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Die
Erfindung betrifft einen Zirkulator, geeignet zum Einsatz in einem äußeren Magnetfeld
insbesondere eines Magnetresonanzgeräts, umfassend eine ebene Ferritstruktur.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Magnetresonanzantenneneinrichtung
für ein
Magnetresonanzgerät,
welche einen erfindungsgemäßen Zirkulator
aufweist, sowie das entsprechende Magnetresonanzgerät.
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Zum
Anregen der Kerne bei der Magnetresonanz sowie zum Aufnehmen der
Antwortsignale umfassen Magnetresonanzgeräte Hochfrequenzantennen, insbesondere
Ganzkörperantennen,
die innerhalb des Magneten angeordnet sind und zum Aussenden des
Anregungssignals mit entsprechend hohen Leistungen im Kilowattbereich
angesteuert werden müssen.
Daher ist wenigstens ein Verstärker
vorgesehen, dessen Signal an einen Eingang der Hochfrequenzantenne
gegeben wird. Es wurde vorgeschlagen, statt einem einzigen Verstärker für die gesamte
Antenne mehrere Verstärker
zu verwenden, deren Ausgangssignale zueinander einstellbare Phasendifferenzen
aufweisen, um jeweils ein eigenes Antennenelement zu speisen. So
soll die Intensitätsverteilung
des Sendefelds innerhalb des Anregungsvolumens besser an die Anforderung
der Magnetresonanz angepasst werden. Idealerweise benötigt man
dann statt eines Verstärkers,
der die Gesamtleistung liefert, beispielsweise acht Einzelverstärker, von
denen jeder nur ein Achtel der Gesamtsendeleistung liefern muss.
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Damit
der Verstärker
ideal arbeiten kann, muss die angeschlossene Lastimpedanz stets
50 Ohm entsprechen. Je nach Gewicht und Volumen des zu untersuchenden
Patienten ändert
sich jedoch die Antennenimpedanz und somit die Lastimpedanz für den Verstärker. Eine
Voranpassung kann jedoch immer nur für einen Standardlastfall implementiert werden,
so dass in den meisten Fällen
ein Teil der zur Antenne gesendeten Leistung am Speisepunkt reflektiert
wird und zum Verstärker
zurückgelangt.
Um dieses Problem zu lösen,
sind folgende Möglichkeiten
bekannt.
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Zunächst kann
vorgesehen sein, dass die reflektierte Leistung im Verstärker in
Wärme umgewandelt
wird, was zu einer Überdimensionierung
der Kühlanforderung
und der Baugröße führt. Dies
spiegelt sich in hohen Kosten des Verstärkers wieder. Zudem besteht
das Risiko, dass die Strom- und Spannungsspitzen der Reflektionsleistung
die Endstufe des Verstärkers
zerstören
können.
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Eine
andere Möglichkeit,
bei der der Verstärker
vor reflektierter Leistung geschützt
wird, besteht darin, einen so genannten Anpasstuner zu verwenden,
der die reflektierte Leistung für
jeden Lastfall vor der eigentlichen Messung minimiert. Insbesondere bei
Verwendung mehrerer Verstärker
ist eine solche Vorgehensweise mit Nachteilen verbunden. Zum einen
ist ein sehr hoher Schaltungsaufwand für den Anpasstuner erforderlich,
zum anderen wird der zeitliche Aufwand für den Lastabgleich größer.
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Daher
wurde vorgeschlagen, einen Zirkulator zwischen den Verstärker und
den Anschluss der Magnetresonanzantenne zwischenzuschalten, der die
vom Verstärker
kommende Sendeleistung fast verlustfrei zur Magnetresonanzantenne
weiterleitet, während
die reflektierte Leistung an einen dritten Ausgang des Zirkulators
gelangt und dort in einem Leistungsvernichter, also einem reflektionsfreien Leistungsabschluss,
verbraucht beziehungsweise in Wärme
umgewandelt wird.
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Ein
Zirkulator ist ein nichtreziprokes Hochfrequenzbauelement, wobei
im vorliegenden Fall ein Zirkulator mit drei Anschlüssen verwendet
wird. Ein idealer Zirkulator sorgt dafür, dass ein Signal von einem
Anschluss zu einem anderen in einer Richtung praktisch ungedämpft und
reflektionsfrei weitergeleitet wird. Beispielsweise kann ein Signal
nur von Anschluss 1 nach Anschluss 2, von Anschluss 2 nach Anschluss
3 oder von Anschluss 3 nach Anschluss 1 weitergeleitet werden. Um
diese nichtreziproke Übertragung
zu erreichen, werden Mikrowellenferrite verwendet, die durch ein
starkes magnetisches Feld gesättigt
werden. Die verwendete Ferritstruktur, auch Resonator genannt, wird
dabei im Wesentlichen durch zwei meist zylindrische Ferritplatten
gebildet, zwischen denen eine Leiterbahnstruktur eingeschlossen
wird. Das benötigte
konstante magnetische Feld wird durch oberhalb und unterhalb der
Ferritstruktur angeordnete Permanentmagneten erzeugt. Ein Gehäuse beziehungsweise
dessen Deckel dient oft als ein Joch zum Schließen des magnetischen Kreises.
Magnetische Feldlinien sind grundsätzlich geschlossen, wobei es
zur Erzeugung eines prädizierbaren
magnetischen Feldes üblich
ist, das magnetische Feld über
besonders gut leitende Komponenten zu einem magnetischen Kreis zusammenzuschließen, um
Streufeldverluste möglichst
zu vermeiden. Durch solche Feldleitelemente kann der magnetische
Fluss in bestimmten gewollten Bahnen geleitet werden.
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Um
einen möglichst
idealen Zirkulator zu erhalten, ist es wichtig, den richtigen Arbeitspunkt
zu finden, also insbesondere ein optimales Betriebsfeld zu finden.
Für reale
Zirkulatoren ist zudem bekannt, dass eine Temperaturabhängigkeit
besteht. Der bekannte Zirkulator benötigt demnach ein statisches magnetisches
Betriebsfeld von bestimmter Größe, welches
durch Permanentmagnete hergestellt wird.
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Derartige,
vergleichsweise aufwändige
Zirkulatoren werden beispielsweise in
US 2002/0039054 A1
,
EP 0 117 879 A1 und
in
US 5 128 635 A beschrieben.
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Bei
Magnetresonanzgeräten
beziehungsweise Magnetresonanzantenneneinrichtungen soll die Kabeldämpfung,
das heißt
Verluste durch zu lange Kabel, möglichst
minimiert werden, so dass der Verstärker in der Nähe der Antenne
angeordnet werden sollte. Hierdurch sinkt die Leistungsanforderung
an den Verstärker
deutlich. Dies bedeutet für
die Möglichkeit
einer Auskopplung der reflektierten Leistung durch Zirkulatoren,
dass diese ebenso im Bereich der Antenne angeordnet werden müssen, wo
allerdings das starke Streumagnetfeld des Magnetresonanzgeräts das im
Bereich der Ferritstruktur anliegende Feld vom optimalen Betriebsfeld
weg verändert,
so dass der Zirkulator seine Funktion verliert. Zudem ändern sich
die magnetischen Eigenschaften der Permanentmagneten durch das starke
Streufeld des Magnetresonanzgerätes
nachhaltig. Eine Platzierung in der Nähe des Magnetresonanzgeräts ist in
diesem Fall nicht sinnvoll.
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Zur
Lösung
dieser Problematik wurde vorgeschlagen, einen Zirkulator ohne Permanentmagnete zu
verwenden, der sich das grundsätzlich „störende” Streufeld
des Magnetresonanzgeräts
zunutze macht. Hierzu müsste
man den Zirkulator an geeigneten Positionen im Streufeld anbringen,
an dem Orientierung und Größe des Magnetfeldes
mit dem optimalen Betriebsfeld, wie es durch den vorher entfernten
Permanentmagneten erzeugt wurde, übereinstimmt. Diese Lösung dürfte letztendlich
jedoch nur in seltenen Fällen
praktikabel sein, da zum einen konstruktive Einschränkungen,
beispielsweise die Befestigung, die Kühlung oder die Verkabelung,
nicht erlauben, den Zirkulator exakt an den passenden Stellen im
Streufeld anzuordnen. Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch,
dass das Streufeld über
die Zeit nicht konstant ist und auch dadurch Störungen auftreten können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zirkulator anzugeben,
der unter einer größeren Anzahl
externer Streufeldbedingungen verwendbar und daher freier platzierbar
ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einem Zirkulator der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass zur Erzeugung eines senkrecht durch die Ferritstruktur verlaufenden
Betriebsfeldes anstelle eines Permanentmagneten eine zur Verstärkung oder
Abschwächung
des äußeren Magnetfeldes
des Magnetresonanzgerätes
ausgebildete Feldleiteinrichtung vorgesehen ist.
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In
einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist
zur Erzeugung des Betriebsfeldes zusätzlich wenigstens ein Elektromagnet
vorgesehen.
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Eine
Variante zur Anpassung an verschiedene Positionen beziehungsweise
verschiedene äußere Magnetfelder
oder Bedingungen ist gegeben, wenn der Zirkulator eine Verstelleinrichtung
zur Verkippung des Zirkulators im montierten Zustand aufweist oder
dem montierten Zirkulator eine Verstelleinrichtung zugeordnet ist. Änderungen
der Feldrichtung des äußeren Magnetfelds
können
auf diese Weise ausgeglichen werden. Der Zirkulator ist in verschiedene
Positionen bringbar, die gemäß dem äußeren Magnetfeld
bestimmt werden können.
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Ein äußeres Magnetfeld,
beispielsweise das Streufeld eines Magnetresonanzgeräts, ist
häufig Schwankungen
unterworfen, die auch einen Einfluss auf die Funktionsfähigkeit
des Zirkulators haben können.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann daher
vorgesehen sein, dass der Zirkulator einen Magnetfeldsensor umfasst,
wobei die Bestromung des Elektromagneten und/oder die Breite des
Luftspalts und/oder die Kippstellung des Zirkulators aufgrund der
Messwerte des Magnetfeldsensors einstellbar ist. Dazu kann eine
Steuereinrichtung vorgesehen sein, die die Messwerte des Magnetfeldsensors,
der beispielsweise als eine Hall-Sonde ausgebildet sein kann, erfasst
und in der gegebenen Ausgestaltung des Zirkulators bestimmt, bei
welchen Einstellungen ein optimales Betriebsfeld durch die Ferritstruktur
erreicht wird. Entsprechend kann eine solche Steuereinrichtung dann
die verschiedenen Komponenten – den
Elektromagneten und/oder die Einstelleinrichtung und/oder die Stelleinrichtung – ansteuern.
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In
einer alternativen Ausgestaltung des Zirkulators weist dieser anstelle
des Permanentmagneten wenigstens einen Elektromagneten zur Erzeugung
des senkrecht durch die Ferritstruktur verlaufenden Betriebsfeldes
auf. Darüber
hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Zirkulator durch die oben bereits
beschriebene Verstelleinrichtung zur Verkippung des Zirkulators
aus.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Zirkulators weist
dieser anstelle des Permanentmagneten ebenfalls wenigstens einen
Elektromagneten zur Erzeugung des senkrecht durch die Ferritstruktur
verlaufenden Betriebsfeldes auf. Der erfindungsgemäße Zirkulator
zeichnet sich hier durch den ebenfalls oben beschriebenen Magnetfeldsensor aus.
Auch hier sind die Bestromung des Elektromagneten und/oder die Breite
des Luftspalts und/oder eine Kippstellung des Zirkulators aufgrund
der Messwerte des Magnetfeldsensors einstellbar.
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Erfindungsgemäß ist demnach
in den verschiedenen Ausgestaltungen vorgesehen, den Permanentmagneten
nicht nur einfach wegzulassen, sondern durch eine feldbeeinflussende
Feldleiteinrichtung und/oder einen Elektromagneten, der ansteuerbar
ein bestimmtes Elektromagnetfeld erzeugt, zu ersetzen. Durch diese
Zusatzmaßnahmen
ist es möglich,
Abweichungen des Streufeldes vom optimalen Betriebsfeld zu korrigieren,
im Extremfall jedoch auch, dem Streufeld zur Erzeugung des optimalen Betriebsfelds
entgegenzuwirken. Es ist demnach im Rahmen der Erfindung nicht nur
möglich,
das äußere Magnetfeld
zu nutzen und mittels der Feldleiteinrichtung und/oder dem wenigstens
einen Elektromagneten entsprechend zu formen, sondern bei entsprechender
Auslegung der Komponenten auch völlig umzugestalten,
so dass ein funktionsfähiger
Zirkulator gewährleistet
wird. Eine Feldleiteinrichtung, deren Komponenten beziehungsweise
Feldleitelemente eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, kann
beispielsweise genutzt werden, um ein zu schwaches äußeres Magnetfeld
am Ort der Ferritstruktur zu verstärken, aber auch, ein zu starkes äußeres Magnetfeld
abzuschirmen und daher abzuschwächen.
Auch Richtungskorrekturen sind bei entsprechender Auslegung der
Feldleiteinrichtung denkbar. Über
den Elektromagneten kann ein regelbares Elektromagnetfeld erzeugt
werden, das dem äußeren Magnetfeld,
insbesondere dem Streufeld, im Bereich der Ferritstruktur überlagert
wird und das vorhandene äußere Magnetfeld
unterstützt,
abschwächt,
unter Umständen
jedoch auch ganz ersetzt oder überkompensiert.
In einer Kombination beider Maßnahmen
kann beispielsweise die Feldleiteinrichtung eine Grobanpassung ermöglichen
und durch den Elektromagneten eine Feinkorrektur erfolgen.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
Zirkulatoren praktikabel zwischen den Verstärkern und der Magnetresonanzantenne
zu verwenden, so dass die Verstärker
für geringere
Maximalspannungen beziehungsweise -ströme ausgelegt werden können. Dies führt zu einer
Reduzierung von Kosten, Baugröße und Kühlleistung.
Der Zirkulator kann durch die Verwendung der Feldleiteinrichtung
und/oder des Elektromagneten vorteilhafterweise an nahezu beliebigen Stellen
innerhalb des Streufelds eines Magnetresonanzgeräts angeordnet werden, insbesondere
sogar unmittelbar am Magnetgehäuse
angebracht werden. Dadurch können
mechanische und konstruktive Randbedingungen erfüllt werden, die einen tatsächlichen
Einsatz erst ermöglichen.
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Da
zum Betrieb des Zirkulators im Bereich der Ferritstruktur ein homogenes
Magnetfeld benötigt wird,
können
zweckmäßigerweise
auf der oberen und der unteren Seite der Ferritstruktur Homogenisierungselemente,
insbesondere Eisenscheiben zur Homogenisierung und senkrechten Ausrichtung
des Betriebsfeldes im Bereich der Ferritstruktur vorgesehen sein.
Die Homogenisierungselemente, häufig auch
Polscheiben genannt, haben vorzugsweise mindestens die Ausmessungen
der insbesondere zylindrischen Ferritstruktur und überdecken
diese folglich beidseitig. Da die Feldlinien aus dem Material des
Homogenisierungselements senkrecht austreten, ist ein homogenes,
insbesondere senkrecht zu den Ferritscheiben ausgerichtetes Betriebsfeld
gesichert.
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Wie
bereits erwähnt,
kann die Feldleiteinrichtung zur Abschirmung des äußeren Magnetfeldes dienen.
Dazu kann vorgesehen sein, dass die Feldleiteinrichtung ein die
Ferritstruktur umgebendes, das magnetische Feld um die Ferritstruktur
leitendes Abschirmgehäuse
umfasst. Die Feldleiteinrichtung, deren Bestandteile allgemein aus
einem Material mit einer hohen magnetischen Permeabilität bestehen, wirkt
in diesem Fall als eine Art „Bypass”, da aufgrund
des hohen Wertes für
die magnetische Permeabilität
des Abschirmgehäuses
die Feldlinien bevorzugt in dem Abschirmgehäuse verlaufen, wodurch im Inneren
des Gehäuses
ein reduziertes Magnetfeld vorliegt.
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Ist
zusätzlich
zur Feldleiteinrichtung auch ein Elektromagnet vorgesehen, so kann
das Abschirmgehäuse
zumindest teilweise einen Teil des magnetischen Kreises zum Schließen der
Feldlinien des durch den Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes bilden.
Das Abschirmgehäuse
wirkt dann sozusagen als ein Joch, da auch die Feldlinien des vom
Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes bevorzugt durch das Abschirmgehäuse verlaufen.
Auf diese Weise werden die Streufeldverluste des Elektromagnetfeldes
reduziert. Zweckmäßigerweise
kann auf der dem einen Elektromagnet gegenüberliegenden Seite der Ferritstruktur
und/oder zwischen dem Elektromagnet und dem Abschirmgehäuse ein
einen Teil des magnetischen Kreises bildendes Feldleitelement vorgesehen
sein. Auf diese Weise werden auch Luftspalte innerhalb des Gehäuses geschlossen,
so dass sich insbesondere ein kompletter, geschlossener Kreis ergibt.
Bei der Auslegung einer solchen Ausgestaltung ist allerdings zu
beachten, dass ein Teil des äußeren Magnetfeldes
in dieser Ausgestaltung über
die Feldleitelemente und den Elektromagneten sowie, falls vorhanden,
dessen Kern, durch das Gehäuse
geleitet werden. Dieser Effekt kann jedoch sogar erwünscht sein.
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Soll
im Falle eines Abschirmgehäuses
die Abschirmwirkung nicht beeinträchtigt werden beziehungsweise
ist gar kein Abschirmgehäuse
vorgesehen, so kann ein Joch zum Schließen der Feldlinien des vom
Elektromagneten erzeugten Feldes vorgesehen sein, das beispielsweise
unmittelbar am Elektromagneten und auf der anderen Seite an der
Ferritstruktur oder einem Homogenisierungselement angreift.
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Wie
bereits erwähnt,
kann die Feldleiteinrichtung jedoch auch zur Verstärkung eines äußeren Magnetfelds
dienen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Feldleiteinrichtung
wenigstens ein koaxial zur Ferritstruktur angeordnetes, zum Verstärken oder
Abschwächen
des äußeren Magnetfeldes
im bereich der Ferritstruktur insbesondere zumindest teilweise konisch
geformtes Feldleitelement vorgesehen sein. Aufgrund der hohen Permeabilität des Feldleitelements
verlaufen die Feldlinien vorzugsweise innerhalb des Feldleitelements.
Ist dieses nun von einer sich zu der Ferritstruktur hin verjüngenden
Form, so werden die Feldlinien gebündelt und das Feld wird somit
im verjüngten
Teil verstärkt.
Genau so gut ist es allerdings möglich,
dass diese Ausgestaltungsform zum Abschwächen des äußeren Feldes dient, wenn sich
der Querschnitt des Feldleitelements zur Ferritstruktur hin erweitert.
Durch die spezielle Formgebung können
für ein
festes äußeres Magnetfeld
beliebige Betriebsfelder erzeugt werden.
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Wie
bereits erwähnt,
ist es über
den Elektromagneten möglich,
ein regelbares Elektromagnetfeld zu erzeugen, so dass der Zirkulator
bei Verwendung eines Elektromagneten nicht für eine spezielle Position,
das bedeutet, ein spezielles äußeres Magnetfeld, optimiert
ist, sondern eine vielseitige Einsetzbarkeit besteht. Anpassungsmöglichkeiten
an verschiedene äußere Magnetfelder
sind jedoch auch auf andere Arten denkbar.
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So
kann in Weiterführung
des Erfindungsgedanken vorgesehen sein, dass der magnetische Kreis
zum Schließen
der Feldlinien des vom Elektromagneten erzeugten Feldes oder der
Feldleitungspfad der Feldlinien des äußeren Feldes im Zirkulator einen
Luftspalt umfasst, dessen Breite einstellbar ist. Ein Luftspalt
führt,
wie bereits oben erwähnt,
zu Streufeldverlusten, so dass über
die Breite des Luftspalts letztendlich die Stärke des Betriebsfeldes an der
Ferritstruktur einstellbar ist. Die Einstellung kann über eine
von außen
gesteuerte, beispielsweise über
einen Motor angetriebene, entsprechende Einstelleinrichtung erfolgen,
jedoch sind auch einfache Ausgestaltungen denkbar, in denen beispielsweise eine
verschiedene Anzahl von Eisenblättchen
oder Blättchen
aus anderen ferromagnetischen Werkstoffen in den Luftspalt eingebracht
werden kann.
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Doch
nicht nur eine Veränderung
des äußeren Magnetfelds
hat einen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Zirkulators, das
optimale Betriebsfeld hängt
zudem von der Temperatur im Bereich der Ferritstruktur ab. In weiterer
vorteilhafter Ausgestaltung umfasst der Zirkulator daher einen Temperatursensor,
wobei die Bestromung des Elektromagneten und/oder die Breite des
Luftspalts aufgrund der Messwerte einstellbar ist. Ein solcher Temperatursensor
kann beispielsweise als Pad unmittelbar an der Ferritstruktur angeordnet
sein. Temperaturänderungen
entstehen nicht nur durch die Umgebung, sondern beispielsweise durch
den Betrieb des Elektromagneten. Auch hier kann eine Steuereinrichtung vorgesehen
sein, die den Temperatursensor ausliest und in der eine mathematische
Beziehung oder Wertetabelle abgelegt ist, die die gemessene Temperatur zu
einem optimalen Betriebsfeld in Relation setzt. Entsprechend kann
dann die Einstellung der die Größe des Betriebsfelds
beeinflussenden Einrichtungen erfolgen.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn ein Magnetfeldsensor und ein Temperatursensor vorgesehen
sind, denen eine gemeinsame Steuereinrichtung zugeordnet ist, die
die entsprechenden Einrichtungen des Zirkulators entsprechend ansteuert.
Dann ist unter den verschiedenen Bedingungen immer ein möglichst
optimales Betriebsfeld gesichert.
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Wie
bereits erwähnt,
erzeugt insbesondere der Betrieb des Elektromagneten, der hinreichend stark
ausgelegt sein sollte, Wärme.
Daher kann vorgesehen sein, dass der Zirkulator eine Kühlvorrichtung
zur Flüssigkeitskühlung und/oder
Strahlungskühlung
und/oder als Wärmetauscher
umfasst. Ein Kühlelement der
Kühlvorrichtung
kann beispielsweise auf der dem Elektromagneten gegenüberliegenden
Seite der Ferritstruktur angeordnet sein, beispielsweise ein von
Wasser durchströmter
Kühlblock. Ist
dieser zusätzlich
als Feldleitelement ausgestaltet, so erfüllt er eine Doppelfunktion:
Als Kühlelement und
als Feldleitelement eines magnetischen Kreises beziehungsweise auf
dem Feldleitungspfad der Feldlinien des äußeren Magnetfelds.
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Dabei
ist es nicht notwendig, sich auf lediglich einen Elektromagneten
zu beschränken.
Beispielsweise können – analog
der bekannten Ausgestaltung mit einem Permanentmagneten auf jeder Seite
der Ferritstruktur beim herkömmlichen
Zirkulator – zwei
insbesondere gleiche Elektromagneten vorgesehen sein, die auf sich
gegenüberliegenden Seiten
der Ferritstruktur angeordnet sind. Eine solche symmetrische Anordnung
vereinfacht die Einstellung des optimalen Betriebsfeldes insbesondere auch
im Hinblick auf dessen Homogenität.
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Der
Elektromagnet kann beispielsweise eine Spule im Bereich von 80–120 mH
umfassen. In einem Streufeld beispielsweise eines Magnetresonanzgerätes liegen
beispielsweise Felder im Bereich von mehreren hundert mT auch in
Randbereichen noch vor. Wenn ein geeignet hoher Strom angelegt wird,
kann über
eine solche Spule ein Streufeld in dieser Höhe hinreichend abgeschwächt oder
gar kompensiert oder überkompensiert
werden.
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Um
die Wirkung des Elektromagneten noch zu verstärken, kann der Elektromagnet
einen Kern umfassen. Insbesondere kann ein solcher Kern über die
Länge einer
Spule hin verlängert
sein, um beispielsweise andere Feldleitelemente zu kontaktieren.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum Betrieb eines Zirkulators anzugeben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
geht von einem Zirkulator aus, der zum Erzeugen des Betriebsfeldes
eine Feldleiteinrichtung sowie einen Elektromagneten aufweist. Mit
dem Elektromagneten wird ein regelbares Elektromagnetfeld erzeugt,
das dem äußeren Magnetfeld
im Bereich der Ferritstruktur überlagert
wird, wobei mit der Feldleiteinrichtung eine Grobanpassung des Betriebsfeldes
und durch den Elektromagneten eine Feinkorrektur erfolgt.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Magnetresonanzantenneneinrichtung
für ein
Magnetresonanzgerät
sowie ein entsprechendes Magnetresonanzgerät anzugeben, bei denen die oben
genannten Nachteile überwunden
werden.
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Eine
erfindungsgemäße Magnetresonanzantenneneinrichtung
zur Lösung
dieser Aufgabe umfaßt eine
Magnetresonanzantenne mit wenigstens einem Anschluss und wenigstens
einen einem Anschluss zugeordneten Verstärker zur Ansteuerung der Magnetresonanzantenne,
die sich dadurch auszeichnet, dass zwischen den Verstärker und
den Anschluss ein erfindungsgemäßer Zirkulator
zwischengeschaltet ist, so dass von der Magnetresonanzantenne reflektierte
Leistung in einen an den Zirkulator angeschlossenen Leistungsvernichter
ableitbar ist. In einer solchen Magnetresonanzantenneneinrichtung
sind alle bislang beschriebenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Zirkulators
realisierbar. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Magnetresonanzantenneneinrichtung
eine mit dem Zirkulator bewegungsgekoppelte Verstelleinrichtung
zum Verkippen des Zirkulators umfasst. In diesem Fall bildet die
Verstelleinrichtung keinen Teil des Zirkulators, sondern ist diesem
zugeordnet. Sind mehrere Verstärker
für verschiedene
Antennenelemente vorgesehen, so kann selbstverständlich jedem dieser Verstärker und Antennenelemente
ein Zirkulator zugeordnet sein.
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Schließlich betrifft
die Erfindung auch ein Magnetresonanzgerät, das eine Magnetresonanzantenneneinrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Zirkulators
in einem Magnetresonanzgerät
ist eine größere Freiheit
in der Anordnung des Zirkulators gegeben, die den mechanischen und konstruktiven
Randbedingungen entspricht.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzantenneneinrichtung,
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Zirkulators
im Querschnitt,
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Zirkulators
im Querschnitt, wobei die zugehörige
Ansteuerung nur schematisch dargestellt ist,
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4 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Zirkulators
im Querschnitt, und
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5 ein
erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät.
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1 zeigt
den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzantenneneinrichtung 1. Sie
umfasst einen Verstärker 2 zur
Verstärkung
der von einer Magnetresonanzantenne 3 auszusendenden Sendesignale.
Zwischen den Verstärker 2 und die
Magnetresonanzantenne 3 ist ein erfindungsgemäßer Zirkulator 4 geschaltet,
der drei Anschlüsse
I, II und III aufweist. Liegt das richtige Betriebsfeld an der hier
nicht näher
dargestellten Ferritstruktur des Zirkulators 4 an, so werden
Signale vom Anschluss I an den Anschluss II weitergeleitet, vom
Anschluss II an den Anschluss III und vom Anschluss III an den Anschluss
I, wie durch den Pfeil angedeutet. Auf diese Weise wird von der
Magnetresonanzantenne 3 reflektierte Leistung über den
Anschluss III im Wesentlichen vollständig einem Leistungsvernichter 5,
also einem reflektionsfreien Abschluss, zugeleitet. Der Verstärker 2 muss
daher nicht überdimensioniert werden.
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Der
Zirkulator 4 soll geeignet sein, in dem äußeren Magnetfeld
eines Magnetresonanzgeräts
betrieben zu werden, wobei eine möglichst weite Auswahl an Positionierungsmöglichkeiten
gegeben sein soll. Verschiedene Ausgestaltungen des Zirkulators 4 werden
mit Bezug auf die 2 bis 4 dargestellt.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Zirkulators 4a im Querschnitt. Er umfasst eine Ferritstruktur 6,
die beidseitig von Eisenscheiben 7, die als Homogenisierungselemente
dienen und zwischen sich ein homogenes, senkrecht zur Ferritstruktur 6 ausgerichtetes
Magnetfeld erzeugen, überdeckt ist.
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Aufgrund
der Querschnittsansicht sind nur die Anschlüsse I und II zu sehen. Der
Zirkulator 4a ist in einem äußeren Magnetfeld angeordnet,
das in diesem Fall zu schwach ist, um als Betriebsfeld für die Ferritstruktur 6 zu
dienen. Daher ist eine Feldleiteinrichtung vorgesehen, die ein sich
zu der Ferritstruktur 6 hin konisch verjüngendes
Feldleitelement 8 umfasst. Durch dieses werden, wie durch
die den Feldverlauf darstellenden Pfeile dargestellt, die Feldlinien zu
der Ferritstruktur 6 hin verdichtet, so dass dort ein stärkeres Feld
vorliegt, das als Betriebsfeld für
die Ferritstruktur 6 dienen kann. Das Feld wird mittels
eines weiteren Feldleitelements 9, das auf der dem Feldleitelement 8 gegenüberliegenden
Seite angeordnet ist, wieder nach außen weitergeleitet. Zur Stabilisierung
des Zirkulators 4a ist ein nichtmagnetisches Gehäuse 10 vorgesehen.
Mit einer einfachen Konstruktion ist es demnach möglich, das äußere Magnetfeld
so zu formen, dass es als Betriebsfeld für die Ferritstruktur 6 genutzt
werden kann. Im Übrigen sei
darauf hingewiesen, dass der Zirkulator 4a gegenüber dem äußeren Feld
auch leicht geneigt sein kann, da aufgrund der Randbedingungen die
Feldlinien immer senkrecht in das Feldleitelement 8 eintreten,
so dass der Winkel wieder korrigiert wird. Bei sich verändernden
Orientierungen des äußeren Feldes
kann auch eine Verstelleinrichtung vorgesehen sein, mittels der
der Zirkulator 4a verschwenkbar ist. Diese ist hier nicht
näher dargestellt.
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Die
Feldleitelemente 8 und 9 bestehen aus einem Material
mit möglichst
hoher magnetischer Permeabilität,
um das Feld möglichst
optimal zu leiten.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Bestandteile des Zirkulators 4b, die mit denen des ersten
Ausführungsbeispiels übereinstimmen,
sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wiederum ist eine Ferritstruktur 6 vorgesehen,
die in diesem Fall allerdings nicht von Eisenscheiben eingeschlossen
ist, obwohl dies auch hier möglich
wäre. Der
Zirkulator 4b umfasst einen Elektromagneten 11,
der geometrisch so dimensioniert ist, dass er mit seiner zentralen Durchgangsöffnung genau
auf die Ferritstruktur 6 aufsetzbar ist. Auf diese Weise
kann ein möglichst unmittelbarer
Anschluss der Ferritstruktur 6 an einen Kern 12 des
Elektromagneten 11 realisiert werden. Der Kern 12 ist
so verlängert,
dass er in Kontakt mit einem Abschirmgehäuse 13 steht, das
die Anordnung vollständig
umgibt. Das Abschirmgehäuse 13 ist
zum einen Teil der Feldleiteinrichtung, zum anderen dient es als
Joch zum Schließen
der Feldlinien des vom Elektromagneten 11 erzeugten Feldes. Gänzlich geschlossen
wird dieser magnetische Kreis durch ein auf der gegenüberliegenden
Seite der Ferritstruktur 6 im Verhältnis zum Elektromagneten 11 angeordnetes
Kühlelement 14,
das so ausgestaltet ist, dass es auch als Feldleitelement dient.
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Wie
bereits erwähnt,
ist das Abschirmgehäuse 13 Teil
der Feldleiteinrichtung. Durch dieses werden ein guter Teil der
Feldlinien des äußeren Feldes, wie
durch die Pfeile wiederum angedeutet, um das Innere des Abschirmgehäuses 13 herumgeleitet.
Ein anderer Teil der Feldlinien des äußeren Feldes durchquert über den
Kern 12, die Ferritstruktur 6 und das Kühlelement 14 das
Innere des Abschirmgehäuses 13.
Die Feldleiteinrichtung, umfassend das Abschirmgehäuse 13,
den Kern 12 und das Kühlelement 14,
ist nun so ausgestaltet, dass das äußere Magnetfeld derart abgeschwächt ist,
dass es im Wesentlichen als Betriebsfeld für die Ferritstruktur 6 dienen
kann. Um ein optimales Betriebsfeld zu erzeugen, wird der Elektromagnet 11 noch
entsprechend bestromt.
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Das
Kühlelement 14 gehört zu einer
als Wasserkühlung
ausgebildeten Kühlvorrichtung 15,
die vorgesehen ist, um der Wärmeentwicklung
durch den Elektromagneten 11 entgegenzuwirken. Über eine Zu-
und Ableitung 16 zugeführtes
Wasser wird durch innerhalb des Kühlelements 14 vorgesehene
Kanäle geleitet.
Die Ansteuerung der Kühlvorrichtung 15 erfolgt
mittels einer Steuereinrichtung 17, über die auch der Elektromagnet 11 und
eine bei 18 aus Übersichtlichkeitsgründen lediglich
angedeutete Verstelleinrichtung, mit Hilfe derer der Zirkulator 4b verkippbar ist,
angesteuert werden.
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Das
in der Ferritstruktur 6 vorliegende Magnetfeld ist nach
allem vorher Gesagten bei fester Bestromung des Elektromagneten 11 von
der Stärke und
gegebenenfalls Orientierung des äußeren Magnetfelds
abhängig.
Gleichzeitig gilt jedoch, dass das optimale Betriebsfeld von der
Temperatur der Ferritstruktur 6 abhängig ist. Der Zirkulator 4b ist
jedoch dazu ausgebildet, auf solche Veränderungen der Betriebsbedingungen
dynamisch zu reagieren und so jederzeit ein optimales Betriebsfeld
und somit eine optimale Funktionsfähigkeit des Zirkulators zu
erreichen. Dazu umfasst der Zirkulator 4b einen auf dem Abschirmgehäuse 13 angeordneten
Magnetfeldsensor 19 in Form einer Hall-Sonde, mit dem das äußere Magnetfeld
gemessen werden kann. Weiterhin ist zwischen dem Kern 12 und
der Ferritstruktur 6, also unmittelbar anliegend an der
Ferritstruktur 6, ein Temperatursensor 20 vorgesehen.
Sowohl der Magnetfeldsensor 19 als auch der Temperatursensor 20 liefern
ihre Messdaten an die Steuereinrichtung 17, wo anhand der
Daten über
das äußere Magnetfeld überprüft wird,
ob das aufgrund der Temperaturmessdaten erforderliche optimale Betriebsfeld
bei den momentanen Betriebsbedingungen noch aufrechterhalten wird.
Ist das nicht der Fall, so ist die Steuereinrichtung ausgebildet,
den Elektromagneten 11 sowie die Verstelleinrichtung 18 so
anzusteuern, dass wieder ein optimales Betriebsfeld in der Ferritstruktur 6 vorliegt.
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In 3 nicht
näher dargestellt
ist eine weitere Möglichkeit
zur Einstellung des Magnetfeldes in der Ferritstruktur 6,
die auch im ersten Ausführungsbeispiel
verwendet werden kann. So kann im magnetischen Kreis beziehungsweise
auf dem Weg der Feldlinien des äußeren Feldes
ein einstellbarer Luftspalt vorgesehen sein. Denkbar wäre es beispielsweise,
den oberen Teil des Kerns 12 abzutrennen und durch das
Abschirmgehäuse 13 hindurchzuführen, so
dass sein Abstand zum unteren Teil des Kerns 12 variiert
werden kann. Hierfür
kann eine Einstelleinrichtung vorgesehen sein, die auch über die Steuereinrichtung 17 ansteuerbar
ist. Auf diese Weise ergibt sich ein weiterer Freiheitsgrad zur
Einstellung des Feldes, da es durch den Luftspalt zu Streufeldverlusten
kommt. Das bedeutet, je größer der Luftspalt,
desto geringer das Feld an der Ferritstruktur 6.
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Die
Steuereinrichtung 17 muss nicht, wie hier dargestellt,
außerhalb
des Zirkulators 4b angeordnet sein, sondern kann selbstverständlich auch
vorteilhafterweise in diesen integriert sein. Auch die Positionen
der Sensoren können
verschiedlich gewählt werden.
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4 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Zirkulators 4c,
wobei hier der Übersichtlichkeit
halber die Ansteuerungselektronik und das magnetische Feld nicht
dargestellt sind. Eine Ferritstruktur 6 ist zwischen zwei
Eisenscheiben 7 als Homogenisierungselemente angeordnet.
Auf gegenüberliegenden
Seiten der Ferritstruktur 6 ist jeweils ein Elektromagnet 11a, 11b angeordnet,
wobei die Elektromagneten 11a und 11b gleich ausgestaltete
Spulen sind. Der magnetische Kreis wird durch ein Joch 21 geschlossen.
Auch in diesem Fall sind wiederum ein Temperatursensor 20 und
ein Magnetfeldsensor 19 vorgesehen.
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Selbstverständlich kann
auch beim Zirkulator 4c zusätzlich ein Abschirmgehäuse vorgesehen
sein, so dass letztendlich wenig Feld in das Innere durchdringt
und das Betriebsfeld im Wesentlichen durch die Elektromagneten 11a und 11b bestimmt
wird. Auch sonstige Feldleitelemente können eingesetzt werden. Zudem
ist es auch hier sinnvoll, eine Kühlvorrichtung 15 vorzusehen,
die in 4 jedoch nur angedeutet ist.
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Auch
beim Zirkulator 4c sind weitere Einstellmöglichkeiten
realisierbar. So kann beispielsweise das Joch 21 in seiner
Höhe verstellbar
sein, so dass ein Luftspalt in dem magnetischen Kreis gebildet werden
kann. Zudem kann auch dem Zirkulator 4c eine Verstelleinrichtung
zur Verkippung des Zirkulators 4c zugeordnet sein oder
dieser kann eine solche aufweisen.
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Die
Elektromagneten 11, 11a und 11b können jeweils
als Spule ausgebildet sein. Ist der Zirkulator 4 zur Nutzung
in einem Magnetresonanzgerät vorgesehen,
so wird meist mit Feldern im Bereich von mehreren 10 oder mehreren
100 mT gearbeitet werden. Zum Vergleich: Das optimale Betriebsfeld
einer Ferritstruktur 6 kann bei 30°C beispielsweise bei etwa 47
mT liegen, bei 70°C
etwa bei 40 mT. Für
einen Betrieb unter solchen Bedingungen können die Spulen beispielsweise
Induktivitäten
von 80 bis 120 mH aufweisen.
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5 zeigt
schließlich
ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 22,
das eine Magnetresonanzantenneneinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst.
