CN119644218A - 一种用于磁共振成像系统的外围设备及具备其的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振成像系统的外围设备，以及一种由所述磁共振成像系统和所述外围设备构成的系统。所述外围设备具有用于接收所述外围设备的周围环境中的控制信号的传感器。所述外围设备被设计成从所述控制信号中获得用于所述外围设备中的信号处理的参考时钟和所述外围设备的控制信息。所述控制信息借助于相位调制被调制为所述控制信号。

Description

一种用于磁共振成像系统的外围设备及具备其的系统

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振成像系统的外围设备及具备其的系统。

背景技术

磁共振成像系统是用外部强磁场将受检对象的核自旋对齐，并通过交变磁场激励核自旋围绕这个的对齐进动，以便对受检对象进行成像的成像装置。自旋从这个激励状态到具有较小的能量的状态的进动或返回作为响应又产生交变磁场，该交变磁场经由天线来接收。

借助于梯度磁场对信号施加位置编码，这些位置编码随后使得接收到的信号能够与体积元相对应。随后，对接收到的信号进行评估并且提供受检对象的三维成像显示。优选用局部接收天线，即所谓的局部线圈来接收信号，为实现更好的信噪比，将这些局部线圈直接布置在受检对象上。

通常通过电缆将这些局部线圈与磁共振成像系统连接在一起，通过这些电缆传输接收的信号以进行图像重建，并且为局部线圈提供能量和控制信号。

由于用于图像生成的磁共振成像同样依赖于精确的相位信息，因此，局部线圈需要具有精确且统一的相位参考。

但同样可以采用其他用于磁共振成像系统的无线外围设备，必须为这些无线外围设备提供频率和相位稳定的时钟和控制信息，这仅仅是为了减少外围设备对图像采集的干扰。其例如可能为用于检测患者的生理值的传感器，或者操作或通信设备。

公开案DE 10 2021 206 483 A1揭示过一种局部线圈和一种磁共振成像系统，其中此磁共振成像系统将参考时钟光学传输至局部线圈，其中借助于键控在两个调制频率之间传输控制信息。通过调幅将调制频率调制为光信号。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种成本更低且更好的外围设备，特别是无线局部线圈。

在本发明的外围设备的实施方式中，所述外围设备具有用于接收所述外围设备的周围环境中的电和/或磁控制信号的传感器，其中所述外围设备被设计成从所述控制信号中获得用于所述外围设备中的信号处理的参考时钟和所述外围设备的控制信息，并且所述控制信息借助于相位调制被调制为所述控制信号。换言之，外围设备被设计成借助于相位调制器从控制信号中获得控制信息。

有利地，可以借助于参考时钟使外围设备的频率稳定，由此减少干扰。相位调制能够在无参考时钟干扰的情况下可靠地传输控制信息，下文将对此点进行阐述。

在本发明的外围设备的一种可行的实施方式中，所述外围设备适于以360/n度的相移键控获得相位调制，以获得控制信息，其中自然数大于1。

有利地，可以通过具有多个步骤的相移键控提高传输的信息密度。

在所述外围设备的一种可行的实施方式中，所述外围设备具有系数为n的倍频器，其中由频率倍增获得参考时钟。

有利地，系数为n的频率倍增导致，调制的360度/n的相位跳变在倍增的频率下变成360度的相位跳变，因此，作为参考频率具有相位稳定性。

在本发明的外围设备的一种可行的实施方式中，频率倍增和相位调制时的除数的值n等于2。换言之，相位调制通过180的相位跳变实施，参考频率相当于控制信号的频率的两倍。

在本发明的一种可行的实施方式中，所述外围设备为磁共振成像系统的局部线圈。局部线圈具有用于接收用于以磁共振成像系统实施图像采集的磁共振信号的天线线圈。无干扰的图像采集需要明确定义的频率与相位关系，通过参考时钟来确保该关系。利用参考时钟来处理用于图像采集的磁共振信号，以例如进行频率变换和/或用作数字化的时钟。

本发明的外围设备适于与磁共振成像系统一起使用。其中，所述外围设备在图像采集时不造成或尽可能不造成干扰。所述外围设备优选是无线的，也就是与磁共振成像系统不采用有线连接，但同样可以采用有线的实施方案。在下文将结合从属权利要求说明的一种优选实施方式中，所述外围设备为局部线圈。

本发明的外围设备具有用于接收该外围设备的周围环境中的电控制信号、磁控制信号或电磁控制信号的传感器。也就是说，控制信号是通过电交变场、磁交变场或电磁交变场传输的。交变场的频率优选大于1MHz、10MHz、100MHz或1GHz。接收可以通过电容、电感方式或通过自由场传输实施。信号也可以为光学信号。传感器例如可以为电天线、磁天线、感应线圈或光电检测器。优选将设有磁共振成像系统，特别是磁共振成像系统的患者隧道的空间视为周围环境。

该外围设备被设计成从控制信号中获得用于外围设备中的信号处理的参考时钟和外围设备的控制信息。将周期信号称为参考时钟，该信号定义频率且能够通过相位实现对参考时钟的稳定时间参考。下文将结合从属权利要求和附图对例如可以由控制信号获得参考时钟的方案进行说明。

将磁共振成像系统可用来控制外围设备改变工作状态的所有信息视为控制信息。该工作状态例如可以为操作设备的静止状态或局部线圈的所谓失谐状态。同样可以对放大进行设定或者选择输入通道。

上述目的还通过本发明的系统达成，所述系统具有磁共振成像系统和本发明的外围设备。所述磁共振成像系统具有参考时钟发生器、调制器和控制信号发送器。参考时钟发生器适于提供频率和相位稳定的参考时钟。优选地，由磁共振成像系统的中央时钟派生出参考时钟，该中央时钟同样预设用于检测和分析磁共振数据的时钟。磁共振成像系统还具有调制器。调制器与参考时钟发生器处于信号连接且从这个参考时钟发生器得到参考时钟。调制器适于借助于相位调制以控制信息调制参考时钟。控制信息优选由磁共振成像系统的控制器提供，且与序列的执行相关。磁共振成像系统还具有用于无线传输控制信号的控制信号发送器。控制信号发送器与调制器处于信号连接，由此接收以控制信号调制的参考时钟，并且将控制信号发射至磁共振成像系统中的外围设备的周围环境中。这例如可以通过天线、感应线圈或光学发射器，如LED或激光器来实施。

有利地，本发明的系统能够为磁共振成像系统控制一个序列内外围设备中的操作，从而提供可靠且优化的图像采集。

在本发明的系统的一种可行的实施方式中，所述调制器适于在参考时钟的过零点中实施相位调制。特别是在相位转换180度的相位调制中，转换在过零点处实施，具体方式是，在过零点处转换输出信号的极性，也就是说，调制器的输出信号反转，直至下一个调制步骤。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为由磁共振成像系统以及本发明的电子外围设备组成的本发明的系统的示意图；

图2为本发明的用于传输时钟信号和控制信号的传输系统的框图；

图3为本发明的系统的调制器的一个例示性实施方式的示意图；

图4为本发明的系统的解调器的一个例示性实施方式的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图1示出由磁共振成像系统1和本发明的电子外围设备组成的本发明的系统的一种实施方式的示意图。

磁体单元10具有场磁体11，该场磁体产生用于将记录区域内的样本或患者100的核自旋对齐的静态磁场B0。记录区域的特点是极度均匀的静态磁场B0，其中的均匀性特别是与磁场强度或绝对值有关。记录区域近似呈球形且布置在患者隧道16中，该患者隧道沿纵向2延伸穿过磁体单元10。患者检查台30在患者隧道16中由移行单元36移动。场磁体11通常是指能够提供具有高达3T的磁通密度的磁场的超导磁体，在最新的设备中甚至能提供磁通密度更高的磁场。然而，较小的磁场强度也可以使用永磁体或具有常导线圈的电磁体来实现。

此外，磁体单元10具有梯度线圈12，这些梯度线圈被设计成将三个空间方向上的时间和空间可变磁场叠加至磁场B0，以对待检体积中采集到的成像区域进行空间区分。梯度线圈12通常具有由常导线材制成的线圈，这些线圈可以在待检体积中产生相互正交的场。

磁体单元10同样具有体线圈14，该体线圈设计成将通过信号线提供的高频信号辐射至待检体积，并且接收患者100所发出的共振信号并通过信号线输出。

控制单元20为磁体单元10提供用于梯度线圈12和体线圈14的不同信号，并且对接收到的信号进行评估。

由此，控制单元20具有梯度控制器21，该梯度控制器设计成通过进线为梯度线圈12供应可变电流，这些电流时间协调地在待检体积中提供期望的梯度场。

控制单元20还具有高频单元22，该高频单元设计成产生具有预定时间曲线、振幅和光谱功率分布的高频脉冲，以激励患者100的核自旋的磁共振。其中，可以实现千瓦范围内的脉冲频率。可以通过体线圈14或通局部发射天线将激励信号辐射至患者100。

控制器23通过信号总线25与梯度控制器21和高频单元22通信。

磁共振成像系统1的环境中存在大量外围设备或附属设备，这些设备可参与到对磁共振图像的检测中。这些设备可以是操作元件、用于与患者通信或交谈的装置、或对患者100的生理参数进行检测的生理传感器。本发明的外围设备的示例有局部线圈50或平板电脑80。

这些外围设备中的许多个包含数字电路或处理器，其时钟信号和派生信号可能产生干扰。在进行信号处理时，特别是产生低于时钟频率的频率分量，其频率通常为时钟频率的整数分数，并且又会产生谐波。但在适宜地选择时钟频率的情况下，可以确保这些干扰信号处于磁共振信号或后续信号处理路径的有效频率之间，且不会造成干扰。但时钟频率必须足够稳定，从而不会因例如温度变化而迁移至干扰频率范围。因此，本发明的磁共振成像系统1具有用于无线传输时钟信号的传输装置，如控制信号发送器60。时钟信号优选由磁共振成像系统1的稳定主时钟派生出来，控制单元20将该主时钟提供给控制信号发送器60。当进行光学传输时，时钟信号可以被调制为光载波。当借助于射频范围内的电和/或磁交变场进行传输时，可以直接通过交变场的频率传输时钟信号。

本发明的外围设备同样需要控制信号。控制信号可以涉及简单接通和断开或者启用/禁用功能，以例如防止外围设备干扰图像采集。控制信号也可以启用保护功能，例如局部线圈50的失谐，以防止局部线圈50被破坏，或者患者100受到与激励脉冲相关的危害。

图2示出时钟和控制信号的传输路径的示意性框图。传输路径具有包含调制器61的控制信号发送器60。控制单元20将时钟信号和控制信息输往调制器61。在调制器61中将控制信息调制为时钟信号。结合附图对细节和不同的实施方式进行说明。随后，发射器62发射出调制控制信号以进行传输。

在有线传输中，发射器62例如可以为根据传输线实施调整的小型功率放大器或功率驱动器。在借助于电场、磁场或电磁场的无线传输中，发射器62例如可以为电天线或磁感应线圈，其同样可以具有放大器。在光学传输中，可以采用LED或激光器作为发射器62。

在外围设备一侧设有用于接收控制信号的互补传感器71。其同样可以为天线或感应线圈，或者光学接收器，如光电管或光电二极管。传感器71同样可以具有用于放大接收的控制信号的放大元件，以将这个控制信号调节至预定的电平。

随后，将接收的控制信号输往解调器73，其通过解调来提取时钟信号和控制信息。其中，倍频器72同样将频率乘以整数系数n的控制信号输往解调器73。例如可以通过控制信号的双向整流来实现频率倍增。例如可以通过转换成方波信号或者通过之后滤除期望的谐波来实现奇数倍数。例如也可以用PLL电路来实现其他倍增系数。

图3示出本发明的系统的调制器61的一种例示性实施方式。将时钟信号C和待调制的控制信息D输往调制器61。

时钟信号C大多为方波信号，因此，首先用第一低通滤波器611进行滤波，以产生近似正弦信号，该信号具有较少的干扰谐波。随后，以移相器613实施可调节的相移，下文还将对移相器的功能进行说明。

通过触发器612使得控制信息D或数据信号与时钟信号C边沿同步，随后，作为双极性信号在模拟乘法器614或混频器中与低通滤波的时钟信号相乘。将乘积是低通滤波，并且作为BPSK调制控制信号提供以进行传输。

为将转换过程造成的干扰保持在极低水平，通过可静态设置的移相器613将相位转换时间设置在时钟信号的过零点中。之后的输出低通滤波器615的极限频率大于信号频率的两倍，使得转换过程尽可能顺利。在示例中，在10MHz的时钟频率中应用25MHz的7阶切比雪夫低通滤波器作为输出低通滤波器615。

图4示意性地示出解调器73的例示性实施方案。将控制信号和频率乘以系数n的控制信号输往解调器73，这些控制信号例如由传感器71输出并且由倍频器72提供。在最简单的情形下，系数n等于2。

带通滤波器731对频率倍增的控制信号进行滤波，并且作为参考频率输往简单PLL732。PLL 732作为“Jitter Cleaner(抖动滤除器件)”以较小的环路带宽(例如50Hz)工作。PLL 732将除数据调制的干扰作用以及由于传输通道的振幅动态不足而出现的噪声清除。环路带宽之外，信号品质主要由PLL内部VCXO的品质决定。随后，在分频器733中以n分频之后，在输出端提供时钟信号C。这个信号上不再有任何调制。

通过将调制控制信号S与干净的输出时钟信号C在乘法器741中简单相乘来实施控制信息D的BPSK解调。将混合乘积在低通滤波器742中例如用5阶巴特沃斯低通滤波器滤波，随后，作为数据信号D输出。

施密特触发器735与RC低通滤波器734的组合确保只有在PLL 732已可靠地锁定的情况下，才对PLL 732的“锁定检测”信号进行进一步处理。以接收信号S计时的触发器736由施密特触发器735输出信号产生与时钟信号同步的开关信号。这个开关信号通过与门737中的AND操作与未滤波的“锁定检测”信号逻辑连接。由此，确保在接收信号中断后立即切断输出信号或时钟信号C。只有在PFD有稳定的“锁定检测”信号的情况下，才与10MHz的接收信号同步地发出输出信号C。通过静态移相器738和阈值开关739，与分频器733的清零功能配合地设定触发器736的时钟输入端的信号边沿。所触发的清零功能确保数据信号在接通后具有定义的逻辑状态。借助于静态移相器740设定最大检测器灵敏度的信号相位。随后，控制信号或数据信号D要么可以直接用作开关信号，或者先作为串行数据信号解码，以控制多个控制功能。

在图4所示附加功能(如数据与时钟信号的同步或者时钟信号的抖动和振幅稳定)的实施方式中，虽然对操作有利，但根据本发明的时钟信号和控制信息以及调制的控制信号的传输在没有该等附加功能的情况下也能实现。

尽管通过优选实施例对本发明进行了详细阐释和描述，但本发明并不局限于这些揭示的示例，且本领域技术人员可以据此在不脱离本发明的保护范围的情况下推导出其他变体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于磁共振成像系统(1)的外围设备，其特征在于，所述外围设备具有用于接收所述外围设备的周围环境中的电和/或磁控制信号的传感器(71)，其中所述外围设备被设计成从所述控制信号中获得用于所述外围设备中的信号处理的参考时钟和所述外围设备的控制信息，并且所述控制信息借助于相位调制被调制为所述控制信号。

2.根据权利要求1所述的外围设备，其中所述外围设备适于，以360/n度的相移键控解调相位调制以获得所述控制信息，其中n为大于1的自然数。

3.根据权利要求2所述的外围设备，其中所述外围设备具有用于使所述控制信号的频率以所述系数n倍增的倍频器(72)，其中所述外围设备被设计成由所述控制信号的频率倍增获得所述参考时钟。

4.根据上述权利要求中任一项所述的外围设备，其中n等于2。

5.根据上述权利要求中任一项所述的外围设备，其中所述外围设备为所述磁共振成像系统(1)的局部线圈(50)，且所述局部线圈(50)适于，利用所述参考时钟来处理用于图像采集的磁共振信号。

6.一种系统，由根据上述权利要求中任一项所述的外围设备和磁共振成像系统(1)构成，其中所述磁共振成像系统(1)具有参考时钟发生器、调制器(61)和控制信号发送器(60)，其中所述参考时钟发生器适于将参考时钟提供至所述调制器(61)，所述调制器(61)适于借助于相位调制以控制信息调制所述参考时钟，且所述控制信号发送器(60)适于将所述控制信号发射至所述磁共振成像系统(1)中的外围设备的周围环境中。

7.一种系统，具有根据权利要求4或5所述的外围设备，其中所述调制器(61)适于在所述参考时钟的过零点中实施所述相位调制。