DE102011076918B4

DE102011076918B4 - Lokalspulensystem, Magnetresonanzsystem und Verfahren zur drahtlosen Energieübertragung zu einem Lokalspulensystem

Info

Publication number: DE102011076918B4
Application number: DE102011076918.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Biber; Jürgen Nistler; Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2031-06-04
Also published as: KR20120135136A; CN102809734A; KR101761240B1; US9689940B2; DE102011076918A1; US20120313645A1

Abstract

Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) für ein Magnetresonanzsystem (1) zum Erfassen von MR-Signalen mit einer Energieempfangsantenne (102, 130, 150, 152, 162, 166, 602), zum induktiven Empfang von Energie für das Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) aus einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld, wobei die Energieempfangsantenne (102, 130, 150, 152, 162, 166, 602) auf eine Energieübertragungsfrequenz (520) abgestimmt ist, die niedriger als eine Larmor-Frequenz (530, 534) der zu erfassenden MR-Signale und höher als etwa 20 kHz ist, wobei die Energieübertragungsfrequenz dem Systemgrundtakt des Magnetresonanzbildgebungssystems oder einem ganzzahligen Teil oder ganzzahligen Vielfachen des Systemgrundtaktes entspricht und wobei die Energieempfangsantenne als Spannungsquelle mit einem Lastwiderstand betrieben wird, der höher ist, als ein aus der Resonanzgüte bestimmter Innenwiderstand der Energieempfangsantenne.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lokalspulensystem für ein Magnetresonanzsystem zum Erfassen von MR-Signalen mit zumindest einer Energieempfangsantenne zum induktiven Empfang von Energie für das Lokalspulensystem aus einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzsystem mit einem solchen Lokalspulensystem und/oder einer Sendeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Energie zu einem Lokalspulensystem zu senden sowie ein Verfahren zur Energieübertragung zu einem Lokalspulensystem.
Ein Magnetresonanzsystem umfasst einen Tomographen, in welchem ein Patient auf einer Liege in einem zylindrischen Messraum positioniert ist. Im Messraum wird ein starkes Magnetfeld angelegt, das aufgrund der Ansteuerung einer Anzahl von Gradientenspulen einen Gradienten aufweist. Durch das Magnetfeld wird der Kernspin von Atomen ausgerichtet. Innerhalb des Tomographen befindet sich eine Sendeantennenanordnung, meist eine Ganzkörper-Sendeantennenanordnung, beispielsweise eine Birdcage-Antenne, zum Abgeben der Magnetresonanz-Hochfrequenzpulse, um die Atome anzuregen.
Zum Empfang der Magnetresonanzsignale (MR-Signale) werden bei einer Magnetresonanzuntersuchung meist Lokalspulen eingesetzt, um die Impulse bei der Relaxation der Kernspins zu empfangen. Unterschiedliche Materialien weisen unterschiedliches Relaxationsverhalten auf, so dass aufgrund des Relaxationsverhaltens ein Rückschluss auf das Innere des Körpers des Patienten getroffen werden kann. Die Lokalspulen sind oft in Baugruppen (im Folgenden „Lokalspulensysteme“ genannt) zusammengefasst, und weisen jeweils Empfangsantennenelemente, meist in Form von Leiterschleifen, auf. Die empfangenen MR-Signale werden in der Regel noch in der Lokalspule vorverstärkt und aus dem zentralen Bereich der Magnetresonanzanlage über Kabel ausgeleitet und einem geschirmten Empfänger einer MR-Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. In dieser werden dann die empfangenen Daten digitalisiert und weiterverarbeitet. Bei vielen Untersuchungen wird bereits eine Vielzahl solcher Lokalspulen am Patienten angeordnet, um ganze Bereiche des Körpers des Patienten abzudecken.
Die Funktionsweise von Magnetresonanzsystemen ist dem Fachmann bekannt und z. B. in Imaging Systems for Medical Diagnostics, Arnulf Oppelt, Publicis Corporate Publishing, ISBN 3-89578-226-2 beschrieben.
Die Lokalspulen sind häufig in einer sogenannten Lokalspulenmatte angeordnet, die über oder unter den Patientenkörper gelegt wird. Daneben gibt es speziell geformte andere Lokalspulensysteme, wie Kopfspulen etc. Derzeit werden die Signale von den Lokalspulensystemen mittels Kabel zu einer Auswerteeinrichtung des Magnetresonanzsystems geleitet. Die Kabel sind unerwünscht, da sie nicht einfach vom Patiententisch zur Auswerteeinrichtung geführt werden können, vom Personal als störend empfunden werden und der Patiententisch mit dem Patienten und der Lokalspulenmatte bewegt wird und folglich die Kabel lose geführt werden müssen. Daher gibt es Bestrebungen, die Datenübertragung vom Lokalspulensystem zur MR-Signalverarbeitungseinrichtung drahtlos auszuführen, wobei es vermutlich günstiger ist, die MR-Signale hierzu bereits im Lokalspulensystem selber zu digitalisieren und in digitaler Form zu übertragen.
Zur Vorverarbeitung der MR-Signale, beispielsweise zur Vorverstärkung und gegebenenfalls Digitalisierung und Kodierung, im Lokalspulensystem wird Energie benötigt. Da der Sinn der drahtlosen Übertragung der Daten vom Lokalspulensystem ist, dass vollständig auf eine Kabelanbindung des Lokalspulensystems verzichtet werden kann, muss das Lokalspulensystem entweder einen ausreichenden Energiespeicher aufweisen oder die benötigte Energie muss auch drahtlos an das Lokalspulensystem übertragen werden.
Eine Möglichkeit wäre, Mikrowellen zur Energieübertragung zu verwenden. Mikrowellenstrahlung ist jedoch unerwünscht, da sie die physiologische HF-Belastung des Patienten erhöht.
Ferner könnte Energie aus dem Magnetresonanzsendefeld abgezweigt werden, indem an eine Verstimmschaltung der Empfangsspulen ein Hochfrequenzgleichrichter und ein Puffer, beispielsweise ein Kondensator oder ein Akku, angeschlossen werden. Dies hat den Nachteil, dass bei einer Leistungsentnahme in den Empfangsspulen ein Strom bei der Magnetresonanzfrequenz fließt, wodurch das die Spins anregende Feld verfälscht wird.
Aus der Druckschrift WO 2006 /067 682 A2 ist eine induktive Energieversorgungseinrichtung für drahtlose Empfangseinrichtungen bekannt, wobei die Frequenz eines energieübertragenden Hochfrequenzfeldes ein ganzzahliges Vielfaches einer Sampling-Frequenz der drahtlosen Empfangseinrichtung ist.
Die Druckschrift W0 2009/ 153 727 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur induktiven Energieversorgung einer Lokalspule, wobei die Frequenz der Energieübertragung und harmonische davon außerhalb des Empfangsbandes der Lokalspule liegen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte drahtlose Energieversorgung eines Lokalspulensystems zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Lokalspulensystem gemäß Patentanspruch 1, durch ein Magnetresonanzsystem nach Patentanspruch 13 und durch ein Verfahren nach Patentanspruch 16 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Lokalspulensystem weist eine Energieempfangsantenne zum induktiven Empfang von Energie für das Lokalspulensystem aus einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld (z. B. einem elektromagnetischen Feld) auf, wobei die Energieempfangsantenne auf eine Energieübertragungsfrequenz abstimmbar oder abgestimmt ist, die niedriger als eine Larmor-Frequenz der zu erfassenden MR-Signale und höher als ca. 20 kHz ist.
Bei der Lamor-Frequenz handelt es sich um die Magnetresonanz-Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzsystems, das heißt die Frequenz, mit der die Kernspins angeregt werden bzw. die dann die zu empfangenden MR-Signale aufweisen. Die Larmor-Frequenz f_L lässt sich bekanntermaßen auf Basis des gyromagnetischen Verhältnisses γ (d. h. einer Stoffkonstante) und der am Ort des Kerns vorliegenden magnetischen Flussdichte B gemäß f_L = γ· B berechnen. Bei einer magnetischen Flussdichte von 1,5 T ergibt sich eine Larmor-Frequenz von etwa 63,87 MHz für einen Atomkern des Typs 1H, der Wasserstoff entspricht. Für eine Flussdichte von 3 T ergibt sich eine Larmor-Frequenz von etwa 127,74 MHz. Da das tatsächlich anliegende Magnetfeld durch die Anlegung des Magnetfeldgradienten lokal von einem Wert B₀ eines Grundmagnetfelds des Magnetresonanzsystems abweicht, wird dementsprechend in einem bestimmten Frequenzbereich von z. B.
+/- 1 MHz um die beim Grundmagnetfeld gegebene Lamor-Frequenz gesendet und empfangen. Grundsätzlich kann ein Magnetresonanzsystem aber auch auf mehreren Magnetresonanz-Arbeitsfrequenzen arbeiten, um unterschiedliche Metaboliten anregen zu können. In diesem Fall gelten die im Rahmen dieser Erfindung aufgestellten Bedingungen für die Energieübertragungsfrequenz für alle in Frage kommenden Lamor-Frequenzen.
Eine nicht beanspruchte Sendeeinrichtung für ein Magnetresonanzsystem, die dazu ausgebildet ist, Energie zu einem Lokalspulensystem zu senden, umfasst eine Energiesendeantenne, die ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld mit einer vorbestimmten Energieübertragungsfrequenz abgibt, und eine Oszillatoreinrichtung, die mit der Energiesendeantenne gekoppelt ist und ein elektrisches Signal zum Ansteuern der Energiesendeantenne erzeugt, das eine Energieübertragungsfrequenz aufweist, die niedriger als die besagte Larmor-Frequenz und höher als ca. 20 kHz ist.
Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem ist mit dem zuvor beschriebenen Lokalspulensystem und/oder der zuvor beschriebenen Sendeeinrichtung ausgestattet.
Dementsprechend wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Übertragen von Energie zu einem Lokalspulensystem mittels eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds Energie in einer Energieempfangsantenne des Lokalspulensystems induziert, wobei sich das Magnetfelds mit einer Energieübertragungsfrequenz ändert, die niedriger als eine Larmor-Frequenz von mittels des Lokalspulensystems zu erfassenden MR-Signalen und höher als ca. 20 kHz ist.
Die erfindungsgemäße Auswahl der Energieübertragungsfrequenz in dem angegeben Frequenzbereich hat den Vorteil, dass der Patient einerseits nicht durch Mikrowellenstrahlung belastet wird und andererseits nicht einem zeitlich wechselndes Magnetfeld mit einer hohen Leistung bei extrem niedrigen Frequenzen ausgesendet wird, die zu anderen biologischen Effekten führen könnten. Zudem kann in diesem Frequenzbereich dafür gesorgt werden, dass die Bildgebung nicht durch die Energieversorgung des Lokalspulensystems gestört wird.
Dies erlaubt es, dass bei einer bevorzugten Variante sogar gleichzeitig ein Empfang von MR-Signalen durch das Lokalspulensystem und eine Energieübertragung an das Lokalspulensystem erfolgen kann.
Dennoch weist das erfindungsgemäße Lokalspulensystem vorzugsweise einen geeigneten Energiespeicher (eine Pufferbatterie) auf, an den z. B. die Energieempfangsantenne die empfangene Energie abgeben kann, und aus dem dann Energie entnommen werden kann, wenn keine Energieübertragung gleichzeitig mit dem Empfang von MR-Signalen möglich ist oder die empfangene Energie nicht ausreicht. Bezüglich der Empfängereinschaltzeit zeichnen sich nämlich gute MR-Sequenzen oft dadurch aus, dass das MR-Signal während eines großen Anteils der Zeit, bis über 50 %, beobachtet wird. Das bedeutet, dass die zum Nachladen einer Pufferbatterie verfügbare mittlere Leistung nicht viel kleiner als die Betriebsleistung des Lokalspulensystems gemacht werden kann. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn unabhängig davon, ob gerade ein Empfang von MR-Signalen erfolgt, Energie zugeführt werden kann.
Vorzugsweise ist dieser Energiespeicher auch über eine geeignete Schnittstelle mit einem Ladegerät koppelbar, um den Energiespeicher aufzuladen, wenn das Lokalspulensystem nicht verwendet wird. Diese Schnittstelle kann auch die Energieempfangsantenne nutzen, um drahtlos Energie von dem Ladegerät zu empfangen. Das Lokalspulensystem kann aber auch eine weitere Schnittstelle in Form eines Steckers oder dergleichen für das Ladegerät aufweisen.
Die weiteren abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei insbesondere auch die Ansprüche einer Kategorie analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Vorzugsweise ist die Energieübertragungsfrequenz so gewählt, dass sie keine Oberwellen, d. h. Vielfache, im Bereich der Larmor-Frequenz aufweist. Der „Bereich der Larmor-Frequenz“ umfasst das oben erwähnte Frequenzband um die Larmor-Frequenz beim Grundmagnetfeld, in dem Anregungssignale für die Atomkerne ausgesendet und MR-Signale empfangen werden. In diesem Bereich sollten sich bevorzugt keine anderen Signale oder Oberwellen von Signalen befinden.
Vorzugsweise ist daher die Energieübertragungsfrequenz höher als die Bandbreite des oben beschriebenen Frequenzbands. Da dieses Frequenzband meist 1 MHz umfasst, ist die Energieübertragungsfrequenz bevorzugt höher als etwa 1 MHz, besonders bevorzugt höher als etwa 2 MHz und ganz besonders bevorzugt höher als etwa 4 MHz.
Die Energieübertragungsfrequenz ist außerdem bevorzugt niedriger als etwa 10 MHz, besonders bevorzugt niedriger als etwa 6 MHz.
Dementsprechend liegt die Energieübertragungsfrequenz vorzugsweise in einem Bereich von etwa 4 MHz bis etwa 6 MHz.
Um mit einer Energieübertragungsfrequenz in den oben angegebenen bevorzugten Frequenzbereichen arbeiten zu können, sollte einerseits die Energieempfangsantenne des Lokalspulensystems vorzugsweise so ausgebildet sein, dass sie bei dieser Energieübertragungsfrequenz einen Resonanzbereich aufweist, und andererseits sollte die Energiesendeantenne der Sendeeinrichtung vorzugsweise in diesem Bereich entsprechend resonant ausgebildet sein, und die Oszillator-Einrichtung sollte eine entsprechende Arbeitsfrequenz aufweisen.
Die Energieempfangsantenne kann dazu ausgebildet und angeordnet sein, ein transversales, zirkular polarisiertes Magnetfeld zu empfangen. In diesem Fall können die Energieempfangsantenne und die Lokalspule(n) parallel zueinander angeordnet sein.
Die Energieempfangsantenne kann alternativ dazu ausgebildet und angeordnet sein, ein longitudinal linear polarisiertes Magnetfeld zu empfangen, wobei die Polarisationsrichtung vorzugsweise parallel zum statischen Magnetfeld B₀ verläuft.
In diesem Fall können z. B. die Energieempfangsantenne und die Lokalspule(n) orthogonal zueinander angeordnet sein.
Die Energieempfangsantenne kann über zumindest einer Lokalspule angeordnet sein. Die Energieempfangsantenne kann dabei wie gesagt orthogonal oder parallel zur Lokalspule angeordnet sein, je nachdem, ob ein transversales, zirkular polarisiertes Magnetfeld oder ein longitudinales Magnetfeld empfangen werden soll. Hierdurch ergibt sich eine besonders platzsparende Anordnung der Lokalspule und der Energieempfangsantenne.
Die Energieempfangsantenne kann, insbesondere wenn die Energieempfangsantenne über der zumindest einen Lokalspule angeordnet ist, einen größeren Umriss als zumindest eine Lokalspule aufweisen, wobei die Lokalspule in einer Draufsicht gesehen vorzugsweise innerhalb der Energieempfangsantenne angeordnet ist.
Weiterhin ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Energieempfangsantennen miteinander gekoppelt ist. Die einzelnen Energieempfangsantennen können vorzugsweise quer, d. h. orthogonal oder unter einem anderen beliebigen Winkel zueinander, angeordnet sein. Dadurch wird eine empfangsseitige Diversität erreicht und die Energieversorgung ist unabhängig von der jeweiligen Lage der Lokalspulenmatte mit dem Lokalspulensystem sichergestellt.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist eine Lokalspule integral mit der Energieempfangsantenne als Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination ausgebildet. Hierzu ist die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination als mehrfach resonante Antenne ausgebildet bzw. beschaltet. Beispielsweise kann die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination eine Abstimmschaltung aufweisen, die dafür sorgt, dass das Antennenelement, beispielsweise eine einzelne Leiterschleife, oder die Antennenelemente zumindest zwei Resonanzfrequenzbereiche aufweisen, nämlich einmal im Bereich der Larmor-Frequenz und einmal im Bereich der Energieübertragungsfrequenz. Eine solche integrierte Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination bietet sich insbesondere dann an, wenn zur Energieübertragung ein transversales, zirkular polarisiertes Magnetfeld verwendet wird.
Die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination kann vorzugsweise an eine Filterschaltung angeschlossen sein, die dazu ausgebildet ist, die MR-Signale und die zugeführte Energie zu trennen. Hierzu können eine Diplexer oder eine Hochpassschaltung und eine Tiefpassschaltung verwendet werden. Bei Verwendung einer geeigneten Filterschaltung ist es möglich, auch mit einer solchen Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination gleichzeitig MR-Signale zu empfangen und eine Energieübertragung durchzuführen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Abstimmschaltung auch so ausgebildet sein, dass die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination zwischen verschiedenen Resonanzbereichen umschaltbar ist. In diesem Fall kann beispielsweise zum Empfang von MR-Signalen die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination auf die entsprechende MR-Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Sollte dagegen eine Energieübertragung durchgeführt werden, erfolgt eine Abstimmung auf die Energieübertragungsfrequenz. Anstelle einer Filterschaltung kann dann auch ein einfacher Umschalter im Lokalspulensystem eingesetzt werden.
Ebenso kann auch eine Energiesendeantenne des Magnetresonanzsystems bevorzugt integral mit der Ganzkörperspule ausgebildet sein. Dadurch entsteht eine besonders platzsparende Sendeantenne zum Übertragen von Energie an das Lokalspulensystem. Die Energiesendeantenne kann um die Ganzkörperspule ausgebildet sein. Auch bei dieser Ausgestaltung ist lediglich geringfügig mehr Raum in radialer Richtung innerhalb des Magneten für die Energiesendeantenne erforderlich.
Das Lokalspulensystem kann bevorzugt eine Takterzeugungseinrichtung aufweisen, die an die Energieempfangsantenne angeschlossen ist. Die Takterzeugungseinrichtung kann dann aus der Energieübertragungsfrequenz des Magnetfeldes ein Taktsignal für das Lokalspulensystem generieren. Dadurch kann das Lokalspulensystem mit dem Magnetresonanzsystem synchronisiert werden, d. h. der Takt des Lokalspulensystems wird mit dem Takt des Magnetresonanzsystems synchronisiert.
An die Energieempfangsantenne kann vorzugsweise ein Demodulator angeschlossen sein. Es kann dann das Magnetfeld moduliert werden, um z. B. über die Energieversorgung gleichzeitig ein Signal mit Steuerungsinformationen oder dergleichen zum Lokalspulensystem zu übertragen. Der Demodulator demoduliert dabei das resultierende Signal aus dem mittels der Energieempfangsantenne modulierten Magnetfeld.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, die nicht beschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Magnetresonanzsystems,
2 ein Blockschaltbild der Energieübertragung und der Signalübertragung zwischen einem Magnetresonanzsystem und einem Lokalspulensystem,
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Senden von Energie an eine Lokalspule;
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zum drahtlosen Empfangen von Energie durch ein Lokalspulensystem,
5 eine Abstimmschaltung zum doppeltresonanten Beschalten einer Antenne,
6 den Impedanzfrequenzgang eines Resonanzkondensators,
7 den Impedanzfrequenzgang eines Filters,
8 eine zweite Ausführungsform einer Sendeanordnung zum drahtlosen Senden von Energie zu einem Lokalspulensystem,
9 eine zweite Ausführungsform einer Empfangsanordnung zum drahtlosen Empfangen von Energie durch ein Lokalspulensystem,
10 eine dritte Ausführungsform einer Sendeanordnung zum drahtlosen Senden von Energie zu einem Lokalspulensystem,
11 eine dritte Ausführungsform einer Empfangsanordnung zum drahtlosen Empfangen von Energie durch ein Lokalspulensystem,
12 eine vierte Ausführungsform einer Empfangsanordnung zum drahtlosen Empfangen von Energie durch ein Lokalspulensystem,
13 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung zum drahtlosen Übertragen von Energie zu einem Lokalspulensystem und die dabei entstehenden Wirbelströme,
14 eine schematische Darstellung des Spektrums der verwendeten Signale,
15 eine fünfte Ausführungsform einer Anordnung zum Empfangen von Energie durch ein Lokalspulensystem.

1 zeigt ein einfaches Prinzipblockschaltbild eines Magnetresonanzsystems 1. Kernstück dieses Magnetresonanzsystems 1 ist ein handelsüblicher Tomograph 2, auch Scanner 2 genannt, in welchem ein Patient (nicht dargestellt) auf einer Liege 5 in einem zylindrischen Messraum 4 positioniert ist. Innerhalb des Tomographen 2 befindet sich eine Ganzkörper-Sendeantennenanordnung 3, beispielsweise eine Birdcage-Antenne, zur Aussendung der Magnetresonanz-Hochfrequenzpulse.
In dem Ausführungsbeispielen gemäß 1 umfasst das MR-Empfangssystem 20 ein Lokalspulensystem bzw. eine Lokalspulenanordnung 30, hier beispielsweise in Form einer Lokalspulenmatte, mit einer Anzahl von Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n sowie eine Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe 40. Die Lokalspulenanordnung 30 ist, wie dies in 1 dargestellt ist, im Messraum 4 des Tomographen 2 bzw. Scanners des Magnetresonanzsystems 1 angeordnet, wogegen die Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe 40 in einer zugehörigen Steuereinrichtung 6 des Magnetresonanzsystems 1 lokalisiert ist.
Teil dieser Steuereinrichtung 6 ist auch eine MR-Signalverarbeitungseinrichtung 11. Es wird an dieser Stelle aber ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das System beliebig skalierbar ist, d. h. dass bei entsprechender Ausgestaltung des MR-Empfangssystems 20 eine beliebige Anzahl von physikalischen Eingängen der MR-Signalverarbeitungseinrichtung 11 bedient werden können. Lediglich der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in den Figuren nur ein physikalischer Eingang dargestellt.
Angesteuert wird der Tomograph 2 von der Steuereinrichtung 6. An die Steuereinrichtung 6 ist über eine Terminal-Schnittstelle 13 ein Terminal 15 (bzw. eine Bedienerkonsole) angeschlossen, über das ein Bediener die Steuereinrichtung 6 und damit den Tomographen 2 bedienen kann. Die Steuereinrichtung 6 ist über eine Tomographen-Steuerschnittstelle 8 und eine Bildakquisitions-Schnittstelle 9 mit dem Tomographen 2 verbunden. Über die Tomographen-Steuerschnittstelle 8 werden über eine Sequenzsteuereinheit 10 auf Basis von Scan-Protokollen geeignete Steuerbefehle an den Tomographen 2 ausgegeben, damit die gewünschten Pulssequenzen - d. h. die Hochfrequenzpulse und die Gradientenpulse für die (nicht dargestellten) Gradientenspulen zur Erzeugung der gewünschten Magnetfelder - ausgesendet werden. Über die Bilddaten-Akquisitionsschnittstelle 9, welche hier u. a. die Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe 40 aufweist, werden die Rohdaten akquiriert, d. h. die empfangenen MR-Signale ausgelesen. Die Steuereinrichtung 6 weist außerdem einen Massenspeicher 7 auf, in dem beispielsweise erzeugte Bilddaten hinterlegt werden können und Messprotokolle abgespeichert sein können.
Eine weitere Schnittstelle 14 dient zum Anschluss an ein Kommunikationsnetz 17, das beispielsweise mit einem Bildinformationssystem (PACS, Picture Archiving and Communication System) verbunden ist oder Anschlussmöglichkeiten für externe Datenspeicher bietet.
Sowohl die Steuereinrichtung 6 als auch das Terminal 15 können auch integraler Bestandteil des Tomographen 2 sein. Das gesamte Magnetresonanzsystem 1 weist darüber hinaus auch alle weiteren üblichen Komponenten bzw. Merkmale auf, die jedoch wegen der besseren Übersichtlichkeit in 1 nicht dargestellt sind.
Im Scanner 2 befindet sich wie oben erwähnt zum Empfang der Magnetresonanzantwortsignale die Lokalspulenanordnung 30 mit einer Anzahl von Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n , die wiederum über die drahtlose Schnittstelle mit der Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe 40 der Bildakquisitions-Schnittstelle 9 verbunden sind. In der MR-Signalverarbeitungseinrichtung 11 werden die empfangenen Signale weiterverarbeitet und dann einer Bildrekonstruktionseinheit 12 zugeführt, die in üblicher Weise daraus die gewünschten Magnetresonanzbilddaten erzeugt. Diese können beispielsweise in dem Speicher 7 hinterlegt oder zumindest teilweise auf dem Bedienerterminal 15 ausgegeben werden oder über das Netzwerk 17 an andere Komponenten wie Befundungsstationen oder Massenspeicher übermittelt werden.
An die Tomographen-Steuerschnittstelle 8 ist hier außerdem eine Energie-/Anweisungs-Sendeeinrichtung 28 angeschlossen, die an die Lokalspulen LC₁ ,..., LC_n drahtlos Energie und Anweisungen bzw. Steuersignale überträgt. Diese Energie-/Anweisungs-Sendeeinrichtung 28 kann hierzu z. B. eine im Tomographen 2 angeordnete Energiesendeantenne nutzen, wie sie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Die Lokalspulenanordnung 30 mit den Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n umfasst eine Energie-Anweisungs-Empfangseinrichtung 29, die die drahtlos gesendete Energie und die drahtlos gesendeten Anweisung empfängt, wie später noch detaillierter erläutert wird. Die Energie und die Anweisungen werden z. B. an eine Lokalspulensteuerungseinrichtung 22 weitergeleitet. Die Lokalspulensteuerungseinrichtung 22 versorgt die Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n mit Energie und steuert diese an. Von den Lokalspulen empfangene MR-Signale werden von einer Lokalspulensteuerungseinrichtung 22 in aufbereiteter Form, z. B. in digitalisierter Form, an eine Lokalspulensendeeinrichtungsystem 24 übergeben, von der aus sie über eine Lokalspulensendeantennensystem 26 an eine Empfangsantenne 32 Magnetresonanzsystems 1 gesendet werden. Die von der Empfangsantenne 32 empfangenen Signale werden durch einen Empfänger 33 ausgewertet und der Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe 40 zugeführt.
Es versteht sich, dass die MR-Signale der Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n verstärkt werden können, in ein digitales Signal gewandelt werden können und auch in anderer Weise für die Übertragung an einen Empfänger des Magnetresonanzsystems weiterverarbeitet werden können.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Signalflusses zwischen einem Lokalspulensystem 100 und weiteren Komponenten des Magnetresonanzsystems 58. Eine Mehrzahl von Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n empfangen MR-Signale, die von Atomkernen innerhalb eines Patienten 41 emittiert werden. Die Lokalspulen LC₁ , ..., LC_n sind an eine Signalaufbereitungseinrichtung 42 angeschlossen, die die MR-Signale aufbereitet und entsprechende Sendesignale über eine Antenne 46 an das Magnetresonanzsystem 58 abgibt. Die Signalaufbereitungseinrichtung 42 erhält über eine Antenne 48 Taktsignale und Steuerungsanweisungen. Über eine Energieempfangsantenne 50 wird dem Lokalspulensystem 100 und insbesondere der Signalaufbereitungseinrichtung 42 Energie zugeführt, die in einer lokalspulensystemseitigen Energieversorgungseinrichtung 44 gleichgerichtet und gepuffert wird.
Das Magnetresonanzsystem 58 empfängt mittels einer Antenne 52 die Sendesignale, die die MR-Signale repräsentieren. Die Sendesignale werden in einer Signalverarbeitungseinrichtung 60 (welche hier schematisch die MR-Signalverarbeitungseinrichtung und einer Bildrekonstruktionseinheit repräsentiert) verarbeitet und dann z. B. auf einem Bildschirm 66 dargestellt. Die Signalverarbeitungseinrichtung 60 ist mit einer Steuerungseinrichtung 62 gekoppelt. Die Steuerungseinrichtung 62 sendet über eine Antenne 54 Taktsignale und Anweisungen an das Lokalspulensystem 100. Die Steuerungseinrichtung 62 ist mit einer Energieversorgungseinrichtung 64 gekoppelt, die über einen Anschluss 68 Energie bezieht und über eine Antenne 56 Energie an das Lokalspulensystem sendet.
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Sendeeinrichtung 200 für ein Magnetresonanzsystem, die dazu ausgebildet ist, Energie zu einem Lokalspulensystem drahtlos zu senden. An einem MR-Sendeverstärker 202 wird ein Magnetresonanzanregungssignal eingespeist, das durch den MR-Sendeverstärker verstärkt wird. Das verstärkte MR-Anregungssignal wird in eine erste Hybrideinrichtung 206 eingespeist. Ein Eingang der Hybrid-Einrichtung ist mit einer Abschlussimpedanz 208 gegen Masse abgeschlossen. Das Ausgangssignal der ersten Hybrideinrichtung 206 wird in einem ersten Diplexer 214 eingespeist. Ferner wird ein Ausgangssignal der ersten Hybrideinrichtung 206 in einen zweiten Diplexer 216 eingespeist. Ein solcher Diplexer 214, 216 ist ein Multiplexer, der zwei Eingänge an einen Ausgang schaltet. Somit können zwei Sendeeinrichtungen an eine Antenne mittels eines Diplexers angeschlossen werden.
Die Sendeeinrichtung 200 umfasst außerdem einen Oszillator 265, der ein Signal mit einer Frequenz von 5 MHz erzeugt, das in einen Energieverstärker 204 eingespeist wird und nach der Verstärkung in eine zweite Hybrideinrichtung 210 gespeist wird, die an einem Eingang mittels einer Impedanz 212 abgeschlossen ist. Ein Ausgangssignal der zweiten Hybrideinrichtung 210 wird in den ersten Diplexer 214 eingespeist. Ein weiteres Ausgangssignal der zweiten Hybrideinrichtung 210 wird in den zweiten Diplexer 216 eingespeist.
Das Ausgangssignal des ersten Diplexers 214 und das Ausgangssignal des zweiten Diplexers 216 werden in eine Ganzkörper-Sendeantennenanordnung, hier in Form einer Birdcage-Antenne 218, eingespeist. Die Birdcage-Antenne 218 umfasst eine Mehrzahl von in Längsrichtung angeordneten Antennenlängselementen 220, 222, 224, 226, 228, 230, 231. Die Antennenlängselemente sind in Umfangsrichtung durch eine Mehrzahl erster Filter bzw. Resonanzkondensatoren 232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z₁ (auch Zweipole genannt) verbunden. Die Birdcage-Antenne 218 hat somit eine im Wesentlichen zylindrische Form.
Jeweils zwei Antennenlängselemente sind mittels einer Diode 254, 258, 262 verbunden. Jeder Diode ist ein zweites Filter 252, 256, 260, Z₂ bzw. ein Zweipol parallel geschaltet.
Bei dieser Konstruktion können also über die Birdcage-Antenne 218 gleichzeitig sowohl MR-Anregungssignale als auch ein Magnetfeld zur Energieübertragung ausgesendet werden.
4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Lokalspulensystems 100a. Das Lokalspulensystem 100a umfasst eine Lokalspulenantenne 102, die doppelresonant beschaltet ist. An ein erstes Ende der Lokalspule 102, das an Masse angeschlossen ist, ist ein erster Kondensator 104 angeschlossen, der auch an ein zweites Ende der Lokalspule 102 angeschlossen ist, das den Ausgang der Lokalspule bildet. Eine Serienschaltung aus einer Spule 106 und einem zweiten Kondensator 108 ist dem ersten Kondensator 104 parallel geschaltet.
Der Ausgang der Lokalspulenantenne 102 ist an einen dritten Diplexer 110 angeschlossen. Ein Ausgang des Diplexers 110 ist an einen Verstimmschalter 112 und an einen Vorverstärker 120 angeschlossen. Dieser Ausgang gibt das MR-Signal für die Bildgebung aus. Am anderen Ausgang des Diplexers 110 ist ein Gleichrichter 116 angeschlossen. Dieser Ausgang gibt das Energieversorgungssignal, beispielsweise mit einer Frequenz von 5 MHz, ab. Der Gleichrichter umfasst eine Diode 116, die zwischen den Eingang und den Ausgang des Gleichrichters 114 geschaltet ist. An den Ausgang der Diode 116 ist ein dritter Kondensator 118 angeschlossen, der auch an Masse angeschlossen ist.
Das Magnetfeld für die Energieübertragung muss so ausgestaltet sein, dass die Leistung an jedem Ort am Patienten zur Verfügung steht, an dem eine Lokalspule MR-Signale empfangen kann. Sowohl die Sendeantennen als auch die Empfangsantennen können dedizierte Antennen bzw. Spulen für die Energieversorgung sein. Bei der Ausführungsform gemäß 3 und 4 wurde jedoch die Ganzkörper-Sendeantennenanordnung, d. h. Birdcage-Antenne 218, und die Lokalspule 102, d. h. die Empfangsantenne, so modifiziert, dass sie eine zweite Resonanz, beispielsweise bei 5 MHz, aufweisen. In dem Beispiel von 3 und 4 beträgt die Energieübertragungsfrequenz 5 MHz. Die Energieübertragungsfrequenz kann sich jedoch in einem Bereich von etwa 1 MHz bis etwa 10 MHz befinden. Energieübertragungsfrequenzen von etwa 2,5 MHz oder von etwa 5 MHz sind bevorzugt. Die Energieübertragungsfrequenz kann etwa dem MR-Grundtakt oder einem ganzzahligen Teil oder ganzzahligen Vielfachen des MR-Grundtaktes entsprechen.
Bei dem zuvor beschriebenen Beispiel kann ein transversales, möglichst homogenes und zirkular polarisiertes Feld in der Birdcage-Antenne 218 erzeugt werden, das im Wesentlichen die gleiche Feldstruktur wie ein MR-Sendefeld aufweist. Dieses Feld kann gut mit den auf radiale Feldkomponenten empfindlichen Lokalspulen 102 empfangen werden, wenn diese durch eine modifizierte Beschaltung eine zweite Resonanzfrequenz erhalten.
Diese Erweiterung der Birdcage-Antenne 218 kann durch zusätzliche Reihenschwingkreise an jedem ersten Filter 232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1 erfolgen. Falls zur Verstimmung der MR-Sendeantenne für den Magnetresonanzempfang PIN-Dioden zwischen den Antennenlängselementen 220, 222, 224, 226, 228, 230, 231 geschaltet sind, können parallel zu den Dioden 254, 258, 262 zweite Filter 252, 256, 260, Z2 geschaltet sein, um ein unerwünschtes Durchschalten der Dioden (die während eines Empfangs von Magnetresonanzsignalen mit den Lokalspulen durch eine negative Gleichspannung von z.B. -40 V gesperrt sind, um zu verhindern, dass durch magnetische Kopplung den empfangenden Lokalspulen einen Teil des MR-Empfangssignals entzogen wird) durch die Spannung der Energieversorgung zu vermeiden. Zudem kann so vermieden werden, dass die mit gesperrten Dioden eingestellte Resonanzbedingung für die Energieversorgungsfrequenz unerwünscht beeinflusst werden könnte.
Das von der Birdcage-Antenne 218 zur Anregung ausgesendete zirkular polarisierte HF-Magnetfeld muss in einer von der Orientierung des statischen Grundfeldes abhängigen Richtung drehen, um die Kernspins der Atome anzuregen. Das Magnetfeld zum Übertragen der Energie kann sich dagegen in die andere Richtung drehen als das Magnetfeld zum Anregen der Kernspins.
Es ist aber auch möglich, dass sich beide Felder in die gleiche Richtung drehen.
5 zeigt einen Schaltplan des ersten Zweipols 232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z₁ und des zweiten Zweipols 252, 256, 260, Z₂ . Zwischen dem Eingang und dem Ausgang des ersten bzw. des zweiten Filters ist ein erster Kondensator 262 geschaltet. Eine Serienschaltung aus einem zweiten Kondensator 264 und einer Spule 266 ist parallel zum ersten Kondensator 262 geschaltet. Dadurch ergibt sich eine doppelresonante Beschaltung der Antennenelemente der in 3 gezeigten Birdcage-Antenne.
6 zeigt den Impedanzfrequenzgang des ersten Filters 232, 234, 236, 238, 242, 244, 246, 248, Z1.
7 zeigt den Frequenzgang des zweiten Filters 252, 256, 260, Z2.
Im Folgenden werden beispielhaft für eine MR-Frequenz von 63.6 MHz und eine Energieübertragungsfrequenz von 5.0 MHz mögliche Kombinationen von Kapazitäten und Induktivitäten in den abgebildeten Schaltungen gemäß den 3 und 5 bzw. 4 angegeben:
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 mit einer Ganzkörperspule 200 mit einer Impedanz von z.B. 50 nH können beim Aufbau eines Zweipol Z1 gemäß 5 ein Kondensator 262 mit 132 pF, eine Spule 266 mit 1 µH und ein Kondensator 264 mit 965 pF verwendet werden, um die in 6 gezeigte Gesamt-Impedanz des Zweipols Z1 zu erreichen.
Um die in 7 gezeigte Gesamt-Impedanz des Zweipols Z2 bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 zu erreichen, können in dem Aufbau gemäß 5 ein Kondensator 262 mit 3.3 pF, eine Spule 266 mit 2 µH und ein Kondensator 264 mit 506 pF eingesetzt werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 mit einer Lokalspule 102 mit einer Impedanz von z.B. 125 nH, können ein Kondensator 104 mit 44 pF, eine Spule 106 mit 2 µH und ein Kondensator 108 mit 477 pF verwendet werden und der Diplexers 110 kann beispielsweise mit 10 pF und 10 µH beschaltet sein.
Alternativ zu der in 3 gezeigten Beschaltung kann die Birdcage-Antenne durch die Beschaltung der Dioden so ausgestaltet sein, dass die Resonanzfrequenz der Birdcage-Antenne umgeschaltet wird. Beispielsweise kann während des Sendens des MR-Anregungssignals die Resonanzfrequenz der Larmor-Frequenz, beispielsweise 63,6 MHz, entsprechen. Während des Empfangs der MR-Empfangssignale durch die Lokalspulen kann die Resonanzfrequenz der Birdcage-Antenne der Energieversorgungsfrequenz, beispielsweise 5 MHz, entsprechen. Diese Vorgehensweise weist den Nachteil auf, dass die Energieversorgung während des Sendens des MR-Anregungssignals unterbrochen ist. Zudem darf die Spannung, die durch das Signal der Energieversorgung, d. h. das oszillierende Signal von 5 MHz, erzeugt wird, an den ausgeschalteten PIN-Dioden nicht zu hoch werden.
Alternativ hierzu ist es möglich, zwei separate Birdcage-Sendeantennen konzentrisch ineinander anzuordnen. In 8 wird eine Variante gezeigt, bei der eine Ganzkörper-Sendeantennenanordnung als Birdcage-Antenne 306 zum Senden von MR-Anregungssignalen innerhalb einer Energiesendeantenne 308 angeordnet ist. Diese beiden Antennen können den für ihre Effizienz wesentlichen Feldrückflussraum gemeinsam nutzen, so dass kaum zusätzlich radialer Raum im Magneten des Tomographen benötigt wird.
Zwei Hochpässe 302, 304 speisen das MR-Anregungssignal in die Ganzkörper-Sendeantennenanordnung 306, d. h. die herkömmliche Birdcage-Antenne, bei denen Antennenlängselemente mit Kondensatoren 310 gekoppelt sind. Ein Energieversorgungssignal mit der Energieübertragungsfrequenz wird in eine Hybrideinrichtung 318 gespeist, die mit einer Impedanz 320 abgeschlossen ist. Die Ausgänge der Hybrideinrichtung werden über zwei Tiefpässe 314, 316 mit der Energiesendeantenne 308 gekoppelt. Die Antennenlängselemente der Energiesendeantenne 308, die auch als Birdcage-Antenne ausgebildet ist, sind mit Kondensatoren 312 gekoppelt. Da die Anforderungen an die Feldhomogenität der Energiesendeantenne 308 geringer sind, genügen hier wenige Antennenlängselemente als bei der Birdcage-Antenne 306 zum Senden der MR-Anregungssignale.
Da die Ganzkörper-Sendeantennenanordnung 306 und die Energiesendeantenne 308 hier immer noch magnetisch verkoppelt sind, ist trotz getrennter Anschlüsse weiterhin eine Filterung sinnvoll.
Mit dieser Antennenanordnung werden ebenfalls transversale, zirkular polarisierte Magnetfelder zur Energieübertragung erzeugt.
9 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lokalspulensystems 100b. Eine erste Lokalspule 102 und eine zweite Lokalspule 103 sind nebeneinander angeordnet. Die Lokalspulen 102, 103 weisen zur Abstimmung auf die Larmor-Frequenz je einen Kondensator 132, 134 auf. Jede der Lokalspulen 102, 103 ist an einen Hochpass 138, 140 angeschlossen, die wiederum je an einen Verstärker 146, 148 angeschlossen sind. Die Verstärker geben verstärkte MR-Signale aus. Über den Lokalspulen 102, 103 befindet sich eine Energieempfangsantenne 130. Die Energieempfangsantenne 130 kann einen derartigen Umriss aufweisen, dass sich zumindest zwei Lokalspulen 102, 103 in Draufsicht innerhalb der Energieempfangsantenne 130 befinden. Die Energieempfangsantenne 130 umfasst einen Kondensator 136, an den ein Tiefpass 142 und ein Gleichrichter 144 angeschlossen ist.
Es ist auch möglich, zur Energieübertragung ein longitudinales, linear polarisiertes Feld zu verwenden, das parallel zum statischen Magnetfeld B₀ , d. h. in Längsrichtung des Tomographen, verläuft. Hierzu wird auf die 10 und 11 Bezug genommen. Zur Erzeugung des Magnetfelds zur Energieübertragung kann eine mittig angeordnete Ringspule oder ein Helmholz-Paar 406, 408 vorgesehen sein. Empfängerseitig ist eine zusätzliche Energieempfangsantenne 130 erforderlich, die sich orthogonal zu den Lokalspulen 102 und 103 befinden sollte. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass die jeweiligen Antennen geometrisch voneinander gekoppelt sind, so dass die zusätzlichen Filter entfallen können, die bei der zweiten Ausführungsform erforderlich sind.
10 zeigt hierzu konkret eine Birdcage-Antenne 404 zum Senden von MR-Anregungssignalen. Um die Birdcage-Antenne 404 ist ein Helmholz-Paar 406, 408 zum Erzeugen des longitudinal linear polarisierten Magnetfeldes angeordnet. Jede Antenne des Helmholz-Paares weist einen Kondensator 410 auf.
11 zeigt entsprechend eine dritte Ausführungsform eines Lokalspulensystems 100c. Zwei Lokalspulen 102, 103 weisen jeweils einen Kondensator 133, 134 auf. Jede der Lokalspulen ist an einen Empfänger 146, 148 angeschlossen. Orthogonal zu den Lokalspulen 102, 103 und über den Lokalspulen ist eine Energieempfangsantenne 130 mit einem Kondensator 136 angeordnet. Die Energieempfangsantenne 130 ist an einen Gleichrichter 144 angeschlossen.
Jedes Lokalspulensystem kann eine einzige Lokalspule und eine einzige Energieempfangsantennen aufweisen. Damit kann ein einfacher und modularer Aufbau erreicht werden, bei dem keine Verbindungen zwischen den einzelnen Lokalspulen erforderlich sind. Um den Aufwand für den Empfang der Versorgungsenergie zu reduzieren, kann eine Energieempfangsantenne eine Mehrzahl von Lokalspulen versorgen.
Weiter wird auf 12 Bezug genommen, die eine vierte Ausführungsform eines Lokalspulensystems 100d zeigt. Hier sind eine Mehrzahl von Energieempfangsantennen 150, 152, 162, 166 vorhanden. Die Energieempfangsantennen bzw. Energieempfangsspulen sind dabei zum Teil rechtwinklig zueinander angeordnet. Die Energieempfangsantennen können hierbei nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. Hiermit wird die Empfindlichkeit des Lokalspulensystems 100d gegenüber einer nicht optimalen Orientierung der Energieempfangsantennen reduziert. An jede der Energieempfangsantennen 150, 152, 162, 166 kann ein Gleichrichterelement 158, 160, 170, 172 angeordnet sein, wobei die Ausgänge der Gleichrichterelemente miteinander und mit einem Kondensator gekoppelt sind.
Durch eine im Vergleich zur MR-Sendefrequenzen niedrige Energieübertragungsfrequenz wird das Verhältnis von im Patienten absorbierter Leistung (beispielsweise die spezifische Absorbtionsrate, SAR) zu entnehmbarer Leistung optimiert. Da die zulässige SAR-Belastung für einen Patienten, beispielsweise 4 W/kg, häufig bereits durch die MR-Sendeimpulse weitgehend ausgeschöpft ist, ist vorzugsweise für die Energieversorgung des Lokalspulensystems ein möglichst kleiner Zusatzbeitrag vorzusehen, beispielsweise 0,04 W/kg.
Hierzu wird auf 13 Bezug genommen. Bei der induktiven Übertragung von Energie können zwei Beiträge zu der im Patienten absorbierten Leistung auftreten. Zum einen wird das homogene Energiesendefeld, das durch die Energiesendeantenne 502 mit dem Kondensator 504 erzeugt wird, eine globale Erwärmung eines Patienten 500 durch einen Wirbelstrom i1' in einer Wirbelstromschleife 506 bewirken, der quadratisch vom Produkt aus Sendefeldstärke und Frequenz abhängig ist. Bei einer gegebenen Auffangfläche ist aber auch die zur Verfügung stehende Induktionsspannung proportional zu diesem Produkt. Das bedeutet, dass bei einem vorgegebenen globalen SAR-Wert unabhängig von der Frequenz lediglich eine bestimmte Ausgangsspannung möglich ist.
Wenn aus einer sich nahe am Patienten 500 befindenden Energieempfangsantenne 508 eines Lokalspulensystems ein Strom i2 entnommen wird, umgibt die Energieempfangsantenne 508 sekundäre HF-Magnetfelder, die zu zusätzlichen Wirbelströmen i2' in einer Wirbelstromschleife 510 unter der Energieempfangsantenne 508 führen. Dieser lokale SAR-Beitrag hängt vom Quadrat des Produktes aus Strom und Frequenz ab. Das bedeutet, dass bei einem gegebenen zulässigen SAR-Wert der entnehmbare Laststrom und damit die entnehmbare Leistung umso höher ist, je niedriger die Frequenz gewählt wird.
Da das primäre und das sekundäre Magnetfeld bei einer ohmschen Last eine Phasenverschiebung von etwa 90° aufweisen, können die SAR-Beiträge arithmetisch addiert werden. Es kann ein optimaler Lastwiderstand abgeleitet werden, bei dem die beiden SAR-Beiträge etwa gleich groß sind. Dieser Lastwiderstand ist typerweise wesentlich höher als ein aus der Resonanzgüte bestimmter Innenwiderstand der Energieempfangsantenne. Daraus ergibt sich, dass ein Betrieb als wenig belastete Spannungsquelle anzustreben ist. Ein leistungsangepasster Betrieb oder ein resonanter Kurzschluss ist zu vermeiden, da dies zu einem überproportionalen Anstieg einer SAR-Belastung aufgrund des sekundären HF-Magnetfeldes führen kann. Beispielsweise kann durch eine Schmelzsicherung eine potenzielle Gefährdung bei einem derartigen Fehler verhindert werden. Aus der relativ hochohmigen Last 512, 514 ergibt sich darüber hinaus, dass mehrere Energieempfangsantennen 508 ohne wesentliche gegenseitige Beeinflussung nebeneinander betrieben werden können.
Um eine möglichst niedrige vom Patienten absorbierte Leistung (SAR-Beitrag) erreichen, ist es vorteilhaft, eine möglichst niedrige Energieübertragungsfrequenz zu verwenden. Allerdings muss für eine gegebene Induktionsspannung eine höhere Feldstärke und ein höherer Sendespulenstrom i1 vorgesehen sein. Deshalb ist bei einer niedrigeren Energieübertragungsfrequenz die Effizienz der Energiesendeantenne niedriger. Folglich wird eine höhere Leistung für die Energiesendeantenne benötigt, die in Verlustwärme umgesetzt wird. Bei den eingangs angegebenen erfindungsgemäßen und bevorzugten Bereichen für die Energieübertragungsfrequenzen werden diese Randbedingungen aber gut berücksichtigt.
Zur weiteren Erläuterung einer geeigneten Frequenzwahl wird auf 14 Bezug genommen, die schematisch die Spektralverteilung zeigt, wobei die Feldstärke (in willkürlichen Einheiten) über der Frequenz f (in MHz) aufgetragen ist. Die in 13 gezeigten Frequenzen und Spektren werden durch folgende Komponente erzeugt:

520: Energieübertragungsfrequenz
522: Takt des Analog/Digital-Wandlers
524, 526, 528: Vielfache der Energieübertragungsfrequenz
530: Larmor-Frequenzband bei B₀ = 1,5 T
532: lokaler Oszillator für B₀ = 1,5 T
534: Larmor-Frequenzband bei B₀ = 3 T
536: lokaler Oszillator bei B₀ = 3 T

Die Energieübertragungsfrequenz kann also, wie hier gezeigt, so gewählt werden, dass keine Vielfachen oder Oberwellen der Energieübertragungsfrequenz in das MR-Empfangsfrequenzband fallen. Dadurch kann vermieden werden, dass beispielsweise bei der Gleichrichtung entstehende Oberwellen den MR-Empfang stören können. Somit sollte das Band von etwa 63,2 MHz bis etwa 74 MHz störungsfrei bleiben.
Zur Vermeidung von Eigenstörungen sind die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers und alle Frequenzen der zur Frequenzumsetzung verwendeten Oszillatoren vorzugsweise ganzzahlige Vielfache einer Systemgrundfrequenz, beispielsweise 2,5 MHz, deren Vielfache ebenfalls nicht in eines der MR-Empfangsbänder fallen sollen.
Die Energieversorgungsfrequenz kann auch als Referenzfrequenz für den Empfänger und die Digitalisierung verwendet werden.
Die benötigten Frequenzen der Oszillatoren lassen sich aus der Energieübertragungsfrequenz durch einen Frequenzvervielfacher oder eine PLL-Schaltung ableiten.
Hierbei ist zu beachten, dass beispielsweise durch Bewegungen des Patienten geringe Verstimmungen der Resonanz der Empfangsantennen auftreten können, die zu einer störenden Phasenveränderung der empfangenen Referenzfrequenz und damit der Empfangssignale führen können. Dieser Effekt wird aber günstigerweise durch den aus SAR-Gründen ohnehin gewünschten hohen Lastwiderstand minimiert, da folglich die wirksame belastete Güte des Resonanzkreises stark vermindert und die Bandbreite vergrößert wird.
Während der Empfangspausen kann durch eine Modulation der Energieversorgungsfrequenz zusätzliche Information an das Lokalspulensystem übertragen werden, beispielsweise die Konfiguration der Empfangskanäle und der Funkfrequenzen.
Eine in 15 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Lokalspulensystems 600 umfasst dementsprechend eine Energieempfangsantenne 602 mit einem Kondensator, die an ein Bandpassfilter 608 angeschlossen ist. An das Bandpassfilter 608 ist ein Gleichrichterelement 612 mit einem Kondensator angeschlossen, um den Energieversorgungsstrom zu erzeugen. Ferner ist an das Bandpassfilter ein Verstärker 616 angeschlossen, der die Energieversorgungsfrequenz an eine Takterzeugungseinheit 618 abgibt, die zumindest ein oszillierendes Signal erzeugen kann. Ferner ist an das Bandpassfilter 608 ein Demodulator 620 angeschlossen, der aus den modulierten Energieversorgungsfrequenzdaten Steuerdaten erzeugt.
Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die induktive Energieübertragung bei einer im Vergleich zur MR-Frequenz niedrigen Frequenz. Es folgt eine homogene Übertragung durch zirkular polarisierte transversale oder longitudinale Magnetfelder. Es können mehrfachresonante Sende- und Empfangsantennen zur Energieübertragung vorgesehen sein. An die Energieempfangsantenne kann eine hohe Lastimpedanz verglichen mit dem Innenwiderstand der Energieempfangsantenne angeschlossen sein. Es können mehrere Energieempfangsantennen als redundanter Diversitätsempfang an einen oder mehrere Gleichrichter angeschlossen sein. Zur Vermeidung von Störungen durch die Energieübertragungsfrequenz wird die Energieübertragungsfrequenz auf Vielfache des Systemgrundtaktes gelegt. Ferner kann die Energieübertragung zum Bereitstellen von Takt- und Steuersignalen mitverwendet werden.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriffe „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Magnetresonanzsystem
2: Tomograph
3: Ganzkörper-Sendeantennenanordnung
4: Messraum
5: Liege
6: Steuereinrichtung
7: Massenspeicher
8: Tomographen-Steuerschnitt¬stelle
9: Bildakquisitions-Schnittstelle
10: Sequenzsteuereinheit
11: MR-Signalverarbei¬tungseinrichtung
13: Terminal-Schnittstelle
14: Schnittstelle
15: Terminal
17: Kommunikationsnetz
20: Empfangssystem
22: Lokalspulensteuerungseinrichtung
24: Lokalspulensendeinrichtung
26: Lokalspulensendeantenne
28: Energie-Anweisungs-Sendeeinrichtung
29: Energie-Anweisungs-Empfangseinrichtung
30: Lokalspulenanordnung
32: Empfangsantenne
33: Empfänger
40: Übertragungssignal-Empfangsbaugruppe
41: Patienten
42: Signalaufbereitungseinrichtung
44, 56, 64: Energieversorgungseinrichtung
46, 48: Antennen
50: Energieempfangsantenne
52, 54: Antennen
58: Magnetresonanzsystem
60: Signalverarbeitungseinrichtung
62: Steuerungseinrichtung
66: Bildschirm
68: Stecker
100, 100a, 100b, 100c, 100d: Lokalspulensystem
102: Lokalspule, Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination
103: Lokalspule
104: erster Kondensator
106: Spule
108: zweiter Kondensator
110: dritter Diplexer, Filterschaltung
112: Verstimmschalter
114: Gleichrichter
116: Gleichrichter
118: dritter Kondensator
120: Vorverstärker
130: Energieempfangsantenne
132, 134, 136: Kondensator
138, 140: Hochpass
142: Tiefpass
144: Gleichrichter
146, 148: Empfänger
150, 152: Energieempfangsantenne
158, 160, 170, 172: Gleichrichterelement
162, 166: Energieempfangsantenne
200: Sendeeinrichtung
202: MR-Sendeverstärker
204: Energieverstärker
206: erste Hybrideinrichtung
208: Abschlussimpedanz
210: zweite Hybrideinrichtung
212: Abschlussimpedanz
214: erster Diplexer
216: zweiter Diplexer
218: Birdcage-Antenne
220, 222, 224, 226, 228, 230, 231: Antennenlängselement
232, 234, 236, 238: erstes Filter
242, 244, 246, 248: erstes Filter
254, 258, 262: Diode
252, 256, 260: zweites Filter
262, 264: Kondensator
265: Oszillator
266: Spule
300: Sendeeinrichtung
302, 304: Hochpässe
306: Ganzkörper-Sendeantennenanordnung
308: Energiesendeantenne
310, 312: Kondensatoren
314, 316: Tiefpässe
318: Hybrideinrichtung
320: Impedanz
400: Sendeeinrichtung
404: Birdcage-Antenne
406, 408: Helmholz-Paar
410: Kondensator
500: Patient
502: Energiesendeantenne
504: Kondensator
506: Wirbelstromschleife
508: Energieempfangsantenne
510: Wirbelstromschleife
512, 514: Last
520: Energieübertragungsfrequenz
522: Takt des Analog/Digital-Wandlers
524, 526, 528: Vielfache der Energieübertragungsfrequenz
530: Larmor-Frequenzband bei B₀ = 1,5 T
532: lokaler Oszillator für B₀ = 1,5 T
534: Larmor-Frequenzband bei B₀ = 3 T
536: lokaler Oszillator bei B₀ = 3 T
600: Lokalspulensystem
602: Energieempfangsantenne
608: Bandpassfilter
612: Gleichrichterelement
616: Verstärker
618: Takterzeugungseinheit
620: Demodulator
i1: Sendespulenstrom
i1': Wirbelstrom
i2: Strom
i2': Wirbelströme
LC₁, ..., LC_n: Lokalspulen
Z₁, Z₂: Filter

Claims

Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) für ein Magnetresonanzsystem (1) zum Erfassen von MR-Signalen mit einer Energieempfangsantenne (102, 130, 150, 152, 162, 166, 602), zum induktiven Empfang von Energie für das Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) aus einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld, wobei die Energieempfangsantenne (102, 130, 150, 152, 162, 166, 602) auf eine Energieübertragungsfrequenz (520) abgestimmt ist, die niedriger als eine Larmor-Frequenz (530, 534) der zu erfassenden MR-Signale und höher als etwa 20 kHz ist, wobei die Energieübertragungsfrequenz dem Systemgrundtakt des Magnetresonanzbildgebungssystems oder einem ganzzahligen Teil oder ganzzahligen Vielfachen des Systemgrundtaktes entspricht und wobei die Energieempfangsantenne als Spannungsquelle mit einem Lastwiderstand betrieben wird, der höher ist, als ein aus der Resonanzgüte bestimmter Innenwiderstand der Energieempfangsantenne.
Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungsfrequenz (520) so gewählt ist, dass sie keine Oberwellen im Bereich der Larmor-Frequenz (530, 534) aufweist, und/oder die Energieübertragungsfrequenz (520) höher als etwa 1 MHz ist.
Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100d, 600) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsantenne (130) dazu ausgebildet ist, ein transversales, zirkular polarisiertes Magnetfeld zu empfangen.
Lokalspulensystem (100c) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsantenne (130) dazu ausgebildet ist, ein in Feldrichtung eines Grundmagnetfelds des Magnetresonanzsystems (1) verlaufendes longitudinal linear polarisiertes Magnetfeld zu empfangen.
Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsantenne (130) über zumindest einer Lokalspule (102) des Lokalspulensystems (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) angeordnet ist.
Lokalspulensystem (100b) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieempfangsantenne (130) einen größeren Umriss als zumindest eine Lokalspule (102, 103) des Lokalspulensystems (100b) aufweist und die zumindest eine Lokalspule in einer Draufsicht innerhalb der Energieempfangsantenne angeordnet ist.
Lokalspulensystem (100d) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von miteinander gekoppelten Energieempfangsantennen (150, 152, 162, 166).
Lokalspulensystem (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Energieempfangsantenne (602) eine Takterzeugungseinrichtung (618) angeschlossen ist, die aus der Energieübertragungsfrequenz des Magnetfeldes ein Taktsignal für das Lokalspulensystem erzeugt.
Lokalspulensystem (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die Energieempfangsantenne ein Demodulator (620) angeschlossen ist, der das aus dem modulierten Magnetfeld resultierende Signal demoduliert.
Lokalspulensystem (100a) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lokalspule (102) des Lokalspulensystems (100a) integral mit einer Energieempfangsantenne als Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination (102) ausgebildet ist.
Lokalspulensystem (100a) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination an eine Filterschaltung (110) angeschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, die MR-Signale und die zugeführte Energie zu trennen.
Lokalspulensystem (100a) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination (102) eine Abstimmschaltung (104, 106, 108) zur Abstimmung der Lokalspulen-Energieempfangsantennen-Kombination auf zumindest zwei Resonanzfrequenzen aufweist.
Magnetresonanzsystem (1) mit einem Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Magnetresonanzsystem (1), mit einer Bildrekonstruktionseinheit (12), und einer Sendeeinrichtung (200, 300, 400), die dazu ausgebildet ist, Energie zu einem Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) zu senden, mit - einer Energiesendeantenne (218, 308, 406, 408), die ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld mit einer vorbestimmten Energieübertragungsfrequenz abgibt, - und einer Oszillatoreinrichtung (265), die mit der Energiesendeantenne (218, 308, 406, 408) gekoppelt ist und ein Signal zum Ansteuern der Energiesendeantenne (218, 308, 406, 408) erzeugt, das eine Energieübertragungsfrequenz aufweist, die niedriger als eine Larmor-Frequenz von mittels des Lokalspulensystems (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) zu erfassenden MR-Signalen und höher als etwa 20 kHz ist, wobei die Energieübertragungsfrequenz dem Systemgrundtakt des Magnetresonanzbildgebungssystems oder einem ganzzahligen Teil oder ganzzahligen Vielfachen des Systemgrundtaktes entspricht.
Magnetresonanzsystem (1) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiesendeantenne (218) ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld mit einer vorbestimmten Energieübertragungsfrequenz abgibt, integral mit einer Ganzkörperspule oder um eine Ganzkörperspule (306, 402) ausgebildet ist.
Verfahren zum Übertragen von Energie zu einem Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) eines Magnetresonanzsystems (1), bei dem mittels eines sich zeitlich ändernden Magnetfelds Energie in eine Energieempfangsantenne (102, 130, 150, 152, 162, 166, 602) des Lokalspulensystems (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) induziert wird, wobei sich das Magnetfeld mit einer Frequenz ändert, die niedriger als eine Larmor-Frequenz von mittels des Lokalspulensystems (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) zu erfassenden MR-Signalen und höher als etwa 20 kHz ist, wobei die Energieübertragungsfrequenz dem Systemgrundtakt des Magnetresonanzbildgebungssystems oder einem ganzzahligen Teil oder ganzzahligen Vielfachen des Systemgrundtaktes entspricht und wobei die Energieempfangsantenne als Spannungsquelle mit einem Lastwiderstand betrieben wird, der höher ist, als ein aus der Resonanzgüte bestimmter Innenwiderstand der Energieempfangsantenne.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem gleichzeitig ein Empfang von MR-Signalen durch das Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) und eine Energieübertragung an das Lokalspulensystem (100, 100a, 100b, 100c, 100d, 600) erfolgt.