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Physikalischer Drahtseilakt: Datenwandler für die Magnetresonanztomographie

Fachbeitrag | Die medizinische Bildgebung stellt höchste Anforderungen an das Elektronikdesign – inklusive Datenwandler. Geringe Leistungsaufnahme, geringes Rauschen, hoher Dynamikumfang und hochauflösende Performance bei niedrigen Kosten und in einem kompakten Gehäuse sind häufige Trends.

Analog Devices Bildquelle: © natali_mis/Adobe Stock

Jedes medizinsche Bildgebungssystem hat seine ganz eigenen Anforderungen an die Datenwandler.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen 1895 brachte ihm den ersten Nobelpreis für Physik überhaupt ein und legte das historische Fundament für das Feld der medizinischen Bildgebung. Seitdem hat diese sich zu einer umfangreichen wissenschaftlichen Disziplin entwickelt, die im weitesten Sinne verschiedene Techniken zur nicht-invasiven Visualisierung der inneren Aspekte des Körpers bezeichnet. 

So unterschiedlich die Verfahren sind, sie haben doch eines gemeinsam: Sie nutzen ein analoges Datenerfassungs-Frontend zur Signalaufbereitung und Wandlung von Rohdaten in eine digitale Ebene. Dieser kleine funktionale Frontend-Block verbirgt sich tief im Gerät, seine Leistung hat aber entscheidenden Einfluss auf die resultierende Bildqualität des Gesamtsystems. Die Signalkette besteht dabei aus einem Sensorelement, einem rauscharmen Verstärker (LNA), einem Filter und einem Analog-Digital-Wandler (ADC).

Anforderungen an MRT-Datenwandler

Je nach Verfahren stehen Entwickler dabei vor ganz unterschiedlichen Designherausforderungen, denn in einem Röntgengerät müssen die Datenwandler anderen physikalischen Prinzipien folgen als beispielsweise in einem Ultraschallgerät.  So basiert die  Magnetresonanztomographie (MRT) auf dem Phänomen der Kernspinresonanz und verwendet anders als die Computertomographie (CT) oder die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) keine ionisierende Strahlung.

Die Trägerfrequenzen der MR-Signale bei kommerziellen Scannern entsprechen der magnetischen Hauptfeldstärke im Bereich von 12,8 MHz bis 298,2 MHz. Die Signalbandbreite wird durch das Sichtfeld in der Richtung der Frequenzcodierung definiert und kann von einigen wenigen bis mehreren Dutzend kHz variieren.

Dies stellt spezifische Anforderungen an das Empfänger-Frontend, das typischerweise auf der in Bild 1 (unten) dargestellten Überlagerungsarchitektur mit SAR-ADCs mit geringerer Geschwindigkeit basiert. Die jüngsten Fortschritte in der Analog-Digital-Wandlung ermöglichten jedoch schnelle und stromsparende Mehrkanal-Pipeline-ADCs zur direkten digitalen Wandlung der MR-Signale in den gängigsten Frequenzbereichen bei Wandlungsraten über 100 MSPS und bei 16-Bit-Tiefe.

Die Anforderung an den Dynamikbereich ist  anspruchsvoll und liegt typischerweise über 100 dB. Für eine verbesserte Bildqualität wird dies durch eine Überabtastung des MR-Signals erreicht, die die Auflösung verbessert, den SNR erhöht und Aliasing-Artefakte in Frequenz-Code-Richtung eliminiert. Für schnelle Scan-Erfassungszeiten wird eine Kommpressions-Erfassungstechnik auf Basis von Undersampling eingesetzt.

Autor: Anton Patyuchenko ist Field Application Engineer bei Analog Devices

Schlagworte: Magnetresonanztomographie, MRT, Stromversrogung, Datenwandler

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Anmerkung

Das ist eine Ausschnitt des Beitrags »Medizinsche Bildgebungssysteme: Drahtseilakt für Datenwandler«, der zuerst in der Medizin+elektronik 3/2019 erschienen. Die Online-Version des Beitrags finden Sie hier. 

 

Analog Devices Bildquelle: © Grafiken: Analog Devices

Bild 4. MRT Superheterodyne Receiver Signal Chain.