DE3815419A1 - Switching device for magnetic resonance imaging equipment (nuclear magnetic resonance investigation equipment) - Google Patents
Switching device for magnetic resonance imaging equipment (nuclear magnetic resonance investigation equipment)Info
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für Kern spinuntersuchungsgeräte. Schalteinrichtungen dieser Art werden zur Umschaltung bzw. Unterbrechung von Signalwegen in Verbindung mit einer Hochfrequenzspule zur Erzeugung und/oder zum Empfangen eines hochfrequenten Magnetfeldes benötigt.The invention relates to a switching device for core spin examination equipment. Switching devices of this type are used to switch or interrupt signal paths in connection with a high frequency coil for generation and / or for receiving a high-frequency magnetic field needed.
Derartige Schalteinrichtungen müssen verschiedene Anfor derungen erfüllen:Such switching devices have different requirements meet requirements:
- a) Sie dürfen durch das starke stationäre, homogene Magnetfeld, das in Kernspinuntersuchungsgeräten erzeugt wird, weder in ihrer Funktion beeinflußt werden, noch dürfen sie die Homogenität dieses Magnetfeldes stören. Eine derartige Schalteinrichtung darf daher keine ferromagnetischen Teile enthalten und soll zur Aufrechterhaltung ihres Schaltzustandes möglichst keine Ströme benötigen.a) You can by the strong stationary, homogeneous Magnetic field generated in magnetic resonance imaging devices will not be affected in their function, nor may disturb the homogeneity of this magnetic field. Such a switching device is therefore not allowed contain ferromagnetic parts and should Maintaining their switching status if possible Need currents.
- b) Die Schalteinrichtung muß sehr schnell schalten können, damit möglichst unmittelbar nach dem Ende eines Hochfrequenzimpulses die im Untersuchungsbereich erzeugten Kernresonanzsignale empfangen werden können.b) The switching device must be able to switch very quickly, thus as soon as possible after the end of a High-frequency pulse in the examination area generated nuclear magnetic resonance signals can be received.
- c) Der Durchlaßwiderstand der Schalteinrichtung muß möglichst klein sein, damit - bei ihrer Verwendung im Empfangszweig eines Kernspinuntersuchungsgerätes - das Signal-Rausch-Verhältnis dadurch praktisch nicht verschlechtert wird.c) The forward resistance of the switching device must be as small as possible, so that - when used in the reception branch of an MRI device - the signal-to-noise ratio is practically not deteriorated.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schalteinrichtung anzu geben, die diesen Forderungen genügt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sie eine flexible Schaltzunge aufweist, die mit einem piezoelektrischen Aktuator verbunden ist, der sich unter dem Einfluß einer Steuerspannung mitsamt der Schaltzunge verformt.It is an object of the invention to turn on a switching device give that meets these requirements. This task will solved according to the invention in that they are flexible Switch tongue that with a piezoelectric Actuator connected under the influence of a Control voltage deformed together with the switching tongue.
Das Öffnen bzw. Schließen der Schalteinrichtung erfolgt also mittels eines piezoelektrischen Aktuators, der unter dem Einfluß einer elektrischen Steuerspannung sich mitsamt der mit ihm mechanisch verbundenen Schaltzunge verformt. Eine solche Schalteinrichtung benötigt daher keine ferro magnetischen Teile, und sie kann ihren Schaltzustand behalten, ohne daß ein elektrischer Strom fließt (wenn man von Leckströmen absieht). Sie kann verhältnismäßig schnell schalten (weniger als 100 µs), und ihr Durchlaß widerstand ist wesentlich kleiner als der einer Pin-Diode.The switching device is opened or closed So by means of a piezoelectric actuator, which is under the influence of an electrical control voltage together the switching tongue mechanically connected to it deforms. Such a switching device therefore does not require ferro magnetic parts and they can change their switching state keep without an electric current flowing (if apart from leakage currents). It can be proportionate switch quickly (less than 100 µs), and their passage resistance is much smaller than that of a pin diode.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß sie auf einer Leiterplatte angeordnet ist. Dabei kann die Leiterplatte also einerseits die Schaltstrecke tragen, die durch die Schaltzunge zu überbrücken ist und anderer seits die Schaltungskomponenten, die das über die Schalt zunge übertragene Signal verarbeiten, beispielsweise einen Vorverstärker.A preferred development of the invention provides that it is arranged on a circuit board. The PCB on the one hand carry the switching path, which can be bridged by the switching tongue and others on the one hand, the circuit components that do this via the switching Process tongue transmitted signal, for example a Preamplifier.
In noch weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß das Substrat im Bereich des einen Endes der Schaltzunge und in einem weiteren Bereich fest mit dem Träger verbunden ist und daß sich das andere Ende der Schaltzunge zumindest an nähernd in der Mitte zwischen diesen Verbindungsbereichen befindet. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich ein sta biler mehrschichtiger Aufbau der Schalteinrichtung. Die Er findung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: In a further embodiment it is provided that the Substrate in the area of one end of the switching tongue and in another area is firmly connected to the carrier and that the other end of the shift tongue at least approximately in the middle between these connection areas located. This configuration results in a sta biler multilayer structure of the switching device. The he Finding below is closer to the drawing explained. Show it:
Fig. 1 ein Kernspinuntersuchungsgerät, bei dem die erfin dungsgemäße Schalteinrichtung anwendbar ist, in schemati scher Darstellung; Figure 1 is a magnetic resonance examination device, in which the inventive switching device is applicable, in a schematic representation.
Fig. 2 einen Teil eines Blockschaltbildes eines solchen Gerätes; Fig. 2 shows part of a block diagram of such a device;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine solche Schalteinrich tung und Fig. 3 shows a cross section through such a switching device and
Fig. 4a bis 4d Vorder- und Rückansicht der Leiterplatte und des die Schaltzunge tragenden Substrats. FIGS. 4a to 4d front and rear view of the circuit board and the switch tongue supporting substrate.
Fig. 1 zeigt einen Kernspintomographen, der in einem Untersuchungsbereich 2 ein starkes homogenes und statio näres Magnetfeld erzeugt, dessen Induktionsflußdichte zwi schen einigen zehntel Tesla und einigen Tesla liegen kann. Eine mit einem Hochfrequenzsender 3 verbundene Hoch frequenzsendespule 4 erzeugt ein hochfrequentes Magnet feld, das senkrecht zu dem stationären Feld verläuft und dessen Frequenz der Lamorfrequenz bei der vorgegebenen Stärke des Magnetfeldes entspricht. Dadurch werden in dem Untersuchungsbereich, in dem sich ein nicht näher darge stellter Patient befindet, Kernresonanzsignale erzeugt, die mittels einer Hochfrequenzempfangsspule 5 empfangen und einem Vorverstärker 6 zugeführt werden. Eine Bildver arbeitungseinheit 7 errechnet aus den Kernresonanz signalen die Kernmagnetisierungsverteilung. Die Einheiten 3, 6 und 7 werden von einer Steuereinheit 8 gesteuert. Fig. 1 shows a magnetic resonance scanner, which generates a strong homogeneous and statio nary magnetic field in an examination area 2 , the induction flux density between tenths Tesla and a few Tesla can be. A high-frequency transmitter coil 4 connected to a high-frequency transmitter 3 generates a high-frequency magnetic field which is perpendicular to the stationary field and whose frequency corresponds to the lamor frequency at the predetermined strength of the magnetic field. As a result, nuclear magnetic resonance signals are generated in the examination area in which a patient is not shown, which are received by means of a radio-frequency reception coil 5 and fed to a preamplifier 6 . An image processing unit 7 calculates the nuclear magnetization distribution from the nuclear magnetic resonance signals. The units 3 , 6 and 7 are controlled by a control unit 8 .
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, bildet die Empfangsspule 5 einen Teil eines Resonanzkreises, der auf die Larmorfre quenz abgestimmt ist. Das in diesem Resonanzkreis indu zierte Kernresonanzsignal wird über einen Schalter 1 und einen Kondensator 9 dem Vorverstärker 6 zugeführt. As can be seen from FIG. 2, the receiving coil 5 forms part of a resonant circuit which is tuned to the Larmor frequency. The nuclear magnetic resonance signal induced in this resonance circuit is supplied to the preamplifier 6 via a switch 1 and a capacitor 9 .
Der Schalter 1 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Hochfrequenzempfangsspule 5 und ist daher dem stationären homogenen Magnetfeld ausgesetzt. Wenn die in der Spule 5 induzierten FID-Signale ausgenutzt werden sollen, muß der Schalter 1 unmittelbar nach dem Ende des von der Hochfre quenzspule 4 erzeugten Hochfrequenzimpulses geschlossen werden, damit dieses Signal möglichst vollständig erfaßt werden kann.The switch 1 is located in the immediate vicinity of the radio-frequency receiving coil 5 and is therefore exposed to the stationary, homogeneous magnetic field. If the FID signals induced in the coil 5 are to be used, the switch 1 must be closed immediately after the end of the radio frequency pulse generated by the high frequency coil 4 so that this signal can be detected as completely as possible.
In vielen Fällen ist die Empfangsspule 5 von der Sendespule nicht vollständig entkoppelt, so daß im Sendebetrieb in der Empfangsspule eine Spannung induziert wird, die hohe Resonanzströme im Resonanzkreis zur Folge hat. Dies stört einerseits die Homogenität des Hochfre quenzfeldes der Sendespule 4 und kann andererseits zu hohen Feldern in der Nähe der Leiter der Empfangsspule 5 führen, die örtlich eine Überhitzung des Patientengewebes bewirken können.In many cases, the receiving coil 5 is not completely decoupled from the transmitting coil, so that a voltage is induced in the receiving coil during transmission, which results in high resonance currents in the resonance circuit. On the one hand this disturbs the homogeneity of the Hochfre quenzfeldes of the transmitter coil 4 and on the other hand can lead to high fields near the head of the receiver coil 5 , which can locally cause overheating of the patient tissue.
In diesem Fall sollte der Schalter 1 zwischen die beiden Kondensatoren 10 und 11 geschaltet werden, die in Serie geschaltet sind und parallel zur Spule 5 liegen. Dabei können aber unter ungünstigen Umständen an dem Schalter unzulässig hohe Spannungen auftreten. Diese lassen sich vermeiden, wenn der Schalter 1 nicht direkt zwischen die Kondensatoren geschaltet wird sondern über ein frequenzab hängiges Impedanztransformationsnetzwerk, das einen Kurz schluß an seinem Ausgang in einen Leerlauf bzw. einen hohen Widerstand an seinem Eingang umsetzt und einen Leer lauf am Ausgang (geöffneter Schalter) in einen Kurzschluß am Eingang.In this case, the switch 1 should be connected between the two capacitors 10 and 11 , which are connected in series and are parallel to the coil 5 . However, impermissibly high voltages can occur at the switch under unfavorable circumstances. These can be avoided if the switch 1 is not connected directly between the capacitors but via a frequency-dependent impedance transformation network that converts a short circuit at its output into an open circuit or a high resistance at its input and an open circuit at the output (open Switch) into a short circuit at the input.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Schalter 100 längs einer Symmetrielinie 100 (vergl. Fig. 4a-4d). Dabei ist mit 101 eine Leiterplatte aus isolierendem Material bezeichnet, auf der sich der Schalter 1 sowie eine weitere nicht näher dargestellte gedruckte Schaltung befinden. Die einzelnen Bauteile des Schalters sind in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber wesentlich dicker dar gestellt als sie in Wirklichkeit sind. FIG. 3 shows a cross section through a switch 100 along a line of symmetry 100 (see FIGS. 4a-4d). 101 is a printed circuit board made of insulating material, on which the switch 1 and a further printed circuit, not shown, are located. The individual components of the switch are shown in Fig. 3 for the sake of clarity much thicker than they are in reality.
Fig. 4a zeigt die auf der Oberfläche der Leiterplatte 101 befindlichen zum Schalter 1 gehörenden Leiterbahnen. Dabei ist mit 102 eine Massefläche bezeichnet, die symmetrisch zu der Symmetrieebene 100 angeordnet ist. Auf der Symme trielinie 100 verläuft eine Signalzuleitung 103, die mit den Masseflächen 102 auf der Oberseite und 104 auf der Un terseite (dargestellt in Fig. 4b) zusammen eine Micro stripleitung bildet. Bei geschlossenem Schalter hat diese Leitung einen Wellenwiderstand von 50 Ohm, so daß sich ein in Verbindung mit einem Koaxialkabel mit entsprechendem Wellenwiderstand ein reflexionsfreier Abschluß ergibt. Die Signalleitung 103 wird - bei geschlossenem Schalter - über einen Schaltpunkt 105 mit einer Signalleitung 106 verbun den, die mit dem Schaltpunkt 105 auf der Oberseite der Leiterplatte leitend verbunden ist. FIG. 4a shows the on the surface of the circuit board 101 located to the switch 1 associated conductor tracks. In this case, 102 denotes a ground plane, which is arranged symmetrically to the plane of symmetry 100 . On the symmetry line 100 runs a signal feed line 103 , which forms a micro strip line together with the ground areas 102 on the top and 104 on the bottom (shown in FIG. 4b). When the switch is closed, this line has a characteristic impedance of 50 ohms, so that a reflection-free termination results in connection with a coaxial cable with appropriate characteristic impedance. The signal line 103 is - with the switch closed - connected via a switching point 105 to a signal line 106 which is conductively connected to the switching point 105 on the top of the circuit board.
Das eine Ende der Signalleitung 103 und der Schaltkon takt 105 sind über eine Schaltzunge 107 miteinander ver bindbar, die sich auf der - in Fig. 4c dargestellten - Unterseite einer 2 µ starken Folie 108 aus Epoxydharz befindet. Die rechteckige Folie ist an ihren vier Ecken mit Leiterflächen 109 versehen, die fest mit der Massefläche 102 auf der Leiterplatte 101 verbunden sind - beispielsweise durch Kleben. Dadurch ist die Folie an ihren Randbereichen starr mit der Leiterplatte 101 verbunden, so daß das eine Ende der Schaltzunge 107 fest und galvanisch leitend mit dem Kontakt 105 verbunden ist. Das freie Ende der Schaltzunge 107 befindet sich etwa in der Mitte zwischen den beiden mit der Leiterplatte 100 fest verbundenen Bereichen und über dem Ende der Signalleitung 103.One end of the signal line 103 and the clock 105 are Schaltkon ver bindable via a switching tongue 107 with each other, based on the - shown in Figure 4c -. Underside of a 2 μ thick sheet 108 is made of epoxy resin. The four corners of the rectangular film are provided with conductor surfaces 109 which are firmly connected to the ground surface 102 on the circuit board 101 - for example by gluing. As a result, the film is rigidly connected at its edge regions to the printed circuit board 101 , so that one end of the switching tongue 107 is fixedly and galvanically conductively connected to the contact 105 . The free end of the switching tongue 107 is located approximately in the middle between the two areas firmly connected to the printed circuit board 100 and above the end of the signal line 103 .
Auf der Oberseite der Folie 108 befindet sich eine Kontaktfläche 110, auf der ein piezoelektrischer Aktuator aufgebracht ist. Dieser besteht aus zwei Streifen 113 aus einem geeigneten piezoelektrischen keramischen Werkstoff - vorzugsweise vom Perowskit-Typ, die auf den einander zuge wandten Flächen sowie auf ihren Außenflächen mit Elektro den versehen sind. Die miteinander verbundenen Außenelek troden sind an eine Steuerspannungsklemme 110 angeschlos sen und die Zwischenelektrode an eine Klemme 111. Die bei den miteinander verbundenen Streifen 113 sind in gleicher Weise polarisiert; durch die beschriebene Anschlußweise der Elektroden wirkt aber eine an die Klemmen 110, 111 angeschlossene Steuerspannung auf die Streifen in entge gengesetztem Sinne, d.h., wenn der obere verlängert wird, wird der untere verkürzt - und umgekehrt, so daß sich der Aktuator und mit ihr der zwischen den Randbereichen befindliche Teil der Folie 108 bzw. der Schaltzunge 107 entweder nach oben wölbt - in dieser Schaltung ist der Schalter geöffnet - oder nach unten (in dieser Stellung ist der Schalter geschlossen).A contact surface 110 , on which a piezoelectric actuator is applied, is located on the top of the film 108 . This consists of two strips 113 made of a suitable piezoelectric ceramic material - preferably of the perovskite type, which are provided on the mutually facing surfaces and on their outer surfaces with electrodes. The interconnected external electrodes are connected to a control voltage terminal 110 and the intermediate electrode is connected to a terminal 111 . The strips 113 connected to one another are polarized in the same way; due to the described way of connecting the electrodes, however, a control voltage connected to the terminals 110 , 111 acts on the strips in the opposite direction, ie if the upper one is extended, the lower one is shortened - and vice versa, so that the actuator and with it the part of the film 108 or the switching tongue 107 located between the edge regions either bulges upwards - in this circuit the switch is open - or downwards (in this position the switch is closed).
Da das Material, aus dem der Aktuator besteht, praktisch ein Isolator ist, wirkt der Aktuator wie ein Kondensator. Es fließt lediglich beim Umschalten der Steuerspannung ein Verschiebungsstrom. Daher funktioniert ein solcher Schalter auch in einem starken Magnetfeld, und er hat seinerseits keine Rückwirkungen auf dieses Magnetfeld. Es ist darüberhinaus sogar möglich, nach dem Umschalten die Steuerspannung zumindest kurzzeitig abzuschalten, da sich die Ladung auf den erwähnten Elektroden nur sehr langsam abbaut. Because the material from which the actuator is made is practical is an insulator, the actuator acts like a capacitor. It only flows in when the control voltage is switched Displacement current. So it works Switch even in a strong magnetic field and he has in turn, no repercussions on this magnetic field. It is also possible after switching the Switch off the control voltage at least briefly because the charge on the electrodes mentioned is very slow degrades.
Der Schalter 1 verhindert in geöffnetem Zustand, daß die Spannung an der mit der Spule 5 gebildeten Resonanzkreis dem Vorverstärker zugeführt wird. Wenn der Kopplungsfaktor zwischen den Spulen 4 und 5 nicht null ist, schwingt in diesem Kreis eine relativ starke Energie, die abgebaut sein muß, bevor der Schalter 1 geschlossen wird. Es kann daher zweckmäßig sein, in den mit der Spule 5 gebildeten Resonanzkreis selbst einen oder mehrere Schalter der angegebenen Art einzubauen, so daß der Resonanzkreis nicht in Resonanz ist und praktisch keine Energie aus dem Feld der Hochfrequenzsendespule aufnehmen kann.In the open state, the switch 1 prevents the voltage at the resonance circuit formed with the coil 5 from being fed to the preamplifier. If the coupling factor between the coils 4 and 5 is not zero, a relatively strong energy oscillates in this circuit, which must be dissipated before the switch 1 is closed. It may therefore be expedient to install one or more switches of the specified type in the resonance circuit formed with the coil 5 itself, so that the resonance circuit is not in resonance and can absorb virtually no energy from the field of the radio-frequency transmission coil.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |