СОГЛАСОВАНИЕ ШУМА В СВЯЗАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу оптимизации отношения сигнал-шум в системе, содержащей решетку из двух или более приемных антенн для приема радиочастотных сигналов, причем каждая приемная антенна соединена через согласующую схему с малошумящим усилителем, имеющим входной импеданс, причем каждая цепь, состоящая из приемной антенны, согласующей схемы и малошумящего усилителя, формирует канал приема в системе. Кроме того, изобретение относится к системе, которая адаптирована для выполнения способа изобретения.

Уровень техники

Изобретение раскрыто в дальнейшем в контексте MR (магнитно-резонансного) формирования изображений. Однако следует заметить, что изобретение таким же образом является применимым в других областях, в которых используют решетки антенн для чувствительного приема радиочастотных сигналов, как, например, в областях технологии радиосвязи, мобильной связи, радиолокации или радиоастрономии.

Способы MR формирования изображений, которые используют взаимодействие между магнитными полями и ядерными спинами, чтобы формировать двумерные или трехмерные изображения, широко используют в настоящее время, особенно с области медицинской диагностики, поскольку при формировании изображений мягких тканей они во многих отношениях превосходят другие способы формирования изображений, не требуют ионизирующего излучения и обычно являются неинвазивными.

В соответствии со способом MR, в целом, тело исследуемого пациента располагают в сильном однородном магнитном поле, направление которого также определяет ось (обычно ось z) системы координат, на которой основывается измерение. Магнитное поле создает разные уровни энергии для отдельных ядерных спинов в зависимости от интенсивности магнитного поля, которое может быть возбуждено (спин-резонанс) с помощью приложения электромагнитного переменного поля (радиочастотного поля) определенной частоты (так называемой ларморовской частоты или MR частоты).

С макроскопической точки зрения, распределение отдельных ядерных спинов создает общую намагниченность, которая может быть отклонена от состояния равновесия путем приложения электромагнитного импульса подходящей частоты (радиочастотного импульса), в то время как магнитное поле распространяется перпендикулярно оси z, так что намагниченность выполняет прецессионное движение вокруг оси z.

После окончания радиочастотного импульса намагниченность уменьшается обратно в первоначальное состояние равновесия, в котором намагниченность в направлении z опять создается с первой постоянной времени T (спин-решетка или время продольной релаксации), и намагниченность в направлении, перпендикулярном оси z, уменьшается со второй постоянной времени T (спин-спин или время поперечной релаксации). Изменение намагниченности может быть обнаружено посредством приемных радиочастотных антенн (катушек), которые расположены и ориентированы в объеме исследования MR устройства таким образом, что изменение намагниченности измеряется в направлении, перпендикулярном оси z.

Для того чтобы реализовать пространственное разрешение в теле, линейные градиенты магнитного поля, распространяющиеся вдоль трех главных осей, накладываются на однородное магнитное поле, что имеет результатом линейную пространственную зависимость от резонансной частоты спина. Сигнал, полученный в приемных антеннах, тогда содержит составляющие разных частот, которые могут быть ассоциированы с разными местоположениями в теле. Данные сигнала, полученные с помощью приемных катушек, преобразуют в MR изображение, например, посредством преобразования Фурье.

В данной области техники широко известно (смотри, например, US 4947121), что с помощью использования решеток из двух или более приемных антенн для приема радиочастотных сигналов одновременно можно получать множество наборов данных и что эти наборы данных могут быть объединены для существенного улучшения чувствительности, т.е. отношения сигнал-шум (SNR), или поля обзора (FOR). Такие решетки состоят из близко расположенных приемных антенн (например, поверхностных катушек), которые принимают MR сигналы из общей области, представляющей интерес, в объеме исследования соответствующего MR аппарата. Каждая приемная антенна соединена через согласующую схему с малошумящим усилителем. Каждая цепь, состоящая из приемной антенны, согласующей схемы и малошумящего усилителя, составляет часть канала приема MR аппарата. Каждый канал приема может включать в себя дополнительные компоненты, такие как аналого-цифровой преобразователь, переключатели и т.д. Выходные сигналы каналов, причем каждый канал содержит сигнал и шум, объединяют во время процесса восстановления изображения. На объединенный SNR влияет характеристика каждой отдельной антенны, корреляция шума между антеннами, а также параметры шума (шум-факторы) малошумящих усилителей.

В современных MR системах известно, что шумовая связь между отдельными смежно-расположенными приемными антеннами имеет эффект ограничения, определяющий максимальное число антенн в решетке для получения умеренного SNR. Однако современные MR сканеры иногда включают в себя решетки с множеством приемных антенн, намного превышающих это максимальное число. Это следствие того, что в последнее время разработаны методы параллельного сбора информации. Способами этой категории являются SENSE (Pruessmann et al., “SENSE: Sensitivity Encoding for Fast MRI”, Magnetic Resonance 1999, 42(5), 1952-1962) и SMASH (Sodickson et al., “Simultaneous acquisition of spatial harmonics (SMASH): Fast imaging with radiofrequency coil arrays”, Magnetic Resonance in Medicine 1997, 38, 591-603). SENS и SMASH используют сбор субдискретизированных данных k-пространства, полученных параллельно из множества радиочастотных приемных антенн. В этих способах (комплексные) данные сигнала из множества катушек объединяют с комплексными весовыми коэффициентами таким образом, чтобы подавить артефакты субдискретизации (искажения) в окончательно восстановленных MR изображениях. В любой системе, SENSE или SMASH, ускорение захвата изображения растет с числом использованных приемных антенн. Таким образом, максимальное число антенн обычно является желательным, для того чтобы как можно больше увеличить скорость формирования изображений.

В целом, в современных MR системах отдельные приемные антенны развязаны за счет перекрытия. Поскольку более дальние антенны решетки не могут быть развязаны таким способом, в качестве дополнительной меры используют так называемую развязку с предварительным усилителем. Этот подход использует тот факт, что входной импеданс каждого малошумящего усилителя отличается от оптимального импеданса, который обеспечивает оптимальную шумовую характеристику, т.е. максимальное SNR, соответствующего канала. Согласующая схема каждого канала, которая переключается между антенной и малошумящим усилителем, преобразует оптимальный импеданс соответствующего малошумящего усилителя. Этот тип согласования все же имеет степень свободы, который используют, чтобы максимизировать импеданс, представляемый в антенну. Таким способом уменьшается ток в каждой антенне. Однако в известных системах все же остается остаточная связь между антеннами, что имеет результатом шумовую связь из одного малошумящего усилителя в другие, таким образом, уменьшая полное SNR.

Из вышеупомянутого без труда понятно, что имеется потребность в улучшенном способе для оптимизации отношения сигнал-шум в системе, содержащей решетку связанных радиочастотных приемных антенн.

Раскрытие изобретения

Следовательно, задачей изобретения является обеспечение возможности согласования шума, таким образом, чтобы получить максимальное SNR.

В соответствии с изобретением, раскрыт способ оптимизации отношения сигнал-шум в системе, содержащей решетку из двух или более приемных антенн для приема радиочастотных сигналов, причем каждая приемная антенна соединена через согласующую схему с малошумящим усилителем, представляющим входной импеданс в согласующую схему, причем каждая цепь, состоящая из приемной антенны, согласующей схемы и малошумящего усилителя, составляет часть канала приема системы. Способ по изобретению содержит этапы:

а) установки входного импеданса в каждом канале приема в значение, которое отличается от значения входного импеданса во время обычной работы системы;

b) приема радиочастотных сигналов с помощью приемных антенн;

с) формирования суперпозиционного сигнала из принятых радиочастотных сигналов;

d) модификации согласующих схем всех каналов приема таким образом, чтобы найти оптимальное состояние согласования на основании суперпозиционного сигнала;

e) повторной установки входного импеданса в каждом канале приема.

Сущностью изобретения является специальная регулировка согласующих схем, которая отличается от регулировки известных систем. Процедура оптимизации изобретения может быть легко выполнена при изготовлении соответствующей (MR) системы. Требуется только небольшое изменение аппаратного обеспечения, для того чтобы дать возможность установки входного импеданса каждого малошумящего усилителя на конкретное значение в течение процедуры оптимизации и установки его назад в обычное значение, после того как оптимизация закончена.

Здесь не требуется сложное моделирование, поскольку доступна простая целевая функция, при условии, что входные импедансы, представленные в согласующие схемы, устанавливаются соответствующим образом, с помощью формирования суперпозиционного сигнала из радиочастотных сигналов, измеренных во время процедуры оптимизации, в соответствии с изобретением, причем согласующие схемы затем модифицируются для нахождения оптимального состояния согласования на основании этой целевой функции.

В соответствии с практическим вариантом осуществления изобретения, входной импеданс устанавливают и повторно устанавливают на этапах а) и е) посредством переключаемого импеданса, соединенного с входом каждого малошумящего усилителя. Электронное средство переключения, такое как переключатели МЕМ или PIN, может быть использовано для этой цели. Простые перемычки также являются подходящими, поскольку переключение обычно выполняют только один раз во время изготовления соответствующей системы. Специальные импедансы могут быть соединены с помощью переключателей с входами малошумящих усилителей, для того чтобы получить желаемое значение импеданса во время оптимизации. В качестве альтернативы, оптимизация может быть выполнена совсем без использования малошумящих усилителей просто с помощью снятия сигналов непосредственно на выходах согласующих схем, т.е. где согласующие схемы соединены с малошумящими усилителями во время обычной работы. В случае, когда оптимизацию выполняют таким способом, т.е. без малошумящих усилителей, правильная установка входных импедансов, т.е. импедансов, представленных в согласующие схемы на их выходах, остается критической.

В предпочтительном варианте изобретения мощность каждого радиочастотного сигнала измеряют на этапе b), таким образом, получая сигнал мощности каждого канала приема. Затем сигналы мощностей складывают на этапе с), таким образом, чтобы получить сумму мощностей в качестве суперпозиционного сигнала, т.е. целевую функцию. Затем оптимальное состояние согласования может быть найдено на этапе d) просто с помощью максимизации суммы мощностей. Суть изобретения заключается в том, что целевая функция, сформированная таким способом, имеет максимум точно в точке оптимального состояния согласования, т.е. где общее SNR системы во время обычной работы принимает свое максимальное значение. Сумму мощности формируют с помощью взвешенной суперпозиции сигналов мощности, причем каждый весовой коэффициент зависит от шум-фактора и коэффициента усиления соответствующего малошумящего усилителя. Взвешивание разделяет каждый сигнал мощности на коэффициент усиления и шум-фактор соответствующего малошумящего усилителя (коэффициент усиления, использованный для взвешивания, является адаптированным коэффициентом усиления, т.е. коэффициентом усиления, получающимся при модифицированном входном импедансе). Оказывается, что корректный максимум целевой функции находится таким способом при условии, что значение входного импеданса, представленного в каждую согласующую схему, установлено на этапе а), т.е. в начале процедуры оптимизации, в комплексное сопряженное оптимального импеданса, который обеспечивает оптимальную шумовую характеристику соответствующего (одного) малошумящего усилителя.

Кроме того, в соответствии с изобретением, раскрыта система, содержащая решетку из двух или более приемных антенн для приема радиочастотных сигналов, причем каждая приемная антенна соединена через согласующую схему с малошумящим усилителем, имеющим входной импеданс, причем каждая цепь, состоящая из приемной антенны, согласующей схемы и малошумящего усилителя, составляет часть канала приема системы, причем согласующие схемы преобразуют оптимальные импедансы малошумящих усилителей, при этом оптимальные импедансы обеспечивают оптимальную шумовую характеристику малошумящих усилителей, причем каждый канал приема содержит переключаемый импеданс на входе каждого малошумящего усилителя для переключения входного импеданса, представленного в каждую согласующую схему, в значение, являющееся комплексным сопряженным оптимального импеданса соответствующего малошумящего усилителя.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения, система может быть системой MRI (магнитно-резонансного формирования изображений), включающей в себя, по меньшей мере, одну главную магнитную катушку для генерации равномерного постоянного магнитного поля в объеме исследования, некоторое число градиентных катушек для генерации переключаемых градиентов магнитного поля в разных пространственных направлениях в объеме исследования, причем приемные антенны решетки выполнены с возможностью приема MR сигналов от тела пациента, расположенного в объеме исследования.

Краткое описание чертежей

Прилагаемые чертежи раскрывают предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако следует понимать, что чертежи предназначены только для иллюстративных целей, а не в качестве определения границ объема изобретения.

На чертежах:

фиг.1 изображает принципиальную схему одного (изолированного) канала приема с помехами;

фиг.2 изображает принципиальную схему двух связанных каналов приема;

фиг.3 изображает MR устройство, предназначенное для выполнения способа согласно изобретению, как блок-схему;

фиг.4 изображает два канала приема MR устройства, изображенного на фиг.3, более подробно.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображена эквивалентная схема одного канала приема с помехами. Приемная катушка (антенна) представлена с помощью импеданса , напряжения шума и напряжения сигнала

Шум-фактор малошумящего усилителя может быть определен как отношение SNR входного сигнала при отсутствии шума малошумящего усилителя, и SNR выходного сигнала, включающего в себя шум усилителя, при тепловом шуме катушки при этом обозначает комплексное сопряженное , а линия сверху выражений обозначает ковариации источников шума. При данных источниках шума, на выходе малошумящего усилителя, шум-фактор является функцией импеданса катушки , но не является функцией входного импеданса предварительного усилителя . Оптимальный импеданс катушки для самого низкого возможного шум фактора может быть получен как:

Если импеданс катушки отклоняется от этого оптимума, шум-фактор увеличивается как:

в этой формуле обозначает проводимость теплового шума, которая генерирует тот же шум, что и . SNR на выходе малошумящего усилителя может быть выражено с помощью

На фиг.2 изображена двухэлементная антенная решетка, подключенная к двум малошумящим усилителям с (w.l.o.g.). Источник шумового тока вносит вклад в в другом канале и наоборот (шумовая связь).

Можно показать, что для случая связанных антенных катушек выражение SNR, полученное выше, может быть интерпретировано как матричное уравнение:

В этом уравнении квадратные скобки должны быть вычислены по каналам, формируя диагональные матрицы, , а должно быть интерпретировано как параметры одних малошумящих усилителей, включая согласующие схемы, подключенные к ним ( теперь обозначает транспонированное комплексное сопряженное ).

Используя теорию схем, аналогичное выражение может быть получено для взвешенной комбинации мощности . В этой новой функции сигнал мощности, принятый в импедансе каждого отдельного малошумящего усилителя , делят на соответствующую реальную скалярную величину :

Дополнительно может быть показано, что для обе вышеупомянутые функции имеют одинаковый оптимальный импеданс , если является положительным полуопределенным. Это означает, что оптимальное состояние согласования может быть найдено с помощью модификации входов малошумящих усилителей, таким образом, чтобы они представляли комплексное сопряженное их собственного оптимального импеданса одного канала и обеспечивали согласование, такое что взвешенная сумма мощности, мощности каждого канала, разделенной на отдельный (адаптированный) коэффициент усиления и шум-фактор, на выходах малошумящих усилителей максимизирована. После того как оптимизация закончена, модификацию входа малошумящего усилителя удаляют.

На фиг.3 изображено MR устройство 1, которое составляет систему согласно изобретению. Устройство содержит сверхпроводящие или резистивные главные магнитные катушки 2, такие что создают по существу равномерное постоянное во времени главное магнитное поле вдоль оси z через объем исследования.

Система генерации и манипуляции магнитным резонансом прикладывает последовательность радиочастотных импульсов и переключаемые градиенты магнитного поля, чтобы инвертировать или возбуждать ядерные магнитные спины, индуцировать магнитный резонанс, перефокусировать магнитный резонанс, манипулировать магнитным резонансом, пространственно или иначе кодировать магнитный резонанс, насыщать спины и тому подобное, чтобы выполнять MR (магниторезонансное) формирование изображений.

Более конкретно, градиентный импульсный усилитель 3 прилагает импульсы тока к одной из выбранных градиентных катушек 4, 5 и 6 всего тела вдоль осей x, y и z объема исследования. Цифровой радиочастотный передатчик 7 передает радиочастотные импульсы или пакеты импульсов в объем исследования. Обычная последовательность MR формирования изображений состоит из пакета сегментов радиочастотных импульсов короткой длительности, которые, взятые вместе друг с другом и любыми приложенными градиентами магнитного поля, выполняют выбранную манипуляцию ядерным магнитным резонансом. Радиочастотные импульсы используют, чтобы насыщать, возбуждать резонанс, инвертировать намагниченность, перефокусировать резонанс или манипулировать резонансом, и выбирать часть тела 10, расположенного в объеме исследования. MR сигналы также снимают с помощью радиочастотной катушки 9 полного объема тела.

Для генерации MR изображений ограниченных областей тела 10 посредством параллельного формирования изображений решетку антенн приема (т.е. местных радиочастотных катушек) 11, 12, 13 помещают смежным образом к области, выбранной для формирования изображений. Отдельные элементы катушек 11, 12, 13 могут быть использованы для того, чтобы принимать MR сигналы, индуцируемые с помощью радиочастотных передач катушки тела.

Результирующие MR сигналы снимают с помощью радиочастотной катушки 9 полного объема тела и/или с помощью решетки радиочастотных катушек 11, 12, 13 и демодулируют с помощью приемника 14. Приемник соединен с радиочастотными катушками 9, 11, 12 и 13 через переключатель 8 передачи/приема.

Главный компьютер 15 управляет градиентным импульсным усилителем 3 и передатчиком 7, чтобы генерировать любые из множества последовательностей MR формирования изображений, таких как эхо-формирование плоских изображений (EPI), эхо-формирование объемных изображений, градиентное и спин эхо-формирование изображений, быстрое спин эхо-формирование изображений и тому подобных. Для выбранной последовательности приемник 14 принимает одну из множества серий MR данных в быстрой последовательности после каждого радиочастотного импульса возбуждения. Система 16 сбора данных выполняет аналого-цифровое преобразование принятых сигналов и преобразует каждую серию MR данных в цифровой формат, подходящий для дальнейшей обработки. В современных MR устройствах система 16 сбора данных является отдельным компьютером, который специализирован на сборе необработанных данных изображения.

В конечном счете, цифровые необработанные данные изображения восстанавливаются в представление изображения с помощью процессора 17 восстановления, который применяет преобразование Фурье или другие походящие алгоритмы восстановления, такие как SENSE или SMASH. MR изображение может представлять плоское сечение через пациента, матрицу параллельных плоских сечений, трехмерный объем или тому подобное. Затем изображение сохраняют в памяти изображений, где к нему может быть осуществлен доступ для преобразования сечений, проекций или других частей представления изображения в подходящий формат для визуализации, например, с помощью видеомонитора 18, который предоставляет доступное для чтения человеком отображение результирующего MR изображения.

На фиг.4 более подробно изображены каналы приема MR устройства. Радиочастотные катушки (приемные антенны) 11, 12 и 13 соединены с помощью согласующих схем 19, 20, 21 с малошумящими усилителями 22, 23, 24. Согласующие схемы 19, 20, 21 преобразуют оптимальные импедансы малошумящих усилителей 22, 23, 24, причем эти оптимальные импедансы обеспечивают оптимальную шумовую характеристику малошумящих усилителей. Последовательность импедансов 28, 29, 30, соединенных с входами малошумящих усилителей 22, 23, 24, может быть активирована или деактивирована посредством переключателей 31, 32, 33 с целью установки входных импедансов малошумящих усилителей 22, 23, 24 в комплексное сопряженное оптимального импеданса (одного канала), как это требуется во время процедуры оптимизации изобретения. Значение импеданса каждой последовательности импедансов 28, 29, 30 равно , причем является комплексным сопряженным оптимального импеданса соответствующего канала, и при этом является обычным входным импедансом малошумящего усилителя. После открытия переключателей 31, 32, 33 радиочастотные сигналы (такие как, например, тестовые сигналы, сгенерированные посредством подходящей передающей антенны во время процедуры оптимизации) принимаются с помощью решетки, и выходные радиочастотные сигналы измеряются на выходах малошумящих усилителей 22, 23, 24. Измерители 25, 26, 27 мощности соединены с выходами малошумящих усилителей 22, 23, 24. Часть в левом пунктирном прямоугольнике на фиг.4 реализована как компоненты аппаратного обеспечения, в то время как часть в правом пунктирном прямоугольнике может быть реализована в программном обеспечении. Весовые коэффициенты 36, 37, 38 применяются посредством деления каждого сигнала мощности на отдельный коэффициент усиления (модифицированный во время оптимизации) и шум-фактор (т.е. шум-фактор не модифицированной характеристики малошумящего усилителя). Если малошумящие усилители 22, 23, 24 имеют одинаковый коэффициент усиления и шум-фактор, можно обойтись без взвешивания. Взвешенные сигналы мощности накладываются (т.е. суммируются), чтобы получить суммарный сигнал, который выводится с помощью дисплея 39. Параметры согласующих схем 19, 20, 21 всех каналов приема регулируются до тех пор, пока не будет найден максимум отображенного суммарного сигнала. Наконец, входные импедансы малошумящих усилителей 22, 23, 24 повторно устанавливаются в их первоначальные значения посредством закрытия переключателей 31, 32, 33. Теперь система готова для обычной работы, причем общее SNR системы существенно увеличено по сравнению с традиционными системами.