ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕМИСТОРНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ РАДИОЧАСТОТНЫХ КАТУШЕК ПРИ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ
USING MEMISTOR DEVICES FOR RADIO FREQUENCY COILS IN MAGNETIC RESONANCE TOMOGRAPHY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящая заявка относится к магнитно-резонансной (MR) томографии. Она находит конкретное применение в сочетании со встроенными схемами для радиочастотных катушек в сканерах магнитно-резонансной томографии.
Уровень техники
0
1
Система магнитно-резонансной томографии (MRI) и спектроскопии (MRS) часто используется для исследования и лечения пациентов. С помощью такой системы ядерные спины ткани тела, которая должна исследоваться, выравниваются статическим основным магнитным полем B и возбуждаются поперечными магнитными полями B, колеблющимися в радиочастотном диапазоне. При получении изображений релаксационные сигналы подвергаются воздействию градиентных магнитных полей, чтобы определить местоположение результирующего резонанса. Релаксационные сигналы принимаются, чтобы сформировать известным образом одномерное или многомерное изображение. В спектроскопии информацию о составе ткани несет частотная составляющая резонансных сигналов.
Двумя типами MR-систем, которые широко используются, являются "открытые" MR-системы (вертикальная система) и системы "сквозного типа". В первых системах пациент помещается в зону исследования, которая располагается между двумя магнитными полюсами, соединенными блоком C-образной формы. Во время исследования или лечения пациент доступен фактически со всех сторон. Вторые системы содержат цилиндрическое пространство исследования (осевая система), в которое помещается пациент.
Система радиочастотных катушек обеспечивает передачу радиочастотных сигналов и прием резонансных сигналов. В дополнение к системе радиочастотных катушек, которая наглухо встраивается в устройство получения изображения, вокруг или внутри конкретной области, которая должна обследоваться, могут гибко устанавливаться катушки специального назначения. Катушки специального назначения проектируются таким образом, чтобы оптимизировать отношение "сигнал-шум" (SNR), особенно в ситуациях, где требуются однородное возбуждение и высокая чувствительность обнаружения. Дополнительно специальные последовательности радиочастотных сигналов, повышенные напряженности поля, высокие углы переворота или последовательности в реальном времени могут применяться и создаваться многоканальными антенными устройствами и многомерные возбуждения могут ускоряться.
Во время этапа передачи процедуры магнитно-резонансной томографии радиочастотные сигналы передачи имеют величину, на несколько порядков большую, чем резонансный сигнал, создаваемый возбужденными ядрами. Для сохранения безопасности пациента и защиты чувствительной схемы приемника вместе с катушками, как известно, используются полупроводниковые переключатели, в частности pin-диоды, в сочетании со схемой защиты оборудования приемника. Например, отключение или расстройка приемных катушек достигается, соединяя LC-цепь с приемной катушкой через pin-диод, чтобы изменять ее резонансную частоту и блокировать наведение в катушке тока сигналами передачи. Запирание предварительных усилителей, которое осуществляется pin-диодом, создающим короткое замыкание на входе предварительного усилителя, обеспечивает дополнительную защиту цепей предварительного усилителя. Pin-диоды также используются в схемах выбора и переключения катушек, например, мультиплексор содержит матрицу pin-диодов, в которой сигнал управления включает/выключает выбранные элементы катушек, которые должны соединяться с MR-системой.
Pin-диоды обычно используются для многочисленных реализаций переключающих схем из-за их быстродействия, компактности и немагнитного корпуса. К сожалению, по мере улучшения технологии напряженность поля и количество элементов катушек в радиочастотных матрицах увеличились. Это приводит к большему количеству схем перестройки в матрицах катушек. Так как каждая схема перестройки для правильного функционирования требует ток смещения определенной величины, общая величина мощности для работы схем перестройки также увеличилась. Поэтому желательно найти решения для схем перестройки, которые требуют меньшей мощности для их работы.
Настоящая заявка обеспечивает новые и улучшенные схемы переключения, которые решают упомянутые выше и другие проблемы.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним вариантом, сборочный узел радиочастотных катушек содержит радиочастотную катушку и множество резистивных элементов памяти. Каждый резистивный элемент памяти сохраняет выбранное резистивное состояние после того, как сигнал управления отключается.
В соответствии с другим вариантом, способ магнитно-резонансной томографии содержит радиочастотные сигналы передачи для наведения резонансных сигналов и приема резонансных сигналов. Резистивное состояние памяти устанавливается так, чтобы расстраивать радиочастотную катушку во время передачи радиочастотных сигналов, закорачивать вход предварительного усилителя во время передачи радиочастотных сигналов, избирательно соединять один из множества выходов с последующей схемой обработки и хранить информацию.
Одно из преимуществ состоит в повышенной безопасности пациента и оборудования.
Другое преимущество состоит в улучшенном отношении "сигнал-шум" (SNR).
Другое преимущество состоит в снижении сложности системы.
Другое преимущество состоит в снижении стоимости.
Другое преимущество состоит в снижении потребления мощности.
Другое преимущество состоит в эффективном использовании пространства.
Другие дополнительные преимущества настоящего изобретения станут понятны специалистам в данной области техники после прочтения и понимания нижеследующего подробного описания.
Краткое описание чертежей
Изобретение может принимать форму различных компонент и сочетаний компонент и различных этапов и сочетаний этапов. Чертежи приводятся только для целей иллюстрирования предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничение изобретения.
Фиг. 1 - схематичное представление системы магнитно-резонансной томографии; и
Фиг. 2 - схематичное представление MR-катушки с использованием мемисторных устройств.
Осуществление изобретения
0
0
Со ссылкой на Фиг. 1, система 10 магнитно-резонансной (MR) томографии содержит основной магнит 12, создающий однородное во времени поле B, пересекающее область 14 исследования. Основной магнит может быть кольцевым магнитом или магнитом с отверстием, C-образным незамкнутым магнитом, иметь другие конструкции разомкнутых магнитов и т.п. Катушки 16 градиентного магнитного поля, расположенные рядом с основным магнитом, служат для создания градиентов магнитного поля вдоль выбранных осей относительно магнитного поля B для пространственного кодирования сигналов магнитного резонанса, чтобы создавать градиенты поля намагничивания-модуляции добротности и т.п. Катушка 16 градиента магнитного поля может содержать сегменты катушек, выполненные с возможностью создания градиентов магнитного поля в трех ортогональных направления, обычно продольном или z-, поперечном или x- и вертикальном или y-направлениях.
Сборочный узел 18 радиочастотных (RF) катушек, таких как радиочастотная катушка, предназначенная для всего тела, располагается рядом с областью исследования. Сборочный узел радиочастотных катушек создает радиочастотные импульсы для возбуждения магнитного резонанса в диполях объекта. Сборочный узел 18 радиочастотных катушек также служит для обнаружения сигналов магнитного резонанса, исходящих из области получения изображения. Как вариант, локальные, поверхностные или находящиеся в живом организме радиочастотные катушки 18' обеспечиваются в дополнение или вместо радиочастотной катушки 18, предназначенной для всего тела, для более чувствительного локализованного пространственного кодирования, возбуждения и приема сигналов магнитного резонанса.
1
Чтобы собрать данные магнитного резонанса об объекте, объект помещается внутрь области 14 исследования, предпочтительно в изоцентр или вблизи изоцентра основного магнитного поля. Контроллер 20 сканирования управляет контроллером 22 градиента, который заставляет градиентные катушки прикладывать выборочные импульсы градиентного магнитного поля к области получения изображения, как может потребоваться в выбранной последовательности магнитно-резонансной томографии или спектроскопии. Контроллер 20 сканирования также управляет радиочастотным передатчиком 24, который заставляет сборочный узел радиочастотных катушек формировать импульсы возбуждения магнитного резонанса и манипулирования В. Контроллер сканирования также управляет радиочастотным приемником 26, который соединяется со сборочным узлом радиочастотных катушек, чтобы принимать от него сформированные сигналы магнитного резонанса. Контроллер 20 сканирования также содержит или управляет источником 27 напряжения постоянного тока, который обеспечивает подачу положительных или отрицательных постоянных напряжений для управления, чтобы увеличивать или уменьшать сопротивление резистивные элементов памяти (мемисторов) (не показаны на Фиг. 1) в приемной катушке 18, 18', как объясняется ниже более подробно. Одновременно с источником 27 напряжения постоянного тока имеется резистивный блок 28, измеряющий сопротивление резистивных элементов памяти.
Принятые данные от приемников 26 временно хранятся в буфере 29 данных и обрабатываются процессором 30 данных магнитного резонанса. Процессор данных магнитного резонанса может выполнять различные функции, как известно в технике, в том числе реконструкцию изображения (MRI), магнитно-резонансную спектроскопию (MRS), определение местоположения катетера или хирургического инструмента и т.п. Реконструированные изображения магнитного резонанса, результаты считывания спектроскопии, информация о местоположении хирургического инструмента и другие обработанные MR-данные хранятся в устройстве памяти, таком как архив пациентов медицинского учреждения. Графический интерфейс пользователя или устройство 34 отображения содержит устройство ввода данных пользователем, которое клинический врач может использовать для управления контроллером 20 сканирования, чтобы выбирать последовательности и протоколы сканирования, MR-данные для отображения и т.п.
1
1
Сборочный узел 18, 18' радиочастотных катушек содержит несколько специализированных передающих катушек и приемных катушек, каждая из которых, соответственно, соединена с радиочастотным передатчиком 24 и радиочастотным приемником 26. Радиочастотный передатчик содержит многочисленные каналы, каждый из которых соединяется, по меньшей мере, с одной передающей катушкой, которые совместно формируют в передающих катушках импульсы В для возбуждения резонанса и манипулирования. Аналогично, радиочастотный приемник содержит многочисленные каналы, каждый из которых соединяется, по меньшей мере, с одной приемной катушкой, которые принимают сформированные сигналы магнитного резонанса. Следует понимать, что также предполагается единая приемо-передающая катушка. В идеале, передающая и приемная катушки должен быть полностью изолированы; однако, во время этапа передачи в приемных катушках наводится ток, который, в свою очередь, формирует радиочастотные поля, которые противоположны желаемым импульсам В манипуляций при передаче локально вблизи приемных катушек. Дополнительно, наведенные токи могут не только повредить чувствительные приемные катушки, но также создать угрозу безопасности объекта.
1
2
N
Со ссылкой на Фиг. 2, сборочный узел 18, 18' радиочастотных катушек содержит множество приемных катушек 40, 40..., 40, показанных схематично. Каждая приемная катушка содержит сегмент 42 катушки, который последовательно соединяется со схемой 44 расстройки. Схема расстройки отключает приемную катушку во время этапа передачи процедуры получения изображения. Схема содержит резистивный элемент памяти или переключатель 46 или переключающий мемистор, соединенные последовательно с сегментом катушки. Резистивный переключатель памяти является переключателем на основе мемисторов, который обеспечивает управляемое сопротивление в соответствии с проходящим через него сигналом управления и помнит резистивное состояние после отключения сигнала управления. Традиционные схемы расстройки используют pin-диодный переключатель; однако, pin-диоды требуют непрерывного сигнала управления, который может вызывать искажения поля вдоль линии передачи сигнала управления, если она не экранирована должным образом. Соответственно, при радиочастотных импульсах передачи повышенной мощности требуется все более и более мощный сигнал управления, чтобы обеспечить смещение pin-диода, гарантирующее, что сегмент катушки остается отсоединенным.
1
31
19
Перед этапом передачи сигнал управления, формируемый контроллером 20 сканирования, в одном варианте осуществления активно создает смещение резистивного переключателя памяти в проводящее состояние, чтобы оперативно присоединить параллельный резонансный режекторный фильтр 48, симметрирующий трансформатор и т.п. к соответствующему сегменту катушки. Резонансный режекторный фильтр действует как большое сопротивление, чтобы, по существу, блокировать прохождение тока в сегменте катушки. Соответственно, резонансный режекторный фильтр настраивается на частоту магнитного резонанса или ларморову частоту. В многоядерных системах магнитного резонанса может использоваться более чем одна схема расстройки, в которой каждый резонансный режекторный фильтр настраивается на желаемые виды ядер, например H, P, F и т.п. В другом варианте осуществления схема 44 расстройки содержит одиночный резистивный переключатель памяти, соединенный последовательно с сегментом катушки, который действует как большое сопротивление, чтобы отключить приемную катушку. В таком устройстве схема расстройки является, по существу, широкополосной и не требует настройки, что предпочтительно в многоядерных системах магнитного резонанса. Дополнительно, настройка резонансного режекторного фильтра имеет сопутствующую стоимость и коэффициент надежности. Следует также понимать, что для использования в многоядерных системах магнитного резонанса также предполагается больше, чем один резонансный режекторный фильтр.
В другом варианте осуществления импульс передачи используется для наведения постоянного напряжение смещения для создания смещения резистивного переключателя 46 памяти в состояние с большим сопротивлением (или малым сопротивлением) в отсутствие сигнала управления. Это устройство может быть реализовано добавлением пассивной схемы управления к резистивному переключателю памяти. Пассивная схема управления создает необходимый сигнал управления непосредственно из радиочастотного сигнала, см., например, публикацию общего пользования WO/2008/078270 A1. Это позволяет иметь высокие значения токов, но не низкие значения токов, чтобы параллельный резонансный контур отсоединил сегмент катушки. Следует также понимать, что может использоваться как активное, так и пассивное отсоединение.
2
N
Продолжая ссылаться на Фиг. 2, приемные катушки 40…, 40 содержат согласующие цепи 50, чтобы согласовать характеристическое сопротивление соответствующего сегмента 42 катушки с одноканальным радиочастотным предварительным усилителем 52. Согласующая цепь может быть настраиваемой согласующей цепью, которая позволяет настраивать согласующее сопротивление, чтобы приспособиться к размеру объекта и, следовательно, компенсировать изменение добротности Q приемной катушки. Например, больший размер объекта будет снижать значение Q, приводя в результате к рассогласованию сопротивлений, влияя, таким образом, на качество изображения. Схема 54 запирания присоединяется параллельно между сегментом 42 катушки и предварительным усилителем 52. В ответ на сигнал смещения постоянного тока, созданный контроллером 20 сканирования до этапа передачи, резистивный переключатель 56 памяти, присутствующий в схеме запирания, смещается в состояние проводимости, которое создает короткое замыкание входа предварительного усилителя. Схема 54 запирания действует для защиты предварительного усилителя 52 и других последующих электронных устройств от чрезмерных радиочастотных токов, наведенных во время этапа передачи при выполнении последовательности получения изображения. Дополнительно, схема запирания содержит схему 58 смещения для контроля наведенного тока. Если обнаруживается частный максимальный уровень мощности, схема смещения создает сигнал управления для смещения резистивного переключателя памяти, закорачивая, таким образом, вход предварительного усилителя.
1
2
N
1
2
N
В одном варианте осуществления выход предварительного усилителя 52 соединяется со схемой 60 многоканального (или с многочисленными одиночными каналами) мультиплексора 60, причем каждый канал мультиплексора соответствует выходу приемной катушки 40, 40…, 40. Мультиплексор содержит множество резистивных элементов памяти или переключателей 62, 62…, 62, каждый из которых соответствует каналу мультиплексора и, в свою очередь, приемной катушке. Сигнал управления, подаваемый контроллером 20 сканирования, смещает один или субнабор резистивных переключателей памяти в состояние проводимости, чтобы присоединить одну или более приемных катушек к последующей схеме обработки. Таким образом, приемная катушка может иметь больше каналов, чем последующая схема обработки, например радиочастотный приемник 26.
Резистивные элементы памяти приемной катушки могут также выполнять функцию устройства памяти. Как пример, сборочный узел катушек содержит устройство 70 памяти, которая содержит множество резистивных элементов 72 памяти. В двоичном варианте осуществления каждый элемент смещается в состояние высокого сопротивления или в состояние низкого сопротивления, чтобы хранить информацию, такую как идентификатор катушки, характеристики, статистику использования и т.п., в виде двоичных единиц "1" и нулей "0". Поскольку мемисторы могут быть установлены на разные значения сопротивления, память может отличаться от двоичной памяти, например, иметь основание 8, основание 10, основание 32 и т.п.
В более сложном варианте осуществления каналы приемных катушек, которые мультиплексор 60 не присоединяет к радиочастотному приемнику 26, могут присоединяться другой группой резистивных переключателей памяти мультиплексора к устройству 70 памяти. Информация приемного канала оцифровывается и хранится в резистивном состоянии резистивных элементов 72 памяти, в то время как приемник демодулирует другие каналы резонансных сигналов, поступающих от мультиплексора 60. Затем мультиплексор передает сигналы приемных каналов, хранящиеся в устройстве 70 памяти, на радиочастотный приемник 26.
Продолжая ссылку на Фиг. 1, принятые данные от приемников 26 временно сохраняются в буфере 29 данных и обрабатываются процессором 30 данных магнитного резонанса. Следует понимать, что также предполагается буфер данных, содержащий множество резистивных элементов памяти. Процессор данных магнитного резонанса может выполнять различные функции, как известно в технике, в том числе реконструкцию изображения (MRI), магнитно-резонансную спектроскопию (MRS), определение местоположения катетера или хирургического инструмента и т.п. Реконструированные магнитно-резонансные изображения, данные считывания спектроскопии, информация о местоположении хирургического инструмента и другие обработанные MR-данные хранятся в устройстве памяти, таком как архив пациентов медицинского учреждения. Графический интерфейс пользователя или устройство 34 отображения содержит устройство ввода данных пользователем, которое клинический врач может использовать для управления контроллером 20 сканирования, чтобы выбирать последовательности и протоколы сканирования, MR-данные для устройства отображения и т.п.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. Модификации и изменения могут вноситься другими лицами после прочтения и понимания предшествующего подробного описания. Предполагается, что изобретение создается так, чтобы содержать в себе все такие модификации и изменения настолько, насколько они попадают в пределы объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.