ピッカリングRFマルチプレクサが大手MRIメーカーに貢献

 

ナショナルインスツルメンツがRFマルチプレクサスイッチモジュールの一つを廃止したとき、MRIシステムの大手メーカーは、ATEシステムの寿命が突然短くなったため、深刻な問題に直面しました。このケーススタディでは、Pickering InterfacesのCOTSソリューションがどのように状況を救い、どうスキャナーOEMに信頼を与えたかを紹介します。

 

磁気共鳴画像法（MRI）スキャナーは、神経学、腫瘍学、心臓病学、血管造影、整形外科など、さまざまな医療診断の用途に使用されています。驚くことではありませんが、MRIスキャナーは現代の医療において最も重要な医療システムの一つと考えられています。

それは強力な磁石と電波を使って体の内部構造の詳細な断面画像を作成し、異なる体の部位に最適化された無線周波数（RF）コイルがRFパルスを送受信するために使用されます。理解できるように、RFコイルが多いほど、生成されるスキャンはより速く、より詳細になり、例えば並列イメージングが可能な最新のスキャナには100以上のコイルが搭載されています。

あらゆるハイテク医療機器と同様に、MRIスキャナーは運用前に徹底的にテストされ、校正されなければなりません。RFコイルに関しては、すべてインピーダンス整合が必要であり、ネットワークアナライザーまたはベクトルアナライザーを使用してシステムのいわゆるラーモア周波数をチューニングします。各コイルについても、負荷時および無負荷時の効率、すなわち品質係数（Qファクター）を決定し、その反射および透過係数（Sパラメータ）を測定する必要があります。

 

陳腐化の代償

医療業界でトップクラスのMRIスキャナのOEMの一つは、RFコイルのテストと校正に非常に厳格な手順を設けています。同社は自動試験装置（ATE）を使用して、他の事と共に、コイルにRFパルスを送信モードで印加し、受信モードでパルスを読み取ります。

ATEは、KeysightのVEEで作成されたソフトウェアによって制御されていました。VEEは、Windowsベースの独自のグラフィカルデータフロー型プログラミング環境で、計測機器の制御に最適化されています。同社のATEは、RFジェネレーター、スペクトラムアナライザー、ネットワークアナライザーなど、Ethernet対応のさまざまな装置で構成されています。

ATEが最初に設計されたとき、RF MUXスイッチはNational InstrumentsのSCXI製品群の高密度RFリレーモジュールでした。複数のモジュールを使用して、150:1のMUX機能を作成しました。

さらに、継続的なRFスイッチングはリレーに負担をかけるため、MUXは数年ごとに交換する必要があります。したがって、National Instrumentsが2019年にSCXI RF MUXスイッチモジュールを廃止することを発表した際、複数のATEを構築・運用しているMRI OEMは問題に直面しました。

 

迅速な対応

最後の購入の機会を利用して、当時建設中のATEを完成させるため、そしてすでに使用中のモジュールが寿命に達した際の交換用として十分なRF MUXが購入されました。しかし、これは長期的な解決策ではなく、2023年にOEMが緊急でRF MUXを必要とした際、同社はPickering Interfacesに連絡を取りました。実際、連絡を取った時点で、OEMはわずか3か月という非常に厳しいスケジュールで、ATE能力を回復するための代替（かつ十分に検証された）ソリューションを確立する必要がありました。

連絡を受けて間もなく、私たちは複数のPXI RF MUXスイッチを搭載したLXIシャーシを持ってOEMを訪問し、システムのコンパクトさ（Pickeringの同等PXIモジュールは、元のNIカードの60％の高さです）と使いやすさを実演しました。また、LXIはEthernetベースであるため、既存の計測機器とのインターフェースも問題ありません。デモから約2週間以内に、2つのATEシステム用の十分なRF MUXハードウェアの注文が行われました。

単一システムに必要なハードウェアは次の通りです:

• 2台のLXI/USB 18スロットモジュラシャーシ（60-103D-001）
• 2セットのシャーシ取り付けキット（63-103-001）により、LXI/USBシャーシを標準の19インチラックに取り付け可能
• 6台の32対1終端50Ω 600MHz PXI RFマルチプレクサ（40-767A-001）
• 1台の8対1終端50Ω 600MHz PXI RFマルチプレクサ（40-763A-001）

元のATEは150対1のMUX能力を持っていましたが、OEMは160対1にアップグレードする機会を利用しました。これは、5つの32対1のMUXスイッチを使用し、それらのコモンを8対1のMUXの8チャンネルのうち5チャンネルに接続することで実現されました。残りの3チャンネルは余っているので、全体のMUXは技術的には163対1です。

図1: 送信側が32の信号入力ポイントにマルチプレックスされたFGENであり、受信側が160本の異なるコイルにマルチプレックスされたVNAであるMRIコイルテストスイッチングシステムの概略図。

 

統合の課題の一つは、OEM がハードウェアの制御のために VEE を使い続けたいと考えたことでした。VEE は比較的古い言語ですが、OEM のエンジニアは、厳しいスケジュールを考慮すると、すでに慣れているものを使い続けるのが最良の選択だと考えました。現在、実装から 1 ヶ月が経過しており、目標は 3 ヶ月です。その結果、Pickering のソフトウェアドライバは VEE 上での制御に対応するために修正が必要になりました。

もう一つの課題は、RFコイルの高感度のために、測定に影響を及ぼす不要なRFノイズの存在でした。この問題は、クランプオンフェライトと追加のEMシールドによって解決されました。

 

テスト結果：良好

ソフトウェアドライバーとEMノイズの問題は数週間以内に解決され、OEMは刷新されたATEを十分にテストすることができました。初期のフィードバックでは、PickeringのRF MUXモジュールの性能は良好であることが示唆されています。実際、これらは元のユニットよりも高いRF仕様を持っており、OEMはより良い結果を得ています。

執筆時点で、1つのシステムはすでに導入されており、さらにOEMは2つ目のATEに必要なハードウェアをすでに所有している。その後、同社はさらに3つのシステム用のハードウェアを発注し、合計で5つとなり、現在の考えでは、5つ目は予備用として保持される予定です。

では、状況は良さそうですが、将来はどうでしょうか？OEMは再び陳腐化によって困ることはあるのでしょうか？ある程度までは、Pickeringの製品におけるオープンアーキテクチャと業界標準プラットフォームを使用する商業戦略のおかげで、会社は当面この問題から守られています。COTSのLXIおよびPXIベースのハードウェアは迅速な対応を可能にするだけでなく、他に類を見ない柔軟性、拡張性、そして通常15〜20年の保証された長寿命を提供します。とはいえ、Pickeringの積極的な陳腐化管理は優れており、そのRF MUXスイッチは長期間使用可能です。

 

要約

National Instruments が SCXI マルチプレクサを廃止したとき、MRI スキャナの OEM は予備品を購入するという正しい判断をしました。しかし、彼らは数年以内にこれらを使用してしまい、自社の ATE システムが故障するリスクに直面していました。

OEMは、代替ソリューションを十分にテストするのにわずか3か月しか残されていないことを知って、比較的遅れてPickeringに連絡しました。解決策は、COTS LXIおよびPXIルートを採用することでした。なぜなら、同等のPXI RFスイッチモジュールがすでに存在しており、LXIのイーサネット接続によりシステム統合が簡素化され、VEE向けのソフトウェアドライバも迅速に開発できたからです。新しいスイッチングシステムは、より小型のフォームファクタで高性能を発揮し、長期的な供給保証も備えています。

 

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