/or a filter for removing interfering, unwanted sidebands by having the digitization unit and these functionalities in a common integrated module. The signal mixer and/or the filter can also follow the digitization unit 33.
Das optische digitale Signal kann über einen oder mehrere Lichtwellenleiter an die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 übertragen werden. The optical digital signal can be transmitted to the transmitting and receiving antenna control unit 12 via one or more optical fibers.
Als weniger bevorzugte Alternative zur optischen Übertragung kann das digitale Signal auch über ein Koaxialkabel oder drahtlos per Funk übertragen werden, wobei diese Übertragungsarten bereits im Stand der Technik dokumentiert sind. As a less preferred alternative to optical transmission, the digital signal can also be transmitted via a coaxial cable or wirelessly by radio, although these types of transmission are already documented in the prior art.
Die Steuerung des Digitalen Frontend 22 kann über die optische Leitung 23 und/oder eine optionale analoge Steuerleitung 24 erfolgen oder auch drahtlos. Die Stromversorgung des Digitalen Frontend 22 und der Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerke 21 erfolgt über eine Gleichstrom- Stromversorgung 27. Alternativ bzw. optional kann dies auch mittels Energy-Harvesting Systemen oder Schaltungen erfolgen, wobei je nach Verfügbarkeit und Stärke diese Energie aus den eingestrahlten elektromagnetischen Feldern bezogen werden kann. The digital front end 22 can be controlled via the optical line 23 and/or an optional analog control line 24 or wirelessly. The digital front end 22 and the setting, adaptation and decoupling networks 21 are supplied with power via a direct current power supply 27. Alternatively or optionally, this can also be done using energy harvesting systems or circuits, whereby depending on availability and strength, this energy comes from the radiated electromagnetic fields.
Zur Bearbeitung der Daten des Digitalen Frontend 22 umfasst die Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 Filter-, Modulations- und Verstärkungsmodule 25, welche alternativ oder optional auch in die Digitalisierungseinheit 33 vorgezogen bzw. integriert werden können und/oder optional zuge schalten werden können. Die Steuersignale hierfür stammen von einer Überwachungs- und Steuereinheit 26 der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12. To process the data of the digital front end 22, the transmitting and receiving antenna control unit 12 includes filter, modulation and amplification modules 25, which can alternatively or optionally also be brought forward or integrated into the digitization unit 33 and/or can be optionally switched on. The control signals for this come from a monitoring and control unit 26 of the transmitting and receiving antenna control unit 12.
In Abwandlung der oberen Abbildung veranschaulicht die untere Abbildung in Fig. 2 em RF- Antennenarray 28. Das Array kann als Parallel Array vorliegen oder wie veranschaulicht als Phased Array. Jede RF-Antenne 20 des RF-Antennenarrays 28 ist mit einem Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 eines Arrays 29 aus mehreren Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 versehen. Für jede RF-Antenne des RF-Antennenarrays 28 ist ein Vorverstärker 31 in integrierter Form im digitalen Frontend 22 vorhanden, also ein Vorverstärkerarray 30. Jeder Vorverstärker des Vorverstärkerarrays liegt bevorzugt als ein oder in einem eigenen integrierten Baustein vor. Das digitale Frontend 22 umfasst zumindest eine Digitalisierungseinheit 33. Die Digitalisierungseinheit 33 umfasst einen integriertem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) und bevorzugt Mischer, Filter und/oder sonstige optionale Module oder Komponenten. Eine Digitalisierungseinheit 33 kann dabei die verstärkten Signale aller Vorverstärker 31 des digitalen Frontend 22 digitalisieren und optional modulieren, filtern und/oder manipulieren. Das digitale Frontend 22 kann aber auch mehrere Digitalisierungseinheiten 33 umfassen, je nach Anzahl der RF-Antennen des RF-Antennenarrays 28 und der Anzahl der Eingänge der Digitalisierungseinheiten 33. Der übrige Aufbau ist ident zum oberen Teil der Fig. 2. As a modification of the upper illustration, the lower illustration in FIG. 2 illustrates an RF antenna array 28. The array can be in the form of a parallel array or, as illustrated, as a phased array. Each RF antenna 20 of the RF antenna array 28 is provided with a setting, matching and decoupling network 21 of an array 29 of a plurality of setting, matching and decoupling networks 21. For each RF antenna of the RF antenna array 28, a preamplifier 31 is present in integrated form in the digital front end 22, i.e. a preamplifier array 30. Each preamplifier of the preamplifier array is preferably present as one or in its own integrated module. The digital front end 22 includes at least one digitization unit 33. The digitization unit 33 includes an integrated analog-to-digital converter (ADC) and preferably mixers, filters and/or other optional modules or components. A digitization unit 33 can digitize and optionally modulate, filter and/or manipulate the amplified signals of all preamplifiers 31 of the digital front end 22. The digital front end 22 can also include several digitization units 33, depending on the number of RF antennas of the RF antenna array 28 and the number of inputs of the digitization units 33. The remaining structure is identical to the upper part of Fig. 2.
Das verstärkte Signal von je einem von mehreren Vorverstärkern liegt an je einem eigenen Eingang einer Digitalisierungseinheit 33 an, sodass eine parallele bzw. zeitgleiche Digitalisierung und optionale Manipulation der verstärkten Signale mehrerer Vorverstärker erfolgt. Die Anzahl der Ausgänge der Digitalisierungseinheit 33 kann der Anzahl der Eingänge entsprechen. Die Digitalisierungseinheit 33 kann aber auch die analogen Signale mehrerer Eingänge an einem digitalen Ausgang als ein digitales Signal bereitstellen. The amplified signal from one of several preamplifiers is present at its own input of a digitization unit 33, so that a parallel or simultaneous digitization and optional manipulation of the amplified signals from several preamplifiers takes place. The number of outputs of the digitization unit 33 can correspond to the number of inputs. The digitization unit 33 can also provide the analog signals from several inputs at a digital output as a digital signal.
Vorteilhaft ist, dass die Übertragung des MR-Signals vom digitalen Frontend 22 zum MR-Backend (also zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12) optisch und digital erfolgen kann, sodass diese unempfindlich gegenüber Störungen ist und wenn nötig auch die elektromagnetische Abschirmung überwinden kann. It is advantageous that the transmission of the MR signal from the digital front end 22 to the MR backend (i.e. to the transmitting and receiving antenna control unit 12) can be carried out optically and digitally, so that it is insensitive to interference and can also overcome the electromagnetic shielding if necessary.
Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsvariante eines digitalen Frontends 22, welches für einen frequenzmodularen und äußerst rauscharmen Betrieb geeignet ist. Dabei ist für die RF-Antenne 20 ein Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorhanden. Der Vorverstärker 31 ist ein in integrierter Bauform (z.B. CMOS) ausgeführter äußerst rauscharmer Breitbandverstärker. Der Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz umfasst mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise 32, deren selektive Verwendung eine Vorauswahl einer Frequenz ermöglicht. Die einzelnen Verstärkungsschaltkreise 32 weisen ein schmales Band auf, sodass diese in Kombination ein breites Band abdecken. Fig. 3 illustrates an embodiment variant of a digital front end 22, which is suitable for frequency-modular and extremely low-noise operation. There is a preamplifier 31 with a selectable working frequency for the RF antenna 20. The preamplifier 31 is an extremely low-noise broadband amplifier in an integrated design (e.g. CMOS). The preamplifier 31 with a selectable operating frequency includes several different amplification circuits 32, the selective use of which enables a frequency to be preselected. The individual amplification circuits 32 have a narrow band, so that in combination they cover a wide band.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anordnung von modularen Frequenzbändern von mehreren Vorverstärkerschaltkreisen bzw. Verstärkungsschaltkreisen 32. Jeder Verstärkungsschaltkreis 32 weist einen definierten Arbeitspunkt (AP,1; AP, 2; AP, 3; AP, 4 ... AP,n) auf, um den herum der Verstärkungsschaltkreis 32, innerhalb des Vorverstärkers 31, arbeitet. Jeder Verstärkungsschaltkreis 32 weist also einen definierten Arbeitsbereich 40, 41, 42, 43 auf, wobei die Auswahl des Verstärkungsschaltkreises 32 in Abhängigkeit der erwarteten Signalfrequenz des nächsten Signalzyklus des MRT erfolgt. Der jeweils ausgewählte Verstärkungsschaltkreis 32 verstärkt das durch die RF-Antenne 20 empfangene und durch ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 weitergeleitet Signal, innerhalb des Frequenzbands bzw. Frequenzbereichs seines Arbeitsbereichs 40, 41, 42, 43, welcher jeweils durch eine untere Grenzfrequenz fL,l bis fL,4 bzw. fL,n und eine obere Grenzfrequenz fH,l bis fH,4 bzw. fH,n definiert ist. Das benötigte Frequenzband und der Arbeitspunkt fvp sind durch Auswahl eines Verstärkungsschaltkreises 32 wählbar und einstellbar, insbesondere automatisch durch die Steuerungseinheit 34. 5 shows a schematic representation of an exemplary arrangement of modular frequency bands of several preamplifier circuits or amplification circuits 32. Each amplification circuit 32 has a defined operating point (AP,1; AP, 2; AP, 3; AP, 4 ... AP,n ) around which the amplification circuit 32, within the preamplifier 31, works. Each amplification circuit 32 therefore has a defined working range 40, 41, 42, 43, with the selection of the amplification circuit 32 depending on the expected signal frequency of the next signal cycle of the MRI. The respectively selected amplification circuit 32 amplifies the signal received by the RF antenna 20 and forwarded through an adjustment, adaptation and decoupling network 21, within the frequency band or frequency range of its working range 40, 41, 42, 43, which is each determined by a lower limit frequency fL,l to fL,4 or fL,n and an upper limit frequency fH,l to fH,4 or fH,n is defined. The required frequency band and the operating point fvp can be selected and adjusted by selecting an amplification circuit 32, in particular automatically by the control unit 34.
In einer Ausführungsvariante erfolgt die Einstellung der Arbeitsfrequenz dahingehend automatisch, dass die Resonanzfrequenz des am Integrierten Baustein anliegenden Signals verwendet wird, um die Auswahl des Vorverstärkerschaltkreises 32 bereits bei diesem Signalzyklus oder beim nachfolgenden Signalzyklus in Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vorzunehmen. Dies kann insbesondere durch eine interne Feedbackschleife und Magnetfeld-Sensoren, welche die Resonanzfrequenz erkennen, erfolgen. Die Erkennung der Resonanzfrequenz kann im integrierten Baustein, welcher den zumindest einen Vorverstärker 31 umfasst, erfolgen oder durch einen zusätzlichen Teil der Schaltung. In one embodiment variant, the working frequency is set automatically in such a way that the resonance frequency of the signal applied to the integrated component is used to select the preamplifier circuit 32 in this signal cycle or in the subsequent signal cycle depending on the resonance frequency. This can be done in particular through an internal Feedback loop and magnetic field sensors that detect the resonance frequency take place. The recognition of the resonance frequency can take place in the integrated component, which includes the at least one preamplifier 31, or through an additional part of the circuit.
In jedem einzelnen Vorverstärker 31 kann pro Signalzyklus des MRT immer nur ein Verstärkerschaltkreis 32 aktiv geschalten werden. Für mehrere Verstärker 31 können jedoch verschiedene Frequenzbereiche und Arbeitspunkte vorgesehen und eingestellt werden. Die Verstärkung ist in Fig. 5 über den Frequenzbereich des Arbeitsbereichs 40, 41, 42, 43 als Idealvorstellung linear dargestellt. Die Verstärkerschaltkreise liegen bevorzugt als Bandpassverstärker vor, was bedeutet, dass diese ein Verstärkungsmaximum am Arbeitspunkt aufweisen, welches über eine gewisse Bandbreite zumindest annähernd konstant sein kann und dann zu niedrigeren und höheren Frequenzen eine abfallende Flanke aufweist. Die Arbeitsbereiche 40, 41, 42, 43 sind bevorzugt so gelegen, dass dies innerhalb der Bandbreite des Bandpassverstärkers hegen. Anders formuliert, weist jeder der Verstärkerschaltkreise 31 eine durch dessen Schaltungskomponenten vorgegebene Bandbreite auf, wobei jedem Verstärkerschaltkreis 31 ein definierbarer Arbeitsbereich 40, 41, 42, 43 zugewiesen ist, wobei die Auswahl des jeweiligen Verstärkerschaltkreises 31 vorgenommen wird, in dessen Arbeitsbereich 40, 41, 42, 43 die erwartete bzw. die zu verstärkende Signalfrequenz liegt. Die Bandbreiten der Verstärkerschaltkreise 31 können sich somit überlappen, die definierten Arbeitsbereiche 40, 41, 42, 43 aber nicht. Eine rein beispielhafte Verstärkungskurve ist für den Verstärkerschaltkreises 31 mit dem zugewiesenen Arbeitsbereich 42 mit gepunkteter Linie eingezeichnet. In each individual preamplifier 31, only one amplifier circuit 32 can be activated per MRI signal cycle. However, different frequency ranges and operating points can be provided and set for several amplifiers 31. The gain is shown linearly in FIG. 5 over the frequency range of the working range 40, 41, 42, 43 as an ideal. The amplifier circuits are preferably in the form of bandpass amplifiers, which means that they have a gain maximum at the operating point, which can be at least approximately constant over a certain bandwidth and then has a falling edge at lower and higher frequencies. The working areas 40, 41, 42, 43 are preferably located so that they are within the bandwidth of the bandpass amplifier. In other words, each of the amplifier circuits 31 has a bandwidth predetermined by its circuit components, with each amplifier circuit 31 being assigned a definable working area 40, 41, 42, 43, the selection of the respective amplifier circuit 31 being carried out in its working area 40, 41, 42, 43 is the expected signal frequency or the signal frequency to be amplified. The bandwidths of the amplifier circuits 31 can therefore overlap, but the defined working areas 40, 41, 42, 43 cannot. A purely exemplary amplification curve is shown for the amplifier circuit 31 with the assigned working area 42 with a dotted line.
Wie in Fig. 3 unmittelbar erkennbar ist, umfasst der Vorverstärker 31 (in Form eines Verstärkerchips wie weiter oben offenbart) zumindest drei unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise 32, deren Eingangssignal von einer einzelnen RF -Antenne 20 stammt und deren Ausgangssignal einem einzelnen Eingang des Analog-zu-Digitalwandlers 33 anliegt, wobei der Verstärkerchip zumindest einen zusätzlichen Eingang umfasst, für die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch selektive Verwendung eines der Verstärkungsschaltkreise. 3, the preamplifier 31 (in the form of an amplifier chip as disclosed above) comprises at least three different amplification circuits 32, the input signal of which comes from a single RF antenna 20 and the output signal of which corresponds to a single input of the analog to Digital converter 33 is present, the amplifier chip comprising at least one additional input for selecting the working frequency by selectively using one of the amplification circuits.
Das Frontend 22 umfasst bevorzugt eine Steuerungseinheit 34, welche die Einstellung des Verstärker- Arbeits-Frequenzpunkts vomimmt. Das Frontend 22 umfasst bevorzugt sonstige etwaig integrierte Schaltungen zur Signalaufbereitung oder Verbesserung, welche aktiviert oder deaktiviert sein können. Das Frontend 22 umfasst bevorzugt optional notwendige Module zur besseren Systemintegration an verschiedenen MR-Systemen von verschiedenen Herstellern, insbesondere Kommunikationsmodule. Zudem kann die Steuerungseinheit 34 die Einstellung von Rauschunterdrückungsparametem, das Empfangsspulentuning und Detuning und/oder eine Systemtaktsteuerung vornehmen. Die Anbindung der Steuerungseinheit 34 an das MR-Backend, insbesondere zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12, kann über eine optische, drahtlose oder analoge Anbindung erfolgen. The front end 22 preferably includes a control unit 34, which controls the setting of the amplifier working frequency point. The front end 22 preferably includes any other integrated circuits for signal processing or improvement, which can be activated or deactivated. The front end 22 preferably includes optionally necessary modules for better system integration on different MR systems from different manufacturers, in particular communication modules. In addition, the control unit 34 can carry out the setting of noise suppression parameters, the reception coil tuning and detuning and/or system clock control. The connection of the control unit 34 to the MR backend, in particular to the transmitting and receiving antenna control unit 12, can take place via an optical, wireless or analog connection.
Die Art der Kommunikation der Steuerungseinheit 34 der gegenständlichen Schaltung mit dem MRT- System bzw. der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 ist vom MRT-System abhängig, an welchem die gegenständliche Erfindung umgesetzt wird und kann somit als vorgegeben angesehen werden. Die Steuerungssignale können dabei in analoger oder digitaler Form von der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12 bereitgestellt werden. Die Steuersignale sind Signale die zur Steuerung der Systemkomponenten benötigt werden und sind somit unterschiedlich zu den MRT- Signalen der RF -Antennen 20. Die Steuersignale können aber am selben Übertragungsweg wie die digitalisierten MRT-Signalen der RF-Antennen 20 übertragen werden. Die Steuersignale werden aber nicht vom Vorverstärker 31 verstärkt. The type of communication between the control unit 34 of the circuit in question and the MRI system or the transmitting and receiving antenna control unit 12 depends on the MRI system on which the invention in question is implemented and can therefore be viewed as predetermined become. The control signals can be provided in analog or digital form by the transmitting and receiving antenna control unit 12. The control signals are signals that are required to control the system components and are therefore different from the MRT signals of the RF antennas 20. However, the control signals can be transmitted on the same transmission path as the digitized MRT signals of the RF antennas 20. However, the control signals are not amplified by the preamplifier 31.
Das Frontend 22 umfasst eine Digitalisierungseinheit 33, die das verstärkte und digitalisierte und optional gemischte und gefilterte oder andersartig aufbereitete MRT-Signal der RF-Antenne 20 über die bevorzugt optische Datenleitung 23 ans Backend sendet. Dadurch, dass der Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorliegt, kann die Verstärkung an die Empfangsfrequenz der RF-Antenne 20 bzw. die Sendefrequenz des verwendeten MRT-Geräts angepasst werden. The front end 22 includes a digitization unit 33, which sends the amplified and digitized and optionally mixed and filtered or otherwise processed MRI signal from the RF antenna 20 to the backend via the preferably optical data line 23. Because the preamplifier 31 has a selectable working frequency, the gain can be adapted to the reception frequency of the RF antenna 20 or the transmission frequency of the MRI device used.
Durch die Frequenzmodularität des Vorverstärkers 31 ergibt sich auch die Notwendigkeit das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 nachzustellen. Da eine Frequenzanpassung des Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerks 21 aus dem Stand der Technik bekannt ist und nicht Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist, wird dies hierin nicht weiter erörtert. The frequency modularity of the preamplifier 31 also results in the need to adjust the setting, adaptation and decoupling network 21. Since frequency adjustment of the adjustment, adaptation and decoupling network 21 is known from the prior art and is not the object of the present invention, this will not be discussed further here.
Das Frontend 22 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante komplett in einer integrierten Bauform ausgeführt, insbesondere als ASIC (application-specific integrated circuit -Deutsch: anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Als komplett ist zu verstehen, dass der integrierte Baustein zumindest einen Vorverstärker 31 mit mehreren Verstärkerkreisen 32, zumindest eine Digitalisierungseinheit 33 und zumindest eine Steuerungseinheit 34 umfasst. Zudem können im integrierten Baustein die als optional beschriebenen Komponenten des Frontends 22 integriert sein.In a preferred embodiment variant, the front end 22 is designed completely in an integrated design, in particular as an ASIC (application-specific integrated circuit). What is to be understood as complete is that the integrated module includes at least one preamplifier 31 with several amplifier circuits 32, at least one digitization unit 33 and at least one control unit 34. In addition, the components of the front end 22 described as optional can be integrated into the integrated module.
In Fig. 4 sind nicht komplett integrierte Ausführungsvarianten veranschaulicht, um die Erfindung an unterschiedliche MRT-Plattformen anpassen zu können. Dazu wird bevorzugt ein jeweils an den MRT Hersteller angepasstes Socket-PCB 36 (Steckplatzelement) verwendet. In einer Ausführungsvariante sind diese Socket-PCBs 36 ebenfalls modular aufgebaut. In Fig. 4, not completely integrated embodiment variants are illustrated in order to be able to adapt the invention to different MRI platforms. For this purpose, a socket PCB 36 (slot element) adapted to the MRI manufacturer is preferably used. In one embodiment variant, these socket PCBs 36 are also modular.
In einer Ausführungsvariante (Mit Bezugszeichen 35 veranschaulicht) sind zumindest ein Vorverstärker 31 oder zumindest ein Vorverstärkerarray 30, zumindest eine Digitalisierungseinheit 33 und zumindest eine Steuerungseinheit 34 an einem gemeinsamen Socket-PCB 36 platziert. In one embodiment variant (illustrated with reference numeral 35), at least one preamplifier 31 or at least one preamplifier array 30, at least one digitization unit 33 and at least one control unit 34 are placed on a common socket PCB 36.
Das Socket-PCB 36 kann zudem ein Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 und/oder ein Netzwerkarray 29 umfassen. The socket PCB 36 may also include an adjustment, matching and decoupling network 21 and/or a network array 29.
Dieses Socket-PCB 36 versorgt (mit Strom und Steuersignalen) den Vorverstärker 31 und die Digitalisierungseinheit 33, sowie alle weiteren Komponenten, wie eine RF Antenne 20 und das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21. Die Energieversorgung kann dabei auch mittels integrierter, schaltbarer Energy-Harvesting-Infrastruktur (z.B. Induktion von eingestreuten elektromagnetischen Feldern) erfolgen. Über das Socket-PCB 36 werden Steuersignale zur Frequenz-Anpassung einer oder mehrerer RF Antenne 20 und das Einstellungs-, Anpassungs- und Entkopplungsnetzwerk 21 geleitet. This socket PCB 36 supplies (with power and control signals) the preamplifier 31 and the digitization unit 33, as well as all other components, such as an RF antenna 20 and the setting, adaptation and decoupling network 21. The energy supply can also be achieved by means of integrated, switchable Energy harvesting infrastructure (e.g. induction of scattered electromagnetic fields). Control signals for frequency adjustment of one or more RF antennas 20 and the setting, adaptation and decoupling network 21 are routed via the socket PCB 36.
Die Socket-PCBs 36 stellen etwaige weitere herstellerspezifische Funktionen via optischer, drahtloser, oder analoger Verbindung zu einer Steuereinheit, insbesondere zur Sende- und Empfangsantennensteuereinheit 12, zur besseren Integration zur Verfügung. The socket PCBs 36 provide any additional manufacturer-specific functions via an optical, wireless or analog connection to a control unit, in particular to the transmitting and receiving antenna control unit 12, for better integration.
Die Anzahl der Socket-PCBs 36, welche für eine lokale RF-Spule 9 benötigt werden, hängt davon ab, wie viele RF Antennen 20 diese umfasst und wie viele Vorverstärker 31 an einem Socket-PCBs 36 verbaut sind. Dadurch, dass jeder Vorverstärker 31 bevorzugt als Vorverstärker 31 mit auswählbarer Arbeitsfrequenz vorliegt, kann die Schaltung ident für unterschiedliche Socket-PCBs 36 vorliegen. Die Socket-PCBs 36 unterscheiden sich daher bevorzugt in ihrer physischen Form, wie Größe und Art und Anordnung der Anschlüsse bzw. Schnittstellen. The number of socket PCBs 36 required for a local RF coil 9 depends on how many RF antennas 20 it includes and how many preamplifiers 31 are installed on a socket PCB 36. Because each preamplifier 31 is preferably present as a preamplifier 31 with a selectable working frequency, the circuit can be identical for different socket PCBs 36. The socket PCBs 36 therefore preferably differ in their physical form, such as size and type and arrangement of the connections or interfaces.
In einer Ausführungsvariante (Mit Bezugszeichen 37 veranschaulicht) sind Funktional getrennte Socket- PCBs 38, 39 vorhanden, wobei die zuvor enannten Komponenten des einen Socket-PCBs 36 in beliebiger Kombination auf mehrere Socket-PCBs 38, 39 aufgeteilt sind. In one embodiment variant (illustrated with reference numeral 37), functionally separate socket PCBs 38, 39 are present, with the previously mentioned components of one socket PCB 36 being divided into several socket PCBs 38, 39 in any combination.
Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise eine Digitalisierung- und Übertragungseinheit umfassen, also zumindest eine Digitalisierungseinheit 33 und eine optische Schnittstelle zur optischen Leitung 23.A socket PCB 38, 39 can, for example, comprise a digitization and transmission unit, i.e. at least one digitization unit 33 and an optical interface to the optical line 23.
Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise einen oder mehrere Vorverstärker 31 umfassen. A socket PCB 38, 39 can include one or more preamplifiers 31, for example.
Ein Socket-PCB 38, 39 kann beispielsweise eine Steuerungseinheit 34 umfassen. A socket PCB 38, 39 can include a control unit 34, for example.
In der unter 37 veranschaulichten Ausführungsvariante ist ein Socket-PCB 38 veranschaulicht, welches eine Digitalisierungseinheit 33 und eine Steuerungseinheit 34 umfasst. In the embodiment variant illustrated under 37, a socket PCB 38 is illustrated, which includes a digitization unit 33 and a control unit 34.
In der unter 37 veranschaulichten Ausführungsvariante ist ein Socket-PCB 39 veranschaulicht, welches einen Vorverstärker 31 umfasst. In the embodiment variant illustrated under 37, a socket PCB 39 is illustrated, which includes a preamplifier 31.

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Schaltung zur Signalaufbereitung eines Signals zumindest einer RF-Antenne (20) einer lokale RF- Spule (9) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) umfassend einen Vorverstärker (31) je RF- Antenne (20), welcher das Signal der RF-Antenne (20) verstärkt, dadurch gekennzeichnet, dass an den Vorverstärker (31) eine Digitalisierungseinheit (33) anschließt, welche das verstärkte Signal des Vorverstärkers (31) digitalisiert, wobei der Vorverstärker (31) in einem Integrierten Baustein (IC) vorliegt und ein Vorverstärker (31) mit auswählbarer Arbeitsfrequenz ist, indem der Vorverstärker (31) mehrere unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise (32) umfasst. 1. Circuit for signal processing of a signal of at least one RF antenna (20) of a local RF coil (9) of a magnetic resonance tomography system (1) comprising a preamplifier (31) for each RF antenna (20), which receives the signal from the RF antenna ( 20) amplified, characterized in that a digitization unit (33) is connected to the preamplifier (31), which digitizes the amplified signal of the preamplifier (31), the preamplifier (31) being present in an integrated module (IC) and a preamplifier ( 31) with a selectable working frequency in that the preamplifier (31) comprises several different amplification circuits (32).
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere RF-Antenne (20) vorhanden sind, wobei je einer von mehreren Vorverstärkern (31) das Signal einer RF-Antenne (20) verstärkt, wobei die Digitalisierungseinheit (33) an je einem von mehreren ihrer Eingänge das verstärkte Signal eines Vorverstärkers (31) erhält. 2. Circuit according to claim 1, characterized in that there are several RF antennas (20), one of several preamplifiers (31) amplifying the signal of an RF antenna (20), the digitization unit (33) being connected to one of each receives the amplified signal of a preamplifier (31) from several of its inputs.
3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierungseinheit (33) eine Wandlung des verstärkten Signals des Vorverstärkers (31) von einem analogen elektrischen Signal in ein optisches digitales Signal vomimmt. 3. Circuit according to claim 1 or 2, characterized in that the digitization unit (33) converts the amplified signal of the preamplifier (31) from an analog electrical signal into an optical digital signal.
4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalisierungseinheit (33) eine Manipulation des verstärkten Signals und/oder des bereits digitalisierten Signals, insbesondere eine Modulation, Mischung und/oder Filterung vomimmt.4. Circuit according to one of claims 1 to 3, characterized in that the digitization unit (33) carries out manipulation of the amplified signal and/or the already digitized signal, in particular modulation, mixing and/or filtering.
5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Steuerungseinheit (34) umfasst, welche mit einer Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) des Magnetresonanztomographiesystems (1) kommuniziert und/oder welche die Auswahl des Verstärkungsschaltkreise (32) jedes Vorverstärkers (31) vomimmt.. 5. Circuit according to one of claims 1 to 4, characterized in that the circuit comprises a control unit (34) which communicates with a transmitting and receiving antenna control unit (12) of the magnetic resonance tomography system (1) and / or which selects the amplification circuit (32 ) of each preamplifier (31) vomimmt..
6. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit (34) und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) über eine optische Leitung (23) erfolgt und auch die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über die optische Leitung (23) erfolgt. 6. Circuit according to claim 5, characterized in that the communication between the control unit (34) and the transmitting and receiving antenna control unit (12) takes place via an optical line (23) and the signal transmission of the amplified and digitized signal also takes place via the optical line (23 ) he follows.
7. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalübertragung des verstärkten und digitalisierten Signals über eine optische Leitung (23) erfolgt und die Kommunikation zwischen Steuerungseinheit (34) und der Sende- und Empfangsantennensteuereinheit (12) über eine zusätzliche Steuerleitung (24) erfolgt. 7. Circuit according to claim 5, characterized in that the signal transmission of the amplified and digitized signal takes place via an optical line (23) and the communication between the control unit (34) and the transmitting and receiving antenna control unit (12) via an additional control line (24). he follows.
8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch Auswahl eines Verstärkungsschaltkreises (32) über die Steuerungseinheit (34) erfolgt, oder die Resonanzfrequenz des am Integrierten Bausteins anliegenden Signals von der Schaltung verwendet wird, um den Verstärkungsschaltkreis (32) basierend auf dieser Resonanzfrequenz automatisch auszuwählen. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einen Vorverstärker (31), zumindest eine Digitalisierungseinheit (33) und zumindest eine Steuerungseinheit (34) umfasst, wobei die genannten Komponenten in integrierter Form oder als getrennte Komponenten an einem gemeinsamen Socket-PCB (36) vorliegen oder die genannten Komponenten einzeln oder in beliebiger Kombination an getrennten Socket-PCBs (38, 39) vorliegen, wobei die Socket-PCBs (36, 38, 39) spezifisch an die Systemanforderungen von Geräten unterschiedlicher MRT Hersteller angepasst sind. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass diese zumindest einen Vorverstärker (31), zumindest eine Digitalisierungseinheit (33) und zumindest eine Steuerungseinheit (34) umfasst, wobei die genannten Komponenten in einem gemeinsamen integrierten Baustein, insbesondere als ASIC, vorliegen. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im integrierten Baustein mehrere Vorverstärker (31) integriert sind, welche jeweils mehrere Verstärkungsschaltkreise (32) umfassen, wobei der integrierte Baustein für jeden der Vorverstärker (31) einen eigenen Eingang aufweist, an welchem ein von einer RF-Antenne (20) stammendes Signal anliegt. Schaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im integrierten Baustein zusätzliche optional notwendige Module oder Features integriert sind, welche zur besseren Anpassung an verschiedenen MR-Systeme zu- und wegschaltbar sind. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung innerhalb des Gehäuses einer lokalen RF-Spule (9) vorliegt. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverstärker (31) in Form eines Verstärkerchips zumindest drei unterschiedliche Verstärkungsschaltkreise (32) umfasst, deren Eingangssignal von einer einzelnen RF-Antenne (20) stammt und deren Ausgangssignal an einem einzelnen Eingang der Digitalisierungseinheit (33) anliegt, wobei der Verstärkerchip zumindest einen zusätzlichen Eingang umfasst, für die Auswahl der Arbeitsfrequenz durch selektive Verwendung eines der Verstärkungsschaltkreise (32). Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Verstärkerschaltkreise (31) eines Vorverstärkers (31) eine durch dessen Schaltungskomponenten vorgegebene Bandbreite aufweist, wobei die Verstärkerschaltkreise (31) gemeinsam eine größere Bandbreite abdecken als der jeweilige einzelne Verstärkerschaltkreis (31), wobei jedem Verstärkerschaltkreis (31) ein definierbarer Arbeitsbereich (40, 41, 42, 43) zugewiesen ist, wobei die Auswahl jenes Verstärkerschaltkreises (31) erfolgt, in dessen Arbeitsbereich (40, 41, 42, 43) die ermittelte oder erwartete zu verstärkende Signalfrequenz liegt. 8. Circuit according to one of claims 1 to 7, characterized in that the selection of the working frequency is carried out by selecting an amplification circuit (32) via the control unit (34), or the resonance frequency of the signal applied to the integrated module is used by the circuit automatically select the amplification circuit (32) based on this resonance frequency. Circuit according to one of claims 1 to 8, characterized in that it comprises at least one preamplifier (31), at least one digitization unit (33) and at least one control unit (34), said components being in integrated form or as separate components on a common socket -PCB (36) or the components mentioned are present individually or in any combination on separate socket PCBs (38, 39), the socket PCBs (36, 38, 39) being specifically adapted to the system requirements of devices from different MRI manufacturers . Circuit according to one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises at least one preamplifier (31), at least one digitization unit (33) and at least one control unit (34), the said components being in a common integrated module, in particular as an ASIC, present. Circuit according to one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of preamplifiers (31) are integrated in the integrated module, each of which comprises a plurality of amplification circuits (32), the integrated module having its own input for each of the preamplifiers (31). which has a signal coming from an RF antenna (20). Circuit according to claim 10 or 11, characterized in that additional optionally necessary modules or features are integrated in the integrated module, which can be switched on and off for better adaptation to different MR systems. Circuit according to one of claims 1 to 12, characterized in that the circuit is present within the housing of a local RF coil (9). Circuit according to one of claims 1 to 13, characterized in that the preamplifier (31) in the form of an amplifier chip comprises at least three different amplification circuits (32), whose input signal comes from a single RF antenna (20) and whose output signal comes from a single input the digitization unit (33), the amplifier chip comprising at least one additional input for selecting the working frequency by selectively using one of the amplification circuits (32). Circuit according to one of claims 1 to 14, characterized in that each of the amplifier circuits (31) of a preamplifier (31) has a bandwidth predetermined by its circuit components, the amplifier circuits (31) together covering a larger bandwidth than the respective individual amplifier circuit (31 ), each amplifier circuit (31) being assigned a definable working area (40, 41, 42, 43), the selection of that amplifier circuit (31) taking place in whose working area (40, 41, 42, 43) the determined or expected one amplifying signal frequency.
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