DE102012211763B3

DE102012211763B3 - Schaltungsanordnung und Sendeeinheit für ein Magnetresonanztomographiegerät sowie Magnetresonanztomographieeinrichtung

Info

Publication number: DE102012211763B3
Application number: DE102012211763A
Authority: DE
Inventors: Adam Albrecht
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2013-12-24
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: CN103529410B; CN103529410A; KR20140005807A; US9404982B2; US20140009160A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (V) mit mehreren Verstärkerstufen (1) zur Verstärkung eines elektrischen RF-Signals („input”) für ein Magnetresonanztomographiegerät (101), welche Verstärkerstufen (1) auf mindestens einer Leiterplatte (10) angeordnet sind, wobei eine Leiterplatte (10) ein Kühlrohr (7, 14) umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und eine Sendeeinheit für ein Magnetresonanztomographiegerät sowie eine Magnetresonanztomographieeinrichtung
Magnetresonanzgeräte (MRTs) zur Untersuchung von Objekten oder Patienten durch Magnetresonanztomographie sind beispielsweise aus DE 103 14 215 B4 , DE 10 2010 032 078 B4 , DE 10 2010 032 077 A1 bekannt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Schaltungs-Anordnung zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
Weitere Merkmale und Vorteile von möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
1 schematisch und vereinfachend als Schaltbild Elemente einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
2 Verstärkerstufen auf einer planaren Leiterplatte mit Schlitzen,
3 im Querschnitt vereinfachend ein mit Wasser gefülltes Kühlrohr mit vier Verstärkerstufen,
4 als Detail Wärmeleitungselemente und Wärmeisolierkissen an einem Kühlrohr,
5 zwei flüssigkeitsgefüllte Kühlrohre mit jeweils darum herum angeordneten Verstärkerstufen,
6 als Verstärkerstufe einen Gegentaktverstärker mit zwei Verstärkern,
7 schematisch ein MRT-System.
7 zeigt (insbesondere auch hinsichtlich des Hintergrunds) ein (in einem geschirmten Raum oder Faraday-Käfig F befindliches) bildgebendes Magnetresonanzgerät-MRT 101 mit einer Ganzkörperspule 102 mit einem hier röhrenförmigen Raum 103 in welchen eine Patientenliege 104 mit einem Körper z. B. eines Untersuchungsobjektes (z. B. eines Patienten) 105 (mit oder ohne mit z. B. mit Gurten G befestigte Lokalspulenanordnung 106 mit einer Steuerung St) in Richtung des Pfeils z gefahren werden kann, um durch ein bildgebendes Verfahren Aufnahmen des Patienten 105 oder eines Körperbereichs K zu generieren. Auf dem Patienten ist hier eine Lokalspulenanordnung 106 angeordnet, mit welcher in einem lokalen Bereich (auch Field of View oder FoV genannt) des MRT Aufnahmen von einem Teilbereich des Körpers 105 im FoV generiert werden können. Signale der Lokalspulenanordnung 106 können von einer z. B. über Koaxialkabel oder per Funk (167) etc an die Lokalspulenanordnung 106 anschließbaren Auswerteeinrichtung (168, 115, 117, 119, 120, 121 usw.) des MRT 101 ausgewertet (z. B. in Bilder umgesetzt, gespeichert oder angezeigt) werden.
Um mit einem Magnetresonanzgerät MRT 101 einen Körper 105 (ein Untersuchungsobjekt oder einen Patienten) mittels einer Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper 105 eingestrahlt. Ein starker Magnet (oft ein Kryomagnet 107) in einer Messkabine mit einer hier tunnelförmigen Öffnung 103, erzeugt ein statisches starkes Hauptmagnetfeld B₀, das z. B. 0,2 Tesla bis 3 Tesla oder auch mehr beträgt. Ein zu untersuchender Körper 105 wird auf einer Patientenliege 104 gelagert in einen im Betrachtungsbereich FoV („Field of View”) etwa homogenen Bereich des Hauptmagnetfeldes B0 gefahren. Eine Anregung der Kernspins von Atomkernen des Körpers 105 erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse B1 (x, y, z, t) die über eine hier als (z. B. mehrteilige = 108a, 108b, 108c) Körperspule 108 sehr vereinfacht dargestellte Hochfrequenzantenne (und/oder ggf. eine Lokalspulenanordnung) eingestrahlt werden. Hochfrequenz-Anregungspulse werden z. B. von einer Pulserzeugungseinheit 109 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 111 werden sie zur Hochfrequenzantenne 108 geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Oft werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 109, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 111 und mehrere Hochfrequenzantennen 108a, b, c in einem Magnet-Resonanz-Gerät 101 eingesetzt.
Weiterhin verfügt das Magnet-Resonanz-Gerät 101 über Gradientenspulen 112x, 112y, 112z, mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder B_G (x, y, z, t) zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 112x, 112y, 112z werden von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 114 (und ggf. über Verstärker Vx, Vy, Vz) gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 109 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 in Verbindung steht.
Von den angeregten Kernspins (der Atomkerne im Untersuchungsobjekt) ausgesendete Signale werden von der Körperspule 108 und/oder mindestens einer Lokalspulenanordnung 106 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 116 verstärkt und von einer Empfangseinheit 117 weiterverarbeitet und digitalisiert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar.
Für eine Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wie z. B. die Körperspule 108 oder eine Lokalspule 106, wird die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 118 geregelt. Eine Bildverarbeitungseinheit 119 erzeugt aus den Messdaten ein Bild, das über eine Bedienkonsole 120 einem Anwender dargestellt und/oder in einer Speichereinheit 121 gespeichert wird. Eine zentrale Rechnereinheit 122 steuert die einzelnen Anlagekomponenten.
In der MR-Tomographie werden Bilder mit hohem Signal/Rauschverhältnis (SNR) heute in der Regel mit so genannten Lokalspulenanordnungen (Coils, Local Coils) aufgenommen. Dies sind Antennensysteme, die in unmittelbarer Nähe auf (anterior) oder unter (posterior) oder an oder in dem Körper 105 angebracht werden. Bei einer MR-Messung induzieren die angeregten Kerne in den einzelnen Antennen der Lokalspule eine Spannung, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (z. B. LNA, Preamp) verstärkt und schließlich an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses auch bei hochaufgelösten Bildern werden sogenannte Hochfeldanlagen eingesetzt (1.5T–12T oder mehr). Wenn an ein MR Empfangssystem mehr Einzelantennen angeschlossen werden können, als Empfänger vorhanden sind, wird zwischen Empfangsantennen und Empfänger z. B. eine Schaltmatrix (auch RCCS genannt) eingebaut. Diese routet die momentan aktiven Empfangskanäle (meist die, die gerade im Field of View des Magneten liegen) auf die vorhandenen Empfänger. Dadurch ist es möglich, mehr Spulenelemente anzuschließen, als Empfänger vorhanden sind, da bei einer Ganzkörperabdeckung nur die Spulen ausgelesen werden müssen, die sich im FoV (Field of View) bzw. im Homogenitätsvolumen des Magneten befinden.
Als Lokalspulenanordnung 106 wird z. B. allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z. B. aus einem oder als Array-Spule aus mehreren Antennenelementen (insb. Spulenelementen) bestehen kann. Diese einzelnen Antennenelemente sind z. B. als Loopantennen (Loops), Butterfly, Flexspulen oder Sattelspulen ausgeführt. Eine Lokalspulenanordnung umfasst z. B. Spulenelemente, einen Vorverstärker, weitere Elektronik (Mantelwellensperren etc.), ein Gehäuse, Auflagen und meistens ein Kabel mit Stecker, durch den sie an die MRT-Anlage angeschlossen wird. Ein anlagenseitig angebrachte Empfänger 168 filtert und digitalisiert ein von einer Lokalspule 106 z. B. per Funk etc. empfangenes Signal und übergibt die Daten einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung die aus den durch eine Messung gewonnenen Daten meist ein Bild oder ein Spektrum ableitet und dem Nutzer z. B. zur nachfolgenden Diagnose durch ihn und/oder Speicherung zur Verfügung stellt.
1 zeigt schematisch und vereinfachend als Schaltbild Elemente einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung V, die z. B. eingesetzt sein kann als Verstärkereinrichtung Vx und/oder Vy und/oder Vz in einem Magnetresonanztomographiegerät wie z. B. in 7. Eine Schaltungsanordnung V verstärkt ein RF-Signal (= im Folgenden auch Eingangssignal oder RF-Eingangssignal oder MRT-RF-Eingangssignal genannt) „input” zu einem Ausgangssignal „output” (insbesondere ein RF-Eingangssignal oder RF-Signal für ein Magnetresonanztomographiegerät 101).
Die Schaltungsanordnung V weist zur Verstärkung mehrere (hier n = vier) um mindestens ein (oder in 5 zwei oder mehr als zwei) von einer Flüssigkeit (wie Wasser H₂O) durchflossenes, ihnen (1) gemeinsames Kühlrohr 7 angeordnete Verstärkerstufen 1 (hier in Form von jeweils einem Gegentaktverstärker 1 mit je zwei Chips 1a, 1b mit Verstärkern wie z. B. Halbleiter-Leistungstransistoren) auf.
Die Verstärkerstufen 1 sind hier auf einer Leiterplatte (oder Printed Circuit Board oder PCB) angeordnet, die um ein Kühlrohr 7 herum angeordnet ist.
Das Eingangssignal „input”, wird jeweils (ggf. phasenverschoben um Φ = Fi = 360°/n für die mehreren (n) Verstärkerstufen 1 um ein ihnen gemeinsames Kühlrohr) in eine Verstärkerstufe 1 der Schaltungsanordnung V an deren Eingang über einen Trafo (mit oder ohne Kern) umfassend jeweils ein Paar (z. B. aus 5 und 6) von Input-Trafo-Primär-Wicklungen 6 und Input-Trafo-Sekundär-Wicklungen 5 eingespeist. (Anstatt der vereinfachend dargestellten je nur einen Input-Trafo-Primär-Wicklung 6 und Input-Trafo-Sekundär-Wicklung 5 können auch jeweils mehrere Wicklungen vorgesehen sein.) Phasenverschiebungen (des gemeinsamen Eingangssignals „input” in zueinander um Φ = Fi = 360°/n phasenverschobene Eingangssignal-Anteile für die n Eingänge der n Verstärkerstufen 1 bzw. die Eingänge von deren vorgeschalteten Trafos) können ggf. mit einem in 1 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigten (aus z. B. DE 10 2005 058 039 B4 an sich bekannten) Signalteiler erfolgen, von dem ausgangsseitig Leitungen zu jeder der n Verstärkerstufen 1 (bzw. den Eingänge von deren vorgeschalteten Trafos) verlaufen können.
Das (z. B. an den n Verstärkerstufen 1 phasenverschoben um Fi = 360°/n zueinander eingespeiste) von jeweils einer Verstärkerstufe 1 verstärkte Eingangssignal „input” wird als „output” an dessen Ausgang über einen Trafo (mit oder ohne Kern) umfassend jeweils ein Paar (z. B. aus Nr. 2 und Nr. 3) von (für jede der Verstärkerstufen 1 eigens und getrennt vorgesehenen) Output-Trafo-Primär-Wicklungen 2 und einer (für die (n) Verstärkerstufen 1 um ein ihnen gemeinsames Kühlrohr gemeinsamen) Output-Trafo-Sekundär-Wicklung 3 ausgegeben, wobei von der Output-Trafo-Sekundär-Wicklung 3 das Ausgangsignal „output” (= hier das von mehreren Verstärkerstufen 1 getrennt (phasenverschoben zueinander) verstärkte Eingangssignal „input”) ausgegeben wird.
In 1 sind ferner Spannungsversorgungs-Kapazitäten 4 dargestellt, über die jeweils eine Spannungsversorgung einer Verstärkerstufe 1 erfolgen kann.
2 zeigt Verstärkerstufen 1 auf einer planaren (flachen) Leiterplatte (oder Printed Circuit Board oder PCB) 10 angeordnet, welche Leiterplatte 10 biegbar ist, um sie (10) außen um ein Kühlrohr 7 herum anzuordnen und/oder herumzuwickeln.
Enden 8 (in 2 oben und unten) der Leiterplatte 10 können, wenn sie (10) um ein Kühlrohr 7 herum angeordnet oder herumgewickelt ist, aneinander anliegen und/oder miteinander verbunden sein und/oder einander überlappen.
Die Biegbarkeit der Leiterplatte 10 wird optimiert durch Schlitze SLI in der Leiterplatte 10.
In 2 links sind Paare (z. B. entsprechend 5 und 6 in 1) von Eingangswindungen und Ausgangswindungen von input-Trafos IT zu sehen. In 2 rechts sind Paare (z. B. entsprechend 2 und 3 in 1) von Eingangswindungen und Ausgangswindungen von out-Trafos OT zu sehen. Zwischen input-Trafos IT und out-Trafos OT sind jeweils Verstärkerstufen 1 zu sehen.
Das Feld in einem oder jedem input-Trafo ist hier orthogonal zum Feld in einem oder jedem out-Trafo, so dass Störungen oder crosstalk vermieden werden.
3 zeigt im Querschnitt vereinfachend ein mit Wasser H₂O gefülltes Kühlrohr 7 mit hier vier Verstärkerstufen 1 (hier jeweils Gegentaktverstärker oder push pull groups), die auf einem PCB 10 angeordnet sind, das das Kühlrohr 7 (außen) umgibt.
Zur Optimierung der Kühlung kann das dargestellte Kühlrohr 7 ein nicht dargestelltes weiteres Rohr innerhalb des dargestellten Kühlrohrs 7 umfassen.
Der Bereich 9 in 3 ist detaillierter in 4 dargestellt.
4 zeigt als Detail mindestens ein Wärmeleitungselement 11a in Form von Wärmeleitungskissen oder thermal pads 11a, die aufgrund hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärmeübertragung von Verstärkern 1a, 1b zum Kühlrohr 7 und damit zum Wasser darin optimieren. 4 zeigt ferner elektrisch isolierende wärmeleitende Folie 11 zwischen der Leiterplatte 10 und dem Kühlrohr 7.
5 zeigt ein Beispiel einer Ausführung der Erfindung, bei dem (anstatt wie in 1 ein flüssigkeitsgefülles Kühlrohr 7, um das herum alle Verstärkerstufen 1 angeordnet sind) zwei (alternativ mehr als zwei) flüssigkeitsgefüllte Kühlrohre 14 (mit darum herum angeordneten Verstärkerstufen 1 mit z. B. je ca. 10 kW Ausgangsleistung) vorgesehen sind. In 5 ist ein Ausgangsnetzwerk 15 (matching network) für die Ausgangssignale der die beiden Kühlrohre 14 umgebenden Verstärkerstufen 1 dargestellt, dessen (15) Ausgangssignal „RF out” an HF-Antennen eines MRT übertragen werden kann. Das Ausgangsnetzwerk 15 (matching network) kann einen Balun (auch als Symmetrierglied bezeichnet) umfassen.
Im Beispiel in 5 sind die flüssigkeitsgefüllten Kühlrohre 14 hintereinander von einer Kühlflüssigkeit H₂O durchflossen.
6 zeigt einen aus DE 10 2005 058 039 A1 bekannten Gegentaktverstärker 1 mit zwei Verstärkern 1a, 1b, wie er in erfindungsgemäßen Anordnungen als Verstärkerstufe 1 für insbesondere ein RF-Eingangssignal für RF-Antennen eines Magnetresonanztomographiegeräts 101 einsetzbar ist; es sind jedoch auch viele andere Arten von Verstärkerstufen 1 verwendbar.

Claims

Schaltungsanordnung (V) mit mehreren Verstärkerstufen (1), zur Verstärkung eines elektrischen RF-Signals („input”) für ein Magnetresonanztomographiegerät (101), welche Verstärkerstufen (1) auf mindestens einer Leiterplatte (10) angeordnet sind, wobei eine Leiterplatte (10) ein Kühlrohr (7, 14) umgibt.
Schaltungsanordnung (V) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das RF-Signal („input”) in Verstärkerstufen (1) jeweils über mindestens eine Input-Trafo-Primär-Wicklung (6) und mindestens eine Input-Trafo-Sekundär-Wicklung (5) eingespeist ist.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangssignale („output”) mehrerer Verstärkerstufen (1) über jeweils mindestens eine Output-Trafo-Primär-Wicklung (2) je Verstärkerstufe (1) und über mindestens eine für die (n) ein Kühlrohr (7) umgebenden Verstärkerstufen (1) gemeinsame Output-Trafo-Sekundär-Wicklung (3) ausgegeben („output”) wird.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem den Verstärkerstufen (1) nachgeschalteten Signalkombinationselement (15) verstärkte Teilsignale zu einem Ausgangssignal („RF out-put”) kombiniert werden.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung einer Verstärkerstufe (1) zehn Kilo-Watt beträgt.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkerstufen (1) auf einer oder mehreren Leiterplatten (10) angeordnet sind, welche Leiterplatte (10) biegbar oder gebogen ist, um sie (10) außen um ein Kühlrohr (7) herum anzuordnen und/oder herumzuwickeln.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (10) Schlitze (SLI) in der Leiterplatte (10) aufweist, insbesondere um die Biegbarkeit der Leiterplatte (10) zu verbessern.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld in einem oder jedem input-Trafo (IT) orthogonal zum Feld in einem oder jedem out-Trafo (OT) ist.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (7) mit einer Flüssigkeit (H₂O) gefüllt ist.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohr (7) ein weiteres Rohr innerhalb des Kühlrohrs umfasst.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterplatte (10) jeweils ein Kühlrohr (7, 14) außen auf dessen Umfang umgibt.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterplatte (10) jeweils ein Kühlrohr (7, 14) um dessen kompletten äußeren Umfang herum umgibt.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass Wärmeleitungselemente (11a) zwischen Verstärkern (1a, 1b) einer Verstärkerstufe (1) und einem Kühlrohr (7) vorgesehen sind.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch-isolierende wärmeleitende Folien (11) zwischen einer Leiterplatte (10) und einem Kühlrohr (7) vorgesehen sind.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (V) mehrere Verstärkerstufen (1) aufweist, die jeweils Gegentaktverstärker (1) aufweisen.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsnetzwerk (15) für die Ausgangssignale der mindestens ein Kühlrohr (7, 14) umgebenden Verstärkerstufen (1) vorgesehen ist, insbesondere ein Ausgangsnetzwerk (15) umfassend einen Balun und/oder ein Symmetrierglied.
Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (V) eine MRT-RF-Signal-Verstärkungseinrichtung ist.
Sendeeinheit (114, Vx, Vy, Vz) für eine Magnetresonanztomographieeinrichtung (101), umfassend eine Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.
Magnetresonanztomographieeinrichtung (101), umfassend eine Schaltungsanordnung (V) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.