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Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanztomographie-System (MRT-System) mit wenigstens einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines elektromagnetischen und/oder magnetischen MR-HF-Signals, das von einem zu untersuchenden Körper ausgestrahlt wird. Zu der Erfindung gehören auch eine Empfangsvorrichtung für das MRT-System sowie ein Verfahren zum Gewinnen eines MR-Signals mit dem MRT-System. Ein MRT-System sowie eine Empfangsvorrichtung der genannten Art sind beispielsweise aus der
US 7 508 213 B2 bekannt.
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Bei einem System zum Erzeugen von Magnetresonanztomogrammen wird ein zu untersuchender Körper, beispielsweise der Körper eines Menschen oder eines Tieres oder aber auch eine Materialprobe, in ein magnetisches Feld gebracht, das beispielsweise von einer supraleitenden Magnetspule des MRT-Systems erzeugt wird. Anschließend wird der Körper durch Aussenden eines hochfrequenten magnetischen Wechselfelds dazu gebracht, seinerseits ein hochfrequentes magnetisches oder elektromagnetisches Antwortsignal auszusenden. Die Frequenz des Antwortsignals ist dabei von der Feldstärke des Magnetfelds abhängig und beträgt approximativ 42 Megahertz pro Tessla. Für die Unterscheidung einzelner Regionen in dem Körper wird durch Gradientenfelder bewirkt, dass einzelne Voxel (Volumenelemente) des Körpers Antwortsignale aussenden, die sich voneinander um einige hundert Kilohertz unterscheiden. Das von den Voxeln ausgesendete hochfrequente Signalgemisch wird hier als MR-HF-Signal bezeichnet.
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Das MR-HF-Signal wird von wenigstens einem Empfangsspulenelement des MRT-Systems empfangen und durch dieses in ein elektrisches MR-HF-Signal umgewandelt. Die gesamten überlagerten Signale der einzelnen Voxel müssen dann aus dem Hochfrequenzbereich (HF-Bereich) in einen Zwischenfrequenzbereich oder einen Grundfrequenzbereich demoduliert werden. Das elektrische MR-HF-Signal des Empfangsspulenelements wird dazu gegebenenfalls verstärkt und nach einer Impedanzanpassung einem Mischer zugeführt, der das HF-MR-Signal in einen Zwischenfrequenzbereich oder das Basisband heruntermischt oder demoduliert. Das in den Zwischenfrequenz- oder den Grundfrequenzbereich demodulierte Signal wird im Folgenden als MR-Signal bezeichnet.
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Die Empfangsspulenelemente befinden sich in einer Empfangsvorrichtung, die sich im Magnetfeld des MRT-Systems befindet. Dies macht es schwierig, in der Empfangsvorrichtung weitere, aufwändige elektrische Schaltungen zu betreiben. Die verhältnismäßig starken magnetischen Wechselfelder machen aufwändige Schirmungsmaßnahmen nötig. Zudem verursacht die Abwärme solcher Schaltungen ein thermisches Signalrauschen, welches das MR-HF-Signal stören kann. Auch machen voluminöse elektrische Schaltungen die Empfangsvorrichtung unhandlich, was es insbesondere bei Geräten für eine Untersuchung lebender Patienten schwierig macht, diese Empfangsvorrichtungen für längere Zeit an den Patienten zu befestigen. Zudem kann dem Patienten aufgrund der Abwärme der Geräte unangenehm heiß werden.
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Aus diesen Gründen kann daher vorgesehen sein, die Empfangsvorrichtung nur mit den nötigsten Komponenten auszustatten. Weitere Komponenten sind dann in einem magnetisch abgeschirmten Bereich, beispielsweise einem Kontrollraum des MRT-Systems, untergebracht. Die Empfangsvorrichtung ist dann in der Regel über Koaxialkabel mit dieser Auswerteeinrichtung verbunden. Über die Koaxialkabel werden die verstärkten elektrische MR-HF-Signale aus dem Magnetfeld herausgeführt und dann in der Auswerteeinrichtung demoduliert und weiterverarbeitet. Da ein MRT-System in der Regel eine Vielzahl von Empfangsspulenelementen aufweist, ist der Kabelbaum aus Koaxialkabeln sehr unhandlich. Aufgrund der Vielzahl der übertragenen Signale kann zudem ein Übersprechen zwischen den einzelnen Koaxialkabeln nur mit großem Aufwand verhindert werden. Schließlich muss verhindert werden, dass in die Mäntel der Koaxialkabel aufgrund der magnetischen Wechselfelder des Magnetsystems ein Gleichtaktstrom induziert wird. Dies macht die Verwendung von Gleichtaktdrosseln oder Mantelwellensperren entlang der Koaxialkabel nötig. Diese Sperren können aufgrund der großen magnetischen Feldstärken nicht durch Ferritkerne, sondern nur in Form von resonanten Schaltungen, so genannten Bazookas, bereitgestellt werden. Dabei müssen die Mantelwellensperren in einem Abstand von einer viertel Wellenlänge der Mantelwellen beabstandet sein. Bei einer Feldstärke von 3 Tesla beträgt der Abstand deshalb beispielsweise 15 cm. Dies macht die Empfangsvorrichtung wieder unerwünscht sperrig.
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In der oben genannten Druckschrift ist ein MRT-System beschrieben, bei welchem ein MR-HF-Signal über Lichtwellenleiter optisch aus dem Magnetfeld heraus in einen Steuerraum des MRT-Systems übertragen wird. Bei diesem System weist die Empfangsvorrichtung einen optischen Modulator auf, an dessen elektrischem Steuereingang ein Empfangsspulenelement angeschlossen ist. Dem Modulator wird ein Laserlicht mit konstanter Leuchtintensität zugeführt. Die Leuchtintensität des Laserlichts wird durch den optischen Modulator in Abhängigkeit von dem von dem Empfangsspulenelement erzeugten MR-HF-Signal moduliert. Das Ausgangssignal des optischen Modulators wird dann über die Lichtwellenleiter zu einem optoelektronischer Wandler einer magnetisch geschirmten Auswerteeinrichtung übertragen, der das optische Signal wieder in ein elektrisches MR-HF-Signal umwandelt. Dieses wird dann einem Mischer zur Demodulation zugeführt. Nachteilig bei diesem System ist, dass die zusätzlichen optischen Komponenten die Herstellungskosten des MRT-Systems erhöhen. Zudem benötigt der optische Modulator eine elektrische Versorgungsspannung, um einen Schaltkreis für die Bereitstellung einer Bias-Spannung zu betreiben. Diese Bias-Spannung wird ein Betriebspunkt des Modulators eingestellt. Somit ist es bei dem System weiterhin nötig, neben der optischen auch eine elektrische Anbindung der Eingangsvorrichtung vorzusehen. Dies macht es auch bei diesem System unmöglich, auf die sperrigen Gleichtaktdrosseln an der Empfangsvorrichtung zu verzichten.
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Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, bei einem MRT-System den Schaltungsaufwand zum Gewinnen eines MR-Signals aus einem hochfrequenten MR-HF-Signal zu vereinfachen.
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Die Aufgabe wird durch ein MRT-System gemäß Patentanspruch 1, eine Empfangsvorrichtung gemäß Patentanspruch 14 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen MRT-Systems sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System ist ebenfalls eine Empfangsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher ein MR-HF-Signal, wie es ein zu untersuchender Körper aufgrund von Magnetresonanz aussendet, mittels wenigstens einem Empfangsspulenelement zu empfangen. Die Empfangsvorrichtung weist zudem ebenfalls einen optischen Modulator auf, dessen elektrischer Steuereingang mit dem Empfangsspulenelement gekoppelt ist. So lässt sich mittels des optischen Modulators in der Empfangsvorrichtung die Intensität eines Laserlichts in Abhängigkeit von dem MR-HF-Signal des Empfangsspulenelements modulieren. Das derart in der Leuchtintensität modulierte optische Ausgangssignal des Modulators wird an einem optischen Ausgang der Empfangsvorrichtung ausgegeben. Es kann von dort über eine Lichtleiteinrichtung, z. B. einen Lichtwellenleiter, aus dem Magnetfeld des MRT-Systems herausgeführt und an eine Auswerteeinrichtung übertragen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System bildet der optische Modulator der Empfangseinrichtung nun allerdings eine optische Demodulationseinrichtung für das MR-HF-Signal des Empfangsspulenelements. Hierzu ist ein optischer Eingang des Modulators mit einer speziellen Laserlichtquelle gekoppelt. Diese ist dazu ausgelegt, ein Laserlicht zu erzeugen, dessen Leuchtintensität über der Zeit nicht konstant ist, sondern periodisch mit einer vorbestimmten Frequenz variiert.
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Durch Betreiben des erfindungsgemäßen MRT-Systems lässt sich das folgende erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines MR-Signals durchführen. Mittels des Spulenelements wird in dem Magnetfeld des MRT-Systems das elektromagnetische und/oder magnetische MR-HF-Signal des zu untersuchenden Körpers empfangen und in ein elektrisches MR-HF-Signal umgewandelt. Durch den optischen Modulator wird dann eine Leuchtintensität des Laserlichts, dass der optische Modulator von einer Laserlichtquelle empfängt, in Abhängigkeit von dem elektrischen MR-HF-Signal moduliert. Das Laserlicht ist nun hierbei mittels der Laserlichtquelle erzeugt, welche bereits von sich aus eine Intensität des Laserlichts periodisch mit einer vorbestimmten Frequenz variiert. Indem ein bereits in der Leuchtintensität periodisch schwankendes Laserlicht durch den Modulator noch einmal mit dem MR-HF-Signal moduliert wird, ergibt sich hierdurch in dem optischen Ausgangssignal des Modulators eine Demodulation des MR-HF-Signals, das heißt der zeitliche Verlauf der Leuchtintensität des Ausgangssignals enthält das MR-Signal als demoduliertes MR-HF-Signal.
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Bei dem erfindungsgemäßen MR-System und dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzlicher elektrischer oder digitaler Mischer bereitgestellt werden muss, um ein demoduliertes MR-Signal zu erhalten. Das Heruntermischen ergibt sich hier automatisch bei der elektro-optischen Wandlung in der Empfangsvorrichtung selbst. Die für eine vollwertige Demodulation anschließend nötige Tiefpassfilterung des heruntergemischten Signals ergibt sich ebenfalls zumindest zu einem Teil von selbst bei der opto-elektronischen Wandlung in der Auswerteeinrichtung.
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Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System ist es zudem möglich, die beschriebene Laserlichtquelle außerhalb der Empfangsvorrichtung anzuordnen. In diesem Fall ist dann vorgesehen, ihr Laserlicht über eine Lichtleiteinrichtung zur Empfangseinrichtung hin zu übertragen. Somit lässt sich die Laserlichtquelle in vorteilhafter Weise außerhalb der Empfangsvorrichtung in einem magnetisch abgeschirmten Bereich betreiben. Sie muss damit nicht aufwändig gegen Induktionsströme geschirmt sein und benötigt auch keine Gleichtaktdrosseln an ihren elektrischen Zuleitungen.
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Zudem benötigt man in der Auswerteeinrichtung nun keine opto-elektronischen Empfangselemente, die in der Lage sein müssten, ein optisches Signal zu wandeln, das mit einer Frequenz von mehreren 10 MHz bis über 100 MHz moduliert ist. Das in der Auswerteeinrichtung empfangene optische Signal ist bereits in ein Zwischenfrequenzband oder das Basisband demoduliert, so dass entsprechend kostengünstigere Komponenten verwendet werden können. Hier sieht eine besonders zweckmäßige Ausführungsform des MRT-Systems vor, den opto-elektronischen Wandler in ganz spezieller Weise auszuwählen: Mit dem Wandler soll das optische Ausgangssignal des Modulators, das über eine Lichtleiteinrichtung von der Empfangsvorrichtung zu der Auswerteeinrichtung übertragen wird, in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Ein solcher opto-elektronischer Wandler, beispielsweise eine Photodiode, weist in der Regel eine optische Sensitivität auf, die von einer Modulationsfrequenz des zu wandelnden optischen Ausgangssignals abhängig ist. Diese Sensitivität weist hierbei in der Regel eine baulich bedingte Tiefpasscharakteristik auf. Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen MRT-System hat es sich nun als besonders zweckmäßig erwiesen, einen opto-elektronischen Wandler vorzusehen, bei dem die Grenzfrequenz der Tiefpasscharakteristik zwischen den beiden durch die Demodulation gebildeten Mischprodukten liegt. Mit den Mischprodukten sind hier die in bekannter Weise bei einer Demodulation entstehenden zwei Frequenzbänder gemeint, von denen das eine sich aus der Differenz des demodulierten HF-Signals und der Modulationsfrequenz und das andere aus der Summe dieser Frequenzen ergibt. Für eine fehlerfreie Weiterverarbeitung des demodulierten Signals, also des MR-Signals, muss der hochfrequente Anteil (HF-Signalfrequenz + Modulationsfrequenz) mittels eines Tiefpasses gedämpft werden. Dies kann nun ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand zumindest zu einem Teil bereits durch den opto-elektronischen Wandler selbst durch Wahl eines Wandlers mit einer entsprechend kleinen Grenzfrequenz geschehen. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Wandler mit kleiner Grenzfrequenz zugleich mit einer größeren fotosensitive Fläche ausgestaltet sein kann und deshalb eine entsprechend größere Sensitivität für Signale unterhalb der Grenzfrequenz aufweist als ein gleichwertiger Wandler, wie er bei einem herkömmlichen MRT-System zum Empfangen des MR-HF-Signals bereitgestellt werden müsste.
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Bei der eben erwähnten Modulationsfrequenz handelt es sich um die bereits erwähnte Frequenz, mit welcher die Laserlichtquelle die Leuchtintensität ihres Ausgangslaserlichts variiert. Die Frequenz liegt bevorzugt in einem Bereich von 50 MHz bis 500 MHz. Damit lassen sich MR-HF-Signale für alle gängigen MRT-Feldstärken (ein Tesla bis elf Tesla) in für die Weiterverarbeitung zweckmäßige Zwischenfrequenzbereiche oder in den Grundfrequenzbereich demodulieren.
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Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System ist zweckmäßigerweise ein optischer Verteiler vorgesehen, welcher dazu ausgelegt ist, das Laserlicht der Laserlichtquelle an eine Mehrzahl von Empfangsvorrichtungen und/oder einer Mehrzahl von Modulatoren innerhalb einer Empfangsvorrichtung zu verteilen. Das Laserlicht einer einzigen Laserlichtquelle ist wegen der sensitiven opto-elektronischen Wandler ausreichend, um die Signale einer Vielzahl von Empfangsspulenelementen auf optischem Wege aus dem Magnetfeld des MRT-System in einen magnetisch abgeschirmten Bereich zu übertragen.
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In Zusammenhang mit einer technischen Realisierung der beschriebenen Laserlichtquelle sieht eine zweckmäßige Ausführungsform vor, dass diese zum Variieren der Lichtintensität einen Mach-Zehnder-Modulator aufweist. Ein Mach-Zehnder-Modulator lässt sich einfach in bereits bestehenden Modelle von MRT-Systemen nachrüsten, so dass diese für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ertüchtigt werden können.
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Auch der optische Modulator in der Empfangsvorrichtung selbst weist zweckmäßigerweise einen Mach-Zehnder-Modulator auf. Allerdings ist zu beachten, dass gängige Mach-Zehnder-Modulatoren den bereits beschriebenen Nachteil aufweisen, dass zum Einstellen eines Betriebspunkts eine Bias-Schaltung nötig ist, die mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Dies macht es also nötig, die Empfangsvorrichtung mit einer elektrischen Zuleitung zu versehen, die wiederum mit einer Gleichtaktdrossel geschirmt sein müsste.
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Prinzipiell weist ein Mach-Zehnder-Modulator einen optischen Eingang zum Empfangen eines Lasers und einen optischen Ausgang zum Ausgeben des modulierten Laserlichts auf. Der optische Eingang ist mit dem optischen Ausgang über zwei optische Ausbreitungspfade verbunden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einem elektrischen Steuereingang des Mach-Zehnder-Modulators lässt sich auf der Grundlage des Kerr-Effekts erreichen, dass sich die optischen Weglängen der beiden optischen Ausbreitungspfade umso mehr unterscheiden, je größer ein Betrag der angelegten Steuerspannung ist. Entsprechend ergibt sich an dem optischen Ausgang eine Phasenverschiebung zwischen den über die unterschiedlichen Ausbreitungspfade dorthin gelangten Lichtstrahlen, die dann entsprechend mehr oder weniger stark destruktiv interferieren. Bei dem erfindungsgemäßen MRT-System ist nun zweckmäßigerweise vorgesehen, dass ein Mach-Zehnder-Modulator bereitgestellt wird, bei dem sich optische Weglängen der beiden Ausbreitungspfade schon konstruktiv bedingt unterscheiden. Hierdurch ergibt sich auch dann eine Interferenz am optischen Ausgang, falls am elektrischen Steuereingang keine Spannung anliegt. Mit anderen Worten wird ein optischer Bias ohne eine elektrische Schaltung bewirkt. Bevorzugt wird durch die unterschiedlichen optischen Weglängen der beiden Ausbreitungspfade für eine Wellenlänge des verwendeten Laserlichts eine Phasenverschiebung von 90° bewirkt, sodass bei einer Steuerspannung von 0 V eine Transmission T des Modulators T = 50% beträgt.
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Durch geeignete Ausgestaltung des Mach-Zehnder-Modulators wird der Bedarf der Empfangsvorrichtung an elektrischer Energie noch weiter verringert. So ist zweckmäßigerweise als optischer Modulator ein Mach-Zehnder-Modulator vorgesehen, dessen aktive Modulationslänge größer als 1 cm, insbesondere größer als 2 cm, bevorzugt größer als 3 cm, ist. Mit der aktiven Modulationslänge ist die Länge desjenigen Bereichs gemeint, über welchen das elektrische Feld des elektrischen Steuersignals auf das optische Eingangssignal in der Pockel- oder Kerrzelle wirkt. Bei derart großen Modulationslängen ist es möglich, auf einen elektrischen Vorverstärker für das MR-HF-Signals in der Empfangsvorrichtung zu verzichten. Um auch bei einem MRT-Systems mit einem verhältnismäßig starken Grundfeld von fünf Tesla, insbesondere größer als zehn Tesla, eine optische Modulation mit großer Signalgüte zu erhalten, ist der optische Modulator in der Empfangsvorrichtung zudem vorzugsweise als Travelling-Wave-Modulator ausgelegt.
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Eine weitere, elektrische Energie benötigende Schalteinrichtung der Empfangsvorrichtung ist bei MRT-Systemen die so genannte Verstimmeinrichtung. Die verhindert, dass die Anregungssignale, welche den Körper zum Ausstrahlen des elektro-magnetischen und/oder magnetischen MR-HF-Signals anregt, in den Empfangsspulen ein Empfangssignal mit einer kritischen elektrischen Spannung erzeugt. Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-System sieht eine Verstimmeinrichtung vor, die keinen externen elektrischen Energiebedarf hat. Stattdessen ist die Verstimmeinrichtung in Abhängigkeit von einer stärke des Empfangssignals des Empfangsspulenelements selbst schaltbar. Übersteigt das Empfangssignal einen bestimmten Spannungspegel, so wird diese Überspannung dazu genutzt, das Empfangsspulenelement passiv, das heißt mittels der von dem Empfangsspulenelement empfangenen Energie zu verstimmen. Dies kann beispielsweise mit antiparallel geschalteten Transistoren erreicht werden, die eine Resonanzschaltung des Empfangsspulenelements überbrücken.
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Als ebenfalls zweckmäßig hat es sich erwiesen, eine Verstimmeinrichtung vorzusehen, die optisch schaltbar ist. Ein entsprechendes Schaltsignal und gegebenenfalls auch die Energie zum Betreiben der Komponenten der Verstimmeinrichtung kann über die selbe Lichtleiteinrichtung zu der Empfangsvorrichtung übertragen werden, über welche auch das Laserlicht der Laserlichtquelle übertragen wird.
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Eine besonders zweckmäßige Vereinfachung der Bauweise einer Empfangsvorrichtung ergibt sich, wenn eine Mehrzahl von Verstimmeinrichtungen, über welche die Empfangsspulenelemente eines Arrays der Empfangsvorrichtung verstimmbar sind, mittels desselben Signals schaltbar ist.
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Durch die beschriebenen Weiterbildungen ist es insgesamt möglich, eine Empfangsvorrichtung bereitzustellen, die vollständig ohne externe elektrische Energieversorgung oder zumindest mit einem sehr geringen elektrischen Energieaufwand betreibbar ist. Ein evtl. verbleibender Energiebedarf ist dabei derart gering, dass er mittels einer in der Empfangsvorrichtung selbst gelagerten Batterie bereitgestellt werden kann. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des MRT-Systems sieht vor, eine Energieübertragungseinrichtung vorzusehen, mit welcher die benötigte Energie elektromagnetisch, insbesondere optisch oder im Mikrowellenbereich, oder durch Vibration übertragbar ist. So kann auf die Verwendung von elektrischen Zuleitungen und damit auf die unerwünschten Gleichtaktdrosseln verzichtet werden. Die Leitungen zum Anschließen der Empfangsvorrichtung an dem Rest des MRT-Systems können so sehr schlank und handlich ausgestaltet sein.
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Zu der Erfindung gehört neben dem MRT-System in seiner Gesamtheit auch eine Empfangsvorrichtung für das MRT-System. Die Empfangsvorrichtung weist dabei die Merkmale und Weiterbildungen auf, wie sie vorgehend im Zusammenhang mit dem MRT-System selbst beschrieben sind. Daher wird die Empfangsvorrichtung nicht noch einmal gesondert beschrieben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigt:
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1 ein Blockschaltbild eines MRT-Systems gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-Systems,
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2 eine schematische Darstellung eines optischen Modulator einer Empfangseinrichtung des MRT-Systems von 1,
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3 ein Diagramm mit einem Graphen zu einer Transmission des optischen Modulators von 2,
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4 ein Blockschaltbild eines MRT-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-Systems,
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5 eine schematische Darstellung eines optischen Modulators einer Empfangsvorrichtung des MRT-Systems von 4 und
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6 ein Blockschaltbild eines MRT-Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-Systems.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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In 1 ist ein Magnetresonanztomograph oder MRT-System 10 mit einer Empfangsvorrichtung 12 und eine Auswerteeinrichtung 14 gezeigt. Das MRT-System 10 kann neben der gezeigten Empfangsvorrichtung 12 noch weitere Empfangsvorrichtungen vergleichbarer Bauart aufweisen. Die Empfangsvorrichtung 12 kann beispielsweise an einen menschlichen oder tierischen Patienten mittels einer Bandage oder einer anderen Befestigungsvorrichtung befestigt sein. Der Patient kann sich dabei auf einer Liege liegend in einem magnetischen Grundfeld eines (nicht gezeigten) Spulenmagneten des MRT-Systems 10 befinden. Die Auswerteeinrichtung 14 steht außerhalb des Raums mit dem Spulenmagneten und ist von diesem magnetisch abgeschirmt. Die Empfangsvorrichtung 12 ist über zwei optische Leiteinrichtungen 16, 18 mit der Auswerteeinrichtung 14 verbunden. Bei den optischen Leiteinrichtungen 16, 18 kann es sich um Lichtwellenleiter oder um Lichtleiter handeln. Die Empfangsvorrichtung 12 ist sehr flach und leicht, so dass sie den Patienten weder stört noch beengt. Auch die Anschlüsse der optischen Leiteinrichtungen 16, 18 sind sehr klein und leicht. Der Bedarf der Empfangsvorrichtung an elektrischer Energie derart gering, dass keine elektrischen Kabel mit den dann nötigen Mantelwellensperren verwendet werden müssen.
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Bei dem MRT-System 10 wird das MR-HF-Signal des Körpers bereits in der Empfangsvorrichtung 12 demoduliert und als demoduliertes Signal an die Auswerteeinrichtung 14 übertragen. Die Empfangsvorrichtung 12 benötigt für die Demodulation keine elektrischen Komponenten. Stattdessen empfängt die Empfangseinrichtung 12 über die Leiteinrichtung 18 einen Eingangslaserstrahl LI, dessen Leuchtintensität mit einer Frequenz Fosc mit der Zeit oszilliert und der als optisches Demodulationssignal dient. Die Leuchtintensität oszilliert hierbei bevorzugt sinusförmig. Sie kann sich aber auch gemäß einer anderen periodischen Funktion verändern, beispielsweise gemäß einer Rechteck-, einer Sägezahn- oder einer Dreiecksschwingung. Der Eingangslaserstrahl LI wird von einer Laserlichtquelle 20 erzeugt. Die Laserlichtquelle 20 umfasst einen Laser 22 und eine Modulationseinrichtung 24 zum Variieren der Intensität des Laserlichts. Der Laser 22 kann das Laserlicht beispielsweise mittels einer VCSEL-Laser-Diode, einer Fabry-Perot-Laser-Diode, einer Distributed-Feedback-Laser-Diode erzeugen. Bei dem Modulator 24 kann es sich um einen Mach-Zehnder-Modulator handeln. Ein elektrisches Steuersignal empfängt der Modulator 24 von einem Taktgeber 26 (Clock) der Auswerteeinrichtung 14. Die Modulationsfrequenz kann beispielsweise 125 MHz betragen. Sie wird in Abhängigkeit von einer Feldstärke des magnetischen Grundfeldes der Magnetspule in dem Taktgeber 26 eingestellt.
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Die Empfangsvorrichtung 12 empfängt mittels einer Empfangsspule 28 von einem Körper des Patienten ein Magnetresonanzsignal, dessen Mittenfrequenz Fmri beispielsweise 123 MHz betragen kann. Die Mittenfrequenz hängt von einer Stärke eines magnetischen Grundfeldes der Magnetspule des MRT-Systems 10 ab. Durch die Empfangsspule 28 wird das Antwortsignal des Körpers in ein elektrisches Signal umgewandelt, das über eine erste Impedanzanpassungsschaltung 30 einem Leistungsverstärker 32 zugeführt wird. Ein Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 32 wird über eine weitere Schaltung 36 zum Anpassen einer Impedanz und zum Filtern des Ausgangssignals an einen elektrischen Steuereingang 38 eines optischen Modulators 40 übertragen, wo das Signal als Steuerspannung U wirkt. Eine Mittenfrequenz des Steuersignals U beträgt hierbei ebenfalls Fmri = 123 MHz. Bei dem Steuersignal U handelt es sich um ein MR-HF-Signal, welches Bildinformationen für eine Magnetresonanz-Bildgebung (MRI – Magnetic resonance Imaging) enthält.
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Die Schaltung 30 weist auch eine Verstimmvorrichtung (Tuning TN und Detuning DTN) auf, welche mit einer Energie aus der Empfangsspule 38 betreibbar ist. Bei dem Verstärker 32 kann es sich um einen rauscharmen Vorverstärker handeln, der sehr wenig elektrische Leistung verbraucht. Die elektrische Leistung kann dem Leistungsverstärker 32 durch eine (nicht dargestellte) Batterie der Empfangsvorrichtung 12 oder über eine Energieübertragungseinrichtung bereitgestellt sein, welche die Energie beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 14 auf elektromagnetischem Wege oder mechanischem Wege (Vibrationen) empfängt. Somit ist es nicht nötig, eine elektrische Verbindung zwischen der Empfangsvorrichtung 12 und den übrigen Komponenten des MRT-Systems 10 bereitzustellen.
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Bei dem optischen Modulator 40 kann es sich beispielsweise um einen Mach-Zehnder-Modulator handeln. Die Funktionsweise des optischen Modulators 40 wird im Folgenden in Zusammenhang mit 2 und 3 beschrieben. Der optische Modulator 40 empfängt den Eingangslaserstrahl LI über einen optischen Eingang 42, von wo aus er über zwei getrennte optische Pfade 44, 46 zu einem optischen Ausgang 48 geleitet wird, an welchem sich die beiden Teilstrahlen der beiden Pfade 44, 46 zu einem Ausgangslaserstrahl Lo vereinigen. Die Lichtleiteinrichtung 16 ist mit dem optischen Ausgang 48 gekoppelt, so dass der Ausgangslaserstrahl Lo in die Lichtleiteinrichtung 16 einkoppelt. Die optischen Ausbreitungspfade 44, 46 können beispielsweise auf der Grundlage eines elektro-optischen Substrats, beispielsweise LiNbO3, hergestellt sein. Der Brechungsindex eines solchen elektro-optischen Substrats ist eine Funktion einer Feldstärke eines das Substrat durchdringenden elektrischen Feldes. Durch Verändern der Steuerspannung U wird entsprechend zwischen Elektroden des optischen Modulators 40 das die jeweiligen optischen Ausbreitungspfade durchdringende elektrische Feld eingestellt. Die elektrische Steuerspannung U wirkt dabei auf die beiden optischen Pfade 44, 46 in entgegengesetzter Weise, so dass elektro-optische Elemente der Ausbreitungspfade 44, 46 ihre optischen Weglängen bei gegebenem Wert der Steuerspannung U in entgegen gesetzter Weise verändern. Bei einer Steuerspannung U von 0 V (U = 0 V) weist die der optische Modulator 14 insgesamt ein optisches Übertragungsverhalten auf, welches einer Transmission T von T = 50% entspricht. Die Transmission T stellt ein Maß für den Grad der Interferenz dar zwischen den beiden Teilstrahlen dar (100% = konstruktive Interferenz, 0% = destruktive Interferenz). Aus ihr ergibt sich eine Veränderung der Intensität des Laserstrahls durch den Wert des Spannungssignals U. Um eine Transmission von T = 50% bei 0 V Eingangsspannung zu erhalten, weist der optische Modulator 40 ein optisches Bias-Element 50 in dem optischen Ausbreitungspfad 46 auf. Durch das Bias-Element 50 wird der durch den optischen Ausbreitungspfad 46 geleitete Teilstrahl bezüglich des über den Ausbreitungspfad 44 geleiteten Teilstrahls in der Phase um 90° verschoben. Dies ergibt für U = 0 V den Arbeitspunkt OP des optischen Modulators 40 bei T = 50%. Eine Kennlinie K der Transmission des optischen Modulators 40 weist hier einen linearen Bereich 52 mit maximaler Steilheit auf, so dass der optische Modulator 40 für kleine Veränderungen des Steuersignals U im Bereich von U = 0 V besonders sensitiv ist. Für große Amplituden, deren Betrag nahe Umax liegt, weist die Kennlinie K Kompressionsbereiche 54 auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das Empfangssignal der Empfangsspule 28 mit einer verhältnismäßig großen Dynamik eindeutig übertragen werden.
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Der von dem optischen Modulator 40 ausgehende Ausgangslaserstrahl Lo enthält zwei Varianten des Empfangssignals der Empfangsspule 28, nämlich zum einen eine demodulierte Variante mit einer Mittenfrequenz Fint = (Fosc – Fmri) sowie ein zweites Mischprodukt mit einer Mittenfrequenz (Fosc + Fmri). Der Ausgangslaserstrahl Lo wird von einem opto-elektronischen Wandler 56, beispielsweise einer Photodiode empfangen, deren elektrisches Ausgangssignal von einem Impedanzwandler 58 angepasst und anschließend an ein Anti-Aliasing-Filter 60 übertragen wird. Durch die Wandler 56 und das Anti-Aliasing-Filter 60 wird der hochfrequente Signalanteil (Fosc + Fmri) unterdrückt, so dass ein Ausgangssignal des Anti-Aliasing-Filters 60 nur noch das demodulierte Empfangssignal der Empfangsspule 28, also ein MR-Signal mit der Mittenfrequenz Fint = (Fosc – Fmri) aufweist, also hier z. B. Fint = 2 MHz. Das Signal wird an eine Prozessoreinheit 62, beispielsweise einen digitalen Signalprozessor, übertragen, wo ein Analog-Digitalwandler 64 daraus ein digitales Eingangssignal erzeugt, dass mittels einer Entzerrungsvorrichtung 66 entzerrt wird. Durch die Entzerrung wird der Einfluss der Kompressionsbereiche 54 der Kennlinie K rückgängig gemacht. Die Entzerrungsvorrichtung kann beispielsweise ein Kennlinienfeld (Lookup-Table) für die Entzerrung aufweisen. Das derart digitalisierte und entzerrte Eingangsignal wird über einen zweiten, digitalen Mischer 68 aus dem Zwischenfrequenzband mit der Mittenfrequenz Fint in ein Basisband heruntergemischt und hierbei in Quadraturkomponenten zerlegt. Die digitalen Ausgangswerte des Mischers 68 werden einer (nicht dargestellten) Bildverarbeitung zur Rekonstruktion des Magnetresonanzbildes zugeführt.
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Im Folgenden wird anhand von 4 und 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRT-Systems erläutert, bei welcher eine Empfangsvorrichtung einen besonders geringen Bedarf an elektrischer Energie aufweist. Um einen Unterschied zwischen dem MRT-System von 1 besser zu veranschaulichen, sind in 4 und 5 Elemente, die in gleicher Weise ausgestaltet sein können bei dem MRT System von 1, mit denselben Bezugszeichen versehen wie in 1. Diese Elemente sind im Zusammenhang mit 4 und 5 auch nicht noch einmal erläutert.
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Bei dem MRT System 10' von 4 weist eine Empfangsvorrichtung 12' keinen Vorverstärker wie den Vorverstärker 32 auf. Stattdessen ist der optische Modulator 40' als Mach-Zehnder-Modulator ausgestaltet, bei dem eine elektro-optisch aktive Wechselwirkungsstrecke 70 eine aktive Modulationslänge L aufweist, die in einem Bereich von 20 mm bis 40 mm liegt. Sie beträgt insbesondere L = 31 mm. Hierdurch wird bei der Demodulation eine Verstärkung des als Steuerspannung U' anliegenden MR-HF-Signals der Empfangsspule 28 um ca. 30 dB verstärkt, wie es sonst durch einen Vorverstärker geschehen müsste. Der Mach-Zehnder-Modulator des Modulators 40' kann auch als Travelling-Wave-Modulator ausgestaltet sein, wie in 5 gezeigt ist. Ein Bias-Element des Modulators 40' ist in 5 nicht dargestellt.
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Eine Verstimmeinrichtung 30 und eine Impedanzanpassung 36 sind vollständig als passive Schaltungen ausgelegt. So kann die Verstimmeinrichtung 30 zum Beispiel antiparallel geschaltete Transistoren zum Überbrücken eines LC-Glieds oder optisch schaltbare Elemente enthalten.
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Insgesamt bildet so die Empfangsvorrichtung 12' eine passives Schaltungseinheit, der keine elektrische Energie von außen zugeführt werden muss.
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In 6 ist gezeigt, wie ausgenutzt werden kann, dass ein opto-elektrischer Wandler 56 eine besonders große Sensitivität aufweisen kann, da seine obere Grenzfrequenz bei dem erfindungsgemäßen MRT-System niedriger sein kann als bei einem herkömmlichen MRT-System. In 6 sind dabei der Einfachheit halber Elemente, die in ihrer Bauweise denjenigen von 1 entsprechen können, wieder mit denselben Bezugszeichen wie in 1 versehen.
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Die hohe Sensitivität des opto-elektrischen Wandlers 56 macht es möglich, das Licht einer einzigen Laserquelle 20 für die Übertragung mehrerer MR-Signale nutzen. Hierzu wird der Ausgangslaserstrahl LI der Laserquelle 20 mittels einer optischen Verteilereinrichtung 72 aufgeteilt und mehreren optischen Modulatoren zugeführt, von denen in 6 lediglich ein optischer Modulator 40 gezeigt ist. Die optischen Modulatoren können beispielsweise Bestandteil ein und derselben Empfangsvorrichtung sein und beispielsweise die Signale eines Empfangsspulenarrays demodulieren. Der optische Verteiler 72 kann aber auch außerhalb von Empfangsvorrichtungen des MRT-Systems angeordnet sein und den Ausgangslaserstrahl LI auf mehrere Empfangsvorrichtungen verteilen. Es ist natürlich auch möglich, mehrere optische Verteilereinrichtungen vorzusehen, um das Laserlicht sowohl auf mehrere Empfangsvorrichtungen als auch innerhalb der einzelnen Empfangsvorrichtungen auf mehrere optische Modulatoren zu verteilen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10'
- MRT-System
- 12, 12'
- Empfangsvorrichtung
- 14
- Auswerteeinrichtung
- 16, 18
- optische Leiteinrichtungen
- 20
- Laserlichtquelle
- 22
- Laser
- 24
- Modulator
- 26
- Taktgeber
- 28
- Empfangsspule
- 30
- Anpassungsschaltung
- 32
- Leistungsverstärker
- 34, 36
- Schaltung
- 38
- Steuereingang
- 40, 40'
- Modulator
- 42
- Eingang
- 44, 46
- optische Pfade
- 48
- Ausgang
- 52
- linearer Bereich
- 54
- Kompressionsbereiche
- 56
- opto-elektrischer Wandler
- 58
- Impedanzwandler
- 60
- Anti-Aliasing-Filter
- 62
- Prozessoreinheit
- 64
- Analog-Digitalwandler
- 66
- Entzerrungsvorrichtung
- 68
- Mischer
- 70
- Wechselwirkungsstrecke
- 72
- optische Verteilereinrichtung
- K
- Kennlinie
- LI
- Eingangslaserstrahl
- LO
- Ausgangslaserstrahl
- OP
- Arbeitspunkt
- U, U'
- Steuerspannung
- Umax
- Maximalspannung
- T
- Transmission
