An optoelectronic system for device localization in interventional MRI

Abstract

Aktif kateter takibinde, konum belirlemek için kateterin distal ucunda bulunan ve MR sistemine bağlı bir mikro bobin kullanılır. Topladığı MR sinyallerinin frekans spektrumundaki tepe değerleri fiziksel konumlara karşılık gelmektedir. Aktif yöntemlerdeki ana sorun, uzun kablolar nedeniyle meydana gelen RF'e bağlı ısınmadır. Bu kabloların yerine, doğası gereği MR uyumlu olan fiber optik kablolar kullanılmasını sağlayan optik sistemler önerilmiştir. Ancak bunlarda elektriksel sinyalin optiğe, daha sonra optiğin de yine elektriksel sinyale çevrilmesi sırasında meydana gelen kayıplar nedeniyle sinyal gürültü oranı düşük olmaktadır. MR sinyalini iletmeden önce daha kateterin ucunda kuvvetlendirmek ve frekansını düşürmek sinyal kayıplarını düşürmeye yarayabilir. Kuvvetlendirme, distal uçta bobinin yakınına yerleştirilen bir LNA ile yapılabilir. Frekans düşürme işlemi için referans sinyal dışarıdaki bir üreteçten ya da LNA ile aynı çipe yerleştirilmiş bir osilatörden alınabilir. İki yöntemin de ekstra kablo gereği nedeniyle distal uçta karmaşıklığı artırmak ve sıcaklık ya da giriş öngerilimindeki oynamalar nedeniyle meydana gelen frekans kaymaları gibi dezavantajları vardır.Bu çalışmada frekans düşürme işlemi için gerekli referans sinyali, MR cihazının kendi vericisinden alınmıştır. Bir görüntüleme sekansı sırasında geçen kısa sürede, frekansta tespit edilebilir bir kayma olması beklenmediğinden ve frekansı MR'ın merkez frekansına olan uzaklığı şeklinde bağıl olarak belirlenebildiğinden, bu verici çok güvenilir bir sinyal kaynağıdır. Elektriksel sinyal, MR güvenli olarak iletim için, frekans düşürme işlemini takiben optiğe çevrilmiştir. Bu, aynı zamanda iki uçtaki devreleri kabloda endüklenebilecek büyük akımlardan korumaya da yardımcı olmaktadır.

In active catheter tracking, a microcoil directly connected to the MRI system and positioned at the distal end of the catheter is employed for localization. The peaks in the frequency spectrum of the acquired MR signal correspond to catheter's physical location. The major problem with active techniques is the RF heating due to long conducting wires. Fully optical systems that replace the conducting wires with inherently RF-safe optical fibers are proposed. In these systems, the SNR suffers from the electro-optical signal conversion distally (and opto-electrical conversion proximally) at this high frequency. Amplifying and frequency down-converting the MR signal at the catheter tip could minimize signal losses. Amplification could be achieved with an LNA placed next to the microcoil. To provide the reference signal to the mixer for frequency down-conversion of the amplified MR signal, an outside generator or on-chip oscillator could be used. Both methods have their disadvantages like increased complexity at the distal end due to additional cable and frequency drift over time due to temperature or bias voltage variations.In this work, the reference signal for frequency down-conversion is provided from the MRI scanner's own transmitter! It is a very reliable source of signal since no frequency drift for the transmitter is expected over a specific imaging sequence interval. The frequency of the reference signal is defined as an offset with respect to the center frequency of the scanner, making this technique immune to main field drifts. Following down-conversion, the electrical signal is converted into optical signal for MR-safe transmission. This is also critical to protect the circuitry of the distal unit and receiver from currents that would be induced on the outer surface of the cable.