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Die Erfindung betrifft eine Schirmung für eine elektronische Schaltung, eine elektronische Schaltung mit einer solchen Schirmung sowie ein MRT-System mit mindestens einer solchen Schaltung.
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Die Magnetresonanztomographie (MRT, kurz auch MR; englisch: MRI für Magnetic Resonance Imaging) ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Es basiert physikalisch auf den Prinzipien der Kernspinresonanz und wird daher auch als Kernspintomographie bezeichnet. Allgemeine Details finden sich z. B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie.
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Mit der MRT kann man Schnittbilder des menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen, die eine Beurteilung der Organe und vieler krankhafter Organveränderungen erlauben. Die Magnetresonanztomographie basiert auf starken Magnetfeldern sowie elektromagnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne (meistens die Wasserstoffkerne/Protonen) im Körper resonant angeregt werden, die dann im Empfängerstromkreis elektrische Signale induzieren. Im Gerät wird keine belastende Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung erzeugt oder genutzt. Eine wesentliche Grundlage für den Bildkontrast sind unterschiedliche Relaxationszeiten verschiedener Gewebearten. Daneben trägt auch der unterschiedliche Gehalt an Wasserstoff-Atomen in verschiedenen Geweben (z. B. Muskel, Knochen) zum Bildkontrast bei.
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Neben dem statischen Grundmagnetfeld werden bei der MRT geschaltete Gradientenmagnetfelder im kHz-Bereich und die MR-Frequenz im oberen MHz-Bereich (60–500 MHz), benötigt. Die fortschreitende Integration erfordert zunehmend, dass Elektronikmodule direkt an den hochempfindlichen Empfangsspulen (auch bezeichnet als Lokalspulen) angeordnet werden. Dabei können die Elektronikmodule den Empfang der MR-Signale stören. Es ist daher nötig, diese Elektronikkomponenten entsprechend zu schirmen.
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Ein Problem besteht hierbei darin, dass die Abschirmung für die Elektronikmodule im Bereich der MR-Frequenz möglichst hoch und für die Gradientenfrequenz jedoch möglichst transparent sein sollte, d. h. die Schirmung selbst soll eine Tiefpasscharakteristik besitzen.
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Es ist bekannt, dass elektronische Baugruppen mit Hilfe von durchgängigen Metallboxen bzw. Metalldeckeln abgeschirmt werden können. Hierbei ist es jedoch von Nachteil, dass auf derartige Abschirmungen wegen ihrer durchgängigen Metallflächen Wirbelströme induziert werden können. Diese führen zu Bildstörungen bei der Magnetresonanztomographie. Deshalb wurden bisher die störenden Elektronikmodule in sicherer Entfernung angeordnet und durch Kabel mit den Empfangsantennen verbunden. Hierdurch erhöht sich die Komplexität der Verkabelung, was insgesamt die Sicherheit beeinträchtigt sowie die Kosten einer derartigen Lösung ansteigen lässt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine effiziente, kostengünstige und dabei sichere Möglichkeit zu schaffen, die störende elektronische Baugruppen wirksam abzuschirmen, so dass sie in unmittelbarer Nähe zur Empfangsantenne eingesetzt werden können.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Schirmung für eine elektronische Schaltung vorgeschlagen
- – mit einem Substrat,
- – mit einer Metallstruktur, die zumindest auf einer Seite des Substrats angeordnet ist,
- – wobei die Metallstruktur mehrere nicht zusammenhängende Teilbereiche aufweist,
- – wobei die Teilbereiche der Metallstruktur zumindest teilweise kapazitiv miteinander verbunden sind.
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Die erzeugte kapazitive Kopplung stellt für hohe Frequenzen einen Kurzschluss und für niedrige Frequenzen einen Leerlauf dar. Somit ergibt sich eine frequenzselektive Oberfläche, die eine Tiefpasscharakteristik aufweist.
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Die vorgestellte Lösung hat den Vorteil, dass durch die das Substrat und die Strukturierung der Metalloberfläche eine frequenzselektive Oberfläche erzielt werden kann, die hochfrequente Störfrequenzen abschirmt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch strukturierte Metalloberfläche (z. B. eine Schlitzung) die Schirmung für die Gradienten durchlässig wird. Zusätzlich können diskrete Kapazitäten eingesetzt werden, um Teile der Metallstruktur zu verbinden. Gerade durch die Kombination der Ansätze ergibt sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Bauform der abschirmenden Struktur sowie der Frequenzen, die abgeschirmt werden sollen.
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Somit wird erreicht, dass die Abschirmung für die elektronische Schaltung im Bereich der MR-Frequenz möglichst hoch und für die Gradientenfrequenzen möglichst transparent ist.
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Eine Weiterbildung ist es, dass die elektronische Schaltung in einem MRT-System angeordnet ist.
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Vorteilhaft werden die Teilbereiche durch das Substrat kapazitiv verbunden. Dies kann durch eine Wahl eines geeigneten Substrats erreicht werden, das vorzugsweise zumindest einen vorgegebenen Verlust, ein vorgegebenes Dielektrikum sowie eine vorgegebene Substratdicke aufweist. Die Faktoren Verlust, Dielektrikum und Substratdicke beeinflussen die Eigenschaften des Substrats und der kapazitiven Kopplung können entsprechend bestimmter Vorgaben oder Szenarien eingestellt werden.
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Im Rahmen einer anderen Weiterbildung kann das Substrat mindestens eines der folgenden Materialien aufweisen:
- – ein HF-taugliches Substrat, z. B. mit einer über den gewünschten Frequenzbereich weitgehend homogenen Dielektrikumszahl,
- – eine Keramik, z. B. Aluminiumoxid,
- – ein Polymer, z. B. Teflon,
- – eine Glasfaserstruktur, z. B. FR4,
- – ein dielektrisches (nicht-leitfähiges) Material.
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Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass die (leitfähige) Metallstruktur nicht-magnetisches Material umfasst.
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Auch ist es eine Weiterbildung, dass die Metallstruktur Gold, Silber, Kupfer oder Aluminium umfasst.
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Ferner ist es eine Weiterbildung, dass
- – die Metallstruktur auf einer Seite des Substrats angeordnet ist,
- – wobei Teilbereiche der Metallstruktur über Bauelemente, insbesondere Kondensatoren und/oder Kapazitätsdioden, miteinander verbunden sind.
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Optional können die konzentrierten Bauelemente auch Teilbereiche der Metallstruktur verbinden, die auf beiden Seiten des Substrats angeordnet sind.
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Insbesondere können nur Teile der einzelnen getrennten Teilbereiche (also nicht alle Teilbereiche) über Kondensatoren miteinander verbunden sein.
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Entsprechend kann die Metallstruktur auf beiden Seiten des Substrats angeordnet sein und die Teilbereiche können mittels Kondensatoren verbunden sein. Bei den Kondensatoren handelt es sich um diskrete Bauteile, die an der Schirmung angebracht, z. B. festgelötet, sein können.
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Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass die Metallstruktur auf beiden Seiten des Substrats angeordnet ist derart, dass sich die auf beiden Seiten des Substrats angeordneten Teilbereiche teilweise überlappen, so dass sich mittels des Substrats im Bereich der Überlappung eine kapazitive Kopplung ergibt.
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Die Überlappungen der Teilbereiche resultieren in einer Kapazität, die für die hohen Frequenzen, welche geschirmt werden sollen, einen Kurzschluss bilden. Für die niedrigen Frequenzen hingegen ist diese Kapazität ein Leerlauf. Somit ist die Schirmung für die niedrigen Frequenzen transparent und es können auf ihr keine signifikanten Wirbelströme entstehen. Falls die Kapazität nicht ausreicht, kann zusätzlich auch ein diskretes Bauelement, z. B. ein Kondensator, vorgesehen sein.
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Eine Ausgestaltung ist es, dass die Metallstruktur mit einer Masse der zu schirmenden elektronischen Schaltung verbunden ist.
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Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass die Schirmung derart angeordnet ist, dass sie die elektronische Schaltung zumindest teilweise abschirmt wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst mittels einer elektronischen Schaltung für ein MRT-System, die eine Schirmung wie hier beschrieben aufweist.
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Weiterhin wird ein MRT-System vorgeschlagen mit mindestens einer elektronischen Schaltung wie hier beschrieben.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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Es zeigen:
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1 einen beispielhaften Aufbau einer einen Störer (z. B.
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In Form einer elektronischen Baugruppe) abschirmenden Struktur umfassend ein HF-Substrat, auf dem beidseitig, teilweise überlappend, eine nicht-magnetische (oder schwach-magnetische) Metallstruktur (z. B. aus Kupfer) aufgebracht ist;
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2 eine zu 1 alternative Ausführungsform, bei der die kapazitive Kopplung mittels Kondensatoren erreicht wird, die an der Metallstruktur angebracht sind.
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Es wird vorgeschlagen, auf einem HF-Substrat eine doppelseitige strukturierte Oberfläche aus einem nicht-magnetischen Metall, beispielsweise Kupfer, aufzubringen. Das Metall kann geschlitzt ausgeführt sein, so dass sich teilweise Überlappungen zwischen der oberen und unteren auf dem HF-Substrat angebrachten Metallschicht ergeben.
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Die Überlappungen der Metallschichten resultieren in einer Kapazität, die für die hohen Frequenzen, welche geschirmt werden sollen, einen Kurzschluss bilden. Für die niedrigen Frequenzen hingegen stellt diese Kapazität einen Leerlauf dar, die Metallisierung ist für diese niedrigen Frequenzen transparent und es können keine Wirbelströme entstehen.
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Damit ergibt sich eine frequenzselektive Oberfläche. Das Metall kann mit der Masse der elektronischen Schaltung verbunden werden, die es abschirmt.
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Derselbe Effekt lässt sich mit Hilfe von diskreten Bauelementen und beispielsweise einer einseitig metallisierten und strukturierten Substratoberfläche erreichen.
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Diese Ausführungsformen steigern die Flexibilität in der Anwendung der Struktur, da so zusätzliche Freiheitsgrade bezüglich der Dicke der Metallisierung, des Substrats und der Schlitzbreite entstehen.
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1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer einen Störer 101 (z. B. in Form einer elektronischen Baugruppe) abschirmenden Struktur umfassend ein HF-Substrat 102, auf dem beidseitig, teilweise überlappend, eine nicht-magnetische (oder schwach-magnetische) Metallstruktur 103 (z. B. aus Kupfer) aufgebracht ist. Die Metallstruktur 103 kann eine Vielzahl einzelner Teile aufweisen, die auf dem Substrat 102 befestigt sind, auch kann die Metallstruktur 103 selbst zumindest teilweise zusammenhängend und/oder gelocht oder geschlitzt ausgeführt sein.
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Mit Hilfe des doppelseitig strukturierten HF-Substrats 102 ergeben sich durch Überlappungen der auf beiden Seiten des Substrats 102 angebrachten Metallstruktur 103 Kapazitäten gemäß der Beziehung C = εr A / d, wobei εr die relative Permittivität (Dielektrizitätszahl), A die Fläche der Elektrode und d den Abstand zwischen den Elektroden bezeichnen.
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Diese Kapazität stellt für hohe Frequenzen einen Kurzschluss und für niedrige Frequenzen einen Leerlauf dar. Somit ergibt sich die frequenzselektive Oberfläche.
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2 zeigt eine zu 1 alternative Ausführungsform. Der Störer 101 wird wieder durch das HF-Substrat 102 verdeckt.
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Allerdings ist die Metallstruktur 103 jetzt nur auf einer Seite des Substrats 102 vorgesehen, wobei nichtzusammenhängende Teile der Metallstruktur 103 über Kondensatoren 201 miteinander verbunden sind.
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Hierbei ist es von Vorteil, dass durch die Strukturierung des Substrats eine frequenzselektive Oberfläche erzielt werden kann, die hochfrequente Störfrequenzen abschirmt. Es können diskrete Kapazitäten eingesetzt werden, um bei hohen Frequenzen die Einzelelemente der Struktur leitend zu verbinden. Gerade durch die Kombination der Ansätze ergibt sich eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Bauform der abschirmenden Struktur sowie der Frequenzen, die abgeschirmt werden sollen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Störer (elektronische Schaltung, elektronische Baugruppe)
- 102
- Substrat
- 103
- Metallstruktur
- 201
- Kondensatoren
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie [0002]
