JP5736156B2

JP5736156B2 - 磁気共鳴データの無線通信のためのシステムおよび方法

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Publication number: JP5736156B2
Application number: JP2010259752A
Authority: JP
Inventors: プラシド・ラマバドラン; サントシュ・クマール; エディ・ボスカンプ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2030-11-22
Also published as: US20110124301A1; DE102010060429A1; JP2011110422A; US8244192B2

Description

本発明は、一般に磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置に関し、より詳細には、ＭＲＩ装置の無線周波数（ＲＦ）コイルから、ＲＦコイルとは空間的に分離された受信器へアナログ磁気共鳴（ＭＲ）信号を無線で送信するためのデバイスおよび方法に関する。

通常のＭＲＩ装置では、撮像情報を検知するために通常はＲＦコイルが用いられる。ＲＦコイルは、いくつかの撮像エレメントと、撮像エレメントに対応する受信コイルとを備える。ＲＦコイルは、ＲＦコイル内の受信コイルおよび撮像エレメントの数に応じたいくつかの同軸ケーブルを通じて、１つまたは複数の画像再構成エンジンに接続される。受信コイルとケーブルとが互いに近接していることにより、ゴースト、低い信号対雑音比、さらには時には定在波を生じ得る。これらは複数ＲＦチャネル並列撮像用途では、より重大となる。

上記の問題に対する実行可能な解決策は、受信コイルと画像再構成エンジンの間を走る同軸ケーブルをなくし、それによりＲＦ（受信）コイルと画像再構成エンジンの間のＭＲデータの無線送信を使用することである。振幅変調、直接周波数変調、およびデジタル変調技術を用いた無線手段によるＭＲデータの送信について実験が行われてきた。

画像の正確な再構成のためには、受信コイルによって検知されたＭＲ信号の振幅および位相の完全性が保たれる必要がある。振幅変調に関連する１つの制約は、振幅変調された信号が増幅器およびミキサ段に含まれる能動半導体デバイスの雑音、振幅および位相非線形性に非常に影響されやすいことである。

一方、周波数変調は、復調器の忠実度が主として周波数変動に依存するので、ＲＦチャネル雑音、振幅および位相非線形性の影響を受けにくい。しかし、周波数変調技術は、非常に大きい帯域幅を消費する。周波数変調に関連するもう１つの制約は、直接周波数変調の実装に、高安定度の単周波数電圧制御発振器（ＶＣＯ）が必要となり得ることである。加えて、ＶＣＯの変調によりその周波数が不安定にならないことを確実にするために、閉ループ周波数制御システムなどの周波数安定化回路を含むことが必要となり得る。さらにＶＣＯの異なる中心周波数に対して、変調指数が異なり得る。

デジタル変調を用いる他のオプションは、関連するサンプリング回路を有する、各ＲＦチャネルごとの高ダイナミックレンジのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、サンプリングクロック回路、およびＲＦコイルの他の関連するデジタル回路が必要となり得る。この技術に関連する１つの制約は、等価なデジタル情報へのＭＲ信号のサンプリングおよび変換のプロセスに時間がかかり得ることである。

デジタル変調技術に関連するもう１つの制約は、アナログ−デジタル変換器が有限のダイナミックレンジを有するので、受信チェーン内で相当な振幅歪が生じると、アナログ−デジタル変換器に過負荷を引き起こし、クリップされたデジタル信号あるいは誤った量子化データを生じ得ることである。同様に信号がダイナミック量子化範囲の下限にあるときは、量子化プロセスはかなりの量子化雑音を導入し得る。

米国特許第７３２３８７６号公報

したがって、高い周波数安定度をもつ変調信号の高い再生忠実度を有し、外部電磁干渉の影響を受けず、大量での生産が実現可能で経済的であり、維持することが容易な通信アーキテクチャを構築する必要がある。

上記の短所、欠点、および問題は本明細書において対処され、以下の明細書を読み理解することによって理解されよう。

一実施形態では、磁気共鳴（ＭＲ）データを無線で送信する方法が提供される。この方法は、ＲＦコイル内の無線周波数（ＲＦ）チャネルから、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップと、ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップと、所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップであって、所定の周波数はＲＦチャネルに関連付けられる、ステップと、変調信号を用いてキャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップとを含む。

もう１つの実施形態では、ＭＲデータを通信する方法が提供される。この方法は、少なくとも１つの位相変調された信号を無線で送信するステップと、位相変調された信号を複数のアンテナを用いて受信器にて受信するステップと、受信器での復調のために、複数のアンテナの少なくとも１つから位相変調された信号を選択するステップと、位相変調された信号をダウンコンバートして中間周波数信号を得るステップと、中間周波数信号を復調器に印加することによって中間周波数信号を復調するステップと、復調された信号を、画像情報を処理するための量子化器に供給するステップとを含む。

他の実施形態では、コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読プログラムであって、ＭＲデータを通信する方法を実行するための命令を含む、コンピュータ可読プログラムが提供される。この命令は、少なくとも１つの位相変調された信号を無線で送信するルーチンと、送信された位相変調された信号を受信アンテナによって検知するルーチンと、受信した位相変調された信号を増幅して信号強度を高めるルーチンと、増幅された位相変調された信号をダウンコンバートして中間周波数信号を得るルーチンと、中間周波数信号を復調器に印加することによって中間周波数信号を復調するルーチンと、復調された信号を、画像情報を処理するための量子化器に供給するルーチンとを含む。

他の実施形態では、ＭＲデータを通信するためのＭＲＩ装置用のＲＦモジュールが提供される。ＲＦモジュールは、ＭＲデータを含む広帯域の位相変調された信号を送信するように構成された送信器と、送信器に無線で接続され、後続のデータ処理および画像再構成のために、位相変調された信号を受信するように構成された受信器とを備える。送信器は、ＭＲ信号を得るために１つまたは複数のＲＦチャネルの順次励起に対応するように構成されたＲＦスイッチアレイと、ラーモア周波数にて得られたＭＲ信号を、中間周波数を有する周波数変換された信号に変換するように構成された局部発振器と、所定の周波数を有するキャリア信号を発生するための固定周波数発振器であって、所定の周波数はＲＦチャネルに関連付けられる、固定周波数発振器と、周波数変換された信号を用いてキャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するように構成された変調器と、位相変調された信号の周波数を第１の所定の係数だけ逓倍するための高調波発生器とを備える。

他の実施形態では、ＭＲデータを通信するためのＭＲＩ装置用のＲＦモジュールが提供される。ＲＦモジュールは、ＭＲデータを含む位相変調された信号を送信するように構成された送信器と、送信器に無線で接続され、後続のデータ処理および画像再構成のために、位相変調された信号を受信するように構成された受信器とを備える。送信器は、基準信号を生じるように構成されたプログラマブル周波数発振器と、プログラマブル周波数発振器に結合されたチャネル分割器であって、基準信号を複数のＲＦチャネルに供給するように構成されたチャネル分割器と、チャネル分割器に結合された直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）のアレイであって、ＤＤＳのアレイ内の各ＤＤＳは、単一のＲＦチャネルに関連付けられ、基準信号に基づいて固定周波数キャリア信号を発生するように構成され、固定周波数は関連するＲＦチャネルに対応する、直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）のアレイと、ＤＤＳのアレイに結合された変調器のアレイであって、変調器のアレイ内の各変調器は単一のＤＤＳに結合され、ＤＤＳにて発生された固定周波数キャリア信号を変調して位相変調された信号を形成するように構成される、変調器のアレイと、変調器のアレイに結合された高調波発生器のアレイであって、高調波発生器のアレイ内の各高調波発生器は、位相変調された信号の周波数を第１の所定の係数だけ逓倍するように構成される、高調波発生器のアレイと、高調波発生器のアレイに結合されたチャネルコンバイナであって、高調波発生器のアレイからの１つまたは複数の出力を組み合わせるように構成されたチャネルコンバイナとを備える。

本明細書では、様々な範囲のシステムおよび方法について述べられる。図面を参照し、以下の詳細な説明を参照することによって、この概要で述べられる態様および利点に加えて、他の態様および利点が明らかになるであろう。

一実施形態で述べられるＭＲＩ装置におけるＲＦモジュールのブロック図である。一実施形態で述べられるＭＲＩ装置のＲＦモジュール内の送信器を表すブロック図である。一実施形態で述べられるＭＲデータを送信する方法を表す流れ図である。図２に示される送信器の例示のブロック図である。他の実施形態で述べられる送信器のブロック図である。一実施形態で述べられるＭＲＩ装置のＲＦモジュールにおける受信器を表すブロック図である。図６に示される受信器の例示のブロック図である。一実施形態で述べられるＭＲデータを通信する方法を表す流れ図である。

以下の詳細な説明では、本明細書の一部となり、実施することができる特定の実施形態が説明のために示される添付の図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施できるようにするのに十分に詳細に説明され、他の実施形態を使用し得ること、ならびに実施形態の範囲を逸脱せずに論理的、機械的、電気的、および他の変更を行い得ることを理解されたい。したがって以下の詳細な説明は、限定的な意味で捉えられるべきではない。

一般に、ＭＲＩ装置は、磁気共鳴（ＭＲ）データ取得のための磁石組み立て体の内腔内に、走査されるべき被験者を位置決めするための患者位置決めシステムと、磁石の内腔の周囲に分極磁界を印加するための一様磁界発生器と、被験者内の原子核を励起するためのＲＦ磁界発生器とを備える。ＭＲＩ装置はさらに、被験者内の励起された原子核から結果として生じる信号を検知するためのＲＦコイルを備える。ＲＦコイルは複数のＲＦチャネルを備え、各ＲＦチャネルは単一の撮像エレメントに関連付けられる。ＭＲＩ装置はさらに、ＲＦコイルに結合されたＲＦモジュールを備える。

図１に示す一実施形態では、ＭＲデータを通信するためのＭＲＩ装置内に組み込まれた無線ＲＦモジュール１００が示される。ＭＲデータとは、ＭＲＩ装置のＲＦコイルによって検知される一連のＭＲ信号を表すために用いられる用語である。ＲＦモジュール１００は、ＭＲ信号でキャリア信号を変調するように構成され、さらに少なくとも１つの変調されたＭＲ信号を、ＭＲＩ装置から離れて配置された受信器１０４に無線で送信するように構成された送信器１０２を備える。受信器１０４は、送信器１０２に無線で接続され、後続のデータ処理および画像再構成のために、変調されたＭＲ信号を受信するように構成される。

ＲＦコイルによって検知されたＭＲ信号は、通常はラーモア周波数にある。通常の用途（基本磁界１．５Ｔ、水または水素の検出）の場合のラーモア周波数は、たとえば６３．６ＭＨｚとなる。送信器１０２は、ラーモア周波数にて得られたＭＲ信号を、中間周波数を有する周波数変換された信号に変換するように構成された局部発振器１０６を備える。ＭＲ信号を周波数変換された信号に変換するプロセスは、ダウンコンバージョンと呼ばれる。中間周波数は構成可能であり、典型的には、全体的なＭＲデータが１ＭＨｚの帯域にあるので、２ＭＨｚ程度になるように選択される。このようにして得られた周波数変換された信号は、変調信号として用いられる。

送信器１０２はさらに、所定の周波数を有するキャリア信号を発生するための固定周波数発振器１０８を備える。所定の周波数は、典型的には選択されたＲＦチャネルに関連付けられる。固定周波数発振器１０８は、たとえば約１００ＭＨｚの中心周波数を有する、高安定度の温度補償型水晶発振器を備えることができる。しかし固定周波数発振器１０８の中心周波数は異なり得る。したがって、望ましい周波数範囲に応じて、１００ＭＨｚより低い中心周波数を有する固定周波数発振器を用いることもできる。さらにキャリア信号は、直接デジタルシンセサイザまたは通常の位相ロックループをベースとするシンセサイザを用いて、温度補償型水晶発振器から合成することができる。

このようにして発生されたキャリア信号の位相は、変調信号を用いて変調される。したがって送信器１０２は、周波数変換された信号を用いてキャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するように構成された変調器１１０を備える。一実施形態では変調器１１０は、位相制御端子を通じて印加される外部電圧を用いて、キャリア信号の位相を変化するように構成された電圧制御位相シフタを備える。位相変調された信号を得るために、電圧制御位相シフタの位相制御端子に変調信号が印加される。

もう１つの実施形態では、変調器１１０は、少なくとも１つの直交結合器と、１つまたは複数のバラクタダイオードの組合せを備える。バラクタダイオードは直列に構成され、バラクタダイオードのカソードは、ＲＦＣ（無線周波数チョーク）を通じて共通の変調入力端子に結合される。変調信号は、ＲＦＣを通じてバラクタダイオードのカソードに印加される。

他の実施形態では、変調器１１０は、少なくとも１つのインダクタ（Ｌ）−コンデンサ（Ｃ）共振器と、１つまたは複数のバラクタダイオードの組合せを備える。直列または分路インダクタ−コンデンサ共振器構成は、位相変調を達成するためにバラクタダイオード（電圧チューナブルコンデンサ）と共に用いることができる。しかし、直交結合器をベースとする変調器１１０の方が、変調に対する応答の、より良い予測性を示す。

送信器１０２は、位相変調された信号を、送信器１０２に無線で接続された受信器１０４に送信するように構成される。図１に示されるように受信器１０４は、位相変調された信号を受信するために送信器１０２と無線通信するアンテナ装置１１２、受信した位相変調された信号から変調信号を再び取得するための、アンテナ装置１１２に結合された復調器１１４と、復調器１１４に結合された量子化器１１６とを備える。量子化器１１６は、画像再構成のために変調信号を処理するための、複数のデジタルデータ処理ブロックを備える。

図２は、もう１つの実施形態として述べる、送信器１０２の詳細ブロック図を示す。図１に関連して示された構成要素の他に、送信器１０２は追加の構成要素を備える。図１の要素と同じまたは対応する要素は、同じ参照番号によって示され、それによりその意味で説明を繰り返す必要はなく、違いのみを扱う。

ここで述べるＲＦモジュール１００は、ＭＲデータを得るためにＲＦチャネルの順次励起を必要とする用途に対応するように構成されたＲＦスイッチアレイ２０２によって、時分割多重化（ＴＤＭ）を可能にする。送信器１０２は、ＲＦスイッチアレイ２０２によって、ＲＦコイルの１つまたは複数の受信コイルに結合される。受信コイルは、被験者内の励起された原子核によって放出される信号を検知するように構成される。励起シーケンスは、最終用途によって制御することができる。例示的実施形態では、ＲＦスイッチアレイ２０２は、約６４個のＲＦチャネルの励起を取り扱うように構成することができる。

さらに図２に示されるように、送信器１０２は、局部発振器１０６に結合された中間周波数（ＩＦ）増幅器２０４を備えることができ、ＩＦ増幅器２０４は、周波数変換された信号を増幅するように構成される。ＩＦ増幅器２０４は、対数振幅検出器と、対数振幅検出器に結合された自動利得制御（ＡＧＣ）ユニットとを備える。対数振幅検出器は、振幅制御パラメータを発生するように構成され、自動利得制御ユニットは、振幅制御パラメータに基づいてＩＦ増幅器２０４の選択可能な増幅率を調整するように構成される。

キャリア信号のアナログ位相変調は、単一の段では所望の大きさの変調を生じることができない場合があるが、周波数逓倍器が使用される場合は、より信頼性が高くなる。この目的のために、送信器１０２はさらに、位相変調された信号の周波数を第１の所定の係数だけ逓倍するために、変調器１１０に結合された高調波発生器（本明細書では周波数逓倍器とも呼ばれる）２０６を備えることができ、それによって広帯域の位相変調された信号を生じさせる。第１の所定の係数は、望ましい最終周波数範囲に基づいて選択することができる。典型的には、第１の所定の係数は、約１から約１００の範囲内にある。これは、位相変調された信号に対して、所望の大きさの位相偏移を達成し、それによって隣接する位相変調された信号の間に適度に大きな間隔をもたらす。

各ＲＦチャネルでは、広帯域の位相変調された信号は、そのＲＦチャネルに特有の異なる周波数にアップコンバートされる。これは、各ＲＦチャネルの広帯域の位相変調された信号を異なる周波数にアップコンバートすることによって周波数分割多重化（ＦＤＭ）を達成し、それによって様々なチャネルにて検知されるＭＲ信号の同時送信を可能にする。

位相変調されたキャリア信号は、考察中のＲＦチャネルを表す２．４ＧＨｚ領域の周波数に、プログラマブル周波数発振器２０８を用いてアップコンバートされる。アップコンバージョン周波数は、用途および帯域の利用可能性によって決まる。たとえば、送信器１０２を９００ＭＨｚ領域で動作させることが望ましいときは、１００ＭＨｚの周波数のキャリア信号を発生する局部発振器の代わりに、５０ＭＨｚの周波数のキャリア信号を発生する局部発振器を用いることができる。５０ＭＨｚの周波数を有するキャリア信号はさらに、５００ＭＨｚの周波数を有する広帯域の位相変調された信号を得るために、約１０の第１の所定の係数だけ逓倍される。次いで、逓倍された位相変調された信号の周波数は、プログラマブル周波数発振器２０８を用いて、９００ＭＨｚ領域にアップコンバートすることができる。これは、図４に関連してさらに説明する。

図３に示される一実施形態では、ＭＲデータを無線で送信する方法３００が提供される。方法３００は、ステップ３０２でラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップと、ステップ３０４でＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップとを含む。ステップ３０４で変調信号を発生する方法は、ラーモア周波数を有するＭＲ信号を、中間周波数を有する周波数変換された信号に変換するステップと、周波数変換された信号を変調信号として用いるステップとを含む。一実施形態では、中間周波数はラーモア周波数より低く、ほぼ約１ＭＨｚから３ＭＨｚの範囲にある。この方法はさらに、ステップ３０６で所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップと、ステップ３０８で変調信号を用いてキャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップとを含む。方法３００はさらに、ステップ３１０で広帯域の位相変調された信号を得るために、位相変調された信号の周波数を第１の所定の係数だけ逓倍するステップを含む。

一実施形態では、方法３００はさらに、位相変調された信号を周波数分割多重化するステップを含む。さらに、周波数分割多重化するステップは、プログラマブル周波数発振器を用いて基準信号を発生するステップと、基準信号に基づいて複数の固定周波数キャリア信号を発生するように直接デジタルシンセサイザのアレイを構成するステップとを含む。各固定周波数キャリア信号は、選択されたＲＦチャネルに関連する固定周波数を示す。これは、図５に関連してさらに説明する。

代替実施形態では、方法３００はさらに、広帯域の位相変調された信号を、第２の所定の係数だけアップコンバートするステップを含み、第２の所定の係数は、選択されたＲＦチャネルに関連付けられる。第２の所定の係数は、典型的には約１から１００の範囲にある。位相変調された信号をアップコンバートするために、アップコンバージョンミキサと固定周波数発振器の組合せを使用することができる。この理由により、プログラマブル周波数発振器の制御入力は変調器１１０に接続され、その後に変調信号が供給される。これは、図４に関連してさらに説明する。

他の実施形態は、キャリア発生器としてプログラマブル周波数発振器２０８を使用するステップと、さらに、各ＲＦチャネルごとに異なる周波数にてキャリア信号を発生するようにプログラマブル周波数発振器２０８をプログラムするステップを表す。このようにして各ＲＦチャネルにて発生されたキャリア信号は、位相が変調され、周波数が逓倍されて、各ＲＦチャネルごとに異なる周波数での広帯域のアナログ位相変調された信号を生じる。したがって各ＲＦチャネルは特有の周波数であるが、他のＲＦチャネルと同時に動作し、それにより周波数分割多重化（ＦＤＭ）をもたらす。

方法３００はさらに、位相変調された信号を時分割多重化（ＴＤＭ）するステップを含む。時分割多重化は、ＲＦスイッチアレイ２０２を用いて、送信するためのＲＦチャネルを選択することによってもたらされる。

図４は、一実施形態で述べられる送信器１０２の例示のブロック図である。図２に関連して述べた構成要素の他に、送信器１０２は追加の構成要素を備え、次にこれらについて詳細に述べる。ＲＦスイッチアレイ２０２は、送信のためにＲＦコイルに結合されたＲＦチャネルを選択する。選択されたＲＦチャネルは、励起された原子核によって放出されるＭＲ信号を検知するように構成された単一の受信コイルに関連付けられる。このようにして得られたＭＲ信号は、低雑音増幅器４０２を用いて信号強度を高めるために増幅することができる。ラーモア周波数にて得られたＭＲ信号は、始めにミキサ４０３を用いて約２ＭＨｚの周波数にダウンコンバートされる。

ミキサ４０３には、局部発振器１０６から発振器信号が供給される。発振器信号は、ラーモア周波数ｆＬの近傍であるがそれとは異なる局部発振器周波数ｆを有する。局部発振器周波数ｆとラーモア周波数ｆＬの周波数差ｆ’は、典型的には１から３ＭＨｚの間にある。したがって中間周波数ｆ’は、ラーモア周波数ｆＬよりかなり低くなる。

したがってミキサ４０３の出力には２つの周波数信号、すなわち、ラーモア周波数ｆＬと局部発振器周波数ｆの和を有するものと、ラーモア周波数ｆＬと局部発振器周波数ｆの差を有するものが存在する。和周波数はローパスフィルタ４０４を用いて濾波され、それにより差ｆ’（中間周波数ｆ’）を有する実質的に低い周波数の信号となったものがＩＦ増幅器２０４に供給され、これは次いで、約１００ＭＨｚの中心周波数を有する固定周波数発振器１０８によって発生されるキャリア信号の位相を変調するために用いられる。

アナログ位相変調された信号は、１つまたは複数の高調波発生器２０６（またはＭＭＩＣベースの周波数逓倍器）を用いて、より高い周波数の位相変調された信号を生じるように周波数が逓倍され、それによって広帯域のアナログ位相変調を達成する。たとえば、１００ＭＨｚの周波数を有する位相変調された信号は、約１０の第１の所定の係数だけ逓倍されて１ＧＨｚの広帯域の位相変調された信号を得る。広帯域の位相変調された信号は、他の高調波を除去するためにバンドパスフィルタ４０６を用いて濾波することができる。所望の倍数の位相変調された信号（高調波）は、バンドパスフィルタ４０６を通じて取り出される。このようにして得られた広帯域のアナログ位相変調された信号は、それぞれ図３および図２に示すように用途に応じて、直接増幅されて送信されるか、所望の周波数帯域にアップコンバートされ次いで増幅されて送信される。

１ＧＨｚの周波数を有する広帯域の位相変調された信号は、次いでアップコンバージョンミキサ４０７と固定周波数発振器４０８を用いて、２．２から２．４ＧＨｚの範囲の周波数にアップコンバートされる。周波数分割多重化は、バンドパスフィルタ４０６の出力にて得られる広帯域のアナログ位相変調された信号を、動作帯域内の相異なる周波数にアップコンバートすることによって達成される。たとえば、第１のＲＦチャネルにて得られた１ＧＨｚの位相変調された信号は、１．４ＧＨｚの固定周波数発振器を用いて２．４ＧＨｚにアップコンバートすることができる。同様に、第２のＲＦチャネルにて得られた１ＧＨｚの位相変調された信号は、１．４０４ＧＨｚの固定周波数発振器を用いて２．４０４ＧＨｚにアップコンバートすることができる。所望の周波数の位相変調された信号は、バンドパスフィルタ４１０を通じて取り出される。これにより、複数のＲＦチャネルから得られるＭＲデータを同時に、しかし短く間隔があけられた相異なる重ならない周波数で送信することが可能になり、周波数分割多重化（ＦＤＭ）を達成する。

アップコンバージョンの代替として、異なるが所定の周波数だけ離れて間隔があけられた周波数にて発生されるキャリア信号を用いて、周波数分割多重化を達成することができる。キャリア信号の供給源として働くように、単一の基準発振器を用いて異なる出力周波数にプログラムされた直接デジタルシンセサイザを、各ＲＦチャネルごとに用いることができ、このキャリア信号は位相が変調され周波数が逓倍される。この技術は、各ＲＦチャネルに対応する、位相変調された信号の周波数を動作帯域まで上げるためのアップコンバージョン段が不要となり得る。この実施形態の一般化されたブロック図は、図５に示される。

図５は、位相変調および周波数分割多重化を用いた、複数ＲＦチャネルの無線ＭＲデータ送信システムを表す送信器１０２のブロック図を示す。送信器１０２は、パイロットキャリアを通じてＭＲＩスキャナのシステムクロック信号に同期して基準信号を生じるように構成された、位相ロック型プログラマブル周波数発振器５０２を備える。プログラマブル周波数発振器５０２に結合されたチャネル分割器５０４は、複数のＲＦチャネルに基準信号を供給するように構成される。

送信器１０２はさらに、ＲＦチャネル分割器５０４に結合された、直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）５０５、５０６、および５０７のアレイを備える。ＤＤＳ５０５、５０６、および５０７のアレイ内の各ＤＤＳは、単一のＲＦチャネルに関連付けられ、基準信号に基づいて固定周波数キャリア信号を発生するように構成される。このようにして発生された固定周波数キャリア信号は、基準信号と位相が同期する。固定周波数キャリア信号の周波数は、関連するＲＦチャネルに対応する。各ＲＦチャネル内のＤＤＳは、ＦＤＭ（周波数分割多重化）をもたらすようにわずかに異なる周波数を生じるようにプログラムすることができる。プログラマブル周波数発振器５０２（単一の温度補償型水晶発振器）からの基準信号は、様々なＲＦチャネルに対応するＤＤＳの間で同期を保つことを容易にする。

変調器５１０、５１１、および５１２のアレイは、ＤＤＳ５０５、５０６、および５０７のアレイに結合される。変調器５１０、５１１、および５１２のアレイ内の各変調器は、単一のＤＤＳに結合され、周波数変換されたＭＲ信号を用いて、ＤＤＳにて発生された固定周波数キャリア信号を変調するように構成される。さらに高調波発生器５１５、５１６、および５１７のアレイは、変調器５１０、５１１、および５１２のアレイに結合される。高調波発生器５１５、５１６、および５１７のアレイ内の各高調波発生器は、各位相変調器にて発生される位相変調された信号を、第１の所定の係数だけ逓倍するように構成される。逓倍すると、各ＲＦチャネルにて発生された広帯域の位相変調された信号の間の周波数間隔は、効率的なＦＤＭシステムのために十分なものとなる。送信器１０２はさらに、高調波発生器５１５、５１６、および５１７のアレイからの１つまたは複数の出力を組み合わせるように構成された、チャネルコンバイナ５２５を備える。

さらに送信器１０２は、高調波発生器５１５、５１６、および５１７のアレイに結合された帯域選択（バンドパス）フィルタのアレイ（図示せず）を備えることができる。帯域選択フィルタのアレイ（図示せず）内の各帯域選択フィルタは、高調波発生器５１５、５１６、および５１７のアレイ内の単一の高調波発生器に結合される。さらに、帯域選択フィルタのアレイ（図示せず）内の各帯域選択フィルタは、基本周波数の適切な倍数を選択するように構成される。

ＲＦモジュール１００の設計はスケーラブルであり、それによって全体的なシステムの機能に影響を与えずにＲＦチャネルを追加するまたは削減することが可能になる。図５に示されるように、ＲＦチャネルの追加は、要素ＤＤＳ、ＰＭ、ＨＧ、およびＢＰＦのもう１つのチェーンが必要になるだけである。ＲＦチャネルの削除は、要素ＤＤＳ、ＰＭ、ＨＧ、およびＢＰＦのチェーンを切断し、チャネルコンバイナ５２５の適切なポートを特性インピーダンスで終端することが必要になるだけである。ＲＦチャネルの追加または取り外しは、他のＲＦチャネルおよび全体的な機能に影響を与えずに行うことができる。

チャネルコンバイナ５２５を用いて組み合わせられた様々なＲＦチャネルからの出力は、送信に先立って電力増幅器（図示せず）に供給することができる。受信器１０４では、復調および画像再構成のために適切なダウンコンバージョン周波数を選択するように、各ＲＦチャネルごとに周波数シンセサイザを用いて、同様なアーキテクチャを用いることができる。

電力増幅器（図示せず）によって増幅されたチャネルコンバイナ５２５からの出力信号は、次いでアンテナを用いて送信することができる。送信器１０２での指向性アンテナの使用は、指向性アンテナはＲＦシールドから反射された信号の受信がマルチパス歪効果を生じるのを防止するという点で利点をもたらし、それによってより良い見通し線が得られる。

送信された信号は、送信器１０２からかなりの距離だけ空間的に分離された受信器１０４によって、別の指向性アンテナを通じて検知される。受信器１０４の全体的なブロック図は、図６に示される。

図６を参照して、無線周波数受信器１０４の典型的な構成について述べる。アンテナ装置１１２は複数のアンテナを備え、アンテナの１つによって受信した位相変調された信号を選択するために、受信器１０４は選択デバイス６０２を使用する。選択デバイス６０２は、復調のために、アンテナの１つによって受信した位相変調された信号を選択するように構成される。

図７は、もう１つの実施形態において述べられる受信器１０４の詳細な、例示のブロック図を示す。当業者なら、述べられる例示の構成要素を他の受信器構成要素に置き換えることができる。図７を参照すると、受信された信号は、低雑音増幅器７０２（ＬＮＡ）によって増幅され、バンドパスフィルタ７０４を用いて関心のある範囲外の周波数を除去するように濾波される。濾波された信号は、約７０ＭＨｚの中間周波数を有する中間周波数信号にダウンコンバートされる。しかし当業者なら、実現可能性および設計の側面に応じて、他の中間周波数も用い得ることが理解されよう。

ダウンコンバージョンは、ダウンコンバージョンミキサ７０５と、チューニング可能な局部発振器７０６との組合せを用いて行われる。チューニング可能な局部発振器７０６の周波数は、受信した位相変調された信号の周波数より約７０ＭＨｚ高くチューニングすることができる。チューニング可能な局部発振器７０６は、位相変調された信号の周波数を低くするが、それが搬送する変調は維持する。

受信器１０４はさらに、ダウンコンバージョンミキサ７０５に結合されたＩＦ増幅器７０８を備える。受信器１０４でのＩＦ増幅器７０８は、自動利得制御（ＡＧＣ）を組み込んだ可変利得制限増幅器である。ＩＦ増幅器７０８は、その出力がＩＦ増幅器７０８の利得を制御する対数振幅検出器を備える。これは、復調のために後の段に十分な振幅の位相変調された信号が渡されることを確実にする。ＩＦ増幅器７０８内の振幅制限器（図示せず）は、過度の増幅を防止し、また位相変調された信号の振幅の変動／変調があればそれを除去し、それによって復調器１１４を、ＲＦチャネル雑音による振幅歪、および干渉信号による寄生振幅変調（ＡＭ）の影響を受けないようにする。さらに振幅制限器（図示せず）がダウンコンバージョンミキサ７０５の前に含まれるときは、ダウンコンバージョンミキサ７０５が飽和されるのを防止する。

ＩＦ増幅器７０８に結合された追加のバンドパスフィルタ７１０は、７０ＭＨｚの中間周波数（ＩＦ）信号を得るように構成される。これは、復調器１１４は位相変調されたキャリア信号の位相の変化のみに対して感度があるので、高い忠実度を確実にする。

バンドパスフィルタ７１０に結合された復調器１１４は、直交検出器を備えることができ、直交検出器ではダウンコンバートされた中間周波数信号が復調され、２ＭＨｚの周波数でのＭＲ信号を再生する。復調されたＭＲ信号は、高周波雑音成分があればそれを除去するためにビデオフィルタ７１２およびビデオ増幅器７１４を用いて濾波および増幅され、画像再構成のための量子化器１１６に渡される。

図７に関連して述べた受信器１０４の構成要素に加えて、受信器１０４の全体的な雑音指数を改善するために、バンドパスフィルタ７０４（ＢＰＦ）とダウンコンバージョンミキサ７０５の組合せに、低雑音増幅器（ＬＮＡ）（図示せず）を追加して結合することができる。

図８に示される他の実施形態では、ＭＲデータを通信する方法８００が提供される。方法８００は、ステップ８０２で少なくとも１つの位相変調された信号を無線で送信するステップと、ステップ８０４で、位相変調された信号を複数のアンテナを用いて受信器１０４にて受信するステップと、ステップ８０６で復調のために、複数のアンテナの少なくとも１つから位相変調された信号を選択するステップと、ステップ８０８で、選択された位相変調された信号を増幅して信号強度を高めるステップと、ステップ８１０で、増幅された位相変調された信号をダウンコンバートして中間周波数信号を得るステップと、ステップ８１２で中間周波数信号を復調器１１４に印加することによって中間周波数信号を復調するステップと、ステップ８１４で、復調された信号を、画像情報を処理するための量子化器１１６に供給するステップとを含む。

方法８００はさらに、復調および画像再構成のために、各ＲＦチャネルに対する所定のダウンコンバージョン周波数を選択するステップを含む。ダウンコンバージョンのために構成されたチューニング可能な局部発振器７０６は、発生される発振器信号に対して適切な中心周波数を選択するようにプログラムすることができる。中心周波数は、チューニング可能な局部発振器７０６が関連付けられたＲＦチャネルに対応させることができる。選択された周波数は、ダウンコンバージョンミキサ７０５にてヘテロダインされて所定の中間周波数を生じる。例示的実施形態では、選択されたＲＦチャネルに対応する位相変調された信号の周波数は、２．４ＧＨｚであり、中間周波数は約７０ＭＨｚとなるように予め定められる。このようなシナリオでは、チューニング可能な局部発振器７０６は、約２．４７０ＧＨｚの周波数を有する発振器信号を発生するようにプログラムすることができる。位相変調された信号に、チューニング可能な局部発振器７０６によって発生された発振器信号を混合した後に、２つの信号は逓倍されて７０ＭＨｚおよび４．８７０ＧＨｚの信号を生じる。７０ＭＨｚの周波数を有する中間周波数信号は、ダウンコンバージョンミキサ７０５に結合されたバンドパスフィルタ７１０を通じて取り出される。

他の実施形態では、コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータ可読プログラムが提供される。コンピュータ可読プログラムは、ＲＦコイルから得られたＭＲデータを通信する方法を実行するための命令を含む。この命令は、少なくとも１つの位相変調された信号を無線で送信するルーチンと、送信された位相変調された信号を受信アンテナによって検知するルーチンと、受信した位相変調された信号を増幅して信号強度を高めるルーチンと、増幅された位相変調された信号をダウンコンバートして中間周波数信号を得るルーチンと、中間周波数信号を復調器１１４に印加することによって中間周波数信号を復調するルーチンと、復調された信号を、画像情報を処理するための量子化器１１６に供給するルーチンとを含む。

さらに、少なくとも１つの位相変調された信号を無線で送信するルーチンは、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を、ＲＦコイル内のＲＦチャネルから得るためのルーチンと、ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するルーチンと、所定の周波数を有するキャリア信号を発生するルーチンであって、所定の周波数はＲＦチャネルに関連付けられるルーチンと、変調信号を用いてキャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するルーチンとを含む。

本発明の技術的な効果は、ＲＦコイル内の励起シーケンスを制御することを含み、それによってＭＲ信号の取得を制御し、さらにチャネル、およびこのようにして取得されたＭＲ信号の通信の方法を制御する。

本発明は、ＲＦコイルの１つまたは複数の受信コイルから、離れて配置された受信器へのＭＲ信号の無線送信をもたらすことにより、上述の問題を克服するためのシステムおよび方法を提供する。無線計測を使用することにより、ケーブル接続された受信コイルに通常伴うゴーストおよびＳＮＲの問題が避けられる。

より具体的には、本明細書で述べられるＲＦモジュールは、広帯域のアナログ位相変調され、時間および周波数分割多重化された、ＭＲデータの送信および受信を含む無線通信を可能にする。アーキテクチャは、ＭＲデータを得るためにＲＦチャネルの順次励起を必要とする用途に対応するように、ＲＦスイッチアレイを用いた時分割多重化（ＴＤＭ）を可能にする。

ＲＦモジュールの設計はスケーラブルであり、それによって全体的なシステムの機能に影響を与えずにＲＦチャネルを追加または削減することが可能になる。本明細書で述べられるＲＦモジュールは、より多くの数のＲＦチャネルを追加する場合に、ＤＤＳを異なる周波数にプログラムし、意図される追加の動作帯域での追加の電力増幅器およびアンテナを含むことによって、複数の帯域にて動作することができる。これにより、用途によって必要な場合に、より多くのＲＦチャネルを追加することが可能になる。

アナログ位相変調は周波数逓倍を含むときは、所望の大きさの位相変調を生じ、周波数変調の忠実度をもつ。

システムアーキテクチャ、変調技術、および変調応答は、キャリア信号発生器のトポロジーおよび構築方法には依存しない。キャリア周波数の安定度は、キャリア信号発生器の内部周波数チューニング要素から変調信号を隔離することによって十分保たれる。

キャリア信号発生器の周波数チューニング回路は変調によって直接影響を受けないので、キャリア信号の高い周波数安定度を保つことができ、したがって「ＴＣＸＯ」（温度補償型水晶発振器）などの高安定度発振器を使用することが可能となり、それによって、直接ＦＭシステムでは起こり得る周波数ドリフトおよびランダム周波数切り換えのトラブルがなくなる。

もう１つの利点は、非線形性、利得不安定性、利得ドリフト、または受信チェーンにおける他の不完全性によって導入される画像歪が低減することにある。

ＲＦモジュールのために提案されたアーキテクチャは、周波数変調の忠実度、高安定度、高いデータ完全性、干渉に対する高い耐性、無視し得る待ち時間、モジュール型でスケーラブルなアーキテクチャ、複数ＲＦチャネルの順次および同時動作、複数帯域動作、構成要素に依存しないアーキテクチャ、構成要素の旧式化に影響されないこと、複数ＲＦチャネル動作の場合のコスト優位性、ＲＦチャネル雑音に対する非常に低い感受性、送信媒体における振幅歪および非線形性、容易な保守性、高い再現性、および大量生産の容易さをもたらす。さらに、本明細書で述べられたＲＦモジュールの設計は、送信器と受信器の間の同期を用意する必要がなくなる。

本発明の様々な実施形態では、ＭＲＩ装置用のＲＦモジュール、およびＲＦモジュールを用いたＭＲＩ装置について述べた。しかし実施形態は限定されず、異なる用途に関連して実施することができる。本発明の用途は、他の分野、たとえば無線通信に拡張することができる。本発明は、信号の無線通信のために位相変調を用いる広い概念を提供し、これは同様な通信システムに適合させることができる。この設計は、様々な形態および仕様においてさらに進め、実施することができる。

この文書による説明では、最良の形態を含む本明細書における主題を説明し、また当業者が本主題を製造および使用することを可能にするために例を用いている。本主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が思い付く他の例を含み得る。このような他の例は、それらが請求項の文言とは異ならない構成要素を有する場合、またはそれらが請求項の文言とわずかな差を有する等価な構成要素を含む場合は、特許請求の範囲に包含されるものとする。

１００ＲＦモジュール
１０２送信器
１０４受信器
１０６局部発振器
１０８固定周波数発振器
１１０変調器
１１２アンテナ装置
１１４復調器
１１６量子化器
２０２ＲＦスイッチアレイ
２０４中間周波数（ＩＦ）増幅器
２０６高調波発生器
２０８プログラマブル周波数発振器
４０２低雑音増幅器
４０３ミキサ
４０４ローパスフィルタ
４０６バンドパスフィルタ
４０７アップコンバージョンミキサ
４０８固定周波数発振器
４１０バンドパスフィルタ
５０２プログラマブル周波数発振器
５０４チャネル分割器
５０５直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）
５０６直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）
５０７直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）
５１０変調器
５１１変調器
５１２変調器
５１５高調波発生器
５１６高調波発生器
５１７高調波発生器
５２５チャネルコンバイナ
６０２選択デバイス
７０２低雑音増幅器
７０４バンドパスフィルタ
７０５ダウンコンバージョンミキサ
７０６チューニング可能な局部発振器
７０８ＩＦ増幅器
７１０バンドパスフィルタ
７１２ビデオフィルタ
７１４ビデオ増幅器

Claims

磁気共鳴（ＭＲ）データを無線で送信する方法（３００）であって、
ＲＦコイル内の無線周波数（ＲＦ）チャネルから、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップであって、前記ＲＦコイルが複数のＲＦチャネルを備え、各ＲＦチャネルが単一の撮像エレメントに関連付けられる、ステップ（ステップ３０２）と、
前記ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップ（ステップ３０４）と、
所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップであって、前記所定の周波数が前記ＲＦチャネルに関連付けられる、ステップ（ステップ３０６）と、
前記変調信号を用いて前記キャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップ（ステップ３０８）と
を含み、
前記方法（３０）が、前記位相変調された信号の周波数を第１の所定の係数だけ逓倍するステップ（ステップ３１０）であって、前記第１の所定の係数が約１から１００の範囲にある、ステップをさらに含む、方法（３００）。
磁気共鳴（ＭＲ）データを無線で送信する方法（３００）であって、
ＲＦコイル内の無線周波数（ＲＦ）チャネルから、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップであって、前記ＲＦコイルが複数のＲＦチャネルを備え、各ＲＦチャネルが単一の撮像エレメントに関連付けられる、ステップ（ステップ３０２）と、
前記ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップ（ステップ３０４）と、
所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップであって、前記所定の周波数が前記ＲＦチャネルに関連付けられる、ステップ（ステップ３０６）と、
前記変調信号を用いて前記キャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップ（ステップ３０８）と
を含み、
前記方法（３０）が、ＲＦスイッチアレイ（２０２）を用いて、送信するためのＲＦチャネルを選択するステップと、
前記位相変調された信号を、第２の所定の係数だけアップコンバートするステップであって、前記第２の所定の係数が前記選択されたＲＦチャネルに関連付けられ、前記第２の所定の係数が約１から１００の範囲にある、ステップをさらに含む、方法（３００）。
磁気共鳴（ＭＲ）データを無線で送信する方法（３００）であって、
ＲＦコイル内の無線周波数（ＲＦ）チャネルから、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップであって、前記ＲＦコイルが複数のＲＦチャネルを備え、各ＲＦチャネルが単一の撮像エレメントに関連付けられる、ステップ（ステップ３０２）と、
前記ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップ（ステップ３０４）と、
所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップであって、前記所定の周波数が前記ＲＦチャネルに関連付けられる、ステップ（ステップ３０６）と、
前記変調信号を用いて前記キャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップ（ステップ３０８）と
を含み、
前記方法（３０）が、ＲＦスイッチアレイ（２０２）を用いて、送信するためのＲＦチャネルを選択するステップと、
前記位相変調された信号を周波数分割多重化するステップをさらに含み、
前記周波数分割多重化するステップが、
プログラマブル周波数発振器（５０２）を用いて基準信号を発生するステップと、
前記基準信号に基づいて複数のキャリア信号を発生するように直接デジタルシンセサイザ（５０５、５０６、および５０７）のアレイを構成するステップであって、各キャリア信号が固定キャリア周波数を有し、前記固定キャリア周波数が前記選択されたＲＦチャネルを表す、ステップと、
を含む、方法（３００）。
磁気共鳴（ＭＲ）データを無線で送信する方法（３００）であって、
ＲＦコイル内の無線周波数（ＲＦ）チャネルから、ラーモア周波数を有する少なくとも１つのＭＲ信号を得るステップであって、前記ＲＦコイルが複数のＲＦチャネルを備え、各ＲＦチャネルが単一の撮像エレメントに関連付けられる、ステップ（ステップ３０２）と、
前記ＭＲ信号に基づいて変調信号を発生するステップ（ステップ３０４）と、
所定の周波数を有するキャリア信号を発生するステップであって、前記所定の周波数が前記ＲＦチャネルに関連付けられる、ステップ（ステップ３０６）と、
前記変調信号を用いて前記キャリア信号を位相変調して位相変調された信号を形成するステップ（ステップ３０８）と
を含み、
前記変調信号を発生するステップ（３０４）が、
前記ラーモア周波数を有する前記ＭＲ信号を、中間周波数を有する周波数変換された信号に変換するステップと、
前記周波数変換された信号を前記変調信号として用いるステップと、
を含む、方法（３００）。
前記中間周波数が前記ラーモア周波数より低く、約１ＭＨｚから３ＭＨｚの範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の方法（３００）。
請求項１乃至５のいずれかに記載の方法（３００）の各ステップをコンピュータに実行させるための命令を含む、コンピュータ可読プログラム。
ＭＲデータを通信するためのＭＲＩ装置用のＲＦモジュール（１００）において、
前記ＭＲデータを含む位相変調された信号を送信するように構成された送信器（１０２）を備え、前記送信器（１０２）が、
基準信号を生じるように構成されたプログラマブル周波数発振器（５０２）と、
前記プログラマブル周波数発振器（５０２）に結合され、前記基準信号を複数のＲＦチャネルに供給するように構成されたチャネル分割器（５０４）と、
前記チャネル分割器（５０４）に結合された直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）（５０５、５０６、および５０７）のアレイであって、ＤＤＳ（５０５、５０６、および５０７）のアレイ内の各ＤＤＳが単一のＲＦチャネルに関連付けられ、さらに前記基準信号に基づいて固定周波数キャリア信号を発生するように構成され、前記固定周波数が前記関連するＲＦチャネルに対応する、直接デジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）のアレイと、
前記ＤＤＳ（５０５、５０６、および５０７）のアレイに結合された変調器（５１０、５１１、および５１２）のアレイであって、変調器（５１０、５１１、および５１２）のアレイ内の各変調器が単一のＤＤＳに結合され、前記ＤＤＳにて発生された前記固定周波数キャリア信号を変調して位相変調された信号を形成するように構成される、変調器のアレイと、
前記変調器（５１０、５１１、および５１２）のアレイに結合された高調波発生器（５１５、５１６、および５１７）のアレイであって、高調波発生器（５１５、５１６、および５１７）のアレイ内の各高調波発生器が、前記位相変調された信号を所定の係数だけ逓倍するように構成される、高調波発生器のアレイと、
前記高調波発生器（５１５、５１６、および５１７）のアレイに結合されたチャネルコンバイナ（５２５）であって、前記高調波発生器（５１５、５１６、および５１７）のアレイからの１つまたは複数の出力を組み合わせるように構成された、チャネルコンバイナ（５２５）と、
を備え、
ＲＦモジュール（１００）が、前記送信器（１０２）に無線で接続され、後続のデータ処理および画像再構成のために、前記位相変調された信号を受信するように構成された受信器（１０４）を備える、
ＲＦモジュール（１００）。