包括数字下变换器的MRI射频接收器.pdf

本发明涉及一种核磁共振成像射频接收器(112；216；308；404)，所述接收器(112；216；308；404)适于从至少一个射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)接收模拟信号，所述射频接收器(112；216；308；404)包括：模-数转换器(118；226)，其用于将前置放大的模拟磁共振信号转换成数字信号，用于对所述数字信号进行数字下变换的模块(120；230)，以及适于经由通信链路(例如，无线、光学或有线)传输下变换的数字信号的第一通信接口(130；252)。

1、  一种核磁共振成像射频接收器(112；216；308；404)，所述接收器(112；216；308；404)适于从至少一个射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)接收模拟信号，所述射频接收器(112；216；308；404)包括：
-模-数转换器(118；226)，其用于将前置放大的模拟磁共振信号转换成数字信号，
-用于对所述数字信号进行数字下变换的模块(120；230)，以及
-适于经由通信链传输经下变换数字信号的第一通信接口(130；252)。

2、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，还包括本地时钟振荡器(128；248)。

3、  根据权利要求2所述的接收器(112；216；308；404)，其中，可以由导频音信号对所述本地时钟振荡器(128；248)进行同步，所述导频音信号由导频音发射线圈产生，或者其中，可以由系统时钟(136；322)对所述本地时钟振荡器(128；248)进行同步。

4、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，还包括用于对所述下变换的数字信号进行编码和/或压缩的模块(122；232)。

5、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，其中，所述接收器(112；216；308；404)被包括在所述射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)中。

6、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，还包括合并模块(250；124)，其中，所述合并模块(250；124)适于组合多个数字化的磁共振信号以及用于控制所述接收器(112；216；308；404)的控制和状态信号，所述多个数字化的磁共振信号源于所述接收线圈单元(106；200；202；300；400；402)的多个天线元件(106；200；400)。

7、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，还包括电子测试电路，其中，所述电子测试电路适于检查所述射频接收器(112；216；308；404)的电子部件，其中，可以使用测试线圈(206)执行所述检查，所述测试线圈(206)适于在所述射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)中。

8、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，还包括用于在数字化的射频信号中进行尖峰信号的检测和去除的模块(234)。

9、  根据权利要求1所述的接收器(112；216；308；404)，其中，所述第一通信接口(130；252)适于通过无线射频传输或光传输或有线传输经由所述通信链路提供数字化的信号。

10、  一种磁共振成像设备，包括根据前述权利要求的任一项所述的核磁共振成像射频接收器(112；216；308；404)，所述设备还包括：
-至少一个射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)，
-适于产生主磁场的主磁体(100)，
-适于有选择地产生叠加到所述主磁场上的磁场梯度的磁场梯度线圈(102)，
-用于产生射频脉冲序列的射频发射线圈(106；204；302)，
-第二通信接口(134)，所述第二通信接口(134)适于与所述第一通信接口(130；252)通信，以及
-控制和数据采集系统(144；324；418)，其中，所述控制和数据采集系统(144；324；418)适于利用所述第二通信接口(134)与所述接收器(112；216；308；404)通信。

11、  一种用于磁共振成像系统的RF接口结构(306)，包括：
-根据前述权利要求1到9的任一项所述的至少一个接收器(112；216；308；404)，
-第二通信接口(134)，所述第二通信接口(134)适于与所述接收器(112；216；308；404)的所述第一通信接口通信，
-合并模块(250；124)，其中，所述合并模块(250；124)适于对在多个第二通信接口(134)上传送的多个信号进行组合，利用多个接收器(112；216；308；404)将所述多个信号传送给多个射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)或从所述多个射频接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)传送所述多个信号，
-射频扫描控制单元(142；318)，所述射频扫描控制单元(142；318)适于控制所述至少一个接收器(112；216；308；404)。

12、  一种控制和数据采集系统(144；324；418)，包括用于产生脉冲序列和/或控制命令的模块，所述脉冲序列和/或控制命令适于控制RF接口结构(306)，所述从属系统包括根据前述权利要求1到9的任一项所述的接收器(112；216；308；404)。

13、  一种用于从磁共振成像接收线圈单元(106；200；202；300；400；402)接收射频信号的方法，所述方法包括：
-从所述接收器线圈单元(106；200；202；300；400；402)接收前置放大的模拟磁共振信号，
-将所述模拟信号转换成数字信号，
-对所述数字信号进行数字下变换，以及
-在第一通信接口(130；252)上传送所述数字下变换信号。

包括数字下变换器的MRI射频接收器
技术领域
本发明涉及一种核磁共振成像射频接收器、磁共振成像设备、RF接口结构、控制和数据采集系统、从磁共振成像接收线圈单元接收射频信号的方法和升级老式磁共振成像系统的方法。
背景技术
磁共振成像(MRI)是用于对骨骼附近和周围的软组织结构成像的公知成熟技术，是针对脊柱和关节问题的最灵敏的检查技术。MRI广泛用于诊断与运动相关的损伤，尤其是那些影响膝盖、肩膀、臀部、肘部和手腕的损伤。此外，心脏、大动脉、冠状动脉和血管的MRI是用于诊断冠心病和心脏问题的快速非侵入性工具。也可以利用MRI以高度细节检查胸部和腹部的器官，包括肺、肝、肾、脾、胰和腹部血管，从而能够诊断和评价肿瘤和功能性疾病。
在MRI中，将射频波引导到强外部磁场中的核子处，例如质子处。首先激励质子然后弛豫，发射出可以检测到并由计算机处理的无线电信号，以形成图像。因此，磁共振(MR)射频(RF)接收线圈是接收在特定MR试验中发射的所述RF信号必需的部件。因此，最佳的天线元件位置是靠近被扫描的人体，因此大部分MR接收线圈被扫描器操作员放在患者身上。
特定线圈实施的实际工作流有效性对于MR扫描器的工作而言非常重要，因为它在很大程度上决定了MR扫描器的通量。此外，患者从主要由高效工作流确定的具有改善的患者舒适性(潜在地，更短或更轻的幽闭恐怖体验)的接收线圈以及减轻线缆混乱、更灵活地适应不同身体形状且更轻的人体工程学设计而受益。
由于MR接收线圈或(一般地)包括线圈和像放大器、开关等的各种电子部件的MR接收链对于外部射频波造成的扰动高度灵敏，所述MR接收链必需要进行电磁屏蔽，这需要将检查室中的MR接收链和分立技术室中的控制系统进行空间分隔。
MR接收链的现有技术特征在于笨重的并行模拟方案，具有很多昂贵的模拟设计元件，例如RF开关、RF放大器、RF电源、RF电缆和RF连接器等。所有这些部件通常散布在检查室中接收链和模拟部件到技术室中数字转换器之间10-20米距离内，由于部件的分散以及众多电部件之间不希望出现的交互，这使得这种情况成为有成本效益地设计和制造MR扫描器时最复杂和困难的方面。
在线圈中元件数量更多的情况下，这些问题变得更加严重，即，线圈系统包括需要利用先进布线技术有效组合的多个单独线圈。而且，在MRI系统中，每根电线都需要深入考虑和认真设计，必需要避免由于电线布线耦合效应对图像质量导致有害效果。
可以利用接收线圈的数字接口来克服这些问题。在这种情况下，已经在线圈内部执行了模拟到数字转换。通过将多种元件信息有效组合到仅几条光纤或电线中，甚至可以克服线圈中大元件数量的连接器和电缆尺寸和搬运问题。与传统的电线布线相比，利用光纤以数字方式传输RF和控制和状态信号显著减少了电线布线费用。这甚至实现了所述元件信息的无线传输。将线圈的数字接口与可用的技术和部件进行比较，在成本、尺寸和功率效率方面数字数据传输和组合方案更好。数字方案的另一好处在于，能够以可忽略的成本在线圈中增加额外的控制和采集特征，从而例如能够调谐用于自测线圈的发射线圈，并控制用于更高效线圈电源等的密集方案。
WO 03/032002A1提出了一种工作在射频带宽中的无线遥控单元，在存在由主磁体组件产生的磁场的情况下，可以将其用于和磁共振套件之内的顺序控制系统和图象处理系统进行接口连接。
US 6,356,780B1披露了一种技术，用于管理与成像系统中的外围装置和子系统相关的数据，包括提供存储器电路，以及在希望的时候，提供驻留在外围装置中的信号处理线路。
WO 2006/103591A1涉及一种磁共振成像系统、一种用于操作磁共振成像系统的磁共振成像方法以及一种用于操作磁共振成像系统的计算机程序。为了显著减少磁共振成像系统中电缆敷设数量，提出了一种磁共振成像系统，其中，通过利用数字格式从检查区或从检查区附近向检查区域之外的远程信号处理单元传输磁共振信号数据减少电缆数量。这允许使用简单的数字连接，例如单连接线等。不需要大捆同轴电缆，从而实现更便宜更可靠的磁共振成像系统。
WO 2004/089211A2披露了一种包括接收器组件的磁共振成像检查设备，所述接收器组件位于检查区附近，用于响应于磁共振信号产生信号，以传输到信号处理系统。为了克服与信号发生器和信号处理单元之间的金属电缆连接相关联的问题并克服与存在的非金属连接相关联的问题，接收器组件包括用于产生数字电磁信号的数字化器，以传输到信号处理单元。
US 6,339,717B1披露了一种包括主计算机单元、控制计算机单元和图像计算机单元的医学检查系统，尤其是磁共振系统。因此，靠近图像信号接收系统的射频线圈设置模拟到数字(AD)变换器，其中检查系统形成磁共振系统的样式。因此，可以将AD转换器设置在连接插头中，利用连接插头将信号线连接到射频线圈。
WO 2006/030331A2披露了一种射频接收线圈，包括被调谐到磁共振频率以检测磁共振信号的天线。与天线设置成一体结构的电子线路包括压缩电路，压缩电路包括磁共振信号和由增益控制信号控制的增益，以产生压缩的磁共振信号。此外，电子线路包括模拟到数字转换器，对压缩的磁共振信号进行数字化以产生数字化的压缩磁共振信号。
发明内容
本发明提供了一种核磁共振成像射频接收器，所述接收器适于从至少一个射频接收线圈单元接收模拟信号，射频接收器包括用于将前置放大的模拟磁共振信号转换成数字信号的模，数转换器，用于对数字信号进行数字下变换的模块，以及适于经由通信链路传输下变换数字信号的第一通信接口。
对磁共振信号进行数字传输，或者一般地例如通过光纤来以数字方式传输RF和控制及状态信号，优点是显著降低了电线布线费用。此外，这允许用分组交换数字网络，其能够有效地控制不同接收器，并将不同MR数据链合并和组合到每个线圈的单个数字网络接口。这有效地将现有技术MRI系统的电流模拟链转换成几乎纯粹的数字链，模拟成分内容得到非常大的降低。模拟链有效地减小到0.4米以下的长度。数字技术进一步允许选择能够针对其系统工程方面优化的接口层：降低电缆敷设和连接器成本、复杂性、尺寸、可靠性等。数字化接收链的抽象化能力还允许从控制和采集系统的其余部分或经由诸如TCP/IP以太网的网络标准上的功能接口对软件层上的接收链进行抽象化。完全抽象化的RF链潜在地还是可OEM的产品。
利用数字下变换器(即解调器)，可以通过对接收到的射频信号带进行解调来进行可变数据压缩。例如，对于1.5T质子MRI系统而言，通过对数字信号进行数字下变换，可以将数字化带宽减小几乎50倍，这是由于采集到的RF频率在64MHz左右，而适当的带宽仅为±1.5MHz。
根据本发明的实施例，接收器还包括本地时钟振荡器。因此，可以由导频音信号对所述本地时钟振荡器进行同步，所述导频音信号由导频音发射线圈产生，或根据本发明的另一个实施例，可以由系统时钟对所述本地时钟振荡器进行同步。利用数字链路作为分布中央系统时钟的方法，能够对整个系统中的不同接收器进行相位和频率锁定。从那时起，所有的控制和状态信息、MR数据和同步数据都在单个连接上行进，能够生成长期稳定的数字线圈接口，该接口支持无限的通道，直到数字链路的带宽极限。
在由导频音信号同步的实施例中，由导频音发射线圈连续产生RF频率并连同MR信号一起采集所述RF频率。由于导频音的相位是已知的，因此可以推导出采集MR信号的时间。
在由主系统时钟同步的实施例中，对于这种主系统时钟来说，需要长期频率稳定度。不过，由于将主系统时钟分布到各个线圈元件上，随着时钟通过各个电子和光学部件传播，时钟较短期的稳定性或抖动会劣化。然而，对于集成的RF装置而言，这种时钟劣化是无法接受的，尤其是对于数字接收器的模-数转换器而言。因此将本地振荡器选择为受电压控制的晶体振荡器(VCXO)以提供这种部件所需的低抖动。然而，没有特定时钟质量要求的网络节点不需要提供低抖动时钟。
例如，利用系统时钟作为产生光纤时钟的基准来分布系统时钟。这样使得每个上游(朝向线圈)光纤连接能够承载系统时钟。在每个光纤上游目的地，例如接收器，利用从数据自身导出的恢复时钟对光纤数据采样。这种被恢复的数据时钟仍包含过高频率抖动，不能用作上文所述的实际时钟。因此，使用本地负载抖动电压控制振荡器。利用恢复的时钟确保长期稳定性(即低频率抖动)，这是由于它是长期耦合到系统时钟的。
根据本发明的实施例，接收器还包括用于对下变换的数字信号进行编码和/或压缩的模块。对经过下变换的数字信号进行编码和/或压缩能够进一步减少经由通信链路传送的数据量。如上所述，接收器解调级能够将来自正进行数字转换的模-数转换器的数据减少高达50倍。这种减少非常重要，这是由于数据传输带宽是线圈中功耗的很大贡献者。此外，利用MR信号性质的数据编码和/或压缩能够进一步降低带宽并从而降低功耗。
根据本发明的实施例，接收器作为整体结构包括在射频接收器线圈单元中。于是，其余模拟链部件和复杂性大大减小了RF链的散布，在这种情况下RF链完全包含在线圈自身中，改善了诊断和维修平均时间。此外，在线圈中集成接收器实现了鲁棒的无线线圈方案，在发射到控制系统之前，该方案具有减小的MR信号数据带宽，这显著降低了无线线圈的功率消耗。
在射频接收器线圈单元中包括接收器进一步实现了新的商业机会，即RF线圈组接口连接在整个行业内的一致。这种一致性会对客户和制造商有益，这是由于这会减少MR系统中整个R接收链的拥有成本，因为在每个MR组织中这都是沉重的平台资源和成本负担。
具体而言，由于很多改进的原因，模拟接口上的数字接口实现了这一效果。例如，通过合并线圈组中已经有的不同元件的数据，数字传输允许增加元件数量而不会有连接器影响。此外，在线圈组中合并数字数据允许单个电线或导光线处理所有数据，而不是如现有技术那样的并行方案。模拟方案还使用更高的功率消耗来合并，且难以处理模拟复杂性。此外，在线圈组中以数字方式进行编码和/或无损耗的压缩能够减少要通过光纤发送的数据，并降低传输功耗，这是由于编码处理功率比发送未编码数据少得多。而且，模拟压缩更难以作为稳定方案加以管理，由于设计复杂性、功率消耗等原因，允许更少的压缩。数字接口还允许更智能地处理线圈组和元件ID及性质。而且，基于线圈组的数字控制能够进行更综合的线圈组自我诊断。甚至，MR接收链相对于核子频率的变化完全包封在线圈组之内而不再在系统中。
仅对于数字分组数据传输才启用无线线圈，这是由于模拟传输在带宽、功率消耗和可靠连接方面会不合要求。由于当前无线方案的带宽限制，在不远的将来，在适当时候将会把数字有线线圈与无线线圈组合。因此，无线线圈也能够受益于系统线圈接口改进的可定义性和可管理性。
根据本发明的实施例，接收器还包括合并模块，其中，所述合并模块适于组合多个数字化磁共振信号和用于控制接收器的控制和状态信号，所述多个数字化磁共振信号源于接收器线圈单元的多个天线元件。通过如下方式设计合并模块：提供来自其他接收器构成块的光纤接口和朝向线圈连接器和主系统的光纤接口，从而能够例如通过串行链接组合多个接收器单元和线圈。可以将这种串行链接一直进行到由所用通信链路的带宽决定的极限，并且可以将几乎任意数量的接收器和线圈连接到单个输出光纤链路。线圈自身的潜在串行链接可以进一步减少内部线路的长度，或甚至在一些情况下能够完全摆脱线路。在这种情况下，获得了树形拓扑。
根据本发明的实施例，接收器还包括电子测试电路，其中，所述电子测试电路适于检查所述射频接收器的电子部件，其中。可以使用测试线圈执行所述检查，所述测试线圈适配于所述射频接收器线圈单元中。由于可以容易地以有成本效益的方式对数字电子线路进行扩展以其增加智能功能，因此启用这种线圈自测和自我诊断，显著降低了服务和制造成本。
根据本发明的实施例，接收器还包括用于在数字化射频信号中检测和去除尖峰信号的模块。在接收器中这样实现尖峰信号检测和去除模块能够为尖峰信号检测实现更鲁棒和有成本效率的方案，尖峰信号检测可充当系统级尖峰信号抑制的依据。
根据本发明的实施例，所述第一通信接口适于通过无线射频传输或光传输或有线传输经由所述通信链路提供数字化信号。然而，优选光学传输或无线传输。即使RF接收器单元对电磁扰动高度灵敏，也可能进行无线射频传输。原因在于，RF接收器单元工作在较低MHz范围内，而无线传输在GHz范围内执行。
在另一方面中，本发明涉及一种磁共振成像设备，包括核磁共振成像射频接收器，至少一个射频接收器线圈单元，适于产生主磁场的主磁体，适于有选择地产生叠加到所述主磁场上的磁场梯度的磁场梯度线圈，用于产生射频脉冲序列的射频发射线圈，第二通信接口，所述第二通信接口适于与所述第一通信接口和控制和数据采集系统通信，其中，所述控制和数据采集系统适于利用所述第二通信接口与接收器通信。
根据本发明的实施例，该设备还包括系统时钟，所述系统时钟适于进行接收器本地时钟的同步。
在另一方面，本发明涉及一种RF接口结构，包括至少一个数字接收器，第二通信接口，所述第二通信接口适于与所述第一通信接口通信，所述第一通信接口适于与接收器的第一通信接口通信，合并模块，其中，所述合并模块适于组合通过多个第二通信接口传输的多个信号，所述多个信号是利用多个接收器向多个射频接收器线圈单元或从多个射频接收器线圈单元传输的，以及射频扫描控制单元，所述射频扫描控制单元适于控制所述至少一个接收器。
这种RF接口结构的优点在于，可以由OEM供应商向磁共振OEM供应该结构，所述OEM将RF接口结构集成到它们的现有系统中。数字子系统的部件分散小，制造复现能力得以改善。而且，数字接口的长期标准化是可能的。因此，本发明的RF接口结构实现了已安装基本磁共振成像设备的统一升级。
根据本发明的实施例，RF接口结构还包括系统时钟，所述系统时钟适于进行接收器本地时钟的同步。然而，通常，系统时钟可以位于磁共振成像系统中的任何位置。
根据本发明的实施例，所述RF接口结构可以由控制和数据采集系统控制，其中，所述控制和数据采集系统适于产生脉冲序列和/或控制命令并向RF接口结构传送所述脉冲序列和/或控制命令。
根据本发明的实施例，RF接口结构还包括用于产生脉冲序列和/或控制命令的模块，所述脉冲序列和/或控制命令是利用第二接口传送到接收器的。然而，用于产生脉冲序列和/或控制命令的所述模块还可以被包括在控制和数据采集系统或独立单元中。
在另一方面，本发明涉及一种控制和数据采集系统，包括用于产生脉冲序列和/或控制命令的模块，所述脉冲序列和/或控制命令适于控制RF接口结构，所述RF接口结构包括数字接收器。
根据本发明的实施例，RF接口结构还包括第二通信接口，所述第二通信接口适于与所述第一通信接口通信，合并模块，其中，所述合并模块适于对通过多个第二通信接口传送的多个信号进行组合，所述多个信号是利用多个接收器和射频扫描控制单元向多个射频接收器线圈单元传送或从多个射频接收器线圈单元传送的，所述射频扫描控制单元适于控制接收器。
根据本发明的实施例，控制和数据采集系统还包括系统时钟，所述系统时钟适于进行接收器本地时钟的同步。
在另一方面，本发明涉及一种从磁共振成像接收线圈单元接收射频信号的方法，所述方法包括从所述接收器线圈单元接收前置放大的模拟磁共振信号，将所述模拟信号转换成数字信号，对所述数字信号进行数字下变换，以及通过第一通信接口传输经数字下变换的信号。
根据本发明的实施例，该方法还包括对本地时钟振荡器进行同步。
根据本发明的实施例，由导频音信号对所述本地时钟振荡器进行同步，所述导频音信号由导频音发射线圈产生，或其中由系统时钟对所述本地时钟振荡器进行同步。
根据本发明的实施例，该方法还包括对下变换的数字信号进行编码和/或压缩。
根据本发明的实施例，该方法还包括组合多个数字化磁共振信号和用于控制接收器的控制和状态信号，其中，所述多个数字化磁共振信号源于接收线圈单元的多个天线元件。
根据本发明的实施例，该方法还包括检查所述射频接收器的电子部件，其中，利用测试线圈进行所述检查，所述测试线圈适配于射频接收器线圈单元中。
根据本发明的实施例，该方法还包括在数字化射频信号中检测和去除尖峰信号。
在另一方面中，本发明涉及一种升级具有至少一个接收线圈单元的旧式磁共振成像系统的方法，所述方法包括提供数字接收器。
为面市的数字磁共振接收链提供数字RF线圈组接口将为平台创造出很大的利用价值，并能够设置市场中的标准，这种标准为客户解决了其成本和线圈组拥有方面的问题。因此甚至能够实现为超过一家制造商赋予单一线圈组类型的能力。因此能够在所有数字RF链部件上进行商务活动，由此OEM将这些部件集成在它们的系统中。还可能将全部线圈组集成在OEM系统中。另一种用于升级旧式磁共振成像系统的情形可能是基于线圈组的接收器部件层次上的事情，由此OEM仅制造数字网络的系统方和协议。另一种可能是基于线圈组的接收器系统方的独立接收链上的事情，由此，OEM将该接收链与其他专有控制和数据采集系统对接。
根据本发明的实施例，该方法还包括提供控制和数据采集系统，所述控制和数据采集系统包括用于产生脉冲序列和/或控制命令的模块，所述脉冲序列和/或控制命令适于控制RF接口结构，所述RF接口结构包括接收器。
附图说明
在下文中，参考附图，仅以举例方式更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1是磁共振成像设备的实施例的方框图；
图2是根据本发明的接收器单元的实施例的方框图；
图3是示出了根据本发明的线圈组件-主机-RF接口结构的方框图；
图4是示出了磁共振成像接收链的构成块的方框图。
附图标记列表