DE9012639U1 - Fehlersichere Entkopplung von Sende- und Empfangsantennen bei Kernspinresonanzgeräten - Google Patents
Fehlersichere Entkopplung von Sende- und Empfangsantennen bei KernspinresonanzgerätenInfo
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Description
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&bgr; .
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Fehlersichere Entkopplung von Sende- und Eepfangsantennen
bei Kernspinresonanzgeräten
Die Erfindung betrifft ein Ketffspinresonanzgeräi r*>r Ermittlung
vtin Spektren oder Sildern eines UVitersuchungsobjektt^ »ittels
&uacgr;&£ k«?rnmagnetischen Resonanz Kit Spulen zuc ^nI-&sfgr;3&eegr; von
isagnetischfcn Grund- und Gradientenfeldern an es Unteisuchun^sobjekt» mit einer Sendeantenne, mit o;r das Untersuchungen!?->ekt
mit einer Folge von Hochfrequenzimpulsen bestrahlt wird und mit einer Ea-piangssntenne, ^ dio vom Uniirsuchw.igsobjekt ausgesatiüten Kernrescr;.. izsignale ~^faßt, wobei der Sendeantenne und
de; Empf«>ngsanter-s jeweils eine Anp^- und abstimmeinh· it zugeordnet ist, di2 eine PIN-Diode ^1- Schalter enthält, die die
Resonanzabstimmung bzw. Leitungsanpassung dir jeweils zugeordneten Antenne beeinflußt und wobei sowohl im Sende- als auch
im Empfangsfall die PIN-Dioden so angesteuert werden, daß
Für die Untersuchung einzelner Körperbereiche mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz werden vielfach Oberflächenspulen
als Empfangsantennen eingesetzt, da sie durch einen Anstieg im Signal-ZRauschverhältnis die räumliche Auflösung im Empfindlichkeitsbereich der Oberflächenspule verbessern. Bevorzugt
wird dabei mit einem den gesamten Untersuchungsraum umfassenden Körperresonator als Sendeantenne gesendet, um ein bezüglich der
Hochfrequenz-Anregung möglichst homogenes Signal im Bereich der Oberflächenspule zu erzeugen. Die von den Atomkernen abgegebenen Signale werden dann mit der Oberflächenspule empfangen,
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wobei deren Hoaogenität dann nur noch eine untergeordnete Rolle
spielt. Da der Körper-Resonator (Sendeentenne) und die Oberflächenspule
(Empfangsantenne) auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmt sind, müssen diese gegenseitig entkoppelt seiden,
um die gegenseitige Beeinflussung zu verhindern. Sonst kann untc Umständen ein Großteil der Sendeleistung in dxe Oberflächenspule
Utexkoppelii>, toobei ^n- die arc Patienten zulässige
^ochfrequenz-Leistungsdichte möglicherweise überschritten wird. Bildqualität würde sich dabei erheblich verschlechtern. In
Iu der Empfangsphase müssen beide Antennen ebenfalls entkoppelt
werden, wobei dann die Empfangsantenne (Oberflächenspule) resonant
und die Sendeantenne (Körper-Resonator) verstiMiit sind.
Damit wird eine Beeinflussung des Empfangssignals durch den Körper-Resonator vermieden.
Zur Entkopplung kann das Feld der Oberflächenspule senkrecht
zum Feld des Körper-Resonators ausgerichtet sein, sofern der Körper-Resonator ein linear polarisiertes Feld bildet. Damit
ist aber die Lage der Oberflächenspule bezüglich des Körper-Resonators fixiert und nicht, z.B. zur Anpassung an die anatomischen
Gegebenheiten, frei orientierbar. Eei einem zirkulär polarisierten Körper-Resonator ist eine Entkopplung von Oberflächenspule
und Körper-Resonator auf diese Weise überhaupt nicht möglich. Zur Lösung dieses Problems wurde in der eingangs
genannten US-PS A 801 885 vorgeschlagen, an der Körper-Rrsonator
e.in X /4-Kpbel anzuschließen, dessen Ende beim Aussenden
von Hf-Impulsen mit dem Körper-Resonator kurzgeschlossen und
beim Empfang von Kernresonanzsignalen mit der Oberflächenspule
geöffnet ist. Ferner wird im Sendebetriebv d.h. bei Anregung
des Untersuchungsobjektes mit dem Körper-Resonator, der Resonanzkreis der Oberflächenspule über einen Schalter aufgetrennt-Sowohl
zum Kurzschließen des &lgr;, M-Kabels bis auch zum Auftrennen
des Resonanzkreises der Oberflächenspule werden PIN-Dioden verwendet, die über Steuerspannung;n in den leitenden
oder sperrenden Zustand geschaltet werden können.
01 C2
3 :( :··;'■:: ;;: · &tgr;&igr;»;8} G 3474 de An die Entkoppjung van Körper-Resonator und Oberflächenspule
werden Im Hinblick auf unzulässige Hochfrequenzbelastungen des
Patienten Im FehlerfaJi hohe Sicherheitsanfordrrungen gestellt.
Oe die Sicherheit der Entkopplung mittels der PIN Dioden in rj vielen Füllen nicht ausreichend erscheint, werden häufig im
Resonan/kre 1 ' der Obe r f J ächr-nspulen Schmelzsicherungen eingesetzt,
die ansprechen, wer,&eegr; aufgrund elf
<.s Fehlers Jn der f-ntkuppelsohaltunq
in der Oberflächenspule unzulässige Hochfiequen/
J ei s t.urgen entstehen sollten. Diese Schmel/slchfjungen
stellen jedoch notwendigerweise einen ohmschen Widerstand im
«esunnn/k rel s der Oberflächenspulen 'lar. fler die Blldqualität
verschlechtert,
/· . fgabe der Frtindung ist as dahe-i, eine f 1 nrlchtung der ein-1'
gangs (genannten Art so aufzubauen, da &Ggr; auch bei Bauteil- oder
Ansteuer fehlern keine unzulässigen Hochfrequenzbelastungen auftre'.en
können, so daß auf zusätzliche Schmelzsicherungen verzichtet werden kann.
/&Oacgr; Diese Aufgate wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der
,ende- und der Empfangsante'ir.e zugeordneten PIN-Dloden gleichspannunfj'jmäOig
in Reihenschaltung an eine Steuerspannung ange-'«■niossen
sind, wobei bei einer ersten Richtung der Steuefspannung
dJi- Fmpf angsantenne gegen die Kernresoanz frequenz ver-
'/'j stimmt und die Sendeantenne auf Kernresonanzfrequenz abgestimmt
ist und wobei bei einer zweiten Richtung der Steuerspannung die
fmpfangsantenne auf die Kernresonanzfreguenz abgestimmt und die
Sendeantenne bezüglich der Kernresonanzfreguenz verstimmt ist.
Fiel dieser Anordnung können Bauteil- oder Ansteuerfehler zwar
zu einer Funktionsunfähigkeit der Apparatur, jedoch, wie im
folgenden noch dargelegt wird, nicht zu einer unzulässigen M? belastung führen.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform enthält die Anpaß- und Abstimmeinheit der Sendeantenne einen über eine erste PIN-Olode
zur Sendeantenne parallel geschalteten Kondensator, der bei leitender erster PIN-Diode eine Abstimmung der Sendeantenne
auf die Kernresonanzf?equenz bewirkt und die Anpaß- und Abstimmeinheit
der Empfanqsantenne einen zu dieser fest parallel geschalteten Kondensator und parallel zu diesem Kondensator die
Reihenschaltung ^r zweiten PIN-Diode unter einer Induktivität,
wouei bei leitender zweiter PIN-Diode die Empfangsantenne be-Iu
zügiich der Kernresona- zfrequenz verstimmt ist.
Vorteilhafterwf ise ist zur Ansteuerung der PIN-Dioden ein
Stromkreis vorgesehen, bestehend aus einer ersten Steuerspannungsklemme, einer ersten Sperrdroosel, der ersten PIN-Diode,
einer zweiten Sperrdrossel, einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Antennen, einer dritten Sperrdrossel, der zweiten
&iacgr;'&Igr;&Ngr;-Dlode, einer vierten Sperrdrossel und einer zweiten Steuerspannungsklemme,
wobei die beiden PIN-Dioden in diesem Strompfad in derselben Leitrichtung angeordnet sind. Durch diese
Schaltui g ist eine einfache hochfrequenzmäßige Entkopplung der
PIN-Dioden gegeneinander und bezüglich der Ansteuerleiturgen möglich.
Die Anpaß- und Abstimmeinheit der Sendeantenne kann vorteilhafterweise
mehrere in Reihe geschaltete PIN-Dioden enthalten. Damit wird die Fehlersicherheit der Schaltung weiter erhöht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 naher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kernspinresonanzgerätes,
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. 35
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Zur Erläuterung der Problemstellung ist in Fig. 1 schematisch der prinzipielle Aufbau eines Kernspinresonanzgerätes, in diesem
Fall eines Kernspin-Tomographiegerätes, für die Erstellung
von Schnittbildein eines Untersuchungsobjektes dargestellt. Mit 1 und 2 sowie 3 und 4 sind Spulen bezeichnet, die ein magnetisches
Grundfeld BQ erzeugen, in welchem sich bei Anwendung
zur medizinischen Diagnostik der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen
zugeordnet, die zur Erfassung unabhängiger, zueinander senkrechter
Magnetfeidgradiefiten der Richtungen y., y und &zgr; gemäß
dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In der Fig. sind der Übersichtlichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 bezeichnet,
die zusammen mit einem Paar gegenüberliegenden, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung des x-Gradienten
dienen. Die gleichartigen, nicht gezeichneten y-Gradientenspulen
liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die für das z-Gradientenfeld quer zu seiner
Längsachse am Fuß- und am Kopfende. Die Anordnung enthält außerdem noch einen zur Erzeugung der Kernresonanzsignale dienenden
Körper-Resonator 9 sowie eine zur Aufnahme der Kernresonanzsignale dienende Oberflächenspule 19.
Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulep 1.
2, 3, 4, 7, 8 und 9 stellen das eigentliche Untersuchungsinstrument
dar. Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1-4 sowie
eine Gradientenstromversorgung 12, an welcher die Gradientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen liegen,
umfaßt. Ein von einem Prozeßrechner 17 gesteuerter Hochfrequenzsender 14 ist mit dem Körper-Resonator 9 verbunden. Die Oberflächenspule
19 ist über einen Signalverstärker 15 ebenfalls an den Prozeßrechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe einer Abbildung
ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Hochfrequenzeinrichtung 16 zur
Signalerzeugung und -aufnahme.
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« · · Il It t f · t
Eine Entkopplungsschgltung gemäß der Erfindung wird im folgenden
anhand eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 näher erläutert. In Fig. 2 sind die Sendeantenne 9 und die Empfangsantenne
19 lediglich schematisch dargestellt, da hierfür eine Vielzahl von Ausführungsformen in Betracht kommt. Beispielsweise
kann die Sendeantenne 9 auch in Form von den Untersuchungsbereich
umschließenden Stäben ausgeführt sein.
Die Einspeisung der Sendeleistung auf die Sendespule 9 erfolgt
iihpr pinpn Verstärke. 22 und eine Anpaßschaltung, die ans einem
Eipkoppelkondensator 34 im Lingszweig und e^nem Kondensator 26
im Querzweig besteht. Damit kann die Sendespule ^ an den Wellenwiderstand
des Ausgangs des Verstärkers 22 und der Verbindungsleitung zu diesem Verstärker angepaßt und auf die Kernresonanzfrequenz
abgestimmt werden. Der Kondensator 26 ist in Serie mit zwei PIN-Dioden 24 und 25 der Sendeantenne 9 parallel geschaltet,
Der Fmpfangsantenne 19 ist ein Kondensator 28 unmittelbar
parallel geschaltet. Dabei ist der Kondensator 28 so dimensioniert, daß die Eir.pfangsantenne 19 auf die Kernresonanzfrequenz
abgestimmt ist, sofern keine zusätzlichen Elemente dazugeschaltet werden. Die Empfangsantenne 19 ist über einen Auskoppelkondensator
35 an einen Hochfrequenzverstärker 23 angeschlossen. Dem Kondensator 28 ist die Serienschaltung einer
PIN-Diode 27 und einer Drossel 29 parallel geschaltet.
Die PIN-Dioden 24, 25 und 27 werden mit einer an den Steuerspannungsklemmen
20 und 21 anstehenden Steuersenkung U5 gesteuert,
und zwar in einem Stromkreis, der der Reihe nach eine Sperrdrossel 30, die PIN-Dioden 24 und 25, eine Sperrdrossel
eine Verbindungsleitung 36 zur AnpaS- und Abstimmeinheit der Empfangsantenne 19, eine Sperrdrossel 32, die PIN-Diode 27 und
eine Sperrdrossel 33 enthält. Durch die Sperrdrosseln 30-33 wird eine hochfrequenzmäßige Verkopplung zwischen Sendekreis
und Empfangskreis sowie zur Steuerspannung U5 verhindert.
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Im Sendefall wird eine Steuerspannung U5 angelegt, die für
sämtliche VIN-Dioden 24, 25, 27 in Leitrichtung liegt. Damit ist also der Kondensator 26 hoch^requenzmäßig zur Sendeantenne
9 parallel geschaltet, so daß diese auf die Kernresonanzfrequenz abgestimmt und an den Wellenwiderstand des Hochfrequenz
verstärkers 22 und an die Zuleitung zwischen diesem und der Sendeantenne 9 angepaßt ist. Damit wird die Hochfrequenzieistung über die Sendeantenne 9 übertragen und erzeugt das
Hochfrequenz-Anregefeld.
Auf der Empfangsseite ist durch die leitende PIN-Diode 27 die
Induktivität 29 dem Kondensator 28 parallel geschaltet, so daß die Empfangsantenne 19 bezüglich der Kernresonanzfrequenz verstimmt ist. Damit wird keine Hochfrequenzleistung in die
Empfangsantenne 19 eingekoppelt, so daß weder eine Verfälschung des Sendefeldes noch eine örtliche Überhöhung der Hochfrequenzleistung auftritt.
Im Empfangsfall wird eine Steuerspannung U5 angelegt, die für
die PIN-Dioden 24, 25 und 27 in Sperrichtung liegt. Damit kann über diese PIN-Dioden kein Hochfrequenzstrom fließen. Auf der
Sendeseite ist somit der Kondensator 26 vom Sendekreis abgetrennt, so daß eine Fehlanpassung und Verstimmung der Sendeantenne vorliegt. Eine im Fehlerfall ankommende Hochfrequenzleistung wird daher reflektiert und kann nicht über die Sende
antenne 9 übertragen werden oder gar zur Empfangsantenne 19
gelangen.
Auf der Empfangsseite ist die Induktivität 29 hochfrequenzmäßig
abgetrennt, so daß die Empfangsantenne 19 bezüglich der Kernresonanz frenuenz resonant ist.
Im folgenden werden nun die bei dieser Schaltung möglichen
Fehlerfälle und deren Auswirkung untersucht: 35
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&bgr;: :··:* · : : ■·: · br:89 G 3474 de
1. Unterbrechung oder Ausfall der Steuerspannung U5:
Die Sendeantenne 9 ist fehlangepaßt und verstimmt, da der Kondensator 26 hochfrequenzmäßig nicht mit der Sendeantenne
9 verbunden ist. Daher wird auch keine Hochfrequenzleistung auf des Untearsuchungsobjekt oder die Eropfangsspule eingekoppelt.
2. Auf der Sendeseite sind die PIN-Dioden 24 und 25 durchle
giert:
Die PIN-Diode 27 erhält einen Steuerstrom, so daß die
Empfangsantenne 19 verstimmt wird. Damit kann keine Hf-Leistung
...j; Empfannsantenne 19 gelangen, so daß auch keine
örtlichen Überhöhungen der Hochfrequenzleistung möglich sind.
3. Die PIN-Diode 27 ist durchlegiert:
Damit ist die Empfangsantenne 19 permanent verstimmt. Es ergibt sich zwar eine schlechte Bildqualität, eine örtliche
Überhöhung der Hochfrequenzleistung ist jedoch wegen der Verstimmung nicht möglich.
4. Eine der PIN-Dioden 24 oder 25 ist durchlegiert und die Steuerspannung U5 ist ausgefallen:
Durch die in Serie geschaltete zweite PIN-Diode 24 oder 25
auf der Sendeseite ist der Kondensator 26 abgetrennt und die
Sendeantenne 9 fehlangepaßt und verstimmt. Die Hochfrequenzleistung wird daher reflektiert. Es ist keine Patientenuntersuchung
möglich, eine unzulässige Hochfrequenzleistungs konzentration ist ausgeschlossen.
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Der Fehlerfall (4) kann außer durch Reihenschaltung zweier oder mehrerer PIN-Dioden auf der Sendeseite auch dadurch ausgeschlossen
werden, daß die Ansteuerung der Sendeendstufe oder deren Ausgang nur bei anstehender Steuerspannung Us freigegeben
wird. Dazu kann z.B. die Freigabe der Hochfrequenz-Ausgangsspannung über eine PIN-Diode erfolgen, die gleichspannungsmäßio
seriell zu den PIN-Dioden 24, 75 und 27 geschalt:' wird. Wenn
die Steuerspannung U«. unterbrochen ist, kann dann sv-rp. der
Hochfrequenzverstärker 22 keine Leistung men abytben.
TO Die dargestellte Schaltung kann auch Tür mehrere Sende- ur*^
Empfangsantennen zup Einsatz kommen. Dabei wird jede Sende- und
Emp^-ngsantenne mit eisüz Sc1-"Xtung »nusprecnsnd Fig. ? versehen
und sämtliche PIN-Dicc* - werden aleichspannungsmäßig in
Reuse ge -^haltet»
01
Claims (3)
1. Kernspinresonanzgerät zur Ermittlung von Spektren oder Bildern eines Untersuchungsobjektes (5) mittels der kernmagnetischen
Resonanz lüit Spulen (1, 2, 3, 4, 6, 7, 8) zum Anlege-· von
magnetischen Grund- und Gradientenfeldern an das Untersuchungsobjekt (3), mit einer Sendeanten^r ,. ), mit der das Unteriuchungsobjekt
mit einer Folge von Hochfrequenzimpulsen be-„^ahlt
wird, unri mit einer Empfangsantenne (19), die die vom
Untersuchungsobjekt (5) ausgesandten Kernresonanzsignale erfaßt, wobei der Sendeantenne (9) und der Empfangsan*enne (19)
jeweils eine Anpaß- urd Abstimmeinheit zugeordnet ist, die
eine PIN-Diode (24, 25, 27) als Schalter enthält, der die Resonanzabstimmung bzw. Leitungsanpassung der jeweils zugeordneten
Antenne (9, 19) beeinflußt und wobei sowohl im Sendeais auch im Empfangsfall die PIN-Dioden (24, 25, 27) so angesteuert
werden, daß Sende- und Empfangsantenne (9, 19) voneinander entkoppelt sind, dadurch gekennzeichnet
, daß die der Sende- und der Empfangsantenne (9, 19) zugeordneten PIN-Dioden (24, 25, 27) gleichspannungsmäßig
in Reihenschaltung an eine Steuerspannung (U5) angeschlossen
sind, wobei bei einer ersten Richtung der Steuerspannung (Uc) die Empfangsantenne (19) gegen die Kernresonanzfrequenz
verstimmt und die Sendeantenne (9) auf die Kernresonanzfrequenz abgestimmt ist, und wobei bei einer zweiten
Richtung der Stecerspannung (U5) die Empfangsantenne (19) auf
die Kernresonanzfrequenz abgestimmt und die Sendeantenne (9) bezüglich der Kernresonanz verstimmt ist.
2. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daü die Anpaß- und Abstimmeinheit
der Sendeantenne (9) einen über eine erste PIN-Diode (24, 25) zur Sendeantenne parallel geschalteten Kondensator (26)
enthält, der bei leitender erster PIN-DicJe (24, 25) eine Ab-'.timmung
der Sendeantenne (9) auf die Kernresonanzfrequenz
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bewirkt und daß die Anpaß- und Abstimmeinheit der Empfangsantenne
(19) einen zu dieser fest parallel geschalteten Kondensator (28) und parallel zu diesem Kondensator (2&bgr;) dip RHhenschiltung
der zweiten PIN-Diode (27) und einer Induktivität (29) enthält, wobei bei leitender /weiter PIN-Diode (27) die
Empfangsanterme (19) bezüglich der Kernresonanzfrequenz
verstimmt ist.
3. Kernspiniesonanzgerät nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der PIN-Dioden (24, ?b, 27) ein Stromkreis vorgesehen ist, bestehend
aus einer ersten Steuerspannungsklemme (20), einer ersten
Sperrdrossel (30), der ersten PIN-Diode (24, 25), einer zweiten r\ errdrossel (31), einer Verbindungsleitung zwischen der1 beiden
Vj Antennen (9, 19), einer dritten SperrCiiossel (32), der zweiten
PIN-Diode (27), einer vierten Sperrdrossel (33) und einer zweiten Steuerspannungsklemme (21), wobei die beiden PIN-Diodei
(24, 25, 27) in diesem Strompfad in derselben Leitrichtung
angeordnet sind.
ä. Kernspirresonanzqerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpaß- und
Abstimmeinheit der Sendeantenne mehrere in Reihe geschaltete
PIN-Dioden v24, 25) enthält.
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