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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens eine Spule und wenigstens eine die Spule mit einer Empfangselektronik verbindende Koaxialleitung, welche Spule eine die empfangenen Signale auf wenigstens eine von der Sendefrequenz unterschiedliche Übertragungsfrequenz umformende Vorverarbeitungseinrichtung aufweist, sowie eine Koaxialleitung.
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Solcherlei Koaxialkabel, die Feldschwankungen ausgesetzt sind, werden in heutigen Magnetresonanzeinrichtungen hauptsächlich zum Transport der Empfangssignale von Lokalspulen verwendet. Solche Lokalspulen werden eingesetzt, um Bilder mit einem hohen Signal/Rauschverhältnis aufnehmen zu können. Als Lokalspule oder allgemein kurz Spule soll hier eine Antenne bezeichnet werden, die ein oder mehrere einzelne Spulenelemente (Loops) umfassen kann (Array-Spule). Neben den Spulenelementen umfasst eine solche Spule meist noch einen Vorverstärker, weitere Elektronik und Verkabelung, ein Gehäuse sowie ein Kabel mit einem Stecker, durch den sie an die Magnetresonanzeinrichtung, meist an einen Steckplatz einer Patientenliege, angeschlossen werden kann.
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Bei der Aufnahme von Magnetresonanzbildern mit Lokalspulen induzieren die angeregten Kerne in der Spule eine Spannung, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (LNA) verstärkt und schließlich kabelgebunden, meist bei der Sendefrequenz, an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Um das Signal/Rauschverhältnis weiter zu verbessern, können so genannte Hochfeldanlagen eingesetzt werden, deren Grundfeldstärken bei 3 Tesla oder höheren Werten liegen können.
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Eine Lokalspule befindet sich im Einsatz im Sendefeld (B1-Feld) der Ganzkörperspule. Die Ganzkörperspule (body coil) ist eine große, das aufzunehmende Objekt umfassende Spule, die zur Anregung der Spins im aufzunehmenden Objekt verwendet wird. Dabei erzeugt die Ganzkörperspule ein zirkulares oder elliptisches B1-Feld. Aufgrund dieses B1-Feldes werden auf allen Leitern, die sich in diesem Feld befinden, Ströme induziert. Insbesondere auf längeren Kabeln kann es zu Resonanzeffekten kommen, wenn die Kabel als Antenne wirken. Bei Koaxialkabeln fließen dann auf den Außenseiten der Mantelleiter („shield”) hohe Ströme, die im Extremfall auch zu einer Patientengefährdung durch Erwärmung führen können. Lange jedoch, bevor die entstehenden induzierten Ströme so hoch sind, dass eine Patientengefährdung relevant wird, können die B1-induzierten Ströme auf den Leiterstrukturen der Kabel sekundäre B1-Felder verursachen, die die B1-Homogenität des Sendefeldes der Ganzkörperspule verschlechtern.
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Ein weiteres Problem tritt immer dann auf, wenn das Koaxialkabel eine Diskontinuität erfährt, beispielsweise, wenn es auf eine Leiterplatte gelötet wird oder der Koaxialmodus in anderer Weise verlassen wird. Dann kann nämlich das Problem auftreten, dass die vorverstärkten Empfangssignale von der Innenseite des Mantelleiters auf die Außenseite gelangen können. Falls das Koaxialkabel nahe an einer Spule entlang geführt wird, kann das vorverstärkte Signal wieder in die Spule rückkoppeln und es kann dadurch zur Selbstoszillation der Lokalspule kommen. In einem solchen Zustand kann die Lokalspule nicht für die Magnetresonanz-Bildgebung verwendet werden.
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Die durch das Sendefeld bzw. die Empfangssignale induzierten Ströme/Wellen auf dem Mantelleiter eines Koaxialkabels werden im Allgemeinen als „Mantelwellen” bezeichnet. Die beiden hauptsächlich durch Mantelwellen auftretenden Probleme wurden dabei soeben erläutert: zum einen sind von der Sendespule erzeugte Mantelwellen die Ursache für B1-Homogenitätsprobleme und für Probleme mit unerlaubt hoher Patientenerwärmung, zum anderen können vom Empfangssignal erzeugte Mantelwellen bei Rückkopplung in die Empfangsspule zur Selbstoszillation der Spule führen.
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Zur Lösung dieser Problematiken ist es heute bekannt, in allen Leitungsstrukturen, die deutlich länger als mehrere 10 cm sind, Mantelwellensperren vorzusehen. Mantelwellensperren umfassen resonante Sperrkreise, die den Stromfluss bei der Sendefrequenz unterdrücken sollen. Da in Magnetresonanzeinrichtungen nach heutigem Stand die Sendefrequenz der Ganzkörperspule und die Empfangsfrequenz der Lokalspule sowie das Signal, das von den Lokalspulen auf Koaxialleitungen zum System übertragen wird, identisch sind, wird meist eine Lösung verwendet, die Mantelwellen nur an der Außenseite des Mantelleiters unterdrückt. Hierzu ist es bekannt, das gesamte Koaxialkabel zu einer Induktivität zu wickeln. Ein an der Außenseite des Mantelleiters angeschlossener Parallelkondensator vervollständigt die Mantelwellensperre. Dabei tritt die Sperrwirkung nur für die Ströme auf der Außenseite des Mantelleiters des Koaxialkabels auf. Eine Unterdrückung auf der Innenseite ist bereits deswegen nicht möglich, da sonst auch das Nutzsignal, welches ja auch auf der Sendefrequenz liegt, unterdrückt würde. Es sind auch andere Bauformen für Mantelwellensperren bekannt, beispielsweise so genannte „Bazooka”-Mantelwellensperren, die geometrisch anders gebaut sind, aber ebenso darauf abzielen, nur den Strom auf der Außenseite des Mantels zu unterdrücken und den Strom auf der Innenseite bei der Sendefrequenz ungehindert fließen zu lassen.
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Solche Mantelwellensperren, wie sie heute bekannt sind, weisen einige Probleme auf.
- 1. Mantelwellensperren sind nur manuell wickelbar und daher teuer.
- 2. Mantelwellensperren benötigen wegen des großen Durchmessers der Koaxialkabel und deren minimalen Biegeradien relativ hohen Platzbedarf, insbesondere für das zu einer Induktivität aufgewickelte Koaxialkabel.
- 3. Der Platzbedarf in Lokalspulen ist insbesondere für Spulen, die mechanisch flexibel sein sollen, problematisch.
- 4. Mantelwellensperren heutiger Bauform sind nicht einfach abstimmbar, da die Induktivität durch die Zahl der Wicklungen der Koaxialkabel-Induktivität festgelegt ist. Folglich sind diese Mantelwellensperren speziell für die Magnetresonanzanwendung manuell gefertigte Spezialteile.
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Kürzlich wurden Anordnungen zur Übertragung von Magnetresonanzsignalen mit einer Übertragungsstrecke vorgeschlagen, die eine Lokalspule mit einem Empfänger verbindet, wobei bereits innerhalb der Lokalspule eine Vorverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die die empfangenen Signale auf wenigstens eine von der Sendefrequenz unterschiedliche Übertragungsfrequenz umformt.
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Beispielsweise wurde in der
DE 10 2008 023 467 A1 vorgeschlagen, eine Anordnung zu verwenden, in der zwei Zwischenfrequenzen verwendet werden, um empfangene Signale mehrerer Kanäle über ein einziges Koaxialkabel übertragen zu können. Dazu ist dort vorgesehen, dass ein erster Kanal der Lokalspule ein erstes Spulenelement zum Empfang eines ersten Magnetresonanzsignals sowie einen mit dem ersten Spulenelement verbundenen ersten Mischer aufweist, wobei der erste Mischer aus dem zugeführten ersten Magnetresonanzsignal ein zwischenfrequentes erstes Signal bildet. Ähnlich weist ein zweiter Kanal der Lokalspule ein zweites Spulenelement und einen zweiten Mischer auf, wobei der zweite Mischer aus dem zugeführten zweiten Magnetresonanzsignal ein zwischenfrequentes zweites Signal bildet. Die Lokalspule weist eine Einrichtung zur Signalzusammenfassung auf, die mittels Frequenzmultiplex das zwischenfrequente erste Signal des ersten Kanals und das zwischenfrequente zweite Signal des zweiten Kanals zusammenfasst, sodass es über die Übertragungsstrecke zum Empfänger gelangt. Dabei ist zur Frequenzumsetzung vorgesehen, zwei Lokaloszillatorfrequenzen zu verwenden, die jeweils den Mischern zur Verfügung gestellt werden, wobei die durch die Frequenzumsetzung gebildeten Zwischenfrequenzen spiegelsymmetrisch zu einer Abtastfrequenz oder zu einem Vielfachen der Abtastfrequenz eines verwendeten Analog-Digital-Wandlers liegen.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Frequenzmultiplex-Übertragung kann auch innerhalb der Lokalspule bereits vorgesehen sein, dass die empfangenen Signale digitalisiert werden.
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Die
DE 101 05 984 C1 betrifft ein Koaxialkabel und eine Magnetresonanzanlage mit einem solchen Koaxialkabel. Hierbei ist das Koaxialkabel in mindestens zwei Kabelabschnitte unterteilt, die über einen Übertrager mit Übertragerspulen miteinander gekoppelt sind. Die Übertragerspulen und die Abstimmkondensatoren sollen auf eine Grundfrequenz abgestimmte Frequenzfilter bilden, wobei die Grundfrequenz der Magnetresonanzfrequenz entspricht. Die Signale der Grundfrequenz können über den Innenleiter übertragen werden, werden für den Außenleiter jedoch blockiert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetresonanzeinrichtung mit einer verbesserten Unterdrückung von Mantelwellen bei einem einfacheren, kostengünstigeren und geometrisch kleineren Aufbau der Mantelwellensperre bereitzustellen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Magnetresonanzeinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Koaxialleitung wenigstens eine Mantelwellen der Sendefrequenz sowohl auf der Außenseite wie auch der Innenseite des Mantelleiters der Koaxialleitung unterdrückende Mantelwellensperre mit einem Sperrkreis aufweist, wobei in den Innenleiter der Koaxialleitung ein weiterer Sperrkreis als Teil der Mantelwellensperre geschaltet ist, wobei die Sperrkreise dazu ausgebildet sind, die Sendefrequenz zu sperren.
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Die vorliegende Erfindung nutzt also in besonders vorteilhafter Weise die Tatsache aus, dass bereits vor der Übertragung der empfangenen Signale über die Koaxialleitung (das Koaxialkabel) die Frequenz der empfangenen Signale verändert wurde, um es erstmals auch zu gestatten, nicht nur die auf der Außenseite des Mantelleiters auftretenden Mantelwellen zu unterdrücken, sondern dies auch für die Innenseite des Mantelleiters zu ermöglichen. Es werden also Ströme im kompletten Mantelleiter durch einen bei der Sendefrequenz einer Sendespule resonanten Sperrkreis unterdrückt. Der Sperrkreis ist mithin dazu ausgebildet, die Sendefrequenz zu sperren, die übrigen Nutz- oder Hilfssignale, die über die Koaxialleitung übertragen werden, jedoch ungehindert passieren zu lassen. Die Unterdrückung von Signalen der Innenfrequenz auf der Innenseite des Mantelleiters ist in diesem Fall problemlos möglich, da die Nutzsignale ja eine von der Sendefrequenz unterschiedliche Frequenz haben, was auch für die gegebenenfalls benötigten Hilfssignale gilt.
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Bei der Magnetresonanzeinrichtung der erfindungsgemäßen Art ist es folglich möglich, an der Mantelwellensperre eine vollständige Auftrennung des Mantelleiters zum Anschluss an den Sperrkreis vorzunehmen. Der Mantelleiter wird folglich komplett aufgetrennt, um den bei der Sendefrequenz resonanten Sperrkreis zwischenzuschalten. Auf diese Weise ist es möglich, Mantelwellensperren nicht durch Aufwicklung von Koaxialkabeln oder geometrisch große „Bazookas” herzustellen, sondern ein Filternetzwerk aus einfachen, kommerziell verfügbaren Spulen und Kondensatoren aufzubauen. Alle diese Bauteile sind kommerziell verfügbar und automatisiert auf Leiterplatten bestückbar. Mithin kann vorgesehen sein, dass der Sperrkreis ein Filternetzwerk mit wenigstens einer Spule und wenigstens einem Kondensator umfasst und/oder der Sperrkreis auf einer Leiterplatte vorgesehen ist.
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Es ergibt sich folglich ein deutlich einfacherer, kostengünstigerer und geometrisch kleinerer Aufbau einer Mantelwellensperre für Lokalspulen und Lokalspulenverkabelungen, bei denen das empfangene Signal vor der Übertragung von der Lokalspule zur Empfangselektronik auf eine andere Frequenz konvertiert wurde oder anderweitig weiterverarbeitet wurde, beispielsweise digitalisiert wurde, sodass bei der Sendefrequenz selbst keine relevanten Informationen über die Leitung von der Lokalspule zur Empfangelektronik oder umgekehrt übertragen werden.
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Wie bereits einleitend ausgeführt, kann die Vorverarbeitungseinrichtung zur Konvertierung der empfangenen Signale auf wenigstens eine Zwischenfrequenz und/oder zur Digitalisierung der empfangenen Signale ausgebildet sein. Beispielsweise kann die in der
DE 10 2008 023 467 A1 beschriebene Übertragungsanordnung verwendet werden, es sind jedoch auch Systeme mit vorgelagerter Signalverarbeitung, insbesondere Digitalisierung, möglich.
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Ferner ist vorgesehen, dass auch in den Innenleiter der Koaxialleitung ein Sperrkreis als Teil der Mantelwellensperre geschaltet ist. Dieser Sperrkreis kann beispielsweise gleich dem in den Mantelleiter eingeschalteten Sperrkreis sein. Auch den Innenleiter mit einem solchen Sperrkreis im Rahmen einer Mantelwellensperre zu versehen hat den Vorteil, dass aufgrund der bei der völligen Auftrennung des Mantels auftretenden Diskontinuität das Signal von der Innenseite des Mantelleiters nicht unbeabsichtigt auf den Innenleiter überspringt und dort weiter übertragen wird. Ein solcher Effekt wird durch die Nutzung eines Sperrkreises auch für den ebenso komplett aufgetrennten Innenleiter vermieden.
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Neben der Magnetresonanzeinrichtung betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Koaxialleitung für eine Magnetresonanzeinrichtung zur Verbindung einer Lokalspule mit einer Empfangselektronik, welche Lokalspule eine die empfangenen Signale auf wenigstens eine von der Sendefrequenz unterschiedliche Übertragungsfrequenz umformende Vorverarbeitungseinrichtung aufweist, welche sich dadurch auszeichnet, dass die Koaxialleitung wenigstens eine Mantelwellen der Sendefrequenz sowohl auf der Außenseite wie auch der Innenseite des Mantelleiters der Koaxialleitung unterdrückende Mantelwellensperre mit einem Sperrkreis aufweist, wobei in den Innenleiter der Koaxialleitung ein weiterer Sperrkreis als Teil der Mantelwellensperre geschaltet ist, wobei die Sperrkreise dazu ausgebildet sind, die Sendefrequenz zu sperren. Bei einer derartigen Koaxialleitung wird also eine Mantelwellensperre verwendet, die auch auf der Innenseite des Mantelleiters Signale der Sendefrequenz einer Ganzkörperspule oder sonstigen Sendespule der Magnetresonanzeinrichtung sperrt. Sämtliche bezüglich der Magnetresonanzeinrichtung beschriebenen Ausgestaltungen und Ausführungen lassen sich, genau wie die Vorteile, selbstverständlich analog auf die erfindungsgemäße Koaxialleitung übertragen.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass sowohl bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung wie auch bei der erfindungsgemäßen Koaxialleitung bei Bedarf selbstverständlich auch mehrere Mantelwellensperren entlang eines Koaxialkabels vorgesehen sein können.
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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 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung,
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2 den Signallauf von der Spule zu einer Empfangselektronik in einer ersten Ausführungsform,
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3 den Signallauf von der Spule zur Empfangselektronik in einer zweiten Ausführungsform, und
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4 die Transmission eines Sperrkreises einer Mantelwellensperre.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 1. Ein Grundmagnet 2 weist eine Patientenaufnahme 3 auf, in die eine Patientenliege 4 einhakbar ist.
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In der Patientenaufnahme ist ferner eine Ganzkörperspule 5 (body coil) vorgesehen, die Magnetresonanzsignale mit einer Sendefrequenz ausstrahlt, um Kerne innerhalb eines aufzunehmenden Objekts, insbesondere eines Patienten, anzuregen.
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Auf der Patientenliege 4 ist nun ferner eine Lokalspule 6 angeordnet, die an einen Steckplatz 7 angeschlossen ist. Diese Lokalspule 6 dient zum Aufnehmen von Magnetresonanzsignalen in Reaktion auf die durch die Ganzkörperspule 5 erfolgte Anregung. Über eine Übertragungsstrecke, die wenigstens teilweise eine Koaxialleitung 8 umfasst, können die empfangenen Signale an eine bei 9 angedeutete Empfangselektronik weitergeleitet werden.
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Auch zur Verbindung der Lokalspule 6 mit dem Steckplatz wird häufig ein Koaxialkabel 29 vorgesehen.
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Einzelheiten der Ausgestaltung der Lokalspule und der Koaxialleitung ergeben sich aus der Darstellung des Signallaufwegs in 2.
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Die Lokalspule 6 umfasst wenigstens ein Spulenelement 10 (loop), welches die Magnetresonanzsignale empfängt. Das empfangene Signal wird dann über einen Vorverstärker 11 verstärkt und einer Vorverarbeitungseinrichtung 12 zugeleitet, die hier einen Frequenzumformer 13 und eine Processing-Einheit 14 umfasst. Im Frequenzumformer 13 wird, getaktet durch den Systemtakt oder einen lokalen Oszillator, das empfangene Signal auf eine andere Frequenz konvertiert. In der optional vorgesehenen Processing-Einheit 14 kann beispielsweise auch eine Digitalisierung oder sonstige weitere Aufbereitung des empfangenen Signals erfolgen.
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In jedem Fall verlässt das empfangene Signal die Lokalspule 6 auf einer anderen Frequenz als die Sendefrequenz und gelangt so in die Koaxialleitung 8, von der hier der Einfachheit halber nur der Mantelleiter 15 und der Innenleiter 16 gezeigt sind.
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Im Verlauf der Koaxialleitung 8 ist eine Mantelwellensperre 17 vorgesehen. Dazu ist der Mantelleiter 15 an dieser Stelle aufgetrennt und die beiden Enden des Mantelleiters 15 sind durch eine handelsübliche, auf einer Leiterplatte 18 angeordnete Spule 19 verbunden, der ein Kondensator 20 zur Bildung eines Sperrkreises 21 parallel geschaltet ist. Der gebildete Resonanzkreis aus der Spule 19 und dem Kondensator 20 hat eine Resonanzfrequenz, die der Sendefrequenz entspricht, sodass Mantelwellen der Sendefrequenz sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite des Mantelleiters 15 unterdrückt werden.
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Damit es nicht zu einem Überspringen der Mantelwelle auf den Innenleiter 16 kommt, ist auch dieser aufgetrennt und über einen zum Sperrkreis 21 gleichartigen Sperrkreis 22, wiederum mit einer handelsüblichen Spule 19 und einem handelsüblichen Kondensator 20, verbunden. Die beiden Sperrkreise 21, 22 können auf derselben Leiterplatte 18 vorgesehen werden.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass selbstverständlich auch in diesem ersten Ausführungsbeispiel beliebige andere Filter als Sperrkreis 21, 22 anstatt des dargestellten Parallelschwingkreises verwendet werden können. Denkbar sind beispielsweise Filter höherer Ordnung mit einem Sperrbereich bei der Sendefrequenz oder dergleichen. Wichtig ist nur, dass Signale bei Nutzfrequenzen nicht gesperrt werden.
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3 zeigt den Signallauf nun bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Lokalspule 6 wenigstens zwei Spulenelemente umfasst, nämlich wenigstens ein erstes Spulenelement 10A und wenigstens ein zweites Spulenelement 10B. Das erste empfangene Signal und das zweite empfangene Signal werden jeweils über Vorverstärker 11 verstärkt und dann wiederum einem Frequenzumformer 13A bzw. 13B zugeleitet, hier einem ersten Mischer bzw. einem zweiten Mischer. Die Mischer werden über Hilfsfrequenzsignale LO1, LO2 getaktet, die auch über die Koaxialleitung 8 übertragen werden, vgl. Pfeil 23. Das erste empfangene Signal wird dabei auf eine erste Zwischenfrequenz ZF1 konvertiert, das zweite empfangene Signal auf eine zweite Zwischenfrequenz ZF2. In einer Einrichtung 24 zur Signalzusammenfassung werden das erste empfangene Signal und das zweite empfangene Signal so zusammengefasst, dass sie gemeinsam über die Koaxialleitung 8 übertragen werden können, vgl. auch Pfeil 25.
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In diesem Fall sind in der Koaxialleitung 8 zwei Mantelwellensperren 17 vorgesehen, in denen sowohl der Innenleiter 16 wie auch der Mantelleiter 15 vollständig aufgetrennt werden, um durch jeweils ein Filternetzwerk 26, 27 als Sperrkreise 21, 22 verbunden zu werden.
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Dabei zeigt 4 das Transmissionsverhalten T der Filternetzwerke 26, 27 gegen die Frequenz. Ersichtlich liegt das Transmissionsminimum 28 bei der Sendefrequenz fMR. Für die Lokaloszillatorfrequenzen LO1 und LO2 bzw. für die Zwischenfrequenzen ZF1, ZF2 ist weiterhin eine gute Transmission gegeben, sodass trotz der Sperre an Innenleiter, Mantelleiterinnenseite und Mantelleiteraußenseite keine Einschränkung der Übertragung auftritt.
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Dabei kann die Mantelwellensperre 17, wie bereits beschrieben, problemlos mittels herkömmlicher Bauteile, also Kondensatoren und Spulen, hergestellt werden, beispielsweise, indem eine Leiterplatte wie bekannt bestückt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetresonanzeinrichtung
- 2
- Grundmagnet
- 3
- Patientenaufnahme
- 4
- Patientenliege
- 5
- Ganzkörperspule
- 6
- Lokalspule
- 7
- Steckplatz
- 8
- Koaxialleitung
- 9
- Empfangselektronik
- 10
- Spulenelement
- 10A
- Spulenelement
- 10B
- Spulenelement
- 11
- Vorverstärker
- 12
- Vorverarbeitungseinrichtung
- 13A
- Frequenzumformer
- 13B
- Frequenzumformer
- 14
- Processing-Einheit
- 15
- Mantelleiter
- 16
- Innenleiter
- 17
- Mantelwellensperre
- 18
- Leiterplatte
- 19
- Spule
- 20
- Kondensator
- 21
- Sperrkreis
- 22
- Sperrkreis
- 23
- Pfeil
- 24
- Pfeil
- 25
- Pfeil
- 26
- Filternetzwerk
- 27
- Filternetzwerk
- 28
- Transmissionsminimum
- 29
- Koaxialkabel
- LO1
- Hilfsfrequenzsignal
- LO2
- Hilfsfrequenzsignal
- ZF1
- Zwischenfrequenz
- ZF2
- Zwischenfrequenz
- T
- Transmissionsverhalten
- fMR
- Sendefrequenz
