DE102019116322A1

DE102019116322A1 - Bildgebungsvorrichtung, Verfahren zum Auslegen einer Platinenanordnung und Platinenanordnung

Info

Publication number: DE102019116322A1
Application number: DE102019116322.6A
Authority: DE
Inventors: Arne Berneking; Thorsten Greeb
Original assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-06-15
Also published as: US20220099769A1; CN113875319A; DE102019116322B4; WO2020249488A1; EP3983819A1

Abstract

Eine Bildgebungsvorrichtung umfassend:a. eine radial um ein Probenvolumen angeordnete Magnetanordnung zur Erzeugung eines während des Betriebs der Magnetanordnung variierenden Magnetfelds B mit einer Magnetfeldkomponente in z-Richtung,b. eine radial innerhalb der Magnetanordnung angeordnete Platinenanordnung (6; 14) mit elektrischen Leiterbahnen (7; 12) die in Leiterbahnabschnitten (10) aufgeteilt sind, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Leiterbahnabschnitte (10) einen Strukturabschnitt (11a, 11b; 12a 12b) bilden, der eine Fläche (A1, A2) aufspannt,ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede Leiterbahn (7; 12) jeweils zwei Strukturabschnitte (11a, 11b) ein Strukturabschnittspaar (11) bilden, wobei die Leiterbahnen (7; 12) auf der Platinenanordnung (6; 14) so angeordnet sind, dass durch eine Änderung des Magnetfelds B der Magnetanordnung in den beiden Strukturabschnitten (11a, 11b) jedes Strukturabschnittspaars (11) gegengleiche Spannungen und/oder Ströme induziert werden.Hierdurch können einerseits Wirbelströme und andererseits Störungen der Leiterplatine und deren Komponenten durch induzierten Spannungen und Ströme vermieden oder zumindest minimiert werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Bildgebungsvorrichtung umfassend eine radial um ein Probenvolumen angeordnete Magnetanordnung zur Erzeugung eines während des Betriebs der Magnetanordnung variierenden Magnetfelds mit einer Magnetfeldkomponente in z-Richtung und eine radial innerhalb der Magnetanordnung angeordnete Platinenanordnung mit elektrischen Leiterbahnen, die in Leiterbahnabschnitten aufgeteilt sind, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Leiterbahnabschnitte einen Strukturabschnitt bilden, der eine Fläche aufspannt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Auslegen einer Platinenanordnung und eine solche Platinenanordnung.
Hintergrund der Erfindung
Eine Herausforderung bei Bildgebungsvorrichtungen mit Platinenanordnungen und variierenden Magnetfeldern ist es, Interferenzen und gegenseitige Einflüsse von Magnetanordnung und Platinenanordnung zu unterbinden. So dürfen sich beispielsweise bei Hybridbildgebungsvorrichtungen die Komponenten beider Bildgebungsmodalitäten nicht gegenseitig beeinflussen. Bei PET(Positron-Emissions-Tomografie)/MR(Magnetresonanz)-Hybridscannern bspw. interagieren auf der einen Seite die PET-Elektronik-Komponenten mit den sensitiven Magnetfeldern des MR-Tomografen; auf der anderen Seite beeinflussen die starken MR-Magnetfelder die PET-Elektronik und damit die PET-Datenakquisition.
Um Interaktionen mit variierenden Magnetfeldern (z.B. Gradientenfeldern von Gradientenspulen und Hochfrequenzfeldern der Sende- und Empfangsspulen) zu unterbinden, werden jedoch andere Methoden benötigt.
Sende- und Empfangs-HF-Spulen eines MR-Tomografen werden auf die Larmorfrequenz abgestimmt und generieren ein magnetisches Feld B1 im MHz-Bereich mit einer Amplitude im µT-Bereich senkrecht zur B0-Orientierung, um Spins anzuregen. Durch die hohe Frequenz des variierenden Magnetfelds kann die Erzeugung einer elektrischen Feldkomponente nicht verhindert werden. Die Leistung erreicht dabei den kW-Bereich und stört die PET-Elektronik.
Darüber hinaus sind HF-Spulen in der Lage, sehr kleine Signale von angeregten Spins zu detektieren, wobei ein Empfangssignal im µV-Bereich liegen kann. Deswegen sind MRT-Sende- und Empfangsspulen sehr rauschempfindlich und können selbst kleinste (störende) Signale detektieren, wenn diese im Bereich der Larmorfrequenz des MRT-Scanners liegen. Da sich in modernen PET/MR-Hybridscannern eine Vielzahl an elektronischen Elementen befinden, unter anderem FPGAs, ASICs und verschiedenen Signalleitungen im MHz-Bereich, und auch die Digitalisierung der PET-Daten im MRT-Scanner mit breitbandigem Rauschen stattfinden kann, können abgesendete Signale der PET-Elektronik das Empfangssignal der HF-Spulen stören oder komplett überlagern, so dass eine Detektion der MR-Signale unmöglich werden kann.
Zur Unterbindung dieser wechselseitigen Einflüsse, stehen dem Fachmann bekannte Abschirmmethoden und -techniken [1, 2] zur Verfügung, mit denen eine Abschirmung des Hochfrequenzsignals bewirkt werden kann.
Die für Abschirmung von Hochfrequenzfeldern der Sende- und Empfangsspulen geeigneten Abschirmmaßnahmenvorrichtungen eignen sich jedoch nicht zur Abschirmung von Gradientenfelder.
Gradientenfelder sind stationäre magnetische Felder, die eine Feldstärke im Bereich von bis zu einigen 100 mT aufweisen können und deren Gradient im Bereich von bis zu einigen 100 mT pro Meter variiert. Im Untersuchungsobjekt befinden sich drei superponierte Gradientenfelder: Der x-Gradient G_x*z, welcher entlang einer x-Richtung möglichst linear verläuft und dessen Feldkomponente in einer z-Richtung orientiert ist, der y-Gradient G_y*z, welcher entlang einer y-Richtung möglichst linear verläuft und dessen Feldkomponente in z-Richtung orientiert ist und der z-Gradient G_z*z, welcher entlang der z-Richtung möglichst linear variiert und dessen Feldkomponente in z-Richtung orientiert ist.
Die Gradientenspulenanordnung mit den Gradientenspulen befindet sich generell radial außerhalb der PET-Ringanordnung. Die Gradientenfelder bewirken eine Ortskodierung des MRT-Empfangssignals indem eine Frequenz- und Phasenkodierung durch entsprechende Sequenzprogrammierung der x-, y- und z-Gradienten erzielt wird. Genau wie das B₀-Feld dürfen die Gradientenfelder nicht durch PET-Komponenten im Field-of-View beeinflusst werden, da sonst die Ortskodierung des MRT-Bildes gestört wird. Gleiches gilt für sämtliche Komponenten, die radial innerhalb der Gradientenspulenanordnung eingebracht werden inkl. der HF- Sende-/Empfangsspulen Spule.
Da es sich bei Gradientenfeldern um stationäre magnetische Felder handelt, können darüber hinaus die Gradientenfelder durch aufgrund dieser Gradientenfelder auf leitfähigen Strukturen induzierte Ströme verändert und damit gestört werden: Schaltet man die Gradientenspulen ein und aus, was während jeder MRT-Untersuchung geschieht, werden auf allen elektrisch leitfähigen Strukturen und insbesondere auf größeren Leiterflächen auf Leiterplatinen (PCBs) und den Schirmflächen von Abschirmeinrichtungen Wirbelströme induziert. Die induzierten Wirbelströme generieren selbst ein magnetisches Feld, was die Gradientenfelder superponiert und damit die Phasen- und Frequenzkodierung und somit letztendlich die Ortsauflösung der MRT-Bilder stört und darüber hinaus zu einer ungewollten Wärmeentwicklung durch diese Wirbelströme führen kann. Dies ist besonders kritisch für MRT-Sequenzen mit sogenannten hohem „Duty-Cycle“ wie EPI oder Diffusionsbildgebung, bei denen Gradientenspulen schnellstmöglich und häufig hintereinander mit hoher Gradientenamplitude geschaltet werden. Hierbei treten nicht nur auf geschlossenen Flächen Wirbelströme auf, sondern es kommt auch auf Leiterbahnen und anderen metallischen Strukturen zu induzierten Strömen und Spannungen. Die Wirbelstromproblematik tritt insbesondere bei Platinen mit Versorgungsleitungen auf, da diese als großflächige Versorgungslagen (Layer) ausgeführt sind, um eine stabile Versorgungsspannungen zu gewährleisten und Spannungsunterschiede zu vermeiden. Genauso sind Layer in anderen PCB-Anwendungen notwendig, wie zum Beispiel beim Aufbau von Mikrostrip-Leitungen oder Leitungen, bei denen die Leitungsimpedanz vorgegeben werden muss. Deswegen ist es in vielen Anwendungen üblich, große Metallflächen auf den Platinenanordnungen vorzusehen. Hierbei komm es jedoch zu oben beschriebener Wirbelstromproblematik. Die entstehenden Wirbelströme stören die Elektronik und können zu hoher Hitzeentwicklung führen, welche ebenfalls Probleme hervorrufen kann oder teurere und aufwändigere Kühlungsmechanismen notwendig macht.
In der MRT und besonders der PET/MR-Systementwicklung wird aus Kostengründen versucht, ein möglichst kompaktes Design zu erreichen. Je kleiner der Durchmesser des MR-Magneten ist, umso geringer ist der Preis für dieses MR-System. Außerdem ist es von Vorteil, sowohl die MRT-Empfangsspule als auch die PET-Detektoren so nahe wie möglich an das Untersuchungsobjekt zu bringen, um ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis der Detektion der MRT- und hohe Sensitivität der PET-Bildgebung zu erreichen sowie um gleichzeitig PET-Detektoren einzusparen. Bei derartigen kompakten Bildgebungsvorrichtungen befinden sich PET-Detektoren mit Elektronik und Abschirmung nahe am Untersuchungsobjekt, so dass die induzierten Ströme und Spannungen sich besonders stark auf das MRT-Bild und die PET-Elektronik auswirken.
Um störende Veränderungen der Gradientenfelder im Untersuchungsobjekt mit Bildstörungen und -Artefakten zu verhindern und ebenfalls zu verhindern, dass induzierte Spannungen Bauteile zerstören oder deren Funktion beeinträchtigen, sowie um das Einkoppeln induzierter Spannungen auf Signalleitungen zu verhindern, müssen geeignete Verfahren benutzt werden, um die Wirbelströme weitestgehend zu unterbinden und um induzierte Signale oder Spannungen zu unterbinden.
Unterdrückung und Reduzierung von Wirbelströmen
Die Unterdrückung und Reduzierung von Wirbelströmen auf leitenden Flächen von Abschirmvorrichtungen wird beispielsweise in [1, 2] beschrieben. Bei einer HF-Abschirmung handelt es sich in der Regel um eine elektrisch leitfähige Schicht, zum Beispiel aus Kupfer, Silber oder silberbeschichtetem Kupfer. Um Wirbelströme zu unterdrücken, werden Schlitze eingefügt. Diese werden normalerweise kapazitiv verbunden. Da alle Gradientenfelder in z-Richtung ausgerichtet sind, entsteht beim Schalten der Gradienten eine elektrische Feldkomponente mit x- und y-Orientierung. Um Wirbelströme möglichst effektiv zu unterdrücken, sind die Schlitze entlang der z-Richtung orientiert, da die elektrischen Feldkomponenten damit senkrecht zu den Schlitzen orientiert sind. Nach diesem Verfahren können auch Schlitze in PET-Abschirmungen integriert werden.
Um Wirbelströme auf flächigen Versorgungslagen zu unterdrücken, können analog zu oben beschriebenen Abschirmvorrichtungen die Versorgungslagen mit Schlitzen entlang der z-Richtung versehen werden (s. 4).
[3] beschreibt eine MR-kompatible Vorrichtung, die eine HF-Abschirmung aufweist und gleichzeitig Wirbelströme unterdrücken soll. Dabei wird als HF-Abschirmung ein Netz oder eine perforierte Metallplatte verwendet.
Es ist auch möglich, statt Abschirmflächen aus Metall Abschirmflächen aus anderen Materialen mit geringerer Leitfähigkeit vorzusehen, um Wirbelströme zu unterdrücken. Hierbei kann zum Beispiel Carbon als Material verwendet werden. In der Offenlegungsschrift [4] wird eine HF Abschirmung beschrieben, die eine Kohlenfaser-verstärkte Schicht umfasst, um die Wirbelströme zu verringern. Die verringerte Leitfähigkeit unterdrückt induzierte Ströme, jedoch ist auch die relative Abschirmstärke von Carbon wesentlich geringer. Um eine gewünschte Abschirmstärke zu erzielen, muss daher eine vergleichsweise dickere Abschirmung vorgesehen werden, was einen erhöhten Platzbedarf zur Folge hat.
Vermeidung von induzierten Ströme und Spannungen
Zur Vermeidung von induzierten Strömen und Spannungen auf Platinenanordnungen und elektrischen Komponenten lässt sich das leitfähige Material der Platinen nicht durch ein weniger leitfähiges ersetzen, da bei Platinenanordnungen eine maximale Leitfähigkeit der Leiterbahnen essenziell ist. Die gängigste Methode, induzierte Spannungen, Ströme und Einkopplungen auf PCB-Signal- und Versorgungsspannungsleitungen zu verhindern, ist es, auf den Platinenanordnungen den Verlauf der Leiterbahnen (Routing der Leiterbahnen) so zu gestalten, dass möglich keine Schleifen entstehen. In der Regel werden Signal- und Versorgungsleitungen von einem spezifischen Ausgangspunkt (Steckverbinder) auf der Platinenanordnung geroutet und verteilt. Sehr leicht entstehen dadurch z. B. Dreiecks- oder U-förmige Strukturen, die eine große Fläche aufspannen. Steht das magnetische Feld senkrecht auf den Platinen und damit senkrecht zu den Leitungen und den aufgespannten Flächen, führt dies zu erheblichen Einkopplungen und induzierten Spannungen und Strömen auf Signal- und Versorgungsleitungen, wodurch die Elektronik signifikant gestört oder sogar elektronische Bauelemente und Komponenten beschädigt oder zerstört werden können. Deswegen werden in der Regel die Platinen parallel zu den magnetischen Gradientenfeldern und damit entlang einer z-Richtung ausgerichtet. Beispielsweise wird in [5] offenbart, dass bei einer Kernspinresonanzapparatur eine Abschirmanordnung vorhanden sein kann, die eine elektrisch leitende Schicht mit einem zur z-Achse axialsymmetrischen durchgehenden Schlitz umfasst.
Solange sich die Elektronik in einem Bereich befindet, in dem alle Gradientenfelder entlang z-Richtung orientiert sind, kann die Wirbelstromproblematik und die Probleme im Zusammenhang mit induzierten Strömen mit den oben beschriebenen Maßnahmen gelöst werden. Aufgrund des insbesondere in Hybridscannern gewünschten kompakten Designs, sind PET-Komponenten jedoch meist sehr nah an den Gradientenspulen platziert. Im speziellen befinden sich die Platinen sehr nah an den Spulen der x- und y-Gradientenspulensysteme. An diesen Stellen haben die magnetischen Felder der Gradienten keinen Feldverlauf entlang z-Richtung. Somit haben die Feldlinien an diesen Stellen x- und y-Komponenten. Dies hat zur Folge, dass die Feldlinien direkt Platinen, die dort platziert werden, kreuzen. Damit ergeben sich Gradientenfelder G_x*x, G_x y, G_y*x und G_y*y. An den Rändern der z-Gradienten und außerhalb des z-Gradientenspulensystems können ebenfalls Feldanteile G_z*x und G_z*y vorliegen. Als Konsequenz müssen oben genannte Methoden, wie das Einbringen von Schlitzen entlang z-Richtung die Platine, weiter angewendet werden; diese Schlitze unterdrücken an den genannten Positionen nahe der x- und y-Gradientenspulensysteme aber nur noch die z-Gradientenfelderanteile innerhalb des z-Gradientenspulensystems.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bildgebungsvorrichtung vorzuschlagen, bei der einerseits von Gradientenfeldern entlang der z-Richtung erzeugte Wirbelströme und andererseits Störungen der Leiterplatine und deren Komponenten durch von Gradientenfeldern mit x- und y-Feldkomponenten induzierten Spannungen und Ströme vermieden oder zumindest minimiert werden.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bildgebungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Auslegen einer Platinenanordnung gemäß Patentanspruch 13 und einer Platinenanordnung gemäß Patentanspruch 16.
Erfindungsgemäß bilden für jede Leiterbahn jeweils zwei Strukturabschnitte ein Strukturabschnittspaar, wobei die Leiterbahnen auf der Platinenanordnung so angeordnet sind, dass durch eine Änderung des Magnetfelds der Magnetanordnung in den beiden Strukturabschnitten jedes Strukturabschnittspaars gegengleiche Spannungen und/oder Ströme induziert werden.
Mehrere benachbarte Leiterbahnabschnitte bilden jeweils einen Strukturabschnitt, wobei jeder Strukturabschnitt eine geometrische Fläche aufspannt. Unter einer „durch einen Strukturabschnitt aufgespannten Fläche“ ist die Fläche zu verstehen, die von den Leiterabschnitten des jeweiligen Strukturabschnitts und der direkten Verbindung der Enden des Strukturabschnitts eingeschlossen wird. Innerhalb eines Strukturabschnitts schließen die Leiterbahnabschnitte entweder alle einen positiven Winkel < 180° oder alle einen negativen Winkel > 180° miteinander ein.
Die Grundidee der Erfindung ist es, den geometrischen Verlauf der Leiterbahnen so zu wählen, dass durch Magnetfeldänderungen induzierte Spannungen und Ströme sich gegeneinander möglichst aufheben. Erfindungsgemäß existiert also zu jeder von einem Strukturabschnitt aufgespannten Fläche eine von einem anderen Strukturabschnitt aufgespannte Fläche, die entgegengesetzt „ausgerichtet“ ist; d.h. die Leiterbahnabschnitte des einen Strukturabschnitts schließen einen Winkel α miteinander ein, während die Leiterbahnabschnitte des anderen Strukturabschnitts einen Winkel -α miteinander einschließen. Zwei entgegengesetzt ausgerichtete Strukturabschnitte bilden ein Strukturabschnittspaar, sofern die induzierten Spannungen/Ströme betragsmäßig ähnlich groß sind, d.h. weniger als 20% betragsmäßig voneinander abweichen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Strukturabschnitte möglichst klein gewählt werden, damit aufgrund der ev. vorhandenen Inhomogenität des durch die Magnetanordnung generierten Magnetfelds die induzierten Ströme/Spannungen benachbarter Strukturabschnitte betragsmäßig nicht zu stark variieren.
Die Leiterbahnabschnitte verlaufen vorzugsweise geradlinig, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende geradlinige Leiterbahnabschnitte winkelig zueinander angeordnet sind.
Benachbarte Strukturabschnitte teilen sich zumindest einen Leiterbahnabschnitt, d.h. für den Fall, dass ein Strukturabschnitt n Leiterbahnabschnitte umfasst, bilden 2n-1 Leiterbahnabschnitte zwei Strukturabschnitte. Jeder Leiterbahnabschnitt, der nicht parallel zur z-Achse ausgerichtet ist und nicht den Anfang oder das Ende der Leiterbahn bildet, ist Teil von zwei Strukturabschnitten.
Vorzugsweise sind in jedem Strukturabschnitt zumindest zwei Leiterbahnabschnitte schräg zur z-Richtung ausgerichtet.
Die Strukturabschnitte, die ein Strukturabschnittspaar bilden, sind vorzugsweise dicht beieinander angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform haben daher die Strukturabschnitte eines Strukturabschnittpaares mindestens einen Leiterbahnabschnitt gemeinsam. Bei den Strukturabschnitten eines Strukturabschnittpaares handelt es sich dann also um „benachbarte“ Strukturabschnitte, die sich einen Leiterbahnabschnitt teilen.
Vorzugsweise umfasst die Leiterbahn mehrere Strukturabschnittspaare, welche die gleiche geometrische Struktur haben. Die Leiterbahn weist also in regelmäßigen Abständen eine sich in z-Richtung wiederholende geometrische Struktur auf.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Leiterbahnen zickzackförmig auf der Platinenanordnung. Jeder Strukturabschnitt umfasst in diesem Fall zwei Leiterbahnabschnitte und spannt eine Dreiecksfläche auf. Eine derartige Dreiecksstruktur kann einfach berechnet und leicht auf der Platinenanordnung implementiert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung sind die Leiterbahnabschnitte eines Strukturabschnitts in einem Winkel von 30° bis 60°, idealerweise von ±45°, zur z-Richtung ausgerichtet. Je mehr die Leiterbahnen von einer Ausrichtung in z-Richtung abweichen, umso stärker können sich Wirbelströme in x- und y-Richtung ausbreiten. Weicht die Ausrichtung der Leiterbahnen jedoch nur wenig von der z-Richtung ab, hat dies die geometrische Konsequenz, dass von den Strukturabschnitten größere Flächen aufgespannt werden. Dadurch erhöhen sich die induzierten Spannungen und es kommt zu größeren Spannungsverschiebungen innerhalb der Platine, was jedoch möglichst unterbunden werden sollte. Eine Ausrichtung von ±45° gegenüber der z-Richtung hat sich als guter Kompromiss erwiesen, der sehr gute Ergebnisse liefert.
Um die Höhe der auftretenden Wirbelströme zu reduzieren, kann die Länge der Leiterbahnabschnitte verringert und die Anzahl der Leiterbahnabschnitte und der Strukturabschnitte erhöht werden.
Vorzugsweise weisen die Flächen, die von Strukturabschnitten eines Strukturabschnittpaares aufgespannt werden, die gleiche Form und den gleichen Flächeninhalt auf. Jedoch sind die Flächen eines Strukturabschnittspaares bezogen auf die z-Richtung in entgegengesetzte Richtung „ausgerichtet“, so dass bei einer Magnetfeldänderung in den Strukturabschnitten eines Strukturabschnittpaars Spannungen gleichen Betrags aber unterschiedlichen Vorzeichens induziert werden.
Vorzugsweise sind die Leiterabschnitte eines Strukturabschnitts gleich lang. Die Leiterabschnitte eines Strukturabschnitts schließen vorzugsweise gegengleiche Winkel mit der z-Richtung ein.
Die Leiterbahnen werden vorzugsweise so angeordnet („geroutet“), dass die in von den Strukturabschnitten aufgespannten Flächen in demjenigen rechteckigen Bereich liegen, der durch eine einfache L-Verbindung zwischen einem Anfangspunkt und einem Endpunkt der Leiterbahn, die sowohl in z-Richtung als auch in einer Richtung senkrecht zur z-Richtung voneinander beabstandet sind, definiert wird. Geht der geroutete Bereich (Bereich, innerhalb dem die Leiterbahn geführt wird) über diesen für eine einfache L-Verbindung notwendigen Bereich hinaus, sind die induzierten Flächen unnötig groß. Dies könnte zu Problemen führen, da sich dadurch die induzierten Spannungen innerhalb der einzelnen Strukturabschnitte erhöhen und lokale Potentialverschiebungen die auf der Platinenanordnung befindliche Elektronik beeinflussen können. Das bedeutet, dass die Wege der Leiterbahn trotz des zickzackförmigen Verlaufs beim „Routing“ minimiert werden sollen. Die Leiterbahn soll also möglichst direkt zwei Anknüpfpunkte (Anfangspunkt, Endpunkt) verbinden, idealerweise ausschließlich mit Strukturabschnittspaaren.
Bei den elektrischen Leiterbahnen handelt es sich vorzugsweise um Signalleitungen zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder um flächige Versorgungsleitungen zur Spannungsversorgung.
Bei den Signalleitungen handelt es sich um nicht differentielle Signalleitungen. Unter differentiellen Signalleitungen versteht man zwei Leitungen, die parallel geführt werden, um darin induzierte Störungen durch Differenzbildung zu eliminieren. Gemäß Erfindung wird für die Übertragung eines Signals nur eine Signalleitung (also eine nicht differentielle Signalleitung) verwendet, was zu einer Materialeinsparung führt. Induzierte Störungen werden durch das erfindungsgemäße Routing eliminiert.
Wenn Versorgungsleitungen als Hochfrequenz-Abschirmung genutzt werden sollen, ist es vorteilhaft, die gesamte Platinenfläche mit dem Leiterbahnmaterial (z.B. Kupfer) zu bedecken (Versorgungslage). Um trotzdem Wirbelströme durch magnetische Wechselfelder wirksam dämpfen zu können, wird die Kupferfläche geschlitzt. Die Versorgungslage umfasst dann mehrere miteinander verbundene Leiterbahnen. Bezüglich der Breite der Leiterbahnen einer Versorgungslage muss ein Kompromiss gefunden werden: Die Leiterbahnen der Versorgungslage sollten einerseits möglichst schmal sein, damit nur geringe Wirbelströme induziert werden; andererseits bedeutet dies fertigungstechnisch einen Mehraufwand. Des Weiteren gibt es eine kapazitive Kopplung zwischen den Leiterbahnen, wenn zu viele Schlitze vorhanden sind. Typischerweise wird die Streifenbreite der Leiterbahnen einer Versorgungslage kleiner 10 bis 15 mm gewählt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildgebungsvorrichtung ist die Platinenanordnung mehrlagig. Die Leiterbahnenabschnitte erstrecken sich vorzugsweise zumindest teilweise über mehrere Platinenlagen. Dabei verlaufen sie über Durchkontaktierungen, über welche die beiden Platinenlagen elektrisch miteinander verbunden sind. Dies ist insbesondere relevant bei flächigen Versorgungsleitungen zur Spannungsversorgung, da diese, wie oben beschrieben, in der Regel über die gesamte Fläche der Platinenanordnung verlaufen, um ein stabiles Versorgungsnetz auf der gesamten Platinenanordnung zu erzeugen. Mit einer einzelnen Platinenlage wäre es aber nicht möglich, eine durchgehend elektrisch verbundene Fläche aufzubauen, da sich die Strukturabschnitte überlappen würden. Durch Vorsehen von zwei Platinenlagen können Leitungssegmente, die sich überlappen, auf unterschiedlichen Platinenlagen (Ebenen) angeordnet werden. Wenn die gesamte Fläche der Platinenanordnung von den Strukturabschnitten abgedeckt ist, können die flächigen Versorgungsleitungen auch als HF-Abschirmung dienen.
Eine spezielle Ausführungsform sieht vor, dass zumindest auf einer der Platinenlagen sowohl flächige Versorgungsleitungen zur Spannungsversorgung als auch mindestens eine Signalleitung angeordnet sind. Die Platinenlage mit den flächigen Leiterbahnabschnitten können somit als Hochfrequenzabschirmung der Signalleitungen benutzt werden.
Bei der Magnetanordnung handelt es sich vorzugsweise um ein Gradientensystem einer MRI- oder MPI-Bildgebungseinrichtung. Typische Gradientenfrequenzen, mit denen sich das Magnetfeld ändert, sind kleiner als 100 kHz.
Vorzugsweise umfasst die Platinenanordnung eine Emissionstomografie-Elektronik, insbesondere eine PET- oder eine SPECT(Einzelphotonen-Emissions-Computertomografie)-Elektronik.
Die Bildgebungsvorrichtung kann auch ein an einem zu untersuchenden Objekt anzubringende Einrichtung (z.B. Kopfhörer) umfassen, wobei die Platinenanordnung Teil der am zu untersuchenden Objekt anzubringenden Einrichtung ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Bildgebungsvorrichtung eine Hybridbildgebungsvorrichtung umfassend einerseits eine Magnetresonanztomografie (MRT)- oder Magnetpartikelbildgebungs(MPI)-Anordnung und andererseits eine Emissions-Tomographie(ET)-Anordnung.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Auslegen einer Platinenanordnung zur Verwendung in einer Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platinenanordnung elektrischen Leiterbahnen umfasst, die in Leiterbahnabschnitten aufgeteilt sind, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Leiterbahnabschnitte einen Strukturabschnitt bilden, der eine Fläche aufspannt. Erfindungsgemäß wird der geometrische Verlauf der Leiterbahnen auf der Platinenanordnung so gewählt, dass jede Leiterbahn Strukturabschnittspaare umfassend jeweils zwei Strukturabschnitte aufweist, in denen durch eine Änderung des Magnetfelds der Magnetanordnung gegengleiche Spannungen und Ströme induziert werden.
Als Parameter zum Auslegen der Platinenanordnung werden vorzugsweise die Länge der Leiterbahnabschnitte und die Winkel, unter denen die Leiterbahnabschnitte gegenüber einer z-Richtung ausgerichtet sind, verwendet. Die Länge der Leiterbahnabschnitte und die Winkel, unter denen die Leiterbahnabschnitte gegenüber der z-Richtung ausgerichtet sind, bestimmen die Form der Fläche, die vom jeweiligen Strukturabschnitt aufgespannt werden.
Bei besonders starken Gradienten, beim Aufspannen von großen Flächen oder bei magnetischen Feldern, die keinen linearen Verlauf haben, kann es sein, dass die Feldstärke des Magnetfelds über den Ort stark variiert. Dies hat zur Folge, dass die induzierten Spannungen auch für Strukturabschnitte, die gleiche Flächen aufspannen, unterschiedlich ausfallen. Bei längeren Signalleitungen und größeren aufgespannten Flächen sollten sich diese Unterschiede im Mittel ausgleichen. Allerdings kann es zu lokalen Unterschieden kommen, die lokal das elektronische Verhalten beeinflussen können. Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, die Größe und/oder geometrische Form der Flächen, die durch die einzelnen Strukturabschnitte aufgespannt werden, in Abhängigkeit von einem Magnetfeldverlauf und/oder Gradientenfeldverlauf der Bildgebungsvorrichtung zu ermittelt. Durch Einbeziehung des Verlaufs des variierenden Magnetfelds (z.B. des Gradientenfeldverlaufs bei MRT- und MPI-Anwendungen) in die Anordnung der Leiterbahnabschnitte können die oben beschriebenen Einflüsse verringert werden. Ist der Gradientenfeldverlauf durch Simulation oder Messungen bekannt, kann der Verlauf der Leiterbahnen so angepasst werden, dass die Größe der durch die Strukturabschnitte aufgespannten Flächen die Feldstärkenunterschiede ausgleicht.
Die Erfindung betrifft auch eine Platinenanordnung, die nach dem zuvor beschriebenen ausgelegt wurde zur Verwendung in einer zuvor beschriebenen Bildgebungsvorrichtung
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste

1 zeigt einen Querschnitt einer MR-PET Hybridbildgebungsvorrichtung
2 zeigt eine Platinenanordnung mit einer L-förmig gerouteten Signalleitung gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt eine Platinenanordnung mit einer zickzack-förmig gerouteten Signalleitung gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine Platinenanordnung mit flächigen Versorgungsleitungen gemäß dem Stand der Technik.
5a zeigt eine erste Platinenlage einer mehrlagigen Platinenanordnung mit flächigen Versorgungsleitungen gemäß der Erfindung.
5b zeigt eine zweite Platinenlage einer mehrlagigen Platinenanordnung mit flächigen Versorgungsleitungen gemäß der Erfindung.
6 zeigt eine überlagerte Darstellung der flächigen Versorgungsleitungen der in 5a, b gezeigten Platinenanordnung.

1 zeigt eine Bildgebungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer MR-Anordnung und einer PET-Anordnung. Die MR-Anordnung umfasst eine Magnetanordnung mit einer Längsachse z. Die Magnetanordnung umfasst eine RF-Resonatorstruktur 1 sowie ein Gradientenspulensystem 2 zur Erzeugung eines variierenden Magnetfeldes (Gradientenfeld) und einen Hauptmagneten 3 zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes. Die PET-Anordnung ist koaxial zur Magnetanordnung angeordnet und umfasst Szintillatorkristalle 4, einen Photosensor 5 (mit mehreren Sensorelementen) zur Detektion von in den Szintillatorkristallen 4 erzeugten Photonen sowie eine Platinenanordnung 6 mit PET-Elektronik. Die Platinenanordnung 6 ist radial zwischen dem Gradientenspulensystem 2 und der RF-Resonatorstruktur 1 angeordnet.
2 zeigt eine Platinenanordnung 6' gemäß dem Stand der Technik mit Signalleitungen 7a', 7b', die jeweils ein elektronisches Bauteil 8a, 8b mit einem Steckverbinder 9 verbinden. Je nach Anordnung der Bauelemente 8a, 8b relativ zum Steckverbinder 9 können die Signalleitungen 7a', 7b' nicht immer parallel zur z-Richtung verlaufen. Insbesondere, wenn die Signalleitungen 7a', 7b' um andere Bauteile herum geroutet werden müssen, entstehen beispielsweise L- oder U-förmige Strukturen. So kann zum Beispiel die Signalleitung 7a' nicht direkt vom Steckverbinder zum elektronischen Bauteil 8a geführt werden, da sie um das andere elektronische Bauteil 8b herumgeführt werden muss. Die Signalleitung 7a' verläuft daher L-förmig vom Steckverbinder 9 zum elektronischen Bauteil 8a und spannt dabei eine Fläche A' auf. Diese von der Signalleitung 7a' aufgespannte Fläche A' kann bei einer Änderung eines die Platinenanordnung durchdringenden Magnetfelds B bereits zu induzierten Spannungen und Strömen auf der Signalleitung 7a' führen, die Signale beeinflussen, überlagern, stören oder sogar Komponenten beschädigen können. Während man Kabel einfach verdrillen kann, um diese Störeinflüsse zu vermeiden, ist dies bei Signalleitungen in Form von Leiterbahnen nur begrenzt möglich: Ein „twisted pair routing“ auf Platinen kann immer nur auf zwei oder sehr wenige Signalleitungen angewendet werden und auch die Anzahl der Platinenlagen ist begrenzt. Verdrillt man die Leiterbahnen auf Platinenebene gegeneinander heißt dies auch nicht, dass man die U-förmigen oder L-förmigen Strukturen unterbindet. Damit bleiben auch bei solchen Signalleitungen induzierte Ströme erhalten. Differentielle Signalübertragung kann für Signalleitungsrouting Abhilfe verschaffen, wie zum Beispiel „Low Voltage Differential Signaling“ (LVDS). Es ist jedoch nicht immer möglich oder erwünscht differentielle Signalübertragung zu verwenden, insbesondere bei analogen Leitungen.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Platinenanordnung 6, mit der dieses Problem gelöst werden kann. Der Übersichtlichkeit halber ist hier nur das elektronische Bauteil 8a gezeigt. Das elektronische Bauteil 8a ist über eine Leiterbahn 7a mit dem Steckverbinder 9 elektrisch verbunden. Die Leiterbahn 7a verläuft zickzackförmig vom Steckverbinder 9 zum elektronischen Bauteil 8a und ist unterteilt in Leiterbahnenabschnitte 10 wobei jeweils zwei Leiterbahnenabschnitte 10 einen v-förmigen Strukturabschnitt 11a, 11b bilden. Abgesehen von den beiden äußeren Leiterbahnenabschnitten (Anfangsabschnitt und Endabschnitt) ist jeder Leiterbahnenabschnitt 10 Teil zweier Strukturabschnitte 11a, 11b. Jeder Strukturabschnitt 11a, 11b spannt eine dreiecksförmige Fläche A1, A2 auf, wobei die dreiecksförmige Flächen A1 in 3 nach unten geöffnet (ausgerichtet) ist, d. h. nach unten hin nicht durch die Leiterbahnen 7a begrenzt ist, während die dreiecksförmige Flächen A2 in 3 nach oben geöffnet (ausgerichtet) ist, d. h. nach oben hin nicht durch die Leiterbahnen 7a begrenzt ist. Das erfindungsgemäße Leiterbahnen-Routing erhöht zwar zunächst die Gesamtgröße der Flächen A1, A2, die zu einer Induktion beitragen. Allerdings sind die Flächen A1, A2 durch das Zick-Zack-Routing so angeordnet, dass gleichgroße benachbarte Dreiecksflächen A1, A2 entstehen, die sich in regelmäßigen Abständen wiederholen. Jeweils zwei Dreiecksflächen A1, A2 (im gezeigten Beispiel die Dreiecksflächen zweier benachbarter Strukturabschnitte 11a, 11b) sind dabei, wie oben beschrieben, gegeneinander ausgerichtet, bilden also eine invertierende Struktur. Bei Änderungen des Magnetfelds B wird daher durch den einen Strukturabschnitt 11a eine induzierte Spannung U_i1 erzeugt, die zu einem induzierten Strom I_i1 führt, während durch den benachbarten Strukturabschnitt 11b eine induzierte Spannung U_i2 erzeugt wird, die zu einem induzierten Strom I_i2 führt. Da die Flächen A1, A2 der durch die beiden Strukturabschnitte 11a, 11b aufgespannten Dreiecksflächen gleich groß sind und entgegengesetzt ausgerichtet sind, gilt U_i1 = -U_i2 und I_i1 = - I_i2. Damit heben sich die resultierenden induzierten Spannungen und Ströme auf. Die beiden Strukturabschnitte 11a, 11b bilden ein Strukturabschnittspaar 11. Einkopplungen von Gradientenfeldern mit x- und y-Anteilen lassen sich somit auf die gesamte Leiterbahn bezogen verhindern.
Bei Platinenanordnungen mit flächigen Versorgungsleitungen kommt eine weitere Schwierigkeit hinzu: Die Versorgungsleitungen bilden eine Versorgunglage, die eine große Fläche abdeckt, meistens die gesamte Fläche einer mehrlagigen Platine, auf. Auf großen metallischen Flächen können sich jedoch starke Wirbelströme ausbilden. Um dies zu vermeiden, werden in aus dem Stand der Technik bekannten Platinenanordnungen Schlitze parallel zur z-Richtung in die Versorgungslage eingebracht. 4 zeigt eine solche Platinenanordnung gemäß dem Stand der Technik mit flächigen Versorgungsleitungen 12', die über Schlitze 13' voneinander getrennt sind und eine Versorgungslage bilden. Über den Steckverbinder 9 kann an die Versorgungslage eine Spannung angelegt werden. Die Schlitze 13' verlaufen nicht komplett über die Platinenanordnung, da ein elektrischer Kontakt für die Ausbreitung des Supply-Netzes gegeben sein muss. Die vier in 4 dargestellten Versorgungsleitungen 12' sind daher über den rechten Rand der Versorgungslage miteinander elektrisch verbunden. Dadurch bilden die Versorgungsleitungen 12' von einem Punkt P1 in der oberen linken Ecke zu einem Punkt P2 in der unteren linken Ecke der Platinenanordnung 14' eine U-förmige Struktur. Das bedeutet, dass bei einer Magnetfeldänderung ΔB, z.B. beim Schalten eines Gradientenspulensystems, eine induzierte Spannung entlang dieser U-förmigen Struktur anliegt. Diese kann elektronische Bauteile beeinflussen, stören oder sogar beschädigen. Außerdem ist es möglich, dass diese induzierten Spannungen auf eventuell vorhandene Signalleitungen übertragen werden, insbesondere, wenn beispielsweise Vorverstärker mit verschiedenen Spannungen versorgt werden. Auch andere Kopplungsmechanismen über Signalleitungen oder andere elektronischen Bauteile können stattfinden. Wird ein die Platinenanordnung 14' durchquerender Magnetfeldgradient ΔB im Bereich von 10 mT angenommen, lässt sich damit die induzierte Spannung wie folgt abschätzen. Der Betrag der induzierten Spannung berechnet sich nach dem Induktions- und Durchflutungsgesetz mit folgender Gleichung: U = ΔB/Δt*A. Wird eine Anstiegszeit Δt des Gradienten von 0.2 ms und beispielsweise eine Fläche A der Versorgungslage von 0.38*0.025 m² angenommen, resultiert eine induzierte Spannung U von 475 mV. Je nach Position der Platinenanordnung 14', Gradientenstärke und Anstiegszeit der Gradientenfelder können auch deutlich höhere Spannungen induziert werden. Die in den Versorgungsleitungen 12' induzierte Spannungen lassen sich nicht einfach damit verhindern, die Schlitze 13' in der Versorgungslage in eine andere Richtung verlaufen zu lassen, da die Größe der induzierenden Fläche hauptsächlich durch die Punkte P1 und P2 definiert wird. Würden die Schlitze 13' z.B. alle dreiecksförmig verlaufen statt gerade, blieben die Punkte P1 und P2 trotzdem über die seitliche Verbindung an der rechten Seite der Versorgungslage verbunden. Damit würde sich also die induktionswirksame Fläche zwischen diesen zwei Potentialpunkten P1, P2 nicht ändern.
Jedoch kann das zuvor anhand von Signalleitungen beschriebene erfindungsgemäße Leiterbahnenrouting trotzdem auch auf das Design von Versorgungslagen angewendet werden. Dazu wird die erfindungsgemäße Platinenanordnung zweilagig ausgestaltet. Die 5a und 5b zeigen jeweils eine Platinenlage 14a, 14b einer derartigen erfindungsgemäßen Platinenanordnung 14, bei welcher sowohl Wirbelströme als auch induzierte Spannungen reduziert werden können. Die Versorgungslage ist mit schrägen Schlitzen 13 versehen, welche die Versorgungslage in im Wesentlichen streifenförmige Segmente 15a, 15b sowie einem zickzackförmigen Segment 15c aufteilt. Die Segmente 15a, 15c der ersten Platinenlage 14a sind über Durchkontaktierungen 16 mit den Segmenten 15b der zweiten Platinenlage 14b elektrisch verbunden. Folgt man in den 5a, 5b den elektrischen Verbindungen entlang der Segmente 15a, 15b und Durchkontaktierungen 15, so zeigt sich, dass die Segmente 15a, 15b Versorgungsleitungen 12 mit einer Dreiecksstruktur bilden, die über die gesamte Platine verlaufen.
Im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Platinenanordnung sind hier die Versorgungsleitungen 12 so geroutet, dass sie einerseits zickzackförmig verlaufen und andererseits sich die Schlitze 13 (über beide Platinenlagen 14a, 14b betrachtet) über die ganze Länge der Platinenanordnung erstrecken. In den 5a, 5b sind beispielhaft drei der dargestellten Versorgungsleitungen 12 schraffiert gezeigt, wobei zwei der schraffierten Versorgungsleitungen über beide Platinenlagen 14a, 14b geroutet sind und Segmente 15a, 15b umfassen. Die dritte schraffierte Versorgungsleitung 12 besteht aus dem zickzackförmigen Segment 15c und verläuft nur auf der ersten Platinenlage 14a.
Durch das Routing über mehrere Platinenlagen 14a, 14b wird erreicht, dass die Versorgungsleitungen 12 über die gesamte Länge der Platinenanordnung entgegengesetzten Flächen aufspannen können.
Aus 5a wird deutlich, dass die Versorgungslage den gesamten Platinenbereich (abzüglich der Schlitze 13) einnimmt und sich das Supply-Netz somit auf der gesamten Platinenlage 14a ausbreiten kann. Da es zum Aufbauen der Dreiecksstruktur nicht notwendig ist, die gesamte untere Platinenlage 14a zu belegen, ist der nicht benötigte Bereich (in 5b schwarz dargestellt) frei gelassen worden. Dort kann man beispielsweise eine Signalleitung in Dreiecksstruktur routen (wie in 3 gezeigt) oder eine durchgehende zusätzliche Versorgungsleitung mit Dreiecksstruktur hinzufügen, um zwei komplett mit Supply-Netzen belegte Platinenlagen 14a, 14b zu erhalten. Diese zwei Platinenlagen 14a, 14b können dann benutzt werden, um in einer oder mehreren dazwischenliegen Platinenlagen Signalleitungen abzuschirmen.
6 zeigt die erfindungsgemäße Platinenanordnung 14 mit den beiden Platinenlagen 14a, 14b in einer überlagerten Darstellung. Hier ist die dreiecksförmige Struktur der Leiterbahnen 12 gut zu erkennen (eine Versorgungsleitung 12 wurde exemplarisch schraffiert). Die Versorgungsbahnen 12 verlaufen zickzackförmig und sind in Leiterbahnenabschnitte 10 unterteilt, wobei jeweils zwei Leiterbahnenabschnitte 10 einen v-förmigen Strukturabschnitt 11a, 11b bilden, der eine dreiecksförmige Fläche aufspannt, analog zu der in 3 gezeigten Signalleitung 7a.
Die Schlitze 13 der erste Platinenlage 14a sind durchgezogen dargestellt, die der zweiten Platinenlage 14b gestrichelt. Wo sich die Segmente 15a der ersten Platinenlage 14a mit den Segmenten 15b der zweiten Platinenlage 14b überlappen, werden die Versorgungsbahnen 12 auf die jeweils andere Platinenlage 14a, 14b der Platinenanordnung 14 weitergeroutet.
Das in den 5a, 5b, 6 gezeigte Routing über mehrere Platinenlagen ermöglicht es, dass über die gesamte Platinenanordnung 14 Strukturabschnittspaare 11a, 11b angeordnet sind, wobei sich Strukturabschnitte 11a, 11b der verschiedenen Leiterbahnen 12 in Projektion auf die Platinenfläche streckenweise überlappen. Die sich überlappenden Segmente 15a, 15b sind auf unterschiedlichen Platinenlagen 14a, 14b angeordnet. Dies bedeutet zwar, dass eine zusätzliche Platinenlage 14b und damit ein erhöhter Materialaufwand benötigt wird; diese zusätzliche Platinenlage 14b kann jedoch als zusätzliche Hochfrequenzabschirmung für Signalleitungen benutzt werden, die zwischen den beiden Platinenlagen angeordnet sind.
Die 3 bzw. 5a, 5b zeigen einen zickzackförmigen Verlauf der Leiterbahnen, 7a, 12 mit rechtwinkeligen Strukturabschnitten 11a, 11b, wobei die Leiterabschnitte um 45° gegen die z-Richtung geneigt sind. Dieser gezeigte Verlauf der Leiterbahnen 7a, 12 stellt jedoch nur ein spezielles Beispiel dar, welches den Vorteil hat, dass es leicht zu implementieren ist, da sich das Routing auf der Platinenanordnung 6, 14 und die Berechnungen einfach gestalten. Andere Strukturen, z.B. mäanderförmige Rechtecks- oder Trapezstrukturen, sinusförmige Strukturen, sowie nicht-gleichschenklige Dreiecksstrukturen sind beispielsweise auch denkbar. Ebenso kann die Ausrichtung der Leiterbahnabschnitte 10 gegenüber der z-Richtung prinzipiell von 45° abweichen. Abweichungen von einer Dreiecksstruktur mit anderen Winkeln können je nach Anwendung sinnvoll sein, zum Beispiel, kann es bei sehr starken Gradienten und in Bereichen, in denen diese sehr stark im Feldverlauf variieren, sinnvoll sein, dass die Strukturabschnitte kleinere Dreiecke mit höheren Winkeln bilden.
Die in den 3, 5a, 5b gezeigten Leiterbahnstrukturen stellen jedoch aus folgenden Gründen eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar: Es wurde oben bereits erläutert, dass das Einbringen von Schlitzen 13' parallel zur z-Richtung abhängig von der Platzierung der Platinenanordnung Wirbelstromeffekte durch Feldkomponenten in x- und y-Richtung unterdrücken, falls die Platinenflächen ebenfalls parallel zur z-Richtung ausgerichtet sind. Je mehr man von einer Schlitzorientierung streng parallel zur z-Richtung abweicht, umso stärker können sich Wirbelströme in x- und y-Richtung ausbreiten. Messungen haben gezeigt, dass die Wirbelströme, die bei einer 45°-Ausrichtung der Leiterbahnabschnitte relativ zur z-Richtung auftreten, noch ausreichend klein sind. Falls dennoch zu starke Wirbelströme auftreten sollten, kann man als gegensteuernde Maßnahme die Anzahl der Schlitze erhöhen bzw. die Schlitzabstände verringern.
Bei Verwendung von Winkeln kleiner als 45° relativ zur z-Richtung (flacher Winkel) für die Ausrichtung der Leiterbahnabschnitte spannen die Strukturabschnitte größere Flächen auf. Dadurch erhöhen sich die induzierten Spannungen. So kommt es zu größeren Spannungsverschiebungen innerhalb der Platinenanordnung, was möglichst unterbunden werden sollte. Außerdem variieren die Gradientenfelder abhängig von der x-y-z-Position. Daher sollten die Strukturabschnitte 11a, 11b eines Strukturabschnittpaares 11, deren induzierten Ströme/Spannungen sich gegenseitig im Wesentlichen neutralisieren, immer möglichst klein und dicht beieinander gewählt werden.
Die Grundidee der Erfindung basiert darauf, geometrische Flächen in eine Platinenanordnung 6, 14a zu integrieren, die so aufgebaut sind, dass entgegengesetzte Ströme bzw. Spannungen induziert werden, die sich aufheben. Es ist möglich, dieses Konzept mit jeder beliebigen Flächenstruktur zu implementieren. Die Flächen A1, A2 sollte dabei in ihrer einfachsten Implementierung immer entgegengesetzt aufgespannt werden und die Strukturabschnitte der Leiterbahn identisch aber jeweils invertiert aufgebaut sein. Dies ist technisch am einfachsten zu implementieren, da die von den Strukturabschnitten 11a, 11b aufgespannten Flächen lediglich gespiegelt werden müssen und dies in modernen Routingprogrammen einfach zu realisieren ist.
In speziellen Fällen kann es beim Routing nötig sein von einer regelmäßigen invertierenden Struktur abzuweichen. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, falls ein Bauteil oder ein anders Objekt das regelmäßige Routing unterbricht. Generell müssen Strukturabschnitte keine identische Form haben, auch wenn sich diese schneller und einfacher implementieren lässt. Entscheidend ist, dass Strukturabschnitte bezogen auf die z-Richtung entgegengesetzt ausgerichtet sind und eine gegengleiche Induktionsspannung /Induktionsstrom bewirken. Dies wird in der Regel der Fall sein, wenn die Strukturabschnitte die gleiche (oder annährend die gleiche) Fläche aufspannen. Ausnahmen bilden besonders starken Gradienten/Magnetfeldänderungen, Aufspannen von großen Flächen oder magnetischen Felder, die keinen linearen Verlauf haben. In diesem Fall sollte der Verlauf des variierenden Magnetfeldes in das Routing miteinbezogen werden. Dies kann dazu führen, dass die von Strukturabschnitten eines Strukturabschnittpaares aufgespannten Flächen unterschiedlich groß sind aber dennoch gegengleiche Induktionsspannungen hervorrufen.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Platinenanordnung betrifft nicht nur Platinenanordnungen einer PET-Elektronik, sondern kann auf sämtliche Elektronik innerhalb der Bildgebungsvorrichtung oder innerhalb von Gradientenfeldern (z.B. einer MRI- oder MPI-Bildgebungsvorrichtung) angewendet werden. Darüber hinaus lässt sie sich auf sämtliche Elektronik in schnell schaltenden (100 Hz - 100 kHz) Magnetfeldern anwenden. Sie bietet insbesondere für nicht differentielle Leitungen eine Realisierungsmöglichkeit, induzierte Spannungen und Ströme zu minimieren.
Ausgangspunkt für die Erfindung war, dass es aus zu anfangs genannten Gründen nicht möglich ist, ohne induzierte Spannungen bei Versorgungs- auszukommen, solange Schlitze in die Platinenanordnung eingebracht werden müssen. Genauso lassen sich induzierten Spannungen und Ströme in U- und L-förmigen Strukturen auf (nicht differentiellen) Signalleitungen nicht verhindern. Um induzierte Störungen trotzdem möglichst klein zu halten, sieht die Erfindung vor, die Versorgungs- und Signalleitungen so zu routen, dass sie Strukturabschnitte bilden, in denen die induzierten Spannungen und Ströme entlang derselben Richtung verlaufen. Diese Strukturabschnitte werden dann abwechselnd in entgegengesetzte Richtung aufgebaut, so dass sich die induzierten Spannungen und Ströme entlang der gesamten Signal- oder Versorgungsleitungen aufheben.
Bezugszeichenliste

1: Resonatorstruktur
2: Gradientenspulensystem
3: Hauptmagnet
4: Szintillatorkristalle
5: Photosensor
6: Platinenanordnung gemäß der Erfindung
6': Platinenanordnung gemäß dem Stand der Technik
7a: Signalleitungen (Leiterbahnen) gemäß der Erfindung
7a', 7b': Signalleitungen gemäß dem Stand der Technik
8a, 8b: elektronische Bauteile
9: Steckverbinder
10: Leiterbahnabschnitte
11a, 11b: Strukturabschnitte
11: Strukturabschnittspaar
12: Versorgungslage (Leiterbahn) gemäß der Erfindung
12': Versorgungslage (Leiterbahn) gemäß dem Stand der Technik
13: Schlitze in Versorgungslage gemäß der Erfindung
13: Schlitze in Versorgungslage gemäß dem Stand der Technik
14: mehrlagige Platinenanordnung gemäß der Erfindung
14': Platinenanordnung gemäß dem Stand der Technik
14a, 14b: Platinenlagen einer mehrlagigen Platinenanordnung gemäß der Erfindung
15a, 15b, 15c: Leiterbahnsegmente
16: Durchkontaktierungen
A': durch Signalleitungen 7a'aufgespannte Fläche
A1: durch einen Strukturabschnitt 11a aufgespannte Fläche
A2: durch einen Strukturabschnitt 11b aufgespannte Fläche
B: variierendes Magnetfeld (z. B. Gradientenfeld eines Gradientenspulensystems)
z: Längsachse des Magnetfeldspulensystems

Literaturliste

[1] Berneking, Arne, et al. „RF Coil Performances in Compact Hybrid MR/PET Scanner Design Using an Integrated Shielding“, ISMRM 2017
[2] Berneking, Arne, et al. „Design and Characterization of a Gradient-Transparent RF Copper Shield for PET Detector Modules in Hybrid MR-PET Imaging." IEEE Transactions on Nuclear Science 64.5 (2017): 1118-1127
[3] US 9,488,703 B2
[4] WO 2017186687
[5] DE 10 2005 033 989

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9488703 B2 [0033]
WO 2017186687 [0033]
DE 102005033989 [0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Design and Characterization of a Gradient-Transparent RF Copper Shield for PET Detector Modules in Hybrid MR-PET Imaging.“ IEEE Transactions on Nuclear Science 64.5 (2017): 1118-1127 [0033]

Claims

Bildgebungsvorrichtung umfassend: a. eine radial um ein Probenvolumen angeordnete Magnetanordnung zur Erzeugung eines während des Betriebs der Magnetanordnung variierenden Magnetfelds B mit einer Magnetfeldkomponente in z-Richtung, b. eine radial innerhalb der Magnetanordnung angeordnete Platinenanordnung (6; 14) mit elektrischen Leiterbahnen (7; 12) die in Leiterbahnabschnitten (10) aufgeteilt sind, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Leiterbahnabschnitte (10) einen Strukturabschnitt (11a, 11b; 12a 12b) bilden, der eine Fläche (A1, A2) aufspannt, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Leiterbahn (7; 12) jeweils zwei Strukturabschnitte (11a, 11b) ein Strukturabschnittspaar (11) bilden, wobei die Leiterbahnen (7; 12) auf der Platinenanordnung (6; 14) so angeordnet sind, dass durch eine Änderung des Magnetfelds B der Magnetanordnung in den beiden Strukturabschnitten (11a, 11b) jedes Strukturabschnittspaars (11) gegengleiche Spannungen und/oder Ströme induziert werden.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Strukturabschnitt (11a, 11b) zumindest zwei Leiterbahnabschnitte (10) schräg zur z-Richtung ausgerichtet ist, und dass sich das Vorzeichen des Winkels, den die Leiterbahn (6; 14) mit der z-Achse einschließt, mindestens einmal im Verlauf der Leiterbahn (6; 14) ändert.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturabschnitte (11a, 11b) eines Strukturabschnittpaares (11) mindestens einen Leiterbahnabschnitt (10) gemeinsam haben.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (6; 14) zickzackförmig auf der Platinenanordnung (6; 14) verlaufen.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnabschnitte (10) eines Strukturabschnitts (11a, 11b) in einem Winkel von 30° bis 60°, vorzugsweise bei ±45°, zur z-Richtung ausgerichtet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (A1, A2), die von Strukturabschnitten (11a, 11b) eines Strukturabschnittpaares (11) aufgespannt werden, die gleiche Form und den gleichen Flächeninhalt aufweisen.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den elektrischen Leiterbahnen (7; 12) um Signalleitungen (7) zur Übertragung von elektrischen Signalen und/oder um flächige Versorgungsleiterbahnen (12) zur Spannungsversorgung handelt.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinenanordnung (14) mehrlagig ist und dass sich die Leiterbahnabschnitte (10) zumindest teilweise über mehrere Platinenlagen (14a, 14b) erstrecken.
Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest auf einer der Platinenlagen (14b) sowohl flächige Versorgungsleiterbahnen (12) zur Spannungsversorgung als auch mindestens eine Signalleitung (7) angeordnet sind.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung ein Gradientensystem (2) einer MRI- oder MPI-Bildgebungseinrichtung ist.
Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platinenanordnung (6; 14) eine Emissionstomografie-Elektronik, insbesondere eine PET- oder eine SPECT-Elektronik, umfasst.
Verfahren zum Auslegen einer Platinenanordnung (6; 14) zur Verwendung in einer Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platinenanordnung (6; 14) elektrischen Leiterbahnen (7; 12) umfasst, die in Leiterbahnabschnitten (10) aufgeteilt sind, wobei mindestens zwei aneinandergrenzende Leiterbahnabschnitte (10) einen Strukturabschnitt (11a, 11b) bilden, der eine Fläche (A1, A2) aufspannt, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Verlauf der Leiterbahnen (7; 12) auf der Platinenanordnung (6; 14) so gewählt wird, dass jede Leiterbahn (7; 12) Strukturabschnittspaare (11) umfassend jeweils zwei Strukturabschnitte (11a, 11b) aufweist, in denen durch eine Änderung des Magnetfelds B der Magnetanordnung gegengleiche Spannungen und Ströme induziert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter zum Auslegen der Platinenanordnung (6; 14) die Länge der Leiterbahnabschnitte (10) und die Winkel, unter denen die Leiterbahnabschnitte (10) gegenüber einer z-Richtung ausgerichtet sind, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und/oder geometrische Form der Flächen (A1, A2), die durch die einzelnen Strukturabschnitte (11a, 11b) aufgespannt werden, in Abhängigkeit von einem Magnetfeldverlauf und/oder Gradientenfeldverlauf der Bildgebungsvorrichtung ermittelt werden.
Platinenanordnung, ausgelegt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14 zur Verwendung in einer Bildgebungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11.