Integrated Broadband Receivers for Magnetic Resonance Imaging

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. 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.