JP2013046666A - 核磁気共鳴信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受信系でノイズフィギュアが大きくならない核磁気共鳴信号処理装置を提供する。
【解決手段】 その核磁気共鳴信号処理装置は、核磁気共鳴信号を受信する受信コイル（１０８）と、この受信コイルが受信した核磁気共鳴信号を増幅する増幅器（１５１）と、この増幅器で増幅された核磁気共鳴信号を所定の周波数に変換する周波数変換部（１５３）と、周波数変換部で所定の周波数に変換された核磁気共鳴信号の信号強度を調節する信号強度調整器（１５６）と、信号強度調整器で調整された核磁気共鳴信号をデジタルの核磁気共鳴信号に変換するＡ／Ｄ変換器（１５８）と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、核磁気共鳴（Magnetic Resonance）信号処理装置に関し、特に核磁気共鳴信号処理装置の受信部に関する。

核磁気共鳴信号処理装置では、使用するシーケンスやスライス厚さの違いによって、受信コイルが受信する核磁気共鳴信号の信号強度が大きく変動する。この核磁気共鳴信号の信号強度は、微弱であるため画像処理に必要な強度にまで増幅器で増幅する。この増幅器に入力される信号のＳＮＲ（Signal Noise Ratio）と、増幅器から出力される信号のＳＮＲとの比であるノイズフィギュア（Noise Figure: 雑音指数）は、その劣化が小さいことが好ましい。

特許文献１に開示される核磁気共鳴信号処理装置は、ノイズフィギュアの劣化を防ぐために、核磁気共鳴信号を同一の増幅器ではなく、閾値より大きい場合と小さい場合とで増幅器を切り替えている。特許文献１で示されるように、増幅器の前段に減衰器（アッテネータ）が配置されている。

特開２００３−２６００３６号公報

しかし、特許文献１で示されるように、増幅器の前段に減衰器が配置されると、受信コイルからアナログデジタル変換器までの系全体で、ノイズフィギュアが大きくなってしまっていた。

そこで、本発明は、受信コイルからアナログデジタル変換器までの系全体でノイズフィギュアが大きくならない核磁気共鳴信号処理装置を提供する。

第１の観点の核磁気共鳴信号処理装置は、被検体から発生した核磁気共鳴信号を核磁気共鳴信号処理として画像化する。その核磁気共鳴信号処理装置は、核磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、この受信コイルが受信した核磁気共鳴信号を増幅する増幅器と、この増幅器で増幅された核磁気共鳴信号を所定の周波数に変換する周波数変換部と、周波数変換部で所定の周波数に変換された核磁気共鳴信号の信号強度を調節する信号強度調整器と、信号強度調整器で調整された核磁気共鳴信号をデジタルの核磁気共鳴信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備える。

第２の観点の核磁気共鳴信号処理装置は、Ａ／Ｄ変換器からの核磁気共鳴信号の出力に基づいて、信号強度変換器を調整する。
第３の観点の核磁気共鳴信号処理装置において、信号強度調整器は、電圧制御アンプを含み、電圧制御アンプは電圧によって核磁気共鳴信号を連続的に変化させる。
第４の観点の核磁気共鳴信号処理装置は、周波数変換部と電圧制御アンプとの間に、バンドパスフィルタを配置する。

本発明は、受信コイルからアナログデジタル変換器までの受信部において、ノイズフィギュアを低減できる。

核磁気共鳴信号処理装置１０の概略構成図である。 データ受信部１５の構成を示すブロック図である。 入力信号強度に対するノイズフィギュアを示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲はこれらの形態に限られるものではない。

＜核磁気共鳴信号処理装置の構成＞
図１は、本実施の形態の核磁気共鳴信号処理装置１０の概略構成図である。図１を参照して、本実施形態の核磁気共鳴信号処理装置１０の構成及びその基本動作について述べる。

本実施形態の核磁気共鳴信号処理装置１０は、マグネットシステム１００、勾配コイル駆動部１３、ＲＦコイル駆動部１４、データ受信部１５、シーケンス制御部１６、データ処理部１７、表示部１８及び操作部１９を有する。

マグネットシステム１００は、主磁場コイル部１０２、勾配コイル部１０６及びＲＦコイル部１０８を有している。これら各コイル部は概ね円筒状の形状を有し、概ね円柱状のボアに互いに同軸状に配置されている。被検者ＳＢはボア内の寝台１１０に載っている。寝台１１０は、撮影部位に応じて、マグネットシステム１００内のボア内を移動可能になっている。

主磁場コイル部１０２は、マグネットシステム１００の内部空間に静磁場を形成する。静磁場の方向は、概ね被検者ＳＢの体軸の方向に平行であり水平磁場を形成する。主磁場コイル部１０２は、通常、超伝導コイルを用いて構成される。主磁場コイル部１０２は、超伝導コイルに限らず永久磁石等を用いて構成してもよい。

勾配コイル部１０６は、互いに直交する３軸、すなわち、スライス軸、位相軸及び周波数軸の方向において、それぞれ主磁場コイル部１０２によって形成された静磁場強度に勾配を持たせるための３種の勾配磁場を発生する。このような勾配磁場の発生を可能にするために、勾配コイル部１０６は、図示しない３系統の勾配コイルを有する。勾配コイル部１０６には勾配コイル駆動部１３が接続されており、勾配コイル駆動部１３は、勾配コイル部１０６に駆動信号を与えて勾配磁場を発生させる。勾配コイル駆動部１３は、勾配コイル部１０６における３系統の勾配コイルに対応して、図示しない３系統の駆動回路を有する。

静磁場空間における互いに直交する座標軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸としたとき、いずれの軸もスライス軸とすることができる。本実施形態は、スライス軸を被検者ＳＢの体軸の方向をＺ軸方向とし、残り２軸のうちの一方を位相軸とし、他方を周波数軸とする。なお、スライス軸、位相軸及び周波数軸は、相互間の直交性を保ったまま、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に関して任意の傾きを持たせることも可能である。

ＲＦコイル部１０８は、静磁場空間に被検者ＳＢの体内のスピンを励起するための高周波磁場を形成する。高周波磁場が形成されることをＲＦ励起信号の送信といい、ＲＦ励起信号をＲＦパルスという。ＲＦコイル部１０８にはＲＦコイル駆動部１４が接続されている。ＲＦコイル駆動部１４は、ＲＦコイル部１０８に駆動信号を与え、その駆動信号に基づいてＲＦコイル部１０８はＲＦパルスを送信する。励起されたスピンが生じる電磁波すなわち核磁気共鳴信号は、ＲＦコイル部１０８によって受信される。ＲＦコイル部１０８にはデータ受信部１５が接続されている。データ受信部１５は、ＲＦコイル部１０８が受信した核磁気共鳴信号をそのまま受け取る。

具体的には、ＲＦコイル部１０８は、複数の受信コイルを用いたマルチレシーバ（Multi Receiver）を用いることができる。マルチレシーバは、相対的に高感度な受信コイルを複数個並べる構成である。

ＲＦコイル部１０８で検出しデータ受信部１５で受けた核磁気共鳴信号は、周波数ドメイン（周波数領域）、例えばフーリエ空間の信号となる。位相軸方向及び周波数軸方向の勾配により、核磁気共鳴信号のエンコードを２軸で行う。このため、核磁気共鳴信号は、たとえば、周波数空間をフーリエ空間で例示すると、二次元フーリエ空間における信号として得られる。二次元フーリエ空間をｋ空間（K-space）ともいう。位相（フェーズ）エンコード勾配磁場及び周波数エンコード（リードアウト）勾配磁場は、二次元フーリエ空間における信号のサンプリング位置を決定する。

勾配コイル駆動部１３、ＲＦコイル駆動部１４及びデータ受信部１５にはシーケンス制御部１６が接続されている。

シーケンス制御部１６は、操作者に入力された撮影条件、すなわち撮影プロトコルに従い、勾配コイル駆動部１３及びＲＦコイル駆動部１４を駆動させる。

表示部１８は、グラフィックディスプレー等で構成されている。表示部１８はデータ処理部１７に接続されている。表示部１８は操作画面、及び画像再構成された画像などを表示することができる。

操作部１９は、ポインティングデバイスを有するキーボード等で構成される。操作部１９はデータ処理部１７に接続されている。操作部１９は、操作者によって表示部１８を介して操作される。操作部１９は、キーボード等の代わりに表示部１８にタッチパネルを配置してもよい。

データ受信部１５が受けた多くの核磁気共鳴信号がデータ処理部１７に入力される。データ処理部１７は、データ受信部１５が受けた核磁気共鳴信号を不図示の記憶部に記憶させる。記憶部内にはｋ空間に対応するデータ空間が形成される。

続いて、核磁気共鳴信号処理装置１０のデータ受信部１５について、図２を参照しながら、説明する。なお、図２は、ＲＦコイル部１０８の一本の受信コイルに接続されたデータ受信部１５を示している。ＲＦコイル部１０８が、複数の受信コイルを用いたマルチレシーバであれば、各コイルはプリアンプ１５１等に接続されている。

図２は、データ受信部１５の構成を示すブロック図である。データ受信部１５は、ＲＦコイル部１０８の１本の受信コイルに接続されたプリアンプ１５１、ローパスフィルタ１５２、周波数を変換するミキサ１５３及びバンドパスフィルタ１５４を有している。さらに、データ受信部１５は、ローノイズアンプ１５５、信号強度を調節する電圧制御アンプ１５６、アンチエイリアジングフィルタ１５７及びＡ／Ｄ変換器１５８を有している。ミキサ１５３には局所発振器１５９が接続されている。また、データ受信部１５において、ローノイズアンプ１５５からＡ／Ｄ変換器１５８は、ディスクリート部品であってもよいし、ローノイズアンプ１５５からＡ／Ｄ変換器１５８をＩＣ化した素子を用いてもよい。図２では、ＲＦコイル部１０８の１本の受信コイルに対して、１つのデータ受信部１５が配置されている。しかし、マルチレシーバであれば、ＲＦコイル部１０８の複数（例えば８本）の受信コイルに対して、１つのＩＣ化した素子を配置してもよい。複数の受信コイルに少数のＩＣを用意するだけであると、低コスト化、小型化及び省パワーが実現される。

ＲＦコイル部１０８によって受信された核磁気共鳴信号ｆｒは例えば、６３．８６ＭＨｚとなっている。この核磁気共鳴信号ｆｒは信号強度が弱いため、プリアンプ１５１が核磁気共鳴信号ｆｒを増幅する。ローパスフィルタ１５２は増幅された核磁気共鳴信号ｆｒのノイズ成分をカットする。ミキサ１５３は、局所発振器１５９から発生する例えば８０ＭＨｚの局所参照信号ｆ１と核磁気共鳴信号ｆｒとをミキシングする。ミキサ１５３は、例えば、６３．８６ＭＨｚの核磁気共鳴信号ｆｒと８０ＭＨｚの信号とをミキシングすることにより、ｆ２＝ｆ１−ｆｒ＝１６．１４ＭＨｚの核磁気共鳴信号ｆ２に変換する。

周波数変換された核磁気共鳴信号ｆ２は、バンドパスフィルタ１５４に送られる。バンドパスフィルタ１５４は、ミキシング時に発生した不要な信号を除去する。例えばバンドパスフィルタ１５４は、１６．１４ＭＨｚ±０．５ＭＨｚの範囲を超えた信号を除去する。次にローノイズアンプ１５５は、核磁気共鳴信号ｆ２を増幅する。

増幅された核磁気共鳴信号ｆ２は、電圧制御アンプ１５６に送られる。電圧制御アンプ１５６は、核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を調整する。例えば、電圧制御アンプ１５６に入る核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度が１２ｄＢであった場合に、電圧制御アンプ１５６から出る核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を１０ｄＢにする。また、電圧制御アンプ１５６に入る核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度が８ｄＢであった場合に、電圧制御アンプ１５６から出る核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を１０ｄＢにする。このように、Ａ／Ｄ変換器１５８に入力される核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を一定にする。

電圧制御アンプ１５６は、Ａ／Ｄ変換器１５８からのフィードバック信号に基づいて、核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を調整する。つまり、電圧制御アンプ１５６は、Ａ／Ｄ変換器１５８に適した値になるように、核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を調整している。電圧制御アンプ１５６は、電圧を細かく制御することで核磁気共鳴信号ｆ２の信号強度を連続的に変化させることができる。

さらにアンチエイリアジングフィルタ１５７は、核磁気共鳴信号ｆ２の雑音(alias)をフィルタリングする。アンチエイリアジングフィルタ１５７は、バンドパスフィルタの一種である。核磁気共鳴信号ｆ２はＡ／Ｄ変換器１５８でアナログからデジタルに変換される。デジタル化された核磁気共鳴信号ｆ２は、データ処理部１７に送られる。データ処理部１７は、データ受信部１５が受けた核磁気共鳴信号ｆ２をフーリエ変換して不図示の記憶部に記憶させる。デジタル化された核磁気共鳴信号ｆ２は、電圧制御アンプ１５６にフィードバックされる。例えばＡ／Ｄ変換器１５８からの出力が大きいときには、電圧制御アンプ１５６の出力を減少する指令が電圧制御アンプ１５６にフィードバックされる。そして、Ａ／Ｄ変換器１５８からの出力が小さいときには、電圧制御アンプ１５６の出力を増幅する指令が電圧制御アンプ１５６にフィードバックされる。

上記構成により、データ受信部１５のノイズフィギュアが小さくなる。
図３は、入力信号強度に対するノイズフィギュアを示した図である。より詳細に説明すると、図３は、ＲＦコイル部１０８からデータ受信部１５に入力される核磁気共鳴信号ｆｒが、データ受信部１５から出力される際に、どれだけのノイズフィギュアが生じるかを示したグラフである。

図３の横軸は、ＲＦコイル部１０８からデータ受信部１５に入力される核磁気共鳴信号ｆｒを採り、縦軸はノイズフィギュア（ｄＢ）である。核磁気共鳴信号ｆｒの信号強度は、１３段階に区分けされており、第１段目が最も強い核磁気共鳴信号ｆｒであり、第１３段目が最も弱い核磁気共鳴信号ｆｒである。そして、一点鎖線のグラフＰＡは従来のデータ受信部の測定結果であり、点線のグラフＩＶは本実施形態のデータ受信部１５の測定結果である。従来のデータ受信部は、本実施形態のプリアンプ１５１とローパスフィルタ１５２との間に抵抗を用いた減衰器が配置される構成である。また、従来のデータ受信部は、本実施形態のように、電圧制御アンプ１５６を有していない。

図３のグラフから理解されるように、特にＲＦコイル部１０８からの核磁気共鳴信号ｆｒが大きい場合（第１段目から第６段目までの核磁気共鳴信号ｆｒ）、従来のデータ受信部の構成では、ノイズフィギュアが大きい。一方、本実施形態のデータ受信部１５は、ＲＦコイル部１０８からの核磁気共鳴信号ｆｒが大きくてもノイズフィギュアを小さく抑えることができる。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、本実施形態では、信号強度調整器として電圧制御アンプを用いたが、可変抵抗機器を用いてもよい。

１０ … 核磁気共鳴信号処理装置
１３ … 勾配コイル駆動部、１４ … コイル駆動部、１５ … データ受信部
１６ … シーケンス制御部
１７ … データ処理部
１８ … 表示部、１９ … 操作部
１００ … マグネットシステム
１０２ … 主磁場コイル部、１０６ … 勾配コイル部
１０８ … ＲＦコイル部
１１０ … 寝台
１５１ … プリアンプ、１５２ … ローパスフィルタ、１５３ … ミキサ
１５４ … バンドパスフィルタ、１５５ … ローノイズアンプ
１５６ … 電圧制御アンプ、１５７ … アンチエイリアジングフィルタ
１５８ … Ａ／Ｄ変換器、１５９ … 局所発振器
ｆｒ … 核磁気共鳴信号
ｆ１ … 局所参照信号
ｆ２ … 核磁気共鳴信号

Claims (4)

1. 被検体から発生した核磁気共鳴信号を核磁気共鳴信号処理として画像化する核磁気共鳴信号処理装置であって、
   前記核磁気共鳴信号を受信する受信コイルと、
   この受信コイルが受信した前記核磁気共鳴信号を増幅する増幅器と、
   この増幅器で増幅された前記核磁気共鳴信号を所定の周波数に変換する周波数変換部と、
   前記周波数変換部で所定の周波数に変換された前記核磁気共鳴信号の信号強度を調節する信号強度調整器と、
   前記信号強度調整器で調整された前記核磁気共鳴信号をデジタルの核磁気共鳴信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、を備える核磁気共鳴信号処理装置。
2. 前記Ａ／Ｄ変換器からの核磁気共鳴信号の出力に基づいて、前記信号強度変換器を調整する請求項１に記載の核磁気共鳴信号処理装置。
3. 前記信号強度調整器は、電圧制御アンプを含み、前記電圧制御アンプは電圧によって前記核磁気共鳴信号を連続的に変化させる請求項１又は請求項２に記載の核磁気共鳴信号処理装置。
4. 前記周波数変換部と前記電圧制御アンプとの間に、バンドパスフィルタが配置される請求項３に記載の核磁気共鳴信号処理装置。