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Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz("MR")-Antennensystem, aufweisend mindestens eine Hochfrequenzquelle zur Aussendung eines Hochfrequenzsignals und mehrere durch die mindestens eine Hochfrequenzquelle speisbare MR-Antennenelemente. Die Erfindung betrifft auch ein MR-Gerät mit mindestens einem solchen MR-Antennensystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines MR-Antennensystems. Die Erfindung ist beispielsweise anwendbar auf MR-Geräte oder MR-Systeme mit einer sequenziellen Anregung oder Ansteuerung der MR-Antennenelemente. Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf MR-Geräte, die ultrahohe B0-Felder ab sieben Tesla erzeugen, insbesondere für eine besonders hochauflösende und/oder schnelle Bildgebung bei einer Magnetresonanztomographie.
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Bisher werden die Ausgänge einzelner Verstärkermodule direkt mit einem jeweiligen MR-Antennenelement verbunden. Damit steht an jedem der insgesamt N (N ≥ 2) MR-Antennenelemente immer nur ein Bruchteil (nämlich 1/N) der gesamten zur Verfügung stehenden HF-Leistung für deren jeweilige Anregung zur Verfügung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine leistungsfeste Möglichkeit zur Erhöhung einer an den einzelnen MR-Antennenelementen zur Verfügung gestellten HF-Leistung bereitzustellen, die insbesondere einfach und preiswert umsetzbar ist, und zwar speziell bei einer sequenziellen Ansteuerung der MR-Antennenelemente.
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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-Antennensystem, aufweisend mindestens eine Hochfrequenzquelle zur Aussendung eines Hochfrequenzsignals und mehrere durch die mindestens eine Hochfrequenzquelle direkt oder indirekt (d.h., unter Zwischenschaltung weiterer HF-Elemente) speisbare Antennenelemente, wobei die Antennenelemente über ein passives Netzwerk mit der mindestens einen Hochfrequenzquelle verbunden sind.
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Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass eine leistungsfeste, schnelle und rein passive Einstellbarkeit einer Zuordnung einer HF-Sendeleistung zu den MR-Antennenelementen erzielbar ist. Teure Leistungsschalter werden hierzu nicht mehr benötigt. Das passive Netzwerk kann auch als passives strahlformendes Netzwerk oder als ein passives Verteiler-Netzwerk bezeichnet werden.
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Die mindestens eine Hochfrequenzquelle kann insbesondere zur Erzeugung von Hochfrequenzsignalen in Form von Hochfrequenzpulsen vorgesehen sein. Eine Frequenz der Hochfrequenzsignale kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 120 und 500 MHz liegen. Die Frequenz kann insbesondere bei einer Larmorfrequenz liegen.
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Das MR-Antennensystem ist insbesondere so einstellbar, dass die Antennenelemente sequenziell bzw. in einer zeitlich vorgegebenen Abfolge gespeist bzw. angesteuert werden. Das MR-Antennensystem ist also insbesondere in der Lage, die Speisung der MR-Antennenelemente bzw. zwischen sequenziell abstrahlenden MR-Antennenelementen leistungsfest umzuschalten.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das passive Netzwerk eine Butlermatrix mit N Netzwerk-Eingängen und N Netzwerk-Ausgängen ist oder eine solche aufweist. Die Butlermatrix weist den Vorteil auf, dass sie verlustarm mit besonders einfachen Mitteln die über ihre ("Netzwerk"-)Eingänge eingespeisten Hochfrequenzsignale beliebig auf die Netzwerk-Ausgänge verteilen, insbesondere fokussieren, kann. Hierbei ist N eine ganze natürliche Zahl größer als eins, d.h., dass N ≥ 2 gilt.
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Der Aufbau einer Butlermatrix ist grundsätzlich bekannt und braucht hier nicht genauer ausgeführt zu werden. Vorzugsweise ist N eine gerade ganze Zahl, d.h., dass N vorzugsweise 2, 4, 6, 8, ... ist, wobei Potenzen von zwei besonders vorteilhaft umsetzbar sind, also N = 4, 8, 16, ... usw. Die Netzwerk-Eingänge einer Butlermatrix sind typischerweise voneinander isoliert. Die Butlermatrix kann beispielsweise passive 4-Port-Hybrid-Leistungsteiler und Festphasenschieber aufweisen.
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Die Verteilung der HF-Leistung auf die Netzwerk-Ausgänge kann durch eine Wahl einer Amplitude und/oder einer Phase der in die Netzwerk-Eingänge der Butlermatrix eingespeisten Hochfrequenzsignale erfolgen. Es ist folglich eine vorteilhafte Weiterbildung, dass eine Amplitude und/oder eine Phase der in die Butlermatrix einspeisbaren Hochfrequenzsignale einstellbar sind.
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Die Butlermatrix weist typischerweise die Eigenschaft auf, dass dann, wenn nur ein Netzwerk-Eingang angesteuert wird bzw. ein Hochfrequenzsignal nur an einem Netzwerk-Eingang eingespeist wird, dieses Hochfrequenzsignal mit gleicher Amplitude und mit einem konstanten Phaseninkrement auf alle ("Netzwerk"-)Ausgänge aufgeteilt. Das Phaseninkrement hängt dabei von dem gewählten Netzwerk-Eingang ab. Wenn umgekehrt alle Netzwerk-Eingänge parallel oder zeitgleich mit Hochfrequenzsignalen gleicher Amplitude und einem vorgegebenen konstanten Phaseninkrement angesteuert werden, wird die gesamte HF-Leistung auf einen bestimmten Netzwerk-Ausgang gebündelt oder fokussiert. Die Wahl des Netzwerk-Ausgangs erfolgt über das eingestellte Phaseninkrement. Insbesondere durch diese Eigenschaft der Butlermatrix ist es möglich, mittels einer Einstellung der Phasenunterschiede, insbesondere der Phaseninkremente, der einzelnen eingehenden Hochfrequenzsignale gezielt und schnell die gesamte HF-Leistung einem einzelnen Netzwerk-Ausgang der Butlermatrix und damit einem an diesen Netzwerk-Ausgang angeschlossenen MR-Antennenelement zuzuführen, ohne irgendwelche Leistungsschalter zu benötigen. Die Umschaltung von einem MR-Antennenelement zum nächsten kann im Mikrosekundenbereich oder sogar noch schneller erfolgen.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Netzwerk-Eingänge der Butlermatrix direkt oder indirekt (d.h., unter Zwischenschaltung weiterer HF-Elemente wie z.B. einem Verstärker, Splitter, Phasenschieber usw.) an die mindestens eine Hochfrequenzquelle angeschlossen sind.
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Es ist noch eine Weiterbildung davon, dass die Netzwerk-Ausgänge der Butlermatrix direkt (d.h., ohne weitere Verteileinrichtungen) an die MR-Antennenelemente angeschlossen sind. So lässt sich eine ausgangsseitige Verteilung der HF-Leistung der Butlermatrix einfach in eine wie gewünscht verteilte HF-Sendeleistung der MR-Antennenelemente umsetzen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass jedem der Netzwerk-Eingänge der Butlermatrix ein jeweiliger Verstärker für von der mindestens einen Hochfrequenzquelle ausgesandte Hochfrequenzsignale vorgeschaltet ist. Dadurch wird eine besonders einfach umsetzbare Leistungsverstärkung und Leistungsverteilung bereitgestellt. Bei dieser Ausgestaltung sind also N Verstärker vorgesehen, die insbesondere gleich ausgestaltet sein können. Der Verstärker ist insbesondere ein Leistungsverstärker. Der Verstärker kann insbesondere als ein Verstärkermodul vorliegen, das z. B. mit M anderen Verstärkermodulen zu einer Verstärkereinheit mit M Verstärkereingängen und M Verstärkerausgängen zusammengesetzt ist. Dabei stellt M eine ganze natürliche Zahl größer eins dar, so dass also M > 1 gilt. Insbesondere kann M = N gelten.
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Es ist eine für eine Bereitstellung eines besonders leistungsstarken und einfach ansteuerbaren Systems vorteilhafte Ausgestaltung, dass jedem Verstärker (insbesondere Verstärkermodul) eine jeweilige Hochfrequenzquelle vorgeschaltet ist. Insbesondere kann gemäß dieser Ausgestaltung also jeder der N Hochfrequenzquellen ein jeweiliger Verstärker nachgeschaltet sein und mit jedem der N Verstärker ein jeweiliger Netzwerk-Eingang der Butlermatrix nachgeschaltet sein. Die Ansteuerbarkeit ist beispielsweise dadurch besonders einfach, da das in jeden Netzwerk-Eingang der Butlermatrix eingespeiste Hochfrequenzsignal durch eine entsprechende Einstellung der zugehörigen Hochfrequenzquelle (insbesondere in Bezug auf Phase und/oder Amplitude) individuell einstellbar ist.
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Es ist ein mit besonders wenigen Hochfrequenzquellen ausgestaltbares und damit besonders preiswert umsetzbares MR-Antennensystem, dass mehreren Verstärkern ein gemeinsamer Splitter oder Leistungsteiler vorgeschaltet ist und dem jeweiligen Splitter eine Hochfrequenzquelle vorgeschaltet ist. Ohne weitere Maßnahmen werden so mehreren Netzwerk-Eingängen der Butlermatrix gleiche Hochfrequenzsignale zugeführt. Hier ist die Zahl der Hochfrequenzquellen also kleiner als N.
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Um jedoch auch bei einer reduzierten Zahl von Hochfrequenzquellen die Phase an jedem Netzwerk-Eingang der Butlermatrix individuell einstellen zu können, ist es eine weitere Ausgestaltung, dass zwischen dem (insbesondere zwischen jedem) Splitter und jedem damit verbundenen Verstärker ein jeweiliger Phasensteller, insbesondere Kleinsignal-Phasensteller, vorhanden ist. Dadurch wird insbesondere eine entsprechende Fokussierung der HF-Leistung auf die einzelnen Antennenelemente mit einfachen Mitteln ermöglicht. Es ist also insbesondere ein Phasensteller zwischen jedem Splitter-Ausgang und jedem Verstärker-Eingang geschaltet. Insbesondere können die Phasensteller so eingestellt werden, dass unterschiedliche Phasensteller Hochfrequenzsignale mit konstant inkrementierter Phase bzw. mit einem konstanten Phaseninkrement ausgeben. Das Phaseninkrement ist selbst wieder variierbar, um eine Fokussierung der Hochfrequenzsignale auf verschiedene Netzwerk-Ausgänge der Butlermatrix zu ermöglichen.
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Es ist noch eine weitere, besonders preiswerte Ausgestaltung, dass genau eine Hochfrequenzquelle vorhanden ist. Diese kann insbesondere an einen Splitter oder Leistungsteiler angeschlossen sein, der das von der Hochfrequenzquelle ausgesandte Hochfrequenzsignal in N Teilsignale aufspaltet, die jeweils durch einen Phasensteller phasenversetzt werden können. Statt eines Splitters kann auch eine funktional gleichwirkende Leistungsteiler- oder Splitterkaskade verwendet werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein MR-Gerät mit mindestens einem MR-Antennensystem wie oben beschrieben. Das MR-Gerät kann analog zu dem MR-Antennensystem ausgebildet sein und ergibt die gleichen Vorteile.
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So kann das MR-Gerät dazu eingerichtet sein, die in das passive (Verteiler-)Netzwerk einzuspeisenden Hochfrequenzsignale so einzustellen, dass die Hochfrequenzsignale gezielt auf die Netzwerk-Ausgänge des Netzwerks verteilbar sind.
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Insbesondere kann das MR-Gerät dazu eingerichtet sein, eine Phase und/oder eine Amplitude der in die Netzwerk-Eingänge der Butlermatrix einzuspeisenden Hochfrequenzsignale einzustellen.
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Insbesondere für MR-Geräte, die ultrahohe B0-Felder ab ca. sieben Tesla erzeugen, kann es eine vorteilhafte Ausgestaltung sein, dass das MR-Gerät dazu eingerichtet ist, die Hochfrequenzsignale so einzustellen, dass die MR-Antennenelemente sequenziell gespeist oder angesteuert werden. Jedoch ist diese Ausgestaltung auch auf MR-Geräte mit einer geringeren erzeugbaren B0-Feldstärke als sieben Tesla vorteilhaft anwendbar.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch Verfahren zum Betreiben eines MR-Antennensystems, bei dem mehrere in Bezug auf ihre Phase und/oder ihre Signalhöhe unterschiedliche Hochfrequenzsignale in jeweilige Netzwerk-Eingänge einer Butlermatrix eingespeist werden, welche Butlermatrix ausgangsseitig mit mehreren Antennenelementen verbunden ist und die Phase und/oder die Signalhöhe zeitlich variiert werden, um eine Verteilung der Hochfrequenzsignale auf die Antennenelemente zeitlich zu variieren.
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Das Verfahren kann analog zu den oben beschriebenen MR-Vorrichtungen ausgebildet sein und ergibt die gleichen Vorteile.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass die Hochfrequenzsignale mit einem konstanten Phaseninkrement in die jeweiligen Netzwerk-Eingänge der Butlermatrix eingespeist werden und das Phaseninkrement zeitlich variiert wird, um die Hochfrequenzsignale sequenziell in die Antennenelemente einzuspeisen.
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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 Blockdiagramm eines MR-Geräts mit einem MR-Antennensystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
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2 zeigt ein Blockdiagramm eines MR-Antennensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein MR-Gerät MRT mit einem MR-Antennensystem AS1. Das MR-Antennensystem AS1 weist beispielhaft vier Hochfrequenzquellen G1, ..., G4 zur Aussendung eines jeweiligen Hochfrequenzsignals HF1, ... bzw. HF4 aus. Die Hochfrequenzquellen G1 bis G4 sind frei in Amplitude und/oder Phase φ einstellbar, z.B. über eine Steuereinrichtung C des MR-Geräts MRT. Die Hochfrequenzquellen G1 bis G4 werden hier über die Steuereinrichtung C so eingestellt, dass die Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 die gleiche Amplitude, aber unterschiedliche Phasen φ aufweisen. Und zwar weist hier das von der Hochfrequenzquelle G1 erzeugte Hochfrequenzsignal HF1 eine Phase φ = φ0 auf, das von der Hochfrequenzquelle G2 erzeugte Hochfrequenzsignal HF2 eine Phase φ = φ0 + Δφ auf, das von der Hochfrequenzquelle G3 erzeugte Hochfrequenzsignal HF3 eine Phase φ = φ0 + 2·Δφ auf und das von der Hochfrequenzquelle G4 erzeugte Hochfrequenzsignal HF4 eine Phase φ = φ0 + 3·Δφ auf. Die Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 sind also mit einem konstanten Phaseninkrement Δφ zueinander phasenverschoben.
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Die Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 werden folgend mittels eines jeweiligen Leistungsverstärkers PA1, PA2, PA3 bzw. PA4 verstärkt und dann in einen jeweiligen Netzwerk-Eingang MI1, MI2, MI3 bzw. MI4 einer Butlermatrix BM eingespeist. Die Butlermatrix BM weist also hier N = 4 Netzwerk-Eingänge MI1 bis MI4 und N = 4 Netzwerk-Ausgänge MO1 bis MO4 auf. Die Leistungsverstärker PA1, PA2, PA3 bzw. PA4 können insbesondere als Module einer daraus zusammengebauten Verstärkereinheit PAx ausgebildet sein.
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Die Netzwerkausgänge MO1 bis MO4 der Butlermatrix BM sind mit jeweiligen MR-Antennenelementen A1, A2, A3 bzw. A4 verbunden. Folglich sind die MR-Antennenelementen A1, A2, A3 bzw. A4 durch die Hochfrequenzquellen G1 bis G4 über die Butlermatrix BM speisbar. Die MR-Antennenelemente A1 bis A4 können beispielsweise Spulenelemente sein, z.B. in Form einer sog. "Degenerate Birdcage"-Spule oder eines Mikrosteifen- bzw. "Microstrip"-Antennenarrays.
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Das Phaseninkrement Δφ ist so eingestellt, dass nur genau einer der Netzwerkausgänge MO1 bis MO4 angesteuert wird bzw. ein Hochfrequenzsignal ausgibt. Das von der Butlermatrix BM ausgegebene (Ausgangs-)Hochfrequenzsignal weist eine HF-Leistung auf, die zumindest ungefähr der Summe der HF-Leistungen der (Eingangs-)Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 entspricht. Das MR-Gerät MRT kann mittels der Steuereinrichtung C das Phaseninkrement Δφ so einstellen oder umschalten, dass die in die Butlermatrix BM eingespeisten Hochfrequenzsignale sequenziell (d.h., in einer zeitlichen Abfolge) auf die Netzwerkausgänge MO1 bis MO4 verteilbar sind. Folglich können die Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 so eingestellt werden, dass die Antennenelemente A1 bis A4 sequenziell gespeist werden.
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In 1 sind also die Ausgänge der Hochfrequenzquellen G1 bis G4 mit einem Verstärkereingang eines jeweiligen Verstärkers PA1 bis PA4 verbunden, Verstärkerausgänge der Verstärker PA1 bis PA4 mit einem jeweiligen Netzwerk-Eingang MI1 bis MI4 der Butlermatrix BM verbunden und die Netzwerk-Ausgänge MO1 bis MO4 der Butlermatrix BM mit einem Antenneneingang eines jeweiligen MR-Antennenelements A1 bis A4 verbunden.
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2 zeigt ein MR-Antennensystem AS2, das ebenfalls in einem MRT-Gerät einsetzbar ist, beispielsweise in dem MRT-Gerät MRT. Das MR-Antennensystem AS2 weist die gleiche Verstärkereinheit PAx, die gleiche Butlermatrix BM und die gleichen MR-Antennenelemente A1 bis A4 auf wie das MR-Antennensystem AS1.
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Jedoch weist das MR-Antennensystem AS2 nun nur eine Hochfrequenzquelle G auf, deren Ausgang an einen Eingang eines Leistungsteilers oder Splitters SP angeschlossen ist. Die Hochfrequenzquelle G erzeugt ein Hochfrequenzsignal HF der Phase φ0. Der Splitter SP teilt das eingehende Hochfrequenzsignal HF in vier gleiche Anteile auf, die an einem jeweiligen Ausgang des Splitters SP anliegen. Die jeweiligen Anteile weisen eine zueinander gleiche Amplitude und gleiche Phase φ0 auf.
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Den Ausgängen des Splitters SP sind jeweilige Kleinsignal-Phasensteller PS1 bis PS4 nachgeschaltet, welche die Phase φ0 des jeweils eingehenden Hochfrequenzsignals verschieben können. Die Kleinsignal-Phasensteller PS1 bis PS4 können hier von einer Steuereinrichtung (o. Abb.) des MR-Geräts, z.B. der Steuereinrichtung C, so eingestellt werden, dass die von den Kleinsignal-Phasenstellern PS1 bis PS4 ausgegebenen Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 mit einem konstanten Phaseninkrement Δφ zueinander phasenverschoben sind. Auch hier ist das Phaseninkrement Δφ so einstellbar, dass die in die Netzwerk-Eingänge MI1 bis MI4 der Butlermatrix BM gleichzeitig eingespeisten Hochfrequenzsignale HF1 bis HF4 sequenziell auf die Netzwerkausgänge MO1 bis MO4 verteilbar sind. Das in diesem Ausführungsbeispiel von der Butlermatrix BM ausgegebene Hochfrequenzsignal weist eine HF-Leistung auf, die zumindest ungefähr der HF-Leistung der Hochfrequenzquelle G entspricht.
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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 kann die Butlermatrix auch mehr als N = 4 Netzwerkeingänge und Netzwerkausgänge aufweisen, z.B. 8, 16 usw. Netzwerkeingänge und Netzwerkausgänge. Insbesondere bei einer großen Zahl N können beispielsweise kaskadiert verschaltete Splitter verwendet werden.
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Auch kann ein MR-Antennensystem aus mehreren wie beispielsweise in 1 oder 2 gezeigten MR-Antennensystemen aufgebaut sein.
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Allgemein können an einen Netzwerkausgang auch mehrere MR-Antennenelemente angeschlossen sein, beispielsweise über einen Splitter oder Leistungsteiler.
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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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Bezugszeichen
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- A1–A4
- MR-Antennenelement
- AS1
- MR-Antennensystem
- AS2
- MR-Antennensystem
- BM
- Butlermatrix
- C
- Steuereinrichtung
- G
- Hochfrequenzquelle
- G1–G4
- Hochfrequenzquelle
- HF
- Hochfrequenzsignal
- HF1–HF4
- Hochfrequenzsignal
- MI1–MI4
- Netzwerk-Eingang
- MO1–MO4
- Netzwerk-Ausgang
- MRT
- MR-Gerät
- PA1–PA4
- Leistungsverstärker
- PAx
- Verstärkereinheit
- PS1–PS4
- Kleinsignal-Phasensteller
- SP
- Splitter
- φ
- Phase
- Δφ
- Phaseninkrement
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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 Nicht-Patentliteratur
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- Martijn A Cloos, Christopher Wiggins, Graham Wiggins, and Dan Sodickson: "Plug and Play Parallel Transmission at 7 and 9.4 Tesla based on Principles from MR Fingerprinting"; Proc. ISMRM 2014; p. 542 [0002]
