-
Zirkulator
und Magnet-Resonanz-Gerät
-
Die
Erfindung betrifft einen Zirkulator, insbesondere zum Einsatz bei
Hochfrequenzsystemen eines Magnet-Resonanz-Gerätes,
sowie ein Magnet-Resonanz-Gerät
mit einem derartigen Zirkulator.
-
Die
Magnet-Resonanz-(MR)-Bildgebung ist ein bekanntes und fest etabliertes
Verfahren, das insbesondere bei der medizinischen Bildgebung eingesetzt
wird. Hierbei wird ein zu untersuchender Körper in ein starkes homogenes
statisches Magnetfeld, das sogenannte Hauptmagnetfeld, eingebracht,
das in dem Körper
eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von
an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Protonen), bewirkt.
Mittels hochfrequenter Anregungspulse werden diese Kerne zu einer
Präzessionsbewegung
um das Hauptmagnetfeld angeregt. Nach dem Ende eines entsprechenden
Hochfrequenz-(HF-)Anregungspulses präzedieren die Kernspins mit
der sogenannten Larmorfrequenz, die von der Stärke des Hauptmagnetfeldes abhängt. Aufgrund
verschiedener Wechselwirkungsarten richten sich die Kernspins mit
einem charakteristischen zeitlichen Verlauf wieder entlang der durch
das Hauptmagnetfeld vorgegebenen Vorzugsrichtung aus. Der zeitliche
Verlauf ist unter anderem gewebeabhängig und kann anhand von sogenannten
Relaxationszeiten beschrieben werden. Durch rechnerische und/oder
messtechnische Analyse der integralen, hochfrequenten Kernsignale
kann aus der räumlichen
Verteilung der Kernspindichte in Verbindung mit den jeweiligen Relaxationszeiten
ein Bild generiert werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewegung
nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Entstehung erfolgt
durch Anwendung von magnetischen Feldgradienten. Dazu werden entsprechende
Gradientenfelder dem Hauptmagnetfeld überlagert und so gesteuert,
dass nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne
erfolgt. Auf diesen physikalischen Effekten basierende Abbildungssysteme
sind auch bekannt unter den Bezeichnungen Kern spin-Tomographie,
Nuclear-Magnetic-Resonance (NMR)-Tomo graphie oder Magnetic Resonance
Imaging (MRI).
-
Sowohl
zur HF-Anregung der Kernspins als auch zur Detektion der Kernspinsignale
ist ein Hochfrequenzsystem mit einer Hochfrequenzantenne erforderlich.
-
Sendeseitig
umfasst das Hochfrequenzsystem mindestens einen Hochfrequenzverstärker (RFPA – „radio
frequency power amplifier"),
der ein Steuersignal verstärkt,
das daraufhin zu einer Hochfrequenzantenne geleitet wird und über einen
bzw. mehrere Eingangsports in die Hochfrequenzantenne eingespeist
wird. Bei einer nicht optimalen Anpassung der Eingangsports der
Hochfrequenzantenne kommt es zu teilweise erheblichen rücklaufenden
Spannungen bzw. Leistungen. Eine optimale Anpassung des Eingangsport
der Hochfrequenzantenne ist in der Praxis jedoch selten gegeben,
da die Anpassung unter anderem auch von der Belastung der Hochfrequenzantenne,
die mit dem zu untersuchenden Körper
variiert, abhängt.
Daher wird das in die Hochfrequenzantenne eingespeiste Signal in
der Regel zumindest teilweise reflektiert. Die vor dem Eingangsport
der Hochfrequenzantenne vorgeschalteten Bauteile, insbesondere Hochfrequenzverstärker, müssen diese
reflektierte Leistung ohne Schaden tolerieren.
-
Oftmals
werden bei Magnet-Resonanz-Geräten
Mehrport-Antennen eingesetzt, die über mindestens 2, typischerweise über 8, 16
oder 32 untereinander verkoppelte Eingangsporte verfügen. Die Steuersignale
für die
Eingangsporte werden dabei üblicherweise
von mehreren Hochfrequenzverstärkern
erzeugt. Idealerweise wird jeder Eingangsport von einem eigenen
Hochfrequenzverstärker
gespeist. Dadurch, dass die Eingangsporte untereinander verkoppelt
sind, können
an den Eingangsporten übergekoppelte
Spannungen auftreten. Diese Spannungen addieren sich zu den an den
Eingangsporten reflektierten und rücklaufenden Spannungen, sodass die
Hochfrequenzverstärker,
die einen Eingangsport einer Mehrport-Antenne ansteuern, besonders
hohen Belastungen ausgesetzt sind.
-
Das
Problem der reflektierten und übergekoppelten
Spannung kann durch eine Überdimensionierung
des Hochfrequenzverstärkers
gelöst
werden. Dabei wird die Spitzenspannung des Hochfrequenzverstärkers deutlich über der
im Betrieb notwendigen Vorwärtsspannung
gewählt,
sodass die Spitzenspannung in jedem Fall größer ist als die Summe der Vorwärtsspannung
und der Spannung des rücklaufenden
Signals. Hierdurch erhöhen
sich jedoch die Kosten des Hochfrequenzverstärkers.
-
Eine
andere Möglichkeit
ist es, am Ausgangsport des Hochfrequenzverstärkers oder im Hochfrequenzverstärker selbst
einen Zirkulator oder eine Einwegleitung (engl.: „Isolator") anzuordnen, sodass
die rücklaufende
Leistung nicht in den Hochfrequenzverstärker gelangt und diesen zusätzlich belastet.
-
Ein
Zirkulator ist ein passives Bauelement mit mindestens drei Toren,
bei denen eine an einem Tor eingespeiste Leistung um eine geringe
Durchgangsdämpfung
geschwächt
an einem anderen Tor angeboten wird, während alle übrigen Tore weitgehend entkoppelt
sind, an ihnen also nur die um eine hohe Sperrdämpfung verminderte Leistung
angeboten wird. Die Ports des Zirkulators sind dabei durch eine
zyklische Reihenfolge gekennzeichnet, d.h. eine an einem der Tore
angebotene Leistung wird an das jeweils nächste Tor weitergereicht. Eine
Einwegleitung ist ebenso ein passives Bauelement mit zwei Anschlüssen (Ports),
das eine elektromagnetische Leistung Idealerweise nur in einer Richtung
durchlässt.
-
Dieses
nichtreziproke Verhalten wird bei Zirkulatoren bzw. Einwegleitern üblicherweise
dadurch erzeugt, dass sich ein Ferrit in einem statischen Magnetfeld
befindet, das von einem den Ferriten umgebenden Permanentmagneten
erzeugt wird. Durch das Magnetfeld des Permanentmagneten nimmt der Ferrit
ein gyrotropes Verhalten an. Hochfrequenzsignale, die an einem Tor
eingespeist werden, werden lediglich an das nächste Tor weitergeleitet. Das
gewünschte
nichtreziproke Verhalten funktioniert innerhalb eines bestimmten
Frequenzbereiches, der sich durch geeignete Dimensionierung des
Ferriten und der Größe des statischen
Magnetfeldes festlegen lässt.
-
Während des
Betriebes eines Zirkulators erwärmen
Hochfrequenzverluste den Zirkulator, insbesondere dessen Ferriten
und dessen Permanentmagneten. Dies führt zu einer Änderung
der Signalübertragung
hinsichtlich Amplitude und Phase des übertragenen Signals. Gerade
im Hinblick auf die notwenige Genauigkeit der Übertragung der Hochfrequenzsignale
bei einem Magnet-Resonanz-Gerät
ergeben sich dadurch Probleme.
-
Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Zirkulator bereitzustellen,
der einen einfachen Aufbau besitzt, kostengünstig herzustellen ist und
mit dem eine genaue und konstante Signalübertragung ermöglicht wird.
Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Magnet-Resonanz-Gerät mit einem
verbesserten Hochfrequenzsystem bereitzustellen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Zirkulator gemäß Anspruch
1 und durch ein Magnet-Resonanz-Gerät nach Anspruch 8. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Der
erfindungsgemäße Zirkulator
umfasst einen Ferriten, wobei der Zirkulator in der Nähe eines Gerätes, das
in seiner Umgebung ein statisches Magnetfeld erzeugt, derart anordenbar
ist, dass der Zirkulator seine nichtreziproke Eigenschaft durch
eine Wechselwirkung des Ferriten mit dem statischen Magnetfeld des
Gerätes
erhält.
-
Bevorzugterweise
erhält
der Zirkulator seine nichtreziproke Eigenschaft durch die Wechselwirkung
des Ferriten lediglich mit dem statischen Magnetfeld des Gerätes. Dies
bedeutet, dass kein zusätzliches
statisches Magnetfeld, sondern lediglich das statische Magnetfeld,
das von dem Gerät
erzeugt wird, dem Zirkulator die für einen Zirkulator typische nichtreziproke
Funktionsweise verleiht.
-
Bei
herkömmlichen
Zirkulatoren wird das Magnetfeld, das dem Ferriten eine anisotrope
Permeabilität
und dem Zirkulator so seine nichtreziproke Funktionsweise verleiht,
durch einen zu dem Zirkulator gehörigen Magneten – üblicherweise
durch einen Permanentmagneten – erzeugt.
Demgegenüber
erhält
der Ferrit des erfindungsgemäßen Zirkulators seine
anisotrope Permeabilität
durch das statische Magnetfeld des Gerätes, das als externes Gerät kein eigentlicher
Bestandteil des Zirkulators ist. Hierdurch kann das Bauteil des
Zirkulators, das bei herkömmlichen
Zirkulatoren das Magnetfeld erzeugt, wesentlich einfacher ausgebildet
oder bevorzugterweise ganz weggelassen werden, sodass sich der erfindungsgemäße Zirkulator
im Vergleich zu herkömmlichen
Zirkulatoren kostengünstiger
herstellen lässt.
-
Da
sich dieses Bauteil bei herkömmlichen Zirkulatoren
im Laufe des Betriebes durch Hochfrequenzverluste erwärmt, und
da diese Erwärmung – wie eingangs
beschrieben – die
Genauigkeit und Konstanz der Signalübertragung beeinträchtigt,
erlaubt der erfindungsgemäße Zirkulator
eine besonders genaue und konstante Signalübertragung.
-
Bevorzugterweise
umfasst der Zirkulator Mittel zum Kühlen des Zirkulators. Dadurch,
dass der Ferrit des erfindungsgemäßen Zirkulators nun besser zugänglich ist,
können
die Mittel zum Kühlen
vergleichsweise einfach ausgestaltet werden und effizienter in der
Nähe des
Ferriten oder am Ferriten selbst angeordnet werden. Beispielsweise
lässt sich eine
Kühlung
durch Anbringung eines Kühlkörpers oder
eines Heat-Pipe-Systems bewerkstelligen. Hierdurch wird auf einfache
Weise die Temperatur des Zirkulators während des Betriebes weitgehend
konstant gehalten, sodass die Signalübertragung hinsichtlich ihrer
Genauigkeit und Konstanz verbessert wird.
-
In
einer Ausführungsform
ist der Zirkulator als Dreitor-Zirkulator ausgebildet.
-
In
einer anderen Ausführungsform
ist der Zirkulator als Einwegleitung ausgebildet. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass ein dritter Port eines Zirkulators
mit einer in den Zirkulator eingebauten Last abgeschlossen ist,
sodass ein derart modifizierter Zirkulator lediglich zwei Tore aufweist, die
eine eingespeiste Leistung lediglich in einer Richtung weiterleiten.
-
Bevorzugterweise
ist das Gerät,
das in seiner Umgebung ein statisches Magnetfeld erzeugt, ein Magnet-Resonanz-Gerät. Ein Magnet-Resonanz-Gerät verfügt über ein
starkes statisches Magnetfeld, sodass dieses Magnetfeld, das üblicherweise
zur Magnet-Resonanz-Bildgebung eingesetzt wird, auch dahingehend
mit Vorteil verwendet wird, dass der Zirkulator seine nichtreziproke
Eigenschaft durch die Wechselwirkung des Ferriten mit dem statischen
Magnetfeld erhält.
-
Mit
Vorteil umfasst der Frequenzbereich des Zirkulators eine Larmorfrequenz
des Magnet-Resonanz-Gerätes.
Auf diese Weise kann der Zirkulator in einem Hochfrequenzsystem
des Magnet-Resonanz-Gerätes eingesetzt
werden. Die Abstimmung der Frequenz des Zirkulators lässt sich
unter anderem durch den Einbauort, der die Stärke des externen Magnetfeldes
bestimmt, durch die Wahl des Materials des Ferriten und durch die
Dimensionierung der Anpassschaltung des Zirkulators erreichen.
-
Das
erfindungsgemäße MRT-Gerät umfasst ein
Hochfrequenzsystem, das seinerseits einen Zirkulator nach einem
der Ansprüche
1 bis 4 umfasst. Das Hochfrequenzsystem des Magnet-Resonanz-Gerätes, das
mit dem Zirkulator ausgestattet ist, erlaubt – wie oben beschrieben – eine besonders genaue
und konstante Signalübertragung.
-
Bevorzugterweise
ist der Zirkulator zwischen einem Hochfrequenzverstärker und
einer Hochfrequenzantenne angeordnet, wobei ein erstes Tor des Zirkulators
mit dem Hochfrequenzverstärker
und ein zweites Tor des Zirkulators mit einer Hochfrequenzantenne
in Verbindung stehen. Die Durchlassrichtung des Zirkulators verläuft dabei
von dem ersten zu dem zweiten Tor.
-
Wie
eingangs geschildert, sind Bestandteile des Hochfrequenzsystems,
insbesondere der Hochfrequenzverstärker, durch eine nicht optimale
Anpassung der Eingangsports der Hochfrequenzantenne besonderen Belastungen
ausgesetzt. Der Einsatz des Zirkulators im Hochfrequenzsystem zwischen dem
Hochfrequenzverstärker
und der Hochfrequenzantenne sperrt Wellen, die an der Hochfrequenzantenne
reflektiert worden sind oder leitet diese in einen anderen Kanal,
sodass die Bestandteile des Hochfrequenzsystems, insbesondere der
Hochfrequenzverstärker,
geschützt
werden. Hierdurch ist es möglich, die
Bestandteile, die durch den Zirkulator vor reflektierten Wellen
geschützt
werden, insgesamt geringer zu dimensionieren, da sie die zusätzliche
Belastung, die durch reflektierte Wellen entstünde, nicht mehr tolerieren
müssen.
Hierdurch kann das Hochfrequenzsystem kostengünstiger hergestellt werden.
Zudem ergeben sich durch den Einsatz des Zirkulators im Hochfrequenzsystem
des Magnet-Resonanz-Gerätes
Vorteile hinsichtlich einer genauen und konstanten Signalübertragung.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Zirkulator an einem Eingangsport der Hochfrequenzantenne
angeordnet. Auf diese Weise wird eine von der Hochfrequenzantenne
reflektierte Welle unmittelbar am Eingangsport abgeleitet, sodass
alle weiteren Bestandteile des Hochfrequenzsystems geschützt werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist ein drittes Tor des Zirkulators durch eine Last abgeschlossen.
In diesem Fall wirkt der Zirkulator als Einwegleitung, die Signale
lediglich in einer Richtung – von
dem Hochfrequenzverstärker
zur Hochfrequenzantenne – passieren
lässt.
Die Last kann dabei am Zirkulator angebaut oder im Zirkulator eingebaut sein.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein drittes
Tor des Zirkulators mit einer Empfangseinheit verbunden.
-
Auf
diese Weise kann eine sonst übliche Sende-Empfangs-Weiche
durch den Zirkulator ersetzt werden. Im Sendefall werden Signale
von dem Hochfrequenzverstärker über das
erste Tor zum zweiten Tor und zur Hochfrequenzantenne geleitet. Im
Empfangsfall werden Messsignale von der Hochfrequenzantenne vom
zweiten Tor über
das dritte Tor des Zirkulators zur Empfangseinheit weitergeleitet. Die
Empfangseinheit ist dabei derart ausgebildet, dass sie zumindest
im Sendebetrieb eine Last darstellt, d.h. einen leistungsfesten
Abschluss darstellt, der die von der Antenne kommende Leistung aufnimmt
(„absumpft").
-
Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen
der Unteransprüche
werden im Folgenden in der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es
zeigen:
-
1 den
schematischen Aufbau durch ein Magnet-Resonanz-Gerät,
das ein Hochfrequenzsystem umfasst, in dem der erfindungsgemäße Zirkulator
Anwendung findet,
-
2 eine
perspektivische Ansicht durch den erfindungsgemäßen Zirkulator, und
-
3 bis 5 verschiedene
schematische Aufbauten eines Hochfrequenzsystems eines Magnet-Resonanz-Gerätes, das
jeweils den erfindungsgemäßen Zirkulator
umfasst.
-
1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Magnet-Resonanz-Gerätes 1.
Die Komponenten des Magnet-Resonanz-Gerätes 1, mit denen die
eigentliche Messung durchgeführt
wird, befinden sich in einer hochfrequenztechnisch abgeschirmten
Messkabine 3. Um einen Körper mittels Magnet-Resonanz-Bildgebung
zu untersuchen werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen
Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder
auf den Körper
eingestrahlt.
-
Ein
starker Magnet, üblicherweise
ein Kryomagnet 5 mit einer tunnelförmigen Öffnung, erzeugt ein statisches
starkes Hauptmagnetfeld 7, das üblicherweise 0,2 Tesla bis
3 Tesla und mehr beträgt.
Ein zu untersuchender Körper – hier nicht
dargestellt – wird
auf einer Patientenliege 9 gelagert und in dem Hauptmagnetfeld 7 positioniert.
-
Die
Anregung der Kernspins des Körpers
erfolgt über
magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse, die über eine hier als Körperspule 13 dargestellte Hochfrequenzantenne
eingestrahlt werden. Die Hochfrequenz-Anregungspulse werden von
einer Pulserzeugungseinheiten 15 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 gesteuert
wird. Nach einer Verstärkung
durch einen Hochfrequenzverstärker 19 werden
sie zur Hochfrequenzantenne geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem
ist lediglich schematisch angedeutet. Üblicherweise werden mehr als
eine Pulserzeugungseinheit 15, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 19 und
mehrere Hochfrequenzantennen in einem Magnet-Resonanz-Gerät 1 eingesetzt.
-
Weiterhin
verfügt
das Magnet-Resonanz-Gerät 1 über Gradientenspulen 21,
mit denen bei einer Messung Gradientenfelder zur selektiven Schichtanregung
und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 21 werden
von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 23 gesteuert,
die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 15 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 17 in
Verbindung steht.
-
Die
von den angeregten Kernspins ausgesendeten Signale werden von der
Körperspule 13 und/oder
von Lokalspulen 25 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 27 verstärkt und
von einer Empfangseinheit 29 weiterverarbeitet und digitalisiert.
-
Eine
Bildverarbeitungseinheit 31 erzeugt aus den Messdaten ein
Bild, das über
eine Bedienkonsole 33 einem Anwender dargestellt oder in
einer Speichereinheit 35 gespeichert wird.
-
Eine
zentrale Rechnereinheit 37 steuert die einzelnen Anlagenkomponenten.
-
Die
Hochfrequenzantenne, mit der die Anregungspulse eingestrahlt werden – in diesem
Fall die Körperspule 13 -,
muss möglichst
genau an das vorgeschaltete Hochfrequenzsystem angepasst sein, damit
möglichst
wenig Energie am Eingangsport der Hochfrequenzantenne reflektiert
wird. Wie eingangs beschrieben, ist eine optimale Anpassung der
Hochfrequenzantenne jedoch nicht immer möglich.
-
Wenn
die Hochfrequenzantenne, wie bei Magnet-Resonanz-Geräten oftmals üblich, zudem
mehrere untereinander verkoppelte Eingangsporte aufweist, können störende Verkopplungen
zwischen den einzelnen Antennenports auftreten, sodass zu einer am
Eingangsport reflektierten Spannung die an den Eingangsports übergekoppelten
Spannungen hinzu kommen.
-
Um
zu verhindern, dass ein am Eingangport der Hochfrequenzantenne zurücklaufendes
Signal in das Hochfrequenzsystem zurückläuft und dieses belasten würde, ist
der Eingangsport der Hochfrequenzantenne und der Ausgangsport des
Hochfrequenzsystem mit einem Zirkulator 39 verbunden, und
zwar derart, dass ein von dem Hochfrequenzverstärker 19 zur Hochfrequenzantenne
gesendetes Signal vom Zirkulator 39 weitgehend ungedämpft durchgereicht wird,
während
ein Signal in umgekehrter Richtung weitgehend gesperrt wird.
-
In
dem hier gezeigten Beispiel ist der Zirkulator 39 gleichzeitig
derart mit der Empfangseinheit 29 verbunden, dass der Zirkulator 39 die
Funktion einer sonst notwendigen Sende-Empfangs-Weiche erfüllt. Dies ist jedoch lediglich
eine spezielle Anordnung des Zirkulators 39 im Hochfrequenzsystem
des Magnet-Resonanz-Gerätes 1.
In 3 bis 5 werden verschiedene Anordnungsvarianten
später
genauer erläutert.
-
Der
Zirkulator 39 ist in der Nähe des Kryomagneten 5 angeordnet,
und zwar derart, dass der Zirkulator 39 seine nicht reziproke
Eigenschaft durch die Wechselwirkung des statischen Hauptmagnetfeldes 7 mit
seinem Ferriten erhält.
Der Ort der Anbringung des Zirkulators 39 ist dabei so
gewählt,
dass die dort vorherrschende Magnetfeldstärke derart mit dem Zirkulator 39,
insbesondere mit seinem Ferriten, wechselwirkt, dass der Zirkulator 39 auf
die Larmorfrequenz des Magnet-Resonanz-Gerätes 1 abgestimmt ist.
-
Diejenigen
Orte, an denen das statische Hauptmagnetfeld 7 die für den Betrieb
des Zirkulators 39 geeignete Magnetfeldstärke aufweist,
bilden eine Fläche,
die üblicherweise
rotationssymmetrisch um die Längsachse
des Kryomagneten 5 ist. Der Zirkulator 39 kann
an mehreren Stellen dieser Fläche
angeordnet werden, vorzugsweise an der Stelle, an der die zu- bzw.
abführenden
Kabel möglichst
kurz und daher Kosten sparend ausgebildet werden können.
-
Falls
mehrere Zirkulatoren 39 eingesetzt werden – beispielsweise
verschiedenen Eingangsporten einer Mehrport-Antenne zu schützen – können diese
ebenfalls rotationssymmetrisch um die Längsachse des Kryomagneten 5 angeordnet
werden, da an diesen Orten die Stärke des Hauptmagnetfeldes 7 gleich
bleibt.
-
In 2 wird
nun der Aufbau und die Wechselwirkung des Ferriten mit dem Magnetfeld
nun näher
erläutert.
-
Der
in 2 gezeigte Zirkulator 39 umfasst eine
elektrische Leiterplatte 41, die drei um jeweils 120° versetzte
Tore 43 aufweist. Die hier dargestellte elektrische Leiterplatte 41 ist
Y-förmig
ausgebildet. Sie kann auch andere flächenhafte Formen mit einer Rotationssymmetrie
von 120° aufweisen,
wie sie bei herkömmlichen
Zirkulatoren verwendet werden. Die elektrische Leiterplatte 41 liegt
zwischen zwei scheibenförmig
ausgebildeten Ferriten 45. Die Ferrite 45 ihrerseits
liegen zwischen zwei auf gleichem Potential liegenden Grundplatten,
von denen der Übersichtlichkeit
halber lediglich die hintere Grundplatte 47 gezeigt ist.
-
Der
Zirkulator 39 ist in der Nähe des Kryomagneten 5 derart
angeordnet, dass das durch den Kryomagneten 5 erzeugte
statische Hauptmagnetfeld 7 eine Komponente besitzt, die
senkrecht auf die Ferrite 45 trifft. Auf diese Weise erhalten
die Ferriten 45 ihre gyrotropen Eigenschaften, die dem
Zirkulator 39 die für
ihn typische nicht-reziproke Funktionsweise verleiht. Eine an einem
Tor angebotene Leistung wird an dem nächsten Tor nahezu ungedämpft weitergereicht,
während
das folgende Tor weitgehend entkoppelt ist.
-
Da
der Zirkulator 39 keinen Permanentmagneten mehr für seine
Funktion benötigt,
ist der Zirkulator 39 insgesamt kostengünstiger herzustellen. Darüber hinaus
kann der Zirkulator 39 besser und effizienter gekühlt werden,
da er weniger Komponenten als ein herkömmlicher Zirkulator aufweist,
die darüber
hinaus besser zugänglich
sind. Bei dem hier dargestellten Zirkulator 39 ist an der
hinteren Grundplatte 47 ein zentral angeordneter Kühlkörper 49 schematisch
angedeutet, der die im Zirkulator 39 entstehende Wärme von
dem Zirkulator 39 in die Umgebung ableitet. Da die Kühlung des
Zirkulators 39 einfacher und effizienter ausgestaltet werden
kann, unterliegt die Betriebstemperatur des Zirkulators 39 im Vergleich
zu herkömmlichen
Zirkulatoren geringeren Schwankungen, sodass mit dem Zirkulator 39 eine genauere
und konstantere Signalübertragung
erreicht wird.
-
Weitere
Komponenten des Zirkulators 39, wie beispielsweise Anschlussbuchsen
zum Anschluss von Leitungen an die drei Tore des Zirkulators oder
dielektrische Trennschichten, die die Ferrite 45 umgeben
und zur elektrischen Trennung der Leiterplatte 41 von den
Grundplatten 47 beitragen, sind der Übersichtlichkeit halber nicht
gezeigt, unterscheiden sich aber nicht von bekannten Zirkulatoren.
-
In 3 bis 5 werden
nun verschiedene Anordnungsvarianten des Zirkulators 39 in
einem Hochfrequenzsystem eines Magnet-Resonanz-Gerätes 1 genauer
erläutert.
Dabei wird in 3 bis 5 vornehmlich
das Prinzip möglicher
zweckmä ßiger Anordnungen
des Zirkulators 39 im Hochfrequenzsystem erläutert. Das
Hochfrequenzsystem selbst ist dabei nicht auf die in 3 bis 5 dargestellten
Formen beschränkt.
-
3 zeigt
einen schematischen Ausschnitt aus einem Hochfrequenzsystem eines
Magnet-Resonanz-Gerätes 1,
bei dem der erfindungsgemäße Zirkulator 39 jeweils
an einem Eingangsport einer Hochfrequenzantenne 51 angeordnet
ist. Das Hochfrequenzsystem ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
so ausgelegt, dass mit dem Hochfrequenzsystem zwei verschiedene
Hochfrequenzantennen 51, beispielsweise eine Körperspule
und eine Kopfmatrixspule, über
eine Spulenweiche 53 wahlweise angesteuert werden können. An
den Eingangsporten der Hochfrequenzantennen 51 ist jeweils
ein Zirkulator 39 angeordnet. Das dritte Tor eines jeden
Zirkulators 39 ist dabei mit einer Last 55 abgeschlossen.
-
Die
von dem Hochfrequenzverstärker 19 kommenden
Signale werden durch die Zirkulatoren 39 an die Hochfrequenzantennen 51 weitergereicht, während die
Energie einer Welle, die an den Hochfrequenzantennen 51 reflektiert
wurde, in die Last abgeleitet 55 wird. Auf diese Weise
schützt
der Zirkulator 39 die ihm vorgeschalteten Komponenten wie
beispielsweise den Hochfrequenzverstärker 19, die Spulenweiche 53 oder
die zuführenden
Koaxialkabel 57, die aufgrund dessen kostengünstiger
ausgeführt werden
können,
da sie geringere Belastungen tolerieren müssen. Die Koaxialkabel 57 sind
dabei der Übersichtlichkeit
halber lediglich in einem Abschnitt des Hochfrequenzsystems angedeutet
dargestellt.
-
Zwischen
der Hochfrequenzantennen 51 und den Zirkulatoren 39 befindet
sich jeweils eine Sende-Empfangs-Weiche 59, sodass die
beiden Hochfrequenzantennen 51 auch als Empfangsantennen
verwendet werden können.
Ein von den Hochfrequenzantennen empfangenes Signal wird in diesem Fall
zu einer Empfangseinheit 29 weitergeleitet.
-
4 zeigt
einen schematischen Ausschnitt einer anderen Ausführungsvariante
des Hochfrequenzsystems. Hier ist der Zirkulator 39 am
Ausgangsport des Hochfrequenzverstärkers 19 angeordnet.
Im Vergleich zur Variante in 3 hat diese
Variante den Vorteil, dass lediglich ein Zirkulator 39 notwendig
ist, um den Hochfrequenzverstärker 19 zu schützen. Dafür müssen die
nachfolgenden Bauteile wie die zu den Hochfrequenzantennen 51 führenden Koaxialkabel 59,
die Spulenweiche 53 oder die Sende-Empfangs-Weichen 59 so
bemessen werden, dass sie der Belastung durch eine an den Hochfrequenzantennen 51 reflektierte
Welle standhalten.
-
Bei
den in 3 und 4 gezeigten Varianten ist das
dritte Tor des Zirkulator 39 jeweils mit einer 55 Last
abgeschlossen; der Zirkulator 39 wird so als Einwegleitung
(engl.: „Isolator") verwendet.
-
5 zeigt
eine Ausführungsvariante,
in der die Zirkulatoren 39 ebenfalls an den Eingangsporten der
Hochfrequenzantennen 51 angeordnet sind, aber gleichzeitig
als Sende-Empfangs-Weiche
Verwendung finden. In dieser Ausführungsform ist das dritte Tor
des Zirkulators 39 mit einer Empfangseinheit 29 verbunden,
sodass – falls
die Hochfrequenzantennen 51 für den Empfang von Kernspinsignalen
verwendet werden – das
Empfangssignal durch den Zirkulator 39 zu der Empfangseinheit 29 des
Hochfrequenzsystems weitergeleitet wird.
-
Die
zwischen den Zirkulatoren 39 und der Empfangseinheit 29 geschalteten
Sende-Empfangs-Weichen 59 dienen in diesem Fall dazu, im Sendebetrieb
eine von den Zirkulatoren 39 abgeleitete Leistung in eine
Last abzuleiten. Im Empfangsfall sich die Sende-Empfangs-Weichen 59 derart
geschaltet, dass das vom Zirkulator kommende Signal zur Empfangseinheit 29 weitergeleitet
wird. Dadurch, dass die Sende-Empfangs-Weichen 59 lediglich
eine Belastung durch eine rücklaufende
Leistung tolerieren müssen,
können
sie insgesamt geringer dimensioniert werden, verglichen mit den
Sende-Empfangs-Weichen 59 aus 3 oder 4,
die zusätzlich
zur rücklaufenden
auch die von dem Hochfrequenzverstärker 19 bereitgestellte
Leistung tolerieren müssen.