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Die Erfindung betrifft ein Symmetrierglied zur Wandlung eines symmetrischen Hochfrequenzsignals, welches z. B. aus einem symmetrischen Hochfrequenzleitersystem stammt, in ein asymmetrisches Hochfrequenzsignal, insbesondere für ein asymmetrisches Hochfrequenzleitersystem, sowie eine Empfangseinrichtung für ein Hochfrequenzsignal und einen Magnetresonanztomographen.
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Symmetrierglieder bzw. Symmetrieranordnungen, welche auch als Baluns bezeichnet werden, kommen in einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten zum Einsatz. Ein Balun hat dabei die Aufgabe, die unerwünschte Gleichtakterregung bei der Wandlung des symmetrischen Hochfrequenzsignals in das asymmetrische Hochfrequenzsignal weitestgehend zu unterdrücken, um hierdurch z. B. Mantelwellen bei einer Übertragung über ein Koaxialkabel zu vermeiden. Im Bereich der Magnetresonanztomographie werden Baluns ohne die Verwendung von Ferriten z. B. in Empfangseinrichtungen für Hochfrequenzsignale eingesetzt, wobei aus den Hochfrequenzsignalen Informationen über das durch den Tomographen untersuchte Gewebe abgeleitet werden können. In Magnetresonanztomographen werden üblicherweise Hochfrequenzsignale im Bereich von 500 MHz und weniger verarbeitet. Die hieraus resultierenden großen Wellenlängen stellen enorme Anforderungen an den Platzbedarf und damit die Realisierbarkeit von Baluns in diskreten Schaltungen.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, ein Symmetrierglied in der Form einer Zweidrahtleitung zu realisieren, bei der zwei zueinander elektrisch isolierte Spulenwicklungen auf einem Wickelkörper nebeneinander gewickelt sind. Durch die Induktivität der einzelnen Wicklungen und eine parasitäre Kapazität, die sich durch den Abstand zwischen den Windungen der jeweiligen Wicklung ergibt, wird ein Schwingkreis gebildet, dessen Resonanzfrequenz vorzugsweise der Frequenz des zu wandelnden Hochfrequenzsignals entsprechen sollte. Dabei wirken die beiden Leiter der Spulenwicklungen für die Gegentakterregung als Paralleldrahtsystem, welches bis auf ohmsche Leiterverluste keinen Einfluss auf die Übertragung des Gegentaktsignals hat. Demgegenüber wirkt das Balun für die Gleichtakterregung bei der Resonanzfrequenz als Parallelresonanzkreis, dessen endliche Güte die Höhe der Gleichtaktunterdrückung bestimmt.
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In den Druckschriften
US 5 923 237 A und
JP 2009-252 845 A sind Balun-Transformatoren mit magnetischem Kern und übereinander liegenden Spulenwicklungen beschrieben.
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Die Druckschrift
DE 101 48 467 A1 beschreibt eine Empfangsschaltung für eine Magnetresonanzanlage, die mit mehreren Spulenanordnungen über ein Übertragungskabel mit mindestens einer Mantelwellensperre verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Symmetrierglied zur Wandlung eines symmetrischen Hochfrequenzsignals in ein asymmetrisches Hochfrequenzsignal zu schaffen, welches eine effiziente Gleichtaktunterdrückung bei gleichzeitig kompakten Abmessungen gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße Symmetrierglied umfasst zwei zueinander elektrisch isolierte Spulenwicklungen aus Draht, die auf einem Wickelkörper gewickelt sind, wobei die Spulenwicklungen jeweils einen Eingang an einem Ende des Wickelkörpers für das symmetrische Hochfrequenzsignal und jeweils einen Ausgang am anderen Ende des Wickelkörpers für das asymmetrische Hochfrequenzsignal umfassen. Das erfindungsgemäße Symmetrierglied, welches keine Ferrite bzw. keinen Ferritkern enthält, zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulenwicklungen in radialer Richtung des Wickelkörpers übereinander liegen. Dem Wickelkörper, der aus elektrisch isolierendem Material (wie z. B. Kunststoff) besteht, ist dabei eine Längsrichtung zugeordnet, in der sich die Spulenwicklungen von dem einen Ende des Wickelkörpers zu dem anderen Ende erstrecken. Unter der radialen Richtung ist die Erstreckungsrichtung senkrecht zu der Längsrichtung zu verstehen. Vorzugsweise ist der Wickelkörper zylindrisch ausgestaltet, jedoch sind gegebenenfalls auch andere Formen von Wickelkörpern (z. B. elliptische, quaderförmige Wickelkörper) denkbar.
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Das erfindungsgemäße Symmetrierglied weist den Vorteil auf, dass die Länge des Wickelkörpers gegenüber herkömmlichen Symmetriergliedern mit nebeneinander auf dem Wickelkörper angeordneten Spulenwicklungen wesentlich reduziert werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist eine jeweilige Spulenwicklung im Wesentlichen ohne Abstand zwischen benachbarten Windungen der jeweiligen Spulenwicklung gewickelt. Das heißt, die Drähte einer Spulenwicklung liegen unmittelbar aneinander an, so dass gegenüber herkömmlichen Baluns die Länge des Wickelkörpers zumindest halbiert werden kann. Darüber hinaus kann die Induktivität der einzelnen Wicklungen und damit die Anzahl der Windungen der jeweiligen Spulenwicklung reduziert werden, da sich die parasitäre Kapazität der jeweiligen Wicklung durch nunmehr direkt nebeneinander liegende Drähte vergrößert. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Draht der einen Spulenwicklung parallel auf dem Draht der anderen Spulenwicklung aufgewickelt, wodurch eine einfache Herstellung des erfindungsgemäßen Symmetrierglieds gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Symmetrierglied dient insbesondere zur Wandlung von Hochfrequenzsignalen in einem niedrigeren Frequenzbereich und vorzugsweise zur Verarbeitung von Hochfrequenzsignalen in einem Magnetresonanztomographen. Demzufolge ist das Symmetrierglied vorzugsweise zur Gleichtaktunterdrückung von Hochfrequenzsignalen mit einer Frequenz zwischen 10 MHz und 500 MHz ausgelegt. Bevorzugte Werte für die Induktivität einer jeweiligen Spulenwicklung liegen dabei im Bereich zwischen 1 μH und 10 μH.
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Zur Realisierung einer besonders effizienten Gleichtaktunterdrückung im oben genannten Frequenzbereich liegt in einer bevorzugten Ausführungsform des Symmetrierglieds die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, der durch die Induktivität einer jeweiligen Spulenwicklung und einer parasitären Kapazität zwischen den Windungen der jeweiligen Spulenwicklung gebildet wird, im Bereich zwischen 10 MHz und 500 MHz.
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In weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Symmetrierglieds weist der Wickelkörper eine Länge zwischen 3 mm und 10 mm, insbesondere eine Länge von 5 mm, auf. Im Falle der Verwendung eines zylindrischen Wickelkörpers liegt dessen Durchmesser vorzugsweise zwischen 2 mm und 10 mm, insbesondere bei in etwa 4 mm.
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Je nach Frequenz des zu wandelnden Hochfrequenzsignals kann die Anzahl der Windungen einer jeweiligen Spulenwicklung variieren. Zum Beispiel kann die jeweilige Spulenwicklung 20 bis 60 Windungen, insbesondere 40 Windungen, umfassen.
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Als Draht für eine jeweilige Spulenwicklung wird vorzugsweise ein isolierter Kupferdraht verwendet, insbesondere mit einem Durchmesser zwischen 50 und 100 μm und besonders bevorzugt mit einem Durchmesser von 80 μm. Die Isolation kann dabei durch eine isolierende Lackschicht auf dem Draht erreicht werden.
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Neben dem oben beschriebenen Symmetrierglied umfasst die Erfindung ferner eine Empfangseinrichtung für ein Hochfrequenzsignal für einen Magnetresonanztomographen. Die Empfangseinrichtung beinhaltet das erfindungsgemäße Symmetrierglied sowie eine Antenne zum drahtlosen Empfang eines symmetrischen Hochfrequenzsignals und eine Koaxialleitung zum Weiterleiten eines asymmetrischen Hochfrequenzsignals. Dabei ist die Antenne mit den Eingängen der Spulenwicklungen des Symmetrierglieds verbunden. Demgegenüber ist der Ausgang einer Spulenwicklung des Symmetrierglieds mit dem Innenleiter des Koaxialkabels und der Ausgang der anderen Spulenwicklung des Symmetrierglieds mit dem Außenleiter des Koaxialkabels verbunden. In einer bevorzugten Variante ist die Antenne der Empfangseinrichtung eine Loop-Antenne, welche vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich einiger Zentimeter, z. B. 10 cm, aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Empfangseinrichtung ist zwischen der Antenne und dem Symmetrierglied ein Vorverstärker geschaltet. Hierunter kann auch verstanden werden, dass das Symmetrierglied Bestandteil eines Vorverstärkers ist, der zunächst das symmetrische Hochfrequenzsignal verstärkt und dann dem Symmetrierglied zuführt.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Magnetresonanztomographen, der eine oder mehrere der oben beschriebenen Empfangseinrichtungen umfasst.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine drahtlose Empfangseinrichtung für ein Hochfrequenzsignal ohne die Verwendung eines erfindungsgemäßen Baluns;
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2 eine drahtlose Empfangseinrichtung für ein Hochfrequenzsignal, welche eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Baluns in einem ersten Betriebsmodus umfasst;
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3 eine Schnittansicht, welche den mechanischen Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Baluns zeigt; und
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4 eine der 2 entsprechende drahtlose Empfangseinrichtung mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Baluns in einem zweiten Betriebsmodus.
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In den nachfolgend beschriebenen Figuren wird die Erfindung in Bezug auf eine drahtlose Empfangseinrichtung für ein Hochfrequenzsignal erläutert, welche in einem Magnetresonanztomographen das in Antwort auf einen hochfrequenten Anregungsimpuls im untersuchten Körper entstehende Hochfrequenzsignal empfängt. Dieses Signal wird in einer entsprechenden Auswerteeinrichtung ausgewertet, um das Gewebe des im Tomographen befindlichen Patienten zu analysieren. Bei der Magnetresonanztomographie handelt es sich um ein bildgebendes Verfahren, bei dem das zu untersuchende Gewebe einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, durch welches sich die Kernspins der einzelnen Atome im Gewebe ausrichten. Durch die oben beschriebene äußere Anregung mit einem hochfrequenten Impuls wird eine messbare Schwingung erzeugt, welche durch die Empfangseinrichtung erfasst wird.
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1 zeigt ein Beispiel einer Empfangseinrichtung zur Verwendung in einem Magnetresonanztomographen. Die Empfangseinrichtung ist dabei z. B. in der Liege für den zu untersuchenden Patienten integriert und enthält kein Symmetrierglied bzw. Balun. Die Empfangseinrichtung umfasst eine Loop-Antenne 1, über welche ein symmetrisches Hochfrequenzsignal über die Leitungen 101 und 102 empfangen wird. Das Hochfrequenzsignal wird in dem Vorverstärker 2 verstärkt und gelangt über die Leitungen 301 und 302 auf ein unsymmetrisches Zweileitersystem in der Form eines Koaxialleiters 4 mit Innenleiter 401 und Außenleiter 402. Das symmetrische Hochfrequenzsignal umfasst ein Gegentaktsignal bzw. eine Gegentakterregung, welche das gegenphasige Signal zwischen den Leitungen 101 und 102 bzw. nach der Vorverstärkung zwischen den Leitungen 301 und 302 darstellt. Die Gegentakterregung ist in 1 durch den Pfeil P1 angedeutet. Ferner enthält das Signal eine unerwünschte Gleichtaktwelle, welche als virtueller Kurzschluss hin zu der schraffiert angedeuteten Erde E über die gestrichelte Linie L und den Pfeil P2 wiedergegeben ist. Diese Gleichtakterregung führt auf der unsymmetrischen Koaxialleitung 4 zu einer Störung in der Form einer Mantelwelle, was durch den Pfeil P3 zwischen Außenleiter 402 und Erde E angedeutet ist.
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Zur Unterdrückung des Gleichtakts wird in die Leitungen 301 bzw. 302 ein erfindungsgemäßes Symmetrierglied bzw. Balun geschaltet, wie in 2 wiedergegeben ist. Die Darstellung der 2 entspricht größtenteils der Darstellung der 1, so dass zur Bezeichnung der gleichen Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und diese Bauteile nicht nochmals beschrieben werden. Im Unterschied zu 1 enthält die Empfangseinrichtung der 2 nunmehr ein Balun 5 in der Form von zwei parallel gewickelten Spulen 501 bzw. 502, wobei die Induktivität der Spule 501 mit L1 und die Induktivität der Spule 502 mit L2 bezeichnet ist. Ferner sind die Eingänge der Spule 501 bzw. 502 mit I1 bzw. I2 und die Ausgänge der Spule 501 bzw. 502 mit O1 bzw. O2 bezeichnet. Die Verwendung eines Baluns in der Schaltung der 2 ist zwar an sich bekannt, jedoch unterscheidet sich der mechanische Aufbau des Baluns von herkömmlichen Baluns, wie weiter unten anhand von 3 erläutert wird.
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Die elektrischen Eigenschaften der Spulenwicklungen 501 und 502 sind im Wesentlichen identisch, d. h. die Induktivitäten L1 und L2 sind im Wesentlichen gleich groß. Ferner ist die Impedanz der Induktivitäten bei der Betriebsfrequenz, d. h. bei der Frequenz der über die Loop-Antenne 1 empfangenen Signale, sehr viel größer als die Leitungsimpedanz der Koaxialleitung 4, welche üblicherweise bei 50 Ω liegt. Dies hat zur Folge, dass für die Gleichtaktübertragung ein sehr großer Widerstand entsteht, der für eine hohe Gleichtaktunterdrückung sorgt und damit als Mantelwellensperre wirkt. Für die Gegentaktübertragung stellt das Balun demgegenüber eine aufgewickelte Leitung dar, denn die Induktivitäten L1 bzw. L2 haben keinen Einfluss auf die Gegentaktübertragung.
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3 zeigt einen Längsschnitt durch das als aufgewickeltes Zweidrahtsystem ausgebildete Balun 5 der 2. Das Balun 5 gemäß 3 umfasst einen zylindrischen Wickelkörper 6 mit einem ersten Ende 601 und einem zweiten Ende 602. An dem Ende 601 sind dabei die Eingänge I1 und I2 der jeweiligen Spulen 501 und 502 vorgesehen, wohingegen sich an dem Ende 602 die Ausgänge O1 bzw. O2 der jeweiligen Spulen befinden. Die Eingänge und Ausgänge sind in 3 nicht dargestellt. Die Leitungen der Spulenwicklungen 501 und 502 sind vorzugsweise als Kupferdraht ausgebildet, der eine isolierende Lackschicht aufweist.
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Auf dem zylindrischen Wickelkörper 6 ist als erstes die Spule 501 aufgewickelt, deren Drähte im Schnitt als schwarze Punkte angedeutet sind. Im Unterschied zu herkömmlichen Baluns ist die weitere Spulenwicklung 502, deren Drähte durch weiße Punkte angedeutet sind, nunmehr nicht neben der Spulenwicklung 501 auf dem Wickelkörper 6 aufgewickelt, was dazu führen würde, dass sich in 3 die schwarz und weiß dargestellten Drähte in Längsrichtung des Wickelkörpers abwechseln und somit nebeneinander auf dem Wickelkörper liegen. Stattdessen befindet sich die Spulenwicklung 501 auf der Spulenwicklung 502, d. h. die Spulenwicklungen 501 und 502 sind in radialer Richtung des Wickelkörpers 6 übereinander angeordnet. Dies hat zur Folge, dass die Baugröße des Baluns wesentlich verkürzt werden kann, da nur noch ein halb so langer Wickelkörper für die Wicklungen der beiden Spulen benötigt wird. Bei herkömmlichen Baluns zur Verwendung in der Magnetresonanztomographie liegt die Länge des Wickelkörpers z. B. im Bereich von 10 mm und kann somit im erfindungsgemäßen Balun auf 5 mm verkürzt werden. Dies führt zu einer signifikanten Verkleinerung des Baluns.
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4 zeigt nochmals eine Empfangseinrichtung für einen Magnetresonanztomographen in einem besonders bevorzugten Betriebsmodus. Der Aufbau der Empfangseinrichtung der 4 entspricht dem Aufbau der Empfangseinrichtung der 2 und es werden die gleichen Bezugszeichen zur Beschreibung der gleichen Bauteile verwendet. Zur Veranschaulichung sind in 4 ferner die zwischen den Windungen der Spulen 501 bzw. 502 ausgebildeten parasitären Kapazität C1 bzw. C2 angedeutet. Diese parasitären Kapazitäten liegen im Pikofarad-Bereich. Genauso wie die Induktivitäten L1 und L2 sind die parasitären Kapazitäten C1 und C2 im Wesentlichen gleich groß. In der Empfangseinrichtung der 4 ist das Balun 5 derart ausgelegt, dass die Resonanz der jeweiligen Schwingkreise aus Induktivität L1 und Kapazität C1 bzw. Induktivität L2 und Kapazität C2 der Betriebsfrequenz des über die Loop-Antenne 1 empfangenen Hochfrequenzsignals entspricht. Je nach Schwingkreisgüte für die Betriebsfrequenz kann hierdurch die Impedanz im Gleichtaktbetrieb nochmals deutlich gegenüber der Impedanz in der Empfangseinrichtung der 2 erhöht werden. Für die Gegentaktübertragung stellt das Balun weiterhin eine aufgerollte Leitung dar.
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Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, wird durch das erfindungsgemäße Balun zum einen eine effiziente Unterdrückung einer unerwünschten Gleichtakterregung bei der Wandlung eines symmetrischen Hochfrequenzsignals in ein unsymmetrisches Hochfrequenzsignal erreicht. Zum anderen wird die Baugröße des Baluns gegenüber herkömmlichen Baluns deutlich verkleinert, da nunmehr die Wicklungen der Spulen des Baluns nicht mehr nebeneinander auf dem Wickelkörper, sondern übereinander angeordnet sind, wodurch die Länge des Wickelkörpers verkürzt wird. Das erfindungsgemäße Balun kommt vorzugsweise in einer Empfangseinrichtung eines Magnetresonanztomographen zum Einsatz, jedoch ist die Verwendung des Baluns nicht auf diesen Einsatzbereich beschränkt, sondern es kann gegebenenfalls auch in anderen Empfangseinrichtungen zum Einsatz kommen.
