Способ и устройство для сверхширокополосной радиопередачи в системах mri (магнитно-резонансной визуализации) - RU2422843C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области магнитного резонанса. Настоящее изобретение находит применение, в частности, в связи с магнитно-резонансной визуализацией с использованием нескольких катушек (например, типа SENSE) для беспроводных многоканальных передачи/приема и описано ниже с конкретной ссылкой на данную технологию. Однако следует понимать, что нижеописанное изобретение может также найти применение в связи с магнитно-резонансными системами других типов, системами магнитно-резонансной спектроскопии и т.п.

В технологии магнитно-резонансной визуализации по методу SENSE применяют множество катушечных элементов для одновременного сбора магнитно-резонансных данных визуализации общего визуализируемого слоя или объема. Для быстрого сбора данных для визуализации с помощью технологии SENSE каждый катушечный элемент производит замеры разных участков каонного пространства. Данные визуализации, оцифрованные с недостаточной частотой дискретизации, реконструируют в соответствующие свернутые изображения слоя или объема. Свернутые изображения развертывают на основании характеристик чувствительности катушек для формирования развернутого изображения слоя или объема. Технология визуализации SENSE описана, например, в работе Pruessmann et al., Magnetic Resonance in Medicine 42, pp.952-962 (1999) и в патенте США №6380741, Hajnal et al.

Обычно каждую катушку подсоединяли к каналу приема и/или передачи системы MRI проводной линией в соединительном кабеле. Из-за громоздкости и невыгодности проведения кабелей от каждой катушки через пространство исследования MR-системы (магнитно-резонансной системы) к приемным и/или передающим каналам предпринимались различные попытки обеспечения беспроводной передачи в катушки и из них. В данных системах обнаруженные MR-сигналы (магнитно-резонансные сигналы) и/или управляющие сигналы обычно передаются в катушки и из них методом мультиплексирования с ортогональным делением частот (OFDM), который использует стандартный протокол сверхширокополосной (UWB) радиопередачи.

Недостатком беспроводных MR-систем является частотно-селективное затухание. Так как туннель пространства исследования и RF (высокочастотное) сетчатое ограждение вокруг сканера MR-системы характеризуются высоким коэффициентом отражения, то возникают усиленные отражения, дифракция и рассеяние сигналов. Отражения от различных точек окружающей среды частично погашает передаваемые RF-сигналы в некоторых местах, тогда как на других частотах отражения суммируются с передаваемым RF-сигналом. Частоты погашения и суммирования нестационарны. Кроме того, для предотвращения помех магнитно-резонансным сигналам беспроводные приемопередатчики должны передавать/принимать на более высоких скоростях или частотах, например выше 500 МГц. В результате получается частотный спектр с провалами (частичным погашением) и пиками (суммированием) амплитуды.

Коэффициент усиления аналого-цифрового преобразователя (АЦП) обычно настраивают на сбор номинального и более мощных сигналов. Так как типичные АЦП характеризуются лишь ограниченным числом разрядов, мощность сигнала в провалах оказывается ниже «нормального» шума квантования и, следовательно, претерпевающие затухание сигналы не поддаются выделению и обработке. В результате принцип OFDM может быть эффективным только для систем, использующих аналого-цифровые преобразователи с большим числом разрядов.

Другая проблема состоит в том, что приемники в системах на основе OFDM должны быть синхронизированы с высокой степенью точности. Как правило, преамбула в начале каждого передаваемого пакета данных применяется, чтобы обеспечивать возможность синхронизации приемника с передатчиком. Длина стандартной преамбулы равна 24 символам. В период времени синхронизации система не передает и не принимает данные, например сканер бездействует, и, следовательно, страдает производительность MRI-системы.

Изобретение обеспечивает новые и усовершенствованные способы и устройства, которые преодолевают вышеупомянутые и другие проблемы.

В соответствии с одним аспектом предлагается магнитно-резонансная система. По меньшей мере, одна высокочастотная катушка расположена внутри области исследования, при этом высокочастотная катушка принимает беспроводным способом калибровочный сигнал с расширенным спектром из соответствующего беспроводного приемопередатчика и передает в него несколько каналов данных в сигналах данных с расширенным спектром. Блок оценки канала оценивает частотно-зависимые характеристики мощности сигналов на основе калибровочного сигнала, передаваемого между беспроводным приемопередатчиком и соответствующей катушкой. Блок коррекции мощности сигнала производит частотно-зависимую коррекцию мощностей сигналов данных, чтобы передаваемые сигналы данных компенсировались на основе характеристик сигнала, полученных оценкой принятого калибровочного сигнала, для формирования частотно-зависимых компенсированных сигналов данных.

В соответствии с другим аспектом предлагается способ магнитно-резонансной визуализации. Беспроводным способом принимается калибровочный сигнал с расширенным спектром, передаваемый между высокочастотной катушкой и соответствующим беспроводным приемопередатчиком. На основе калибровочного сигнала, передаваемого между беспроводным приемопередатчиком и катушкой, оцениваются характеристики мощности частотно-зависимых сигналов. На основании оценки выполняются корректировки по мощности частотно-зависимых сигналов для сигналов данных с расширенным спектром, которые содержат данные, собранные в области исследования, чтобы формировать частотно-зависимые компенсированные сигналы данных. Компенсированные сигналы данных передаются в соответствующий беспроводной приемопередатчик.

В соответствии с другим аспектом предлагается магнитно-резонансная система. По меньшей мере, одна высокочастотная катушка расположена внутри области исследования, при этом катушка беспроводным образом принимает калибровочный сигнал с расширенным спектром и передает сигналы данных с расширенным спектром в соответствующий беспроводной приемопередатчик. Блок оценки канала оценивает характеристики сигналов на основе калибровочного сигнала, передаваемого между беспроводным приемопередатчиком и соответствующей катушкой. Устройство формирования преамбулы корректирует длину преамбулы каждого передаваемого пакета данных на основе оценки характеристик сигналов.

Одно преимущество состоит в том, что мощность передачи компенсируется так, чтобы ослаблять или исключать эффекты частотно-селективного затухания.

Дополнительные преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам со средним уровнем компетентности в данной области техники после прочтения и изучения нижеследующего подробного описания.

Изобретение может быть выполнено в виде различных компонентов и схем расположения компонентов и различных этапов и схем расположения этапов. Чертежи приведены только с целью пояснения предпочтительных вариантов осуществления и не подлежат интерпретации как ограничивающие изобретение.

Фиг.1 - схематичное изображение системы магнитно-резонансной визуализации.

Фиг.2 - схематичное подробное изображение вида спереди системы магнитно-резонансной визуализации.

Фиг.3 - схематичное местное изображение участка системы магнитно-резонансной визуализации.

Фиг.4 - схематичное изображение пакета данных, содержащего преамбулу.

Как показано на фиг.1, система 8 магнитно-резонансной визуализации содержит сканер 10, содержащий корпус 12, ограничивающий область 14 исследования, в которой пациент или другой визуализируемый объект 16 расположен на опоре или столе 18 для пациента. Главный магнит 20, расположенный в корпусе 12, формирует главное магнитное поле B₀ в области 14 исследования. Основной магнит 20 обычно является сверхпроводящим магнитом, окруженным криогенным контейнером 22; однако возможно также использование резистивного или постоянного магнита. Катушки 24 для формирования градиентов магнитного поля расположены в или на корпусе 12 для наложения подобранных градиентов магнитного поля на основное магнитного поле в области 14 исследования. Хотя показана система туннельного типа, подразумеваются также системы открытого и других типов.

Система или конструкция 26 RF (высокочастотных) катушек расположена около области 14 обследования. Система 26 катушек содержит, по меньшей мере, одну многоканальную передающую или приемную RF-катушку, например, с кодированием чувствительности (типа SENSE) или другого типа, расположенную внутри области 14 обследования. В примерном варианте осуществления система 26 катушек содержит локальные первую и вторую катушки типа SENSE, например головную катушку 28 и поверхностную катушку 30, каждая из которых содержит множество независимых катушечных элементов 32 типа SENSE. Число катушечных элементов 32 может равняться четырем, восьми, шестнадцати и т.п. Катушечные элементы 32 каждой из первой и второй катушек 28, 30 типа SENSE обладают разными чувствительностями к магнитно-резонансному сигналу, что допускает кодирование чувствительности (SENSE). Опционально, корпус 12 дополнительно вмещает или служит опорой для катушки 36 для всего тела для селективного возбуждения и/или обнаружения магнитных резонансов. Локальные катушки 28, 30 могут служить для приема магнитных резонансов, которые возбуждаются дополнительной катушкой для всего тела, или магнитные резонансы могут как возбуждаться, так и приниматься локальными катушками 28, 30. Экран 38 экранирует катушки 28, 30, 36 от других элементов.

Контроллеры 40 магнитно-резонансной визуализации управляют контроллерами 42 градиентов магнитных полей, соединенными с градиентными катушками 24, для наложения подобранных градиентов магнитного поля на основное магнитное поле в области 14 исследования, а также управляют высокочастотными (RF) передатчиками или каналами 44 передачи, соединенными с, по меньшей мере, одной катушкой 28, 30, 36 для подачи подобранных высокочастотных импульсов возбуждения приблизительно на частоте магнитного резонанса в область 14 исследования для визуализации. В многоканальных системах передачи каждый катушечный элемент 32 содержит соответствующий передатчик или канал 44 передачи.

Как также показано на фиг.1 и дополнительно показано на фиг.2 и 3, около области 14 исследования расположена, по меньшей мере, первая/ый ячейка или пункт 46 связи. В примерном варианте осуществления первая ячейка 46 связи расположена приблизительно на 10:30 относительно среднего сечения 48 туннеля 50, который ограничивает область 14 исследования, и зафиксирована к цилиндру 52 туннеля первым крепежным механизмом или средством 54. Вторая ячейка или пункт 56 связи расположена приблизительно на 1:30 относительно среднего сечения 48 туннеля 50 и зафиксирована к цилиндру 52 туннеля вторым крепежным механизмом или средством 58. Разумеется, предполагаются другие ячейки внутри или вблизи туннеля 50. Каждая ячейка 46, 56 содержит приемопередатчик или приемопередатчики. В примерном варианте осуществления каждая ячейка 46, 56 содержит два приемопередатчика 60, 62; 64, 66, каждый из которых содержит приемник 72 и передатчик 74. Например, приемопередатчик 60 первой ячейки 46 связи и приемопередатчик 64 второй ячейки 56 связи осуществляют беспроводную связь с первой катушкой 28, тогда как приемопередатчик 62 первой ячейки 46 связи и приемопередатчик 66 второй ячейки 56 связи осуществляют беспроводную связь со второй катушкой 30. Приемопередатчики 60, 62, 64, 66 связаны через переключатель или переключатели 76 передачи/приема для каждого соответствующего радиочастотного канала 44 передачи.

Радиочастотные импульсы возбуждения возбуждают магнитно-резонансные сигналы в визуализируемом объекте 16, которые пространственно кодируются подобранными градиентами магнитного поля. Далее, контроллер 40 визуализации управляет радиочастотными приемниками или каналами 78 приема, соединенными с катушечными элементами 32 через приемопередатчики в первой и второй ячейках и переключателями 76 передачи/приема для демодуляции принятых беспроводным способом и пространственно кодированных магнитно-резонансных сигналов, принятых каждым катушечным элементом. Принятые пространственно кодированные магнитно-резонансные данные сохраняются в памяти 80 магнитно-резонансных (MR) данных.

Процессор, алгоритм, устройство или другое средство 82 реконструкции реконструирует из сохраненных магнитно-резонансных данных реконструированное изображение визуализируемого объекта 16 или его выбранный участок, находящийся внутри области 14 исследования. Реконструирующий процессор 82 применяет метод реконструкции на основе Фурье-преобразования или другой подходящий метод реконструкции, который согласуется с пространственным кодированием, применяемым при сборе данных, и в показанном варианте осуществления по технологии SENSE алгоритм развертывания SENSE. Реконструированное изображение сохраняется в памяти 84 изображений и может отображаться на пользовательском интерфейсе 86, передаваться по локальной сети или сети Internet, распечатываться принтером или применяться иным способом. В показанном варианте осуществления пользовательский интерфейс 86 предоставляет также рентгенологу или другому пользователю возможность взаимодействия с контроллером 40 визуализации для выбора, модификации или исполнения последовательностей визуализации. В других вариантах осуществления предусмотрены отдельные пользовательские интерфейсы для управления сканером 10 и для отображения реконструированных изображений или иного манипулирования ими.

Вышеописанная система 8 магнитно-резонансной визуализации является наглядным примером. Как правило, по существу, любой сканер для магнитно-резонансной визуализации может содержать многоэлементные радиочастотные катушки. Например, сканер может быть сканером с незамкнутым магнитом, сканером с вертикальным туннелем, сканером со слабыми полями, сканером с сильными полями и т.д.

Как видно из фиг.3, в режиме калибровки первый (второй) приемник 100 (102) соответствующей первой (второй) катушки 28 (30) периодически анализирует принятый широкополосный калибровочный сигнал и оценивает, по меньшей мере, одну частоту или более частот, на которых принятый сигнал ослабляется или усиливается вследствие частотно-селективного суммирования и погашения, так как калибровочный сигнал отражается от многочисленных соседних отражательных поверхностей. Например, калибровочный сигнал имеет общую постоянную амплитуду на каждой частоте сверхширокой полосы частот. Блок 104 (106) оценки канала сравнивает амплитуду принятого калибровочного сигнала на каждой частоте с предварительно заданным порогом и определяет частоты, на которых сигнал является максимально мощным, например, определяет сигналы, мощности которых выше порога и насколько они выше порога. Порог можно настроить, например, так, чтобы он соответствовал частотной составляющей калибровочного сигнала с минимальной амплитудой. Поскольку калиброванный сигнал, принятый первым (вторым) приемником 100 (102), содержит данные с низкой скоростью передачи, то блок 104 (106) оценки канала может обеспечить точные характеристики сигнала вдоль текущего тракта сигнала. Первый (второй) блок, алгоритм, устройство или средство 108 (110) коррекции мощности сигнала снижает значение усиления на частотах наиболее мощных сигналов. Например, усиление или мощность на частотах более мощных сигналов снижается на 10 дБ. В качестве другого примера усиление на каждой частоте можно уменьшать обратно пропорционально соответствующей принятой мощности сигнала. В качестве другого примера усиление можно увеличивать или уменьшать, насколько требуется, чтобы привести все частоты к общей мощности. Поскольку дальности передачи невелики, то общая мощность может быть относительно низкой. После того как мощность сигнала для более мощных сигналов ослаблена, коэффициент усиления аналого-цифрового преобразователя 112 (114) можно настроить так, чтобы известные более слабые сигналы были согласованы с диапазоном аналого-цифровых преобразователей. Первый (второй) передатчик 116 (118) соответствующей первой (второй) катушки 28 (30) передает ряд сигналов с амплитудой на каждой частоте, скорректированной или сниженной в соответствии с заданным ослаблением, чтобы широкополосный сигнал, принятый приемопередатчиками 60, 64; 62, 66, имел, по существу, одинаковый динамический диапазон для каждой частоты. Тем самым компенсируется мощность сверхширокополосной передачи для устранения частотно-селективного затухания. Калибровка повторяется периодически, например приблизительно через каждую миллисекунду. Хотя несущие частоты около 2,4 ГГц являются предпочтительными, пригодна любая частота выше 500 МГц. Частоты ниже 500 МГц могут создать помехи резонансным сигналам и RF-сигналам, используемым для возбуждения и управления, в частности, в системах с более сильными полями.

Выше приведено описание передачи резонансных сигналов из каждого катушечного элемента 32 сверхширокополосными сигналами в канале связи в приемопередатчики 60, 62, 64, 66, смонтированными в туннеле. После того как сигналы приняты приемопередатчиками, сигналы могут быть переданы по проводу, оптически, инфракрасным светом, повторно переданы с применением широкополосной технологии в приемник на краю экранированного помещения и т.п. Разумеется, предполагается, что аналого-цифровое преобразование может выполняться на стороне приемопередатчиков.

Такую же технологию можно применить для передачи сигналов RF (высокочастотного) возбуждения и управления из приемопередатчиков в локальные катушечные элементы. Передатчики для формирования RF-импульсов возбуждения и управления для объекта и источника питания могут быть смонтированы в локальной катушке. Калибровочные сигналы передаются из локальных катушек в приемопередатчики, и коэффициенты ослабления для сверхширокополосных передатчиков в измерительном преобразователе корректируются, как описано выше.

Как показано на фиг.3, каждый приемопередатчик 60, 62, 64, 66 связан с возможностью функционирования с первой и второй антеннами 120, 122. Переключатель 130 разнесенного приема каждого приемопередатчика 60, 62, 64, 66 выбирает подсоединение к одной из первой и второй антенн, чтобы обеспечивать разнесенные прием и передачу. Например, решение по разносу принимается на основании качества принятого сигнала, поиск которого выполняют на той же антенне, которая производила передачу. В другом варианте осуществления объединяются сигналы от двух антенн.

Как показано на фиг.4, в начале (например, перед участком 150 данных) каждого передаваемого пакета 152 данных применяется преамбула 148, чтобы допускать синхронизацию приемников с передатчиками. В зависимости от качества средств связи, параметров передачи и продолжительности передачи стандартную длину преамбулы (24 символа) сокращают. На основании анализа принятого сигнала устройство, алгоритм, механизм или средство 160, 162 формирования преамбулы выбирает длину преамбулы, например 12 символов, например, вычитанием 12 символов из 24 символов, стандартных для преамбулы. В другом варианте осуществления устройство 160, 162 формирования преамбулы выбирает длину преамбулы 6 символов, например, вычитанием 18 символов из 24 символов, стандартных для преамбулы. Разумеется, предполагается, что длина преамбулы может быть равной любому числу символов от 6 до 12. Таким образом, посредством сокращения стандартного размера преамбулы на, по меньшей мере, 12 символов повторная передача осуществляется почти непрерывно, и производительность системы не страдает. В одном варианте осуществления короткие преамбулы вставляют в поток данных для ускорения восстановления синхронизации.

Выше изобретение описано на примере предпочтительных вариантов осуществления. Специалисты смогут создать модификации и внести изменения после прочтения и изучения вышеприведенного подробного описания. Предполагается, что изобретение следует интерпретировать как охватывающее все упомянутые модификации и изменения, пока они находятся в пределах притязаний прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.

Реферат

Использование: для сверхширокополосной радиопередачи в системах магнитно-резонансной визуализации. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют беспроводной прием калибровочного сигнала с расширенным спектром между радиочастотной катушкой и соответствующим беспроводным приемопередатчиком, производят оценку характеристики мощности частотно-зависимого сигнала на основе калибровочного сигнала между беспроводным приемопередатчиком и катушкой, после чего на основании оценки выполняют корректировку по мощности частотно-зависимых сигналов для сигналов данных с расширенным спектром, которые содержат данные, полученные в области исследования, чтобы создать частотно-зависимые компенсированные сигналы данных, и затем передают скомпенсированные сигналы данных в соответствующий беспроводной приемопередатчик. Технический результат: повышение производительности и качества передачи сигналов в системах магнитно-резонансной визуализации. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула