Hartung-Gorre Verlag
Inh.: Dr.
Renate Gorre D-78465
Konstanz Fon: +49 (0)7533 97227 Fax: +49 (0)7533 97228 www.hartung-gorre.de
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S
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Series in
Microelectronics
edited by
Qiuting
Huang
Andreas Schenk
Mathieu
Maurice Luisier
Bernd
Witzigmann
Benjamin Sporrer,
Integrated Broadband Receivers for
Magnetic Resonance Imaging
2017. XVI, 176 pages. € 64,00
ISBN
978-3-86628-607-8
Abstract short:
Magnetic Resonance Imaging (MRI) is an integral part
of modern medical diagnosis. In recent years, array coils, which are tightly surrounding
the target anatomy, reduced the minutes-long scan times improving patient
comfort and reducing costs. The trend toward arrays with more and more
channels, however, increased the number of rigid, bulky, and expensive RF
cables in the bore. This thesis describes a fully integrated dual-channel CMOS
receiver for surface coils within an MRl array coil.
The IC minimizes the size of the receiver modules, which enables its deployment
directly on the coil. The digital output stream of the IC is transmitted to the
MRI backbone with thin and flexible optical fibers. Using a 130nm CMOS process,
a receiver lC that achieves sub-1 dB noise figure and
an IIP3 above 0 dBm with a power
consumption below a quarter of a Watt per channel has been implemented. The lC has been verified in a commercial 3 T MRI scanner.
Abstract long:
Magnetic Resonance Imaging (MRI) has become an
integral part of medical diagnosis because it produces tomographic images
without the use of any ionizing radiation. In recent years, array coils, tightly
surrounding the target anatomy, significantly increased the signal yield in any
given scan setup. Therefore, they reduced the minutes-long scan times improving
patient comfort and reducing costs. The trend to arrays with more and more
channels, however, increased the number of screened RF cables in the bore, that
are rigid, bulky, and can even pose a safety hazard to the patient if not
carefully placed and decoupled.
This thesis describes a fully integrated dual-channel
CMOS receiver for surface coils within an MRI array coil. The IC minimizes the
size of the receiver modules, which enables the deployment of the receiver directly
on the coil. The immediate conversion of the signal into the digital domain
means that the data can be transmitted without loss over optical fibers
completely removing all shielded RF cables. Therefore, light-weight or even
wearable, high channel-count array coils are made possible, that may further
increase the harvested signal.
Signal properties for a broad range of MRI systems are
analyzed and translated into specifications for the IC. Using a 130 nm CMOS process,
a receiver IC with reflective LNAs, to ensure decoupling between different
array elements, has been implemented. It achieves a measured sub-1 dB noise figure
and an IIP3 above 0 dBm with a
power consumption below a quarter of a Watt per channel, which simplifies
the power supply of the receiver modules. A gain range of more than 40 dB is
covered. The IC has been verified by acquiring images within a commercial 3 T
MRI scanner.
Zusammenfassung:
Magnetresonanztomographie (MRT) hat sich zu einem
integralen Bestandteil medizinscher Diagnostik entwickelt, da es ohne die
Verwendung von ionisierender Strahlung tomographische Bilder liefern kann. In
den letzten Jahren haben Spulenanordnungen, die das abzubildene Gewebe eng
umgeben, die Signalausbeute drastisch erhöht und somit die Dauer einer
Tomographie zur Verbesserung des Patientenkomforts und zur Verringerung der
Kosten reduziert. Der Trend zu Spulenanordnungen mit einer immer höheren Anzahl
an Spulen hat allerdings auch die Anzahl geschirmter Hochfrequenzkabel, die
einerseits starr und sperrig sind, andererseits sogar ein Sicherheitsrisiko für
den Patient darstellen können, empindlich erhöht.
In dieser Arbeit wird ein vollständig integrierter
Zweikanalempfänger für die Verwendung in MRT Spulenanordnungen beschrieben, der
eine Empfängerleiterplatte von minimaler Größe erlaubt und somit die Platzierung
derselben direkt neben der Spule ermöglicht. Die sofortige Umwandlung des
Signals in digitale Daten bedeutet, dass die Datenübertragung zum MRT System über
optische Fasern stattinden kann und somit Hochfrequenzkabel überflüssig sind.
Dadurch wird der Grundstein für leichte oder sogar textilbasierte
Spulenanordnungen gelegt.
Die Signaleigenschaften für eine grosse Bandbreite an
MRT Systemen wurde analysiert und als Spezifikation für eine integrierte
Schaltung (IC), hergestellt in einem 130 nm-Prozess, festgelegt. Der IC beinhaltet einen
reflektiven rauscharmen Eingangsverstärker um die Entkopplung benachbarter
Spulen sicherzustellen. Er erreicht
eine gemessene Rauschzahl von
unter einem Dezibel und einen IIP3 von mehr als 0 dBm, ausserdem bietet er
einen Verstärkungsbereich von mehr als 40 dB. Dies alles geschieht bei einer
Leistungsaufnahme von weniger als einem viertel Watt, was die Stromversorgung
des Empfängermoduls vereinfacht. Die Funktionalität des ICs wurde durch die
Aufnahme von Bildern in einem kommerziellen 3 T MR-Tomographen nachgewiesen.
About the Author:
Benjamin Sporrer was born in Switzerland in 1987. He received his BSc and MSc degrees
from ETH Zurich. Switzerland. in 2009 and 2011,
respectively. He joined the Integrated Systems Laboratory (lIS)
at ETH Zurich in 2011 as a research and teaching assistant. His research
focused on mixed-signal and radio-frequency analog integrated circuits for
medical imaging as well as for cellular communication.
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