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Die
Erfindung betrifft eine Empfangseinheit für einen Magnetresonanztomographen.
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In
Magnetresonanztomographen werden während einer Sendephase zu untersuchende
Objekte, z. B. Körpergewebe
eines Patienten, durch eine Erregereinheit auf atomarer Ebene resonant
angeregt. Hierzu werden elektromagnetische Felder extrem hoher Feldstärken benutzt.
In einer sich an die Sendephase anschließenden Empfangsphase strahlen
die angeregten Bereiche des zu untersuchenden Objekts elektromagnetische
Resonanzsignale aus, die um viele Größenordnungen kleinere Feldstärken als
die Erregersignale besitzen. Die Resonanzsignale werden von einer
Empfangseinheit des Magnetresonanztomographen aufgenommen und in
Bildinformationen umgerechnet.
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Zur
Aufnahme der äußerst schwachen
Signale während
der Empfangsphase sind in den Empfangseinheiten des Magnetresonanztomographen verschiedene
Lokalspulen vorhanden, deren Signale über HF-Vorverstärker verstärkt und
zu einer Auswerteeinheit weitergeleitet werden. Entsprechende HF-Vorverstärker sind
für die äußerst geringen,
von der Lokalspule kommenden Spannungen ausgelegt.
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Während der
Sendephase empfängt
eine Lokalspule statt des Resonanzfeldes das um viele Größenordnungen
größere erregende
elektromagnetische Feld, weshalb an ihrem Ausgang um Größenordnungen
höhere
Spannungen auftreten. Um den empfindlichen HF-Vorverstärker vor
diesen Spannungen zu schützen,
sind seinem Eingang Schutzdioden, zumeist so genannte PIN-Dioden
parallel geschaltet. Während
der Sendephase wird die PIN-Diode bestromt und wirkt als HF-technischer
Kurzschluss, um den Vorverstärker
vor Zerstörung
zu schützen
und gleichzeitig zu verhindern, dass sich in der Lokalspule ein
unzulässig
hoher Resonanzstrom aufbaut. Ein derartiger Resonanzstrom könnte beim Patienten
zu schweren Verbrennungen führen
oder im Magnetresonanztomographen für unerwünschte Resonanzaufspaltungen,
d. h. Verstimmung der Einzelresonanzen der Erreger- und Lokalspulen
führen.
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Während der
Empfangsphase wird die PIN-Diode mit einer Sperrspannung versehen,
so dass sie bezüglich
der zu empfangenden HF-Signale möglichst
unwirksam bleibt.
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Diodenstrom
und Diodensperrspannung werden bisher über eine separate Leitung bzw.
ein separates Koaxialkabel vom Außenbereich bzw. feldfreien
Bereich in den Innenbereich, also zum Ort der Lokalspule bzw. PIN-Diode
im Starkfeldbereich des Magnetresonanztomographen geführt. Hierbei
besteht das Problem, dass sich entlang sämtlicher Leitungen, die vom
Inneren des Magnetresonanztomographen nach Außen führen, gefährliche Mantelwellen längs dieser
Leitungen ausbreiten können.
Mantelwellen gefährden
ebenfalls den Patienten durch Hautverbrennungen oder machen durch
unkontrollierte Rückkopplungen über die
Lokalspule den Vorverstärker
funktionsunfähig.
Entlang sämtlicher
aus dem Inneren des Magnetresonanztomographen führender Leitungen sind deshalb
aufwendige Mantelwellensperren angeordnet, die Ausbreitung von Mantelwellen
verhindern.
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Aus
der
JP 2001-070
277 A ist z. B. eine Empfangseinheit eines Magnetresonanztomographen
bekannt, bei der die Ansteuerung einer PIN-Diode über eine
separate Leitung vom Außen- zum Starkfeldbereich
erfolgt. An dieser Leitung müssen aufwendige
und teure Mantelwellensperren vorgesehen werden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Magnetresonanztomographen
zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch eine Empfangseinheit für
einen Magnetresonanztomographen mit einem, mit seinem Signaleingang
an eine Lokalspule angeschlossenen HF-Vorverstärker, wobei zum Signaleingang
eine PIN-Diode parallel geschaltet ist, und wobei ein Versorgungsspannungsanschluss
des HF-Vorverstärkers an
eine Gleichspannungsquelle anschließbar ist. Die Empfangseinheit enthält einen
Versorgungsknoten, der mit dem Versorgungsspannungsanschluss, der
PIN-Diode und einem Umschalter zum wechselweisen Anschluss des Versorgungsknotens
an die Gleichspannungsquelle oder eine Gleichstromquelle verbunden
ist.
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Während der
Empfangsphase muss der HF-Vorverstärker mit Gleichspannung versorgt
werden und während
dieser Zeit ist die PIN-Diode mit einer Sperrspannung zu beaufschlagen.
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Der
Umschalter befindet sich deshalb während der Empfangsphase in
einer Position, in der die Spannungsquelle mit dem Versorgungsknoten
und somit mit dem Versorgungsspannungsanschluss verbunden ist, so
dass der HF-Vorverstärker
arbeitet. Der Signaleingang dient zur Aufnahme eines z. B. von einem
Anschluss der Lokalspule kommenden zu verstärkenden elektrischen HF-Signals.
An ihrem anderen Ende ist die Lokalspule dann geerdet. Die PIN-Diode
ist dann mit einem Diodenanschluss ebenfalls geerdet und der andere
mit dem signalführenden
Anschluss der Lokalspule und so mit dem Signaleingang des HF-Vorverstärkers verbunden.
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Da
die PIN-Diode ebenfalls mit dem Versorgungsknoten verbunden ist,
ist diese ebenfalls mit Gleichspannung versorgt. Die Polung der
PIN-Diode und die Gleichspannung sind so gewählt, dass die Gleichspannung
in Sperrrichtung an der PIN-Diode anliegt.
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In
der Empfangsphase erfüllt
auch die PIN-Diode somit in bekannter Weise ihren Zweck, in dem
sie nämlich
durch Versorgung mit einer Sperrspannung HF-technisch möglichst
unwirksam bleibt und die Signalqualität der von der Lokalspule empfangenen
schwachen elektrischen Signale so wenig wie möglich beeinflusst.
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Eine
Anpassung von Diodensperrspannung und Betriebsspannung des HF-Vorverstärkers kann z.
B. durch die Wahl eines geeigneten Verstärkers oder einen einfachen
Vorwiderstand bzw. Spannungsregler am Verstärker erfolgen.
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Da
zur Versorgung des HF-Vorverstärkers mit
Gleichspannung bereits ein entsprechender Pfad im Magnetresonanztomographen
bzw. der Empfangseinheit bestehen muss, wird dieser nun ebenfalls
zur Versorgung der PIN-Diode mitbenutzt. Die separate Zuführungsleitung
zur Versorgung der PIN-Diode mit Gleichspannung entfällt und
hierdurch die aufwendigen Maßnahmen
zur Unterdrückung
von Mantelwellen etc. Die Versorgungseinheit und damit der gesamte
Magnetresonanztomograph wird einfacher und kostengünstiger
und durch die eingesparte Zuführungsleitung
die gesamte Signalqualität
verbessert.
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Die
Erfindung geht weiterhin von der Erkenntnis aus, dass während der
Sendephase, in der die PIN-Diode zu bestromen ist, der HF-Vorverstärker nicht
benötigt
wird. Deshalb muss dieser auch nicht mit Versorgungsspannung versorgt
sein, weshalb die Umschaltung des Versorgungsknotens von der Spannungsquelle
auf eine Stromquelle erfolgt.
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Am
Versorgungsknoten wird also während der
Sendephase ein Gleichstrom eingespeist, der die PIN-Diode in Durchflussrichtung
bestromt.
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Durch
die bestromte PIN-Diode werden in bekannter Weise der Signaleingang
des HF-Vorverstärker
geschützt
und unzulässig
hohe Resonanzströme
in der Lokalspule vermieden.
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Die
ohnehin bereits von der Spannungsquelle zum Versorgungsknoten führende vorhandene
Zuführungsleitung
für die
Versorgungsspannung wird also auch im Zeitmultiplex zur Zuführung eines
Sperrstromes für
die PIN-Diode verwendet. So benötigt
die PIN-Diode auch in der Sendephase keine separate Zuführungsleitung,
was auch dann zu den oben genannten Vorteilen führt.
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Für eine handelsübliche PIN-Diode,
die in Durchflussrichtung bestromt ist, entsteht so am Versorgungsspannungsanschluss
des HF-Vorverstärkers
ein negatives Potential. Der Verstärker arbeitet also nicht. Es
kann entweder ein Verstärker
gewählt werden,
der auch negative Eingangsspannungen toleriert oder alternativ z.
B. eine einfache Verpolschutzdiode an dessen Spannungsversorgungsanschluss
vorgesehen werden.
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Zwischen
Versorgungsknoten, Signaleingang und PIN-Diode kann eine Frequenzweiche
und zwischen PIN-Diode und Lokalspule eine Gleichstromsperre geschaltet
sein.
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Die
von der Lokalspule bzw. der PIN-Diode zum Signaleingang führende Signalleitung
ist also aufgetrennt und eine Frequenzweiche zwischengeschaltet,
wobei deren Hochfrequenzanschluss mit dem Signaleingang verbunden
ist, und deren Breitbandanschluss zur PIN-Diode und Lokalspule führt. Der
Niederfrequenzanschluss der Frequenzweiche führt zum Versorgungsspannungsanschluss
des Vorverstärkers.
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Die
Weiterführung
der von Spannungsquelle oder Stromquelle erzeugten Gleichgrößen vom
Versorgungsknoten zur PIN-Diode erfolgt dann über die Frequenzweiche.
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Die
Gleichstromsperre zwischen PIN-Diode und Lokalspule verhindert,
dass Gleichspannung oder Gleichstrom zur Lokalspule weitergeführt werden.
Gleichzeitig schützt
die Frequenzweiche den HF-Vorverstärker vor den Gleichgrößen.
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Durch
die Frequenzweiche und die Gleichstromsperre ist also bewerkstelligt,
Gleichstrom bzw. -spannurig vom Versorgungsknoten zur PIN-Diode zu
führen,
ohne dabei den kreuzenden HF-Signalweg
von der Lokalspule zum Signaleingang zu stören.
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Der
Versorgungsspannungsanschluss kann über eine Schutzdiode mit dem
Versorgungsknoten verbunden sein. Durch die Schutzdiode ist sichergestellt,
dass im Empfangsfall, wenn Gleichspannung am Versorgungsspannungsanschluss
anliegt, die Diode leitet und so der HF-Vorverstärker mit Gleichspannung versorgt
ist.
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Im
Sendebetrieb, wenn also über
den Umschalter Gleichstrom zum Versorgungsknoten geführt wird,
stellt sich dort je nach Dimensionierung der gesamten Schaltung,
eine zur Versorgungsspannung gegenpolige Spannung ein. Diese wird
durch die Schutzdiode vom Versorgungsspannungsanschluss des HF-Verstärkers ferngehalten,
um diesen vor einer möglichen
Zerstörung
durch Verpolung zu schützen.
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Zur Übermittlung
des vom HF-Vorverstärker vorverstärkten Empfangssignal
an der Lokalspule während
der Empfangsphase ist ein Signalausgang des HF-Vorverstärkers an
das eine Ende einer Signalausgangsleitung angeschlossen, welche
aus dem Feldbereich des Magnetresonanztomographen heraus zu einem
HF-Ausgang von dort zu einer Auswerteelektronik führt. Zwischen
dem einen Ende der Signalausgangsleitung und dem Signalausgang des HF-Vorverstärkers kann
nun eine zweite Frequenzweiche geschaltet sein, welche mit ihrem
Niederfrequenzanschluss an den Versorgungsknoten geschaltet ist
und deren Breitbandanschluss zur Signalausgangsleitung führt. Am
anderen Ende der Signalausgangsleitung ist eine der zweiten Frequenzweiche entsprechende
dritte Frequenzweiche mit ihrem Breitbandanschluss angeschlossen,
wobei der Hochfrequenzanschluss zu einem HF-Ausgang führt und der
Niederfrequenzausgang zum Umschalter. Umschalter und somit Gleichspannungs-
und Gleichstromquelle sind somit außerhalb des Feldbereichs des
Magnetresonanztomographen angeordnet, wobei deren Versorgungsspannung
bzw. Versorgungsstrom über
die Signalausgangsleitung in der Empfangsphase sogar gemeinsam mit
dem verstärkten HF-Signal des HF-Vorverstärkers übertragen
werden.
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Somit
ist auch für
die Zuführung
von Gleichspannung bzw. Gleichstrom zum HF-Vorverstärker und
der PIN-Diode keine separate Leitung notwendig, was die Anzahl der
aus dem Starkfeldbereich des Magnetresonanztomographen herausführenden Leitungen
mit den oben genannten Vorteilen weiter reduziert. Die zweite und
dritte Frequenzweiche sorgen hierbei für eine Ein- bzw. Auskopplung
der Gleichanteile in die Signalausgangsleitung.
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Zwischen
Versorgungsknoten und erster Frequenzweiche kann ein Tiefpassfilter
angeordnet sein.
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Durch
den Signalpfad vom Signalausgang über die zweite Frequenzweiche,
den Versorgungsknoten und dessen Verbindung zur ersten Frequenzweiche
und zum Signaleingang ist eine Rückkopplungsschleife
gebildet. Um in diesem Signalpfad unerwünschte HF-Rückkopplungen am HF-Vorverstärker zu
vermeiden, dient der Tiefpass, der jedoch die Versorgungsspannung
bzw. den Versorgungsstrom zur PIN-Diode ungehindert durchlässt.
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Zwischen
Versorgungsknoten und erster Frequenzweiche kann eine Anordnung
zur Spannungserhöhung
und Energiespeicherung geschaltet sein.
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Eine
derartige Anordnung ist in der Empfangsphase vorteilhaft, wenn die
an der PIN-Diode notwendige Sperrspannung deutlich höher ist
als die Versorgungsspannung des HF-Vorverstärkers. Die Versorgungsspannung
wird durch die Anordnung bis auf die notwendige Sperrspannung der
PIN-Diode erhöht,
wobei die hierzu notwendige Energie in der Anordnung gespeichert
ist. Die Energie wird der Anordnung während der jeder Empfangsphase
vorhergehenden Sendephase zugeführt
in welcher die PIN-Diode bestromt ist. Der Spannungsabfall, welcher durch
den, durch die Speicheranordnung fließenden Strom verursacht wird,
wird hierbei in einem Kondensator als elektrische Energie gespeichert.
Vorteil einer derartigen Anordnung ist, dass nicht eine höhere als
für den
Betrieb des HF-Vorverstärkers
notwendige Spannung in die Anordnung geleitet werden muss, um diese
anschließend
für den
HF-Vorverstärker
herunterzuregeln, was zu zusätzlicher
Verlustleistung in der Empfangseinheit und damit innerhalb des Magnetresonanztomographen
führen
würde.
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Besonders
einfach und kostengünstig
kann die Anordnung zur Spannungserhöhung und Energiespeicherung
ausgeführt
werden, wenn sie die Parallelschaltung einer Zener-Diode und eines
Kondensators ist. Während
der Sendephase wird der Kondensator über den durch die PIN-Diode
fließenden Strom
auf die Höhe
der Zenerspannung aufgeladen. Ist die für die Empfangsphase notwendige
Spannung, also die Differenz zwischen Sperrspannung der PIN-Diode
und Betriebsspannung des HF-Vorverstärkers am Kondensator erreicht,
wird der weiterhin fließende
Ladestrom durch die Zener-Diode geleitet, ohne die Spannung am Kondensator
weiter zu erhöhen.
Diese Spannung ist also die Durchbruchspannung der Zener-Diode.
Die Kapazität
des Kondensators muss nur so groß sein, um während der Empfangsphase
genügend
lange den durch die PIN-Diode abfließenden Sperrstrom liefern zu
können
ohne dass die Kondensatorspannung unter den nötigen Minimalwert der notwendigen
PIN-Dioden-Sperr-Spannung
sinkt.
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Zwischen
Versorgungsknoten und Versorgungsspannungsanschluss kann eine Anordnung
zur Energiespeicherung angeschlossen sein. Hierdurch wird sichergestellt,
dass der HF-Vorverstärker
auch während
der Sendephase mit Betriebspannung versorgt ist. Die Betriebstemperatur
des HF-Vorverstärkers,
insbesondere seiner aktiven Halbleiter, bleibt so dauerhaft konstant,
so dass keine Schwankungen der Verstärkungsparameter etc. aufgrund
von Temperaturdrift auftreten. Die Zuführungsleitung ist trotzdem
für die
Stromzufuhr zur PIN-Diode frei.
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Besonders
einfach kann die Anordnung zur Energiespeicherung durch einen mit
einem Spannungsregler versehenen Kondensator ausgeführt werden.
Der Kondensator wird während
der Empfangsphase über
die angeschlossene Versorgungsspannung ausreichend mit Energie aufgeladen,
und zwar auf eine Spannung, die die Betriebsspannung des Vorverstärkers geringfügig übersteigt.
Der Spannungsregler bzw. Spannungsstabilisator sorgt für die Abriegelung
der Kondensatorspannung auf die Betriebsspannung des HF-Vorverstärkers. Während der Sendephase
ent lädt
sich der Speicherkondensator, wobei die Betriebsspannung des Vorverstärkers über die
Spannungsregelung weiterhin konstant bleibt. Die Speicherkapazität des Kondensators
ist hierbei so ausgelegt, dass die Betriebsspannung am HF-Vorverstarker
auch während
einer längstmöglichen
Sendephase konstant bleibt.
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Ist
die in der Empfangseinheit verwendete Frequenzweiche ein Bias-T-Netzwerk,
so ergeben sich schaltungstechnische Vorteile für die Gesamtanordnung. Ein
Bias-T-Netzwerk besteht aus T-förmig verschalteten
Drosseln und Kondensatoren, welche z. B. auch zusätzliche
Tiefpassfunktionalität,
also eine Doppelfunktion im Rückkopplungszweig
des Verstärkers
erfüllen
können.
Frequenzweiche und Tiefpassfilter sind so kombiniert mit weniger
Bauteilen realisierbar und daher einfacher und kostengünstiger
auszuführen.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in einer Prinzipskizze, Schaltpläne:
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1 einer
Empfangseinheit eines Magnetresonanztomographen mit gemeinsamer
Versorgung für
HF-Vorverstärker
und PIN-Diode,
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2 schaltungstechnische Realisierungen für a) eine
Frequenzweiche und b) ein Tiefpassfilter aus 1,
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3 eine
alternative Ausführungsform
des Schaltplans nach 1 mit einer Anordnung zur Energiespeicherung
und Spannungserhöhung
für die PIN-Diode,
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4 eine
alternative Ausführungsform
des Schaltplans nach 1 mit einer Anordnung zur Energiespeicherung
für den
HF-Vorverstärker,
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5 eine
schaltungstechnische Realisierung der Anordnung zur Energiespeicherung
aus 4.
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1 zeigt
eine Empfangseinheit 2 eines nicht dargestellten Magnetresonanztomographen, deren
aktiver Teil über
eine Sig nalausgangsleitung 4 mit einem HF-Ausgang 6 verbunden
ist. Der HF-Ausgang 6 liegt hierbei außerhalb des Feldbereichs (Starkfeld)
des Magnetresonanztomographen, wobei die restliche Empfangseinheit 2 innerhalb
desselben liegt. Die aus dem Feldbereich führende Signalausgangsleitung 4 ist
deshalb mit nicht dargestellten Mantelwellensperren versehen.
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Die
Empfangseinheit 2 umfasst eine Lokalspule 8 und
einen HF-Vorverstärker 10.
Der Lokalspule 8 ist eine PIN-Diode 12 parallel
geschaltet, wobei beide Bauteile einseitig geerdet und an ihren
beiden anderen Anschlüssen über einen
Koppelkondensator 14 als Gleichstromsperre verbunden sind.
Die PIN-Diode 12 ist hierbei anodenseitig geerdet. Der von
der Lokalspule 8 abgewandte Anschluss des Koppelkondensators 14 ist
auf den Breitbandanschluss 16a einer Frequenzweiche 18a geführt. Der Hochfrequenzanschluss 20a der
Frequenzweiche 18a führt
zum Signaleingang 22 des HF-Vorverstärkers 10.
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Der
Signalausgang 24 des HF-Vorverstärkers 10 führt zum
Hochfrequenzanschluss 20b einer zweiten Frequenzweiche 18b,
deren Breitbandanschluss 16b wiederum zum im Feldbereich
des Magnetresonanztomographen liegenden Ende der Signalausgangsleitung 4 führt. Die
Niederfrequenzanschlüsse 26a,
b der Frequenzweichen 18a, b sind mit einem Versorgungsknoten 28 verbunden.
Der Versorgungsknoten 28 ist über eine Schutzdiode 30 und einen
Vorwiderstand 32 mit dem Versorgungsspannungsanschluss 34 des
HF-Vorverstärkers 10 verbunden.
An seinem Masseanschluss 36 ist der HF-Vorverstärker 10 geerdet.
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Das
andere, außerhalb
des Feldbereichs liegende Ende der Signalausgangsleitung 4 führt zum Breitbandanschluss 16c einer
dritten Frequenzweiche 18c, deren Hochfrequenzanschluss 20c wiederum
zum HF-Ausgang 6 führt.
Der Niederfrequenzanschluss 26c der Frequenzweiche 18c führt zu einem Umschalter 38,
der den Niederfrequenzanschluss 26c in der gezeigten Schaltstellung 40a mit
einer geerdeten Stromquelle 42 verbindet. Der Umschalter 38 ist
in eine Schaltstellung 40b umschaltbar, so dass der Niederfrequenzanschluss 26c mit
einer Spannungsquelle 44 verbunden ist.
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Die
Schaltstellung 40a wird in einer Sendephase des Magnetresonanztomographen
gewählt.
In einer derartigen Sendephase werden im Inneren bzw. Starkfeldbereich
des Magnetresonanztomographen extrem hohe HF-Feldstärken erzeugt,
um zu untersuchende Objekte auf atomarer Ebene anzuregen. Eine Messung
mit Hilfe der Empfangseinheit 2 findet während dieser
Sendephase nicht statt, weshalb die Lokalspule 8, der HF-Vorverstärker 10 und der
HF-Ausgang 6 nicht benötigt
bzw. betrieben werden. Obschon die Lokalspule 8 zum Empfang
extrem kleiner elektromagnetischer Signale ausgelegt ist, und sich
während
der Sendephase am Empfangsort befindet, empfängt diese auch das um viele
Größenordnungen
stärkere
Sendefeld. Um in diesem Fall den Verstärkereingang, also den Signaleingang 22, zum
Schutz vor Zerstörung
hochfrequenzmäßig kurzzuschließen, wird
die PIN-Diode 12 in Durchflussrichtung 46 bestromt,
mit einem von der Gleichstromquelle 42 erzeugten Gleichstrom 48 z.
B. der Stärke
100 mA. Der Gleichstrom 48 wählt hierbei nach Passieren
der PIN-Diode 12 folgenden Weg: Er durchströmt die Frequenzweiche 18a über die
Breitband- und Niederfrequenzanschlüsse 16a und 26a, passiert
den Versorgungsknoten 28, über die Anschlüsse 26b und 16b die
Frequenzweiche 18b, die Signalausgangsleitung 4 und
wird über
die Anschlüsse 16c und 26c der
Frequenzweiche 18c über
die Schaltstellung 40a zur Stromquelle 42 geführt.
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Da
es sich beim Stromfluss 48 um einen Gleichstrom handelt,
wird dieser sowohl durch den Koppelkondensator 14 von der
Lokalspule 8, sowie durch die Hochfrequenzanschlüsse 20a,
b, c vom HF-Vorverstärker 10 und
HF-Ausgang 6 ferngehalten. Auf Grund der Durchflussspannung
der PIN-Diode 12 stellt sich am Versorgungsknoten 28 ein
elektrisches Potential von etwa –0,7 V ein weshalb die Schutzdiode 30 sperrt
und somit den Stromfluss 48 auch vom Versorgungsspannungsanschluss 34 des HF-Vorverstärkers 10 fernhält. Die
Schutzdiode 30 wirkt somit als Verpolschutz für den HF-Vorverstärker 10,
der im Beispiel nur für
positive Betriebsspannung ausgelegt ist. Bei den meisten HF-Vorverstärkern ist eine
verpolte Betriebsspannung von nur 0,7 V nicht schädlich. Die
Schutzdiode kann dann entfallen.
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Die
bestromte PIN-Diode 12 wirkt HF-mäßig als Kurzschluss für die von
der Lokalspule 8 aufgefangenen bzw. induzierten hohen Ströme und Spannungen,
so dass diese von der restlichen Empfangseinheit 2 ferngehalten
werden und diese nicht zerstören
können.
Ebenso sind Rückkopplungen
der Lokalspule 8 auf das erregende Feld hierdurch vermieden, da
sie deren Resonanz verstimmt.
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Ist
die Sendephase beendet, tritt der Magnetresonanztomograph in die
Empfangsphase über. Die
starken Erregerfelder werden abgeschaltet und die zu untersuchenden
Objekte strahlen auf Grund der Anregung in der Sendephase schwache
elektromagnetische Signale ab. Diese werden durch die Empfangseinheit 2 detektiert
und zur weiteren Verarbeitung an den HF-Ausgang 6, verstärkt durch
den HF-Vorverstärker 10 weitergeleitet.
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In
der Empfangsphase ist der Umschalter 38 in die Schaltstellung 40b gebracht.
Die von der Spannungsquelle 44 erzeugte Gleichspannung
liegt dann über
die Anschlüsse 26c und 16c der
Frequenzweiche 18c, die Signalausgangsleitung 4,
die Anschlüsse 16b und 26b der
Frequenzweiche 18b am Versorgungsknoten 28 an.
Die gleiche Spannung liegt weiterhin über die Anschlüsse 26a und 16a der
Frequenzweiche 18a als Sperrspannung an der PIN-Diode 12 an.
Durch die an der PIN-Diode 12 anliegende Sperrspannung
von z. B. +30 V wird diese HF-technisch unwirksam, so dass sie die
von der Lokalspule 8 empfangenen und zum Breitbandanschluss 16a übertragenen,
sehr schwachen elektrischen Signale nicht beeinflusst.
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Durch
die am Versorgungsknoten 28 anliegende positive Gleichspannung
ist der HF-Vorverstärker 10 mit
Betriebspannung ver sorgt. Die Schutzdiode 30 leitet und
der Vorwiderstand 32 dient zur Anpassung der Knotenspannung
am Versorgungsknoten 28 an die erforderliche Betriebsspannung
am Versorgungsspannungsanschluss 34 des HF-Vorverstärkers 10,
von z. B. 12 V. Ist der HF-Vorverstärker 10 bzw. die PIN-Diode 12 derart
ausgelegt, dass die Verstärkerbetriebsspannung
und die Diodensperrspannung ungefähr gleich sind, kann die Spannungsanpassung
durch den Vorwiderstand 32 auch entfallen.
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Durch
den Koppelkondensator 14 und die jeweiligen Hochfrequenzanschlüsse 20a,
b, c der Frequenzweichen 18a, b, c wird die Gleichspannung
der Gleichspannungsquelle 44 bzw. der Gleichstrom 48 von
Lokalspule 8, HF-Vorverstärker 10 und HF-Ausgang 6 ferngehalten.
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Die
hochfrequenten, von der Lokalspule 8 aufgefangenen Messsignale
wiederum passieren den Koppelkondensator 14, die Anschlüsse 16a und 20a der
Frequenzweiche 18a und gelangen zum Signaleingang 22 des
HF-Vorverstärkers 10.
Dieselben, am Signalausgang 24 verstärkten Signale gelangen weiterhin über die
Anschlüsse 20b und
c, 16b und c der Frequenzweichen 18b und c und
die Signalausgangsleitung 4 zum HF-Ausgang 6,
wo sie zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stehen. Sowohl von der
Spannungsquelle 44 wie auch vom Versorgungsknoten 28 werden
die Hochfrequenzsignale durch die Niederfrequenzanschlüsse 26a,
b, c der entsprechenden Frequenzweichen ferngehalten. Insbesondere über den,
den Versorgungsknoten 28 enthaltenden Signalpfad findet
so keine Rückkopplung
vom Signalausgang 24 auf den Signaleingang 22 statt.
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Sollte
die durch die Frequenzweichen 18a und b zur Verfügung gestellte
Hochfrequenzdämpfung
nicht ausreichen, um eine eben genannte Rückkopplung zu unterdrücken, kann
optional, wie in 1 gestrichelt dargestellt, zwischen
Versorgungsknoten 28 und Niederfrequenzanschluss 26a der Frequenzweiche 18a ein
Tiefpassfilter 50 geschaltet sein.
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Die 2a und 2b zeigen
respektive Ausführungsformen
für die
Frequenzweichen 18a, b, c und das Tiefpassfilter 50,
jeweils aufgebaut aus Drosseln 52 und Blockkondensatoren 54.
Beim Aufbau der Schaltung nach 1 kann so
z. B. durch günstige
Wahl der Bauteildimensionierung und -platzierung erreicht werden,
dass die Drosseln 52 oder Blockkondensatoren 54 eine
Doppelfunktion im Sinne eines Tiefpassfilters 50 und einer
Frequenzweiche 18a, b, c erfüllen, beide Anordnungen also
sozusagen verschmelzen. Der Bauteilaufwand wird hierdurch reduziert.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform
von 1, bei der die von der Spannungsquelle 44 erzeugte
Spannung 60 der Versorgungsspannung des HF-Vorverstärkers 10 entspricht.
Deshalb ist auch kein in Reihe zur Schutzdiode 30 geschalteter Vorwiderstand 32 notwendig,
an welchem somit in der Empfangsphase keine Spannung abfällt und
somit keine Verlustleistung entsteht. Die gesamte Verlustleistung
der Empfangseinheit 2 im Empfangsfall ist somit reduziert.
Außerdem
muss gegenüber 1 nur
eine niedrigere Spannung 60 von beispielsweise 12 V statt
30 V über
die Signalausgangsleitung 4 zum HF-Vorverstärker 10 übertragen
werden. Im dargestellten Beispiel ist jedoch die am Versorgungsknoten 28 nun
anliegende Spannung von 12 V als Sperrspannung für die PIN-Diode 12 nicht ausreichend.
Deshalb ist zwischen Versorgungsknoten 28 und Frequenzweiche 18a eine
Anordnung 62, nämlich
die Parallelschaltung eines Speicherkondensators 64 und
einer Zener-Diode 66 geschaltet.
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Während der,
jeder Empfangsphase immer vorhergehenden Sendephase, welche der
Schalterstellung 40a entspricht, durchströmt, wie
in 1 der Stromfluss 48 so lange den Speicherkondensator 64 und
baut an diesem eine Spannung auf, bis die Durchbruchspannung 68 der
Zener-Diode 66 erreicht ist worauf danach der Stromfluss 48 über die
Zener-Diode 66 verläuft.
Während
der anschließenden Empfangsphase
addiert sich die der Durchbruchsspannung 68 entsprechende
Spannung am Kondensator 64 zur Versorgungsspannung 60 als
Sperrspannung an der PIN-Diode 12, wobei die Durchbruchspannung 68 nahezu
konstant bleibt, da der Entladestrom des Speicherkondensators 64 lediglich der
die PIN-Diode 12 durchfließende Sperrstrom ist.
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4 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
der Anordnung aus 1, bei der der Vorwiderstand 32 durch
eine Anordnung 70 zu Energiespeicherung ersetzt ist. Die
Anordnung 70 wird in der Empfangsphase, entsprechend der
Schalterstellung 40a, wenn am Versorgungsknoten 28 die
Spannung 60 anliegt, mit Energie versorgt und aufgeladen.
In einer anschließenden
Sendephase, entsprechend Schalterstellung 40b, sinkt, wie
im Zusammenhang mit 1 erläutert, die Spannung am Versorgungsknoten 28 auf
einen negativen Wert ab und steht somit nicht mehr als Versorgungsspannung
für den HF-Vorverstärker 10 zur
Verfügung.
Die Schutzdiode 30 sperrt. Der HF-Vorverstärker 10 wird jedoch
weiterhin aus der Anordnung 70 während der gesamten Sendephase
mit Energie versorgt. Die Verlustleistung im HF-Vorverstärker 10 bleibt
somit konstant und somit auch die Temperatur seiner aktiven Halbleiter,
weshalb hierdurch Temperaturdriftprobleme im HF-Vorverstärker in
den Umschaltzeitpunkten zwischen Sende- und Empfangsphasen vermieden
sind.
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5 zeigt
eine mögliche
Ausführung
der Anordnung 70 als Parallelschaltung eines geerdeten Speicherkondensators 72 mit
einem geerdeten Spannungsregler 74. Die Kapazität des Speicherkondensators 72 ist
so bemessen, dass auch während der
längstmöglichen
Sendephase der Betriebsstrom 76 des HF-Vorverstärkers 10 entnommen
werden kann, ohne dass die Betriebsspannung des HF-Vorverstärkers absinkt.
Der Spannungsregler 74 hält hierbei die am Versorgungsspannungsanschluss 34 des
HF-Vorverstärkers 10 anliegende
Spannung konstant. Die von der Spannungsquelle 44 erzeugte Spannung 60 ist
wie in 1 die Sperrspannung der PIN-Diode 12 und
wegen des Spannungsabfalls im Spannungsregler geringfügig höher als
die Versorgungsspannung des HF-Vorverstärkers 10.
-
- 2
- Empfangseinheit
- 4
- Signalausgangsleitung
- 6
- HF-Ausgang
- 8
- Lokalspule
- 10
- HF-Vorverstärker
- 12
- PIN-Diode
- 14
- Koppelkondensator
- 16a,
b, c
- Breitbandanschluss
- 18a,
b, c
- Frequenzweiche
- 20a,
b, c
- Hochfrequenzanschluss
- 22
- Signaleingang
- 24
- Signalausgang
- 26a,
b, c
- Niederfrequenzanschluss
- 28
- Versorgungsknoten
- 30
- Schutzdiode
- 32
- Vorwiderstand
- 34
- Versorgungsspannungsanschluss
- 36
- Masseanschluss
- 38
- Umschalter
- 40a,
b
- Schaltstellung
- 42
- Stromquelle
- 44
- Spannungsquelle
- 46
- Durchflussrichtung
- 48
- Stromfluss
- 50
- Tiefpassfilter
- 52
- Drossel
- 54
- Blockkondensator
- 60
- Spannung
- 62
- Anordnung
- 64
- Speicherkondensator
- 66
- Zenerdiode
- 68
- Durchbruchspannung
- 70
- Anordnung
- 72
- Speicherkondensator
- 74
- Spannungsregler
- 76
- Betriebsstrom