DE102012204798B3

DE102012204798B3 - Elektronisches Interface für NMR-Empfangsresonatoren

Info

Publication number: DE102012204798B3
Application number: DE102012204798A
Authority: DE
Inventors: Daniel Marek; Arthur Schwilch; Martin Luke
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: GB2500814A; US20130249558A1; US9625554B2; JP2013210370A; CH706312B1; JP5514929B2; CH706312A2; FR2988482A1; GB2500814B; GB201305310D0; FR2988482B1

Abstract

Ein elektronisches Interface (10) zwischen einem reinen NMR-Empfangs-Resonator (RO) und einem Vorverstärker, das zum Transformieren der Impedanz des NMR-Empfangs-Resonators an den Vorverstärker während des Empfangsvorgangs und zum Öffnen oder Verstimmen des Resonators während des Sendevorgangs eingerichtet ist, wobei zum Öffnen oder Verstimmen des Resonators eine oder mehrere Schalt-Dioden (Dopen) vorgesehen sind, welche während des Sendevorgangs durchgestromt werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Ansteuer-Dioden (Dmatch1, Dtune1) vorgesehen sind, mittels derer der Strom zum Durchstromen der Schalt-Dioden in diese eingespeist werden kann, und dass die Ansteuer-Dioden direkt oder über eine oder mehrere zusätzliche Serie-Impedanzen an den Schalt-Dioden angeschlossen sind. Dadurch wird während des Empfangsvorgangs die Impedanz des Resonators verlustarm auf die benötigte Vorverstärker- bzw. Leitungsimpedanz transformiert. Insbesondere sind während des Empfangsvorgangs die Anpassung abgleichbar, während des Sendevorgangs der durch das B1-Feld des Sende-Resonators verursachte Strom in der Induktivität des Resonators minimiert sowie sämtliche Komponenten vor Zerstörung geschützt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Interface zwischen einem NMR-Empfangs-Resonator und mindestens einem Vorverstärker zum Transformieren der Impedanz des NMR-Empfangs-Resonators an den Vorverstärker während des Empfangsvorgangs und zum Öffnen oder Verstimmen des NMR-Empfangs-Resonators während des Sendevorgangs mittels einer oder mehreren Schalt-Dioden, welche dabei durchgestromt werden.
Eine derartige Anordnung ist bekannt aus dem Artikel „Cryogenic Varactor-Tuned 4-element Array and Cryostat for μ-MRI of Trabecular Bone in the Distal Tibia” von J. Wosik, K. Nesteruk, M. R. Kamel, F. Ip1, L. Xue, A. C. Wright, and F. W. Wehrli in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008) (= Referenz [1]).
Bei der NMR, im Speziellen bei MRI, werden häufig für den Empfang der Hochfrequenz-Signale Resonatoren eingesetzt. Diese werden oft auch als sogenannte Receive-Only Resonatoren (RO-Resonatoren) ausgeführt. Solche Resonatoren werden, wie der Name sagt, ausschließlich für den Empfangsvorgang der NMR Signale verwendet. Während des Sendevorgangs werden die Kernspins durch einen zusätzlichen separaten Sende-Resonator (TX-Resonator) angeregt. Diese Art der Anordnung, ist insbesondere für die Realisation von Arrays von RO-Resonatoren in der MRI geeignet [4]. Für den Betrieb muss der RO-Resonator für die Signalaufbereitung und Verstärkung mit einem Vorverstärker verbunden werden. Dies geschieht in der hier behandelten Ausführungsart mittels eines elektronischen Interfaces. Das elektronische Interface für solch einen RO-Resonator muss vier Hauptaufgaben erfüllen:
Erstens: Die Anschluss-Impedanz (A1, A2 in 1) des RO-Resonators muss möglichst verlustarm auf eine definierte zweite Impedanz (Punkte P1, P2 in 1) transformiert, also eine Rausch- und Leistungsanpassung des Vorverstärkers oder ein Kompromiss davon vorgenommen werden. Dies erfolgt mit oder ohne Leitung dazwischen. Diese Impedanz-Transformation wird allgemein als ”Matching” bezeichnet.
Zweitens: Wegen der Resonanzeigenschaft des Resonators ist das Matching nur bei einer bestimmten Frequenz möglich. Deshalb muss die Resonanzfrequenz auf die Frequenz ω der NMR Signale abgeglichen werden können. Dieser Frequenzabgleich wird allgemein als ”Tuning” bezeichnet.
Die beiden obigen Begriffe zusammen werden oft auch als ”Impedanz-Anpassung” oder auch nur als ”Anpassung” bezeichnet.
Drittens: Durch die praktisch unvermeidbare Kopplung des RO-Resonators zum TX-Resonator wird während des Sendevorgangs in der Induktivität L (siehe 1) des RO-Resonators eine Spannung induziert. Ohne weitere Maßnahmen würde diese zu einem resonanten und daher sehr hohen induzierten Strom in L führen, der das B₁-Feld der NMR-Anordnung in der Umgebung des RO-Resonators rückwirkend beeinträchtigen würde. Um dies zu verhindern, muss der RO-Resonator während des Sendevorgangs „detuned” werden. Dieser ganz allgemein als „Detunen” bezeichnete Vorgang kann durch ein „Öffnen” des RO-Resonators realisiert werden, d. h. durch Anschließen einer solchen Zusatzimpedanz (typischerweise eine Induktivität) parallel zu C, sodass die sich ergebende Gesamtimpedanz über den Anschlüssen (A1, A2 in 1) von L sehr hoch wird (Parallelschwingkreis von C und der Zusatzimpedanz) gegenüber ωL. Somit erzeugt eine induzierte Spannung in L nur einen vernachlässigbaren Strom in diesem L und somit im RO-Resonator.
Es gibt jedoch auch Anordnungen, die statt des Öffnens des RO-Resonators (wie in [1]) lediglich dessen Resonanzfrequenz verschieben (wie in [2] und [3]), was zu einem reduzierten, aber immer noch signifikanten induzierten Strom im RO-Resonator während des Sendevorgangs führt.
Viertens: Dabei ist zu beachten, dass im Sendefall das elektronische Interface selbst wie auch der nachfolgende Vorverstärker vor Zerstörung geschützt werden müssen.
Möchte man im Betrieb auf eine einfache Weise die Impedanz-Transformation eines RO-Resonators bei sich ändernder Last (typischerweise durch eine Änderung der Beladung durch das zu messende Objekt (= Sample) verursacht, indem sich die Position, Größe oder auch Hochfrequenzeigenschaften beim gleichen oder auch durch Wechsel des Samples ändern) realisieren, bietet sich als eine sehr elegante Möglichkeit an, Varaktor-Dioden statt fixer Kondensatoren oder mechanischer Trimmer einzusetzen. Deren Kapazität kann durch eine Gleichspannung elektronisch variiert werden.
Bekannte Vorrichtungen, wie z. B. in [1] beschrieben, bestehen aus einem elektronischen Netzwerk aus Varaktor-Dioden, PIN-Dioden, Induktivitäten und Kapazitäten. In 4 ist ein Schema einer solchen Anordnung mit dem elektronischen Interface 40 dargestellt. Das Tuning des RO-Resonators wird mittels einer Varaktor-Diode (D_tune) und einer entsprechenden DC-Spannung U_T eingestellt. Die Zuführung des DC-Potentials zur Varaktor-Diode erfolgt über zwei Drosseln (RFC1, RFC2). Das Matching erfolgt bei dieser Anordnung über zwei weitere Varaktor-Dioden (D_match1, D_match2), welche von einer DC-Spannung UM angesteuert werden. Die Zuführung des DC-Potentials erfolgt wiederum über zwei Drosseln (RFC3, RFC4).
Es ist erstrebenswert, die Potentiale möglichst symmetrisch bezüglich der Hochfrequenzmasse zu halten, um kapazitive Fehlströme und somit unerwünschte Kopplungen mit benachbarten RO-Resonatoren zu minimieren. Unter „symmetrisch” wird allgemein ein antisymmetrisches Potential verstanden, so dass an Symmetriepunkten keine Potentiale vorhanden sind und somit keine Gleichtaktströme verursachen können.
Als Beispiel ist die erfindungsgemäße Anordnung in 1 gar nicht symmetrisch in diesem Sinne. Die bekannte Anordnung in 4 ist nur bedingt symmetrisch, da der Anschluss zum Vorverstärker (RX) asymmetrisch erfolgt. Die Anordnungen in den 2 oder 3 sind dagegen weitgehend symmetrisch.
Das Öffnen des Schwingkreises erfolgt im Stand der Technik nach Dokument [1] über zwei PIN-Dioden (D_open1, D_open2). Damit wird die Induktivität L' parallel zum Kondensator C des RO-Resonators geschalten. Von der Induktivität L des RO-Resonators aus betrachtet, erscheint nun die angeschlossene Schaltung (Parallelschwingkreis L' und C) wesentlich hochohmiger (verglichen mit der Impedanz ωL.), was zur Folge hat, dass fast kein Strom mehr durch die Induktivität L fließen kann und somit erscheint der RO-Resonator als „geöffnet”.
Diese bekannte Anordnung gemäß 4 hat folgende Nachteile:

1. Die Drosseln (RFC1, RFC2) hängen bei dieser Anordnung direkt an den beiden Punkten des RO-Resonators und bedämpfen ihn zusätzlich, was im Speziellen bei sehr hohen Güten des RO-Resonators (insbesondere bei kryogen gekühltem oder sogar supraleitendem RO-Resonator, [1]) zu markanten Empfindlichkeitseinbußen führen kann. Referenz [1] behandelt aber gerade einen kryogenen Resonator – sogar mit HTS Spulen, die eine sehr hohe Güte aufweisen und deshalb sehr empfindlich sind auf unerwünschte Dämpfung durch die Beschaltung.
2. Aufgrund des Durchstromens der PIN-Dioden fließt ein DC-Strom durch die Induktivität L des RO-Resonators nach der Masse ab. Dieser Strom erzeugt lokal um den Resonator eine B₀-Inhomogenität, welche sich bei NMR und MRI störend auswirken kann.
3. Eine solche Anordnung bietet nur ungenügend Schutz vor Zerstörung der Varaktor-Dioden. Bei einem starken externen B₁-Feld wird in der Induktivität L des RO-Resonators eine hohe Spannung induziert, welche zu einem Hauptteil direkt über der Diode D_tune liegt und etwas abgeschwächt über den Dioden D_match1 und D_match2.

In einer anderen Anordnung – wie z. B. in Referenz [2] beschrieben (hier nicht als Figur hier dargestellt) – wird mittels Varaktor-Dioden ebenfalls eine elektronische Anpassung erreicht. Auch diese Anordnung hat Nachteile:

1. Auch hier sind die Steuersignale über Drosseln an Punkten mit hoher Impedanz angeschlossen, was zur Dämpfung des RO-Resonators während des Empfangsvorgangs führt.
2. Der RO-Resonator wird während des Sendevorgangs nicht geöffnet, sondern es wird lediglich dessen Resonanzfrequenz verschoben. Dies hat zur Folge, dass während des Sendevorgangs durch die induzierte Spannung in den Induktivitäten L_coil des RO-Resonators immer noch ein beachtlicher unerwünschter Strom durch diese fließt und somit das B₁-Feld auch hier rückwirkend beeinträchtigt wird.

In einer noch weiteren Anordnung gemäß Referenz [3] (ebenfalls hier nicht als Figur gezeigt) wird eine zwar symmetrische Schaltung dargestellt. Diese Anordnung hat aber ebenfalls schwerwiegende Nachteile:

1. Die Schaltung enthält keine wirksamen Vorkehrungen zum Öffnen des Resonators, sondern verstimmt nur diesen, so dass während eines Sendevorganges immer noch signifikante Ströme in der Empfangsspule fließen.
2. Zusätzlich sind keine der Varaktor-Dioden gegen Überspannung geschützt, und werden ab einer bestimmten induzierten Spannung in der Empfangsspule zerstört.

Die ganze Anordnung funktioniert daher, wie bereits im Titel der Druckschrift erwähnt, nur zur Abstimmung der Sendespule, wobei nur geringe Leistungen angewendet und toleriert werden. Die Schaltung bietet keinen Schutz vor Sendeleistungen des TX-Resonators und erscheint daher für den tatsächlichen Betrieb unbrauchbar.
In einer noch weiteren Anordnung gemäß Referenz [5] (ebenfalls hier nicht als Figur gezeigt) wird eine passive Detuning-Schaltung mit verbesserter Linearität beschrieben. Mit dieser Anordnung ist für das Detuning kein externer Bias-Strom notwendig. Der Bias-Strom wird durch Gleichrichtung aus dem durch den TX-Resonator im RO-Resonator induzierten RF-Signal gewonnen. Die Anordnung hat jedoch folgende Nachteile:

1. Für sehr kleine Sendesignale funktioniert das Detuning nicht und der RO-Resonator koppelt mit dem TX-Resonator.
2. Die Anordnung hat keine Impedanztransformation zur Anpassung an den Vorverstärker, dies muss separat gelöst werden. Die Anordnung ist also im eigentlichen Sinn gar kein Interfache zwischen RO-Resonator und Vorverstärker.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, mit technisch möglichst einfachen und kostengünstigen Mitteln eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass während des Empfangsvorgangs die Impedanz des RO-Resonators möglichst verlustarm auf die benötigte Vorverstärker- bzw. Leitungsimpedanz transformiert wird. Dabei sollen die weiteren notwendigen Bedingungen (siehe oben unter „Zweitens” bis „Viertens”) erfüllt sein. Insbesondere soll während des Empfangsvorgangs die Anpassung abgleichbar sein, und während des Sendevorgangs soll der durch das B₁-Feld des Sende-Resonators verursachte Strom in der Induktivität des RO-Resonators minimiert sowie sämtliche Komponenten vor Zerstörung geschützt sein.
Diese komplexe Aufgabe wird auf überraschend einfache und dennoch wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass eine oder mehrere Ansteuer-Dioden vorgesehen sind, mittels derer der Strom zum Durchstromen der Schalt-Dioden in diese eingespeist werden kann, und dass die eine oder die mehreren Ansteuer-Dioden direkt oder über eine oder mehrere zusätzliche Serie-Impedanzen an den Schalt-Dioden angeschlossen sind Dadurch wird eine verlustarme Anpassung erreicht, wobei auch die anderen Anforderungen („Zweitens” bis „Viertens”) erfüllt sind.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine oder mehrere der Schalt-Dioden als PIN-Dioden ausgeführt sind. Dies hat den Vorteil, dass das Detuning sich unabhängig von der Sendeleistung verhält, da die PIN-Diode für das RF Signal sich wie ein sehr kleiner und linearer Widerstand verhält.
Ganz besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektronischen Interfaces, die sich dadurch auszeichnen, dass eine oder mehrere der Ansteuer-Dioden als Varaktor-Dioden ausgeführt und so geschaltet sind, dass sie während des Sendevorgangs leiten und während des Empfangs-Vorgangs als Kapazität wirken. Dies ermöglicht über die gleichen Steuersignale einerseits den RO-Resonator zu öffnen, anderseits durch Umpolen der Steuersignale die Impedanz des RO-Resonators an den Vorverstärker zu transformieren und die Resonanzfrequenz abzustimmen.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsformen ist mindestens eine der Varaktor-Dioden (D_match1, D_match2) so gestaltet, dass sie zum Matchen einsetzbar ist. Dadurch wird erreicht, dass die Impedanz des RO-Resonators an den Vorverstärker angepasst wird.
Außerdem können die oben definierten Ausführungsformen In anderen Weiterbildungen kann mindestens eine der Varaktor-Dioden zum Tunen eingesetzt werden, wodurch die Resonanzfrequenz des RO-Resonators auf die Mittenfrequenz der NMR-Signale abgestimmt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass zu einer oder mehreren Schalt-Dioden eine oder mehrere weitere Schutz-Dioden anti-parallel geschaltet sind. Auf diese Weise werden die Schaltdioden vor Überlastung zusätzlich geschützt, im speziellen vor unerwünschten DC Potentialen, welche durch Gleichrichteffekte in den PIN-Dioden bei großen Leistungen entstehen können.
Von besonderem Vorteil sind auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektronischen Interfaces, bei denen die Vorrichtung symmetrisch ausgeführt ist und somit zwei Signalausgänge besitzt, indem die Schaltung doppelt vorhanden ist und beim zweiten Schaltungsteil sämtliche Dioden umgepolt sind. Damit werden Kopplungen von und zu benachbarten Komponenten reduziert.
Bei bevorzugten Weiterbildungen dieser Ausführungsformen sind eine oder mehrere der in Serie geschaltete identische elektronische Komponenten der Schaltung unter Weglassung eines Erd-Anschlusses durch eine einzige dieser Komponenten ersetzt, was den Vorteil ergibt, dass weniger dieser Komponenten erforderlich sind und dadurch deren serielle Verlustwiderstände kleiner sind.
Eine Klasse von Weiterbildungen der oben definierten Ausführungsformen zeichnet sich dadurch aus, dass für jeden Signalausgang je ein Vorverstärker vorgesehen ist. Somit können wesentlich stärkere Signale verzerrungsfrei verstärkt werden.
Bei einer dazu alternativen Klasse von Weiterbildungen sind die beiden Signalausgänge so gestaltet, dass die Signale phasenkorrekt kombiniert werden und zu nur einem Vorverstärker geführt sind. Dies ermöglicht einen symmetrische Aufbau des Interfaces und trotzdem möglichst wenige aktive Komponenten in unmittelbarere Nähe des RO-Resonators.
der Erfindung auch noch dadurch verbessert werden, dass die Varaktor-Dioden und/oder Tuning-Dioden durch Parallel- oder anti-parallel Schaltungen vervielfacht sind. Auf diese Weise können die Tuning- und Matching-Bereiche vergrößert und/oder auf den jeweiligen RO-Resonator angepasst werden.
Schließlich ist bei besonders bevorzugt Ausführungsformen das erfindungsgemäße elektronische Interface für den Betrieb bei Temperaturen unter 100 K ausgestaltet, so dass das Interface in unmittelbarer Nähe zum ebenfalls gekühlten RO-Resonator realisiert werden kann und damit die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 einen schematischen Schaltplan einer besonders einfachen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine einfache symmetrische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3 eine umfangreichere symmetrische Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 ein elektronisches Interface nach dem Stand der Technik gemäß Referenz [1].
Anhand der 1, 2 und 3 werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben:
In 1 ist ein vereinfachtes Schema des erfindungsgemäßen elektronischen Interfaces 10 abgebildet. Besonderes Merkmal ist die verlustarme Einspeisung der Steuersignale für die Varaktor- und PIN-Dioden an ”niederohmigen” Punkten, das heißt an Punkten mit einer niedrigen HF-Impedanz, wie in der Folge erklärt wird:
Das Tuning des RO-Resonators erfolgt mittels einer Varaktor-Diode D_tune1. Die entsprechende Sperrspannung, um die Kapazität der Varaktor-Diode zu steuern, wird über den Widerstand R_t1 eingespeist, Der Kondensator C_k dient als Kurzschluss der Hochfrequenz am Einspeisepunkt. Diese Einspeisung erfolgt somit an einem Punkt mit niedriger HF-Impedanz und belastet so den RO-Resonator kaum. Lediglich der Widerstand R_s1 ist an einem Punkt mit hoher Impedanz des RO-Resonators angeschlossen. Der Widerstand R_s1 dient nur dazu, das DC-Potential an der Anode von D_tune1 zu definieren und kann dadurch sehr hochohmig (im Mega-Ohm Bereich) sein, wodurch aber der RO-Resonator nicht signifikant belastet wird.
Das Matching erfolgt durch eine weitere Varaktor-Diode D_match1. Die Sperrspannung U_M+ zur Steuerung der Kapazität der Diode wird über die Drosseln RFC1 von der niederohmigen Seite (Anschluss P1, P2, Leitung zum RX, z. B. 50 Ohm) her zugeführt. Dadurch wird eine zusätzliche Belastung des RO-Resonators vermieden.
Um den Resonator zu öffnen, wird mit der Schalt-Diode D_open ein Kurzschluss erzeugt, dadurch ist nun die Spule L₁' parallel zu C geschaltet. An der Induktivität L des RO-Resonators ist nun ein hochohmiger Parallelschwingkreis (L und C) angeschlossen. Selbst bei starkem externen B₁-Feld, verursacht durch den Sende-Resonator, fließt somit in der Spule L kaum ein Strom. Dadurch wird das durch den TX-Resonator erzeugte B₁-Feld nicht beeinflusst. Der Koppelkondensator C_k1, der lediglich zur DC Entkopplung der sich in der Figur links davon befindlichen Bauteile dient, bildet hochfrequenzmäßig einen Kurzschluss bzw. kann mit der Induktivität L₁' verrechnet werden und muss für HF-Betrachtungen nicht weiter beachtet werden.
Das Durchstromen der Schalt-Diode D_open wird am besten erreicht durch Umpolen der Matching-Spannung U_M+. Dadurch fließt ein Strom durch D_open, D_match1 und RFC1.
Auch die Varaktor-Diode D_tune1 kann beim Sendevorgang durch Umpolen der Tuning-Spannung durchgestromt werden und dadurch das „Öffnen” des RO-Resonators bewirken.
Vorteilhafterweise werden beim Sendevorgang beide Varaktor-Dioden durchgestromt, wodurch sich ein größtmöglicher Strom an der Diode D_open ergibt, was bei einer PIN-Diode zu einem niedrigeren HF-Widerstand führt.
In der Schalt-Diode D_open kann während des Sendevorgangs ein Strom von vielen Ampere fließen. Im Allgemeinen wird als Schalt-Diode eine PIN-Diode verwendet. Obwohl eine PIN-Diode allgemein als steuerbarer Hochfrequenzwiderstand verstanden wird, kann ab gewissen HF-Stromstärken oder bei Fehlen des Steuerstroms ein Gleichrichteffekt auftreten, insbesondere durch Aufladen des Kondensators C_k1 während der negativen Halbwelle auf den Spitzenwert. Während der nachfolgenden positiven Halbwelle liegt dadurch die doppelte Spitzenspannung über der Diode D_open, was zu deren Zerstörung führen kann. Um dies zu verhindern, kann der PIN-Diode D_open eine Schutz-Diode D_DC antiparallel geschaltet werden. Somit ist die ganze Schaltung auch bei völliger Abwesenheit des Steuerstroms vor Zerstörung durch große Potentiale geschützt.
In 2 ist eine einfache symmetrische Ausführung des erfindungsgemäßen elektronischen Interfaces 20 dargestellt. Sie entsteht durch eine Spiegelung der Schaltung gemäß 1 und wurde vereinfacht dadurch, dass die dann in Serie geschalteten identischen Komponenten durch jeweils eine einzige ersetzt sind, und zwar unter Weglassung des Erde-Anschlusses.
Besonderes Merkmal ist die verlustarme Einspeisung der Steuersignale für die Varaktor- und Schalt-Dioden an niederohmigen Punkten, welche auch hier die Verluste minimiert, sowie die Symmetrie der Schaltung, wodurch (insbesondere kapazitive) Kopplungen zu benachbarten Elementen (z. B. weitere RO-Resonatoren) minimiert werden.
Das Tuning des RO-Resonators erfolgt mittels zweier Varaktor-Dioden D_tune1 und D_tune2. Die entsprechende Sperrspannung, um die Kapazität der Varaktor-Dioden zu steuern, wird über dem Kondensator C_k eingespeist, welcher für die Hochfrequenz einen Kurzschluss darstellt. Diese Einspeisung erfolgt, bedingt durch den symmetrischen Aufbau und den hochfrequenzmäßigen Kurzschluss von C_k, an einem niederohmigen Punkt mit praktisch verschwindendem HF-Potential und belastet so den RO-Resonator kaum. Lediglich die beiden Widerstände R_s1 und R_s2 sind an den hochohmigen Punkten des RO-Resonators angeschlossen. Sie dienen nur dazu, das DC-Potential an der Anode von D_tune1 beziehungsweise an der Kathode von D_tune2 zu definieren und können dadurch sehr hochohmig (im Mega-Ohm Bereich) sein, wodurch der RO-Resonator nicht zusätzlich belastet wird.
Das Matching erfolgt durch zwei weitere Varaktor-Dioden D_match1 und D_match2. Die Sperrspannungen U_M+ und U_M– zur Steuerung der Kapazität der Dioden werden über zwei Drosseln RFC1, RFC2 von der niederohmigen Seite (Anschluss P1 und P2, Leitung zum RX, z. B. 50 Ohm) her zugeführt. Dadurch wird eine zusätzliche Belastung des RO-Resonators vermieden.
Um den Resonator zu öffnen, wird mit der Schalt-Diode D_open ein Kurzschluss erzeugt, dadurch sind nun die beiden Spulen (Serie-Schaltung von L₁' und L₂') parallel zu C geschalten. An der Induktivität L des RO-Resonators ist nun ein hochohmiger Parallelschwingkreis (L₁' + L₂' und C) angeschlossen. Selbst bei starkem externen B₁-Feld, verursacht durch den Sende-Resonator, fließt somit in der Spule L kaum ein Strom. Dadurch wird das durch den TX-Resonator erzeugte B₁-Feld nicht beeinflusst.
Die beiden Koppelkondensatoren C_k1 und C_k2, die lediglich zur DC Entkopplung der sich links davon befindlichen Bauteile dienen, bilden hochfrequenzmäßig einen Kurzschluss bzw. können mit den Induktivitäten L₁' und L₂' verrechnet werden und müssen daher für HF-Betrachtungen nicht weiter beachtet werden.
Das Durchstromen der Schalt-Diode D_open wird erreicht einerseits durch Umpolen der Matching-Spannung U_M+, U_M–. Dadurch fließt ein Strom durch RFC2 → D_match2 → D_open → D_match1 → RFC1. Anderseits können auch die beiden Varaktor-Dioden durch Umpolen der Tuning-Spannung durchgestromt werden und bewirken auch das „Öffnen” des RO-Resonators.
Vorteilhafterweise werden im Sendefall alle Varaktor-Dioden durchgestromt, wodurch sich ein größtmöglicher Strom an der Diode D_open ergibt.
In 3 schließlich ist eine ausführlichere Variante des erfindungsgemäßen elektronischen Interfaces 30 dargestellt:
Mit weiteren Dioden D_CM1, D_CM2 kann die Schaltung zusätzlich vor anderen möglicherweise auftretenden Gleichtaktspannungen geschützt werden. Diese können auch umgekehrt polarisiert sein als in 3 dargestellt.
Zur Vergrößerung des Tuningbereichs können weitere Varaktor-Dioden (hier nicht dargestellt) direkt parallel zu den bestehenden (D_tune1, D_tune2) geschaltet werden, oder auch der ganze Ast kann mehrfach implementiert sein (parallel oder antiparallel, in 3). Ein solcher Ast mit den Varaktor-Dioden D_tune3, D_tune4, welcher antiparallel zum ersten Ast (D_tune1, D_tune2) geschaltet wird, erhöht neben dem Tuningbereich auch die Linearität während des Empfangsvorgangs.
Wird andererseits eine Verringerung des Tuningbereichs und/oder auch des Matchingbereichs gewünscht, kann dies durch zusätzliche Parallel- und/oder Serie-Schaltungen (unter Berücksichtigung der DC Potentiale) von Fest-Kondensatoren erreicht werden (nicht dargestellt in 3).
Entsprechend der Praxis bei MRI Empfangssystemen können Teile oder der ganze Zuleitungsstrang mit Gleichtaktfiltern (Balun B) ausgerüstet sein, um unerwünschte Gleichtaktströme in den Zuführungsleitungen zu reduzieren.
Die Übertragung zum Vorverstärker RX kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen, bei letzterer ist ein entsprechendes Symmetrierglied (z. B. die Leitung TL mit 180 Grad elektrischer Länge) erforderlich.
Die gesamte Schaltung, welche zur Vermeidung langer Leitungen zum RO-Resonator und einhergehender unnötiger HF-Verluste sich in unmittelbarer Nähe des RO-Resonators befinden sollte, kann bei den erfindungsgemäßen Schaltungen (1 bis 3) sehr hoch integriert und auf sehr wenig Platz realisiert werden, da keine Drosseln notwendig sind, welche einerseits platzraubend sind und andererseits ohne weitere Gegenmaßnahmen auch selber unerwünschte Kopplungen zum TX-Resonator aufweisen können. Dies ermöglicht die Realisierung von robusten und effizienten RO-Arrays.
Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße elektronische Interface für die Verwendung mit kryogen gekühlten und auch supraleitenden RO-Resonatoren. Hier macht sich die vollständig elektrisch bedienbare Steuerung von Tuning und Matching sehr vorteilhaft bemerkbar, da der mechanische Zugang zu kryogenen Systemen im Betrieb in der Regel stark eingeschränkt ist (z. B. Zugang zu Trimmern). Unter kryogenen Temperaturen verstehen wir Temperaturen unterhalb 100 K, insbesondere um 77 K (= LN2). Auch tiefere Temperaturen sind jedoch möglich, und erstrecken sich bei vertretbarem Aufwand bis 4.2 K (= LHe) hinunter. Aber auch beliebige Temperaturen dazwischen sind mit entsprechender Kühlvorrichtung gut erreichbar und üblich (Cryocooler). Solche RO-Resonatoren weisen sehr hohe Güten auf, welche bei den bisher verwendeten Schaltungen gemäß dem Stand der Technik unnötig stark gedämpft wurden, und somit ein beträchtlicher Teil des Gütegewinns wiederum durch elektronische Interfaces nach dem Stand der Technik verloren ging. Das erfindungsgemäße elektronische Interface umgeht diese Problematik auf eine elegante und wirkungsvolle Art und Weise und erlaubt es, praktikable und hoch effiziente Anordnungen mit kryogenen oder auch supraleitenden RO-Resonatoren zu realisieren. Dabei wird das elektronische Interface mit Vorteil ebenfalls bei kryogenen Temperaturen betrieben, um elektrische Verluste wie auch die dabei auftretenden unerwünschten Rauschleistungen weiter zu minimieren.
Referenzliste

[1] J. Wosik, K. Nesteruk, M. R. Kamel, F. Ip1, L. Xue, A. C. Wright, and F. W. Wehrli „Cryogenic Varactor-Tuned 4-element Array and Cryostat for μ-MRI of Trabecular Bone in the Distal Tibia” Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008)
[2] B. L. Beck, S. Wu, W. J. Turner, R. Bashirullah, and T. H. Mareci ”High Q Reactive Network for Automatic Impedance Matching” Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 19 (2011)
[3] EP 0 315 382 A2
[4] P. B. Roemer, W. A. Edelstein., C. E. Hayes, S. P. Souza, O. M. Mueller ”The NMR Phased Array” Magnetic Resonance in Medicine 16, 192–225 (1990)
[5] US 6,850,067 B1

Claims

Elektronisches Interface (10; 20; 30) zwischen einem reinen NMR-Empfangs-Resonator (= ”receive-only resonator”) (RO) und mindestens einem Vorverstärker, welches einerseits zum Transformieren der Impedanz des NMR-Empfangs-Resonators (RO) an den Vorverstärker während des Empfangsvorgangs und andererseits zum Öffnen oder Verstimmen des NMR-Empfangs-Resonators (RO) während des Sendevorgangs eingerichtet ist, wobei zum Öffnen oder Verstimmen des NMR-Empfangs-Resonators (RO) eine oder mehrere Schalt-Dioden (D_open) vorgesehen sind, welche während des Sendevorgangs durchgestromt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Ansteuer-Dioden (D_match1, D_tune1, D_match2, D_tune2, D_tune3, D_tune4) vorgesehen sind, mittels derer der Strom zum Durchstromen der Schalt-Dioden (Dopen) in diese eingespeist werden kann, und dass die eine oder die mehreren Ansteuer-Dioden (D_match1, D_tune1, D_match2, D_tune2, D_tune3, D_tune4) direkt oder über eine oder mehrere zusätzliche Serie-Impedanzen an den Schalt-Dioden (D_open) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Schalt-Dioden (D_open) als PIN-Dioden ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Ansteuer-Dioden (D_match1, D_tune1, D_match2, D_tune2, D_tune3, D_tune4) als Varaktor-Dioden ausgeführt und so geschaltet sind, dass sie während des Sendevorgangs leiten und während des Empfangs-Vorgangs als Kapazität wirken.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Varaktor-Dioden (D_match1, D_match2) zum Matchen einsetzbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Varaktor-Dioden (D_tune1, D_tune2, D_tune3, D_tune4) zum Tunen einsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einer oder mehreren Schalt-Dioden (D_open) eine oder mehrere weitere Schutz-Dioden (D_DC) anti-parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung symmetrisch ausgeführt ist und somit zwei Signalausgänge besitzt, indem die Schaltung doppelt vorhanden ist und beim zweiten Schaltungsteil sämtliche Dioden umgepolt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der in Serie geschalteten identischen elektronischen Komponenten der Schaltung unter Weglassung eines Erd-Anschlusses durch eine einzige dieser Komponenten ersetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Signalausgang je ein Vorverstärker vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Signalausgänge so gestaltet sind, dass die Signale phasenkorrekt kombiniert werden und zu nur einem Vorverstärker geführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Varaktor-Dioden und/oder Tuning-Dioden durch Parallel- oder antiparallel-Schaltungen vervielfacht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhandenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für den Betrieb bei Temperaturen unter 100 K ausgestaltet ist.