磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）研究室（巨瀬勝美，寺田康彦）総合Ｂ棟，３２４号室磁場と電波で、切らずに体の中が分かるＭＲＩを見学し、実際に、果物や手足の撮像を体験してもらいます。

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こうざぶろうかやぬま
4 years ago
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1 MRI ハードウェア : デジタルトランシーバーの仕組みと実際筑波大学数理物質系物理工学域巨瀬勝美第 41 回日本磁気共鳴医学会大会 ( 徳島 ) 教育講演

2 講演の概要 1. はじめに 2. MRIトランシーバーとは? 3. アナログトランシーバーの仕組み 4. デジタルトランシーバーの仕組み 5. 撮像によるトランシーバーの比較 6. むすび

3 講演の背景 : なぜトランシーバー? MRI ハードウェアの発展 :1980 年代 ~2010 年代磁石 0.15T 1.5T 3T 7T? グラジエントコイル 1mT/m 10 mt/m ~50 mt/m RF コイル 1CH 2CH(QD) 8CH 32CH トランシーバー Analog Digital (1990 年代 ~) これにより, アナログトランシーバーを前提として書かれているMRI の教科書は, 一部書き換える必要性がある. たとえば, リード方向のサンプリング点数は, リード方向の画素数に等しいとされているが, デジタルトランシーバーでは, この議論は通用しない. この事情を解き明かすのが, 本講演の目的である.

4 サンプリング点数 = リード方向の画素数? 現在の教科書 NMR signal FT N サンプリング点数とリード方向の画素数の関係 N

5 講演の概要 1. はじめに 2. MRIトランシーバーとは? 3. アナログトランシーバーの仕組み 4. デジタルトランシーバーの仕組み 5. 撮像によるトランシーバーの比較 6. むすび

6 トランシーバーの基礎的なことトランシーバー (transceiver) とは, transmitter( 送信機 ) と receiver( 受信機 ) を合体させたもので, 一般には, 携帯型の無線通話機として知られている. 一方,MRI では, 送信機は,RF パルス信号を電力増幅して送信コイルに供給するものを指し,RF パルスを作り出す部分は, 送信機とは呼ばれず, 変調器 (modulator) など呼ばれる. そこで,MRI では, 変調器と検波器 (detector) を合わせたものをトランシーバーと呼んでいる.

7 トランシーバーの実際アナログトランシーバーデジタルトランシーバー MRI システムの一つの重要なユニットとして組み込まれている.

8 MRI の構成とトランシーバーの位置づけ interface Pulse Programmer Host Computer Gradient driver Magnet gradient coil interface MRI Transceiver Transmitter RF coil gradient coil MRI console Preamp (LNA) Amplifier units Magnet Signal detection system トランシーバーは,MRI コンソールの中核的位置を占める.

9 トランシーバーの位置づけと役割 Network interface Pulse Programmer Gx Gy Gz Human interface Host Computer interface MRI Transceiver TX RX 回転座標系の低周波信号実験室系の高周波信号トランシーバーは, 実験室系のアナログ信号 ( ラーモア周波数の信号 ) を, 回転座標系における ( デジタル ) 信号に変換する役割を担っている.

10 トランシーバーの役割 : 回転系実験室系回転座標系 ( 低周波 ) 実験室系 (RF) トランシーバートランシーバーは, 回転座標系の信号と実験室系の信号を変換する

11 アナログトランシーバー TX RX transmitter receiver IQ アナログ入力アナログ出力アナログ素子を用いて信号変換を行う.I と Q のチャンネル ( 回転座標系の x と y) 間のバランスを確保するために, 微調整が必要.

12 デジタルトランシーバー TX : IF DAC FPGA 60MHz sampling RX: IF ADC TX input RX output : digital (LVDS) 信号変換には,FPGA や DSP などのデジタル素子が使用される.

13 デジタルトランシーバーとは? デジタルトランシーバーは, アナログトランシーバーにおいてアナログ素子で行われている1 変調,2 検波,3フィルタリングなどの操作を, デジタル回路 ( 演算 ) で行う. ( デジタル回路 :FPGA, デジタル演算 :DSP) このため, デジタルトランシーバーでは, 高周波信号をデジタル化するのに対し, アナログトランシーバーでは, 検波とフィルタリングを行った後の, 低周波信号をデジタル化する.

14 デジタルトランシーバーの優位性デジタルトランシーバーの優位性 : (1) I と Q の ( 回転座標系の x と y) チャンネル間の振幅のバランスと直交性が原理的に完全に達成できる. (2) 低周波 (1/f) ノイズや DC オフセットの影響がない. (3) ダイナミックレンジが広い ( サンプリング周波数比の平方根に比例して量子化ノイズが減少 ) (4) アナログ回路の不完全性 ( 非線形性, ドリフト ) の影響が少ない ( 全くないわけではない ) アナログトランシーバーでも, うまく作れば, デジタルトランシーバーと同等の性能を実現することができる.

15 デジタルトランシーバーの欠点? デジタルトランシーバーの欠点 : (1) デジタル処理がブラックボックスになっており, ユーザーからの理解等が困難. (2) 処理すべきデータ量が膨大 ( アナログトランシーバーの1000 倍のオーダー ) となるため, その対策 (decimation など ) が必要.

16 この章の要約 1. トランシーバーは, 実験室系の高周波信号と, 回転座標系の低周波信号との間を変換する役割をもつ. 2. デジタルトランシーバーは, アナログ素子の役割を, デジタル回路 ( 演算 ) で実現する. 3. デジタルトランシーバ-では, 高周波でAD/DA 変換が行われ, アナログトランシーバーでは, 低周波でAD/DA 変換が行われる. このため取得されるデータ量は,1000 倍以上異なる. 4. デジタルトランシーバ-は, アナログトランシーバーに対して, 多くの優位性を持つ.

17 講演の概要 1. はじめに 2. MRIトランシーバーとは? 3. アナログトランシーバーの仕組み 4. デジタルトランシーバーの仕組み 5. 撮像によるトランシーバーの比較 6. むすび

18 アナログトランシーバーの原理 RF パルス Transmitter LNA BPF NMR 信号 Programmable gain amp 直交振幅変調器 QAM ラーモア周波数直交位相検波器 QPD QAM : Quadrature Amplitude Modulator synthesizer LPF パルスプログラマ送信パルス波形発生 (DA 変換 ) ADC Base band sampling 計算機データ収集システム QPD : Quadrature Phase Detector

19 アナログトランシーバーの構成 RF パルス Transmitter LNA BPF NMR 信号 Programmable gain amp 0 90 直交振幅変調器 :QAM 0 90 直交位相検波器 :QPD QAM : Quadrature Amplitude Modulator I Q I Q LPF LPF DAC Pulse programmer DAC synthesizer ADC ADC Host Computer Base band sampling QPD : Quadrature Phase Detector & Data acquisition system

20 z 直交振幅変調器 :QAM I(t)cos (2πf 1 t) I(t) RF out cos (2πf 1 t) 0 x I(t) Q(t) H 1 (t) y sin (2πf 1 t) Q(t) sin (2πf 1 t) 90 Q(t) f 1 RF out = I t cos (2πf 1 t) + Q(t)sin(2πf 1 t) 回転座標系における H 1 (t) を生成する. 任意の励起が可能.

21 直交位相検波 :QPD z I(t) RF in cos (2πf 1 t) 0 I(t) Q(t) sin (2πf 1 t) 90 y Q(t) x M(t) f 1 回転座標系における核磁化 M(t) の座標成分を検出する. RF 信号に, キャリア周波数の cosine と sine を乗じる.

22 アナログ乗算器 ( ミキサー ) 回路記号 Double balanced mixer Active mixer DBM や Active Mixer で行われる乗算をデジタル回路で実施

23 この章の要約 1. アナログトランシーバーでは, 直交振幅変調器 (QAM) と, 直交位相検波器 (QPD) が重要な役割を果たす. 2. QAMとQPDでは, アナログ乗算器 ( ミキサー ) が, 重要なユニットである. 3. QAMとQPDにおける I(in phase) チャンネルと Q (quadrature phase) チャンネルは, 回転座標系のx 座標とy 座標に対応する.

24 講演の概要 1. はじめに 2. MRIトランシーバーとは? 3. アナログトランシーバーの仕組み 4. デジタルトランシーバーの仕組み 5. 撮像によるトランシーバーの比較 6. むすび

25 デジタルトランシーバーの原理 IRM: image rejection mixer Digital (FPGA/DSP) 0 BPF Transmitter IRM DAC 送信パルス波形発生計算機 IF 2 IF 0 LNA IRM 0 IF ADC 中間周波数デジタル検波デシメーションフィルタリングデータ収集システム PGA 0 : Larmor frequency IF : intermediate frequency

26 デジタルトランシーバーの構成 IRM: image rejection mixer Digital (FPGA/DSP) 0 BPF Transmitter 0 LNA IRM IRM DAC IF 2 0 IF ADC Digital QAM Digital QPD IF PPG Digital Filter Host Computer & Data acquisition system PGA 0 : Larmor frequency IF : intermediate frequency

27 デジタルレシーバーにおける信号処理 (1) RF 信号サンプリングデジタル検波 Decimation/Filtering 画像再構成

28 デジタルレシーバーにおける信号処理 (2) MHz の信号を 20MHz でサンプリング oversampling 高周波 NMR 信号 (8.4375MHz) をサンプリングした波形. データ収集点数は,65536 ポイント (3.2768ms) であり, 全体の 1/32 を表示

29 デジタルレシーバーにおける信号処理 (3) carrier 周波数の cosine を乗じた波形 carrier 周波数の sine を乗じた波形デジタル検波を行うために, キャリア周波数の cosine と sine をそれぞれ乗じた波形. この中から, 低周波成分を効果的に取り出す方法が decimation と filtering

30 デジタルレシーバーにおける信号処理 (4) デジタル検波した波形から decimation( ) で得た波形 ( 実数部 ).4096 点の convolution より計算.

31 Decimation とは? 元々は, ローマ帝国の軍団に対する刑罰で,10 人の兵士の中からくじ引きで 1 人を選び, その 1 人を他の 9 人で撲殺するというもの. 転じて, サンプリング点を間引きして減らす方法を指す. Spartacus: War of the Damned: Decimation Review

デジタルレシーバーにおける信号処理 (5) 高い比率のデシメーションを行うために, 通常は,CIC(cascaded integrator comb) フィルタとFIR(finite impulse response) フィルタを使用を用いて,2 段階で行う手法が使われている.

32 デジタルレシーバーにおける信号処理 (5) 高い比率のデシメーションを行うために, 通常は,CIC(cascaded integrator comb) フィルタとFIR(finite impulse response) フィルタを使用を用いて,2 段階で行う手法が使われている. これは,CICフィルタは加算のみで実現でき(FIRフィルタは乗算が必要 ), 演算が比較的容易にできるためである. CIC フィルタ (1/16) と FIR フィルタ (1/12) を組み合わせて急峻なフィルタ特性を実現した例 : ディジタル FM ステレオチューナの製作 ( 林輝彦 ) 73.8MHz のデジタル信号を 384kHz のデジタル信号へと変換

33 この章の要約 1. デジタルトランシーバーでは, 変調, 検波をデジタル回路 ( 演算 ) で行う. 2. デジタルレシーバーの信号処理は,1デジタル検波, 2デシメーション ( サンプル点数の間引き ),3フィルタリングである.

34 講演の概要 1. はじめに 2. MRIトランシーバーとは? 3. アナログトランシーバーの仕組み 4. デジタルトランシーバー仕組み 5. 撮像によるトランシーバーの比較 6. むすび

35 トランシーバーの比較撮像実験 Digital TR Analog TR 4.74T SCM Kumquat in a solenoid coil probe トランシーバー以外は同一のハードウェアと撮像条件を用いて, 比較実験を行った. 磁石は 4.74T の超伝導磁石, 試料は, 広い信号のダイナミックレンジが期待できる, 直径 40mm のソレノイドコイルに挿入した金柑である.

36 Gain stepping scan による 3D 撮像 (1) Low gain scan 3D k-space high gain scan e.g. +30 db phase encode k-space center phase encode readout レシーバーのダイナミックレンジ (DR) の限界の問題を解決するために, いずれも 30dB のゲイン差によるゲインステッピングスキャンを用いた.DR 以外の性能を比較するために実施した.

37 Gain stepping scan による 3D 撮像 (2) Low gain scan k-space center high gain scan, e.g. 30dB High frequency components FFT 30dB + 画像再構成に使用したフーリエデータは, ローゲインで取得した k 空間中心部のデータを 30dB 増幅したデータと, ハイゲインで取得した k 空間の周辺のデータを合成することによって作成した.

TE=20ms, NEX=1) によるデータは, レシーバー系のDRが約 78dBであることを示している.

38 Gain stepping scan なしのときの DR(digital) 3cm 78 db Noise floor Single scan (256 3 ) Gain stepping scanのないときの256 3 マトリクスのスキャン (TR=800ms, TE=20ms, NEX=1) によるデータは, レシーバー系のDRが約 78dBであることを示している. この時, エコー信号は,full scaleの約 1/4であったため,DRは, +12dBの約 90dB( 片側で15ビット : 両側 96dB) であることが推定される.

39 Gain stepping scan ありのときの DR(digital) 3cm > 82 db Dual scan (256 3 ) これに対し, ゲインステッピングスキャンを行うと, 受信系の DR は拡大されて, 信号の DR も 82dB 以上であることが示され, また, 同時に, 高い分解能も実現された.

40 アナログとデジタルの違い : DC noise? analog digital 50 khz sampling 60 MHz sampling どちらのトランシーバーでも, 同様の image quality が得られた Cross sectional images acquired with the analog and the digital transceivers using a 3DSE sequence with TR/TE = 800ms/20ms, FOV = (40.96 mm) 3, image matrix: x 64, NEX = 1

41 アナログとデジタルの違い : DC noise? analog digital アナログトランシーバーでは,DC オフセットによる輝点が見られた Cross sectional images acquired with the analog and the digital transceivers using a 3DSE sequence with TR/TE = 800ms/20ms, FOV = (40.96 mm) 3, image matrix: x 64, NEX = 1

42 アナログとデジタルの違い : 位相安定性? analog Carrier leak : now fixed digital PE PE isotropic noise デジタルトランシーバーでは, 均一なバックグラウンドノイズが観測された. いっぽう, アナログトランシーバーでは, アナログ回路の非線形性や位相の不安定性に起因すると思われるゴースト状のアーチファクトが観察された.

43 この章の要約同一の実験条件で, アナログトランシーバーとデジタルトランシーバーの比較を行った. その結果, デジタルトランシーバーでは,DC オフセットは観測されず, 線形性と位相安定性に優れていることが確認された. ただし, ダイナミックレンジを確保すれば, アナログトランシーバーでも, デジタルトランシーバーと同等の画像が得られることを示した. Analog Digital

44 サンプリング点数 = リード方向の画素数? 新しい教科書? RF NMR signal FT ~N ~4N デジタルトランシーバーでは,3 桁程度の量のデータサンプリングが行われ,decimation によって N の数倍程度のデータに集約される. N

45 むすび 1. MRIにおけるデジタルトランシーバーの仕組みについて解説した. 2. トランシーバーの機能の理解には, アナログトランシーバーが有用であるが, デジタルトランシーバーは, アナログトランシーバーに比べて多くの優位性があり, 今後は, 置き換えられていくことになるだろう. 3. このため, 教科書などでも, デジタルトランシーバーを前提とした解説などが必要になるだろう. 詳細は,P 橋本征太郎氏のポスターをご覧下さい. 研究室 HPで, パワポのpdfを公開予定.

スライド 1

スライド 1 2011 年 10 月 4 日,SCOPE 第 7 回成果発表会, 幕張メッセデジタルコヒーレント光通信技術の研究開発 Research on Digital Coherent Optical Communication Systems 菊池和朗 Kazuro Kikuchi 東京大学大学院工学系研究科電気系工学専攻 Department of Electrical Engineering and

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）研究室（巨瀬勝美，寺田康彦）総合Ｂ棟，３２４号室 磁場と電波で、切らずに体の中が分かるＭＲＩを見学し、実際に、果物や手足の撮像を体験してもらいます。

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