KR20030004138A

KR20030004138A - Ｒｆ 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저 및 ｍｒｉ 장치

Info

Publication number: KR20030004138A
Application number: KR1020020038287A
Authority: KR
Inventors: 미야노히로유키; 기노모토마사카즈
Original assignee: 지이 메디컬 시스템즈 글로발 테크놀러지 캄파니 엘엘씨
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2002-07-03
Publication date: 2003-01-14
Also published as: JP2003024295A; US20030008626A1; KR100494958B1; CN1394549A; CN1228025C; US6862435B2; JP3884244B2

Abstract

RF 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저 및 MRI 장치는 신호 품질의 안정성을 강화하려하고 비용을 줄이려 하며, 여기서 복소 디지털 신서사이저는 디지털 도메인에서 기준 캐리어 주파수 신호 데이터를 생성하고, RF 포락선 혼합기는 디지털 도메인에서 결과 데이터와 RF 포락선 신호 데이터를 결합하며, 디지털 주파수 업-컨버터는 디지털 도메인에서 결과 신호 데이터를 업-컨버트하고 아날로그 RF 펄스 신호로 변환한다.

Description

ＲＦ 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저 및 ＭＲＩ 장치{RF TRANSMISSION CIRCUIT, COMPLEX DIGITAL SYNTHESIZER, AND MRI APPARATUS}

본 발명은 RF(Radio Frequency) 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저(complex digital synthesizer), 그리고 MRI(Magnetic Resonance imaging) 장치에 관한 것으로, 특히 회로 디지털화에 기반을 두어 그 결과 신호 품질의 안정성이 강화될 수 있고 비용이 감소될 수 있는 RF 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저, 그리고 MRI 장치에 관한 것이다.

도 15는 MRI 장치에 적용할 수 있는 RF 송신 회로를 예시하는 블록도이다.

이 RF 송신 회로(10J)는 디지털 회로부와 아날로그 회로부로 이루어진다.

디지털 회로부는 스캐닝을 제어하는 상위-등급(high-ranking)의 회로로부터 제어 데이터를 수신하는 시스템 인터페이스(20J)와, 시스템 인터페이스(20J)의 제어하에 기준(reference) 캐리어 주파수 신호 데이터를 생성하는 디지털 신서사이저(30J)와, 시스템 인터페이스(20J)에 의해 출력되는 RF 포락선 데이터를 보유하는 RF 포락선 레지스터(71)를 포함한다.

아날로그 회로부는 기준 캐리어 주파수 신호 데이터를 아날로그 기준 캐리어 주파수 신호로 변환하는 D/A 변환기(51)와, 아날로그 기준 캐리어 주파수 신호(a0)에 나타나는 에일리어스 고조파(alias harmonics)를 제거하고 결과 기준 캐리어 주파수(a1)를 출력하는 대역 통과 필터(band-pass filter)(52)와, 캐리어 주파수를 의도된 정자장 세기(intended static magnetic field strength)에서 필요한 공진 주파수로 업-컨버트(up-convert)하기 위한 혼합 신호를 생성하는 발진 회로(53) 및 주파수 디멀티플라이(demultiplying) 회로(54)와, 혼합 신호로부터 불필요한(spurious) 주파수 성분을 제거하고 혼합 신호(a2)를 생성하는 대역 통과 필터(band-pass filter)(55)와, 기준 캐리어 주파수 신호(a1)와 혼합 신호(a2)를 결합하고 결과 캐리어 주파수 신호(a3)를 출력하는 캐리어 혼합기(carrier mixer)(56)와, 캐리어 주파수 신호(a3)로부터 불필요한 주파수 성분을 제거하고 캐리어 주파수 신호(a4)를 생성하는 대역 통과 필터(57)와, RF 포락선 데이터를 아날로그 RF 포락선 신호(e1)로 변환하는 D/A 변환기(72)와, 아날로그 포락선 신호(e1)에 나타나는 에일리어스 고조파를 제거하고 결과 RF 포락선 신호(e2)를 출력하는 대역 통과 필터(73)와, 캐리어 주파수 신호(a4)와 RF 포락선 신호(e2)를 결합하고 결과 아날로그 RF 펄스 신호(a5)를 출력하는 RF 포락선 혼합기(58)와, 아날로그 RF 펄스 신호(a5)로부터 불필요한 주파수 성분을 제거하고 결과 RF 펄스 신호를 출력하는 대역 통과 필터(81J)와, 프로그램가능-이득 증폭기(82J)와, 송신/수신 선택기 스위치(83J)를 포함한다.

위에서 언급한 통상적인 RF 송신 회로(10J)는 그의 대부분의 프로세스, 특히 혼합 프로세스 및 관련 대역 통과 필터링 프로세스가 아날로그 회로부에서 수행된다.

그러나, 아날로그 구성 요소 부분은 불가피하게 특성의 불일치성을 가지고 있고, 이것은 신호 품질의 불안전성의 문제를 유발한다. 보다 적은 특성 불일치성을 갖는 아날로그 구성 요소 부분의 선택의 필요성은 비용 증가 문제를 유발한다.

따라서, 본 발명의 목적은 회로 디지털화에 기반을 두어 신호 품질의 안정성이 강화될 수 있고 비용이 감소될 수 있는 RF 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저, 그리고 MRI 장치를 제공하는 것이다.

제 1 관점에서, 본 발명은 외부로부터 제어 데이터를 수신하는 시스템 인터페이스와, 시스템 인터페이스로부터의 명령에 따라 기준 캐리어 주파수 신호를 출력하는 복소 디지털 신서사이저와, 기준 캐리어 주파수 신호와 RF 포락선 파형 신호를 결합하고 복소 형태로 결과 기준 RF 펄스 신호를 출력하는 RF 포락선 혼합기와, 기준 RF 펄스 신호의 캐리어 주파수를 의도된 정자장 세기에서 필요한 공진 주파수로 업-컨버트하고 결과 신호를 아날로그 RF 펄스 신호로 변환하는 디지털 주파수 업-컨버터(up-converter)와, 아날로그 RF 펄스 신호에 나타나는 에일리어스 고조파를 필터링하고 결과 신호의 진폭을 조정하는 아날로그 여기 회로(rousing circuit)를 포함하는 것을 특징으로하는 RF 송신 회로이다.

기준 캐리어 주파수 신호와 RF 포락선 파형 신호가 디지털 도메인(domain)에서 결합되는 제 1 관점의 RF 송신 회로는 아날로그 혼합기 회로를 필요로 하지 않으며, 따라서 신호 품질의 안정성은 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다. 뿐만 아니라, 기준 캐리어 주파수 신호는 디지털 도메인에서 직접 생성되고 업-컨버트되어, 아날로그 주파수 변환기 회로와 아날로그 대역 통과 필터 회로의 필요성을 제거하며, 따라서 신호 품질의 안정은 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다.

제 2 관점에서, 본 발명은 시스템 인터페이스의 명령에 따라 RF 포락선 파형 신호의 진폭을 조정하는 디지털 감쇠기(digital attenuator)를 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 2 관점의 RF 송신 회로는 디지털 도메인에서 RF 펄스 진폭의 정밀한 조정을 정확하게 구현할 수 있다.

제 3 관점에서, 본 발명은 디지털 주파수 업-컨버터에 의해 업-컨버트되는 공진 주파수를 시스템 인터페이스의 명령에 따라 변경하는 공진 주파수 조정 제어기를 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 3 관점의 RF 송신 회로는 동일한 하드웨어 구성을 사용하면서, 공진 주파수를 변경하는 소프트웨를 기반으로 하여 상이한 정자장 세기를 처리할 수 있고, 또한 비용을 감소시킨다.

제 4 관점에서, 본 발명은 40 MHz 이상의 시스템 클록 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 4 관점의 RF 송신 회로는 나이퀴스트(Nyquist) 주파수의 80%인 15 MHz까지의 신호를 적절히 처리할 수 있다.

제 5 관점에서, 본 발명은 복소 디지털 신서사이저가 40 MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 5 관점에서의 RF 송신 회로는 나이퀴스트 주파수의 80%인 15 MHz까지 기준 캐리어 주파수를 처리할 수 있다.

제 6 관점에서, 본 발명은 디지털 주파수 업-컨버터가 40 MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 6 관점에서의 RF 송신 회로는 나이퀴스트 주파수의 80%인 15 MHz까지(정자장 세기 0.35T까지) 공진 주파수를 처리할 수 있다.

제 7 관점에서, 본 발명은 디지털 주파수 업-컨버터가 160MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 7 관점에서의 RF 송신 회로는 나이퀴스트 주파수의 80%인 64 MHz까지(정자장 세기 1.5T까지) 공진 주파수를 처리할 수 있다.

제 8 관점에서, 본 발명은 시스템 인터페이스가 복소 디지털 신서사이저에게기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터와, 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋(offsets)하는 데이터와, 또한 RF 포락선 파형에 관하여 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 제공하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 8 관점에서의 RF 송신 회로는 기준 캐리어 주파수의 중심 주파수, 오프셋 주파수, 그리고 초기 위상(initial phase)을 지정할 수 있다.

제 9 관점에서, 본 발명은 복소 디지털 신서사이저가 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 중심 주파수 누산기와, 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 오프셋 주파수 누산기와, RF 포락선 파형에 관련해 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 보유하는 초기 위상 레지스터와, 위에서 언급한 데이터를 가산하는 가산기와, 코사인 파형 데이터 기록을 가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스(addressed)된 코사인 파형 데이터를 판독하고 동위상 성분(inphase component) 데이터를 출력하는 코사인 룩업 테이블(lookup table)과, 사인 파형 데이터를 가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 사인 파형 데이터를 판독하고 직교 성분(quadrature component) 데이터를 출력하는 사인 룩업 테이블을 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 9 관점의 RF 송신 회로는 중심 주파수, 오프셋 주파수와 초기 위상이 특정되는 것과 함께 기준 캐리어 주파수 신호를 복소 형태로 직접 생성할 수 있다.

제 10 관점에서, 본 발명은 디지털 주파수 업-컨버터가, 동위상 성분 데이터(inphase component data)와 직교 성분 데이터(quadrature component data)에 대한 보간(interpolation) 프로세스와 필터링 프로세스를 구현하고 데이터 샘플링율(data sampling rate)이 상승된 결과 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 출력하는 복소 보간 필터와, 혼합 신호의 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 생성하는 복소 디지털 신서사이저와, 데이터 샘플링율이 상승된 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터 및 혼합 신호를 결합하고 그것에 의해 캐리어 주파수 상승된 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 생성하고 출력하는 업-컨버트 혼합기와, 캐리어 주파수가 상승된 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 결합하고 결과 디지털 RF 펄스 신호를 출력하는 가산기와, 디지털 RF 펄스 신호를 아날로그 RF 펄스 신호로 변환하는 D/A 변환기를 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 RF 송신 회로이다.

제 10 관점에서의 RF 송신 회로는 캐리어 주파수를 의도된 공진 주파수로 디지털적으로 그리고 직접적으로 업-컨버트할 수 있고 아날로그 RF 펄스 신호를 출력할 수 있다.

제 11 관점에서, 본 발명은 시스템 클록 신호로부터, 주파수에 있어서 시스템 클록 신호보다 더 높은, 디지털 주파수 업-컨버터에 대한 동작 클록 신호를 생성하는 PLL 신서사이저를 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 11 관점에서의 RF 송신 회로에서는 디지털 주파수 업-컨버터의 동작 클록주파수가 PLL 신서사이저에 의해 변경될 수 있고, 상이한 공진 주파수(상이한 정자장 세기)를 쉽게 처리할 수 있다.

제 12 관점에서, 본 발명은 아날로그 여기 회로가 아날로그 RF 펄스 신호에나타나는 에일리어스 고조파를 제거하는 저역-통과 필터(low-pass filter)와, 아날로그 RF 펄스 신호의 진폭을 조정하는 프로그램가능-이득 증폭기와, 송/수신 선택기 스위치를 포함하는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로이다.

제 12 관점의 RF 송신 회로는 의도된 정자장 세기에서 필요한 공진 주파수와 동일한 캐리어 주파수를 갖는 아날로그 RF 펄스 신호를 적절하게 생성할 수 있다.

제 13 관점에서, 본 발명은 위에서 언급한 구성의 RF 송신 회로를 포함하는 것을 특징으로하는 MRI 장치이다.

제 13 관점의 MRI 장치는 회로 디지털화를 촉진하여, 신호 품질의 안정성은 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다.

제 14 관점에서, 본 발명은 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 중심 주파수 누산기와, 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 오프셋 주파수 누산기와, RF 포락선 파형에 관련해 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 보유하는 초기 위상 레지스터와, 위에서 언급한 데이터를 가산하는 가산기와, 코사인 파형 데이터 기록을 가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 코사인 파형 데이터를 판독하고 동위상 성분 데이터를 출력하는 코사인 룩업 테이블과, 사인 파형 데이터를가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 사인 파형 데이터를 판독하고 직교 성분 데이터를 출력하는 사인 룩업 테이블을 포함하는 것을 특징으로하는 복소 디지털 신서사이저이다.

제 14 관점의 복소 디지털 신서사이저는 중심 주파수, 오프셋 주파수와 초기 위상이 특정되는 것과 함께 기준 캐리어 주파수 신호를 복소 형태로 직접 생성할 수 있다.

제 15 관점에서, 본 발명은 40 MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는 것을 특징으로하는 위에서 언급한 복소 디지털 신서사이저이다.

제 15 관점의 복소 디지털 신서사이저는 나이퀴스트 주파수의 80%인 15MHz 까지 기준 캐리어 주파수를 생성할 수 있다.

제 16 관점에서, 본 발명은 위에서 언급한 구성의 디지털 신서사이저를 포함하는 것을 특징으로하는 MRI 장치이다.

제 16 관점의 MRI 장치는 회로 디지털화를 촉진하여 신호 품질의 안정성을 강화할 수 있고 비용은 감소할 수 있다.

본 발명의 RF 송신 회로와 복소 디지털 신서사이저 및 MRI 장치에 따라, 캐리어와 RF 포락선은 디지털 도메인에서 결합되고, 아날로그 혼합기 회로의 필요성이 제거되어, 신호 품질의 안정성이 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다. 캐리어는 디지털 영역에서 생성되고 업-컨버트되며, 아날로그 주파수 업-컨버터 회로 및 아날로그 대역 통과 필터 회로의 필요성이 제거되어, 신호 품질의 안정성이 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적과 이점은 첨부하는 도면에 예시되어 있듯이 후속하는 본 발명의 바람직한 실시예에서 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 기초한 MRI 장치를 도시하는 블록도,

도 2는 본 발명의 실시예에 기초한 RF 송신 회로를 도시하는 블록도,

도 3은 본 발명의 실시예에 기초한 복소 디지털 신서사이저의 구성을 예시하는 블록도,

도 4는 디지털 주파수 업-컨버터(up-converter)의 구성을 예시하는 블록도,

도 5는 아날로그 여기 회로의 구성을 예시하는 블록도,

도 6은 기준 캐리어 주파수 신호의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 7은 RF 포락선 신호 데이터의 파형을 예시하는 도면,

도 8은 기준(reference) RF 펄스 신호 데이터의 파형을 예시하는 도면,

도 9는 기준 RF 펄스 신호 데이터의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 10은 샘플링율이 상승된 기준 RF 펄스 신호 데이터의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 11은 혼합 신호의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 12는 혼합 신호와 샘플링율이 상승된 기준 RF 펄스 신호 데이터의 결합에서 기인된 신호 데이터의 파워 스펙트럼를 예시하는 도면,

도 13은 아날로그 RF 펄스 신호의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 14는 불필요한 고조파가 제거된 RF 펄스 신호의 파워 스펙트럼을 예시하는 도면,

도 15는 통상적인 RF 송신 회로를 예시하는 블록도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

3 : 구배 자장 구동 회로5 : 전치 증폭기

13 : 동작 콘솔30 : 복소 디지털 신서사이저

32 : 오프셋 주파수 누산기61 : 복소 보간 필터

53 : 발진 회로83J : 송/수신 선택기 스위치

다음은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 기초로 한 MRI 장치(100)를 도시하는 블록도이다.

이 MRI 장치(100)에서, 자석 어셈블리(magnet assembly)(1)는 피검체가 배치되는 공간부 내지 구멍(room section or bore)을 가지고 있다. 피검체에 일정한 정자장을 인가하는 영구 자석(1p)과, x축, y축, z축(슬라이스 구배축(slice gradient axis), 판독 구배축, 위상 부호화 구배축은 x축, y축, z축의 조합에 의해 형성된다)의 구배 자장을 생성하기 위한 구배 자장 코일(1g)과, 피검체내의 원자핵(atomic nucleus)의 스핀을 유도하기 위한 RF 펄스를 생성하는 송신 코일(1t)과, 피검체로부터 NMR 신호를 검출하는 수신 코일(1r)이 공간부 주위에 배치된다. 구배 자장 코일(1g), 송신 코일(1t) 및 수신 코일(1r)은 구배 자장 구동 회로(3), RF 파워 증폭기(4) 및 전치 증폭기에 각각 연결된다.

영구 자석(1p)을 대체하여, 정자장 전원 및 정자장 코일이 사용될 수도 있다.

시퀀스 메모리 회로(8)는 컴퓨터(7)로부터의 명령에 따라 또한 저장된 펄스 시퀀스에 기초하여 동작하고, 구배 자장 구동 회로(3)에 동작하여 자석어셈블리(1)의 구배 자장 코일(1g)이 구배 자장을 생성하도록 하고, RF 송신 회로(10)에 동작하여 RF 펄스 신호를 생성하도록 하고, 신호를 RF 전력 증폭기(4)에 인가하고, 증폭된 RF 펄스 신호를 자석 어셈블리(1)의 송신 코일(1t)에 인가하여 의도된 이미지 플레인(image plane)이 여기(roused)된다.

RF 송신 회로(10)는 차후에 상세히 설명될 것이다.

전치 증폭기(5)는 자석 어셈블리(1)의 수신 코일(1r)에 의해 수신된 피검체로부터의 NMR 신호를 증폭하고 증폭된 신호를 A/D 변환기(11)에 인가한다. A/D 변환기(11)는 NMR 신호를 디지털 데이터로 변환하고 위상 검파기(phase detector)(12)에 인가한다. 위상 검파기(12)는 디지털 신호 프로세싱을 이용해 NMR에 대한 위상 검파를 수행하고 그 결과를 컴퓨터(7)에 인가한다.

컴퓨터(7)는 동작 콘솔(console)(13)로부터 입력된 정보를 수신한다. 컴퓨터(7)는 또한 위상 검파기(12)로부터 디지털 데이터를 판독하고 MR 이미지를 생성하기 위해 이미지 재구성(reconstruction) 계산을 수행한다. 컴퓨터(7)는 전체적인 제어를 더 수행한다.

디스플레이 장치(13)는 MR 이미지를 디스플레이한다.

도 2는 RF 송신 회로(10)의 구성을 도시하는 블록도이다.

이 RF 송신 회로(10)는 시스템 인터페이스(20), 복소 디지털 신서사이저(30), 디지털 감쇠기(40), RF 포락선 혼합기(41,42), 공진 주파수 조정 제어기(43), 디지털 주파수 업-컨버터(60), 아날로그 여기 회로(rousing circuit)(80)를 포함한다.

RF 송신 회로(10)에는 예로 40 MHz의 시스템 클록 신호가 공급된다.

시스템 인터페이스(20)는 데이터 디코더/데이터 라우터(data decoder/data router) 논리 회로를 포함하고, 시퀀스 메모리 회로(8)로부터 데이터를 수신하며 데이터에 따라 복소 디지털 신서사이저(30) 등을 제어한다.

시퀀스 메모리 회로(8)에 의해 제공되는 데이터는 캐리어 주파수 성분 데이터, 오프셋 주파수 성분 데이터, 초기 위상 정보, 송신될 RF 포락선 파형 정보, RF 포락선 파형의 정밀한 조정의 계산을 위해 사용되는 정밀 조정 요소 정보(fine adjustment factor information), 아날로그 여기 회로(80)를 제어하기 위해 사용되는 제어 명령 정보를 포함한다. 이러한 데이터는 개별적으로 지정된 소정의 시간 간격으로 갱신된다.

복소 디지털 신서사이저(30)는 시스템 인터페이스(20)에 의해 입력되는 중심 주파수, 오프셋 주파수 및 초기 위상에 기초하여 동작하여 기준 캐리어 주파수 신호의 동위상 성분 데이터(I1)와 직교 성분 데이터(Q1)를 출력한다. 동위상 성분 데이터(I1) 및 직교 성분 데이터(Q1)는 복소 형태의 코사인 신호 성분 및 사인 신호 성분과 각각 동등하다.

예를 들어 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대해, 생성될 기준 캐리어 주파수는 각각 6.04MHz, 7.35MHz, 3.79MHz, 또는 6.36MHz이다.

디지털 신서사이저의 에일리어징(aliasing) 효과에 의해 유발되는 SFDR(Spurious Free Dynamic Range)의 하락(fall)을 최소화하기 위해, 생성될 기준 캐리어 주파수는 나이퀴스트의 약 80%로 설정된다.

예를 들어, 40 MHz 시스템 클록 주파수(Fs1)가 동작 클록 주파수에 대해 그대로(intact) 사용될 때, 40 MHz의 동작 클록 주파수에 대한 나이퀴스트 주파수가 20 MHz인 경우, 생성될 기준 캐리어 주파수는 15 MHz이하로 설정된다.

한편, 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장에 대해, 생성될 기준 캐리어 주파수가 각각 6.04 MHz, 7.35 MHz, 3.79 MHz, 또는 6.36MHz인 경우, 예를 들어 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대해, 동작 클록 주파수는 각각 15.1 MHz, 18.35 MHz, 9.745 MHz, 또는 15.9 MHz로 설정된다.

디지털 감쇠기(40)는 시스템 인터페이스(20)를 통해 입력되는 정밀한 조정 요소 데이터와 RF 포락선 파형 데이터를 곱하고 진폭 조정된 RF 포락선 신호 데이터(En)를 출력하는 디지털 곱셈기이다. 정밀한 조정 요소가 가능한 가장 큰 값일 경우 진폭 조정된 RF 포락선 신호 데이터(En)가 입력된 RF 포락선 파형 데이터와 동일(즉, 이득 0dB)하도록 조정된다.

RF 포락선 혼합기(41)는 기준 캐리어 주파수 신호의 동위상 성분 데이터(I1)와 진폭 조정된 RF 포락선 신호 데이터(En)를 결합하고, 기준 RF 펄스 신호의 동위상 성분 데이터(12)를 출력한다.

RF 포락선 혼합기(42)는 기준 캐리어 주파수 신호의 직교 성분 데이터(Q1)와 진폭 조정된 RF 포락선 신호 데이터(En)를 결합하고, 기준 RF 펄스 신호의 직교 성분 데이터(Q2)를 출력하는 디지털 멀티플라이어이다.

디지털 주파수 업-컨버터(60)는 기준 RF 펄스 신호(I2, Q2)의 업-샘플링(up-sampling)과 기준 캐리어 주파수를 보간 프로세스 및 필터링에 기초하여 의도된 정자장 세기에서 필요한 공진 주파수로 업-컨버트하는 것을 수행하고, 결과 신호를 아날로그 RF 펄스 신호(A1)로 변환한다.

예를 들어, 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대해 기준 주파수는 각각 8.54MHz, 14.85MHz, 21.29MHz, 또는 63.86MHz 이다.

업-컨버트하는 것은 RF 펄스 신호의 캐리어 주파수이고, RF 포락선 파형은 아니다. RF 포락선 파형은 캐리어 주파수와 비교해 볼때 훨씬 낮은 주파수를 가지고 있고, 캐리어 주파수 신호의 진폭 정보로서 보존된다.

또한 디지털 주파수 업-컨버터(60)의 만족스러운 SFDR을 위해, 공진 주파수는 D/A 변환 샘플링 주파수의 나이퀴스트 주파수의 약 80% 이하로 설정된다.

예를 들어, 40MHz의 4배인 시스템 클록 주파수가 동작 클록 주파수로 사용될 경우, 나이퀴스트 주파수는 160 MHz의 동작 클록 주파수(Fs2)에 대해 80 MHz이고, 공진 주파수는 64 MHz 이하로 설정된다.

다른 한편, 예를 들어 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대해 공진 주파수가 각각 8.54MHz, 14.85MHz, 21.29MHz, 또는 63.86MHz 일 경우, 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대해 동작 클록 주파수는 각각 21.35MHz, 37.125MHz, 53.225MHz, 또는 159.7MHz이다.

공진 주파수 조정 제어기(43)는 디지털 주파수 업-컨버터(60)를 초기화하고 업-컨버트되는 공진주파수를 변경하는 마이크로프로세서이다.

아날로그 여기 회로(80)는 아날로그 RF 펄스 신호(A1)에 나타나는 에일리어스 고조파를 필터링하고 결과 신호의 진폭을 조정한다.

도 3은 복소 디지털 신서사이저(30) 구성을 예시하는 블럭도이다.

복소 디지털 신서사이저(30)는 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 중심 주파수 누산기(31)와, 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 오프셋 주파수 누산기(32)와, RF 포락선 파형에 관하여 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 보유하는 초기 위상 레지스터(33)와, 위에서 언급한 데이터를 가산하는 가산기(34)와, 코사인 파형 데이터 기록을 가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 코사인 파형 데이터를 판독하고 동위상 성분 데이터를 출력하는 코사인 룩업 테이블(35)과, 사인 파형 데이터를 가지고 있고 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 사인 파형 데이터를 판독하고 직교 성분 데이터를 출력하는 사인 룩업 테이블(36)로 구성된다.

도 4는 디지털 주파수 업-컨버터(60) 구성을 예시하는 블록도이다.

디지털 주파수 업-컨버터(60)는 동위상 성분 데이터(I2)와 직교 성분 데이터(Q2)에 대한 보간 프로세스와 필터링 프로세스를 실행하고 160 MHz까지 데이터 샘플링율이 상승된 결과 동위상 성분 데이터(I2') 및 직교 성분 데이터(Q2')를 출력하는 복소 보간 필터(61)와, 40 MHz 시스템 클록 신호로부터 160 MHz의 동작 클록 신호(Fs2)를 생성하는 PLL(Phase Locked Loop)(62)과, 혼합 신호의 동위상 성분 데이터(I3)와 직교 성분 데이터(Q3)를 생성하는 복소 디지털 신서사이저(63)와, 동위상 성분 데이터(I2)와 직교 성분 데이터(Q2)를 혼합 신호 성분(I3, Q3)과 결합하고 그것에 의해 캐리어 주파수가 상승된 동위상 성분 데이터(I4)와 직교 성분 데이터(Q4)를 생성하고 출력하는 업-컨버터 혼합기(64, 65)와, 동위상 성분 데이터(I4)와 직교 성분 데이터(Q4)를 결합하고 결과 디지털 RF 펄스 신호(D1)를 출력하는 가산기(66)와, 디지털 RF 펄스 신호(D1)를 아날로그 RF 펄스 신호(A1)로 변환하는 D/A 변환기(67)로 구성된다.

예를 들어 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대한 혼합 신호 주파수는 각각 2.50MHz, 7.5MHz, 17.5MHz, 또는 57.5MHz이다. 결과적으로, 예를 들어 0.2T, 0.35T, 0.5T, 또는 1.5T의 정자장 세기에 대한 업-컨버트되는 캐리어 주파수는 8.54MHz, 14.85MHz, 21.29MHz, 또는 63.86MHz이고, 공진 주파수와 동일하다.

디지털 주파수 업-컨버터(60)는 예를 들어 AD9856 같은 LSI(Large Scale Integration) 모듈을 이용해 대안적으로 구성될 수 있다.

도 5는 아날로그 여기 회로(80) 구성을 예시하는 블록도이다.

아날로그 여기 회로(80)는 아날로그 RF 펄스 신호(A1)로부터 나타나는 에일리어스 고조파를 제거하고 결과 아날로그 RF 펄스(A2)를 출력하는 저역-통과 필터(81)와, 아날로그 RF 펄스 신호(A2)의 진폭를 조정하는 프로그램가능-이득 증폭기(82)와, 송/수신 선택기 스위치(83)로 구성된다.

도 6은 복소 디지털 신서사이저(30)에 의해 출력되는 동위상 성분 데이터(I1)과 직교 성분 데이터(Q1)의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

도 6에는 기준 캐리어 주파수가 3.79 MHz이고 동작 클록(Fsl) 주파수가 40MHz인 경우가 도시되어 있다.

도 7은 디지털 감쇠기(40)에 의해 출력되는 RF 포락선 신호(En)의 파형을 예시하는 개념도이다.

도 7에는 사인 파형의 예가 도시되어 있다.

도 8은 RF 포락선 혼합기(41, 42)에 의해 출력된 동위상 성분 데이터(I2)와 직교 성분 데이터(Q2)의 파형을 도시하는 개념도이다.

도 9는 기준 RF 펄스 신호의 동위상 성분 데이터(I2)와 직교 성분 데이터(Q2)의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

기준 캐리어 주파수에 중심을 둔 스펙트럼은 RF 포락선 신호(En)의 폭까지 확장한다.

도 10은 복소 보간 필터(61)에 의해 160 MHZ까지 샘플링율이 상승된, 동위상 성분 데이터(I2')와 직교 성분 데이터(Q2')의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

도 11은 복소 디지털 신서사이저(63)에 의해 생성되는 혼합 신호의 동위상 성분 데이터(I3)와 직교 성분 데이터(Q3)의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

도 11에는 혼합 신호 주파수가 17.5MHz인 경우가 도시되어 있다.

도 12는 업-컨버트 혼합기(64, 65)에 의해 출력되는 동위상 성분 데이터(I4)와 직교 성분 데이터(Q4)의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

기준 캐리어 주파수(이 예에서는 3.79 MHz)는 혼합 신호 주파수(이 예에서는 17.5 MHz)의 양(amount)에 의해 업-컨버트된다(이 예에서 21.29 MHz까지).

도 13은 D/A 변환기(67)에 의해 출력된 아날로그 RF 펄스 신호의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

스펙트럼 A1-1은 베이스밴드(baseband)이고 A1-2에서부터 A1-4의 다른 스펙트럼은 에일리어스 고조파이다.

"α" 표시는 D/A 변환기(67)의 SINC 특성이다.

도 14는 저역 통과 필터(81)에 의해 에일리어스 고조파(A1-2 내지 A1-4)가 제거된 아날로그 RF 펄스 신호(A2)의 파워 스펙트럼을 도시하는 개념도이다.

결과적으로, 의도된 정자장 세기(이 예에서는 0.5T)에서 필요한 공진 주파수(이 예에서는 21.29MHz)를 캐리어 주파수로하는 아날로그 RF 펄스 신호(A2)가 얻어진다.

앞선 RF 송신 회로(10)는 다음의 효과를 성취한다.

(1) RF 포락선 혼합기(41, 42)는 디지털 도메인에서 기준 캐리어 주파수 신호 데이터(I1, Q1)와 RF 포락선 신호 데이터(En)의 결합을 수행하여, 아날로그 혼합기 회로의 필요성을 제거하며 그것에 의해 신호 품질의 안정성은 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다.

복소 디지털 신서사이저(30)는 기준 캐리어 주파수 신호 데이터(I1, Q1)를 디지털 방식으로 직접 생성한다. 디지털 주파수 업-컨버터(60)는 디지털 도메인에서 그들의 주파수를 업-컨버트한다. 결과적으로, 아날로그 주파수 업-컨버터 회로 및 아날로그 대역 통과 필터 회로의 필요성이 제거되고, 그것에 의해 신호 품질의 안정성은 강화될 수 있고 비용은 감소될 수 있다.

(2) 디지털 감쇠기(40)는 디지털 도메인에서 RF 펄스 진폭의 정밀한 조정을 정확하게 수행한다.

(3) 공진 주파수 조정 제어기(43)는 공진 주파수를 변경하여, RF 송신 회로(10)가 동일한 하드웨어를 사용하여 소프트웨어적으로 상이한 정자장 세기를 처리할 수 있게 해주며, 따라서 비용 절감 효과를 가져온다.

(4) 복소 디지털 신서사이저(30)는 40 MHz로 설정된 동작 클록 주파수를 가져, RF 송신 회로(10)가 15 MHz까지 기준 캐리어 주파수를 생성할 수 있게 해준다.

(5) 디지털 주파수 업-컨버터(60)는 160 MHz 클록 주파수에서 동작하여 RF 송신 회로(10)가 동작 클록 주파수의 80%인 64MHz까지 공진 주파수를 처리할 수 있게 해준다. 이것은 동일한 하드웨어 구성의 MRI 장치가 1.5T까지의 정자장 세기를 처리할 수 있고, 그것에 의해 비용이 감소될 수 있다는 것을 나타낸다.

(6) RF 송신 회로(10)는 LSI를 기초하여 쉽게 디자인될 수 있다. 그것은 또한 시장에서 이용가능한 LSI 부품을 사용해도 무방하고, 그것에 의해 비용이 감소될 수 있다.

디지털 주파수 업-컨버터(60)가 235 MHz 이상의 클록 주파수에서 동작할 경우, RF 송신 회로(10)는 3T까지의 정자장 세기를 갖는 MRI 장치에 적용될 수 있다. 디지털 주파수 업-컨버터(60)가 450 MHz 이상의 클록 주파수에서 동작할 경우, RF 송신 회로(10)는 4T까지의 정자장 세기를 갖는 MRI 장치에 적용될 수 있다.

앞선 RF 송신 회로(10)는 CPLD(Complex Programmable Logic Device) 또는 FPGA(Field-Programmable Logic Array) 같은 프로그램 가능한 장치를 사용해서 부분적으로 또는 전체적으로 구성될 수 있다.

본 발명의 사상과 범주를 벗어나지 않고서 본 발명의 여러 상이한 실시예를 구성할 수 있다. 본 발명이 본 명세서에 개시된 특정한 실시예에 제한되지 않고, 단지 첨부한 청구범위에 의해서만 제한된다는 점을 이해해야 한다.

본 발명은 회로 디지털화에 기반을 두어 신호 품질의 안정성이 강화될 수 있고 비용이 감소될 수 있는 RF 송신 회로, 복소 디지털 신서사이저, 그리고 MRI 장치를 제공하는 것이다.

Claims

외부로부터 제어 데이터를 수신하는 시스템 인터페이스(system interface)와,

상기 시스템 인터페이스로부터의 명령에 따라 기준 캐리어 주파수(reference carrier frequency) 신호를 출력하는 복소 디지털 신서사이저(complex digital synthesizer)와,

상기 기준 캐리어 주파수 신호와 RF 포락선 파형(envelope waveform) 신호를 결합(combine)하고 복소 형태로 결과 기준 RF 펄스 신호를 출력하는 RF 포락선 혼합기(envelope mixer)와,

상기 기준 RF 펄스 신호의 캐리어 주파수를 의도된 정자장 세기에서 필요한 공진 주파수로 업-컨버트(up-convert)하고 그 결과 신호를 아날로그 RF 펄스 신호로 변환하는 디지털 주파수 업-컨버터(up-conveter)와,

상기 아날로그 RF 펄스 신호에 나타나는 에일리어스 고조파(alias harmonics)를 필터링하고 그 결과 신호의 진폭을 조정하는 아날로그 여기 회로(analog rousing circuit)를 포함하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 인터페이스의 명령에 따라 상기 RF 포락선 파형의 진폭을 조정하는 디지털 감쇠기(attenuator)를 더 포함하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 인터페이스의 명령에 따라 상기 디지털 주파수 업-컨버터에 의해 업-컨버트되는 상기 공진 주파수를 변경하는 공진 주파수 조정 제어기(resonant frequency adjusting controller)를 더 포함하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

40 MHz 이상의 시스템 클록 주파수를 갖는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 복소 디지털 신서사이저가 40 MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 주파수 업-컨버터의 동작 클록 주파수가 40 MHz 이상인

RF 송신 회로.
제 6 항에 있어서,

상기 디지털 주파수 업-컨버터가 160 MHz 이상의 동작 클록 주파수를 갖는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 시스템 인터페이스가 상기 복소 디지털 신서사이저에게 상기 기준 캐리어 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터와, 상기 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋(offsets)하는 데이터와, 상기 RF 포락선 파형과 관련해 상기 기준 캐리어 주파수의 초기 위상(initial phase)을 결정하는 데이터를 제공하는

RF 송신 회로.
제 8 항에 있어서,

상기 복소 디지털 신서사이저가

상기 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 중심 주파수 누산기와,

상기 중심 주파수로부터 상기 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 오프셋 주파수 누산기와,

상기 RF 포락선 파형에 관련해 상기 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 보유하는 초기 위상 레지스터와,

상기 데이터들을 가산하는 가산기와,

코사인 파형 데이터 기록을 가지고 있고 상기 가산기의 상기 합산 데이터에 의해 어드레스(addressed)된 코사인 파형 데이터를 판독하고 동위상 성분 데이터(inphase component data)를 출력하는 코사인 룩업 테이블(lookup table)과,

사인 파형 데이터를 가지고 있고 상기 가산기의 상기 합산 데이터에 의해 어드레스된 사인 파형 데이터를 판독하고 직교 성분 데이터(quadrature component data)를 출력하는 사인 룩업 테이블을 제공하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 주파수 업-컨버터가

동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터에 대한 보간(interpolation) 프로세스와 필터링 프로세스를 구현하고 데이터 샘플링율(raised data sampling rate)이 상승된 결과 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 출력하는 복소 보간 필터와,

혼합 신호(mixing signal)의 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 생성하는 복소 디지털 신서사이저와,

상기 데이터 샘플링율이 상승된 상기 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터 및 혼합신호를 결합하고 그것에 의해 캐리어 주파수가 상승된 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 생성하고 출력하는 업-컨버트 혼합기와,

상기 캐리어 주파수가 상승된 상기 동위상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 결합하고 결과 디지털 RF 펄스 신호를 출력하는 가산기와,

상기 디지털 RF 펄스 신호를 아날로그 RF 펄스 신호로 변환하는 D/A 변환기를 포함하는

RF 송신 회로.
제 10 항에 있어서,

상기 디지털 주파수 업-컨버터가 상기 시스템 클록 신호로부터, 주파수에 있어서 상기 시스템 클록 신호보다 더 높은 상기 디지털 주파수 업-컨버터 대한 동작 클록 신호를 생성하는 PLL 신서사이저를 포함하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 있어서,

상기 아날로그 여기 회로가

상기 아날로그 RF 펄스 신호로부터 상기 에일리어스 고조파를 제거하는 저역 통과 필터(low-pass filter)와,

상기 아날로그 RF 펄스 신호의 진폭을 조정하는 프로그램가능-이득 증폭기(programmable-gain amplifier)와,

송/수신 선택기 스위치를 포함하는

RF 송신 회로.
제 1 항에 기재된 RF 송신 회로를 포함하는

MRI장치.
기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 결정하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 중심 주파수 누산기와,

상기 중심 주파수로부터 실제 기준 캐리어 주파수 신호의 중심 주파수를 오프셋하는 데이터를 누적적으로 합산함으로써 계산하는 오프셋 주파수 누산기와,

RF 포락선 파형에 관련해 상기 기준 캐리어 주파수의 초기 위상을 결정하는 데이터를 보유하는 초기 위상 레지스터와,

상기 데이터들을 가산하는 가산기와,

코사인 파형 데이터 기록을 가지고 있고 상기 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 코사인 파형 데이터를 판독하고 동위상 성분 데이터를 출력하는 코사인 룩업 테이블과,

사인 파형 데이터를 가지고 있고 상기 가산기의 합산 데이터에 의해 어드레스된 사인 파형 데이터를 판독하고 직교 성분 데이터를 출력하는 사인 룩업 테이블을 포함하는

복소 디지털 신서사이저.