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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Struktur hoher lateraler Impedanz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Tomographen mit einer Struktur hoher lateraler Impedanz.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Strukturen hoher lateraler Impedanz, deren Anwendung im Zusammenhang mit Spulen und Antennen sowie mit dem Einsatz dieser in einem Magnetresonanztomographen. Jedoch können die Strukturen und Anordnungen auch für sonstige Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise ist ein Einsatz in Sende- und Empfangseinrichtungen für elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder, für RFID-Anwendungen, für Antennen-Arrays, zum Beam-Forming sowie insbesondere für Anwendungen in den Bereichen Rundfunkwellen und Mikrowellen etc. möglich.
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Leitende Oberflächen können als Reflektor oder Abschirmung verwendet werden. Diese führen jedoch zu einer Phaseninversion reflektierter Wellen und ermöglichen die Induktion eines Gegenstroms oder die Ausbreitung von Oberflächen-Wellen, was zu unerwünschten Auslöschungseffekten und Verlusten führen kann. Spezielle Strukturen, sogenannte Strukturen hoher lateraler Impedanz, können diese unerwünschten Effekte verhindern oder minimieren, indem diese Strukturen zwar Gleichströme leiten, jedoch in einem bestimmten Frequenzbereich für Wechselströme nicht-leitend wirken.
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Resistiv und/oder reaktiv wirkende Schichten werden in der Regel charakterisiert, indem ein auf die Fläche dieser Schicht bezogener Widerstandswert oder Impedanzwert, insbesondere der sogenannte Flächenwiderstand, angegeben wird. Analog dazu weist eine Struktur hoher lateraler Impedanz eine hohe Flächenimpedanz bzw. hohe Impedanz in der Fläche, also in lateraler Richtung, auf.
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Bei solchen Strukturen hoher lateraler Impedanz ergeben sich im Vergleich zu metallisch leitenden Oberflächen Unterschiede in Bezug auf ausbreitungsfähige Wellenmoden. Beispielsweise ist es bei bestimmten Frequenzen möglich, dass transversale elektrische Wellen auf der Oberfläche ausbreitungsfähig sind, wobei elektrische Feldlinien lateral und in der Ausbreitungsrichtung verlaufen, während magnetische Feldlinien außerhalb der Struktur im wesentlichen kreisförmig verlaufen. Da bei den Frequenzen, bei denen die Strukturen hohe laterale Impedanzen aufweisen, trotz hoher elektrischer Feldstärken tangentiale magnetische Felder gering sind, werden Strukturen hoher lateraler Impedanz auch als ”magnetische Leiter” bezeichnet.
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Strukturen hoher lateraler Impedanz – auch ”High Impedance Surfaces” oder HIS-Strukturen genannt – können als Abschirmung und/oder Reflektoren für Antennen eingesetzt werden. Hierbei können durch die hohe laterale Impedanz und die damit einhergehende Reduktion lateraler Rückströme die Strahlungseigenschaften und Richtcharakteristiken verbessert bzw. Verluste verringert werden. Weiter ist es möglich, mit einer HIS-Struktur die Eigenschaften einer dieser zugeordneten Antenne derart zu beeinflussen, dass Verluste durch Einsatz von, insbesondere schmalbandigen, Anpaßnetzwerken verringert oder vermieden werden können. Im Gegensatz zu einer durchgehend metallisch leitenden Fläche kann mit einer HIS-Struktur nämlich eine Abschirmung zur Rückseite hin erreicht werden, ohne dass Rückströme in dieser zu Verlusten und/oder zur Auslöschung von Feldern führt. Im Gegensatz zu üblichen leitenden Bezugsflächen oder Trägermaterialien können daher Antennenstrukturen in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche einer HIS-Struktur hoher lateraler Impedanz angeordnet werden, ohne dass es zu signifikanten Verlusten oder Auslöschungseffekten führt. Trotzdem kann die Struktur abschirmend und/oder reflektierend wirken.
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Eine Möglichkeit, hohe laterale Impedanzen zu erzeugen, ist die Aufteilung einer leitenden Oberfläche in viele, kleine Elemente, zwischen denen eine hohe Impedanz erzeugt wird. Die Elemente können vorzugsweise die Form kleiner Platten oder Kacheln aufweisen und gegenseitig beabstandet, insbesondere flächig oder eine Fläche bildend angeordnet sein.
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Ein Weg für die Erzeugung einer hohen lateralen Impedanz ist die Realisierung einer Parallelresonanz oder Sperresonanz zwischen den genannten Elementen. Hierzu können Kapazitäten der Elemente zu einer zugeordneten Massefläche und/oder zwischen benachbarten Elemente mit Induktivitäten kombiniert werden. Insbesondere werden die Elemente mit der Massefläche durch dünne, induktiv wirkende Leistungsabschnitte, wie Stege oder sogenannte Vias, verbunden. Eine hohe laterale Impedanz ergibt sich im Bereich der Frequenz der Parallelresonanz oder Sperresonanz – also in der Nähe der Sperr- oder Resonanzfrequenz – zwischen zwei Elementen, wenn beispielsweise eine der HIS-Struktur zugeordnete Antenne oder Spule dort betrieben wird. Da die Induktivitäten und Kapazitäten einer solchen Anordnung in der Regel verhältnismäßig gering sind, liegt die Resonanzfrequenz meist weit oberhalb der üblicherweise gewünschten oder tatsächlichen Arbeitsfrequenz. Die vorliegende Erfindung befasst sich u. a. mit einer Absenkung dieser Resonanzfrequenz.
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Die Resonanzfrequenz kann beispielsweise verringert werden, indem die Induktivitäten und/oder die Kapazitäten vergrößert werden. Die Leitungsabschnitte können zu einer Vergrößerung der induktiven Wirkung verlängert werden. Werden hierzu die Elemente in einer größeren Entfernung zu der Massefläche angeordnet, führt diese Maßnahme jedoch gleichzeitig zu einer Verringerung der Kapazitäten, was der erwünschten Verringerung der Resonanzfrequenz entgegenwirkt. Alternativ kann die Kapazität vergrößert werden, insbesondere durch die Vergrößerung der lateralen Abmessungen der Elemente. Je größer die Abmessungen der Elemente jedoch werden, desto inhomogener wird auch das Verhalten der Struktur. Im Grenzfall ist es möglich, dass bei sehr großen Elementen ein Stromfluss innerhalb dieser dazu führt, dass die Struktur keine hohe laterale Impedanz mehr aufweist.
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Die
US 2009/0 174 623 A1 offenbart eine Breitbandantenne auf einem HIS-Substrat. Die Breitbandantenne besteht aus einem zentrisch angeschlossenen Dipol, bei dem die Schenkel um den Einspeisepunkt gewickelt sind.
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Die
WO 2008/078 284 A2 offenbart eine Streifenleiter-Spule und eine rechteckige Ein-Windungs-Spule. Diese Hochfrequenzspulen können mit einem HIS-Substrat in einem Magnetresonanztomographen verwendet werden.
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Die
WO 02/011 239 A2 offenbart ein Antennen-Array mit einer HIS-Struktur. Zur Anpassung der Resonanzfrequenz der HIS-Struktur werden Spiralinduktivitäten und Kapazitäten in Form mikro-elektro-mechanischer Systeme vorgeschlagen. Der Aufbau ist aufwendig und erfordert kostenintensive Produktionsschritte zur Herstellung sowohl der Spiralinduktivitäten als auch der Kapazitäten. Weiterhin ist die erzielbare Serieninduktivität begrenzt, was auch die Reduktion der Abmessungen der Elemente beschränkt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einer HIS-Struktur und einen Magnetresonanztomographen mit einer HIS-Struktur anzugeben, wobei ein einfacher und/oder kostengünstiger Aufbau, ein sehr gut anpassbarer Aufbau und/oder eine niedrige Resonanzfrequenz und/oder hohe Homogenität der Struktur ermöglicht wird bzw. werden.
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Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder durch einen Magnetresonanztomographen gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der vorschlagsgemäßen oder einer sonstigen HIS-Struktur eine Spule zugeordnet. Bisher wurden HIS-Strukturen ausschließlich für spezielle Antennen-Anwendungen verwendet. Die dieser Erfindung zugrundeliegenden Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass auch das Verhalten einer Spule durch Zuordnung einer HIS-Struktur wesentlich verbessert werden kann. So ist es möglich, Verluste in einer Massefläche bzw. Trägerplatte auch im Fall einer Induktivität durch Einsatz einer HIS-Struktur zu verringern. Zudem ist es möglich, durch Einsatz einer HIS-Struktur die Erzeugung und Ausrichtung von magnetischen Feldern, insbesondere von B1-Feldern, zu verbessern.
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Weiterhin ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Form oder Formgebung der HIS-Struktur sowie die Form einer Anordnung mit der HIS-Struktur zu variieren. Aus dem Stand der Technik sind lediglich plane HIS-Strukturen bekannt. Vorschlagsgemäß ist es jedoch möglich, HIS-Strukturen sowie Anordnungen mit solchen Strukturen hiervon abweichend zu realisieren. In vorteilhafter Weise ist es insbesondere durch eine Krümmung, Wölbung oder tonnenartige Verformung der Anordnung möglich, die Anpassung der Bauform insbesondere an die räumlichen Bedingungen in einem Magnetresonanztomographen zu verbessern und/oder den Einsatz größerer zusammenhängender HIS-Strukturen zu ermöglichen. Zudem kann eine vorschlagsgemäße HIS-Struktur auch flexibel ausgestaltet sein.
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Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Magnetresonanztomographen mit einer, insbesondere vorschlagsgemäßen, HIS-Struktur, der vorzugsweise eine Antenne, Spule oder sonstige Struktur, die elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Felder erzeugt, zugeordnet sein kann.
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Bisher ist es üblich, zur Erzeugung von, insbesondere hochfrequenten, magnetischen oder elektromagnetischen Feldern in einem Magnetresonanztomographen Induktivitäten, insbesondere aus Streifenleitungen, mit einer durchgehenden leitenden Massefläche bzw. Trägerplatte zu verwenden. In vorteilhafter Weise ist es durch Einsatz einer HIS-Struktur, insbesondere der vorschlagsgemäßen HIS-Struktur oder einer sonstigen HIS-Struktur, in einem Magnetresonanztomographen möglich, die Verluste zu verringern und/oder eine verbesserte Abstrahlcharakteristik und/oder Abstrahlleistung und/oder Richtcharakteristik zu erzielen.
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Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Anordnung von Leitungen oder Induktivitäten, über die Elemente einer HIS-Struktur an eine Massefläche angeschlossen sind, insbesondere zumindest im wesentlichen auf einer den Elementen abgewandten Seite der Massefläche. Alternativ weisen die Leitungen bzw. Induktivitäten jeweils mehrere quer zur Flächenerstreckung der Massefläche und/oder Elementebene verlaufende Leitungsabschnitte auf.
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Auf der den Elementen abgewandten Seite oder Rückseite der Massefläche können ein einfacher und kostengünstiger Aufbau und eine optimale Anordnung der Leitungen bzw. Induktivitäten realisiert werden, insbesondere so, dass ein gewünschtes induktives Verhalten wesentlich einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann. Entsprechendes gilt für Induktivitäten, die jeweils mehrere quer zur Flächenerstreckung der Massefläche verlaufende Leitungsabschnitte aufweisen.
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Weiter ermöglicht der vorschlagsgemäße Aufbau eine einfach anpassbare und/oder niedrige Resonanzfrequenz der HIS-Struktur und/oder eine verbesserte Homogenität der HIS-Struktur in lateraler Richtung und/oder kleine Elemente.
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Vorzugsweise wird zum Anschluß oder zur Kontaktierung der Elemente jeweils ein Leitungsabschnitt, wie ein Via oder Steg, durch die Massefläche hindurch auf die den Elementen abgewandte Seite bzw. Rückseite zur Verbindung mit den (zusätzlichen) Leitungen bzw. Induktivitäten auf der Rückseite geführt. Dies bietet den Vorteil einer einfachen Kontaktierung.
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Vorzugsweise werden die Leitungen bzw. Induktivitäten als Wellenleiter, insbesondere Streifenleitungen oder Koaxialleitungen, realisiert. Diese gestatten eine einfache und günstige Herstellung, erfordern keine geringen Fertigungstoleranzen und bieten Vorteile bezüglich der Reproduzierbarkeit.
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Als Wellenleiter werden im allgemeinen Medien bezeichnet, die durch ihre physikalischen Eigenschaften eine Welle bündeln, so dass sie darin geführt wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind mit dem Begriff ”Wellenleiter” in der Regel Leiter für elektromagnetische Wellen gemeint, was jedoch keine Beschränkung darstellen soll. Insbesondere sind solche Wellenleiter gemeint, die aufgrund ihres elektrisch leitenden Aufbaus mit verteilten Kapazitiven sowie induktiven Belägen die Eigenschaft eine Wellenleitung ermöglichen. Besonders bevorzugt sind Streifenleitungen oder Koaxialleitungen, da diese im Zusammenhang mit HIS-Strukturen einfach und kostengünstig realisierbar sind.
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Als vorteilhaft wird zudem angesehen, auch andere induktiv wirkende Strukturen als Wellenleiter auf der den Elementen abgewandten Seite der Massefläche oder einer Trägerplatte zu realisieren. Insbesondere ist es möglich, auch Spiralinduktivitäten zu verwenden, da diese in vorteilhafter Weise auf der Rückseite ebenfalls einfacher, kostengünstiger und insbesondere anstatt in lateraler auch in vertikaler Richtung realisiert werden können.
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Weiterhin ist es vorschlagsgemäß auch möglich, die Resonanzfrequenz der HIS-Struktur unter Verwendung von Streifenleitungen anzupassen, die sich auf derselben Seite der Massefläche wie die Elemente befinden. Eine Kombination einer Kontaktierung der Elemente durch die Massefläche hindurch mit der Realisierung einer Induktivität in Form einer Wellenleitung vereint jedoch mehrere Vorteile und ist daher besonders bevorzugt.
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Die Resonanzfrequenz der HIS-Struktur ist insbesondere eine Frequenz, bei der ein Schwingkreis aus Kapazitäten der Elemente zu einem Bezugsknoten, zu der Massefläche und/oder zueinander zusammen mit induktiven Leitungselementen und/oder Wellenleitern und/oder Spulen resoniert, insbesondere eine Parallel- oder Sperresonanz bildet.
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Eine verbesserte Homogenität der Struktur kann durch verringerte Abmessungen der Elemente erreicht werden. Diese führen tendenziell zu einer Verringerung der den Elementen zugeordneten Kapazitäten, insbesondere der Kapazitäten zwischen den Elementen einerseits und der Trägerplatte oder Massefläche andererseits sowie zwischen den Elementen. Es wird vorgeschlagen, vorzugsweise die Induktivität anzupassen, um eine geeignete Resonanzfrequenz, insbesondere auch bei Einsatz von Elementen geringer Abmessungen, zu erzielen.
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Abmessungen, insbesondere Abmessungen der Elemente, sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung Abmessungen in Bezug auf die Wellenlänge einer Frequenz, wie einer Resonanzfrequenz der HIS-Struktur oder einer Arbeitsfrequenz einer der HIS-Struktur zugeordneten Anwendung. Geringe Abmessungen der Elemente sind insbesondere Abmessungen, die vorzugsweise weniger als 1/10 oder 1/20 der Wellenlänge betragen. Bereits bei Abmessungen der Elemente von 1/10 oder weniger der Wellenlänge sind erste positive Effekte der HIS-Struktur zu verzeichnen. Insbesondere Abmessungen von 1/20 bis 1/40 der Wellenlänge stellen besonders vorteilhafte Kompromisse zwischen Homogenität und Aufwand dar.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Magnetresonanztomographen, der eine Anordnung mit einer Spule auf einer HIS-Struktur aufweist, wobei diese Struktur vorzugsweise Elemente mit einer verringerten lateralen Abmessung, eine angepaßte oder verringerte Resonanzfrequenz und/oder Wellenleitungen aufweist, insbesondere Streifenleitungen, die vorzugsweise auf einer der Elemente gegenüberliegenden Seite einer Trägerplatte oder Massefläche angeordnet sind.
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Die oben und nachfolgend beschriebenen Aspekte können sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination realisiert werden.
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Weitere Aspekte, Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1A einen schematischen Schnitt einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur;
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1B eine Aufsicht der HIS-Struktur gemäß 1A;
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1C einen schematischen Schnitt der Anordnung senkrecht zum Schnitt gemäß 1A;
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2A einen schematischen Schnitt eines Teils einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit Koaxialleitungen;
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2B einen schematischen Schnitt eines Teils einer anderen vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit Koaxialleitungen;
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3A eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit Streifenleitungen;
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3B einen schematischen Schnitt der HIS-Struktur gemäß 3A;
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3C eine Aufsicht auf einen Teil einer HIS-Struktur mit einer gewundenen oder gebogenen Streifenleitung;
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3D eine Aufsicht einer weiteren vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit Streifenleitungen;
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4A eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit mehreren vertikalen Leitungsabschnitten;
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4B einen schematischen Schnitt der HIS-Struktur gemäß 4A;
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5A eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur mit an den Elementen angeschlossenen Kondensatoren;
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5B einen schematischen Schnitt der HIS-Struktur gemäß 5A;
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6A eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit einer ringförmigen Spule;
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6B eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit einer U-förmigen Streifenleitungs-Spule;
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6C eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit einer dipolartigen Streifenleitungs-Spule;
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6D eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit einer Kombination aus Spule und Antenne;
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7A eine Aufsicht einer vorschlagsgemäßen Anordnung mit zwei Leiterstreifen;
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7B einen schematischen Schnitt der Anordnung gemäß 7A;
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7C eine bevorzugte Stromverteilung entlang der Leiterstreifen der Anordnung gemäß 7A;
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8A eine Aufsicht einer anderen vorschlagsgemäßen Anordnung mit antennenartigen Streifenleitungen;
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8B einen schematischen Schnitt der Anordnung gemäß 8A;
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9A einen schematischen Schnitt eines vorschlagsgemäßen Tomographen; und
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9B einen schematischen Schnitt eines vorschlagsgemäßen Tomographen gemäß 9A entlang der Linie IX-IX.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei sich entsprechende Merkmale und Vorteile bzw. Eigenschaften ergeben, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
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Nachfolgend wird zunächst ein grundsätzlicher Aufbau einer Anordnung A mit einer Struktur 1 hoher lateraler Impedanz – kurz HIS-Struktur genannt – im Sinne der vorliegenden Erfindung anhand von 1 näher erläutert.
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1A zeigt in einem schematischen Schnitt die Anordnung A mit der HIS-Struktur 1, wobei der HIS-Struktur 1 vorzugsweise eine Antenne oder besonders bevorzugt eine Spule 15 zugeordnet ist. 1B zeigt in einer Draufsicht einen Ausschnitt der Anordnung A bzw. HIS-Struktur 1 ohne Antenne bzw. Spule 15. 1C zeigt die Anordnung A in einem Schnitt senkrecht zum Schnitt gemäß 1A entlang Linie I-I.
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Die HIS-Struktur 1 ist vorzugsweise plattenförmig, planar bzw. eben oder flächig ausgebildet. Jedoch kann die HIS-Struktur 1 grundsätzlich auch gewölbt oder tonnenförmig bzw. hohlzylindrisch ausgebildet sein oder eine sonstige Form aufweisen.
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Die HIS-Struktur 1 weist elektrisch leitfähige Elemente 2 auf, die zumindest im wesentlichen in einer Ebene oder Elementfläche E angeordnet sind oder diese bilden. Die HIS-Struktur 1 weist weiter elektrische Verbindungen bzw. Leitungsabschnitte 3 und eine den Elementen 2 zugeordnete Träger- und/oder Massefläche 4 auf.
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Insbesondere sind die Elemente 2 über die Leitungsabschnitte 3 an die Massefläche 4 angeschlossen. Bei den Leitungsabschnitten 3 handelt es sich vorzugsweise um Stege, Vias oder dergleichen, die sich vorzugsweise zumindest im wesentlichen senkrecht zur Massefläche 4 und/oder Elementfläche E erstrecken.
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Die Elemente 2 sind über die Leitungsabschnitte 3 und die Massefläche 4 elektrisch miteinander verbunden. Die Elemente 2 sind vorzugsweise flächig bzw. plattenartig ausgebildet und bedecken oder überdecken die zugeordnete Massefläche 4 zumindest im wesentlichen weitgehend oder vollständig. Jedoch sind die Elemente 4 vorzugsweise nicht unmittelbar bzw. direkt miteinander elektrisch verbunden.
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Zwischen den Elementen 2 bzw. der Elementfläche E einerseits und der Massefläche 4 ist optional ein Dielektrikum D angeordnet, wie in 1A angedeutet.
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Die Träger- bzw. Massefläche 4 bildet vorzugsweise einen Träger für die HIS-Struktur 1 bzw. die Elemente 2, insbesondere zusammen mit dem Dielektrikum D und/oder den Leitungsabschnitten 3.
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Beim Darstellungsbeispiel sind die Elemente 2 zumindest im wesentlichen als quadratische Plattenstücke ausgebildet. Jedoch können die Elemente 2 auch jede sonstige Form, insbesondere eine polygonale Form, wie eine Sechseck- oder Achteckform, eine längliche Form oder eine Kreisform, aufweisen.
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Die Elemente 2 sind vorzugsweise regelmäßig bzw. rasterartig über der Massefläche 4 angeordnet bzw. verteilt, wie in der schematischen, ausschnittsweisen Draufsicht gemäß 1B angedeutet. Jedoch sind auch sonstige Anordnungen und/oder Linien oder streifenförmige Versatze oder dergleichen möglich.
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Die gewünschte hohe laterale Impedanz wird bei der HIS-Struktur 1 dadurch erreicht, dass die Elemente 2 nicht unmittelbar elektrisch miteinander verbunden sind. Statt dessen sind die Elemente 2 bei dem Darstellungsbeispiel über die Leitungsabschnitte 3 mit der Massefläche 4 gekoppelt. Die Leitungsabschnitte 3 sind vorzugsweise relativ dünn ausgebildet, so dass diese eine gewisse, vorzugsweise hohe Induktivität aufweisen oder zeigen. Des weiteren weisen die Elemente 2 zu der Massefläche 4 und/oder jeweils zueinander eine Kapazität auf. So wird zwischen zwei benachbarten Elementen 2 ein Parallel-Schwingkreis mit einer Sperr-Resonanz bzw. Resonanzfrequenz oder Sperrfrequenz gebildet.
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Die Struktur 1 wird in der Regel bei einer Arbeitsfrequenz betrieben. Diese Arbeitsfrequenz ist insbesondere die Frequenz, mit der die der HIS-Struktur 1 zugeordnete Antenne oder Spule 15 betrieben wird. Die Struktur 1 wirkt jedoch insbesondere durch Kopplung von Signalanteilen bei der Arbeitsfrequenz in die Struktur 1. Daher wird im Folgenden auch bei der Struktur 1 von einer Arbeitsfrequenz gesprochen, auch wenn in die HIS-Struktur 1 nicht direkt und unmittelbar ein Signal eingekoppelt wird. Zu der Arbeitsfrequenz korrespondiert eine Wellenlänge, die von der Permittivität des umgebenen Mediums abhängt. Größenverhältnisse und/oder Abmessungen in der vorliegenden Anmeldung sind in der Regel im Verhältnis zu dieser Wellenlänge zu sehen. Die Arbeitsfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich der Mikrowellen oder Rundfunkwellen, insbesondere im Bereich von 100 MHz bis 500 MHz, ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
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Die Resonanzfrequenz der HIS-Struktur 1 hängt einerseits von den geometrischen Verhältnissen, andererseits aber auch von den Eigenschaften der verwendeten Materialien und insbesondere davon ab, ob der Zwischenraum zwischen den Elementen 2 und der Trägerplatte oder Massefläche 4 mit einem Dielektrikum D, insbesondere mit Polyethylen, PTFE, Keramik, Epoxy, Silikat, Glimmer, Luft oder einer Kombination davon, oder sonstigen Dielektrika gefüllt ist, was Auswirkungen auf die Kapazität hat.
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Bei einer üblichen HIS-Struktur 1 liegt die Resonanzfrequenz in der Regel relativ zur Arbeitsfrequenz hoch, da sowohl die Kapazität(en) als auch die Induktivität verhältnismäßig klein sind. Eine Anpassung der Resonanzfrequenz der HIS-Struktur 1 ist primär durch Vergrößerung der Elemente 2 möglich. Weiter kann die Induktivität dadurch vergrößert werden, dass die Leitungsabschnitte 3 verlängert oder schlanker ausgeführt werden. Diese Vergrößerung der Induktivität bzw. Verlängerung ist bei der ersten Ausführungsform gemäß 1 optional dadurch verwirklicht, dass die Leitungsabschnitte 3 durch die Massefläche 4 hindurch auf die der Elemente 2 abgewandten Seite geführt sind und dort beispielsweise eine Leiterschleife oder sonstige Verlängerung bilden und/oder über eine optionale (zusätzliche) Induktivität, Wellenleitung o. dgl. an die Massefläche 4 angeschlossen sein können. Die Leitungsabschnitte 3 bilden hier also (zusätzliche) Leitungen bzw. Induktivitäten auf der Rückseite der Massefläche 4. Dementsprechend kann so die Resonanzfrequenz bzw. Arbeitsfrequenz der HIS-Struktur 1 verringert werden.
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Jedoch können die Leitungsabschnitte 3 auch direkt an die Massefläche 4 angeschlossen, also nicht durch diese hindurchgeführt sein.
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Weiter ist es möglich, die Abmessungen der Elemente 2 zu vergrößern, um die Kapazitäten zu vergrößern und so die Resonanzfrequenz zu verringern. Jedoch sind die Elemente 2 in sich leitend und weisen nur untereinander eine hohe laterale Impedanz auf. Daher ist eine Struktur 1 mit möglichst kleinen Elementen 2 vorteilhaft bzw. wünschenswert für ein homogenes Verhalten mit einer hohen lateralen Impedanz. Eine Verkleinerung der Elemente 2 zur Homogenisierung des Verhaltens ist kaum möglich bzw. nicht bevorzugt, wenn die Leitungsabschnitte 3 direkt an die Massefläche 4 angeschlossen, also nicht durch diese hindurchgeführt sind.
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Beim Darstellungsbeispiel ist die Antenne bzw. Spule 15 durch einen Leiterstreifen oder dergleichen gebildet, der sich vorzugsweise parallel zur HIS-Struktur 1 bzw. Elementfläche E und/oder beabstandet dazu erstreckt, besonders bevorzugt mit seiner Längserstreckung senkrecht zur Zeichenebene bei der Darstellung gemäß 1A. Wenn der Leiter bzw. Leiterstreifen von einem Strom in Längsrichtung geflossen wird, kann ein Magnetfeld B gebildet bzw. abgestrahlt werden, wie durch einen Pfeil in 1A schematisch angedeutet. Bei entsprechender Wechselstrombeaufschlagung mit der Arbeitsfrequenz wird ein entsprechendes Wechselfeld erzeugt bzw. abgestrahlt. Der die Antenne bzw. Spule S bildende Leiter oder Leiterstreifen kann beispielsweise an einem Ende mit der HIS-Struktur 1 bzw. einem oder mehreren Elementen 2 oder besonders bevorzugt direkt mit der Massefläche 4 kurzgeschlossen sein, wie durch K in 1C angedeutet. Die Einspeisung erfolgt vorzugsweise am anderen Ende 14 oder in einem Bereich zwischen dem kurzgeschlossenem Ende und dem freie Ende. Auf mögliche Antennen- und Spulenformen wird später noch näher eingegangen.
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Der die Antenne bzw. Spule 15 bildende Leiter oder Leiterstreifen ist vorzugsweise beabstandet zu oder über den Elementen 2 und auf der Massefläche 4 gegenüberliegenden Seite der Elementfläche E angeordnet. Es ist auf unterschiedliche Weise möglich, die Antenne bzw. Spule 15, insbesondere in einem gewünschten Abstand, anzuordnen und insbesondere zu befestigen. Eine Möglichkeit stellt der Einsatz eines optionalen Dielektrikums D2 dar. Dieses Dielektrikum D2 kann als Verbindungsschicht, Isolationsschicht und/oder Trägerschicht fungieren.
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Mittels des Dielektrikums D2 kann die Antenne bzw. Spule 15 insbesondere flächig mit der HIS-Struktur 1 verbunden oder auf dieser befestigt werden. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, die Antenne oder Spule 15 durch punktuelle, insbesondere dielektrische Abstandhalter, durch metallische Verbindungen zur HIS-Struktur 1 oder Massefläche 4 oder auf andere Weise zu befestigen und/oder zu montieren. Auch bei diesen Alternativen ist der Einsatz eines, insbesondere festen bzw. nicht flüssigen oder gasförmigen, Dielektrikums D2 optional möglich.
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Es ist möglich, die Dielektrika D2 und D einstückig auszuführen und/oder dasselbe oder unterschiedliche Materialien für die Dielektrika D2 und D zu verwenden. Weiter ist es vorschlagsgemäß möglich, für das Dielektrikum D und/oder D2 Luft zu verwenden.
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Die HIS-Struktur 1 bildet vorzugsweise eine Abschirmung und/oder einen Reflektor und/oder einen mechanischen Träger für die Antenne bzw. Spule 15.
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Das Magnetfeld B kann grundsätzlich elektrische Ströme oder Rückströme, insbesondere in der Elementfläche E, erzeugen. Das Auftreten von Rückströmen wird durch die Unterteilung der Elementfläche E in einzelne, nicht unmittelbar elektrisch miteinander verbundene Elemente 2 minimiert. Für eine effektive Minimierung ist insbesondere eine kleinteilige Unterteilung, also geringe Größe der Elemente 2 vorteilhaft. Dies wurde auch bereits unter dem Begriff ”Homogenisierung” erläutert.
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Um das gewünschte homogene Verhalten zu erreichen, ist eine möglichst geringe Flächenerstreckung F (siehe 1B) der Elemente 2, insbesondere in ihrer Längserstreckung bzw. parallel zur Längserstreckung der zugeordneten Antenne bzw. Spule 15 oder quer zum Magnetfeld 13 – nachfolgend auch kurz ”effektive Flächenerstreckung” genannt – erwünscht.
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Bei der dargestellten und bevorzugten, im wesentlichen quadratischen Ausbildung der Elemente 2 entspricht die Flächenerstreckung F insbesondere der Kantenlänge der einzelnen Elemente 2. Jedoch können die Elemente 2 bei beispielsweise rechteckiger Ausbildung auch unterschiedliche Kantenlängen und damit Flächenerstreckungen F aufweisen. Ein weiteres alternatives oder zu der Flächenerstreckung F korrespondierendes Maß mag auch der jeweils in der entsprechenden Richtung wirkende Mittenabstand der Elemente 2 sein.
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Wünschenswert ist eine mittlere oder maximale oder minimale oder effektive Flächenerstreckung F der Elemente 2 von weniger als einem Zehntel, vorzugsweise weniger als einem Fünfzehntel oder einem Zwanzigstel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz und/oder Arbeitsfrequenz der HIS-Struktur 1.
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So ist es möglich, dass eine Dipolantenne der Anordnung A beispielsweise eine Längserstreckung aufweist, die lediglich dem 4- bis 5-fachen der Flächenerstreckung F entspricht. Für ein homogenes Verhalten der Struktur 1 ist es vorteilhaft, die Flächenerstreckung F zu reduzieren, insbesondere auf 1/20 der Wellenlänge oder weniger.
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Als Grundlage für die Herstellung von HIS-Strukturen 1 können beispielsweise handelsübliche kupferkaschierte Substratmaterialen, insbesondere solche mit Stärken bis 3,2 mm, verwendet werden. Die Dielektrika D und D2 weisen typisch relative Permittivitäten zwischen 1 und 11, insbesondere zwischen 3 und 6 auf. Bei einer Anwendungsfrequenz von beispielsweise etwa 300 MHz kann die Erstreckung der Elemente 1 in der Elementfläche E beispielsweise kleiner als 10 cm sein, vorzugsweise kleiner als 5 oder 2,5 cm. In diesem Fall liegen die Abstände zwischen benachbarten Elementen 2 in einem Bereich vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine HIS-Struktur 1, bei der die Elemente 2 durch die Trägerplatte oder Massefläche 4 hindurch kontaktiert werden. In vorteilhafter Weise ermöglicht dies eine einfache und kostengünstigere Realisierung von, vorzugsweise induktiv wirkenden, Strukturen, insbesondere auf der Rückseite der Massefläche 4. Weiter ermöglicht dies eine Beeinflussung, insbesondere Verringerung, der Sperr-Resonanzfrequenz, bei der die HIS-Struktur 1 eine hohe Impedanz zwischen den Elementen 2, insbesondere ein Impedanzmaximum, aufweist. Weiterhin ermöglicht dies eine Verringerung der Abmessungen der Elemente 2, insbesondere in deren, insbesondere effektive, Flächenerstreckung F, und/oder eine Homogenisierung des Verhaltens der HIS-Struktur 1.
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Wie erwähnt ist es wünschenswert, die Resonanz- bzw. Sperrfrequenz der HIS-Struktur 1 abzusenken, insbesondere in die Nähe der Arbeitsfrequenz. Dies erfolgt insbesondere durch zusätzliche Leitungen bzw. Induktivitäten auf der den Elementen 2 abgewandten Seite der Massefläche 4. Anstelle durch die bei der Ausführungsform gemäß 1 vorgesehene Verlängerung der Leitungsabschnitte 3 können hierzu auch separate oder zusätzliche Bauelemente oder Komponenten eingesetzt werden.
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Nachfolgend werden weitere bevorzugte Ausführungsformen, die eine entsprechende Anpassung ermöglichen, näher erläutert.
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2 zeigt in schematischen, ausschnittsweisen Schnitten mit jeweils nur einem dargestellten Element 2 zwei vorschlagsgemäße Ausführungsformen der HIS-Struktur 1. Anstatt einer direkten, elektrisch leitenden Verbindung der Elemente 2 über die Leitungsabschnitte 3 mit der Massefläche 4, sind die Leitungsabschnitte 3 über (zusätzliche) Leitungen bzw. Induktivitäten, hier über Wellenleiter, vorzugsweise Koaxialleitungen 5, an die Massefläche 4 angeschlossen bzw. mit dieser gekoppelt. Vorzugsweise weisen die Koaxialleitungen 5 jeweils eine elektrisch leitende Seele 6 und einen ebenfalls elektrisch leitenden Mantel 7 auf, zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet sein kann. Auf einer Seite oder an einem Ende der Koaxialleitung 5 ist die Seele 6 mit dem zugeordneten Leitungsabschnitt 3 und der Mantel 7 mit der Massefläche 4 verbunden. Auf der anderen Seite oder am anderen Ende der Koaxialleitung 5 ist die Seele 6 mit dem Mantel 7 unter Verwendung eines Kurzschlusses 8 kurzgeschlossen. Die Koaxialleitung 5 führt, insbesondere in Abhängigkeit von ihrer Länge, zu einer Leitungstranformation des Kurzschlusses 8. Diese Leitungstransformation führt zu einer induktiven Eingangsimpedanz in die Koaxialleitung 5, insbesondere an dem dem Kurzschluß entgegengesetzten Ende und/oder wenn die elektrische Länge ¼ der Wellenlänge der Arbeits- bzw. Anwendungsfrequenz nicht überschreitet.
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Die HIS-Struktur 1 der zweiten Ausführungsform gemäß 2 weist vorzugsweise eine größere Induktivität als die erste Ausführungsform gemäß 1 auf. In vorteilhafter Weise ist es so möglich, die Abmessungen bzw. die, insbesondere effektive Flächenerstreckung F der Elemente 2, insbesondere in zumindest einer Richtung, zu verringern und so die Homogenität des Verhaltens der Struktur 1 maßgeblich zu verbessern, wobei die Resonanzfrequenz der HIS-Struktur 1 vorzugsweise gleich bleibt oder verringert wird. Weiterhin ist es möglich, durch Verkürzen oder Verlängern der Koaxialleitung 5 auf einfache Weise die Induktivität zu beeinflussen, was insbesondere eine einfache, kostengünstige und genaue Beeinflussung bzw. Anpassung der Resonanzfrequenz ermöglicht.
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Die bevorzugte Führung der Leitungsabschnitte 3 durch die Massefläche 4 hindurch gestattet weiterhin die Verringerung des Abstands zwischen den Elementen 2 und der Massefläche 4, da der notwendige induktive Anteil zur Erzeugung der Sperresonanz nicht mehr (nur oder primär) im Bereich zwischen den Elementen 2 und der Massefläche 4 angeordnet oder gebildet werden muß. Vielmehr werden durch die Führung der Leitungsabschnitte 3 durch die Massefläche 4 hindurch und/oder durch Verwendung einer kurzgeschlossenen Wellenleitung zur Erzeugung der notwendigen induktiven Wirkung zusätzliche Freiheitsgrade für die Dimensionierung der HIS-Struktur 1 geschaffen, die insbesondere eine individuellere Anpassung der geometrischen Abmessung der Elemente 2, insbesondere der, insbesondere effektiven, Flächenerstreckung F, und/oder der gesamten HIS-Struktur 1 ermöglicht. Durch eine vorschlagsgemäße HIS-Struktur 1 ist es daher möglich, sowohl eine verbesserte Homogenität als auch eine Anpassung der Resonanzfrequenz gleichzeitig zu erreichen.
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2 zeigt zwei unterschiedliche Möglichkeiten, die Koaxialleitung 5 anzuordnen. In 2A verläuft die Koaxialleitung 5 im wesentlichen senkrecht zur Massefläche 4. In 2B verläuft die Koaxialleitung 5 vorzugsweise auf oder parallel zu der Rück- bzw. Unterseite der Massefläche 4 und/oder ist abgeknickt oder gebogen. Abweichend von den abgebildeten Beispielen sind auch andere Anordnungen der Koaxialleitungen 5 möglich. Insbesondere ist es in Abhängigkeit von den räumlichen Gegebenheiten, den konkreten Abmessungen, wie dem Abstand zwischen zwei Leitungsabschnitten 3 oder dem Durchmesser der Koaxialleitung 5, dem Aufbau oder den Beschränkungen durch den minimal zulässigen Biegeradius möglich, die Koaxialleitung 5 in unterschiedlicher Weise, insbesondere auch direkt unterhalb der Massefläche 4, zu führen. Weiterhin ist der Kurzschluß 8 in lediglich schematisch dargestellt und kann unterschiedlich ausgeführt werden.
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In vorteilhafter Weise ist es durch die Realisierung eines induktiven Verhaltens auf der den Elementen 2 abgewandten Seite der Massefläche 4 nicht mehr nötig, mit dem Leitungsabschnitt 3 auf der den Elementen 2 zugewandten Seite der Massefläche 4 eine ausreichend hohe Induktivität zu erzielen. Daher ist es in vorteilhafter Weise zudem möglich, in einer vorschlagsgemäßen HIS-Struktur 1 über die Wahl eines geeigneten Abstands zwischen den Elementen 2 und der Massefläche 4 den kapazitiven Belag der Elemente 2 zu optimieren bzw. anzupassen.
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Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt die HIS-Struktur 1 eine Leitung oder Wellenleitung, vorzugsweise eine Koaxialleitung 5 und/oder Streifenleitung, insbesondere auf der den Elementen 2 abgewandten Seite der Massefläche 4. So läßt sich auf besonders einfache und effektive Weise die Sperr-Resonanzfrequenz beeinflussen und/oder reduzieren. Mit der Möglichkeit, eine Sperr-Resonanzfrequenz reduzieren zu können, geht insbesondere in vorteilhafter Weise die Möglichkeit einher, die, insbesondere effektive, Flächenerstreckung F der Elemente 2 zumindest in eine Richtung zu verringern, was zu einer homogeneren Eigenschaft der HIS-Struktur 1 führt.
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Im folgenden werden weitere, bevorzugte Ausführungsformen der HIS-Struktur 1 sowie einer Anordnung A mit einer solchen HIS-Struktur 1 als auch die Anwendung in einem Tomographen (Magnetresonanztomographen) T beschrieben, wobei nur wesentliche Unterschiede erläutert werden. Daher gelten die obigen Erläuterungen, Aspekte und Vorteile insbesondere entsprechend oder ergänzend.
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3A zeigt in einer schematischen Aufsicht eine weitere bevorzugte Ausführungsform der HIS-Struktur 1 (wobei die Massefläche 4 sowie die Dielektrika D und D3 zur Veranschaulichung weggelassen wurde) mit Leiterstreifen 10, die (zusätzliche) Induktivitäten, insbesondere kurzgeschlossene Streifenleitungen 12, auf der den Elementen 2 abgewandten Seite der Massefläche 4 zum Anschluß der Elemente 2 bzw. Leitungsabschnitte 3 an die Massefläche 4 bilden. 3B zeigt einen schematischen Schnitt der HIS-Struktur 1 gemäß 3A. Die Leiterstreifen 10 können sowohl gerade als auch, wie in 3C gezeigt, gewunden und/oder gebogen, mäandernd oder in sonstiger Weise geformt ausgeführt sein.
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Die Elemente 2 werden durch die Leitungsabschnitte 3 kontaktiert, die durch die Massefläche 4 hindurchgeführt und an die Leiterstreifen 10 angeschlossen sind. Vorzugsweise auf der den Elementen 2 abgewandten Seite der Massefläche 4, insbesondere parallel zu der Massefläche 4 oder Elementfläche E, sind die Leiterstreifen 10 geführt. Jeder Leiterstreifen 10 wird in einem Kurzschlußbereich 11 – insbesondere an dem nicht mit dem Leitungsabschnitt 3 verbundenen Ende – mit der Massefläche 4 kurzgeschlossen.
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Die HIS-Struktur 1 weist optional eine zweite Massefläche 9 auf, wie in 3B angedeutet. Diese zweite Massefläche 9 kann mit der Massefläche 4 verbunden sein (nicht dargestellt), da vorzugsweise sowohl die Massefläche 4 als auch die Massefläche 9 mit einem festen Bezugspotential verbunden sind. Dies ermöglicht es, den Kurzschluß 11 zur (ersten) Massefläche 4, zur (zweiten) Massefläche 9 oder zu beiden Flächen zu führen. Vorzugsweise ist ein optionales Dielektrikum D3 zwischen den beiden Massenflächen 4 und 9 angeordnet.
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Durch die bevorzugte gestapelte Anordnung der Massefläche 4, des Leiterstreifens 10 und der Massefläche 9 ergibt sich eine, insbesondere symmetrische, Streifenleitung 12. Der Leiterstreifen 10 transformiert den Kurzschluß 11, was zu einem induktiven Verhalten der Streifenleitung 12 führt. Dieses induktive Verhalten läßt sich in vorteilhafter Weise durch die Länge des Leiterstreifens 10 und/oder durch die Position des Kurzschlusses 11 und/oder durch andere geometrische Änderungen mit wenig Aufwand verändern oder anpassen. Insbesondere die Induktivität der Leitungsabschnitte 3 in Kombination mit der vergrößerten und/oder anpaßbaren Induktivität der Streifenleitung 12 ermöglicht sowohl eine Verringerung der Abmessungen, insbesondere der Flächenerstreckung oder effektiven Flächenerstreckung F, der Elemente 2 als auch eine Anpassung der Resonanzfrequenz.
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Wenn die zweite Massefläche 9 entfällt, ist die Streifenleitung 12 als asymmetrische Streifenleitung oder Mikrostreifenleitung ausgeführt. In diesem Fall sind mögliche Mindestabstände zum Leiterstreifen 10 zu beachten, die jedoch insbesondere durch eine Konzentration der Felder im Bereich zwischen dem Leiterstreifen 10 und der Trägerplatte oder Massefläche 4 akzeptabel sein können.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß 3A und 3D verlaufen die Leiterstreifen 10 im wesentlichen parallel zur Elementfläche E oder Massefläche 4 und die Leitungsabschnitte 3 im wesentlichen senkrecht dazu.
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Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß 3A und 3D sind die Elemente 2 vorzugsweise in Reihen quer oder senkrecht zu der Längserstreckung der Leiterstreifen 10 angeordnet und in dieser Richtung von einer Reihe zur nächsten zueinander versetzt (quer versetzt). Der Versatz beträgt beispielsweise bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3A die Hälfte des Mittenabstands der Elemente 2, so dass jede zweite Reihe von Elementen 2 wieder nicht quer versetzt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3D beträgt der Versatz ein Fünftel jedes Mittenabstands, so dass jede fünfte Reihe gegenüber der Ausgangsreihe keinen Versatz zeigt. Durch den genannten Versatz können die Leiterstreifen 10 auch wesentlich länger als der Mittenabstand der Reihen ausgebildet werden, ohne dass ein Leiterstreifen 10 einer Reihe mit der Durchführung eines Leitungsabschnitts 3 bzw. einem Leiterstreifen 10 eines benachbarten Elements 2 einer benachbarten Reihe kollidiert. So sind also wesentlich größere Längen der Leiterstreifen 10 und größere Induktivitäten der Streifenleitungen 12 möglich. Jedoch kann dies auch durch einen beispielsweise schrägen Verlauf der Leiterstreifen 10 und/oder durch eine sonstige Formgebung, wie einen gebogenen oder abgeknickten Verlauf o. dgl., realisiert werden.
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Gerade verlaufende Leiterstreifen 10 sind jedoch vorteilhaft für eine unkomplizierte Realisierung, Modellierung und Skalierung der Streifenleitung 12 oder der durch diese gebildete Induktivität.
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Da auf besonders einfache und kostengünstige Art und Weise, insbesondere mit industrieüblichen, planaren Verfahren, Induktivitäten vergrößert werden können, stellt die HIS-Struktur 1 unter Verwendung von Leitungen gemäß 3 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar.
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4A und 4B zeigen eine weitere Ausführungsform der vorschlagsgemäßen HIS-Struktur 1, wobei die den Elementen 2 zugeordneten Induktivitäten jeweils mehrere quer zur Flächenerstreckung der Massefläche 4 und/oder Elementfläche E verlaufende Leitungsabschnitte 3 aufweisen. Mit anderen Worten sind also jedem Element 2 mehrere Leitungsabschnitte 3 zugeordnet, die insbesondere quer oder senkrecht zur Massefläche 4 bzw. Elementfläche E verlaufen und insbesondere sich zwischen diesen erstrecken, vorzugsweise derart, dass ein mäandernder oder schleifenförmiger oder auf sonstige Weise verlängerter, insbesondere gewundener Leitungsweg bzw. Strompfad und ganz besonders bevorzugt eine Spule gebildet wird. Die Wicklungsebene dieser Spule verläuft insbesondere quer bzw. senkrecht zur Elementfläche E und/oder Massefläche 4.
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4A zeigt einen Ausschnitt der vorschlagsgemäßen HIS-Struktur 1 in einer Aufsicht. 4B zeigt einen schematischen Schnitt entlang Linie IV-IV von 4A. Anhand dieser Figuren wird nachfolgend ein bevorzugter Aufbau erläutert.
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Die mehreren Leitungsabschnitte 3, die jeweils einem Element 2 zugeordnet sind, bilden jeweils eine (zusätzliche) Induktivität, nachfolgend auch Spiralinduktivität genannt.
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Jedem Element 2 sind mehrere, insbesondere mindestens drei, Leitungsabschnitte 3 zugeordnet. Ein erster, mit dem zugeordneten Element 2 in Kontakt stehender Leitungsabschnitt 3 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zur Elementfläche E, vorzugsweise bis in eine Ausnehmung der Massefläche 4. Das Ende des ersten Leitungsabschnitts 3 ist unter Verwendung eines, insbesondere parallel zur Haupterstreckungsebene der Elemente 2 oder der Massefläche 4 verlaufenden Verbindungselementes V mit einem Ende eines zweiten Leitungsabschnitts 3' verbunden. Der zweite Leitungsabschnitt 3' erstreckt sich, insbesondere im wesentlichen parallel zum ersten Leitungsabschnitt 3, in eine Ausnehmung des zugeordneten Elements 2, ohne dieses zu kontaktieren. Das zweite Ende des zweiten Leitungsabschnitts 3' ist unter Verwendung eines zweiten Verbindungselements V' mit einem dritten Leitungsabschnitt 3'' verbunden. Dieser Leitungsabschnitt 3'' verläuft vorzugsweise wiederum parallel zu den Leitungsabschnitten 3 und 3' und ist am anderen Ende mit einem dritten, insbesondere parallel zur Elementfläche E verlaufenden, Verbindungselement V'' mit einem Ende eines vierten Leitungsabschnitts 3''' verbunden. Dieser vierte Leitungsabschnitt 3''' verläuft vorzugsweise ebenfalls parallel zu den Leitungsabschnitten 3, 3' und 3'', insbesondere in die Ausnehmung des Elements 2. Ein viertes Verbindungselement V''' verbindet das zweite Ende des vierten Leitungsabschnitts 3''' mit einem Ende eines fünften Leitungsabschnitts 3''''. Dieser erstreckt sich vorzugsweise ebenfalls parallel zu den vorhergehenden Leitungsabschnitten 3; 3'; 3''; 3''' und ist mit seinem zweiten Ende, insbesondere über ein weiteres Verbindungselement oder direkt, mit der Trägerplatte oder Massefläche 4 verbunden.
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Auf die beschriebene Weise entsteht eine vertikale, also insbesondere teilweise senkrecht zu der Elementebene E, insbesondere im Wesentlichen zwischen der Elementebene E und der Massefläche 4, angeordnete Spiralinduktivität bzw. Spule.
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Im Ausführungsbeispiel nach 4 weisen das Element 2 und die Trägerplatte oder Massefläche 4 jeweils Ausnehmungen für die Verbindungselemente V auf. In 4A ist eine entsprechende Aussparung im Element 2 mittig dargestellt. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, die vertikale Spiralinduktivität und insbesondere entsprechende Aussparungen auch in sonstigen Bereichen, insbesondere auch in Randbereichen der Elemente 2, anzuordnen. Weiter ist es vorschlagsgemäß auch möglich, die Verbindungsabschnitte 3 derart zu verkürzen, dass die Verbindungselemente V zwischen der Massefläche 4 und der Elementfläche E liegen. In diesen Fall kann auf die genannten Ausnehmungen verzichtet werden.
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Die Realisierung der vorgeschlagenen vertikalen Spiralinduktivität ist einfacher und kostengünstiger als die einer Spiralinduktivität mit einer im wesentlichen zur Massefläche 4 parallelen Haupterstreckungsebene, da insbesondere keine zusätzlichen Metallebenen und von den Leitungsabschnitten 3 abweichende Komponenten oder weitere Prozeßschritte benötigt werden. Zudem muss der Produktionsprozess für parallel zur Elementfläche E verlaufende Windungen verhältnismäßig fein strukturierbar sein, weshalb die vorgeschlagene Lösung mehr Freiheitsgrade läßt und einfacher realisierbar ist.
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In 4 ist dem bzw. vorzugsweise jedem Element 2 eine vertikal ausgerichtete Spiralinduktivität zugeordnet, die insgesamt zwei Windungen und einen zusätzlichen Leitungsabschnitt 3 aufweist. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, sowohl weniger als auch mehr als zwei Windungen in der beschriebenen Weise zu realisieren. Weiterhin ist es vorgesehen, dass die in 4 abgebildete Struktur regelmäßig fortgeführt wird.
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Es ist auch möglich, dass nicht jedes Element 2 der HIS-Struktur 1 eine vertikale Spiralinduktivität oder nicht dieselbe vertikale Spiralinduktivität, sondern die Elemente 2 insbesondere unterschiedliche (zusätzliche) Induktivitäten, z. B. Spiralinduktivitäten mit unterschiedlichen Windungszahlen, aufweist. Für HIS-Strukturen 1 gilt generell, dass nicht jedem Element 2 eine induktiv wirkende Struktur, wie eine Koaxialleitung 5 oder Streifenleitung 12, oder sonstige (zusätzliche) Induktivität zugeordnet sein muss. Eine HIS-Struktur 1, bei der die Elemente 2 regelmäßig angeordnet und/oder gleichartig mit der Massefläche 4 verbunden sind, ist jedoch bevorzugt.
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5A zeigt in einer Draufsicht und 5B in einem schematischen Schnitt entlang Linie V-V von 5A eine weitere Ausführungsform der HIS-Struktur 1. Hier sind die Elemente 2 über Koppel-Kondensatoren 13 mit Mittenabgriffen bzw. Montageflächen 14 und diese wiederum über die Leitungsabschnitte 3 mit der Massefläche 4 verbunden. Eine Sperr-Resonanz zwischen den Elementen 2 kann durch die Koppel-Kapazitäten 13, vorzugsweise in Kombination mit einem induktiven oder Leitungsverhalten der Elemente 2, insbesondere in Zusammenwirkung mit der Massefläche 4, entstehen.
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Bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Induktivität der Leitungsabschnitte 3, insbesondere bei Symmetrie der Anregung bzw. durch horizontal polarisierte elektrische Felder oder Wellen, wie durch Pfeil HP in 5B angedeutet, keinen maßgeblichen Einfluß hat. Die Resonanzfrequenz und/oder die Größe der Elemente 2 kann dann (allein) durch Anpassung der Koppelkapazitäten 13 modifiziert oder beeinflußt werden.
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Eine entsprechende, symmetrische Anregung kann entstehen oder erzeugt werden, wenn eine Welle vertikal auf die HIS-Struktur 1 trifft und insbesondere wenn die Polarisation der Welle zumindest im wesentlichen derer parallel zu oder in Richtung von Schlitzen oder Spalten zwischen den Elementen 2 verläuft.
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Bei Anregung durch vertikal polarisierte elektrische Felder oder Wellen, wie durch Pfeil VP angedeutet, können die eingesetzten diskreten Kapazitäten bzw. Kondensatoren 13 ebenfalls Einfluß auf die Sperr-Resonanz haben.
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Insbesondere ist es möglich, die Koppelkapazitäten bzw. Kondensatoren 13 auch bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 4 einzusetzen. So ist es möglich, sowohl für horizontal polarisierte Anregungen, Felder oder Wellen HP als auch für vertikal polarisierte Anregungen, Felder oder Wellen VP, insbesondere zumindest teilweise unabhängig voneinander, Resonanzen und folglich hohe Impedanzen zu erreichen.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß 4 und 5 sind insbesondere in dem Fall vorteilhaft, wenn ein Einsatz von Leitungsstrukturen nicht möglich oder nicht gewünscht ist oder wenn ein abweichendes Verhalten in Bezug auf horizontal und vertikal polarisierte Felder gewünscht ist.
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Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anordnung A mit einer HIS-Struktur 1, der eine Spule 15 zugeordnet ist, wie bereits anhand von 1A erläutert. In vorteilhafter Weise ist es möglich, das Verhalten von Spulen durch Einsatz oder Zuordnung einer HIS-Struktur 1 – und zwar bevorzugt der vorschlagsgemäßen HIS-Struktur 1 oder einer sonstigen HIS-Struktur – zu verbessern. Insbesondere können das Abstrahlverhalten verbessert, Verluste reduziert und/oder eine kompakte Bauform erreicht werden.
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Vorzugsweise ist die Spule 15 in den folgenden Ausführungsbeispielen, wie zu 1A bereits erläutert, auf der der Massefläche 4 abgewandten Seite der Elemente 2 angeordnet.
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6A zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung A mit der Spule 15, die eine Leiterschleife bzw. ringförmig gebogene Leitung 16 aufweist. Vorzugsweise weist die Leitung 16 eine erste Unterbrechung auf, wobei den Leiterenden der ersten Unterbrechung angedeutete Anschlüsse 17 zugeordnet sind. Vorzugsweise kann die Spule unter Verwendung der Anschlüsse 17 kontaktiert oder, vorzugsweise mit einem, insbesondere hochfrequenten, Wechselstrom, angesteuert werden.
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Die Leiterenden einer optionalen zweiten Unterbrechung sind vorzugsweise durch einen Kondensator 18 verbunden, was eine kapazitive Verkürzung der Spule 15 darstellen bzw. realisieren kann. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, dass die Spule 15 keine Unterbrechung und/oder keinen Kondensator 18 und/oder mehr als nur eine Windung aufweist (nicht abgebildet).
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Die ringförmig gebogene Leitung 16 kann abhängig von der jeweiligen Anwendung vorzugsweise Durchmesser zwischen wenigen Mikrometern, insbesondere bei monolitisch integrierten Strukturen, bis hin zu mehreren Dezimetern aufweisen. Typische Durchmesser können beispielsweise in einem Bereich zwischen 1 cm und 30 cm liegen. Vorzugsweise weist die gebogene Leitung 16 einen Umfang auf, der kleiner als die Hälfte der zu einer Anwendungsfrequenz korrespondierenden Wellenlänge ist. Unter Verwendung des Kondensators 18 kann die Resonanzfrequenz der Spule 15 angepaßt werden.
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6B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Anordnung A mit einer U-förmigen Leiterschleife bzw. Leitung 16 oder (Streifenleiter-)Spule 15 auf der HIS-Struktur 1. Die Anschlüsse 17 sind für eine, insbesondere symmetrische, Ansteuerung der Spule 15 vorgesehen und schematisch angedeutet. Vorzugsweise weist die Leitung 16, vorzugsweise an der den Anschlüssen gegenüberliegenden Seite, eine Unterbrechung auf, die durch einen Kondensator 18 überbrückt ist. Der Kondensator 18 dient dazu, das Verhalten, insbesondere das Resonanzverhalten, der Spule 15 zu beeinflussen. Insbesondere wirkt die Unterbrechung mit dem Kondensator 18 als kapazitive Verkürzung der Spule 15. Dies gestattet eine kompakte Realisierung.
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6C zeigt eine weitere Ausführungsformen der Anordnung A mit einer HIS-Struktur 1 und einer Spule 15. Die Spule 15 weist aus eine, insbesondere gerade Leitung 16 auf, die an drei Stellen unterbrochen ist. Eine Unterbrechung der Leitung 16 befindet sich im wesentlichen in der Mitte und bildet einen Mittenanschluß über die angedeuteten Anschlüsse 17. Im wesentlichen symmetrisch zur Mitte der Längserstreckung der Leitung 16 sind zwei weitere Unterbrechungen vorgesehen, die durch ein reaktives Bauelement 19, insbesondere eine Impedanz oder Kapazität, überbrückt sind. Die Enden der Leitung 16 sind mit einem festen Potential oder Masse, insbesondere mit der Trägerplatte oder Massefläche 4 verbunden, wie durch das Massesymbol 20 angedeutet.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, der HIS-Struktur 1 eine Antenne anstelle einer Spule 15 zuzuordnen. Dies kann bei der in 6C dargestellten Ausführungsform beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Leitung 16 im Bereich ihrer Enden oder eines Endes nicht kurzgeschlossen oder auf sonstige Weise elektrisch angeschlossen wird, sondern elektrisch offen bleibt. Im Falle der in 6C dargestellten Ausführungsform würde dann eine dipolartige Antenne gebildet, wobei die optionalen Unterbrechungen und Überbrückungen durch die Bauelemente 19 in den beiden Antennenästen der Leitung 16 insbesondere eine oftmals erwünschte kapazitive Verkürzung der Antenne bewirken können, bedarfsweise aber auch entfallen können.
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6D zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung A mit der HIS-Struktur 1 und einer zugeordneten Spule 15. Vorzugsweise ist jedoch eine Kombination aus der Spule 15 und einer Antenne 21 gebildet und diese Kombination der HIS-Struktur 1 zugeordnet bzw. über dieser angeordnet. Beim Darstellungsbeispiel ist ausgehend von der Spule 15 bzw. Leiterschleife oder im wesentlichen ringförmigen Leitung 16 mit den Anschlüssen 17 und Unterbrechung und Überbrückung durch Kondensator 18 nämlich mindestens ein Antennenabschnitt 22 vorgesehen. Insbesondere sind zwei Antennenabschnitte 22 auf entgegengesetzten Seite der Anschlüsse 17 bzw. des Mittenanschlusses bzw. der Spule 15 oder Leiterschleife bzw. Leitung 16 angeordnet oder vorgesehen. Die Antennenabschnitte 22 sind vorzugsweise als Leiterstreifen ausgebildet, die mit der Leitung 16 verbunden und insbesondere einstückig mit diesen ausgebildet sind. Besonders bevorzugt bilden die Leitungsabschnitte 22 die insbesondere dipolartig ausgebildete Antenne 21.
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Vorzugsweise sind die Spule 15 und die Antenne 21 über mindestens einen gemeinsamen Anschluß 17 oder zwei gemeinsame Anschlüsse 17 elektrisch anschließbar bzw. mit Strom, insbesondere mit hochfrequentem Wechselstrom, beaufschlagbar.
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Die (freien) Enden der Antennenabschnitte 22 sind vorzugsweise kapazitiv verkürzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Enden zumindest im wesentlichen parallel oder U-förmig zurückgeführt sind, insbesondere in jeweils zwei umgebogenen, insbesondere schmaleren Endabschnitten 23 enden, wie in 6D dargestellt. So kann eine kapazitive Verkürzung erreicht werden.
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Die Leiterschleife bzw. Leitung 16 einerseits und die Antennenabschnitte 22 andererseits können einen unterschiedliche Breite und/oder unterschiedliche Querschnitte, je nach Strombelastung, gewünschtem Verhalten u. dgl. aufweisen.
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Vorzugsweise ist es mit der in 6D dargestellten Anordnung A möglich, ein zirkular-polarisiertes Magnetfeld zu erzeugen bzw. zu empfangen. Zur Erzeugung eines solchen Feldes können die Anschlüsse 17 durch Signale, vorzugsweise durch, insbesondere hochfrequente, Wechselströme, insbesondere solche mit einer Phasenverschiebung von 90° zueinander, angesteuert oder beaufschlagt werden.
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Die Ausführungsbeispiele gemäß 6 weisen sogenannte kapazitive Verkürzungen auf. Als kapazitive Verkürzungen werden Strukturen bezeichnet, die eine Verringerung der Abmessungen einer Spule 15 oder Antenne 21 erlauben, insbesondere indem zusätzliche Kapazitäten oder Kondensatoren 18 oder Bauelemente 19 eingesetzt werden.
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Für eine kapazitive Verkürzung ist es jedoch nicht zwingend nötig, ein diskretes Bauelement wie einen Kondensator einzusetzen, vielmehr können auch sonstige Strukturen eingesetzt werden. So werden in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6D durch die Endabschnitte 23 ebenfalls kapazitive Effekte erzielt, die zu einer kapazitiven Verkürzung, insbesondere der antennenartigen Abschnitte 21 führen.
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Es ist aber auch möglich, auf die beschriebenen kapazitiven Verkürzungen zu verzichten. Abhängig von der jeweiligen Anwendung ist es jedoch nötig, die jeweilige Spule 15 oder Antenne 21 entsprechend anzupassen, insbesondere zu verkleinern. Daher stellen die beschriebenen kapazitiven Verkürzungen, insbesondere auf Grund der kompakteren Bauform, bevorzugte Ausführungsbeispiele dar.
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Die in 6 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele für Anordnungen A, die HIS-Strukturen 1 sowie Spulen 15 aufweisen, stellen lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele dar. Insbesondere ist es vorschlagsgemäß möglich, einer HIS-Stuktur 1 auch sonstige Spulen zuzuordnen. Besonders bevorzugt werden die in 6 dargestellten oder sonstige Spulen einer vorschlagsgemäßen HIS-Stuktur 1 zugeordnet. Es ist vorschlagsgemäß jedoch auch möglich, bereits aus dem Stand der Technik bekannten HIS-Strukturen 1 die vorgeschlagenen Spulen 15, Antennen 21 oder diesbezüglichen Kombinationen zuzuordnen.
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Die Leitungen 16 sind vorzugsweise in Form von Streifenleitungen bzw. insbesondere länglichen, flächigen Strukturen mit einem vorzugsweise im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt realisiert. Vorschlagsgemäß ist es jedoch auch möglich, die Leitungen 16 mit einem beliebigen, anderen, insbesondere mit einem runden oder ovalen, Querschnitt auszuführen. Die dargestellte Ausführungsform bietet jedoch Vorteile einer einfachen und kostengünstigen Herstellung.
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7A zeigt in einer schematischen, teilgeschnittenen Draufsicht die eine weitere Ausführungsform der Anordnung A mit einer Spule 15 bzw. Doppelspule oder zwei Spulen 15. 7B zeigt in einem schematischen Schnitt die Anordnung A entlang Linie VII-VII von 7A.
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Die Anordnung A weist wiederum eine HIS-Struktur 1 auf, über der die Spule bzw. Spulen 15 angeordnet ist bzw. sind. Die HIS-Struktur 1 ist vorzugsweise wie bereits beschrieben ausgebildet. Jedoch kann es sich auch um eine sonstige HIS-Struktur 1 handeln.
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Die Anordnung A weist zwei zumindest im wesentlichen parallel verlaufende, eng nebeneinander liegende Leitungen 16 auf, die hier über – also beabstandet zu und insbesondere parallel zu – der HIS-Struktur 1 verlaufen.
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Vorzugsweise sind die Leitungen 16 an entgegengesetzten Enden zur Zuführung von hochfrequentem Wechselstrom unabhängig voneinander elektrisch angeschlossen bzw. anschließbar, beim Darstellungsbeispiel insbesondere über Anschlüsse 17, vorzugsweise eine Koaxialverbindung 17 o. dgl. Insbesondere sind die Leitungen 16 mittels Durchkontaktierungen durch die zugeordnete HIS-Struktur 1 hindurch angeschlossen.
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An den der Stromeinspeisung jeweils entgegengesetzten Enden sind die beiden Leitungen 16 elektrisch kurzgeschlossen, insbesondere elektrisch und bevorzugt auch mechanisch fest mit der Trägerplatte oder Massefläche 4 verbunden, wie insbesondere für die in 7B sichtbare Leitung 16 angedeutet.
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Die Leitungen 16 sind vorzugsweise flach oder stegartig bzw. als Streifenleiter ausgebildet. Die Flachseiten der Leitungen 16 liegen vorzugsweise in einer Ebene und/oder verlaufen zumindest im wesentlichen parallel zu der HIS-Struktur 1. Die Leitungen 16 sind vorzugsweise unterbrechungsfrei ausgebildet. Vorzugsweise sind die Leitungen 16 bügelartig, insbesondere als durchgehende Metallbügel ausgebildet.
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Die wirksame bzw. effektive Länge L der Leitungen 16 entspricht zumindest im wesentlichen der Längserstreckung der Leitungen 16 parallel zur HIS-Struktur 1 bzw. dem Leitungssegment, das beabstandet und parallel zur HIS-Struktur 1 verläuft, wie in 7B angedeutet. An diese Länge L schließen sich vorzugsweise abgewinkelt Endbereiche der Leitungen 16 an, um die Leitung 16 zu halten und/oder elektrisch anzuschließen, insbesondere jeweils an einem Ende elektrisch über den Anschluß 17 oder dergleichen und am anderen Ende an die Trägerplatte oder Massefläche 4.
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Die beiden Leitungen 16 können von getrennten Stomversorgungen bzw. Versorgungseinrichtungen mit entsprechenden, insbesondere um im wesentlichen 90°, phasenversetzten Wechselströmen gespeist werden.
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Die Anordnung A aus 7 bevorzugt auch die Anordnung sowie HIS-Strukturen 1 aus den 1 bis 6, sind bevorzugt für Magnetresonanztomographen vorgesehen. Diese arbeiten mit Magnetfeldstärken von mehreren Tesla (T), teilweise bereits mit 7 T. Die Frequenz des hochfrequenten Wechselstroms und damit des von der Anordnung A erzeugten Magnetfelds hängt bei einem Magnetresonanztomographen von der Magnetfeldstärke ab, bei der gearbeitet wird. Insbesondere beträgt die Frequenz etwa 100 bis 500 MHz, im Falle eines 7 T-Magnetresonanztomographen etwa 300 MHz. Die Anordnung A ist gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere bei einer Frequenz aus diesem Frequenzbereich betreibbar.
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Die Anordnung A, die Struktur 1 bzw. die Länge L der Leitungen 16 ist vorzugsweise derart auf die gewünschte Arbeitsfrequenz abgestimmt, dass die Länge L im wesentlichen etwa ¼ der Wellenlänge beträgt, also bei 300 MHz etwa 25 cm oder abhängig von der Permittivität des umgebenden Mediums auch weniger, insbesondere zwischen 5 cm und 25 cm. Bei einer solchen Längenanpassung und unter Berücksichtigung einer bevorzugten Phasenverschiebung von etwa 90° kann dann eine Stromüberlagerung und damit Magnetfeldüberlagerung erreicht werden, wie schematisch im Diagramm gemäß 7C angedeutet.
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Das Diagramm zeigt beispielhaft zu einem bestimmten Zeitpunkt den Verlauf bzw. die Einhüllende des Betrages des Stroms I in einer Leitung 16 und den Verlauf bzw. die Einhüllende des Betrages des Stroms J in der anderen Leitung 16 über die Länge L der beiden Leitungen 16. Aufgrund der entgegengesetzten und phasenversetzten Einspeisung wird erreicht, dass sich die beiden Ströme I und J, genauer gesagt die dargestellten Beträge bzw. die Einhüllenden der Beträge der Ströme, insbesondere der Betrag der Summe der Ströme, zu im wesentlichen eins bzw. zu einem im wesentlichen konstanten Wert addieren. Dementsprechend kann eine wesentliche Homogenisierung bzw. Vergleichmäßigung über die gesamte Länge L des insgesamt von den beiden Leitungen 16 erzeugten Magnetfelds erreicht werden. Wesentlich ist insbesondere das sich auf der der HIS-Struktur 1 abgewandten Seite der Leitungen 16 ergebene Magnetfeld, da dieses bei der Untersuchung von Objekten, insbesondere Lebewesen oder Patienten, in einem Magnetresonanztomographen relevant ist.
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Die beiden Leitungen 16 zeigen aufgrund der engen Nachbarschaft eine starke elektromagnetische Verkoppelung, die zu unterschiedlichen Impedanzen der beiden von den Leitungen 16 gebildeten Spulen 15 führen kann, wodurch die Ströme I und J unterschiedlich stark und die Anpassung der Gesamtschaltung massiv beeinträchtigt werden kann. Diese Verkopplung kann vorzugsweise durch eine Induktivität bzw. Kompensationsspule 24 zwischen den beiden Leitungen 16 kompensiert werden. Besonders bevorzugt ist nur eine Kompensationsspule 24 in der Mitte zwischen den beiden Leitungen 16 angeordnet, wie insbesondere in 7A angedeutet.
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Die Kompensationsinduktivität 24 hängt von verschiedenen Faktoren, wie Dimensionierung und Abstand der Leitungen 16, Arbeitsfrequenz und dergleichen, ab. Die Induktivität beträgt vorzugsweise im wesentlichen 30 bis 250 nH, insbesondere etwa 50 bis 100 nH.
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Beispielsweise kommt bei Leitungen 16 mit einer Breite von etwa 20 mm, einer Höhe über der HIS-Struktur 1 von etwa 15 mm und einem Abstand (Kante zu Kante) der Streifen von etwa 10 mm bei 300 MHz (7 Tesla) eine Induktivität von etwa 75 nH heraus. Werden die Leitungen 16 enger gesetzt, steigt die Verkopplung und die Kompensations-Induktivität muß kleiner werden. Bei halber Frequenz (doppelte Länge der Streifenleitungen 16, um wieder 1/4 der Wellenlänge zu erreichen) und sonst gleichen Geometrieverhältnissen wird die Induktivität verdoppelt.
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Es ist anzumerken, dass die Anordnung A, insbesondere die Leitungen 16 und gegebenenfalls auch die HIS-Struktur 1 nicht im wesentlichen gradlinig bzw. eben ausgebildet sein müssen, sondern auch gekrümmt sein können. Die Krümmung kann in Längsrichtung der Leitungen 16 und/oder quer dazu verlaufen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 7 können die Leitungen 16 in der Luft über der HIS-Struktur 1 geführt sein. Es ist jedoch auch möglich, den Zwischenraum teilweise oder vollständig mit einem Dielektrikum zu füllen, insbesondere die Leitungen 16 dann einzubetten. Dann wird die Länge L vorzugsweise im Wesentlichen proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätszahl verkürzt. Diese Art der Modifizierung der Länge L durch Einsatz von dielektrischem Material kann auch unabhängig von der vorschlagsgemäßen Anordnung A realisiert werden.
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Die Anordnung A gemäß 7 gestattet es insbesondere, ein in Leiterlängserstreckung räumlich weitgehend homogenes magnetisches Wechselfeld durch zwei parallel verlaufende, eng nebeneinander liegende Leitungen 16 zu erzeugen, die an den entgegengesetzten Enden mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden. Die Wechselströme sind dabei vorzugsweise zumindest im wesentlichen um 90 Grad phasenverschoben. Die Leitungen sind an ihren der Stromzufuhr entgegengesetzten Enden jeweils elektrisch kurzgeschlossen. So ergibt sich ein sehr einfacher, kostengünstiger und robuster Aufbau.
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Eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Anordnung A ist in 8A dargestellt. 8B zeigt einen schematischen Schnitt entlang Linie VIII-VIII von 8A. Um die Übersichtlichkeit zu verbessern, sind in 8B ausschließlich Objekte in der Schnittebene, nicht jedoch hinter dieser liegende Objekte dargestellt.
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Die Anordnung A weist mindestens eine Antenne 21 oder eine Doppelantenne bzw. zwei Antennen 21 sowie eine zugeordnete HIS-Struktur 1 auf. Insbesondere ist die Anordnung A gemäß 8 sehr ähnlich der Anordnung A gemäß 7 ausgebildet, so dass nachfolgend nur wesentliche Unterschiede erläutert werden. Die bisherigen Ausführungen und Erläuterungen gelten daher insbesondere entsprechend oder ergänzend, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß 8 erfolgt die Einspeisung bzw. der elektrische Anschluß nicht jeweils an einem Ende der Leitungen 16, sondern bei jeder Leitung 16 jeweils zwischen dem kurzgeschlossenem Ende und dem nicht kurzgeschlossenen Ende. Die Einspeisung bzw. der Anschluß 17 ist insbesondere in der Hälfte der Leitung 16 mit dem kurzgeschlossenen Ende und/oder benachbart zum kurzgeschlossenen Ende angeordnet. Das nicht kurzgeschlossene Ende der Leitung 16 endet vorzugsweise frei. Der elektrische Anschluß bzw. die Einspeisung erfolgt insbesondere also näher am kurzgeschlossenen Ende als zum freien Ende der Leitung 16 hin. Die Leitungen 16 bilden daher Antennenabschnitte 22.
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Es ist anzumerken, dass die Anordnung A gemäß 7 oder 8 grundsätzlich auch nur eine einzige derart angeschlossene Leitung 16 oder jede sonstige Konfigurationen von angeschlossenen Leitungen 16 aufweisen kann. Insbesondere ist vorschlagsgemäß auch eine fingerartige Struktur und/oder Interdigitalstruktur von Leitungen 16 durch, insbesondere alternierend kontaktierte, nebeneinander angeordnete Leitungen 16 möglich. Vorschlagsgemäß sind auch matrixförmige und/oder flächige Weiterbildungen möglich.
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Des weiteren ist anzumerken, dass die Leitung bzw. Leitungen 16 bzw. Antennenabschnitte 22 vorzugsweise eine Länge von im wesentlichen einem Viertel der Wellenlänge des beaufschlagten Wechselstroms aufweist bzw. aufweisen. Jedoch können auch andere Längen realisiert werden. Insbesondere können andere Längen der Leitungen 16 bzw. Antennenabschnitte 22 realisiert werden und die Phasenlage der Ströme I und J zueinander derart angepaßt werden, dass ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld erzeugt wird.
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Die Anordnung A gemäß der Ausführungsform aus 8 weist vorzugsweise eine hohe Schwingungsgüte auf. Dementsprechend bildet sich bei der Anordnung A auch eine vorteilhafte Strom- und/oder Magnetfeldverteilung auf den Leitungen 16 bzw. Antennenabschnitten 22 aus. Insbesondere ist mit der Verschiebung des Einspeisepunktes bzw. elektrischen Anschlusses eine Impedanztransformation oder eine Änderung der Impedanz in die Anschlüsse bzw. Koaxialverbindungen 17 verbunden. Diese kann bei geeigneter Positionierung des elektrischen Anschlusses bzw. der Koaxialverbindung 17 die Impedanz derart beeinflussen, dass eine Einspeisung des Wechselstroms begünstigt wird.
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In den erläuterten Ausführungsbeispielen sind der HIS-Struktur 1 unterschiedliche Antennen 21 und/oder Spulen 15 zugeordnet. Diese weisen eine Haupterstreckungsebene auf, die vorzugsweise zumindest im wesentlichen parallel zur Elementfläche E verläuft. Es handelt sich also insbesondere um planare Strukturen. Weiter sind die Spulen 15 und/oder Antennen 21 auf der der Massefläche 4 gegenüberliegenden Seite der Elemente 2 und beabstandet zu diesen angeordnet. Diese Beabstandung kann vorschlagsgemäß durch eine mechanische Verbindung, insbesondere einen Kurzschluß, mit der HIS-Struktur 1 oder der Massefläche 4 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ ist es vorschlagsgemäß möglich, zur Befestigung und/oder Beabstandung der jeweiligen Antenne und/oder Spule ein Dielektrikum D2 einzusetzen.
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Ein weiterer, auch unabhängig realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Magnetresonanztomographen M (kurz auch nur Tomograph genannt) mit einer HIS-Struktur 1 und/oder einer Anordnung A. Die HIS-Struktur 1 ist vorzugsweise wie vorangehend beschrieben ausgeführt. Alternativ kann es sich jedoch auch um jede sonstige HIS-Struktur 1 handeln. Die Anordnung A ist vorzugsweise wie vorangehend beschrieben ausgeführt.
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9A zeigt den Tomographen M in einem schematischen Längsschnitt mit einem zu untersuchenden Patienten oder Menschen 25 auf einer Untersuchungsliege 26. 9B zeigt einen Schnitt des Tomographen M entlang Linie IX-IX von 9A.
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Der Tomograph M weist beim Darstellungsbeispiel einen Hauptmagneten 27, eine Gradientenspule 28, die HIS-Struktur 1 oder Anordnung A sowie eine innere Verkleidung 29 – insbesondere in der genannten Reihenfolge von außen nach innen – auf. Die Verkleidung 29 ist von einer optionalen Schalldämmung (nicht dargestellt) umgeben. Die Schalldämmung kann beispielsweise als Matte zwischen die Verkleidung 29 einerseits und die Gradientenspule 28 bzw. HIS-Struktur 1 oder Anordnung A andererseits eingebaut sein.
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Die HIS-Struktur 1 bzw. Anordnung A ist vorzugsweise zwischen der Schalldämmung und der Gradientenspule 28 eingebaut. Dementsprechend bleibt eine nur verhältnismäßig geringe radiale Bauhöhe, insbesondere von etwa 20 mm oder weniger. Dies ist mit der vorschlagsgemäßen Lösung erreichbar.
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Insbesondere kann die Anordnung A eine Ganzkörperspule oder eine Spule zur Untersuchung spezieller Bereiche des Patienten bzw. Menschen 25 bilden.
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Die HIS-Struktur 1 bzw. Anordnung A ist vorzugsweise gewölbt oder hohlzylindrisch bzw. tonnenartig ausgebildet. Dies erleichtert den Einbau in den Magnetresonanztomographen M.
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Vorschlagsgemäß ist es auch möglich, dass dem Magnetresonanztomograph M eine, insbesondere vorschlagsgemäße HIS-Struktur 1 zugeordnet oder in diesem angeordnet ist, ohne dass der HIS-Struktur 1 eine Antenne oder Spule unmittelbar zugeordnet ist. So ist es möglich, die HIS-Struktur 1 als Reflektor oder Abschirmung einzusetzen.
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Weiter ist es vorschlagsgemäß möglich, die HIS-Struktur 1 oder die Anordnung A abweichend von der in 9 angeordneten Position auch in anderen Bereichen des Magnetresonanztomographen M einzusetzen.
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Weiter ist es vorschlagsgemäß möglich, die vorgestellten Antennen 21 oder Spulen 15 auch unabhängig von einer HIS-Struktur 1, vorzugsweise in einem Magnetresonanztomographen M, einzusetzen. Die HIS-Struktur 1 mit einer zugeordneten Antenne 21 oder Spule 15 ist jedoch vorteilhaft in Bezug auf den Platzbedarf und die Charakteristik, insbesondere für den Einsatz in einem Magnetresonanztomographen M.
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Die vorgestellten Ausführungsbeispiele für HIS-Strukturen 1 sowie für Anordnungen A und für einen Tomographen M mit der HIS-Struktur 1 bzw. Anordnung A sind der Übersichtlichkeit halber teilweise ohne Trägerschichten, Stabilisatoren, Füllungen und/oder Dielektrika dargestellt. Vorschlagsgemäß ist es jedoch möglich oder vorgesehen, insbesondere auch unterschiedliche, Materialien als Füllung oder Dielektrikum einzusetzen.
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Die vorgenannten Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen sowie deren Merkmale können beliebig miteinander kombiniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- HIS-Struktur
- 2
- Element
- 3
- Leitungsabschnitt
- 4
- Massefläche
- 5
- Koaxialleitung
- 6
- Seele
- 7
- Mantel
- 8
- Kurzschluß
- 9
- Massefläche
- 10
- Leiterstreifen
- 11
- Kurzschlußbereich
- 12
- Streifenleitung
- 13
- Kondensator
- 14
- Ende
- 15
- Spule
- 16
- Leitung
- 17
- Anschluß
- 18
- Kondensator
- 19
- Bauelement
- 20
- Massesymbol
- 21
- Antenne
- 22
- Antennenabschnitt
- 23
- Endabschnitt
- 24
- Kompensationsspule
- 25
- Patient
- 26
- Untersuchungsliege
- 27
- Hauptmagnet
- 28
- Gradientenspule
- 29
- Verkleidung
- A
- Anordnung
- B
- Magnetfeld
- D
- Dielektrikum
- E
- Elementfläche
- F
- Flächenerstreckung
- HP
- horizontale Polarisierung
- I
- Strom
- J
- Strom
- L
- Länge
- M
- Magnetresonanztomograph Spule
- VP
- vertikale Polarisierung
