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Die Erfindung betrifft ein kontinuierlich verstellbares Phasenstellglied für Hochfrequenzanwendungen, beispielsweise in einem Magnetresonanztomographen. Das Phasenstellglied weist einen Signaleingang, einen Signalausgang, eine Bezugsmasse, und eine erste kontinuierlich veränderbare Kapazität auf.
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Magnetresonanztomographen sind bildgebende Vorrichtungen, die zur Abbildung eines Untersuchungsobjektes Kernspins des Untersuchungsobjektes mit einem starken äußeren Magnetfeld ausrichten und durch ein magnetisches Wechselfeld zur Präzession um diese Ausrichtung anregen. Die Präzession bzw. Rückkehr der Spins aus diesem angeregten in einen Zustand mit geringerer Energie wiederum erzeugt als Antwort ein magnetisches Wechselfeld, das über Antennen empfangen wird.
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Mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern wird den Signalen eine Ortskodierung aufgeprägt, die nachfolgend eine Zuordnung von dem empfangenen Signal zu einem Volumenelement ermöglicht. Das empfangene Signal wird dann ausgewertet und eine dreidimensionale bildgebende Darstellung des Untersuchungsobjektes bereitgestellt. Zum Empfang des Signals werden vorzugsweise lokale Antennen, sogenannte Lokalspulen verwendet, die zur Erzielung eines besseren Signal-Rauschabstandes unmittelbar am Untersuchungsobjekt angeordnet werden.
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Die Anregung erfolgt durch ein magnetisches Wechselfeld, das mittels eines Leistungsverstärkers erzeugt und mittels einer Antenne in den Untersuchungsbereich eingestrahlt wird. Dabei sind Leistungen von mehreren Kilowatt üblich. Die Leistung wird teilweise über mehrere getrennte Leistungsverstärker erzeugt, deren Signale eine genau definierte Phasenbeziehung aufweisen müssen. Auch werden beispielsweise in einer Antennenmatrix die einzelnen Antennen mit genau definierten Phasenverschiebungen relativ zueinander angesteuert, um eine vordefinierte räumliche Feldverteilung des Anregungsfeldes zu erzielen.
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Dabei ist es denkbar, für jeden einzelnen Antennenausgang separat ein individuelles Ansteuersignal digital zu erzeugen, was jedoch einen erheblichen Aufwand an Schaltungstechnik und Signalverarbeitungsresourcen erfordert.
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Denkbar wäre es auch, aus einem einzelnen Eingangssignal unterschiedliche Ansteuersignale durch Phasenverschiebung zu erhalten. Durch eine Steuerung veränderliche Phasenstellglieder werden üblicherweise durch zuschaltbare diskrete Phasenschieber mit festem Wert erzielt. Mit abnehmender Schrittweite der zu erzielenden Phasenverschiebung steigt jedoch die Anzahl der diskreten Phasenschieber und damit der Schaltungsaufwand erheblich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung könnte es folglich sein, ein verbessertes einstellbares Phasenstellglied kostengünstig bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Phasenstellglied nach Anspruch 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Phasenstellglied für eine kontinuierlich verstellbare Phasenverschiebung bei einer ersten Frequenz weist einen Signaleingang, einen Signalausgang, eine Bezugsmasse, eine erste Induktivität mit Anzapfung, eine erste kontinuierlich veränderbare Kapazität und ein Transformationsnetzwerk auf. Eine Induktivität mit Anzapfung im Sinne der Erfindung weist zwei Teilinduktivitäten auf, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, beispielsweise durch einen gemeinsamen Ferritkern oder eine Anordnung, bei der die von Wicklungen der einen Teilinduktivität hervorgerufenen magnetischen Felder jeweils die von einer Wicklung der zweiten Teilinduktivität umschlossenen Fläche durchdringen. Es kann sich dabei z.B. um eine Spule handeln, bei der neben den Endanschlüssen auch eine Anzapfung auf eine Windung dazwischen herausgeführt ist. Denkbar sind aber auch zwei Spulen, die koaxial unmittelbar nebeneinander oder auf einem gemeinsamen Ferritkern angeordnet sind, wobei die benachbarten Endanschlüsse beider Spulen elektrisch miteinander verbunden sind.
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Eine veränderbare Kapazität im Sinne der Erfindung lässt sich in ihrem Kapazitätswert durch ein elektrisches Signal verändern. Vorzugsweise handelt es sich dabei zum Beispiel um Kapazitätsdioden, denkbar sind aber auch Drehkondensatoren mit Stellantrieben oder andere elektrisch veränderbare Kapazitäten.
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Der Signaleingang und der Signalausgang sind durch die erste Induktivität verbunden. Zu der ersten Induktivität ist die erste kontinuierlich veränderbare Kapazität parallel geschaltet, sodass die Induktivität und die erste kontinuierlich veränderbare Kapazität einen Parallelschwingkreis bilden. Weitere Bauelemente, insbesondere Kapazitäten oder Induktivitäten mit festen Werten, sind aber in dem Parallelschwingkreis im Sinne der Erfindung denkbar. Beispielsweise könnte eine konstante Kapazität parallel zu der veränderbaren Kapazität geschaltet sein, um einen höheren Kapazitätswert zu erreichen.
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Die Anzapfung der Induktivität ist mit einem Transformationsnetzwerk verbunden. Unter Transformationsnetzwerk ist im Sinne der Erfindung eine Schaltung zu verstehen, die eine komplexe Impedanz an einem zweiten Anschluss des Transformationsnetzwerkes auf eine andere, unterschiedliche komplexe Impedanz an einem ersten Anschluss des Transformationsnetzwerkes abbildet. So können komplexe Widerstände dargestellt werden, für die es keine reale Implementierung als Einzelbaustein wie Induktivität, Kapazität oder ohmscher Widerstand gibt. In dem erfindungsgemäßen Phasenschieber entspricht das Verhalten des Transformationsnetzwerkes einer Lambda-Viertel-Leitung. Lambda ist dabei die Wellenlänge eines Signals auf einem Leiter der Lambda-Viertel-Leitung, dessen Frequenz eine vorbestimmte Arbeitsfrequenz des Phasenstellgliedes ist (auch als erste Frequenz bezeichnet), mit anderen Worten, für die die kontinuierlich veränderbare Phasenverschiebung zu erzielen ist. Die Impedanz des Transformationsnetzwerkes angeschlossen an der Anzapfung der ersten Induktivität entspricht dabei der Impedanz einer Lambda-Viertel-Leitung, an deren zweiten Anschluss eine zweite Kapazität mit dem Kapazitätswert der ersten Kapazität angeschlossen ist. Als entsprechen wird dabei im Sinne der Erfindung eine Abweichung der Impedanzwerte (beispielsweise quadratische Abweichung des Real- und Imaginärteils) kleiner als 1%, 5% oder 10% angesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes ist die Anzapfung der Induktivität eine Mittelanzapfung. Als Mittelanzapfung wird dabei eine Anzapfung angesehen, die elektrisch symmetrisch zu den Endanschlüssen der Induktivität angeordnet ist. Die Induktivität kann beispielsweise eine Luftspule oder eine Spule auf einem Ferritkern mit 2N Windungen sein, wobei die Anzapfung eine elektrische Verbindung zur N-ten Windung herstellt.
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Auf vorteilhafte Weise wird durch die Mittelanzapfung eine Symmetrie zwischen Signaleingang und Signalausgang des Phasenstellgliedes erzielt, sodass die Impedanz am Signaleingang und am Signalausgang gleich ist.
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In einer denkbaren Ausführungsform des Phasenstellgliedes weist die erste Kapazität eine Kapazitätsdiode auf.
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Auf vorteilhafte Weise ermöglicht eine Kapazitätsdiode eine schnelle Verstellung der Kapazität bei geringem Platzbedarf ohne mechanisch bewegte Teile.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes weist die erste Kapazität zwei antiparallel in Serie geschaltete Kapazitätsdioden auf.
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Zwei antiparallel in Serie geschaltete Kapazitätsdioden erlauben auf einfachem Wege eine entkoppelte Zuführung einer Gleichspannung zum Einstellen der Kapazitätsdioden, da die antiparallel geschalteten Kapazitätsdioden eine mit geeigneter Polarität an einem gemeinsamen Anschluss der elektrisch leitend verbundenen Kapazitätsdioden zugeführte Gleichspannung in beide Richtungen sperrt und so nur ein vernachlässigbarer Gleichstrom fließt, der keine nennenswerte Ansteuerleistung erfordert.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes weist das Transformationsnetzwerk ein Collins-Filter und eine zweite Kapazität auf. Ein Collins-Filter oder PI-Glied, vorzugsweise aufweisend eine Induktivität zwischen Filtereingang und Filterausgang geschaltet sowie zwei Filterkapazitäten je zwischen Filtereingang und Bezugsmasse und Filterausgang und Bezugsmasse geschaltet, ist eine Möglichkeit, das Transformationsverhalten einer Lambda-Viertel-Leitung nachzubilden und am Filtereingang bzw. ersten Anschluss die Lambda-Viertel-Transformierte der zweiten Kapazität bereitzustellen, die am Filterausgang bzw. zweiten Anschluss mit der Bezugsmasse verschaltet ist.
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Ein Collins-Filter ist eine vorteilhafterweise kompakte Alternative, die das elektrische Verhalten einer Lambda-Viertel-Leitung platzsparend auch für Wellenlängen im Dezimeter und Meter-Bereich nachbildet.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes ist das Phasenstellglied ausgelegt, die erste Kapazität und die zweite Kapazität auf einen im Wesentlichen gleichen Kapazitätswert einzustellen. Als im Wesentlichen gleich ist eine Abweichung zwischen den Kapazitäten von weniger als 1%, 5% oder 10% anzusehen.
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Das Einstellen gleicher Kapazitätswerte, insbesondere bei Verwendung gleicher Kapazitätsdioden, stellt auf einfache Weise ein gleiches Verhalten von erster Kapazität und zweiter Kapazität in Abhängigkeit von der Steuerspannung sicher. So ist gewährleistet, dass über das Transformationsnetzwerk sich die Kapazitäten in Bezug auf die Amplitude kompensieren und vorteilhafter Weise lediglich die Phase durch das Phasenstellglied verändert wird.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes weist die zweite Kapazität zwei antiparallel in Serie geschaltete Kapazitätsdioden auf. In diesem Fall gelten die gleichen, bereits zur ersten Kapazität beschriebenen Vorteile auch für die zweite Kapazität.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes weist das Phasenstellglied eine Spannungsversorgung auf, die ausgelegt ist, die Kapazitätsdioden der ersten Kapazität und die Kapazitätsdioden der zweiten Kapazität mit gleicher Spannung anzusteuern.
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Vorzugsweise sind dazu die für die erste Kapazität und die zweite Kapazität verwendeten Kapazitätsdioden vom gleichen Typ und beide mit einer gemeinsamen Steuerspannungserzeugung verbunden, sodass an den Kapazitätsdioden der ersten Kapazität und der zweiten Kapazität gleiche Spannung anliegt. So kann einfach sichergestellt werden, dass sich die Kapazitäten in beiden Ästen des Phasenstellers gleich verhalten. Es wäre aber auch denkbar, dass unterschiedliche Kapazitätsdioden verwendet werden und eine entsprechend z.B. durch einen Spannungsteiler in Abhängigkeit von einer von der Steuerspannungserzeugung bereitgestellten Ausgangsspannung skalierte Spannung an eine der beiden Kapazitäten angelegt wird.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph mit einem erfindungsgemäßen Phasenstellglied teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes.
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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 Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanztomographen mit einem erfindungsgemäßen Phasenstellglied;
- 2 eine Darstellung der Funktionsblöcke eines erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes;
- 3 einen beispielhaften Schaltungsaufbau für ein erfindungsgemäßes Phasenstellglied.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen 1 mit einem erfindungsgemäßen Phasenstellglied.
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Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. Patienten 40 in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich ist in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Eine Patientenliege 30 ist von der Verfahreinheit 36 in dem Patiententunnel 16 bewegbar. Üblicherweise handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten, der magnetische Felder mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 3T, bei neuesten Geräten sogar darüber, bereitstellen kann. Für geringere Feldstärken können jedoch auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
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Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Untersuchungsvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Untersuchungsvolumen erzeugen können.
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Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Untersuchungsvolumen abzustrahlen und von dem Patient 40 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben.
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Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 und wertet die empfangenen Signale aus.
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So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Untersuchungsvolumen bereitstellen.
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Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 40 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die Anregungspulse können über die Körperspule 14 oder auch über eine lokale Sendeantenne in den Patienten 40 abgestrahlt werden.
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Um eine homogene Anregung der Kernspins beim Senden der Anregungspulse oder auch um eine selektive Empfindlichkeit beim Empfang zu erzielen, weisen Antennen wie die Körperspule 14 oder die Lokalspule 50 einzeln ansteuerbare Segmente auf. Durch geeignete Kombination von Signalen mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen lässt sich dabei eine gewünschte Richtwirkung erzielen. Dazu können erfindungsgemäße Phasenstellglieder 100 im Empfangs- und/oder Sendepfad in der Hochfrequenzeinheit 22 vorgesehen sein.
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In 2 sind die wesentlichen Funktionsblöcke eines erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes 100 dargestellt. Das Phasenstellglied 100 weist einen Signaleingang 101 auf, an den ein Eingangssignal mit Bezug auf die Bezugsmasse 103, dessen Phase verändert werden soll, dem Phasenstellglied 100 zugeführt wird. An einem Signalausgang 102 liegt dann das phasenverschobene Ausgangssignal, das ebenfalls mit Bezug zu der Bezugsmasse 103 ausgegeben wird.
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Zwischen Signaleingang 101 und Signalausgang 102 ist ein Parallelschwingkreis aus der Induktivität 110 und der ersten Kapazität 120 angeordnet. Denkbar sind aber noch weitere Kapazitäten oder andere Bauelemente, mit denen die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises verschoben werden kann, beispielsweise eine Parallelkapazität zu der veränderbaren ersten Kapazität 120. Der Parallelschwingkreis würde jedoch neben einer von der Kapazität 120 abhängigen Phasenverschiebung des Eingangssignals mit einer Frequenz f0 auch zu einer Amplitudenänderung führen, da sich mit der Kapazität auch die Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ändert und damit die Amplitude bei fester Frequenz.
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Um diesen Effekt zu kompensieren, ist an einer Anzapfung 111 der Induktivität 110 ein Transformationsnetzwerk 130 angeordnet, über das die Anzapfung 111 mit der Bezugsmasse 103 verbunden ist. Wenn das Phasenstellglied 100 bezüglich der Amplitude transparent sein soll und Signaleingang 101 und Signalausgang 102 gleichen Wellenwiderstand aufweisen sollen, ist das Phasenstellglied symmetrisch zu Signaleingang 101 und Signalausgang 102. Damit muss auch die Anzapfung 111 der Induktivität 110 symmetrisch sein, d.h. mit anderen Worten, die Anzapfung 111 ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Mittelanzapfung der Induktivität 110, sodass sich bei einer Spule als Induktivität zwischen Signaleingang 101 und Anzapfung 111 genauso viele Windungen wie zwischen Anzapfung 111 und Signalausgang 102 befinden, sofern die Geometrie auf beiden Seiten ansonsten unverändert ist. Wird jedoch neben der Phasenverschiebung auch eine Impedanzanpassung durch das Phasenstellglied 100 gewünscht, könnte die Anzapfung 111 auch asymmetrisch angeordnet sein. Gleichwertig zu einer Anzapfung 11 sind auch zwei in Serie geschaltete Induktivitäten mit einem gemeinsamen Kern oder entsprechender koaxialer Ausrichtung als eine gemeinsame lange Spule ohne Kern.
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Mit einer Impedanz Z
0 am Signaleingang
101 und am Signalausgang
102, dem komplexen Widerstand
X1 der ersten Kapazität
120 und dem komplexen Widerstand
X2 der Induktivität
110 ergibt sich für eine reine Phasenverschiebung ohne Amplitudenänderung die Bedingung:
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Mit X1 = - 1/(ωC) und X2 = ωL ergibt sich die Bedingung
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Während C beispielsweise durch eine Kapazitätsdiode als variable, elektrisch einstellbare Kapazität ausgeführt werden kann, ist es jedoch wesentlich problematischer, eine einfache elektrisch einstellbare Induktivität bereitzustellen.
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Die Idee der Erfindung ist es hierbei, die Induktivität durch eine leicht einstellbare Kapazität wie z.B. eine Kapazitätsdiode zu ersetzen. Gemäß der Erfindung wird das durch eine Transformation des komplexen Widerstandes realisiert, die die Induktivität auf eine Kapazität abbildet und umgekehrt. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Lambda-Viertel-Leitung erzielen. Dabei ist Lambda die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle mit der Frequenz f = ω/ (2π) auf der Leitung. Wird die Kapazität, z.B. eine Kapazitätsdiode an dem einen Ende der Lambda-Viertel-Leitung angeschlossen, so verhält sich die Leitung am anderen Ende, mit einem Wellenwiderstand Z0 angeschlossen, wie die benötigte Induktivität.
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Typische Frequenzbereiche für Magnetresonanztomographen sind heute zwischen 20 MHz und 150 MHz, was Wellenlängen zwischen 15 m und 2 m im Vakuum entspricht. Selbst unter einer Verkürzung durch ein Dielektrikum wären damit Lambda-Viertel-Leitungen für die üblichen Schaltungstechniken zu unhandlich.
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3 zeigt eine beispielhafte Realisierung eines erfindungsgemäßen Phasenstellgliedes. Gleiche Gegenstände sind mit gleichen Referenzzeichen wie in 2 bezeichnet.
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Die erste Kapazität ist in der Ausführungsform der 3 durch eine Festkapazität 121 und zwei antiparallel geschalteten Kapazitätsdioden 122 (z.B. Typ KV1560) dargestellt, wobei die Kapazitätsdioden gemeinsam eine durch eine Spannung steuerbare Serien-Kapazität bereitstellen, die parallel zu der Festkapazität 121 geschaltet ist. Die antiparallelen Kapazitätsdioden 122 erhalten über ihren gemeinsamen Verbindungspunkt eine Steuerspannung von einer Steuerspannungserzeugung 140, die mittels eines einstellbaren Widerstandes 141, der auch als DA-Wandler ausgeführt sein kann, einem Spannungsregler 142 und einem Operationsverstärker 143 bereitgestellt wird. Die beiden Kapazitätsdioden 122 sind an ihren Anoden über einen Widerstand bzw. zusätzlich die Induktivität 110 mit der Bezugsmasse verbunden, sodass eine positive Steuerspannung von der Steuerspannungserzeugung 140 beide Kapazitätsdioden 122 in Sperrrichtung vorspannt.
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Das Transformationsnetzwerk 130 wird anstelle einer platzraubenden Lambda-Viertel-Leitung durch ein Pi-oder Collins-Filter 131 bereitgestellt, das gemeinsam mit einem vorgeschalteten Kondensator die von den beiden Kapazitätsdioden 132 bereitgestellte einstallbare zweite Kapazität 133 hinter dem Collins-Filter als eine variable Induktivität an der Anzapfung 111 vor dem Collins-Filter darstellt. Bei 10 MHz und einer Nennimpedanz von 50 Ohm können die beiden Kondensatoren des Pi-Filters beispielsweise eine Kapazität von 318 pF und die Induktivität einen Wert von 796 nH haben.
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Die beiden Kapazitätsdioden 132 werden auf die gleiche bereits beschriebene Weise von der Steuerspannungserzeugung 140 mit einer einstellbaren Spannung zur Kapazitätsveränderung versorgt. Durch die gleiche Spannung und identische Kapazitätsdioden 122, 132 ist hier ein symmetrisches Verhalten der ersten Kapazität 120 und des Transformationsnetzwerkes 130 über den ganzen Stellbereich sichergestellt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
