CN113875319B - 成像设备、用于设计电路板装置的方法和电路板装置 - Google Patents
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Abstract
成像设备，包括：a.在径向上围绕样品空间设置的磁体装置，用于产生在所述磁体装置运行期间改变的磁场B，所述磁场具有在z方向上的磁场分量；b.在径向上设置在所述磁体装置之内的电路板装置(6；14)，所述电路板装置具有导电的导体电路(7；12)，所述导体电路被划分成多个导体电路区段(10)，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段(10)形成一个结构区段(11a、11b；12a、12b)，该结构区段跨占一个表面(A1、A2)，其特征在于，对于每个导体电路(7；12)，每两个结构区段(11a、11b)形成一个结构区段对(11)，所述导体电路(7；12)设置在电路板装置(6；14)上，使得由所述磁体装置的磁场B的改变在每个结构区段对(11)的这两个结构区段(11a、11b)中感应出对称相反的电压和/或电流。由此，一方面涡流和另一方面所述导体电路板及其组件的干扰能通过感应出的电压和电流被避免或者至少被最小化。
Description
技术领域
本发明涉及一种成像设备，所述成像设备包括：在径向上围绕样品空间设置的磁体装置，所述磁体装置用于产生在磁体装置运行期间变化的磁场，所述磁场具有在z方向上的磁场分量；以及在径向上设置在磁体装置之内的电路板装置，所述电路板装置具有导电的导体电路，所述导体电路被划分为多个导体电路区段，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段形成一个结构区段，该结构区段跨占一个表面。本发明也涉及一种用于设计电路板装置的方法和一种这样的电路板装置。
背景技术
在具有电路板装置和变化的磁场的成像设备中的挑战在于，禁止磁体装置和电路板装置的干涉和相互影响。因此，例如在混合成像设备中，两种成像方式的组件不允许相互影响。在正电子发射断层摄像(Positron-Emissions-Tomografie，PET)/磁共振(Magnetresonanz，MR)混合扫描仪中，一方面，PET电子器件组件例如与MR断层摄像机的敏感的磁场相互作用；另一方面，强的MR磁场影响PET电子器件并且因此影响PET数据采集。
然而，为了禁止与变化的磁场(例如梯度线圈的梯度场以及发射和接收线圈的高频场)的相互作用，需要另外的方法。
MR断层摄像机的发射和接收HF线圈与拉莫尔频率相协调并且生成在MHz范围内的磁场B1，所述磁场具有在μT范围内的幅值并且垂直于B0定向，以便激发自旋。由于变化的磁场的高频率而无法防止电场分量的产生。在此，功率达到kW范围并且干扰PET电子器件。
此外，HF线圈能够探测被激发的自旋的非常小的信号，其中，接收信号可以处于μV范围内。因此，MRT发射和接收线圈对噪声非常敏感，并且本身可以探测到最小的(干扰)信号，如果这些信号处于MRT扫描仪的拉莫尔频率范围内的话。因为在现代的PET/MR混合扫描仪中存在大量的电子元件，其中有FPGA、ASIC和在MHz范围内的不同的信号导线，并且在具有宽带噪声的MRT扫描仪中也可能发生PET数据的数字化，所以PET电子器件的发出的信号可能干扰或者完全地叠加HF线圈的接收信号，从而可能无法实现对MR信号的探测。
为了禁止这些相互影响，对本领域技术人员提供已知的屏蔽方法和技术[1、2]，利用所述屏蔽方法和技术可以引起高频信号的屏蔽。
然而，适用于屏蔽发射和接收线圈的高频场的屏蔽措施装置不适合于屏蔽梯度场。
梯度场是静止的磁场，所述静止的磁场可以具有在直至几百mT范围内的场强并且所述静止的磁场的梯度在每米直至几百mT的范围内变化。在检查对象中存在三个叠加的梯度场：x梯度Gx*z(所述x梯度沿着x方向尽可能直线地延伸并且其场分量在z方向上定向)、y梯度Gy*z(所述y梯度沿着y方向尽可能直线地延伸并且其场分量在z方向上定向)和z梯度Gz*z(所述z梯度沿着z方向尽可能直线地变化并且其场分量在z方向上定向)。
具有梯度线圈的梯度线圈装置通常在径向上位于PET环形装置之外。梯度场引起对MRT接收信号的位置编码，其方式为，通过x、y和z梯度的相应的序列编程实现频率和相位编码。正如B0场那样，梯度场能不被视野中的PET组件影响，因为否则干扰MRT图像的位置编码。同样的内容适用于在径向上引入梯度线圈装置之内的所有组件、包括RF发射/接收线圈。
因为梯度场涉及静止的磁场，所以梯度场此外由于基于这些梯度场在能导电的结构上感应电流而可能被改变并且因此被干扰：如果接通和关断梯度线圈(这在每次MRT检查期间发生)，则在所有能导电的结构上和尤其是在导体电路板(PCB)上的较大的导体面和屏蔽装置的屏蔽面上感应出涡流。感应出的涡流本身生成磁场，这与梯度场叠加并且因此干扰相位和频率编码并且因此最终干扰MRT图像的位置分辨率并且此外由于这些涡流可能导致非期望的放热。这对于具有所谓的高“占空比”的MRT序列(例如EPI或者扩散成像)是特别关键的，其中，梯度线圈尽可能快速且频繁相继地以高的梯度幅值接通。在这里，不仅在封闭的表面上出现涡流，而且在导体电路和其它金属的结构上也出现感应电流和电压。涡流问题尤其是出现在具有供电导线的电路板中，因为所述电路板构造为大面积的供电层(Layer)，以便确保稳定的供电电压并且避免电压差。同样地，各层在其它PCB应用中是必要的、例如在构造微波传输导线或者预先给定导线阻抗的导线的情况下。因此，在多种应用中常见的是，在电路板装置上设有大的金属面。然而，在这里出现上述涡流问题。形成的涡流干扰电子器件并且可能导致高的放热，所述高的放热同样可能引起问题或者使更昂贵的且更耗费的冷却机械装置成为必要。
在MRT中和特别是PET/MR系统开发中，由于成本原因而尝试实现尽可能紧凑的设计。MR磁体的直径越小，则用于这种MR系统的价格越低。此外，有利的是，不仅使MRT接收线圈、而且使PET探测器尽可能靠近检查对象，以便实现MRT成像的探测的最优的信噪比和PET成像的高的灵敏度以及同时节省PET探测器。在这种紧凑的成像设备中，具有电子器件和屏蔽的PET探测器靠近检查对象，从而感应电流和电压特别强烈地对MRT图像和PET电子器件产生影响。
为了防止在具有图像干扰和伪影的检查对象中梯度场的干扰性的改变并且同样防止感应电压破坏构件或者损害构件的功能，以及为了防止感应电压耦合到信号导线上，必须使用合适的方法，以便尽量禁止涡流并且以便禁止感应的信号或者电压。
抑制和减小涡流
例如在[1、2]中描述抑制和减小在屏蔽装置的导电表面上的涡流。HF屏蔽通常涉及能导电的层(例如由铜、银或者镀银的铜制成)。为了抑制涡流而嵌入缝隙。所述缝隙在正常情况下电容连接。因为所有梯度场在z方向上定向，在切换梯度时形成具有x和y定向的电场分量。为了尽可能有效地抑制涡流，各缝隙沿着z方向定向，因为电场分量因此垂直于缝隙定向。根据这种方法，缝隙也可以集成到PET屏蔽中。
为了抑制在面状的供电层上的涡流，类似于上述屏蔽装置地，供电层可以设有沿着z方向的缝隙(参见图4)。
[3]描述一种MR兼容的设备，该设备具有HF屏蔽并且同时应抑制涡流。在此，作为HF屏蔽使用网或者穿孔的金属板。
也可能的是，代替由金属制成的屏蔽面而设置由具有较低的电导率的其它材料制成的屏蔽面，以便抑制涡流。在这里，例如可以使用碳作为材料。在公开文献[4]中描述一种HF屏蔽，所述HF屏蔽包括碳纤维增强的层，以便减少涡流。减小的电导率抑制感应电流，然而碳的相对的屏蔽强度也明显更小。因此，为了达到所期望的屏蔽强度，必须设置相对较厚的屏蔽，这引起提高的空间需求。
避免感应电流和电压
为了避免在电路板装置和电气组件上的感应电流和电压，电路板的能导电的材料不能用导电性较差的材料代替，因为在电路板装置中，导体电路的最大导电能力是必要的。防止在PCB信号导线和供电电压导线上的感应电压、电流和耦合的最常见的方法是，在电路板装置上这样设计导体电路的走向(导体电路的布线)，使得不会形成回路。通常，信号导线和供电导线从电路板装置上的特定的开始点(插接连接器)进行布线和配线。非常容易地由此形成例如三角形或者U形的结构，所述三角形或者U形的结构跨占大的表面。如果磁场垂直于电路板并且因此垂直于导线和被跨占的表面，这导致在信号导线和供电导线上的明显的耦合和感应电压和电流，由此，电子器件可能被显著地干扰或者电子结构元件和组件甚至可能被损坏或者破坏。因此，电路板通常平行于磁性的梯度场定向并且因此沿着z方向定向。例如，在[5]中公开，在核磁共振设备中可能存在屏蔽装置，所述屏蔽装置包括具有关于z轴线轴对称的连续的缝隙的导电层。
只要电子器件位于所有梯度场沿着z方向定向的区域中，涡流问题和与感应电流相关的问题可以通过上述措施解决。然而，由于尤其是在混合式扫描仪中所期望的紧凑的设计，PET组件在大多数情况下非常靠近梯度线圈地放置。特别是，电路板非常靠近x和y梯度线圈系统的线圈。在这些位置上，梯度的磁场不具有沿着z方向的场走向。因此，场线在这些位置上具有x和y分量。这造成场线直接穿过放置在那里的电路板。因此产生梯度场Gx*x、Gxy、Gy*x和Gy*y。在z梯度的边缘上和在z梯度线圈系统之外同样可能存在场分量Gz*x和Gz*y。因此，必须继续使用上述方法(如将沿着z方向的缝隙引入电路板)；但是，这些缝隙在所提到的靠近x和y梯度线圈系统的位置上仅还抑制在z梯度线圈系统之内的z梯度场分量。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种成像装置，在所述成像装置中，一方面由梯度场沿着z方向产生的涡流和另一方面导体电路板及其组件的干扰通过由具有x和y场分量的梯度场感应出的电压和电流来避免或者至少被最小化。
根据本发明，该目的通过一种根据本申请的成像设备、一种根据本申请的用于设计电路板装置的方法和一种根据本申请的电路板装置来实现。
本发明涉及一种成像设备，包括：
a.在径向上围绕样品空间设置的磁体装置，所述磁体装置用于产生在所述磁体装置运行期间变化的磁场B，所述磁场具有在z方向上的磁场分量，
b.在径向上设置在所述磁体装置之内的电路板装置，所述电路板装置具有导电的导体电路，所述导体电路被划分为多个导体电路区段，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段形成一个结构区段，该结构区段跨占一个表面，
其中，对于每个导体电路，每两个结构区段形成一个结构区段对，所述导体电路设置在所述电路板装置上，使得通过改变所述磁体装置的磁场B在每个结构区段对的这两个结构区段中感应出对称相反的电压和/或电流，其中，所述导电的导体电路涉及用于电压供给的面状的供电导体电路。
根据本发明，对于每个导体电路，每两个结构区段形成一个结构区段对，其中，导体电路这样设置在电路板装置上，使得通过改变所述磁体装置的磁场在每个结构区段对的这两个结构区段中感应出对称相反(gegengleich)的电压和/或电流。
多个相邻的导体电路区段分别形成一个结构区段，其中，每个结构区段跨占一个几何表面。“由结构区段跨占的表面”可理解为如下表面，所述表面被相应的结构区段的导体区段和结构区段的端部的直接连接所包围。在结构区段之内，各导体电路区段要么全部相互围成<180°的正角或者全部相互围成>180°的负角。
本发明的基本构思在于，这样选择导体电路的几何走向，使得由磁场改变感应出的电压和电流尽可能相互抵消。于是根据本发明，对于被一个结构区段跨占的每个表面存在被另外的结构区段跨占的相反“定向”的表面；亦即，一个结构区段的导体电路区段相互围成角度α，而另外的结构区段的导体电路区段相互围成角度-α。两个相反定向的结构区段形成一个结构区段对，只要感应电压/电流在数值上相似大小，亦即在数值上少于20％地相互偏离。为此，有利的是，结构区段选择得尽可能小，以便由于通过磁体装置生成的磁场的可能存在的非均匀性使相邻的结构区段的感应电流/电压在数值上不太强烈地变化。
导体电路区段优选直线地延伸，其中，至少两个相互邻接的直线的导体电路区段彼此成角度地设置。
相邻的结构区段共享至少一个导体电路区段，亦即，对于一个结构区段包括n个导体电路区段的情况，2n-1个导体电路区段形成两个结构区段。不平行于z轴线定向的且不形成导体电路的始端或者末端的每个导体电路区段是两个结构区段的部分。
优选地，在每个结构区段中，至少两个导体电路区段关于z方向倾斜地定向。
形成结构区段对的各结构区段优选紧密地并排地设置。因此，在一种优选的实施方式中，一个结构区段对的结构区段共同具有至少一个导体电路区段。因此，结构区段对的结构区段于是涉及共享导体电路区段的“相邻”的结构区段。
优选地，导体电路包括多个具有相同的几何结构的结构区段对。因此，所述导体电路以均匀的间距具有在z方向上重复的几何结构。
在一种特别优选的实施方式中，所述导体电路在电路板装置上锯齿状地延伸。在这种情况下，每个结构区段包括两个导体电路区段并且跨占一个三角形面。这种的三角形结构可以简单地计算并且容易地在电路板装置上实现。
在根据本发明的成像设备的一种特别优选的实施方式中，结构区段的导体电路区段关于所述z方向成30°至60°、理想地为±45°的角度地定向。导体电路越多地偏离于在z方向上的定向，则涡流可能越强烈地在x和y方向上扩散。然而，如果导体电路的定向仅少量地偏离z方向，则这具有如下几何上的后果，即，由结构区段跨占更大的表面。由此，使感应电压提高并且在电路板之内发生更大的电压偏移，然而，这应尽可能禁止。相对于z方向的±45°的定向被证明为良好的折衷，该折衷提供非常良好的结果。
为了降低出现的涡流的高度，可以减小导体电路区段的长度并且提高导体电路区段和结构区段的数量。
优选地，由结构区段对的结构区段跨占的表面具有相同的形状和相同的面积。然而，结构区段对的表面关于z方向在相反的方向上“定向”，从而在所述结构区段对的结构区段中的磁场改变时感应出相同数值但是不同的符号的电压。优选地，结构区段的各导体区段同样长。一个结构区段的导体区段优选与z方向围成对称相反的角度。
导体电路优选这样设置(“布线”)，使得在由结构区段跨占的表面位于由在导体电路(所述导体电路不仅在z方向上而且在垂直于z方向的方向上彼此间隔开)的起点与终点之间的简单L形连接限定的矩形的区域中。如果被布线的区域(导体电路在所述区域之内被引导的区域)超出对于简单的L形连接的必要的区域，则感应表面不必要地大。这可能会导致问题，因为由此提高在单个结构区段之内的感应电压并且局部的电位偏移可能影响位于电路板装置上的电子器件。这意味着，尽管存在锯齿状的走向，在“布线”时应该使导体电路的路线最小。因此，导体电路应尽可能直接地连接两个接结点(起点、终点)，理想地仅具有结构区段对。
导电的导体电路优选涉及用于传输电信号的信号导线和/或用于电压供给的面状的供电导线。
信号导线涉及非差分的信号导线。差分的信号导线理解为被平行地引导的两条导线，以便通过形成差分消除在所述导线中感应出的干扰。根据本发明，为了传输信号仅使用一条信号导线(即，非差分的信号导线)，这导致材料节省。通过根据本发明的布线消除感应出的干扰。
如果将供电导线用作高频屏蔽，则有利的是，用导体电路材料(例如铜)覆盖整个电路板面(供电层)。尽管如此，为了能够有效地衰减由交变磁场引起的涡流，对铜面开缝。于是，供电层包括多个相互连接的导体电路。在供电层的导体电路的宽度方面，必须找到折衷：一方面应使供电层的导体电路尽可能窄，以便仅感应出小的涡流；另一方面，这在生产技术上意味着额外耗费。此外，如果存在过多缝隙，则在导体电路之间存在电容耦合。典型地，供电层的导体电路的条带宽度选择为小于10至15mm。
在根据本发明的成像设备的一种特别优选的实施方式中，电路板装置是多层的。所述导体电路区段优选至少部分地在多个电路板层上延伸。在此，所述导体电路区段越过敷镀通孔延伸，所述两个电路板层通过所述敷镀通孔相互电连接。这在用于电压供给的面状的供电导线的情况下尤其是重要的，因为所述供电导线如上所述通常在电路板装置的整个面上延伸，以便在整个电路板装置上产生稳定的供电网络。但是，因为各结构区段会重叠，所以利用单个电路板层无法实现构造连续的电连接的面。由于设有两个电路板层，相互重叠的导线部段可以设置在不同的电路板层(层面)上。如果电路板装置的整个面被结构区段覆盖，则面状的供电导线也可以用作HF屏蔽。
一种特定的实施方式规定，至少在电路板层中的一个电路板层上不仅设置有用于电压供给的面状的供电导线而且设置有至少一个信号导线。因此，具有面状的导体电路区段的电路板层可以用作信号导线的高频屏蔽。
优选地，所述磁体装置涉及MRI或者MPI成像装置的梯度系统。磁场以典型的梯度频率改变，所述典型的梯度频率小于100kHz。
优选地，所述电路板装置包括发射断层摄像电子器件、尤其是PET电子器件或者单光子发射计算机断层摄像(Einzelphotonen-Emissions-Computertomografie，SPECT)电子器件。
所述成像设备也可以包括要安装在待检查的对象上的装置(例如头载式耳机)，其中，所述电路板装置是要安装在待查的对象上的装置的部分。
在一种特别优选的实施方式中，所述成像设备是混合成像设备，所述混合成像设备一方面包括磁共振成像(MRT)或者磁性粒子成像(MPI)装置并且另一方面包括发射断层摄像(ET)装置。
本发明也涉及一种用于设计电路板装置的方法，所述电路板装置用于根据前述的成像装置中，其中，电路板装置包括导电的导体电路，所述导电的导体电路被划分为多个导体电路区段，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段形成一个结构区段，该结构区段跨占一个表面。根据本发明，这样选择在电路板装置上的导体电路的几何走向，使得每个导体电路具有分别包括两个结构区段的结构区段对，在所述两个结构区段中，通过改变所述磁体装置的磁场感应出对称相反的电压和电流。
优选地，将导体电路区段的长度和所述导体电路区段相对于z方向定向的角度用作用于设计电路板装置的参数。导体电路区段的长度和角度(导体电路区段相对于z方向以所述角度定向)确定由相应的结构区段跨占的平面的形状。
在梯度特别强的情况下，在跨占大的表面时或者在不具有直线走向的磁场的情况下，可能的是，磁场的场强在该位置上强烈地变化。这造成，即使对于跨占相同表面的结构区段，感应电压也不同地形成。在信号导线较长且被跨占的表面较大的情况下，这些差异平均来说应得到平衡。然而，可能存在局部的差异，所述局部的差异可能局部地影响电特性。因此，根据本发明的方法的一种优选的变型方案规定，根据成像设备的磁场走向和/或梯度场走向来确定由各个的结构区段跨占的各表面的尺寸和/或几何形状。通过将变化的磁场的走向(例如在MRT和MPI应用中的梯度场走向)包含在导体电路区段的布置中可以减少上述影响。如果通过模拟或者测量已知梯度场走向，则可以这样适配导体电路的走向，使得通过结构区段跨占的表面的尺寸来补偿场强差异。
本发明也涉及一种电路板装置，所述电路板装置根据先前所描述来设计，以使用在先前描述的成像设备中。
从说明书和附图中得出本发明的另外的优点。同样地，以上提到的以及还进一步说明的特征根据本发明分别单独地或者多个以任何组合的方式使用。示出和描述的实施方式不应理解为封闭性的列举，而是更确切地说具有用于描述本发明的示例性的特性。
附图说明
图1示出MR-PET混合成像设备的横剖视图。
图2示出具有L形布线的信号导线的根据现有技术的电路板装置。
图3示出具有锯齿形布线的信号导线的根据本发明的电路板装置。
图4示出具有面状的供电导线的根据现有技术的电路板装置。
图5a示出根据本发明的、具有面状的供电导线的多层电路板装置的第一电路板层。
图5b示出根据本发明的、具有面状的供电导线的多层电路板装置的第二电路板层。
图6示出在图5a、b中示出的电路板装置的面状的供电导线的叠加的示图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的成像设备，所述成像设备具有MR装置和PET装置。所述MR装置包括具有纵轴线z的磁体装置。所述磁体装置包括RF谐振器结构1以及用于产生变化的磁场(梯度场)的梯度线圈系统2和用于产生静态磁场的主磁体3。PET装置与磁体装置共轴地设置并且包括闪烁晶体4、用于探测在闪烁晶体4中产生的光子的光传感器5(具有多个传感器元件)以及具有PET电子器件的电路板装置6。所述电路板装置6在径向上设置在梯度线圈系统2与RF谐振器结构1之间。
图2示出根据现有技术的电路板装置6’，所述电路板装置具有信号导线7a’、7b’，所述信号导线分别使电子构件8a、8b与插接连接器9相连接。根据结构元件8a、8b相对于插接连接器9的布置，信号导线7a’、7b’无法总是平行于z方向延伸。尤其是当信号导线7a’、7b’必须在其它构件周围布线时，例如形成L形或者U形的结构。因此，信号导线7a’例如无法直接从插接连接器引导至电子构件8a，因为所述信号导线必须在另外的电子构件8b周围引导。因此，信号导线7a’L形地从插接连接器9延伸至电子构件8a并且在此跨占(aufspannen)表面A’。当穿过电路板装置的磁场B改变时，由信号导线7a’跨占的表面A’可能已经导致在信号导线7a’上的感应电压和电流，所述感应电压和电流可能影响信号、使信号叠加、干扰信号或者甚至损坏组件。可以简单地扭绞电缆以避免这些干扰影响，而这在以导体电路形式的信号导线的情况下仅能受限地实现：在电路板上的“双绞线布线”总是仅能应用到两个或者非常少的信号导线上并且电路板层的数量也是受限的。如果导体电路在电路板平面上彼此相对扭绞，这也并不意味着U形或者L形的结构被禁止。因此，即使在这样的信号导线中，也保持有感应电流。差分的信号传输、例如“低电压差分信号技术”(Low VoltageDifferential Signaling，LVDS)可以为信号导线布线提供补偿。然而，不是总能实现或者符合期望地使用差分的信号传输、尤其在模拟导线中。
图3示出根据本发明的电路板装置6，利用所述电路板装置可以解决该问题。由于清晰性，在这里仅示出电子构件8a。电子构件8a通过导体电路7a与插接连接器9电连接。导体电路7a锯齿形地从插接连接器9延伸至电子构件8a并且被划分成多个导体电路区段10，其中，每两个导体电路区段10形成v形的结构区段11a、11b。除了两个外部的导体电路区段(起始区段和终止区段)之外，每个导体电路区段10是两个结构区段11a、11b的部分。每个结构区段11a、11b跨占一个三角形表面A1、A2，其中，在图3中的三角形表面A1向下敞开(定向)，亦即朝下不受导体电路7a限制，而在图3中的三角形表面A2向上敞开(定向)，亦即朝上不受导体电路7a限制。虽然根据本发明的导体电路布线首先提高有助于感应的表面A1、A2的总尺寸。然而，由于锯齿形布线，表面A1、A2这样设置，使得形成同样尺寸的相邻的三角形表面A1、A2，所述三角形表面以均匀的间距重复。在此，每两个三角形表面A1、A2(在示出的示例中，两个相邻的结构区段11a、11b的三角形表面)如以上所述地彼此相对地定向，即形成倒置的结构。因此，当磁场B改变时，通过一个结构区段11a产生感应电压Ui1，所述感应电压导致感应电流Ii1，而通过相邻的结构区段11b产生感应电压Ui2，所述感应电压导致感应电流Ii2。因为由所述两个结构区段11a、11b跨占的三角形表面的面积A1、A2一样大并且相反地定向，所以适用Ui1＝-Ui2和Ii1＝-Ii2。因此，产生的感应电压和电流抵消。所述两个结构区段11a、11b形成结构区段对11。因此，对于整个导体电路能够防止具有x和y分量的梯度场的耦合。
在具有面状的供电导线的电路板装置中，附加有另外的难度：供电导线构成供电层，所述供电层覆盖大的表面，在大多数情况下覆盖多层电路板的整个表面。然而，在大的金属表面上可能构成强的涡流。为了避免这一点，在由现有技术中已知的电路板装置中，将平行于z方向的缝隙引入到供电层中。图4示出根据现有技术的这样的电路板装置，所述电路板装置具有面状的供电导线12’，所述供电导线通过缝隙13’相互分隔开并且形成供电层。通过插接连接器9可以将电压施加到所述供电层上。缝隙13’不完全在电路板装置上延伸，因为必须提供用于供应网络传播的电触点。因此，在图4中示出的四个供电导线12’通过供电层的右边的边缘相互电连接。由此，供电导线12’从在电路板装置14’的左上角中的点P1至电路板装置的左下角中的点P2形成U形的结构。这意味着，在磁场改变ΔB时(例如在接通梯度线圈系统)时，沿着该U形结构施加感应电压。该感应电压可能影响、干扰或者甚至损坏电子构件。
此外，可能的是，尤其是当例如以不同的电压给前置放大器供电时，所述感应电压被传输到可能存在的信号导线上。也可能发生经由信号导线或者其它电子构件的其它的耦合机制。如果假设横穿电路板装置14’的磁场梯度ΔB在10mT的范围内，因此能够如下地估计感应电压。所述感应电压的值根据感应和安培匝数定律用以下公式计算：U＝ΔB/Δt*A。如果假设梯度的上升时间Δt为0.2ms并且例如假设供电层的面积A为0.38*0.025m2，则产生475mV的感应电压U。根据电路板装置14’的位置、梯度场的梯度强度和上升时间，也能感应出明显更高的电压。因为感应面的尺寸主要由点P1和P2来定义，所以不能简单地通过使缝隙13’在供电层中沿其它方向延伸来防止在供电导线12’中的感应电压。如果缝隙13’例如全部三角形地延伸而不是直地延伸，则点P1和P2仍然通过在供电层的右侧上的侧向的连接来保持连接。因此，在这两个电位点P1、P2之间的起感应作用的面积于是将不会改变。
然而，先前根据信号导线描述的根据本发明的导体电路布线仍然也可以应用到供电层的设计上。为此，根据本发明的电路板装置双层地设计。图5a和5b分别示出根据本发明的这种电路板装置14的电路板层14a、14b，在该电路板装置中，不仅可以降低涡流而且可以降低感应电压。供电层设有倾斜的缝隙13，所述缝隙将供电层划分为基本上条状的部段15a、15b以及锯齿状的部段15c。第一电路板层14a的部段15a、15c通过敷镀通孔(Durchkontaktierung)16与第二电路板层14b的部段15b电连接。如果在图5a、5b中遵循沿着部段15a、15b和敷镀通孔的电连接，则示出：部段15a、15b形成在整个电路板上延伸的具有三角形结构的供电导线12。
不同于在图4中示出的电路板装置，在这里所述供电导线12这样布线，使得一方面所述供电导线锯齿形地延伸并且另一方面缝隙13(在两个电路板层14a、14b上观察)在电路板装置的整个长度上延伸。在图5a、5b中，示出的供应导线12中的三条示例性地划阴影线地示出，其中，划阴影线的供电导线中的两条在两个电路板层14a、14b上布线并且包括部段15a、15b。划阴影线的第三供电导线12由锯齿形的部段15c组成并且仅在第一电路板层14a上延伸。
通过在多个电路板层14a、14b上的布线实现，供电导线12可以在电路板装置的整个长度上跨占相对的表面。
由图5a明确的是，供电层占据整个电路板区域(扣除缝隙13)并且供应网络因此可以在整个电路板层14a上传播。因为为了构建三角形结构无需占用整个下方的电路板层14a，不需要的区域(在图5b中黑色地示出)被空出。在那里，例如可以将信号导线以三角形结构布线(如在图3中示出的那样)或者添加具有三角形结构的连续的附加的供电导线，以便获得两个完整的被供应网络占用的电路板层14a、14b。于是，这两个电路板层14a、14b可以用于，在位于所述电路板层之间的一个或者多个电路板层中屏蔽信号导线。
图6以叠加的示图示出根据本发明的电路板装置14，所述电路板装置具有所述两个电路板层14a、14b。在这里能够良好地看出导体电路12的三角形结构(供电导线12已示例性地划阴影线)。供电电路12锯齿状地延伸并且被划分成多个导体电路区段10，其中，类似于在图3中示出的信号导线7a，每两个导体电路区段10形成跨占三角形表面的V形的结构区段11a、11b。第一电路板层14a的缝隙13实线地示出，第二电路板层14b的缝隙虚线地示出。在第一电路板层14a的部段15a与第二电路板层14b的部段15b重叠处，供应电路12又被布线到电路板装置14的相应另外的电路板层14a、14b上。
在图5a、5b、6中示出的在多个电路板层上的布线能实现：在整个电路板装置14上设置有结构区段对11a、11b，其中，不同的导体电路12的结构区段11a、11b在到电路板面上的投影中逐段地重叠。重叠的部段15a、15b设置在不同的电路板层14a、14b上。这意味着，虽然需要附加的电路板层14b并且因此需要提高的材料耗费；然而，该附加的电路板层14b可以用作用于设置在所述两个电路板层之间的信号导线的附加的高频屏蔽。
图3或5a、5b示出具有直角的结构区段11a、11b的导体电路7a、12的锯齿形的走向，其中，各导体区段相对于z方向倾斜了45°。然而，导体电路7a、12的示出的这种走向仅是特定的示例，该示例具有如下优点：该示例能容易地实现，因为在电路板装置6、14上的布线和计算简单地进行。例如也可设想其它的结构、例如曲折形的矩形结构或者梯形结构、正弦形的结构以及非等腰的三角形结构。同样地，导体电路区段10相对于z方向的定向原则上可以偏离45°。与具有其它角度的三角形结构的偏差能够根据应用是有意义的，例如，在梯度非常强的情况下和梯度在场走向上非常强烈地变化的区域中能够有意义的是，结构区段形成具有较高角度的较小的三角形。
然而，在图3、5a、5b中示出的导体电路结构由于以下原因而构成一种特别优选的实施方式：上面已经阐述了，如果电路板面同样平行于z方向定向，则根据电路板装置的放置而引入平行于z方向的缝隙13’抑制由于在x方向和y方向上的场分量引起的涡流效应。与严格地平行于z方向的缝隙定向偏离得越多，则涡流在x和y方向上可能扩散得越强。测量已经表明，在导体电路区段相对于z方向45°定向时出现的涡流仍然足够小。然而，如果应出现过强的涡流，则作为逆向控制的措施可以提高缝隙的数量或者减小缝隙间距。
在使用相对于z方向小于45°的角度(扁平的角)来定向导体电路区段时，所述结构区段跨占大的表面。由此提高感应电压。这导致在电路板装置之内的较大的电压偏移，这应该尽可能禁止。此外，梯度场根据x-y-z位置而变化。因此，结构区段对11的结构区段11a、11b(所述结构区段对的感应电流/电压基本上相互抵消)应该总是尽可能小并且紧密并排地选择。
本发明的基本构思基于，在电路板装置6、14a中集成几何的表面，所述几何的表面这样构造，使得感应出相互抵消的相反的电流或者电压。可以用各种任意的表面结构来实现这种构思。在此，表面A1、A2在其最简单的实现方式中总是应该被相反地跨占并且所述导体电路的结构区段相同但是分别倒置地构造。这在技术上能最简单地实现，因为由结构区段11a、11b跨占的表面仅必须镜像，并且这在现代的布线程序中能简单地实现。
在特定的情况下，在布线时可能需要偏离常规的倒置的结构。如果构件或者其它物体打断常规的布线，例如可以是这种情况。各结构区段无须具有相同的形状，即使所述结构区段能更快且更简单地实现。决定性的是，各结构区段关于z方向相反地定向并且引起对称相反的感应电压/感应电流。当结构区段跨占相同的(或者大致相同的)表面时，通常情况如此。例外在于：特别强烈的梯度场改变/磁场改变、跨占大的表面或者不具有直线走向的磁场。在这种情况下，变化的磁场的走向应该同时被一同包含在布线中。这可能导致，由结构区段对的结构区段跨占的表面具有不同尺寸但是仍然引起对称相反的感应电压。
电路板装置的根据本发明的设计方案不仅涉及PET电子器件的电路板装置，而且可以应用到成像设备内部或者梯度场(例如MRI成像设备或者MPI成像设备)内部的所有的电子器件上。此外，所述设计方案可以应用到快速切换(100Hz-100kHz)的磁场中的所有电子器件上。所述设计方案尤其是为非差分的导线提供一种使感应电压和电流最小化的实现可能性。
本发明的出发点在于，由于在开头提到的原因，只要必须在电路板装置中引入缝隙，就不可能做到在供电导线中没有感应电压。同样地，无法防止在(非差分的)信号导线上的在U形和L形的结构中的感应电压和电流。尽管如此，为了使感应出的干扰保持尽可能小，本发明规定，供电导线和信号导线这样布线，使得所述供电导线和信号导线形成如下多个结构区段，在所述结构区段中，感应电压和电流沿着同一方向经过。于是，这些结构区段沿相反的方向交替地构造，从而感应电压和电流沿着整个信号电路或者供电导线相互抵消。
附图标记列表
1 谐振器结构
2 梯度线圈系统
3 主磁体
4 闪烁晶体
5 光传感器
6 根据本发明的电路板装置
6’ 根据现有技术的电路板装置
7a 根据本发明的信号导线(导体电路)
7a’、7b’根据现有技术的信号导线
8a、8b电子构件
9 插接连接器
10 导体电路区段
11a、11b结构区段
11 结构区段对
12 根据本发明的供电层(导体电路)
12’ 根据现有技术的供电层(导体电路)
13 在根据本发明的供电层中的缝隙
13 在根据现有技术的供电层中的缝隙
14 根据本发明的多层的电路板装置
14’ 根据现有技术的电路板装置
14a、14b根据本发明的多层的电路板装置的电路板层
15a、15b、15c导体电路部段
16 敷镀通孔
A’ 由信号导线7a’跨占的表面
A1 由结构区段11a跨占的表面
A2 由结构区段11b跨占的表面
B 变化的磁场(例如梯度线圈系统的梯度场)
z 磁场线圈系统的纵轴线
参考文献列表
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[4]WO 2017186687
[5]DE 10 2005 033 989
Claims (16)
1.成像设备，包括：
a.在径向上围绕样品空间设置的磁体装置，所述磁体装置用于产生在所述磁体装置运行期间变化的磁场B，所述磁场具有在z方向上的磁场分量，
b.在径向上设置在所述磁体装置之内的电路板装置(6；14)，所述电路板装置具有导电的导体电路(7；12)，所述导体电路被划分为多个导体电路区段(10)，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段(10)形成一个结构区段(11a、11b)，该结构区段跨占一个表面(A1、A2)，
其特征在于，
对于每个导体电路(7；12)，每两个结构区段(11a、11b)形成一个结构区段对(11)，所述导体电路(7；12)设置在所述电路板装置(6；14)上，使得通过改变所述磁体装置的磁场B在每个结构区段对(11)的这两个结构区段(11a、11b)中感应出对称相反的电压和/或电流，其中，所述导电的导体电路(7；12)涉及用于电压供给的面状的供电导体电路(12)。
2.根据权利要求1所述的成像设备，其特征在于，在每个结构区段(11a、11b)中，至少两个导体电路区段(10)关于z方向倾斜地定向，并且所述导体电路与z轴线围成的角度的符号在所述导体电路的走向上至少改变一次。
3.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，一个结构区段对(11)的各结构区段(11a、11b)共同具有至少一个导体电路区段(10)。
4.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，所述导体电路锯齿状地在所述电路板装置(6；14)上延伸。
5.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，一个结构区段(11a、11b)的各导体电路区段(10)关于所述z方向成30°至60°的角度地定向。
6.根据权利要求5所述的成像设备，其特征在于，一个结构区段(11a、11b)的各导体电路区段(10)关于所述z方向成±45°的角度地定向。
7.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，由一个结构区段对(11)的结构区段(11a、11b)跨占的各表面(A1、A2)具有相同的形状和相同的面积。
8.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，所述电路板装置(14)是多层的，并且所述导体电路区段(10)至少部分地在多个电路板层(14a、14b)上延伸。
9.根据权利要求8所述的成像设备，其特征在于，至少在所述电路板层中的一个电路板层(14b)上不仅设置有用于电压供给的面状的供电导体电路(12)而且设置有至少一个信号导线。
10.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，所述磁体装置是MRI或MPI成像设备的梯度系统(2)。
11.根据权利要求1或2所述的成像设备，其特征在于，所述电路板装置(6；14)包括发射断层摄像电子器件。
12.根据权利要求11所述的成像设备，其特征在于，所述电路板装置(6；14)包括PET或SPECT电子器件。
13.用于设计电路板装置(6；14)的方法，所述电路板装置用于根据权利要求1至12中任一项所述的成像设备中，所述电路板装置(6；14)包括导电的导体电路(7；12)，所述导体电路被划分为多个导体电路区段(10)，其中，至少两个相互邻接的导体电路区段(10)形成一个结构区段(11a、11b)，该结构区段跨占一个表面(A1、A2)，
其特征在于，
选择在所述电路板装置(6；14)上的导体电路(7；12)的几何走向，使得每个导体电路(7；12)具有分别包括两个结构区段(11a、11b)的结构区段对(11)，通过改变所述磁体装置的磁场B在所述两个结构区段中感应出对称相反的电压和电流，其中，所述导电的导体电路(7；12)涉及用于电压供给的面状的供电导体电路(12)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述导体电路区段(10)的长度和所述导体电路区段(10)相对于z方向定向的角度用作用于设计所述电路板装置(6；14)的参数。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，根据所述成像设备的磁场走向和/或梯度场走向来确定由各个结构区段(11a、11b)跨占的各表面(A1、A2)的尺寸和/或几何形状。
16.电路板装置，所述电路板装置按照根据权利要求13至15中任一项所述的方法设计，所述电路板装置用于在根据权利要求1至12中任一项所述的成像设备中。
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