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Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz(MR)-Gerät, aufweisend mindestens eine Körperspule zum Erzeugen eines B1-Magnetfelds und mindestens eine durch das B1-Magnetfeld geführte Hochfrequenzleitung, die mindestens ein Frequenzfilter zum Sperren einer durch das B1-Magnetfeld induzierten Spannung aufweist. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf eine Patientenliege eines MR-Geräts.
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In der Magnetresonanz(MR)-Tomographie werden Bilder mit hohem Signal/Rausch-Verhältnis ("Signal-to-Noise Ratio"; SNR) heutzutage in der Regel mit sogenannten "Lokalspulen" (auch als "Loops" bezeichnet) aufgenommen. Dabei induzieren die angeregten Kerne eines Messobjekts in den Lokalspulen eine Spannung, die mit einem rauscharmen Vorverstärker (LNA) verstärkt und schließlich kabelgebunden bei der MR-Frequenz an einen Empfänger (Empfangselektronik) eines MR-Empfangssystems eines MR-Geräts weitergeleitet wird.
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Zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses auch bei hochaufgelösten Bildern werden sog. Hochfeldanlagen eingesetzt. Deren Grundfeldstärken liegen heute bei 3 Tesla (T) und höher. Da häufig an das MR-Empfangssystem mehr Lokalspulen oder Loops angeschlossen werden können als Empfänger vorhanden sind, wird zwischen die Lokalspulen und die Empfänger eine Schaltmatrix (auch "RCCS" genannt) eingebaut. Diese routet oder leitet die momentan aktiven Empfangskanäle (jeweils aufweisend eine oder mehrere Lokalspulen) auf die vorhandenen Empfänger. Dadurch ist es möglich, eine größere Zahl von Lokalspulen anzuschließen als Empfänger vorhanden sind, da bei einer Ganzkörperabdeckung nur die Lokalspulen ausgelesen zu werden brauchen, die sich im FoV ("Field of View" bzw. Sichtfeld) bzw. in einem Homogenitätsvolumen des Magneten befinden.
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Eine Lokalspule mag ein oder mehrere Spulenelemente (auch als Antennenelemente oder Empfangsantennen bezeichnet) aufweisen. Insbesondere eine Lokalspule, die aus mehreren Spulenelementen besteht, kann als "Array-Spule" bezeichnet werden. Eine Lokalspule weist typischerweise das mindestens eine Spulenelement, den rauscharmen Vorverstärker, weitere Elektronik und Verkabelung, ein Gehäuse und häufig auch ein Kabel mit Stecker, durch den sie an das restliche MR-Gerät angeschlossen wird, auf. Das MR-Gerät weist insbesondere mindestens ein MR-Empfangssystem auf.
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Die Lokalspulen befinden sich in der Regel in einem Sendefeld (B1-Magnetfeld) einer sog. Körperspule oder "Body Coil". Die Körperspule ist eine große, ein Messobjekt wie einen Körper umfassende Spule, die zur Anregung der Spins in dem Messobjekt verwendet wird. Die Körperspule erzeugt ein zirkulares oder elliptisches B1-Magnetfeld. Aufgrund des B1-Magnetfeldes werden auf allen Leitern, die sich in diesem Feld befinden, Ströme induziert. Insbesondere auf längeren Kabeln (die typischerweise als Koaxialkabel ausgebildet sind) kann es zu Resonanzeffekten kommen, da die Kabel als Antenne wirken, wodurch auf den Außenseiten der Kabelmäntel hohe Ströme fließen, die zu einer Patientengefährdung durch eine Erwärmung führen können. Lange bevor die Ströme so hoch sind, dass eine Patientengefährdung relevant wird, können die B1-induzierten Ströme zudem auf den Leiterstrukturen der Kabel sekundäre B1-Felder verursachen, welche eine B1-Homogenität des Körperspulen-Sendefeldes zerstören.
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Ein weiteres Problem bei der Verwendung eines Koaxialkabels tritt auf, wenn es eine Diskontinuität erfährt, z.B. wenn es auf eine Leiterplatte gelötet wird oder der Koaxialzustand auf andere Weise verlassen wird. Dann können die vorverstärkten Empfangssignale von der Innenseite des Mantels auf die Außenseite gelangen. Falls das Koaxialkabel nahe an einem Spulenelement entlang geführt wird, kann das vorverstärkte Signal wieder in die Lokalspule rückkoppeln, und es kann dadurch zur Selbstoszillation der zugehörigen Lokalspule kommen. Die Lokalspule kann in diesem Zustand nicht für eine MR-Bildgebung verwendet werden.
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Aufgrund dessen müssen alle Leitungsstrukturen, die deutlich länger als mehrere 10 cm sind, in Hochfeldanlagen (z.B. von 1,5 T bis 3 T oder mehr) mit Mantelwellensperren (MWS) versehen werden. Die Mantelwellensperren sind resonante Sperrkreise, die den Stromfluss im Bereich der Resonanzfrequenz unterdrücken. Da in MR-Anlagen nach heutigem Stand der Technik die Sendefrequenz der Body Coil und die Empfangsfrequenz der Lokalspulen sowie das Signal, das von den Lokalspulen auf Kabeln zum System übertragen wird, identisch sind, wird meist eine Lösung zum Aufbau einer Mantelwellensperre mit zwei Spulen verwendet, von denen die eine Spule eine Mantelinnenseite zweier Mantelabschnitte verbindet und die andere Spule eine Mantelaußenseite der zwei Mantelabschnitte verbindet und zudem beidseitig über jeweils einen Widerstand geerdet ist. Dadurch wird der vom Sende- oder TX-Feld erzeugte Mantelwellenstrom nur auf der Außenseite des Mantels des Koaxialkabels, nicht jedoch auf dessen Innenseite unterdrückt. Eine Unterdrückung auf der Innenseite ist nicht zulässig, da sonst auch das Nutzsignal unterdrückt wird. Andere Bauformen von Mantelwellensperren wie die sogenannte „Bazooka"-Mantelwellensperre sind zwar geometrisch anders gebaut, zielen aber auch darauf ab, nur den Strom auf der Außenseite des Mantels zu unterdrücken und den Strom auf der Innenseite bei der MR-Frequenz ungehindert fließen zu lassen.
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Heutzutage verwendete Mantelwellensperrketten oder "MWS-Ketten" bestehen aus Sperrtöpfen, die eine Vielzahl von Einzelteilen (z.B. Leiterplatten, Gehäuse, Schrauben usw.) aufweisen, die alle aufwändig einzeln montiert werden müssen. So sind Mantelwellensperren aus L/C-Kombinationen heute nur manuell wickelbar und extra für MR-Anwendungen manuell gefertigte Spezialteile. Dies führt zu einem notwendigen Abgleich (Mantelwellensperren heutiger Bauform sind nicht einfach abstimmbar, da die Induktivität durch die Zahl der Wicklungen der Koax-Induktivität festgelegt ist) und zu sehr hohen Kosten.
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Auch die Verwendung von Koaxialkabeln führt zu hohen Kosten, da diese ca. 5–8 Mal teurer sind als einfache Litzen oder andere Lösungen.
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Sehr viele parallel geschaltete Mantelwellensperren verringern zudem die Sperrwirkung für die Mantelwelle, da die Parallelschaltung zu einem geringeren Widerstand für die Mantelwelle führt.
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Darüber hinaus brauchen Mantelwellensperren wegen des großen Durchmessers und geringen minimalen Biegeradius der Koaxialkabel einen hohen Platzbedarf insbesondere für das zu einer Induktivität aufgewickelte Koaxialkabel. Der Platzbedarf in Lokalspulen ist insbesondere für Lokalspulen, die mechanisch flexibel sein sollen, ein Problem.
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US 7 777 492 B2 offenbart eine Anordnung zum Übertragen eines durch einen geeigneten Signalgenerator erzeugten informativen Signals, und zwar von einem ersten elektrischen Ort zu einem zweiten elektrischen Ort. Der erste elektrische Ort ist mit dem zweiten elektrischen Ort mittels einer kapazitiv gekoppelten Übertragungsleitung verbunden. Um eine solche kapazitiv gekoppelte Übertragungsleitung zu ermöglichen, können verteilt angeordnete oder zusammen angeordnete Kondensatoren verwendet werden. Die Anordnung ist mit einem Zusatzgerät verbindbar, das ein Spektrometer, ein weiterer Signalgenerator, eine Abstimmeinrichtung usw. aufweisen kann. Das weitere Signal wird von der Zusatzvorrichtung erzeugt und über die kapazitiv gekoppelte Übertragungsleitung in einer Richtung von dem zweiten elektrischen Ort zu dem ersten elektrischen Ort transportiert. Das weitere Signal kann zum Speisen eines Verstärkers oder zum Tragen des Signals verwendet werden. Die Anordnung betrifft ferner ein Magnetresonanz-kompatibles Gerät, ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem und ein Verfahren zum Erfassen magnetischer Resonanzenergie.
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DE 10 2010 012 393 A1 oder
US 8 547 098 B2 offenbaren ein Magnetresonanzsystem, das mindestens eine Spule und mindestens eine die Spule mit einer Empfangselektronik verbindende Koaxialleitung umfasst, welche Spule eine die empfangenen Signale auf wenigstens eine von der Sendefrequenz unterschiedliche Übertragungsfrequenz umformende Vorverarbeitungseinrichtung aufweist, wobei die Koaxialleitung wenigstens eine Mantelwellen der Sendefrequenz sowohl auf der Außenseite wie auch der Innenseite des Mantelleiters der Koaxialleitung unterdrückende Mantelwellensperre mit einem Sperrkreis aufweist. Diese beiden Dokumente zielen auf die Verwendung von Mantelwellensperren im Innen- und Außenleiter von Koaxialkabeln ab, die für Zwischenfrequenzen durchlässig, für die Larmorfrequenz hingegen sperrend wirken.
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DE 10 2010 031 933 A1 oder
US 2012/0187950 A1 offenbaren, dass eine Leiterplatte flach ausgebildet ist, so dass sie eine Oberseite und eine Unterseite aufweist, die jeweils durch lange und kurze Seitenkanten begrenzt sind. An den langen Seitenkanten erstrecken sich Schmalseiten und an den kurzen Seitenkanten Stirnseiten von der Oberseite zur Unterseite. Auf der Oberseite ist in der Nähe einer der Stirnseiten eine Anzahl von Anschlüssen für geschirmte Kabel angeordnet. Die Anschlüsse weisen jeweils mindestens einen Kontakt auf, der mit einer jeweiligen Leiterbahn der Leiterplatte verbunden ist, die sich ausgehend von dem jeweiligen Kontakt in Richtung auf die andere Stirnseite hin erstreckt. Die jeweilige Leiterbahn ist entweder mit einer jeweiligen auf der Leiterplatte angeordneten Lokalspule für Magnetresonanzanwendungen oder mit einem auf der Oberseite oder der Unterseite angeordneten Kontakt eines jeweiligen weiteren Anschlusses für ein jeweiliges weiteres geschirmtes Kabel verbunden. Die Lokalspule und/oder mindestens einer der weiteren Anschlüsse ist in der Nähe der anderen Stirnseite angeordnet. Die Leiterbahnen verlaufen in mindestens einer zwischen der Oberseite und der Unterseite angeordneten Zwischenschicht der Leiterplatte. Auf der Oberseite und/oder der Unterseite ist eine für Frequenzen im Magnetresonanzbereich dichte Basisschirmung angeordnet, auf den Schmalseiten eine mit der Basisschirmung elektrisch verbundene, für Frequenzen im Magnetresonanzbereich dichte Zusatzschirmung. Diese beiden Dokumente zielen auf den Ersatz eines Kabelbaums mit Mantelwellensperren in Form von Sperrtöpfen durch eine lange Leiterplatte und auf eine Führung der Leitungen im Inneren eines HF-Schirms ab. Der Stromfluss bei der MR-Frequenz wird auf dem Schirm durch Sperrtöpfe unterbunden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Möglichkeit zur Hochfrequenz-Signalübertragung durch ein B1-Magnetfeld eines MR-Geräts bereitzustellen, die besonders preiswert umsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein MR-Gerät, aufweisend mindestens eine Körperspule zum Erzeugen eines B1-Magnetfelds in einem vorgegebenen Homogenitätsvolumen und mindestens eine durch das B1-Magnetfeld bzw. das Homogenitätsvolumen geführte Hochfrequenzleitung, welche mindestens eine Hochfrequenzleitung mindestens ein Frequenzfilter (im Folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit als "Mantelwellensperre" bezeichnet) zum Sperren einer durch das B1-Magnetfeld induzierten Spannung aufweist, wobei zumindest ein durch das B1-Magnetfeld geführter Abschnitt der Hochfrequenzleitung in Leiterplattentechnologie (z.B. als Leiterbahn) auf mindestens einer Leiterplatte ausgebildet ist und informationsführende Signale auf einer anderen Frequenz über die mindestens eine Hochfrequenzleitung übertragbar sind als die Frequenz der durch das B1-Magnetfeld induzierten Spannung bzw. der durch das Frequenzfilter gesperrten Frequenz oder Frequenzband.
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Dieses MR-Gerät weist den Vorteil auf, dass es besonders preiswert herstellbar ist, nämlich unter Verwendung von grundsätzlich bekannten Bestücktechnologien. Insbesondere können Leiterplatten durch automatisierte Fertigungsverfahren bestückt werden, beispielsweise unter Verwendung von Bestückautomaten ("Pick-n-Place"-Maschinen) mit bestückbaren und verlötbaren Bauteilen, insbesondere auch zur Realisierung von Mantelwellensperren. Auf eine aufwändige manuelle Herstellung von Mantelwellensperren kann verzichtet werden. Auch brauchen keine teuren geschirmten Kabel wie Koaxialkabel o.ä. verwendet zu werden.
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Das MR-Gerät kann auch als ein MR-System oder als eine MR-Anlage bezeichnet werden.
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Eine Hochfrequenzleitung mag als eine einzelne Leitung oder als eine Gruppe mehrerer Leitungen (z.B. umfassend eine Hinleitung und eine Rückleitung) ausgebildet sein.
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Die Hochfrequenzleitungen können identisch aufgebaut sein. Alternativ mögen mindestens zwei Hochfrequenzleitungen zueinander unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
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Informationsführende Signale können beispielsweise von den Lokalspulen erzeugte Messsignale oder daraus abgeleitete (z.B. datenverarbeitete und/oder frequenzverschobene) Signale sein. Informationsführende Signale können auch Ansteuersignale und/oder Taktsignale sein. Durch die Frequenztrennung der informationsführenden Signale von der Frequenz der durch das B1-Magnetfeld induzierten Spannung können auf der gleichen Leitung induzierte Ströme effektiv gesperrt oder gedämpft werden, ohne gleichzeitig auch die informationsführenden Signale zu sperren. Dies ist besonders wichtig bei einer Ausgestaltung der Leitungen in Leiterplattentechnologie, z.B. als Leiterbahnen, die typischerweise keine schirmende Umhüllung aufweisen.
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Die informationsführenden Signale können z.B. auf einer im Vergleich zu der ursprünglichen Frequenz geringeren Zwischenfrequenz übertragen werden. Dazu mag das MR-Gerät mindestens einen Lokaloszillator aufweisen, der ein zum Heruntermischen der ursprünglichen Frequenz verwendetes Hilfssignal erzeugt.
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Die Leiterplatte mag insbesondere mehrere Leitungsebenen aufweisen, z.B. an ihrer Vorderseite und an ihrer Rückseite. Die Leiterplatte mag insbesondere eine Multilayer- oder Mehrlagen-Leiterplatte sein.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Hochfrequenzleitung an mindestens einem Ende mit einer jeweiligen Impedanzanpassungsschaltung verbunden ist. Dadurch können Signalverluste bei einer Übertragung über die Hochfrequenzleitung verringert werden. Koaxialkabel benötigen eine solche Impedanzanpassungsschaltung hingegen nicht. Insbesondere mag jede der Hochfrequenzleitung mit mindestens einer Impedanzanpassungsschaltung verbunden sein.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Impedanzanpassungsschaltung für mindestens eine Hochfrequenzleitung einen verlustreduzierten Frequenzbereich bereitstellt, über den informationsführende Signale auf genau einer Signalfrequenz übertragbar sind.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Impedanzanpassungsschaltung für mindestens eine Hochfrequenzleitung einen verlustreduzierten Frequenzbereich bereitstellt, über den informationsführende Signale auf mehreren zueinander frequenzverschobenen Signalfrequenzen übertragbar sind. Dadurch kann die Zahl der Hochfrequenzleitungen weiter verringert werden. Dies kann auch als eine "breitbandige" Impedanzanpassung bezeichnet werden.
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Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass die Impedanzanpassungsschaltung für mindestens eine Hochfrequenzleitung mehrere voneinander frequenzgetrennte verlustreduzierte Frequenzbereiche bereitstellt, über die jeweils informationsführende Signale auf mehreren zueinander frequenzverschobenen Signalfrequenzen übertragbar sind. Dies kann auch als eine "schmalbandige" Impedanzanpassung bezeichnet werden.
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Es ist zudem eine Ausgestaltung, dass mindestens eine Hochfrequenzleitung als eine symmetrische Leitung, insbesondere mit jeweils einer Hinleitung oder Signalleitung und einer Rückleitung oder Masseleitung, ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders störungsarme Signalübertragung, und zwar auch von Gleichstromsignalen zur Leistungsversorgung.
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Die Hinleitung und die Rückleitung mindestens einer jeweiligen Hochfrequenzleitung können insbesondere auf unterschiedlichen Leitungsebenen der Leiterplatte angeordnet sein, z.B. an einer Vorderseite bzw. an einer Rückseite. Die Hinleitung und die Rückleitung können insbesondere einen grundsätzlich gleichen Aufbau aufweisen, wobei die Rückleitung zusätzlich mit Masse verbunden ist, beispielsweise über ein oder mehrere Widerstände.
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Es ist eine besonders kostengünstige Ausgestaltung, dass zumindest zwei Hochfrequenzleitungen eine gemeinsame Masse, insbesondere eine gemeinsame Rück- oder Masseleitung, aufweisen.
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Es ist noch eine zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften weitere Ausgestaltung, dass zwischen Hinleitung und Rückleitung einer gemeinsamen Hochfrequenzleitung mindestens eine Kapazität geschaltet ist. Die Kapazität mag insbesondere einen Wert im Bereich von pF aufweisen. Die Kapazitäten können beispielsweise zwischen den seriell geschalteten Mantelwellensperren platziert sein.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Hochfrequenzleitung mit einer Abzweigungsschaltung elektrisch verbunden ist. Dadurch können auf einfache Weise Gleichstromsignale in die mindestens eine Hochfrequenzleitung eingeschleift und ausgeschleift werden. Das MR-Gerät weist also mindestens eine Abzweigungsschaltung zum Übertragen mindestens eines Gleichstromsignals über mindestens eine Hochfrequenzleitung auf.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass das MR-Gerät dazu eingerichtet ist, über mindestens eine Hochfrequenzleitung ein niederfrequentes Taktsignal zu übertragen, beispielsweise zur Erzeugung einer Zwischenfrequenz.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass das mindestens eine Frequenzfilter aus SMT-Bauteilen aufgebaut ist. Diese ermöglichen eine besonders preiswerte und schnelle Bestückung (einschließlich Positionierung und Verlötung).
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Es ist auch noch eine Ausgestaltung, dass der durch das B1-Magnetfeld geführte Abschnitt der Hochfrequenzleitung auf genau einer Leiterplatte ausgebildet ist, was eine Montage und Handhabung erleichtert. Er kann alternativ auf einer Reihe aus mehreren (kaskadierten) Leiterplatten ausgebildet sein, was deren Bereitstellung in üblichen Leiterplattengrößen erleichtert. Die Leiterplatte mag als ein Basismaterial beispielsweise FR4 oder Keramik aufweisen.
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Es ist außerdem noch eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Leiterplatte einen Teil einer MR-Patientenliege des MR-Geräts darstellt. Die Hochfrequenzleitungen verbinden dann insbesondere ein Kopfteil bzw. Kopfende und ein Fußteil bzw. Fußteil der Patientenliege.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MR-Geräts;
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2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer mit Hochfrequenzleitungen ausgestatteten Leiterplatte des MR-Geräts;
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3 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführung einer Mantelwellensperre der Hochfrequenzleitungen der Leiterplatte aus 2;
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4 zeigt ein Schaltbild einer weiteren möglichen Ausführung einer Mantelwellensperre der Hochfrequenzleitungen der Leiterplatte aus 2; und
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5 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführung einer Impedanzanpassungsschaltung der Leiterplatte aus 2.
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1 zeigt eine Skizze einer Patientenliege 1 eines MR-Geräts G. Die Patientenliege 1 weist ein Kopfende 2 und ein Fußende 3 auf, zwischen denen sich ein durch eine Körperspule 4 (die keinen Teil der Patientenliege 1 darstellt) erzeugbares Homogenitätsvolumen V befindet. Das Homogenitätsvolumen V entspricht zumindest ungefähr einem zur MR-Messung eines auf der Patientenliege 1 liegenden Patienten geeigneten Volumens. Die Körperspule 4 des MR-Geräts G ist beispielsweise ortsfest, während die Patientenliege 1 dazu verschieblich gelagert ist.
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Das Kopfende 2 weist mehrere (hier: vier) Spulenstecker oder Anschlüsse 5 zum Anschluss von Lokalspulen (o. Abb.) auf. Die Anschlüsse 5 bewirken auch eine Frequenzwandlung der von den Lokalspulen empfangenen Messsignale auf niedrigere Zwischenfrequenzen ZF. Dazu mag an dem Kopfende 2 ein Lokaloszillator 6 vorhanden sein, der eine Hilfsfrequenz zum Heruntermischen der ursprünglichen Messsignale mit Larmor-Frequenz auf die Zwischenfrequenz(en) ZF erzeugt. Insbesondere können sich die von den Anschlüssen 5 verwendeten Zwischenfrequenzen zumindest teilweise unterscheiden. Insbesondere können die Anschlüsse 5 Messsignale auf unterschiedlichen Zwischenfrequenzen ZF liefern.
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Die Anschlüsse 5 sind mit einer Schaltmatrix 7 verbunden, mittels welcher nur ZF-(Mess-)Signale ausgewählter Anschlüsse 5 weiterleitet werden.
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Die Schaltmatrix 7 ist über mehrere durch das Homogenitätsvolumen V führende Hochfrequenzleitungen 8 mit dem Fußende 3 der Patientenliege 1 verbunden und dort weiter mit einem MR-Empfangssystem (o. Abb.) des MR-Geräts G. Durch eine entsprechende Einstellung der Schaltmatrix 7 können also die ZF-Messsignale verschiedener Kombinationen von Lokalspulen über die Hochfrequenzleitungen 8 übertragen werden. Insbesondere kann so eine größere Zahl an Lokalspulen vorhanden sein als Hochfrequenzleitungen 8 zur Verfügung stehen.
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Über mindestens eine der Hochfrequenzleitungen 8 oder optional über eine dedizierte Signalleitung 9 kann ferner ein niederfrequentes Taktsignal (z.B. mit einem Frequenzwert von 5 oder 10 MHz) von dem Fußende 3 zu dem Kopfende 2 der Patientenliege 1 übertragen werden. Daraus lassen sich vor Ort die zum Heruntermischen der MR-Messsignale der Lokalspulen auf der Larmor-Frequenz auf die Zwischenfrequenz notwendigen festfrequenten Lokaloszillator-Signale oder Hilfssignale (z.B. mit einem Frequenzwert von 115 MHz und 135 MHz) gewinnen. Die dedizierte Signalleitung 9 kann beispielsweise als eine parallel zur den Hochfrequenzleitungen 8 laufende optische Faser ausgebildet sein.
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Die Hochfrequenzleitungen 8 weisen jeweils mehrere Frequenzfilter in Form von Mantelwellensperren 10 auf, wie genauer in 2 gezeigt. Die Mantelwellensperren 10 können beispielsweise als Drosseln oder "Chokes" in Form einer Spule 11 (siehe 3), z.B. mit einer Selbstinduktivität L in einem Bereich zwischen 0.5 µH und 20 µH, oder als Frequenzsperren oder "Traps" in Form eines LC-Schwingkreises mit einer Spule 11 und einem Kondensator 12 (siehe 4), insbesondere mit einer Resonanzfrequenz entsprechend einer Larmor-Frequenz, ausgebildet sein. Die Mantelwellensperren 10 sperren insbesondere Ströme mit einer durch das B1-Magnetfeld induzierten Frequenz, insbesondere mit einer Larmor-Frequenz. Als Drosseln ausgebildete Mantelwellensperren 10 weisen dabei typischerweise eine Tiefpass-Charakteristik auf, als Traps ausgebildete Mantelwellensperren 10 eine Bandsperr-Charakteristik. Bei der Realisierung der Mantelwellensperren 10 mit Drosseln entsteht zwar im Vergleich zu einer Realisierung mit Traps eine höhere Einfügedämpfung des ZF-Signals, da die Drosseln mit hohem L auch einen höheren ohmschen Serienwiderstand Rs besitzen, jedoch ist die Sperrwirkung für die Mantelwellen auch merklich effektiver. Die Hochfrequenzleitungen 8 können auch als "Sperrketten" bezeichnet werden.
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Die Hochfrequenzleitungen 8 sind hier nicht als Koaxialkabel ausgeführt, sondern in Leiterplattentechnologie, insbesondere als Leiterbahnen oder Leiterbahnabschnitte 13. Die Leiterplatte 14 ist mit den Bauteilen 11 bzw. 11, 12 der Mantelwellensperren 10 in Oberflächenmontage-Technologie oder SMT ("Surface Mounting Technology") bestückt. Die Bauteile 11 bzw. 11, 12 sind also insbesondere SMT-Bauteile, was eine besonders preiswerte, automatisierbare Bestückung (z.B. mit Bestückautomaten) und Montage erlaubt. Die Mantelwellensperren 10 sind also zwischen benachbarte Leiterbahnabschnitte 13 einer Hochfrequenzleitung 8 geschaltet. Insbesondere können die Leiterbahnabschnitte 13 und damit die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Mantelwellensperren 10 ca. 10 cm bis 40 cm betragen.
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Die Leiterbahnabschnitte 13 als solche können insbesondere eine Impedanz zwischen 50 Ohm und 100 Ohm aufweisen, was sich fertigungstechnisch einfach umsetzen lässt. Leiterbahnabschnitte 13 mit 50 Ohm verbrauchen mehr Strom als solche mit 100 Ohm, sind aber dafür weniger störanfällig und leichter herstellbar.
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Die Leiterplatte 14 kann insbesondere eine Länge LP zwischen 0,5 bis 3 Metern aufweisen. Sie mag einstückig vorliegen oder mehrstückig in Form einer Reihe von kaskadierten Einzel-Leiterplatten vorliegen.
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Allerdings ergeben sich bei einem Leiterplattenaufbau bei einem direkten Anschluss der Hochfrequenzleitungen 8 als Ganzes hohe Fehlanpassungsverluste, weil die hohe Induktivität der Mantelwellensperren 10 zusammen mit der kleinen parasitären Ableitkapazität der dazwischenliegenden Leiterbahnabschnitte 13 Tiefpassleitungen mit einem hohen Wellenwiderstand von mehreren Kiloohm ausbilden. Um Signalverluste insbesondere der Messsignale gering zu halten, werden daher die – auch bei Zwischenfrequenzen – relativ hochohmigen Hochfrequenzleitungen 8 beidseitig (d.h., kopfseitig und fußseitig) mit jeweils einer Impedanzanpassungsschaltung 15 verbunden, welche eine Systemimpedanz zumindest näherungsweise an den hohen Wellenwiderstand der Hochfrequenzleitungen 8 anpasst.
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Diese Impedanzanpassungsschaltungen 15 dienen also dazu, die Hochfrequenzleitungen 8 für die Zwischenfrequenzen (die hier in einem Bereich um ca. 10 MHz herum liegen, z.B. zwischen 7,5 MHz bis 12,5 MHz, z.B. bei 8 MHz und 12 MHz) an den Impedanzwiderstand von 50 Ohm des daran angeschlossenen MR-Geräts G, beispielsweise kopfseitig an eine Quellimpedanz eines Ausgangsverstärkers der Anschlüsse 5 der Lokalspule(n) anzupassen.
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5 zeigt eine mögliche Ausgestaltung einer Impedanzanpassungsschaltung 15 mit einer Spule 15a und zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren 15b. Den Kondensatoren 15b ist ein Masseanschluss GND zwischengeschaltet. Die Impedanzanpassungsschaltungen 15 können sich auf der Leiterplatte 14 befinden, wobei ihre elektrischen Bauteile 15a, 15b als SMT-Bauteile ausgebildet sein können. Die Impedanzanpassungsschaltungen 15 können aber auch, wie in 2 gezeigt, außerhalb der Leiterplatte 14 vorhanden sein.
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Die Impedanzanpassung kann breitbandig erfolgen, um mehrere ZF-Frequenzen bzw. ZF-Messsignale in einem Frequenzmultiplex-Betrieb über eine gemeinsame Hochfrequenzleitung 8 zu übertragen. Dies ermöglicht eine weitere Einsparung der Zahl der Hochfrequenzleitungen 8. Beispielsweise mag zur Übertragung von zwei ZF-Frequenzen bei 8 MHz und 12 MHz durch die Impedanzanpassung ein verlustreduzierter Frequenzbereich mit einer Breite zwischen 7,5 MHz und 12,5 MHz erzeugt werden.
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Die Impedanzanpassung kann aber auch schmalbandig erfolgen, z.B. durch Bereitstellung mehrerer einzeln angepasster Frequenzfenster auf einer Hochfrequenzleitung 8. So können zur Übertragung von zwei ZF-Frequenzen bei 8 MHz und 12 MHz durch die Impedanzanpassung zwei jeweilige verlustreduzierte Frequenzbereiche erzeugt werden, z.B. bei 8 MHz +/– 500 kHz und bei 12 MHz +/– 500 kHz.
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Die Hochfrequenzleitungen 8 sind hier als symmetrische (Doppel-)Leitungen mit jeweils einer Hinleitung oder Signalleitung 8a und einer Rückleitung oder "Masse"-Leitung 8b ausgebildet. Die Rückleitungen 8b sind jeweils an Masse angeschlossen (o. Abb.). Für jede der Hinleitungen 8a ist also eine jeweilige Rückleitung 8b vorgesehen.
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Die Leiterplatte 14 mag insbesondere mehrere Leitungsebenen aufweisen, z.B. an ihrer Vorderseite und an ihrer Rückseite, wobei die Hinleitungen 8a beispielsweise an einer der Leitungsebenen und die Rückleitungen 8b auf einer anderen Leitungsebene verlaufen. Die Leiterplatte 14 mag insbesondere eine Multilayer- oder Mehrlagen-Leiterplatte sein.
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Insbesondere in dieser Anordnung kann ein evtl. ebenfalls von den Hochfrequenzleitungen 8 bzw. deren Hinleitungen 8a getragener Gleichstrom leichter niederohmig (und damit verlustleistungsarm) zurückgeführt werden. Bei einer Anordnung der Mantelwellensperren 10 für die Hinleitung 8a und die Rückleitung 8b als räumlich eng benachbarte Paare lässt sich zudem erreichen, dass sich die von den Gleichströmen verursachten antiparallelen Störfelder in erster Näherung kompensieren und das Grundmagnetfeld des MR-Geräts G nur wenig verfälschen.
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Ein solcher Gleichstrom bzw. Gleichstromsignale können beispielsweise von dem Fußende 3 der Patientenliege 1 zu dem Kopfende 2 der Patientenliege 1 übertragen werden, um die in dem Kopfende 2 befindlichen und auch ggf. damit verbundenen elektrischen Verbraucher (z.B. die Anschlüsse 5 und die Schaltmatrix 7 sowie eine Elektronik in den Lokalspulen) mit elektrischer Leistung zu versorgen.
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Zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften ist die Leiterplatte 14 mit zusätzlichen Kapazitäten 16 im pF-Bereich (z.B. von 6 bis 10 pF) bestückt, die zwischen die Hinleitung 8a und die Rückleitung 8b einer Hochfrequenzleitungen 8 geschaltet werden, wodurch ein definierter, niedriger Wellenwiderstand (von z.B. 400 Ohm) erzielt wird. Die Kapazitäten 16 werden jeweils zwischen den seriell geschalteten Mantelwellensperren 10 platziert. Hiermit wird auch die Anpassung einfacher und die Welligkeit im Durchlassbereich verringert sich. Diese Kapazitäten 16 vergrößern also die schon vorhandene verteilte Kapazität zwischen den Hinleitungen 8a und den Rückleitungen 8b, die z.B. auf Ober- und Unterseite einer Leiterplatte 14 geführt sind. Die Hinleitungen 8a und/oder die Rückleitungen 8b können also beispielsweise gleichzeitig zum Transport der informationstragenden ZF-(Mess-)Signale, zum Transport von Ansteuersignalen (z.B. zur Abschaltung der von den Lokalspulen benutzten PIN-Dioden) sowie für eine Leistungsversorgung aktiver Elektronik in den Lokalspulen und an dem Kopfende 2 genutzt werden.
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Gleichstromsignale zur Leistungsversorgung können hier über mindestens eine Hoch/Tiefpass-Abzweigschaltung 17 ("Bias Tee") ein- und ausgeschleift werden. Die mindestens eine Hoch/Tiefpass-Abzweigschaltung 17 befinden sich bevorzugt im 50 Ohm-System.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die gezeigten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
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So können für mehrere Signalleitungen eine gemeinsame Masse bzw. eine gemeinsame Masseleitung oder mehrere, aber weniger Massesysteme bzw. Masseleitungen vorgesehen sein, die durch entsprechende Spulen oder Traps für Mantelwellen gesperrt wird. Dies hat aber den Nachteil, dass die in der gemeinsamen Masseleitung liegende hohe Impedanz der Mantelwellensperren zu einer starken gegenseitigen Kopplung zwischen den Signalleitungen führt.
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Zudem mögen sich auch nur an dem am Fußende oder nur an dem Kopfende eine Schaltmatrix und/oder eine Impedanzanpassungsschaltung befinden.
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Allgemein kann unter "ein", "eine" usw. eine Einzahl oder eine Mehrzahl verstanden werden, insbesondere im Sinne von "mindestens ein" oder "ein oder mehrere" usw., solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist, z.B. durch den Ausdruck "genau ein" usw.
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Auch kann eine Zahlenangabe genau die angegebene Zahl als auch einen üblichen Toleranzbereich umfassen, solange dies nicht explizit ausgeschlossen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Patientenliege
- 2
- Kopfende der Patientenliege
- 3
- Fußende der Patientenliege
- 4
- Körperspule
- 5
- Anschluss für Lokalspule
- 6
- Lokaloszillator
- 7
- Schaltmatrix
- 8
- Hochfrequenzleitung
- 8a
- Hinleitung der Hochfrequenzleitung
- 8b
- Rückleitung der Hochfrequenzleitung
- 9
- Signalleitung
- 10
- Mantelwellensperre
- 11
- Spule
- 12
- Kondensator
- 13
- Leiterbahnabschnitt
- 14
- Leiterplatte
- 15
- Impedanzanpassungsschaltung
- 15a
- Spule
- 15b
- Kondensator
- 16
- Kapazität
- 17
- Abzweigschaltung
- G
- MR-Gerät
- GND
- Masseanschluss
- LP
- Länge der Leiterplatte
- V
- Homogenitätsvolumen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7777492 B2 [0012]
- DE 102010012393 A1 [0013]
- US 8547098 B2 [0013]
- DE 102010031933 A1 [0014]
- US 2012/0187950 A1 [0014]
