发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法和相关系统，其能够有效且准确地检测在磁共振成像设备中成像的受试者或患者的运动。

根据第一方面，本发明提供了一种用于检测受试者的运动的方法，受试者位于磁共振成像(MRI)设备的内部。该方法包括以下步骤：

(a)提供至少一个输入信号，

(b)使用至少一个输入信号来产生较高导频音信号，其具有的发射频率是磁共振成像设备的拉莫尔频率的至少两倍高，

(c)使用发射天线朝向受试者发射较高导频音信号，发射的较高导频音信号与受试者相互作用，

(d)使用接收天线接收发射的较高导频音信号，

(e)使用至少一个输入信号将发射的较高导频音信号的频率转换为等于或低于至少一个输入信号或其中至少一个的频率的中频，从而产生发射的导频音信号，以及

(f)将发射的导频音信号转发到分析系统，以检测由受试者的运动引起的发射的较高导频音信号的变化。

受试者可以是人类，特别是要在磁共振设备中成像的患者，或者是动物。受试者位于MRI设备的内部，是指其身体的至少一部分位于这种MRI设备的敏感区域内，例如位于主磁体的孔内。在一些实施例中，要成像的身体部位还位于本地RF线圈的敏感区域内，特别是要放置在靠近要从其采集图像的身体部位的RF线圈。身体部位可以是头部、四肢的一部分(比如膝盖、腿或其部分、脚、臂、手)等，或者其可以是胸部和/或腹部，或者其可以是器官，比如心脏、肺系统、肝脏、肾脏等。本地RF线圈可以是任何类型的，其可以是头部线圈、膝盖线圈或用于腹部或胸部成像的柔性阵列线圈。然而，该方法也可以在没有本地线圈的情况下使用，即MR信号由固定地集成在MRI设备中的身体线圈获取。

MRI设备例如是可商购的医用MRI设备，本发明的方法可以有利地与任何现有设备一起使用。例如，MRI设备可以使用0.5-3特斯拉的主磁场强度，其对应于约20MHz和130MHz之间的拉莫尔频率。通常，拉莫尔频率将在约40至90MHz之间，对应于约1至2特斯拉。在一些实施例中，MRI设备可以以不同的拉莫尔频率操作，这是因为它可以从各种化学元素获取信号，或者是因为主磁场可以改变。在大多数实施例中，拉莫尔频率是指用于MRI设备内部的受试者的MRI采集(成像或光谱学)的MRI信号的频率，其通常是氢的拉莫尔频率。

该方法允许检测受试者特别是位于MRI设备特别是本地RF线圈的敏感区域内部的身体部位的运动。检测的运动可以是例如由呼吸或心跳引起的自然且不可避免的运动，但也可以是由焦虑或不耐烦引起的受试者或其身体部位(比如头部或四肢)的自愿和非自愿运动。在大多数实施例中，本发明的方法允许检测是否发生了运动或足以干扰MRI测量的运动。在大多数实施例中，该方法不允许追踪运动，即检测这种运动发生了多少以及沿哪个方向进行。本发明的主要目的是检测是否发生了运动，并且当检测到这种运动时，可以采取进一步措施，例如可以重复进行MRI采集，或者可以中断MRI采集，并可以获取MRI导航器图像以校正其他测量。

在优选实施例中，在使用MRI设备(比如光谱学的MR成像)进行受试者的磁共振(MR)测量的同时执行本发明的方法。

至少一个输入信号可以是任何周期振荡的电子信号，例如正弦波或方波，或者其可以基于这样的信号，例如调制信号。它可以是脉冲的或连续的。输入信号可以由频率发生器或本地振荡器产生，该频率发生器或本地振荡器可以是例如晶体振荡器(可选地由锁相环(PLL)稳定)、恒温控制晶体振荡器(OXCO)或直接数字合成器(DDS)。这样的电子振荡器优选地放置在MRI系统的敏感区域之外，特别是在主MR磁体的孔之外，例如在法拉第笼外部的包围主MR磁体和RF线圈的空间中。

优选地，本发明利用提供给当前可用的MR架构中的本地RF线圈的至少一个输入信号，例如本地振荡器(LO)信号，例如将LO信号提供给在MR采集期间本地RF线圈所连接(例如使用连接器)的MR系统的接口。步骤b)和e)的频率转换优选地在本地RF线圈上执行，或者在可以附接到任何本地RF线圈的单独的发射和接收设备内执行。

方法步骤b)和e)优选地使用模拟信号进行，因为高发射频率在模拟中比在数字中更容易产生。然而，在大多数实施例中，输出信号(发射的导频音信号)将最终被数字化，特别是通过以预定的采样频率进行采样，该采样频率可以在1和30MHz之间，优选地在5和20MHz之间，例如8至12MHz。

至少一个输入信号的频率优选地在5MHz至1000MHz的范围内，更优选地在10MHz至500MHz的范围内，最优选地在50MHz至150MHz的范围内。根据一实施例，至少一个输入信号包括至少一个本地振荡器信号。在优选实施例中，存在至少两个不同的输入信号，特别是至少两个具有不同频率的输入信号。通过混合具有不同频率的不同信号，可以生成具有各种频率的信号。在一实施例中，一个输入信号是信息承载(例如调制的)信号，至少一个另一输入信号是提供一定频率的本地振荡器信号。例如，如下所述，输入信号可以包括本地振荡器信号和导频音信号，但本发明也可以利用单个输入信号来执行。

输入信号用于产生较高导频音信号，其具有的发射频率优选地高于输入信号的频率，例如它可以是输入信号的频率的倍数。在多个输入信号的情况下，较高导频音信号的频率可以是输入信号的频率的组合，并且其可以通过倍频和/或分频和/或混合来生成。优选地，至少一些或所有倍频、分频和/或混合步骤之后是带通滤波步骤，以便使期望的频率范围内的信号分量通过，即将通过倍频和/或分频或混合步骤获得的频率范围。在优选实施例中，倍频需要产生具有n倍于输入频率的频率的谐波，其中n是整数(n＝1、2、3…)。分频优选地将频率除以整数，优选地除以2的指数，即2的m次方，其中m是整数。因此，例如，输入信号的频率可以乘以因子n，其中n＝1、1/2、1/4、1/8、1/16…。较高导频音信号的频率称为发射频率，因为它是信号朝向受试者或患者辐射的频率，因此该较高频率的无线电波与受试者相互作用。

发射频率是进行MR测量的拉莫尔频率的至少两倍高。因此，本发明的方法具有优于导频音方法的优点，即使用了较高频率，从而显著改善与身体组织的相互作用。在这样的较高频率下，由患者的运动引起的信号变化将比在当前导频音方法中可以观察到的信号变化高一个数量级。受试者的运动可以例如导致涡电流的改变，这继而可以改变发射的较高导频音信号，例如可能会引起信号幅度或相位的变化。有利地，相对于现有技术的导频音信号，发射的较高导频音信号的较高频率导致与组织的更强相互作用，因此导致高达约一个数量级的信号的更显著变化。这是由于在较高频率下组织的电导率增加，导致更强的相互作用。因此，可以更容易且更精确地检测运动。

优选地，发射频率显著高于拉莫尔频率，例如高约2-128倍，优选地4-64倍，更优选地8至32倍。例如，发射频率可以高于300MHz，例如在300MHz至20GHz之间，更优选在400MHz至10GHz之间，还更优选在600MHz至6GHz之间。在优选实施例中，发射的较高导频音信号的频率在ISM无线电频带的范围内。这可以简化或不必要用于应用该方法的相应系统的许可。它还可能有助于避免干扰其他信号或其他医疗设备。

然后，较高导频音信号朝向受试者发射，由此优选地将电子信号转换成无线电信号，其经由发射天线朝向受试者辐射。因此，发射的较高导频音信号可被认为是基于无线电的信号。与受试者相互作用是指发射的较高导频音信号例如与受试者的组织相互作用，例如通过受试者组织中的涡电流。辐射(发射)的较高导频音信号然后被接收天线接收，尤其是接收到发射信号。

发射天线和接收天线适于在期望的频率范围内使用，即在发射的导频音信号的频率范围内使用。有利地，这些天线能够发射和接收比MRI系统中预现有设备更高的频率。换句话说，在大多数实施例中，发射和接收天线不是用于发射MR信号的RF线圈，而是分开的天线。例如，这样的发射和接收天线可以附接到本地RF线圈，特别是头部线圈或者用于膝盖、脊椎、手腕或乳房的本地RF线圈。也可以考虑将天线连接到用于对腹部或心血管系统成像的柔性前线圈。发射和接收天线也可以设置在MRI设备的敏感区域内或附近的其他位置，例如它们可以附接到磁体孔的内部。为了对当前正在检查的身体部位的运动敏感，天线应与此类身体部位相距小于500mm，优选小于300mm。可以在约5×5cm²的面积中实现额外需要的电子设备和/或用于发射和/或接收的天线。这样的天线和所需的电子设备可以分开地提供，例如可以附接到现有的本地RF线圈，或者可以通过其他方式放置在受试者的身体附近，例如将其附接至主MR磁体的孔内。可替代地，这样的附加天线和电子设备可被集成到MRI设备中，或者被集成到本地RF线圈中。

在被接收天线接收之后，发射的较高导频音信号的频率被转换为等于或低于输入信号或其中之一的频率的中频，由此所谓的发射的导频音信号(也称为输出信号)以这样的中频产生。从而，该信号更容易用现有的电子部件来处理。此外，输入信号(例如本地振荡器)和输出信号的相对较低频率有利于连接电缆的处理，并且在电缆之间以较低频率的干扰将较小。

优选地，使用与至少一个输入信号或者与从至少一个输入信号产生的信号混合来执行发射的较高导频音信号的转换，例如通过倍频或分频，其中优选在混合步骤之后进行带通滤波。

将频率转换为甚至低于输入信号的频率使得处理信号甚至更加容易(例如通过将其从模拟转换为数字，对其放大等)并将其发射到分析系统。分析系统可以是任何数字处理系统，例如它可以是MRI系统的控制计算机的一部分。分析系统可以通过任何处理单元来实现，例如CPU，并且可以在任何计算机、便携式计算机或平板电脑上，而且还可以考虑通过局域网或无线LAN将信号发射到远程分析系统。

然后，分析系统可以例如检测发射的导频音信号的变化，从而推断出受试者的运动。根据一实施例，如果发射的导频音信号的频率和/或相位和/或幅度变化超过预定阈值，则检测受试者的运动。在该实施例中，较高导频音信号可以是恒定频率的连续信号，并且观察发射的导频音信号本身的变化，即随时间，例如通过不断地监视频率、相位和/或幅度，优选仅频率和/或相位，并观察它们是否变化了例如在预定时间窗口内的至少预定阈值。可替代地，可以将发射的导频音信号(输出信号)与从其产生较高导频音信号的输入信号进行比较，从而检测高于预定阈值的任何变化。

根据一实施例，每当这样检测到受试者的运动时，分析系统就可以记录这样的运动已经发生，并使用这种信息，例如忽略在这种运动之后获取的任何数据，或者重新开始当前的图像获取过程。可替代地，可以捕获新的位置，例如通过使用MR导航器测量受试者的新位置，并通过平移和/或旋转相应地调整当前图像采集协议的扫描轴。

根据优选实施例，至少一个输入信号包括至少一个本地振荡器信号和导频音信号。优选地，在步骤(b)中使用至少一个本地振荡器信号将导频音信号的频率转换为发射频率，从而产生较高导频音信号。

至少一个本地振荡器信号可以是可以由电子振荡器提供的任何周期性振荡的电子信号，例如正弦波或方波。优选地，导频音信号也是周期性振荡的电子信号。在优选实施例中，导频音信号的频率接近MRI系统的拉莫尔频率，例如在1.5特斯拉的磁场下，导频音的频率可以为约63.5MHz。这允许有利地使用已经存在的电子部件。特别地，优选地使用已经结合在现有MRI系统中的导频音信号。由于附加电子部件和连接的数量较少，因此将成本降到最低。更一般地，导频音信号的频率可在10MHz至500MHz之间，更优选地在50MHz至150MHz的范围内。它可以是调制信号(与恒定的正弦波相反)。

根据一实施例，将导频音信号的频率转换成发射频率的步骤和/或转换发射的较高导频音信号的步骤包括将相应的信号与至少一个输入信号特别是与本地振荡器(LO)信号或具有载波频率的倍频或分频本地振荡器信号混合。载波频率可以通过将LO信号与整数进行倍频或通过整数进行分频来产生，优选通过2的n次方，其中n是整数，即频率可以乘以1、1/2、1/4、1/8、1/16等。当混合两个信号时，优选地，应用乘法混合，特别是频率混合，其中将本地振荡器信号或倍频本地振荡器信号的频率添加到导频音信号的频率，以产生较高导频音信号。另一方面，处理发射的较高导频音信号可以包括从发射的较高导频音信号的频率中减去本地振荡器信号的频率或相乘的本地振荡器信号的频率。在将导频音信号或发射的较高导频音信号与至少一个本地振荡器信号或倍频本地振荡器信号混合的步骤之后，可以应用带通滤波器，以对期望的谐波或互调产物进行滤波。通过添加相乘的本地振荡器信号，甚至可以实现较高频率，从而进一步增加对受试者组织的干扰。

有利地，使用至少一个本地振荡器信号将导频音信号转换为较高频率以及将发射的较高导频音信号向下转换为等于导频音信号的频率使得更容易例如采样以及分析导频音信号。在优选实施例中，在步骤b)和e)中可以使用相同的本地振荡器信号，从而对于本地振荡器信号仅需要一个信号处理链。

在有用的实施例中，在将导频音信号与本地振荡器信号或倍频本地振荡器信号混合之前，对其频率进行倍频或分频。将导频音信号的频率相乘构成实现较高频率的替代和/或附加方式。此外，低频输入信号可以用作导频音信号。例如，导频音信号的频率可以显著低于MRI系统的拉莫尔频率，例如在8至12MHz的范围内。或者，导频音信号的频率可以类似于或等于拉莫尔频率，而相乘的导频音信号是拉莫尔频率的两倍或三倍或很多倍。

根据另一实施例，较高导频音信号的频率是至少一个本地振荡器信号和导频音信号的频率的组合。通常，较高导频音信号的频率因此通过添加乘以(或除以)预定整数的导频音信号的频率和乘以(或除以)另一预定整数的至少一个本地振荡器信号的频率来创建。可选地，还可以添加具有乘以或除以另一预定整数的频率的一个或多个本地振荡器信号，以产生较高导频音信号。例如，这可能导致以下形式的相对于导频音信号的频率f_PT、第一本地振荡器信号的频率f_LO1和第二本地振荡器信号的频率f_LO2的较高导频音信号的频率f_HPT：

f_HPT＝N₀f_PT+N₁f_LO1+N₂f_LO2，

其中，N₀、N₁、N₂是整数，优选以2为底的指数。在本发明的实施例中，这些整数可以在0至256之间，更优选在0至64之间，通常在8至32之间。在有用实施例中，N₂为零，即只需要一个本地振荡器信号。在一些实施例中，N₀＝1。

根据一实施例，步骤b包括乘以(和/或除以)至少一个本地振荡器信号的频率以获得相乘的本地振荡器信号，以及将相乘的本地振荡器信号与导频音信号混合，从而获得较高导频音信号。可以例如通过倍频器来实现信号的倍增，从而允许以发射的较高导频音信号具有的频率显著高于输入信号的频率，即导频音信号的频率和本地振荡器的频率。这使得在测量受试者的运动过程中具有更高的灵活性。此外，可以将频率调节到测量的相应要求，例如以测量可以由不同材料构成的受试者的不同部分，或者聚焦在受试者内不同深度的对象上。

根据一实施例，将发射的较高导频音信号转换为较低的中频的步骤包括：将发射的较高导频音信号与至少一个本地振荡器信号或倍频本地振荡器信号向下混合至导频音信号的频率，以获得发射的导频音信号；以及可选地，将发射的导频音信号向下混合至低于导频音信号的频率的中频。如上所述，它还可以包括分频的步骤。第二次向下混合信号产生甚至更低的频率，这进一步简化了信号处理。优选地，低于导频音信号的频率的频率在5至30MHz的范围内，更优选在5至15MHz的范围内，最优选在8至12MHz的范围内。

根据一实施例，导频音信号是具有接近或等于磁共振成像设备的拉莫尔频率的频率的调制信号。使用导频音信号或者接近或等于拉莫尔频率的频率使得可以容易地将此方法与现有系统结合起来，如其中已经可用的本地振荡器信号和导频音信号的SiemensSola/系统。

根据另一实施例，发射天线和接收天线设置在本地RF线圈处，本地RF线圈放置在受试者的身体部位附近。通过简单地更新现有的本地RF线圈或使用已经配备有相应天线的新的本地RF线圈，将天线设置在本地RF线圈上可以更容易地在现有系统中实施该方法。

根据另一实施例，发射的较高导频音信号具有高于300MHz优选高于600MHz的发射频率。较高频率可能增加信号对受试者特别是对身体组织的干扰。通常，较高频率将增加干扰，并因此增加发射的导频音信号的可观察到的变化，从而使得更容易检测受试者的运动，因此期望利用高频率。另一方面，较高频率将使信号处理更加困难。通过导频音信号的上下混合至少部分地避免了这个问题。

根据另一实施例，使用以第一发射频率发射的第一发射天线和相应的第一接收天线以及以第二发射频率发射的第二发射天线和相应的第二接收天线来同时执行该方法。使用两个或更多个发射和接收天线使得可以一次检测受试者的多个部分的运动和/或一次从不同角度观察受试者的一个部分。发射天线和/或接收天线可以彼此靠近放置，例如多个天线可以附接到一个本地RF线圈，或者它们可以位于不同的位置，例如位于不同的本地RF线圈上。例如，可以想到的是，通过将天线放置在不同的位置来一次检测受试者的不同部分的运动，和/或从不同角度检测受检者的相同部分的运动，因此例如有助于检测在不同方向上的运动。

在有用实施例中，第一和第二发射频率相差大于100MHz至20GHz，优选大于500MHz至10GHz或甚至大于1至5MHz。利用彼此远离的频率使得可以聚焦于位于受试者的不同深度处的受试者的不同对象。取决于不同对象的相应深度以及该位置处受试者的与辐射穿透有关的特性，不同的频率以及频率之间的不同间隔可能是合适的。在替代实施例中，第一和第二发射频率可以彼此接近，例如，它们可能相差小于100MHz，例如在10至80MHz之间。频率不同但彼此接近使得可以使用对不同频率敏感的不同天线或通过应用带通滤波器从不同方向观察受试者的一部分，而没有彼此干扰的不同信号，这仅使应该由该天线接收的信号的相应频率通过。因此，可以确保可以区分不同的信号。

根据替代实施例，较高导频音信号以调频连续波(FMCW)的形式发射。例如，通过在一定时间段内上下改变频率，发射信号和反射的接收信号之间的频率差使得可以经由发射信号和接收信号之间的频率差来确定距离。通过持续观察该距离，将检测到运动。在替代实施例中，较高导频音信号以脉冲雷达的形式发射。由此，发射脉冲并测量时间，直到脉冲被反射回接收天线，从而能够测量距离，并且通过比较连续的脉冲，还能够测量运动。

根据另一方面，本发明提供了一种用于检测受试者的运动的系统，受试者位于磁共振成像设备的内部，该系统包括：

适于接收至少输入信号的接口，特别是至少一个本地振荡器信号和导频音信号，

乘法器和/或除法器和/或第一混合器，配置为使用至少一个输入信号来产生较高导频音信号，其具有的发射频率是磁共振成像设备的拉莫尔频率的至少两倍高，特别是通过使用至少一个本地振荡器信号将导频音信号的频率转换为发射频率，

发射天线，该发射天线适于发射较高导频音信号，

接收天线，该接收天线适于接收发射的较高导频音信号，

第二混合器，配置为使用至少一个输入信号特别是本地振荡器信号将发射的较高导频音信号的频率转换为等于或低于输入信号或其中至少一个的频率的中频，特别是低于导频音信号或至少一个本地振荡器信号的频率，从而产生发射的导频音信号(也称为输出信号)，以及

适于转发发射的导频音信号的接口。

该方法的所有特征可以适于该系统，反之亦然。适于接收信号的接口和适于转发信号的接口可以可选地都是一个输入/输出接口的一部分。

根据优选实施例，该系统是本地RF线圈的一部分，或者该系统适于作为本地RF线圈的一部分或作为附接到本地RF线圈的外部的附加部分。具体地，发射天线和/或接收天线可以是本地RF线圈的一部分，或者适于作为本地RF线圈的一部分或作为附接到本地RF线圈的外部的附加部分。

根据一实施例，适于接收输入信号特别是至少一个本地振荡器信号和导频音信号的接口、第一乘法器、第一混合器和发射天线可以是本地RF线圈的一部分，或适于作为附加部分，其可以附接到本地RF线圈或其他地方。同样，接收天线、第二乘法器、第二混合器和适于转发发射的导频音信号的接口可以是本地RF线圈的一部分，或者可以适于作为附加部分，其可以附接到本地RF线圈或其他地方。不是本地RF线圈的一部分的部件可被附接或可附接到MRI系统的孔。一方面，这可以节省相应本地RF线圈上的空间。另一方面，它可以使系统观察受试者，从而通过从另一/替代位置朝向受试者发送发射的较高导频音信号而从其他不同角度检测其运动。

根据另一方面，本发明提供了一种用于磁共振成像设备的本地RF线圈，该本地RF线圈适于检测位于其附近的受试者身体的一部分的运动，本地RF线圈包括：

适于发射磁共振信号的一个或多个线圈元件，

线圈连接器，适于接收至少一个输入信号，特别是本地振荡器信号和导频音信号，以及

至少一个根据本文描述的系统的实施例中的任何一个的用于检测受试者的运动的系统。

通过为本地RF线圈提供用于检测运动的系统，可以通过简单地添加和/或替换和/或更新相应的本地RF线圈来促进用所述运动检测系统更新现有的MRI系统。更新现有的本地RF线圈特别有利，因为它可能只需要伴随仅很小成本的很小变化，尤其是在现有的本地RF线圈和/或现有的MRI系统已经包括提供导频音信号和/或一个或多个本地振荡器信号的情况下。