DE102013205464A1

DE102013205464A1 - Lokalspulensystem zum Erfassen von Magnetresonanz-Signalen mit einer Energieempfangsantenne zum induktiven Empfangen von Energie für das Lokalspulensystem

Info

Publication number: DE102013205464A1
Application number: DE102013205464.5A
Authority: DE
Inventors: Andre Albsmeier; Franz Eiermann; Klaus Huber; Dominikus Joachim Müller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-16
Also published as: US9804238B2; US20140292339A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lokalspulensystem (LS) zum Erfassen von MR-Signalen in einer MRT-Einrichtung, mit einer Energieempfangsantenne (10) zum induktiven Empfangen von Energie für das Lokalspulensystem (LS) aus einem sich zeitlich mit einer Energieübertragungsfrequenz ändernden Magnetfeld, wobei die Energieempfangsantenne (10) eine schleifenartig von einem ersten Schleifenanschluss (1) zu einem zweiten Schleifenanschluss (1') verlaufende Leiterschleife (12) umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Verlauf des Energieempfangspfades (20) wenigstens ein Pfadfilter (24) angeordnet ist, welches für Oberwellenfrequenzen der Energieübertragungsfrequenz sperrt und/oder dass im Verlauf eines von den Schleifenanschlüssen (1, 1') zu einem Gleichrichter (30) führenden Energieempfangspfades (20) wenigstens ein Pfadfilter (24) angeordnet ist, welches für Oberwellenfrequenzen der Energieübertragungsfrequenz sperrt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lokalspulensystem zum Erfassen von MR(Magnetresonanz)-Signalen in einer MRT(Magnetresonanztomographie)-Einrichtung, mit einer Energieempfangsantenne zum induktiven Empfangen von Energie für das Lokalspulensystem aus einem sich zeitlich mit einer Energieübertragungsfrequenz ändernden Magnetfeld, wobei die Energieempfangsantenne eine schleifenartig von einem ersten Schleifenanschluss zu einem zweiten Schleifenanschluss verlaufende Leiterschleife umfasst.
Ein derartiges Lokalspulensystem ist beispielsweise aus der DE 10 2011 076 918 A1 bekannt.
Bei dem bekannten Lokalspulensystem ist die Energieempfangsantenne auf die Energieübertragungsfrequenz abgestimmt oder abstimmbar, etwa indem die zur Ausbildung der Energieempfangsantenne verwendete Leiterschleife hierfür geeignet beschaltet ist, einschließlich der in einigen Ausführungsbeispielen vorgesehenen Anordnung eines Kondensators im Verlauf der Leiterschleife.
Wenngleich mit dieser Maßnahme bei dem bekannten Lokalspulensystem eine resonante und somit sehr effiziente Aufnahme von Energie aus dem zur Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeld erzielt wird, verbleibt die grundsätzliche Problematik, dass durch die Energieübertragung eine mehr oder weniger große Beeinflussung bzw. Störung der mittels so genannter Lokalspulen des Lokalspulensystems ebenfalls durchgeführten Erfassung von MR-Signalen hervorgerufen werden kann.
Zwar liegen eine MR-Frequenz der zu erfassenden, den Kernspinantworten entsprechenden MR-Signale (z. B. in der Größenordnung von 100 MHz, oder mehr) einerseits, und die Energieübertragungsfrequenz (z. B. in der Größenordnung von wenigen MHz) andererseits, zweckmäßigerweise weit auseinander. Dennoch ist zu bedenken, dass sowohl der MR-Signalempfang als auch der Energieempfang, beides induktiv, in räumlicher Nachbarschaft, nämlich innerhalb des Lokalspulensystems erfolgt, und auch die Weiterverarbeitung einerseits der MR-Signale und andererseits der Energie innerhalb desselben Systems erfolgt.
Die Mechanismen, welche hierbei zu einer Beeinträchtigung bzw. Verfälschung der erfassten MR-Signale aufgrund des zusätzlichen Energieempfanges führen können, sind vielfältig (wie unten noch erläutert).
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lokalspulensystem der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass Beeinflussungen der MR-Signalerfassung aufgrund des zusätzlichen Energieempfanges reduziert werden.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, an wenigstens einer geeigneten Stelle des Lokalspulensystems ein Filter mit einer bestimmten Filtercharakteristik derart anzuordnen, dass unter Ausnutzung der Verschiedenheit einerseits der Energieübertragungsfrequenz und andererseits der MR-Frequenz die genannten Beeinflussungen besonders effektiv vermieden werden.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass im Verlauf der Leiterschleife wenigstens ein Filter, nachfolgend als "Leiterschleifenfilter" bezeichnet, angeordnet ist, welches für eine MR-Frequenz der zu erfassenden MR-Signale sperrt.
Durch diese Maßnahme wird die Energieempfangsantenne gewissermaßen "blind" für die zu erfassenden MR-Signale gemacht, so dass vorteilhaft eine Aufnahme von Energie aus dem "Feld der MR-Signale" unterdrückt und somit eine Beeinflussung der MR-Signalerfassung durch die Energieempfangsantenne reduziert wird.
Gleichzeitig wird durch diese Maßnahme auch eine Beeinflussung des Feldes der MR-Anregungssignale vorteilhaft reduziert, da diese zur Anregung der Kernspins verwendeten Signale die gleiche Frequenz ("MRT-Systemfrequenz") wie die zu erfassenden MR-Signale, entsprechend den Kernspinantworten, besitzen.
Die MRT-Systemfrequenz hängt bekanntlich von der Art der MRT-Methode (z. B. Wasserstoff-MRT) und dem Betrag des bei der MRT verwendeten homogenen statischen "Hauptmagnetfeldes" ab, entsprechend der Larmorfrequenz der betreffenden Kernspins.
Im Hinblick auf die bei MRT-Untersuchungen üblicherweise durch Erzeugung von Magnetfeldgradienten realisierte Ortsauflösung der MR-Signalerfassung ist die MR-Frequenz zwar für einzelne MRT-Experimente fest vorgegeben, variiert jedoch geringfügig im Rahmen der Gesamtuntersuchung. Insofern bezeichnet der hier verwendete Begriff "MR-Frequenz" genau genommen jede in einem entsprechenden schmalen MR-Frequenzband der betreffenden MRT-Einrichtung liegende Frequenz.
Die Breite des MR-Frequenzbandes ist jedoch typischerweise um einen Faktor von etwa 10² kleiner als die Mittenfrequenz dieses Bandes. Bei einer Wasserstoff-MRT mit einem Betrag von 3 T für das Hauptmagnetfeld ergibt sich eine Larmorfrequenz und somit MRT-Systemfrequenz von etwa 123 MHz. Die Breite des MR-Frequenzbandes ergibt sich aus den gradientenbedingten Abweichungen des Magnetfeldes im Untersuchungsraum und beträgt zweckmäßigerweise einige MHz (z. B. 1 bis 4 MHz).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lokalspulensystem zum Erfassen von MR-Signalen einer MR-Frequenz im Bereich von mindestens 50 MHz, insbesondere mindestens 100 MHz ausgebildet. Die MR-Frequenz kann hierbei andererseits z. B. kleiner als 600 MHz sein.
In einer Ausführungsform umrahmt die Leiterschleife der Energieempfangsantenne eine Anordnung einer oder mehrerer MR-Empfangsantennen des Lokalspulensystems, welche zum Empfangen von MR-Signalen vorgesehen ist. Damit kann vorteilhaft eine besonders kompakte Bauweise des Lokalspulensystems bei gleichzeitig hoher Energieaufnahmeeffizienz realisiert werden.
Die von der Energieempfangsantenne umrahmte MR-Empfangsantennenanordnung kann z. B. wenigstens vier, insbesondere wenigstens sechs MR-Empfangsantennen aufweisen. Die einzelnen MR-Empfangsantennen können hierbei insbesondere als Leiterschleifen ("Loops") ausgebildet sein und nebeneinander, gegebenenfalls teilweise einander überlappend in einer gemeinsamen Lokalspulenfläche (eben oder gekrümmt) angeordnet sein. Die Leiterschleife der umrahmenden Energieempfangsantenne kann z. B. in der gleichen Fläche bzw. Ebene liegen.
Das im Verlauf der Leiterschleife angeordnete wenigstens eine Leiterschleifenfilter, welches für die MR-Frequenz sperrt, ist bevorzugt ein passives Filter.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Leiterschleifenfilter eine zum Sperren der MR-Frequenz geeignete Bandsperrencharakteristik. Die MR-Frequenz liegt ganz allgemein bevorzugt im Bereich von 100 bis 600 MHz. Die Bandbreite der erwähnten Bandsperrencharakteristik kann z. B. kleiner als 20 %, insbesondere kleiner als 10 % der MR-Frequenz sein.
In einer anderen Ausführungsform besitzt das Leiterschleifenfilter eine zum Durchlassen der Energieübertragungsfrequenz geeignete Bandpasscharakteristik. Die Energieübertragungsfrequenz liegt ganz allgemein bevorzugt im Bereich von 1 bis 10 MHz. Die Bandbreite der erwähnten Bandpasscharakteristik kann z. B. kleiner als 20 %, insbesondere kleiner als 10 % der Energieübertragungsfrequenz sein.
In einer Ausführungsform sind im Verlauf der Leiterschleife mehrere Leiterschleifenfilter angeordnet, insbesondere mit einem maximalen gegenseitigen Abstand von jeweils maximal einer der MR-Frequenz entsprechenden Viertelwellenlänge. Damit kann eine Wellenausbreitung auf der Leiterschleife bei der MR-Frequenz besonders wirksam unterdrückt werden.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung, der vorteilhaft auch mit dem ersten Aspekt kombinierbar ist, wird die eingangs gestellte Aufgabe bei einem Lokalspulensystem der eingangs genannten Art, mit einem von den Leiterschleifenanschlüssen der Energieempfangsantenne zu einem Gleichrichter des Lokalspulensystems führenden Energieempfangspfad, dadurch gelöst, dass im Verlauf des Energieempfangspfades wenigstens ein Filter, nachfolgend als "Pfadfilter" bezeichnet, angeordnet ist, welches für Oberwellenfrequenzen der Energieübertragungsfrequenz sperrt.
Durch diese Maßnahme wird im Energieempfangspfad die Ausbildung bzw. Ausbreitung derartiger Oberwellenfrequenzen reduziert, was insofern vorteilhaft zur Reduzierung einer Beeinflussung der MR-Signalerfassung auf Grund des zusätzlichen Energieempfanges wirkt, als diese Oberwellenfrequenzen (Harmonische der Energieübertragungsfrequenz) auch Anteile bei der MR-Frequenz oder in deren Nähe besitzen können. Die Ausbildung und Ausbreitung letzterer Frequenzanteile kann somit zu einer nachteiligen Beeinflussung der MR-Signalserfassung führen.
Durch diese Maßnahme kann insbesondere besonders vorteilhaft vermieden werden, dass im Bereich des Gleichrichters erzeugte Oberwellen (was in der Praxis mehr oder weniger unvermeidlich ist) den Energieempfangspfad in umgekehrter Richtung zurück zur Energieempfangsantenne laufen und dort durch die Leiterschleife fließende Ströme auf oder nahe der MR-Frequenz hervorrufen. Letzteres würde zwangsläufig zu einer mehr oder weniger erheblichen Verfälschung der MR-Signalmessung durch die hierfür vorgesehene MR-Lokalspulenanordnung führen.
In einer Ausführungsform besitzt das Pfadfilter eine Tiefpasscharakteristik, beispielsweise mit einer Grenzfrequenz, die einerseits größer als die Energieübertragungsfrequenz ist, andererseits jedoch bevorzugt kleiner als das 2-fache, insbesondere kleiner als das 1,5-fache der Energieübertragungsfrequenz.
Insbesondere wenn die Grenzfrequenz relativ knapp über der Energieübertragungsfrequenz gewählt werden soll, so kann vorteilhaft ein Tiefpassfilter einer höheren Ordnung, insbesondere ein Tiefpassfilter mindestens dritter Ordnung zum Einsatz kommen.
In einer Ausführungsform ist das Pfadfilter im Verlauf des Energieempfangspfades unmittelbar vor dem Gleichrichter angeordnet.
In einer Ausführungsform ist im Verlauf des Energieempfangspfades eine Impedanzwandlung vorgesehen, die beispielsweise einen ersten Abschnitt des Energieempfangspfades, also unmittelbar an den Leiterschleifenanschlüssen angeschlossen, darstellen kann. Mit einem entsprechenden Anpassnetzwerk aus Kapazitäten und/oder Induktivitäten kann vorteilhaft eine Impedanzwandlung derart realisiert sein, dass damit die mittels der Leiterschleife erfolgende Aufnahme von Energie aus dem magnetischen Wechselfeld gezielt mit nicht optimaler Effizienz erfolgt, sondern beispielsweise nur weniger als 80 %, insbesondere weniger als 50 % derjenigen Energie aufgenommen wird, welche im Falle einer optimalen Impedanzanpassung des Energieempfangspfades unter Berücksichtigung der Impedanz der Energieempfangsantenne resultieren würde. Eine derart bewusst "schwache Ankopplung" der Energieempfangsantenne ist insbesondere insofern vorteilhaft, als dann mehrere Energieempfangsantennen des Lokalspulensystems jeweils in gleichmäßigerer Weise Energie aus dem Sendefeld abziehen können, um beispielsweise verschiedene Teile des Lokalspulensystems jeweils separat mit Energie versorgen zu können.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Lokalspulensystem mehrere Energieempfangsantennen der bereits erläuterten Art, die z. B. an jeweils einen eigenen Energieübertragungspfad angeschlossen sein können, wobei jedoch im Energieübertragungsverlauf weiter hinten liegende Teile (z. B. Gleichrichter) auch durch einen gemeinsam genutzten Teil des Lokalspulensystems implementiert sein können. Jede einer solchen Mehrzahl von Energieempfangsantennen kann beispielsweise wieder jeweils eine Anordnung einer oder mehrerer MR-Empfangsantennen umrahmen.
Eine verlustarme Realisierung des Anpassnetzwerkes zur Impedanzwandlung ist beispielsweise unter Verwendung von Kondensatoren möglich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist am Eingang des Anpassnetzwerkes wenigstens ein im eingangsseitigen Stromverlaufspfad liegender Kondensator angeordnet.
Ein derartiger Kondensator im Anpassnetzwerk, alternativ oder zusätzlich auch an anderer Stelle des Energieempfangspfades, bewirkt vorteilhaft eine Sperrung von Gleichstromanteilen, die ansonsten im Bereich der Leiterschleife äußerst nachteilig wären, da damit ein das Hauptmagnetfeld bzw. die überlagerten Gradientenmagnetfelder verfälschendes zusätzliches Magnetfeld (durch einen über die Leiterschleife fließenden Gleichstromanteil) erzeugt würde. In der Praxis können derartige Gleichstromanteile auf der Leiterschleife, welche Gleichmagnetfelder in µT-Bereich erzeugen, die MRT-Ortsauflösung signifikant beeinträchtigen.
Dementsprechend ist der Energieempfangspfad bevorzugt derart ausgebildet, dass hinsichtlich eines beim Energieempfang durch die Leiterschleife der Energieempfangsantenne fließenden Stromes eine Sperrung des Gleichanteils vorgesehen ist.
Wie bereits erläutert, ist die Anordnung eines Pfadfilters im Verlauf des Energieempfangspfades zur Oberwellenabtrennung vorteilhaft. Im Hinblick auf eine in diesem Zusammenhang ebenfalls vorteilhafte Reduzierung der Erzeugung von Oberwellen ist in einer Ausführungsform der Gleichrichter derart ausgebildet, dass an einem Gleichrichtereingang für beide Halbwellen ein Strom fließt. Im Gegensatz dazu wäre z. B. ein lediglich aus einer (einzigen) Diode gebildeter Gleichrichter äußerst ungünstig auf Grund der damit verstärkt stattfindenden Erzeugung von Oberwellen. Bevorzugt sind daher Gleichrichterschaltungen mit mehreren Dioden, insbesondere mit möglichst reduzierten Nichtlinearitäten. Unter diesem Aspekt ist z. B. der Einsatz von Schottkydioden oftmals vorteilhaft.
Insbesondere kann der Gleichrichter als ein Diodengleichrichter in so genannter Villard- bzw. Greinacher-Schaltung implementiert sein, so dass einerseits eine geringere Oberwellenerzeugung und andererseits eine Spannungsvervielfachung (z. B. Spannungsverdopplung) realisiert wird. Außerdem wird mit derartigen Schaltungen vorteilhaft eine größere Diodensperrspannung vermieden.
Am Ausgang des Gleichrichters angeschlossen kann ein Energiespeicherelement (Kondensator) vorgesehen sein, um die Ausgangsspannung des Gleichrichters zu glätten und die empfangene Energie zur elektrischen Versorgung betreffender elektronischer Schaltungsteile des Lokalspulensystems zu speichern.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lokalspulensystem nicht nur zum drahtlosen Empfang der Versorgungsenergie für die Lokalspulenelektronik ausgebildet, sondern auch für eine drahtlose Rückübertragung der erfassten MR-Signale (z. B. per Funk), gegebenenfalls nach Aufbereitung (z. B. Vorverstärkung, Analog/Digital-Umsetzung etc.) durch hierfür vorgesehene Teile des Lokalspulensystems. Damit kann vorteilhaft ein drahtloses Lokalspulensystem geschaffen werden (bei welchem sowohl die Energie- als auch die Signal- bzw. Datenübertragung zwischen dem Lokalspulensystem und einer MRT-Einrichtungsbasis bzw- MRT-Auswerteeinheit ohne Verkabelung funktioniert).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen dar:
1 eine schematische Darstellung einer Lokalspulenanordnung eines Lokalspulensystems, sowie eine diese Anordnung umrahmende Leiterschleife einer Energieempfangsantenne des Lokalspulensystems,
2 ein Beispiel einer Ausgestaltung eines für die Energieempfangsantenne von 1 verwendbaren Leiterschleifenfilters,
3 ein Ausführungsbeispiel der für den Energieempfang wesentlichen Komponenten eines Lokalspulensystems,
4 ein Lokalspulensystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, und
5 ein Lokalspulensystem gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
1 veranschaulicht eine Energieempfangsantenne 10 zur Verwendung in einem insgesamt nicht dargestellten Lokalspulensystem zum Erfassen von MR-Signalen in einer MRT-Einrichtung. Die Energieempfangsantenne 10 dient zum induktiven Empfangen von Energie für eine Lokalelektronik des Lokalspulensystems aus einem sich zeitlich mit einer Energieübertragungsfrequenz ändernden Magentfeld, wobei die Energieempfangsantenne 10 eine schleifenartig von einem ersten Schleifenanschluss 1 zu einem zweiten Schleifenanschluss 1' verlaufende Leiterschleife 12 umfasst.
Das sich zeitlich ändernde Magnetfeld (z. B. mit der Energieübertragungsfrequenz rotierendes Drehfeld) induziert eine an den Schleifenanschlüssen 1, 1' bereitgestellte Wechselspannung UE, mittels welcher nach Gleichrichtung ein Energiespeicher (Kondensator) des Lokalspulensystems geladen bzw. nachgeladen werden kann. Diese Gleichrichtung und Energiespeicherung wird weiter unten mit Bezug auf die 3 noch beschrieben.
In 1 ist die Leiterschleife 12 mit nur einer Windung dargestellt. Tatsächlich kann der Verlauf der Leiterschleife 12 auch mehrere Windungen ausbilden.
Eine Besonderheit besteht darin, dass im Verlauf der Leiterschleife 12 mehrere Filter, hier zwei Filter 14-1 und 14-2, nachfolgend als Leiterschleifenfilter bezeichnet, angeordnet sind, welche jeweils für die MR-Frequenz (z. B. 123 MHz +/– 1 MHz) der mittels einer Lokalspulenanordnung 16 aufzunehmenden MR-Signale (entsprechend den Kernspinantworten) sperren.
Dies unterdrückt vorteilhaft eine Energieaufnahme der Energieempfangsantenne 10 aus dem sich zeitlich mit der MR-Frequenz ändernden Magnetfeld der angeregten Kernspins, welches mittels der hierfür vorgesehenen Lokalspulenanordnung 16 in Form der MR-Signale zu erfassen ist.
Dementsprechend ist eine Beeinflussung der mittels der Anordnung 16 erfolgenden MR-Signalerfassung auf Grund des zusätzlichen, mittels der Energieempfangsantenne 10 erfolgenden Energieempfanges reduziert.
Im dargestellten Beispiel umrahmt die Leiterschleife 12 die Lokalspulenanordnung 16, wobei letztere im dargestellten Beispiel aus einer flächigen Anordnung von neun sich teilweise überlappenden Lokalspulen ("Loops") gebildet ist. Der Abgriff der MR-Signale an den einzelnen Lokalspulen der Lokalspulenanordnung 16 ist in 1 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Im dargestellten Beispiel liegen die Leiterschleifen der Lokalspulenanordnung 16 und die Leiterschleife 12 der Energieempfangsantenne 10 in einer gemeinsamen Ebene, so dass sich die in 1 dargestellte Anordnung gut in einer flächigen "Lokalspulenmatte" oder dergleichen unterbringen lässt. In an sich bekannter Weise kann eine solche Lokalspulenmatte gekrümmt sein, so dass dementsprechend die in 1 dargestellte Anordnung ebenfalls insgesamt eine solche Krümmung aufweisen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die umrahmte Lokalspulenanordnung wie z. B. die dargestellte Lokalspulenanordnung 16 eine polygonale Kontur (hier z. B. rechteckig bzw. quadratisch), wobei die Leiterschleife dieser Kontur folgend ebenfalls einen polygonalen Verlauf (hier z. B. achteckig) besitzt.
Der Verlauf der Leiterschleife 12 besitzt in der Praxis zweckmäßigerweise eine Länge (z. B. > 1 m), die oftmals größer ist als eine der MR-Frequenz entsprechende Wellenlänge (der Wellenausbreitung bei der MR-Frequenz auf der Leiterschleife 12). Insbesondere in diesem Fall ist bevorzugt, dass mehrere Leiterschleifenfilter, wie z. B. die dargestellten Filter 14-1, 14-2 über die Länge der Leiterschleife 12 verteilt angeordnet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass sämtliche Leiterstrecken zwischen diesen Filtern bzw. zwischen den Schleifenanschlüssen 1, 1' und dem jeweils nächstliegenden der Filter allenfalls einer Viertelwellenlänge entsprechen.
2 zeigt eine einfache und besonders effektive Gestaltung der Leiterschleifenfilter 14-1, 14-2 im dargestellten Ausführungsbeispiel. Es handelt sich um eine Parallelschaltung einer Kapazität und einer Induktivität, die eine Bandsperre ausbildet, welche so ausgelegt ist, dass die MR-Frequenz (allgemein z. B. in der Größenordnung von etwa 100 MHz) gesperrt wird.
Als Alternative zu einer Bandsperre kann abweichend vom dargestellten Beispiel z. B. auch ein Leiterschleifenfilter mit einer Bandpasscharakteristik eingesetzt werden, in deren Durchlassbereich die Energieübertragungsfrequenz (z. B. in der Größenordnung einiger weniger MHz) liegt.
3 veranschaulicht für das Verständnis der Erfindung wesentliche Komponenten eines Lokalspulensystems LS anhand eines Blockschaltbildes einer Energieempfangskette, über welche die Versorgungsenergie empfangen und bis zu einem Energiespeicher (Kondensator) weitergeleitet wird..
Im linken Teil der Figur ist eine z. B. wie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben ausgebildete Energieempfangsantenne 10 umfassend wieder eine Leiterschleife 12 mit in deren Verlauf zwischen Leiterschleifenanschlüssen 1, 1' angeordneten Leiterschleifenfiltern 14-1, 14-2 dargestellt. Am Ausgang der Energieempfangsantenne 10 ergibt sich eine Impedanz Z1.
Das Lokalspulensystem LS umfasst des Weiteren einen Energieempfangspfad 20, der eingangsseitig mit den Leiterschleifenanschlüssen 1, 1' verbunden ist und ausgangsseitig über Anschlüsse 3, 3' zu einem Gleichrichter 30 des Lokalspulensystems LS führt.
Am Ausgang des Gleichrichters 30 ist ein mit der empfangenen Energie zu ladender Glättungs- und Speicherkondensator Cgl angeordnet, von welchem aus eine Lokalspulenelektronik versorgt wird, die in 3 durch einen Lastwiderstand RL symbolisiert ist.
Der Energieempfangspfad 20 ist im dargestellten Beispiel aus einem Anpassnetzwerk 22 und einem nachfolgend als Pfadfilter 24 bezeichneten Filternetzwerk gebildet.
Die im Verlauf der Leiterschleife 12 angeordneten Leiterschleifenfilter 14-1, 14-2 verhindern, dass durch die Energieempfangsantenne 10 im größeren Ausmaß Energie aus dem MR-Signalfeld (und/oder MR-Anregungsfeld) entnommen wird. Eine solche Energieaufnahme erfolgt jedoch ungehindert auf der Energieübertragungsfrequenz des zur Energieübertragung vorgesehenen Magnetfeldes.
Das Anpassnetzwerk 22 ist im dargestellten Beispiel unmittelbar der Energieempfangsantenne 10 nachfolgend im Verlauf des Energieempfangspfades 20 angeordnet und dient dazu, die der Energieempfangsantenne 10 inhärente Ausgangsimpedanz Z1 auf eine insbesondere unter Berücksichtigung der Gleichrichtereigenschaften gewünschte Impedanz Z2 zu wandeln, die dann am Ausgang des Anpassnetzwerkes 22 (Anschlüsse 2, 2') vorliegt. Bei der somit realisierten Impedanzwandlung von Z1 auf Z2 ist im dargestellten Beispiel noch zu berücksichtigen, dass die Impedanz Z2 durch das nachgeordnete Filternetzwerk 24 auf eine Impedanz Z3 (an den Anschlüssen 3, 3') gewandelt wird.
Das Anpassnetzwerk 22 ist besonders verlustarm aus Kondensatoren CS1, CP und CS2 in der dargestellten Verschaltung gebildet, d. h. die Kondensatoren CS1 und CS2 bilden eingangsseitig bzw. ausgangsseitig seriell in den Stromflusspfad integrierte Impedanzen, wohingegen der Kondensator CP eine die beiden Pfadleitungen verbindende und an einem Knoten zwischen den Kondensatoren CS1, CS2 angeschlossene Impedanz darstellt.
Das Anpassnetzwerk 22 bzw. die hierfür verwendeten Impedanzen (im dargestellten Beispiel die Kondensatoren CS1, CS2 und CP) sind gemäß einer spezielleren Ausgestaltungsvariante für eine Impedanzwandlung (von Z1 auf Z2) ausgelegt, welche zu keiner optimalen Energieaufnahme aus dem Energieübertragungsmagnetfeld führt, sondern eine gewisse "Fehlanpassung" bzw. relativ schwache Ankopplung der Antenne 10 an den Übertragungspfad 20 vorsieht.
Dies kann z. B. von großem Vorteil sein, um eine gleichzeitige und gleichmäßige Energieversorgung bei Vorhandensein mehrerer weiterer (in den Figuren nicht dargestellter) Energieempfangsantennen zu realisieren.
Diese gegebenenfalls vorhandenen weiteren Energieempfangsantennen können so wie für die Antenne 10 bereits beschrieben ausgestaltet sein und zur separaten Versorgung anderer Teile der Lokalelektronik dienen.
Beispielsweise können mehrere Energieempfangsantennen des Lokalspulensystems jeweils zur separaten elektrischen Energieversorgung von mehrfach vorhandenen Teilen der Lokalelektronik dienen (z. B. Vorverstärker, A/D-Wandler, Modulatoren etc.), welche jeweils derjenigen MR-Lokalspulenanordnung zugeordnet sind, in deren Nähe die betreffenden Energieempfangsantenne angeordnet ist (z. B. welche von der betreffenden Energieempfangsantenne umrahmt wird).
Im dargestellten Beispiel besitzt das Anpassnetzwerk 22 auf Grund der Verwendung der seriell integrierten Kondensatoren CS1 und CS2 noch eine weitere vorteilhafte Funktionalität, die darin besteht, hinsichtlich eines beim Energieempfang durch die Leiterschleife 12 fließenden Stromes eine Sperrung des Gleichanteils vorzusehen.
Falls eine solche Gleichanteilsperrung nicht bereits durch eine geeignete Gestaltung des oder der Leiterschleifenfilter realisiert ist, kann dies vorteilhaft z. B. durch das Anpassnetzwerk 22 der dargestellten Art bewerkstelligt werden. Die Gleichanteilunterdrückung vermeidet vorteilhaft die Erzeugung eines in der hier interessierenden Systemumgebung äußerst nachteiligen Gleichmagnetfeldes durch die Leiterschleife 12. Ein derartiges Gleichmagnetfeld kann insbesondere die bei der MRT-Untersuchung vorgesehene Ortsauflösung mittels der Gradientenfelder nachteilig beeinträchtigen. Im dargestellten Energieempfangspfad 20 bewirkt z. B. der Kondensator CS1 bereits eine solche Entkopplung von Gleichspannungsanteilen, um somit eine nachträgliche Wechselwirkung mit der MR-Bildgebung zu verhindern.
Das im dargestellten Beispiel dem Anpassnetzwerk 22 nachgeordnete Pfadfilter 24 dient zur Sperrung von Oberwellenfrequenzen der Energieübertragungsfrequenz. Es ist im dargestellten Beispiel als ein Tiefpass fünfter Ordnung ausgebildet, um eine besonders steile Flanke der Tiefpasscharakteristik bei einer bestimmten Grenzfrequenz zu erzielen, die z. B. relativ knapp (z. B. weniger als 5 %) über der durchzulassenden Energieübertragungsfrequenz (z. B. 5 MHz) gewählt sein kann.
Mit dem Pfadfilter 24 können vorteilhaft bei der Gleichrichtung durch den Gleichrichter 30 entstehende Oberwellen an einem Zurücklaufen zur Energieempfangsantenne 10 gehindert werden, so dass damit wiederum vorteilhaft eine Abstrahlung von Magnetfeldern auf den Frequenzen der Oberwellen vermieden wird, was für den MR-Signalempfang schädlich wäre.
Abweichend vom dargestellten Ausführungsbeispiel könnten das Anpassnetzwerk 22 zur Impedanzwandlung (und gegebenenfalls wie hier realisiert zur Gleichanteilabtrennung) sowie das als Filternetzwerk zur Harmonischen-Trennung ausgebildete Pfadfilter 24 schaltungstechnisch auch eine Einheit bilden.
Der den Abschluss des Energieübertragungspfades 20 bildende Gleichrichter 30 dient dazu, die auf der Energieübertragungsfrequenz empfangene Energie durch Gleichrichtung zum Aufladen bzw. Nachladen des Glättungs- und Speicherkondensators Cgl nutzbar zu machen.
Bevorzugt ist eine Gleichrichterschaltung, wie in 3 auch dargestellt, bei welcher an einem Gleichrichtereingang (hier: Anschlüsse 3, 3') für beide Halbwellen des zugeführten Wechselsignals ein Strom fließt. Bei dem dargestellten Gleichrichter 30 ist dies durch den Einsatz von zwei Schottkydioden D1 und D2 implementiert, welche in so genannter Villard- bzw. Greinacher-Schaltung angeordnet sind, um den Speicherkondensator Cgl unter Spannungsverdopplung zu laden.
Außerdem wird mit der dargestellten Villard- bzw. Greinacher-Schaltung die Beaufschlagung einer Diode mit einer größeren Spannung in Sperrrichtung der betreffenden Diode vermieden, was ebenfalls einen erheblichen Vorteil darstellt (jedoch auch durch andere Gleichrichterschaltungen als die dargestellte spezielle Villard- bzw. Greinacher-Schaltung realisierbar wäre).
In der Gleichrichterschaltung gemäß 3 wird durch Aufladung des hier im Anpassnetzwerk 22 integrierten Kondensators CS2 über die Diode D2 in der einen Halbwelle und des Kondensators Cgl über die Diode D1 in der anderen Halbwelle zum einen die Gleichrichterspannung nahezu verdoppelt als auch die Sperrspannung an der Diode D1 begrenzt.
Anstelle der Diode D2 könnte auch eine Induktivität (Drossel) eingesetzt werden. Sollten sehr kleine Gleichrichterspannung benötigt werden, können die Diodenverluste (hervorgerufen durch die Durchlassspannung von D2) höher ausfallen, als wenn statt der Diode D2 eine Drossel verwendet wird. Während der Zeitdauer, in der die Diode D1 sperrt, liegt dann jedoch eine deutlich höhere Sperrspannung an dieser an, was zu deren rascherer Degradation bzw. Zerstörung führen kann. Deswegen kann es durchaus sinnvoll sein, abweichend von dem Beispiel gemäß 3 eine symmetrische Ausführung des Energieempfangspfades 20 zu wählen (vgl. z. B. die Ausführungsbeispiele gemäß der 4 und 5), auch wenn hierfür die Anzahl der benötigten Bauteile im Vergleich zur Schaltung gemäß 3 größer ist.
Das Beispiel gemäß 3 hat den schaltungstechnischen Vorteil, dass die Schaltungsblöcke Anpassnetzwerk 22, Pfadfilter 24 und Gleichrichter 30 eine asymmetrische bzw. "single endet"-Anordnung bilden und somit weniger Bauteile als bei einem symmetrischen Aufbau erfordern.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die 4 und 5 jeweils symmetrische Ausgestaltungen beschrieben.
Bei den Beispielen gemäß der 4 und 5 sind für gleichwirkende Komponenten jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet. Hinsichtlich der Funktionsweise dieser Beispiele, die sich im Wesentlichen lediglich durch deren symmetrisierten Aufbau von dem Beispiel gemäß 3 unterscheiden, sei auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen.
Bei dem Beispiel gemäß 4 ist wie dargestellt eine symmetrische Energieempfangsantenne 10 und ein symmetrisierender Energieempfangspfad 20 vorgesehen.
Demgegenüber ist bei dem Beispiel gemäß 5 wie dargestellt eine symmetrisierende Energieempfangsantenne 10 mit einem symmetrischen Energieempfangspfad 20 vorgesehen.
In beiden Ausführungsformen erfolgt die Filterung und Gleichrichtung in symmetrischer Form. Die in den jeweiligen Gleichrichtern 30 verwendeten Dioden D2 könnten auch durch Induktivitäten (Drosseln) ersetzt werden.
Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Lokalspulensystem bzw. den hier beispielhaft erläuterten Schaltungsanordnungen zur Bildung einer Energieempfangskette von der Energieempfangsantenne zum Energiespeicherkondensator vorteilhaft eine hohe Störunterdrückung hinsichtlich der MR-Signalerfassung erzielt werden. Mit den beschriebenen Ausgestaltungen der Komponenten des Energieempfangspfades wird darüber hinaus eine hohe Flexibilität bezüglich der ausgangsseitig gewünschten Spannungs- bzw. Strombereiche und ein hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung (mit niedrigen Verlusten) ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011076918 A1 [0002]

Claims

Lokalspulensystem zum Erfassen von MR-Signalen in einer MRT-Einrichtung, mit einer Energieempfangsantenne (10) zum induktiven Empfangen von Energie für das Lokalspulensystem aus einem sich zeitlich mit einer Energieübertragungsfrequenz ändernden Magnetfeld, wobei die Energieempfangsantenne (10) eine schleifenartig von einem ersten Schleifenanschluss (1) zu einem zweiten Schleifenanschluss (1') verlaufende Leiterschleife (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der Leiterschleife (12) wenigstens ein Leiterschleifenfilter (14-1, 14-2) angeordnet ist, welches für eine MR-Frequenz der zu erfassenden MR-Signale sperrt.
Lokalspulensystem nach Anspruch 1, wobei die Leiterschleife (12) der Energieempfangsantenne (10) eine Anordnung (16) einer oder mehrerer MR-Empfangsantennen des Lokalspulensystems umrahmt, welche zum Empfangen von MR-Signalen vorgesehen ist.
Lokalspulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leiterschleifenfilter (14-1, 14-2) eine zum Durchlassen der Energieübertragungsfrequenz geeignete Bandpasscharakteristik besitzt.
Lokalspulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei im Verlauf der Leiterschleife (12) mehrere Leiterschleifenfilter (14-1, 14-2) angeordnet sind, insbesondere mit einem maximalen gegenseitigen Abstand von jeweils maximal einer der MR-Frequenz entsprechenden Viertelwellenlänge.
Lokalspulensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem von den Leiterschleifenanschlüssen (1, 1') der Energieempfangsantenne (10) zu einem Gleichrichter (30) des Lokalspulensystems führenden Energieempfangspfad (20), dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf des Energieempfangspfades (20) wenigstens ein Pfadfilter (24) angeordnet ist, welches für Oberwellenfrequenzen der Energieübertragungsfrequenz sperrt.
Lokalspulensystem nach Anspruch 5, wobei das Pfadfilter (24) eine Tiefpasscharakteristik besitzt.
Lokalspulensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei im Verlauf des Energieempfangspfades (20) eine Impedanzwandlung (22) vorgesehen ist.
Lokalspulensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Energieempfangspfad (20) derart ausgebildet ist, dass hinsichtlich eines beim Energieempfang durch die Leiterschleife (12) der Energieempfangsantenne (10) fließenden Stromes eine Sperrung des Gleichanteils vorgesehen ist.
Lokalspulensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Gleichrichter (30) derart ausgebildet ist, dass an einem Gleichrichtereingang für beide Halbwellen ein Strom fließt.