JP4347865B2 - 磁気共鳴イメージング装置及びａ／ｄ変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検体をスキャンし取得したＮＭＲ信号をアナログデジタル変換する磁気共鳴イメージング装置及びＡ／Ｄ変換装置に関する。

近年、磁気共鳴現象を利用したＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging：磁気共鳴イメージング）装置が普及しており、生体内の各臓器の画像診断に不可欠な手法として広く利用されている。
例えば特許文献１に示すように、ＭＲＩ装置では、被検体からのＮＭＲ信号（核磁気共鳴信号）を受信しＡ／Ｄ変換して計算機（信号処理部）に出力するＲＦレシーバ部（Ａ／Ｄ変換部）は、多チャンネルの受信データを受信できるように拡張可能にするために、信号処理部と分離された構成となっていることが多い。
特開２００２−３５３８１２号公報

ＭＲＩ装置は、アナログのＮＭＲ（核磁気共鳴）信号を被検体から受信するスキャン部と、信号処理を行う信号処理部とから構成される。ここで、スキャン部は高磁場の環境に置かれるため、信号処理部を磁場から保護する等の観点から、スキャン部と信号処理部とは別々の部屋に置かれる等、離れて設置されることが多い。
スキャン部が受信したアナログのＮＭＲ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換装置を有し、変換したデジタル信号を信号受信部に送信する。デジタル信号を受信した信号処理部は、デジタルフィルタリング等の信号処理を行ってから画像を構成する。

ここで、Ａ／Ｄ変換装置において、スキャン部から信号を入力しＡ／Ｄ変換を行う部位（入力部と称する）と、デジタル信号を信号処理部に出力する部位（出力部と称する）とは、例えば別々のボード等に離れて配設されることが多い。これは、１つのボード上にこれらを配設すると、アナログ信号とデジタル信号とが１つのボード上に混在してノイズが増えるためである。
入力部と出力部とはデジタル信号のバスを介して接続される。上述したように入力部と出力部とは離れて設置されることが多く、このバスは１つのボード内のデバイス同士を繋ぐ場合に比べて必然的に信号の配線が長くなっているため、バス上におけるデジタル信号の変動の仕方によってはノイズが発生し、これがアナログ信号に混入して画像の質に大きな影響を及ぼすことがある、という不利益がある。特に、元々のＮＭＲ信号の絶対値が小さいとき、デジタル信号の変動に起因するノイズが問題になり、信号処理部が生成する画像に大きな影響が出てしまう。

上述した不利益を解消するために、本発明は、Ａ／Ｄ変換部内でのデジタル信号によるノイズを小さくする磁気共鳴イメージング装置及びＡ／Ｄ変換装置を提供することを目的とする。

本発明の磁気共鳴イメージング装置は、被検体をスキャンしアナログＮＭＲ信号を取得するスキャン部と、前記スキャン部が取得したアナログＮＭＲ信号を２進数により表現されたデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部が変換した２進数により表現されたデジタル信号を基にＭＲ画像を作成する信号処理部と、を有する磁気共鳴イメージング装置であって、前記Ａ／Ｄ変換部は、前記スキャン部から入力されたアナログＮＭＲ信号を２進数により表現されたデジタル信号に変換し、更に２進数により表現されたデジタル信号をグレイコードにより変換されたデジタル信号に変換する入力部と、前記入力部が変換した前記グレイコードにより表現されたデジタル信号を、２進数により表現されたデジタル信号に逆変換して前記信号処理部に出力する出力部と、前記入力部と前記出力部とを接続したデジタル信号バスと、を有する。

第２の発明のＡ／Ｄ変換装置は、アナログＮＭＲ信号を２進数により表現されたデジタル信号に変換し、更に２進数により表現されたデジタル信号をグレイコードにより変換されたデジタル信号に変換する入力部と、前記入力部が変換した前記グレイコードにより表現されたデジタル信号を、２進数により表現されたデジタル信号に逆変換して出力する出力部と、前記入力部と前記出力部とを接続したデジタル信号バスと、を有する。

本発明によれば、Ａ／Ｄ変換部内でのデジタル信号のノイズを小さくする磁気共鳴イメージング装置及びＡ／Ｄ変換装置を提供することができる。

以下、本実施形態のＭＲＩ装置について説明する。
図１は、ＭＲＩ装置１００の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、ＭＲＩ装置１００は、スキャン部１と、信号処理部２と、Ａ／Ｄ変換部３とを有する。

スキャン部１について説明する。

スキャン部１は、図１に示すように、静磁場マグネット部１１と、勾配コイル部１２と、ＲＦコイル部１３と、テーブル１４とを有しており、静磁場が形成された撮影空間内において、被検体ＳＵの撮影領域を励起するように被検体ＳＵに電磁波を照射し、その被検体ＳＵの撮影領域において発生するＮＭＲ信号を得るスキャンを実施する。

スキャン部１の各構成要素について、順次、説明する。

静磁場マグネット部１１は、たとえば、超伝導磁石により構成されており、被検体ＳＵが収容される撮像空間に静磁場を形成する。ここでは、静磁場マグネット部１１は、被検体ＳＵの体軸方向に沿った方向ｚに静磁場の方向が沿うように静磁場を形成する。なお、静磁場マグネット部１１は、永久磁石により構成されていてもよい。

勾配コイル部１２は、静磁場が形成された撮像空間に勾配磁場を形成し、ＲＦコイル部１３が受信するＮＭＲ信号に空間位置情報を付加する。ここでは、勾配コイル部１２は、ｘ方向とｙ方向とｚ方向との３系統からなり、撮像条件に応じて、周波数エンコード方向と位相エンコード方向とスライス選択方向とのそれぞれに勾配磁場を形成する。具体的には、勾配コイル部１２は、被検体ＳＵのスライス選択方向に勾配磁場を印加し、ＲＦコイル部１３がＲＦパルスを送信することによって励起させる被検体ＳＵのスライスを選択する。また、勾配コイル部１２は、被検体ＳＵの位相エンコード方向に勾配磁場を印加し、ＲＦパルスにより励起されたスライスからのＮＭＲ信号を位相エンコードする。そして、勾配コイル部１２は、被検体ＳＵの周波数エンコード方向に勾配磁場を印加し、ＲＦパルスにより励起されたスライスからのＮＭＲ信号を周波数エンコードする。

ＲＦコイル部１３は、被検体ＳＵの撮像領域を囲むように配置される。ＲＦコイル部１３は、静磁場マグネット部１１によって静磁場が形成される撮像空間内において、電磁波であるＲＦパルスを被検体ＳＵに送信して高周波磁場を形成し、被検体ＳＵの撮像領域におけるプロトンのスピンを励起する。そして、ＲＦコイル部１３は、その励起された被検体ＳＵ内のプロトンから発生する電磁波をＮＭＲ信号として受信する。
なお、本実施形態においては、一例としてＲＦコイル部１３は４チャンネルあるとする。
テーブル１４は、被検体ＳＵを載置する台を有する。

次に、信号処理部２について説明する。

信号処理部２は、図１に示すように、データ収集部２１と、制御部２２と、画像生成部２３と、操作部２４と、表示部２５と、記憶部２６とを有する。

信号処理部２の各構成要素について、順次、説明する。

データ収集部２１は、後述するＡ／Ｄ変換部３からのデジタル信号を収集し、画像生成部２３に渡す。

制御部２２は、コンピュータと、コンピュータを用いて所定のスキャンに対応する動作を各部に実行させるプログラムとを有しており、各部を制御する。ここでは、制御部２２には操作部２４からの操作データが入力され、その操作部２４から入力される操作データに基づいて、各部へ制御信号を出力し制御を行う。
制御部２２は、後述するＡ／Ｄ変換部を介して、スキャン部１に対する各種制御信号を送信する。

画像生成部２３は、コンピュータと、そのコンピュータを用いて所定のデータ処理を実行するプログラムとを有しており、制御部２２からの制御信号に基づき、被検体ＳＵからのＮＭＲ信号を用いて、被検体ＳＵのスライスについてのスライス画像を再構成する。そして、画像生成部２３は、その生成した画像を表示部２５に出力する。

操作部２４は、キーボードやポインティングデバイスなどの操作デバイスにより構成されている。操作部２４は、オペレータによって操作データが入力され、その操作データを制御部２２に出力する。

表示部２５は、ＣＲＴなどの表示デバイスにより構成されており、制御部２２からの制御信号に基づいて、表示画面に画像を表示する。たとえば、表示部２５は、オペレータによって操作部２４に操作データが入力される入力項目についての画像を表示画面に複数表示する。また、表示部２５は、被検体ＳＵからのＮＭＲ信号に基づいて生成される被検体ＳＵのスライス画像についてのデータを画像生成部２３から受け、表示画面にそのスライス画像を表示する。

記憶部２６は、メモリにより構成されており、各種データを記憶している。記憶部２６は、その記憶されたデータが必要に応じて制御部２２によってアクセスされる。

次に、Ａ／Ｄ変換部３について説明する。
Ａ／Ｄ変換部３は、スキャン部１のＲＦコイル部１３が取得したアナログのＮＭＲ信号をデジタル信号に変換して信号処理部２に転送するとともに、信号処理部２からの各種制御信号をスキャン部１の対応する各部に転送する。

図２は、Ａ／Ｄ変換部３のブロック図である。
本実施形態では一例として、４チャンネルのＮＭＲ信号が入力される場合のＡ／Ｄ変換部について説明する。

図２に示すように、Ａ／Ｄ変換部３は、入力部３１、デジタル信号バス３２、出力部３３を有する。
Ａ／Ｄ変換部３は、ＭＲＩ装置のスキャン部１と信号処理部２との間に配置され、スキャン部１から入力されたＮＭＲ信号をアナログ／デジタル変換して信号処理部２に入力する。
本実施形態のＡ／Ｄ変換部３の入力部３１と、出力部３３とは、例えば別のボードに配設される等、分かれた構成となっている。

入力部３１は、４個のＡ／Ｄ変換器３１１〜３１４と、グレイコード変換部３１５とを有する。
Ａ／Ｄ変換器３１１〜３１４には、各チャンネルに対応したスキャン部の各ＲＦコイル部１３からアナログのＮＭＲ信号が入力される。本実施形態では、各Ａ／Ｄ変換器３１１〜３１４は、アナログのＮＭＲ信号をデジタル化して、例えば１６ビットのデジタル信号を出力する。

グレイコード変換部３１５は、Ａ／Ｄ変換器３１１〜３１４が出力した２進数コードにより表現されたデジタル信号をグレイコードにより表現された１６ビットのデジタル信号に変換する。
グレイコードとは、自然数のコード化の１つであるが、コードが表す数が１だけ増減したときに、コード中のただ１ビットしか変化しないという特徴を有する。

２進数をグレイコードに変換するには、図３に示すように、下位ビットから順に隣り合う上位ビットとの排他的論理和をとる。
図３は、２進数からグレイコードに変換する方法を説明するために、一例として２進数「１０１１０００１」をグレイコードに変換した図である。
図３に示すように、２進数の隣り合う２桁が同じであれば、グレイコードには０を、異なれば１を出力すればよい。

ここで、グレイコードにおいて、コードが表す数が１だけ増減したときに、コード中のただ１ビットしか変化しないことの一例として、１０進数における「２５５」と「２５６」を２進数及びグレイコードに変換した結果を図４に示す。
図４に示すように、２進数においては全てのビットが異なっているが、グレイコードにおいては最上位ビットが変わっているのみである。

グレイコード変換部３１５は、上述したような方法により１６ビットの２進数デジタル信号を１６ビットのグレイコードデジタル信号に変換して出力する。

デジタル信号バス３２は、グレイコード変換部３１５と後述するグレイコード逆変換部３３１とを接続するバスであり、グレイコード変換部３１５から出力されたデジタル信号をグレイコード逆変換部３３１に伝送する。
本実施形態では、上述したように入力部３１と出力部３２とが分かれた構成となっているため、デジタル信号バス３２は１つのボード内で入力部３１と出力部３２を繋ぐ場合に比べて必然的に信号の配線が長くなっている。

本実施形態ではデジタル信号バス３２は１６ビットのデジタル信号を伝送するため、１６本の信号線を有し、信号線内の電位を変化させることにより、デジタル信号バス３２はデジタル信号を伝送する。本実施形態ではグレイコードに変換された１６ビットのデジタル信号がデジタル信号バス３２によって伝送されるため、伝送されるデジタル信号が１だけ変化した場合に、グレイコードの特徴により、電位が変化する信号線の数が必ず１本である。

デジタル信号バス３２の各信号線の電位の変化に関しては、詳しくは後述する。
また、デジタル信号バス３２は、４チャンネル分のデジタル信号を、たとえば時分割方式により伝送する。すなわち、例えばＡ／Ｄ変換器３１１が変換し出力したデジタル信号を所定の時間だけ伝送し、次にＡ／Ｄ変換器３１２が出力した信号を所定の時間伝送する。更にＡ／Ｄ変換器３１３が出力した信号、Ａ／Ｄ変換器３１４が出力した信号を所定の時間だけ伝送し、次にＡ／Ｄ変換器３１１が出力した次の時点での信号を伝送する、というように、所定の時間毎に伝送するデータを次のチャンネルの信号に切り替える。
なお、所定の時間については本発明では限定しない。

出力部３３は、グレイコード逆変換部３３１を有する。
グレイコード逆変換部３３１は、デジタル信号バス３２を通じて伝送されたグレイコードにより表現された１６ビットのデジタル信号を２進数により表現された１６ビットのデジタル信号に戻す。すなわち、入力されたグレイコードの信号に対して、上位ビットから順に隣り合う上位ビットとの排他的論理和をとる。
出力部３３は、グレイコード逆変換部３３１が変換した２進数のデジタル信号を信号処理部２のデータ収集部２１に出力する。

以下、デジタル信号バス３２の信号線の電位の変化について、２進数のデジタル信号が入力される場合と、グレイコードのデジタル信号が入力される場合とに分けて詳しく説明する。なお、ここでは、「０」と「−１」（１０進法表記）とが所定の時間毎に交互に入力されるものとする。

１０進法表現での「０」は、１６ビットの２進数表現では「００００００００００００００００」である。また、グレイコードでも「００００００００００００００００」である。
１０進法表現での「−１」は、１６ビットの２進数表現では、２の補数表現を使用すると「１１１１１１１１１１１１１１１１」となる。２の補数表現とは、一般的なコンピュータで負の数を表すときの表現である。なお、グレイコードでは「１０００００００００００００００」と表現される。

すなわち、２進数表現の１６ビットデジタル信号をデジタル信号バス３２に入力する場合、図５（ａ）に示すように、「００００００００００００００００」と「１１１１１１１１１１１１１１１１」とが所定の時間毎に交互に入力される。
図５は、デジタル信号バス３２に入力されるデジタル信号の概念図であり、左からデジタル信号が順に入力されるとしている。
この場合、デジタル信号バス３２が伝送する２進数のデジタル信号は、所定の時間経過毎に１６ビットすべてが変化している。従って、デジタル信号バス３２の有する１６本の信号線全てが、所定の時間経過毎に電位が変化しているため、アナログ信号に混入するノイズの原因となりうる。

一方、グレイコードの１６ビットデジタル信号をデジタル信号バス３２に入力する場合、図５（ｂ）に示すように、「００００００００００００００００」と「１０００００００００００００００」とが所定の時間毎に交互に入力される。
この場合、デジタル信号バス３２が伝送するデジタル信号は、所定の時間経過毎に１６本の信号線のうち、最初の１ビットのみが変化し、他のビットは変化しない。
これにより、デジタル信号バス３２が伝送するグレイコードのデジタル信号は、所定の時間経過毎に、先頭ビットのみが変化する。従って、デジタル信号バス３２の有する１６本の信号線のうち１本のみが所定の時間毎に変化するため、上述した２進数のデジタル信号を伝送した場合に比べて、デジタル信号バス３２が有する信号線の電位の変化に起因するノイズが大幅に減少する。

なお、ここでは一例として「０」と「−１」（１０進数表現）が交互に入力される場合について考えた。これは、入力されるデジタル信号の値の絶対値が小さい場合に、特に信号線の電位の変動に起因するデジタルノイズが問題になるからである。
入力されるデジタル信号の絶対値の値が小さい場合、すなわち、入力されるデジタル信号が「−１〜１」くらいのときには、デジタルバス３２を介して伝送されるデジタル信号は、概ね１ずつ変動することになり、こうした場合には、グレイコードのデジタル信号ならば電位が変化する信号線の数が１本だけになるため、ノイズの発生を最低限に抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態のＭＲＩ装置１００によれば、スキャン部１が被検体をスキャンして得たスキャンデータ（アナログ信号）を信号処理部２にＡ／Ｄ変換して送信する際に、Ａ／Ｄ変換部３のＡ／Ｄ変換器３１１〜３１４がアナログ−デジタル変換を行い出力した２進数により表現されたデジタル信号を、一旦グレイコード変換部３１５がグレイコードのデジタル信号に変換してからデジタル信号バス３２を介して出力部３３に転送し、出力部３３のグレイコード逆変換部３３１でグレイコードから２進数のデジタル信号に戻してから信号処理部２に送信しており、Ａ／Ｄ変換部３においてデジタル信号を転送する際に信号の変化が少ないグレイコードのデジタル信号によって転送しているため、デジタル信号バス３２を介して伝送されるデジタル信号の絶対値が小さい場合には、デジタル信号バス３２上においてチャンネル毎に変化する信号線が少なく、デジタル信号バス全体での電位の変化が小さいため、デジタル信号転送時の電位の変化によるアナログ信号へのノイズの混入を最小限に抑えることができる。

また、本実施形態のＭＲＩ装置１００によれば、グレイコード変換部３１５及びグレイコード逆変換部３３１が行う変換処理は、ソフトウェア的に容易に行うことが可能であるため、回路規模の増大やコストの上昇無しに上述したノイズ混入最小限の効果を得ることができる。勿論、ハードウェアとしてグレイコード変換部３１５及びグレイコード逆変換部３３１をＡ／Ｄ変換部３に設けても良く、この場合も上述したノイズ混入最小限の効果を得ることができる。

本発明は上述した実施形態には限定されない。
すなわち、本発明の実施に際しては、本発明の技術的範囲またはその均等の範囲内において、上述した実施形態の構成要素に関し様々な変更、コンビネーション、サブコンビネーション、並びに代替を行ってもよい。

上述した実施形態においては、Ａ／Ｄ変換部３は４チャンネルの場合について説明したが、本発明はこれには限定されず、４チャンネル以外でもよい。また、上述した実施形態においては、入力部３１からデジタル信号バス３２を介して出力部３３にデジタル信号を転送する際に、チャンネルごとのデジタル信号を時分割で転送する場合について説明したが、本発明はこれには限定されない。たとえば、デジタル信号バス３２を介して、所定の時間毎に特定のチャンネルのＮＭＲ信号を変換したデジタル信号が伝送されてもよい。また、上述した実施形態においては、Ａ／Ｄ変換器３１１〜３１４が変換するデジタル信号は１６ビットであるとしたが、本発明はこれには限定されない。８ビットや３２ビットのデジタル信号に変換しても良い。この場合、デジタル信号バス３２がＡ／Ｄ変換器３１１〜３１４が変換するビット数と同じ数だけ信号線を有するようにすればよい。

図１は、ＭＲＩ装置１００の構成を示すブロック図である。 図２は、Ａ／Ｄ変換部３のブロック図である。 図３は、２進数からグレイコードに変換する方法を説明するための図である。 図４は、１０進数の「２５５」と「２５６」を２進数及びグレイコードで表現した場合を示す図である。 図５は、デジタル信号バス３２に入力されるデジタル信号の概念図である。

符号の説明

１００…ＭＲＩ装置、１…スキャン部、２…信号処理部、３…Ａ／Ｄ変換部、１１…静磁場マグネット部、１２…勾配コイル部、１３…ＲＦコイル部、１４…テーブル、２１…データ収集部、２２…制御部、２３…画像生成部、２４…操作部、２５…表示部、２６…記憶部、３１…入力部、３１１，３１２，３１３，３１４…Ａ／Ｄ変換器、３１５…グレイコード変換部、３２…デジタル信号バス、３３…出力部、３３１…グレイコード逆変換部

Claims (7)

1. 被検体をスキャンし複数チャンネルのアナログＮＭＲ信号を取得可能なスキャン部と、
   前記複数チャンネルのアナログＮＭＲ信号にそれぞれ対応しており、前記スキャン部から入力されたアナログＮＭＲ信号を２進数により表現されたデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、
   前記複数のＡ／Ｄ変換器が変換した、前記２進数により表現されたデジタル信号をグレイコードにより表現されたデジタル信号に変換するグレイコード変換部と、
   前記グレイコード変換部が変換した、前記グレイコードにより表現された複数チャンネル分のデジタル信号を時分割方式により伝送するデジタル信号バスと、
   前記デジタル信号バスを介して伝送された、前記グレイコードにより表現されたデジタル信号を２進数により表現されたデジタル信号に逆変換するグレイコード逆変換部と、
   前記グレイコード逆変換部が逆変換したデジタル信号を基にＭＲ画像を作成する信号処理部と、
   を有する磁気共鳴イメージング装置。
2. 前記Ａ／Ｄ変換器が変換する２進数のデジタル信号は、１６ビットのデジタル信号である
   請求項１に記載の磁気共鳴イメージング装置。
3. 前記複数チャンネルは、４チャンネルである
   請求項１又は請求項２に記載の磁気共鳴イメージング装置。
4. 複数チャンネルのアナログＮＭＲ信号にそれぞれ対応しており、前記アナログＮＭＲ信号を２進数により表現されたデジタル信号に変換する複数のＡ／Ｄ変換器と、
   前記複数のＡ／Ｄ変換器が変換した、前記２進数により表現されたデジタル信号をグレイコードにより表現されたデジタル信号に変換するグレイコード変換部と、
   前記グレイコード変換部が変換した、前記グレイコードにより表現された複数チャンネル分のデジタル信号を時分割方式により伝送するデジタル信号バスと、
   前記デジタル信号バスを介して伝送された、前記グレイコードにより表現されたデジタル信号を２進数により表現されたデジタル信号に逆変換するグレイコード逆変換部と、
   を有するＡ／Ｄ変換装置。
5. 前記Ａ／Ｄ変換器が変換する２進数のデジタル信号は、１６ビットのデジタル信号である
   請求項４に記載のＡ／Ｄ変換装置。
6. 前記複数チャンネルは、４チャンネルである
   請求項４又は請求項５に記載のＡ／Ｄ変換装置。
7. 磁気共鳴イメージング装置のスキャン部が取得した複数チャンネルのアナログＮＭＲ信号のアナログ／デジタル変換を行う
   請求項４〜６のいずれかに記載のＡ／Ｄ変換装置。

Images