РАССТРАИВАЕМОЕ РАДИОЧАСТОТНОЕ ПРИЕМНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО
DETUNABLE RADIO FREQUENCY RECEPTION ANTENNA DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области магнитно-резонансной (MR) томографии. Оно касается расстраиваемого радиочастотного приемного антенного устройства для получения MR сигналов в системе MR томографии. Изобретение также относится к MR устройству, которое включает в себя такое радиочастотное приемное антенное устройство.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
MR способы формирования изображения, которые используют взаимодействие между магнитными полями и ядерными спинами для формирования двумерных или трехмерных изображений, широко используются в настоящее время, особенно в области медицинской диагностики, потому что для визуализации мягких тканей они во многих отношениях превосходят другие способы визуализации, не требуют ионизирующей радиации и обычно не инвазивны.
В целом, согласно MR способу исследуемое тело пациента помещается в сильное, однородное магнитное поле, направление которого одновременно определяет ось (обычно z-ось) системы координат, на которой основывается измерение. Магнитное поле создает различные энергетические уровни для отдельных ядерных спинов в зависимости от напряженности магнитного поля, которые могут быть возбуждены (спиновой резонанс) путем применения импульсного переменного электромагнитного поля (радиочастотный импульс) определенной частоты (так называемой Ларморовой частоты или MR частоты). После окончания радиочастотного импульса MR сигнал может быть обнаружен посредством приемной радиочастотной антенны (также называемой приемной катушкой), которая установлена и ориентирована внутри исследуемого объема MR устройства таким образом, что временная вариация результирующей намагниченности тела пациента измеряется в перпендикулярном направлении к z-оси. Для реализации в теле пространственного разрешения на однородное магнитное поле накладываются линейные градиенты магнитного поля, простирающиеся вдоль трех основных осей, приводя к линейной пространственной зависимости частоты спинового резонанса. Тогда MR сигнал, принятый посредством приемной радиочастотной антенны, содержит компоненты различных частот, которые могут быть связаны с различными местоположениями в теле.
Как правило, уровень переменного электромагнитного поля во время радиочастотного импульса на порядки больше, чем MR сигнал, генерируемый возбужденными ядерными спинами и детектируемый радиочастотной приемной антенной. Для получения максимального отношения сигнала к шуму (SNR) приемная радиочастотная антенна обычно является частью радиочастотного резонансного контура, настроенного в резонанс на MR частоте. Для обеспечения безопасности и предохранения чувствительной радиочастотной приемной аппаратуры, в том числе приемной антенны и резонансного контура, радиочастотный резонансный контур обычно расстраивается во время облучения радиочастотными импульсами. Поэтому известные приемные радиочастотные аппаратные средства содержат переключающую схему, которая выполнена с возможностью переключения радиочастотного резонансного контура между резонансным режимом и нерезонансным режимом. Сбор MR сигнала происходит в чувствительном резонансном режиме, то есть во время фазы приема процедуры томографии, в то время как во время фазы передачи радиочастотный резонансный контур переключается в нерезонансный режим. В нерезонансном режиме резонансная частота радиочастотного резонансного контура смещена от MR частоты. Таким образом, эффективно избегается опасная индукция высоких напряжений в радиочастотном резонансном контуре во время фазы передачи.
Соответственно, известен способ расстраивания электрической схемы приема в MR системе путем использования полупроводниковых переключателей или PIN диодов применительно к соответствующей индуктивно-емкостной (LC) электрической схеме. Обычно используются две основных разновидности (см., например, WO 2008/078270 A1), а именно активная расстройка и пассивная расстройка.
С активной расстройкой напряжение смещения подается на полупроводниковый переключатель на основе PIN диода в соединении с LC контуром для расстройки радиочастотной приемной катушки во время фазы передачи процедуры томографии. Недостатком активного метода расстройки является то, что для переключения радиочастотного резонансного контура между резонансным режимом и нерезонансным режимом необходим внешний переключающий сигнал. Это увеличивает сложность системы MR томографии. Другим недостатком является то, что из-за высокой мощности радиочастотных импульсов к переключательным диодам должно быть приложено соответственно высокое напряжение смещения, чтобы гарантировать, что приемная электрическая схема останется разъединенной во время радиочастотного облучения. Это высокое напряжение смещения увеличивает сложность конструкции и рассеяние тепла в соответствующих линиях питания постоянного тока. Кроме того, ток в результате высокого напряжения смещения индуцирует возмущения поля, в основном магнитное поле, тем самым ухудшая качество изображения.
С пассивной расстройкой используются антипараллельные диодные полупроводниковые переключатели в соединении с LC электрической схемой. В этом подходе антипараллельные комбинации высокоскоростных переключательных диодов расстраивают радиочастотный резонансный контур непосредственно в ответ на радиочастотный импульс. Другими словами, когда антипараллельная комбинация диодов подвержена воздействию мощного сигнала радиочастотного импульса, каждый диод проводит во время его соответствующего полупериода радиочастотного излучения. Большим недостатком пассивной расстройки является то, что в случае радиочастотных импульсов с небольшим углом поворота спинов эффект самосмещения антипараллельных диодов слишком мал. Следовательно, не достигается надежная расстройка радиочастотного резонансного контура во время фазы передачи.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Из вышесказанного легко понять, что существует необходимость в улучшенной технике расстройки. Следовательно, задачей изобретения является обеспечение надежной расстройки радиочастотных приемных элементов во время фазы передачи процедуры MR томографии, в которой нет необходимости во внешнем сигнале расстройки и в которой надежная расстройка обеспечивается даже в случае радиочастотных импульсов с небольшим углом поворота спинов.
В соответствии с изобретением раскрывается радиочастотное приемное антенное устройство для получения MR сигналов в системе MR томографии. Устройство содержит радиочастотный резонансный контур, в том числе радиочастотную приемную антенну для приема MR сигналов, радиочастотный усилитель, соединенный на его входе с радиочастотным резонансным контуром для усиления принятых MR сигналов, цепь обнаружения, конфигурированную для получения переключающего сигнала из выходного сигнала радиочастотного усилителя, и переключающую схему, реагирующую на переключающий сигнал, причем переключающая схема конфигурирована для переключения радиочастотного резонансного контура между резонансным режимом и нерезонансным режимом.
Суть изобретения состоит в том, что выходной сигнал радиочастотного усилителя может эффективно использоваться для получения переключающего сигнала для переключения радиочастотного резонансного контура между резонансным режимом (во время фазы приема) и нерезонансным режимом (во время фазы передачи). Не требуется никакой внешний сигнал расстройки, генерируемый аппаратными средствами управления используемого MR устройства, потому что переключающий сигнал генерируется автоматически путем обнаружения радиочастотного импульса во время фазы передачи. Радиочастотный импульс индуцирует напряжение в радиочастотном резонансном контуре (даже в нерезонансном режиме), который усиливается радиочастотным усилителем. Уровень выходного сигнала радиочастотного усилителя достаточен для надежного обнаружения фазы передачи процедуры томографии, даже в случае радиочастотных импульсов с небольшим углом поворота спинов. Время реакции цепи обнаружения, например, приблизительно на порядок величины короче, чем время нарастания радиочастотного импульса. Таким образом, изобретение добивается того, что радиочастотный резонансный контур переключается в нерезонансный режим прежде, чем радиочастотный импульс может вызвать опасно высокие напряжения. Кроме того, радиочастотная приемная антенна изобретения может быть обеспечена с пассивной цепью расстройки, которая включает в себя антипараллельные диодные полупроводниковые переключатели в соединении с LC электрической схемой. Такая пассивная расстройка сама по себе известна, например, из международной заявки WO 2008/078270.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения радиочастотное приемное антенное устройство дополнительно содержит аналого-цифровой преобразователь, соединенный непосредственно или косвенно с выходом радиочастотного усилителя, причем в котором цепь обнаружения конфигурирована для получения переключающего сигнала из выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя. Цепь обнаружения контролирует выход аналого-цифрового преобразователя и генерирует переключающий сигнал для переключения радиочастотного резонансного контура в нерезонансный режим, когда распознано облучение радиочастотным импульсом. Согласно особенно практичному варианту осуществления цепь обнаружения конфигурирована для получения переключающего сигнала из сигнала переполнения аналого-цифрового преобразователя. В этом случае изобретение использует тот факт, что радиочастотный импульс, воздействуя на радиочастотный резонансный контур, перегружает аналого-цифровой преобразователь радиочастотной приемной антенны. Это применяется во время всей фазы передачи системы MR томографии, даже с радиочастотным резонансным контуром, переключенным в нерезонансный режим. Преимущество этого варианта осуществления изобретения состоит в том, что не требуются почти никакие дополнительные электронные компоненты для модификации существующей цифровой радиочастотной приемной антенны для работы в соответствии с изобретением. В случае радиочастотных импульсов особенно низкой амплитуды, которые не обязательно перегружают аналого-цифровой преобразователь, фаза передачи, тем не менее, может быть обнаружена посредством соответствующей обработки цифровых сигналов. С этой целью радиочастотная приемная антенна изобретения предпочтительно содержит цифровой сигнальный процессор, конфигурированный для получения переключающего сигнала из выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя.
Однако также существующие аналоговые радиочастотные приемные антенные устройства могут легко быть адаптированы для работы в соответствии с изобретением путем обеспечения компаратора, соединенного непосредственно или косвенно с выходом радиочастотного усилителя. В этом варианте осуществления цепь обнаружения конфигурирована для получения переключающего сигнала из выходного сигнала компаратора. Компаратор генерирует переключающий сигнал для расстройки радиочастотного резонансного контура, когда выходной сигнал радиочастотного усилителя превышает данный уровень передачи. Уровень передачи указывает на облучение радиочастотным импульсом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения цепь обнаружения демонстрирует гистерезис. Это означает, например, что радиочастотный резонансный контур переключается назад из нерезонансного режима в резонансный режим, когда выходной сигнал радиочастотного усилителя падает ниже данного уровня приема, который ниже, чем уровень передачи. Уровень для переключения из резонансного в нерезонансный режим и уровень для переключения обратно из нерезонансного режима в резонансный режим должны отличаться, потому что уровень сигнала на выходе радиочастотного усилителя падает, как только радиочастотный резонансный контур переключается в нерезонансный режим после обнаружения облучения радиочастотным импульсом. Это падение сигнала не должно приводить к несвоевременному переключению назад в резонансный режим. Таким образом, гистерезис цепи обнаружения гарантирует надежную работу цепи обнаружения. В качестве альтернативного решения цепь обнаружения может быть настроена так, что радиочастотный резонансный контур переключается обратно из нерезонансного режима в резонансный режим не ранее окончания заранее заданного промежутка времени после переключения из резонансного режима в нерезонансный режим. Кроме того, согласно другому предпочтительному варианту осуществления цепь обнаружения может быть конфигурирована для переключения резонансного контура из резонансного режима в нерезонансный режим по истечении данного промежутка времени с момента, в который выходной сигнал радиочастотного усилителя превышает уровень передачи. Таким образом, предотвращается непреднамеренное переключение из-за случайных резких увеличений сигнала.
Радиочастотное приемное антенное устройство, описанное выше, может использоваться для получения MR сигналов от тела пациента, расположенного в исследуемом объеме MR устройства во время фазы приема, причем MR устройство содержит:
основной магнит для генерации однородного, постоянного магнитного поля в пределах исследуемого объема,
множество градиентных катушек для генерации переключаемых градиентов магнитного поля в различных пространственных направлениях в пределах исследуемого объема,
объемную радиочастотную катушку для генерации радиочастотных импульсов в пределах исследуемого объема во время фазы передачи,
блок управления для управления временной последовательностью радиочастотных импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля и
блок реконструкции для реконструкции MR изображения из полученных MR сигналов.
Радиочастотное приемное антенное устройство согласно изобретению может выгодно использоваться с большинством MR устройств, используемых в клинической практике в настоящее время. Согласно предпочтительному варианту осуществления радиочастотное приемное антенное устройство беспроводным способом соединяется с другими компонентами цепочки компонент приема и обработки MR сигнала MR устройства. Возможности автоматической расстройки радиочастотного приемного антенного устройства согласно изобретению особенно полезны в приложениях, в которых обнаруженные MR сигналы передаются на аппаратные средства обработки сигналов и реконструкции MR устройства посредством беспроводной цифровой передачи. Это имеет место потому, что беспроводная связь между различными компонентами системы MR обследования не достаточно надежна для обеспечения внешнего сигнала расстройки, выдаваемого системным контроллером MR устройства на радиочастотную приемную антенну. Тем не менее, проводное электрическое или оптическое соединение также находится в рамках изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи раскрывают предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Следует понимать, однако, что чертежи предназначены только для целей иллюстрации, а не как определение пределов изобретения. На чертежах:
фиг. 1 показывает MR устройство согласно изобретению;
фиг. 2 показывает беспроводное радиочастотное приемное антенное устройство согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 показано MR устройство 1. Устройство содержит сверхпроводящие или резистивные основные магнитные катушки 2 так, что в исследуемом объеме создается в значительной степени однородное, постоянное во времени основное магнитное поле вдоль z-оси.
Система генерации и манипулирования магнитным резонансом подает ряд радиочастотных импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля для того, чтобы инвертировать или возбудить ядерные магнитные спины, индуцировать магнитный резонанс, перефокусировать магнитный резонанс, манипулировать магнитным резонансом, пространственно и иным образом закодировать магнитный резонанс, насытить спины и т.п. для выполнения MR томографии.
Что особенно важно, усилитель 3 градиентных импульсов подает импульсы тока на выбранные градиентные катушки 4, 5 и 6 для всего тела вдоль осей x, y и z исследуемого объема. Во время фазы передачи процедуры MR томографии цифровой радиочастотный передатчик 7 передает радиочастотные импульсы или пакеты импульсов к радиочастотной катушке 8 для объема всего тела для передачи радиочастотных импульсов в исследуемый объем. Типичная последовательность MR томографии состоит из пакета радиочастотных сегментов импульса малой длительности, которые в совокупности друг с другом и любыми приложенными градиентами магнитного поля обеспечивают выбранную манипуляцию ядерным магнитным резонансом. Радиочастотные импульсы используются для насыщения, возбуждения резонанса, инвертирования намагниченности, перефокусировки резонанса или манипулирования резонансом и выбора части тела 9, расположенного в исследуемом объеме.
Для формирования MR изображений ограниченных участков тела 9 локальное радиочастотное приемное антенное устройство 10 помещается в прилегающей к выбранной для визуализации области. Устройство 10 используется для приема MR сигналов, индуцированных радиочастотными передачами катушки для тела. Результирующие MR сигналы принимаются, усиливаются, демодулируются и оцифровываются радиочастотным приемным антенным устройством 10 во время фазы приема процедуры томографии.
Главный компьютер 11 управляет усилителем 3 градиентных импульсов и передатчиком 7 для генерации любого множества последовательностей MR томографии, например эхо-планарную визуализацию (EPI), эхо-объемную визуализацию, градиент- и спин-эхо визуализацию, быструю спин-эхо визуализацию и т.п. Для выбранной последовательности радиочастотное приемное антенное устройство 10 принимает одну или множество MR линий данных практически сразу после каждого радиочастотного возбуждающего импульса. Устройство 10 соединяется через беспроводной цифровой канал передачи данных с системой 12 сбора данных, которая преобразует каждую линию MR данных в цифровой формат, пригодный для последующей обработки. Система 12 сбора данных является отдельным компьютером, который специализируется на сборе необработанных данных изображений.
В конечном счете, цифровые необработанные данные изображений реконструируются в визуальное представление реконструирующим процессором 13, который применяет преобразование Фурье или другие соответствующие алгоритмы реконструкции. MR изображение может представлять собой плоское сечение пациента, массив параллельных плоских сечений, трехмерный объем и т.п. Затем изображение сохраняется в памяти для изображений, где оно может быть доступно для преобразования сечений, проекций или других частей визуального представления в соответствующий формат для визуализации, например, через видеомонитор 14, который обеспечивает понятное человеку отображение результирующего MR изображения.
Со ссылкой на фиг. 2 более подробно описывается MR приемное антенное устройство 10. Устройство 10 содержит радиочастотный резонансный контур, в том числе радиочастотную приемную антенну 15 в виде катушки с одной замкнутой петлей. Антенна 15 соединена с конденсатором 16 так, что антенна 15 и конденсатор 16 образуют LC цепь. Радиочастотный усилитель 17 соединен на его входе с радиочастотным резонансным контуром, образованным антенной 15 и конденсатором 16. Радиочастотный усилитель 17 усиливает MR сигналы, принимаемые антенной 15. Радиочастотная приемная антенна 10 дополнительно содержит цепь 18 управляющей логики, которая обеспечивает переключающий сигнал для переключающей схемы 19. Переключающая схема 19 содержит электронный переключатель 20 и конденсатор 21, который соединен параллельно к конденсатору 16 из радиочастотного резонансного контура. При активации переключателя 20 радиочастотный резонансный контур переключается из резонансного режима, в котором радиочастотный резонансный контур резонирует на MR частоте, в нерезонансный (то есть расстроенный) режим, в котором резонансная частота радиочастотного резонансного контура, теперь формируемая катушкой 15 и конденсаторами 16 и 21, смещена далеко от резонансной MR частоты. Радиочастотный смеситель 22 преобразует MR сигнал, принятый радиочастотной антенной 15, к более низкой частоте путем перемешивания сигналов с радиочастотным сигналом, предоставляемым цепью 18 управляющей логики. Перемешивание обеспечивает более низкую частоту выходного сигнала, который затем оцифровывается аналого-цифровым преобразователем 23. (Прямое аналого-цифровое преобразование, то есть без частотного понижающего преобразования, конечно, также возможно.) Выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 23 подается на цепь 18 управляющей логики, составляющую цепь обнаружения в рамках изобретения. Цепь 18 управляющей логики получает переключающий сигнал, подаваемый на переключающую схему 19, из выходного сигнала аналого-цифрового преобразователя 23. Цепь 18 управляющей логики переключает радиочастотный резонансный контур в нерезонансный режим, как только выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя превышает данный уровень передачи. Переключающий сигнал предпочтительно получается из сигнала переполнения аналого-цифрового преобразователя 23, подаваемого на цепь 18 цифрового управления. Сигнал переполнения показывает воздействие радиочастотного импульса на радиочастотный резонансный контур, потому что аналого-цифровой преобразователь сразу же перегружается сигналом, возникающим в результате на выходе радиочастотного усилителя 17. Подходящий алгоритм обработки цифровых данных может быть реализован в цепи 18 управляющей логики так, что радиочастотный резонансный контур переключается назад из нерезонансного режима в резонансный режим, когда выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 23 падает ниже данного уровня приема, указывая на начало фазы приема. Цепь 18 управляющей логики соединяется с модулем 24 беспроводной цифровой передачи данных, который передает оцифрованные MR сигналы через антенну 25 системе 12 сбора данных MR устройства 1 (см. фиг. 1).
Например, усилитель 17 может иметь диапазон рабочих частот в 1 ГГц так, что эффективное время реакции усилителя 17 равно примерно 10-20 нс. Аналого-цифровой преобразователь 23 работает, например, на частоте 50 МГц и имеет свойственную задержку в приблизительно 100 нс. Кроме того, управляющая логика имеет время реакции, равное приблизительно одному такту аналого-цифрового преобразователя, то есть приблизительно 20 нс. Соответственно, в зависимости от значений параметров компонентов устройства 10 общее время реакции для переключения радиочастотного резонансного контура в расстроенное состояние равно приблизительно 140-250 нс. Обычно время нарастания передачи радиочастотных импульсов равно приблизительно 2 мкс. Следовательно, время, необходимое для переключения в расстроенное состояние, приблизительно на порядок меньше, чем время нарастания передачи радиочастотного импульса. Следовательно, переключающая схема настоящего изобретения будет эффективно расстраивать радиочастотный резонансный контур, чтобы избежать негативных воздействий из-за передачи радиочастотного импульса.