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Die Erfindung betrifft einen Magnetresonanztomograph, mit einer Sendeentstöreinrichtung mit einer Sendeentstörsteuerung, einem Sensor und einer Sendeentstörantenne. Die Sendeentstöreinrichtung ist ausgelegt, mit dem Sensor ein Anregungssignal des Senders zum Anregen von Kernspins aufzunehmen, mit der Entstörsteuerung ein Entstörsignal in Abhängigkeit von dem aufgenommenen Anregungssignal des Senders zu bestimmen und über die Sendeentstörantenne auszusenden.
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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 Empfangsantennen, sogenannte Lokalspulen verwendet, die zur Erzielung eines besseren Signal-Rauschabstandes unmittelbar am Untersuchungsobjekt angeordnet werden. Die Empfangsantennen können auch in einer Patientenliege verbaut sein.
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Magnetresonanztomographen erfordern in zweierlei Hinsicht eine Hochfrequenzabschirmung. Zum einen werden zur Anregung der Kernspins Hochfrequenzimpulse mit Leistungen im Kilowattbereich erzeugt, die nur teilweise im Patienten absorbiert werden. Radiowellen, die die Patientendurchführung verlassen, werden in den Raum abgestrahlt und müssen daher zur Einhaltung von Emissionsgrenzwerten abgeschirmt werden.
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Umgekehrt sind die für die Bildgebung zu empfangenden Magnetresonanzsignale extrem schwach. Um hier ein ausreichendes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erreichen, ist eine Abschirmung externer Störsignal erforderlich.
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Deshalb werden im Stand der Technik um einen Magnetresonanztomographen aufwändige Schirmkabinen installiert, um sowohl Emissionen als auch Immissionen zu reduzieren.
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Aus der Druckschrift
WO 2019/06867 A2 ist ein Magnetresonanztomograph mit aktiver Störunterdrückung und ein Verfahren zum Betrieb bekannt.
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Bei derartigen Vorrichtungen ist es problematisch, mit unterschiedlichen Störeinflüssen eine stabile Störunterdrückung zu erzielen.
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Es könnte daher eine Aufgabe der Erfindung sein, die Störunterdrückung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen nach Anspruch 1 und durch ein erfindungsgemä-ßes Verfahren zum Betrieb des Magnetresonanztomographen nach Anspruch 5 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph weist eine Magneteinheit, einen Sender und eine Sendeantenne zum Anregen von Kernspins auf. Üblicherweise ist ein Feldmagnet der Magneteinheit wegen der erzielbaren Feldstärken des statischen Magnetfeldes B0, das die Resonanzfrequenz bzw. Larmorfrequenz der Kernspins bestimmt, als supraleitender Magnet ausgeführt.
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Der erfindungsgemäße Magnetresonanztomograph weist weiterhin eine Sendeentstöreinrichtung mit einer Sendeentstörsteuerung, einer Mehrzahl an Sensoren und einer Sendeentstörantenne auf. Die Sendeentstöreinrichtung ist dabei ausgelegt, mit dem Sensor einen Puls des Senders aufzunehmen.
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Der Sensor kann beispielsweise eine Antenne sein, beispielsweise eine Leiterschleife, in die durch eine magnetische Komponente eines Anregungssignals eine Spannung induziert. Als Anregungssignal wird dabei jedes hochfrequente magnetische Wechselfeld angesehen, das der Magnetresonanztomograph aussendet. Üblicherweise wird das Anregungssignal in Form von zeitlich begrenzten, meist kurzen Anregungspulsen emittiert. Es kann sich dabei um einen Testpuls zum Kalibrieren der Entstöreinrichtung handeln, aber auch um einen Anregungspuls, um die Ausrichtung von Kernspins in dem Patienten im Magnetfeld B0 zu beeinflussen. Der Sensor gibt ein Signal über den Puls an die Sendeentstörsteuerung weiter. Das Signal kann beispielsweise eine Spannung oder ein Strom sein, die proportional zum induzierten Strom sind oder bei einer elektrischen Antenne zur durch das elektrische Feld hervorgerufenen Spannung. Das Signal könnte aber auch schon durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert sein. Ein Sensor kann auch dazu ausgelegt sein, eine Polarisation des Feldes festzustellen, beispielsweise für das H-Feld durch zwei orthogonale Antennenschleifen oder für das E-Feld durch zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Dipole.
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Die Sendeentstörsteuerung ist ausgelegt, ein Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von dem aufgenommenen Puls des Senders zu bestimmen und das Sendeentstörsignal über die Sendeentstörantenne auszusenden, sodass an einem vorbestimmten Ort im Fernfeld der Sendeantenne außerhalb des Magnetresonanztomographen das von dem Sender über die Sendeantenne ausgesendete Anregungssignal abgeschwächt wird. Als Fernfeld wird dabei ein elektromagnetisches Wechselfeld angesehen, erzeugt von der Sendeantenne, bei dem H- und E-Feld in Phase sind und das üblicherweise in einem Abstand größer als das einfache, zweifache oder vielfache der Wellenlänge vorherrscht. Die Abschwächung kann erreicht werden, indem beispielsweise über die Sendeentstörantennen durch Phasenverschiebung und Verstärkung/Dämpfung ein Signal bereitgestellt wird, das durch destruktive Interferenz im Fernfeld das Anregungssignal schwächt oder auslöscht. Es ist beispielsweise denkbar, in einem Optimierungsverfahren die Parameter Phasenverschiebung und Dämpfung zu variieren, sodass die Feldstärke im Fernfeld minimal wird.
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Auf vorteilhafte Weise führt die Reduzierung der Felder im Fernfeld dazu, dass das Störfeld nicht nur im Fernfeld in der Umgebung des Magnetresonanztomographen selbst reduziert bzw. minimiert wird, sondern auch für eine sich von der Störquelle über diesen Ort hinaus in die Umgebung ausbreitende Welle.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Schritt auf, eine Information über das Anregungssignal zu empfangen. Vorzugsweise betrifft die Information eine Amplitude oder Phase des Anregungssignals. Die Information kann beispielsweise das Signal einer Antennenschleife, eines Richtkopplers oder eines Stromsensors in einer Signalverbindung zwischen Sender und Sendeantenne sein. Denkbar ist aber auch eine Information durch die Steuerung des Magnetresonanztomographen zu Frequenz, Amplitude oder Frequenz des Anregungssignals.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt die Sendeentstörsteuerung ein Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von der Information derart, dass bei einem Aussenden des Sendeentstörsignals über die Sendeentstörantenne eine Feldstärke des Anregungssignals an einem vorbestimmten Ort im Fernfeld reduziert wird. Eine beispielhafte Methode zum Bestimmen ist bereits in Zusammenhang mit dem Vorrichtungsanspruch und nachfolgend zu den Unteransprüchen dargelegt.
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In einem weiteren Schritt des Verfahrens sendet die Sendeentstöreinrichtung das Sendeentstörsignals über die Sendeentstörantenne.
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Das erfindungsgemäße Verfahren teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen umgibt die Mehrzahl der Sensoren die Sendeantenne zumindest in einer Entstörrichtung dicht.
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Für eine Einhaltung der Grenzwerte im ganzen dreidimensionalen umgebenden Raum ist entsprechend eine Anordnung auf einer Oberfläche eines die Sendeantenne vollständig einschließenden dreidimensionalen Körpers erforderlich, beispielsweise einer Kugel, eines Quaders, eines Tetraeders, allgemein eines Polyeders oder auch eines unregelmäßigen Körpers. Die Entstörrichtung umfasst dann alle Raumrichtungen.
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Als dicht wird ein Abstand der Sensoren zueinander in der Entstörrichtung bezeichnet, der es erlaubt, aufgrund der elektromagnetischen Feldgleichungen das Feld an einem Ort in der Entstörrichtung mit einem größeren Abstand als der der Sensoren zu dem Magnetresonanztomographen zu bestimmen. Die in diesem Sinne für die Entstörrichtung vollständige Kenntnis der elektromagnetischen Felder erlaubt es in Analogie zu einer sogenannten Huygens-Box, aus den Feldern an der Oberfläche der Huygens-Box eine virtuelle Quelle zu bestimmen und mit dieser die Felder im Fernfeld außerhalb der Huygens-Box zu bestimmen. Dazu ist es erforderlich, dass der Abstand der Sensoren auf der Oberfläche einen gewissen Maximalabstand nicht überschreitet, also nicht größer ist als ein Zehntel, ein Achtel oder ein Viertel einer Wellenlänge des von der Sendeantenne ausgesendeten Anregungssignals im freien Raum.
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Vorzugsweise sind die Sensoren dabei ausgelegt, zur Oberfläche des Körpers tangentiale Komponenten von H-Feld und/oder E-Feld quantitativ zu erfassen.
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Dies Entstörrichtung kann beispielsweise aber auch eine Ebene sein oder ein Raumwinkel, in der Grenzwerte für elektromagnetische Strahlung einzuhalten sind. Üblicherweise handelt es sich dabei um eine horizontale Ebene oder Sektoren in dieser Ebene, in der Personen sich um den Magnetresonanztomographen bewegen und annähern können. Denkbar ist auch eine vertikale Ebene, wenn sich beispielsweise Personen in einem mehrgeschossigen Haus auch oberhalb des Magnetresonanztomographen aufhalten können. Die Stetigkeit der elektromagnetischen Felder und geradlinigen Ausbreitung der Wellen erlaubt es so, auch bei einer unvollständigen Abdeckung einer Hülle bzw. Oberfläche um die Sendeantenne bzw. Huygens-Box durch Sensoren in Analogie zur Huygens-Box auf die Ausbreitung in der Entstörrichtung zu schließen. Dies gilt insbesondere für eine Sendeantenne im Patiententunnel, wenn dieser durch metallische Wände begrenzt ist, denn hier ist eine entsprechende dichte Abdeckung der Öffnung durch ein Netz von Sensoren hinreichend, da auch nur hier elektromagnetische Wechselfelder in nennenswertem Maß austreten können.
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Der Abstand der Sensoren zueinander ist vorzugsweise kleiner als ein Viertel der Wellenlänge im freien Raum eines Hochfrequenzsignals mit der Larmorfrequenz des Magnetresonanztomographen.
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Auf vorteilhafte Weise erlauben es Sensoren, die die Sendeantenne vollumfänglich oder zumindest teilweise dicht umschlie-ßen, mit den Sensoren im Nahfeld die Fernfeldemission zu bestimmen und zu überwachen, sodass eine Installation im Raum abgesetzt vom Magnetresonanztomographen vermieden werden kann.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen umgibt die Mehrzahl der Sensoren die Sendeentstörantenne zumindest in einer Entstörebene vollumfänglich. Das zuvor zu der Anordnung der Sensoren in Bezug auf die Sendeantenne angeführte gilt in gleicher Weise für Sendeentstörantenne bzw. Sendeentstörantennen in Bezug auf die um diese herum angeordneten Sensoren, insbesondere bezüglich räumlicher Anordnung und Abstand.
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Auf vorteilhafter Weise ermöglichen die um die Sendeentstörantennen herum angeordnete Sensoren aus im Nahfeld gewonnenen Feldinformationen auf das Fernfeld der Sendeentstörantennen zu schließen.
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Insbesondere wenn die Sensoren sowohl die Sendeantenne als auch die Sendeentstörantenne umschließen, kann auch ohne einen Sensor im Fernfeld eine Einhaltung von Emissionsgrenzwerten im Fernfeld erreicht werden.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomograph ist der vorbestimmte Ort durch einen regulatorisch vorbestimmten Abstand für eine EMV-Grenzwert vorgegeben. Für diesen Ort ist ein nicht zu überschreitender Grenzwert für den E- und/oder H-Feldbetrag durch regulatorische Vorgaben vorbestimmt. Es kann sich beispielsweise um einen Abstand von mehr als 5m oder mehr als 10m von der Sendeantenne handeln. Denkbar ist auch die Grenze einer Zugangsbeschränkung zu dem Magnetresonanztomographen wie eine Trennwand, Mauer, Tür oder ähnliches.
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Auf vorteilhafte Weise ist durch den Sensor an der Grenze der Beschränkung sichergestellt, dass außerhalb der Grenze die Grenzwerte zuverlässig eingehalten werden.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgraphen weist die Sendeentstörsteuerung eine Signalverbindung mit dem Sender auf. Die Signalverbindung ist ausgelegt, eine Information über das Anregungssignal zu empfangen. Dies kann beispielsweise eine Hochfrequenzleitung sein, die ein um einen vorbestimmten Faktor gedämpftes Signal des Anregungssignals, beispielsweise um den Faktor 40 dB, 60 dB oder mehr, von der Endstufe des Senders zu der Sendeentstörsteuerung leitet. Denkbar ist auch das unverstärkte Signal vor der Endstufe mit der Hochfrequenzleitung zu der Sendeentstörsteuerung zu leiten. Auch eine digitale oder drahtlose Übertragung sind denkbar. Wesentlich ist, dass die Information bei der Übertragung zu der Sendeentstörsteuerung nicht durch äußere Umstände, wie z.B. den Patienten, unmittelbar bei der Übertragung verändert wird. Die Sendeentstörsteuerung ist ausgelegt, das Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von der empfangenen Information zu bestimmen. Beispielsweise kann das Sendeentstörsignal durch Dämpfung/Verstärkung und/oder Phasenverschiebung gewonnen werden.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen gibt die Information über das Anregungssignal eine Amplitude und/oder Phase des Anregungssignals an. Beispielsweise kann die Information das Signal proportional zum Anregungssignal sein, oder ein digital abgetastetes Signal mit einer Abtastfrequenz oberhalb der durch Nyquist definierten Mindestabtastrate. Denkbar ist aber auch bei einem zeitlich konstanten Signal eine Angabe der maximalen Amplitude und Frequenz sowie einer Phase. Auch sind Mischformen möglich wie die Amplitude, Frequenz und Phase einer Trägerwelle sowie ein zu modulierendes Basisbandsignal.
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Auf vorteilhafte Weise kann durch Übertragen der Information zu der Sendeentstörsteuerung diese jeweils das Entstörsignal an das aktuelle Anregungssignal anzupassen.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen ist die Information über das Anregungssignal proportional zu einem von der Sendeantenne erzeugten magnetischen Feld. Mit anderen Worten, die Sendeentstöreinrichtung erhält eine Information über das Anregungssignal, die eine Magnetfeldstärke des von der Sendeantenne ausgesendete Anregungssignals angibt bzw. proportional zu diesem ist.
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Zwischen einem von dem Sender erzeugten Ausgangssignal und von der Sendeantenne daraus erzeugten magnetischen Feldstärke kann es beispielsweise bei unterschiedlichen Frequenzen oder unterschiedlichen Lasten durch einen Patienten zu erheblichen Unterschieden der magnetischen Feldstärke kommen, die wiederum die Feldstärke der sich in den Raum ausbreitenden Welle unmittelbar beeinflussen. Eine aktive Störunterdrückung lässt sich daher bei genauerer Kenntnis der magnetischen Felderbesser einstellen.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist die Sendeentstöreinrichtung einen Richtkoppler auf. Der Richtkoppler ist an einer Signalverbindung zwischen Sender und Sendeantenne angeordnet, sodass eine Stromstärke eines in Richtung der Sendeantenne fließenden Stroms von dem Richtkoppler als Signal erfasst wird. Vorzugsweise ist der Richtkoppler dabei nahe, d.h. kleiner als 10% einer Wellenlänge der Mittenfrequenz des Anregungssignals auf der Signalverbindung, bei einem Fußpunkt bzw. Speisepunkt der Sendeantenne angeordnet. Denkbar ist es auch, dass zwei Richtkoppler an der Signalverbindung angeordnet sind, die den Stromfluss jeweils des zu der Antenne hinlaufenden und des reflektierten Anregungssignals aufnehmen, sodass eine Differenz daraus gebildet werden kann.
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Mittels des Richtkopplers kann auf vorteilhafte Weise der Stromfluss erfasst werden, der unmittelbar die Felder beeinflusst. Durch eine Anordnung in der Nähe des Fußpunktes können Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung minimiert werden, zwei entgegengerichtete Richtkoppler erlauben es, den reflektierten Strom direkt zu erfassen und zu berücksichtigen.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist die Sendeentstöreinrichtung einen Hochfrequenzverstärker auf, der in unmittelbarer Nähe zu der Sendeentstörantenne angeordnet ist. Als unmittelbar in der Nähe angeordnet wird es dabei angesehen, wenn der Abstand von einem Speise- bzw. Fußpunkt der Sendeentstörantenne kleiner als ein Zehntel der Wellenlänge der Mittenfrequenz des Anregungssignals auf der Signalleitung ist. Vorzugsweise ist dabei der Hochfrequenzverstärker ein Stromquellen-Verstärker, d.h. der Verstärker legt an die Sendeantenne eine Spannung derart an, dass diese einen vorbestimmten Strom erzwingt, insbesondere unabhängig von einer Last- oder Impedanzschwankung.
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Durch die Nähe, insbesondere bei einem Stromquellen-Verstärker, ist sichergestellt, dass das ausgesendete Sendeentstörsignal durch den erzwungenen Strom in der Antenne auch im Wesentlichen dem Signal entspricht, dass dem Hochfrequenzverstärker von der Sendeentstörsteuerung zugeführt wird. Insbesondere werden dadurch Frequenzabhängigkeiten minimiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Magnetresonanztomographen weist die Sendeentstöreinrichtung eine Mehrzahl an Sensoren und/oder Sendeentstörantennen an jeweils unterschiedlichen Orten auf. Beispielsweise können die Sensoren und/oder Sendeantennen die Sendeantenne bzw. den Magnetresonanztomographen in einer Ebene, vorzugsweise horizontal umgeben, in der sich Personen oder andere möglicherweise störbare Vorrichtungen befinden. Denkbar ist aber auch, dass die Anordnung die Sendeantenne vollständig in alle Raumrichtungen umschließen, um Störungen in alle Raumrichtungen zu unterbinden. Dabei weisen die Sensoren zum jeweiligen benachbarten Sensor einen Abstand auf, der kleiner als ein Viertel oder ein Zehntel einer Wellenlänge des Anregungssignals ist.
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Die Sendeentstöreinrichtung ist weiterhin ausgelegt, ein Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von den über die Mehrzahl an Sensoren aufgenommenen Anregungssignals des Senders zu bestimmen und über die Sendeentstörantennen auszusenden, sodass an vorbestimmten Orten im Fernfeld das von dem Sender über die Sendeantenne ausgesendete Anregungssignal abgeschwächt wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Sendeentstörsteuerung durch ein Optimierungsverfahren die Phasenverschiebungen und Dämpfungen der einzelnen Sendeentstörsignale so bestimmt, dass durch Interferenz die Summe der Energien an den vorbestimmten Orten im Fernfeld minimiert wird.
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In einer denkbaren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen weist das Sendeentstörsignal eine Mehrzahl an Komponenten auf. Beispielsweise kann es sich um Signale handeln, die sich jeweils durch Phase und Amplitude unterscheiden. Die Sendeentstöreinrichtung ist ausgelegt, jeweils eine Komponente über eine der Mehrzahl an Sendeentstörantennen auszusenden. Beispielsweise kann die Sendeentstöreinrichtung eine Mehrzahl an Hochfrequenzverstärkern aufweisen, die die Komponenten verstärken und über Signalleitungen zu einer Mehrzahl an Sendeantennen leiten, über die das Sendeentstörsignal bzw. seine Komponenten abgestrahlt werden.
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Auf vorteilhafte Weise kann so die Sendeentstöreinrichtung eine Reduzierung der Abstrahlung in viele vorbestimmte Richtungen erzielen.
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In einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verfahren weiterhin den Schritt auf, einen Testpuls mit dem Sender über die Sendeantenne auszusenden. Als Testpuls wird dabei ein zeitlich begrenzter, vorbestimmter Hochfrequenz-Wellenzug mit bekannter Amplitude, Frequenz und Phase angesehen. Vorzugsweise ist die Amplitude dabei deutlich kleiner als bei einem Anregungssignal, beispielsweise um mehr als 20 dB, 40 dB oder 60dB.
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In einem weiteren Schritt erfassen die Sensoren eine durch den Testpuls hervorgerufene Feldstärke des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, je nach Sensor beispielsweise E-Feld und/oder H-Feld. Vorzugsweise werden dabei zumindest die Komponenten des Feldes erfasst, die tangential zu einer Oberfläche einer Hülle bzw. Kurve sind, auf der die Sensoren um die Sendeantenne herum angeordnet sind.
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In einem weiteren Schritt bestimmt vorzugsweise die Sendeentstörsteuerung eine Fernfeld-Übertragungsfunktion der Sendeantenne. Als Übertragungsfunktion wird dabei zumindest eine Dämpfung der Amplitude bzw. ein Proportionalitätsfaktor zwischen Amplitude des Testpulses und der davor hervorgerufenen, Feldstärke an einem vorbestimmten Ort im Fernfeld und eine Verzögerung bzw. Phasenverschiebung des Testpuls am vorbestimmten Ort angesehen. Beispielsweise kann entsprechend einer sogenannten Huygens-Box aus den Signalen der Sensoren auf der Oberfläche der Huygens-Box auf eine darin befindliche Quelle in Form der Sendeantenne und eine sich von der Sendeantenne ausbreitenden Welle im Fernfeld geschlossen werden. Dazu kann aus den E- und H-Feldern tangential zur Oberfläche eine virtuelle Signalquelle mit den Feldgleichungen bestimmt werden und für diese Signalquelle dann die Übertragungsfunktion zu einem vorbestimmten Ort im Fernfeld. Dazu ist es erforderlich, dass die Sensoren in geringem Abstand zumindest in einer Ebene auf einer Kurve oder auch in alle Raumrichtungen die Sendeantenne auf einer Hülle umschließen.
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In gleicher Weise ist es auch denkbar, dass mittels der Sensoren, wenn diese auch die Sendeentstörantenne bzw. Sendeentstörantennen umgeben, auf die gleiche Weise eine oder mehrere Übertragungsfunktionen der Sendeentstörantenne bzw. Sendeentstörantennen zu Bestimmen.
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Der Schritt des Bestimmens des Sendeentstörsignals erfolgt dabei in Abhängigkeit von der bzw. den so ermittelten Übertragungsfunktionen. Beispielsweise kann das Störsignal am vorbestimmten Ort im Fernfeld durch ein Anwenden der bestimmten Übertragungsfunktion zwischen Sendeantenne und dem Ort im Fernfeld auf den von der Sendeantenne ausgesendete Anregungssignal bestimmt werden. Durch Invertieren des Vorzeichens sowie Anwenden einer Inversen einer Übertragungsfunktion zwischen Sendeentstörantenne und Sensor kann das Sendeentstörsignal ermittelt werden, das zum Reduzieren der Feldstärke des Anregungssignals am vorbestimmten Ort im Fernfeld über die Sendeentstörantennen auszusenden ist. Für eine Mehrzahl an Sensoren, Sendeentstörantennen und vorbestimmten Orten mitreduzierter Feldstärke des Anregungssignals kann in einer linearen Optimierung die Verstärkung und Phasenverschiebung für jede Sendeentstörantenne bzw. den versorgenden Hochfrequenzverstärker eingestellt werden.
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Die ermittelte Übertragungsfunktion bzw. Übertragungsfunktionen vereinfachen und beschleunigen auf vorteilhafte Weise das Bestimmen der Sendeentstörsignale.
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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 einer erfindungsgemäßen Sendeentstöreinrichtung;
- 2 schematisch eine mögliche Ausführungsform der Sendeentstöreinrichtung im Detail;
- 3 schematisch eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Sendeentstöreinrichtung im Detail;
- 4 ein schematisches Ablaufdiagramm für eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemä-ßen Anordnung von Sendeantenne, Sensoren und Sendeentstörantennen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen 1 mit einer erfindungsgemäßen Sendeentstöreinrichtung 70.
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Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. des Patienten 100 in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich zeichnet sich durch ein äußerst homogenes statisches Magnetfeld B0 aus, wobei die Homogenität insbesondere die Magnetfeldstärke bzw. den Betrag betrifft. Der Aufnahmebereich ist nahezu kugelförmig und in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. Eine Patientenliege 30 ist in dem Patiententunnel 16 von der Verfahreinheit 36 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 100 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben. Im Folgenden bezeichnet der Begriff Sendeantenne eine Antenne, über die das Hochfrequenzsignal zur Anregung der Kernspins ausgestrahlt wird. Dies kann die Körperspule 14 sein, aber auch eine Lokalspule 50 mit Sendefunktion.
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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 100 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die Anregungssignale können über die Körperspule 14 oder auch über eine lokale Sendeantenne in den Patienten 100 abgestrahlt werden.
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Eine Steuerung 23 kommuniziert über einen Signalbus 25 mit der Gradientensteuerung 21 und der Hochfrequenzeinheit 22.
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Auf dem Patienten 100 ist als eine erste Empfangsspule eine Lokalspule 50 angeordnet, die über eine Anschlussleitung 33 mit der Hochfrequenzeinheit 22 und deren Empfänger verbunden ist. Denkbar ist es aber auch, dass die Körperspule 14 eine erste Empfangsantenne im Sinne der Erfindung ist.
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Der Magnetresonanztomograph 1 weist eine erfindungsgemäße Sendeentstöreinrichtung 70 auf. Diese weist eine Mehrzahl an Sensoren 71 auf, die ausgelegt sind, ein Hochfrequenzsignal mit der Larmorfrequenz des Magnetresonanztomographen, insbesondere Streustrahlung eines Anregungssignals des Magnetresonanztomographen, zu erfassen und als Signal an die Sendeentstörsteuerung 72 weiterzuleiten. Dies können beispielsweise magnetische oder elektrische Antennen sein oder andere Detektoren für hochfrequente elektrische und/oder magnetische Wechselfelder sein. Die Sensoren 71 umschließen die Sendeantenne zumindest in einer Ebene, beispielsweise der horizontalen, oder vollumfänglich in alle Raumrichtungen, um eine Ausbreitung von Störstrahlung des Magnetresonanztomographen 1 in die Umgebung zu reduzieren.
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5 zeigt schematisch die relative Anordnung von Sendeantenne, Sendeentstörantennen 60 und Sensoren 71 zueinander.
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Die Darstellung ist zweidimensional. Entsprechendes ist insbesondere aber auch dreidimensional denkbar. Die Sendeentstörantennen 60 umgeben dabei die Sendeantenne als geschlossene Hülle und diese wird wiederum von einer geschlossenen oder teilweisen Hülle aus Sensoren 71 umgeben. Grundsätzlich denkbar ist es aber auch, dass die Sendeentstörantennen 60 in größerem Abstand, z.B. im Fernfeld, die Sendeantennen mit der Hülle aus Sensoren 71 umgibt.
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Die Sendeantenne, hier die Körperspule 14, ist von den Sendeentstörantennen 60 umgeben und diese wiederum von den Sensoren 71. Diese bilden einen geschlossenen Ring bzw. jeden anderen geschlossenen Kurvenzug um die Sendeantenne. Bei einer Sendeentstörung in dreidimensionale Richtung bilden die Sensoren 71 eine geschlossene Hülle bzw. Oberfläche.
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Bei einer Sendeentstörung in bestimmte Sektoren bzw. Raumrichtungen bilden die Sensoren 71 entsprechende Teilhüllen in diese Raumrichtungen, sodass die Projektion der Teilhüllen von der Sendeantenne aus diese Raumrichtungen abdecken.
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Dabei überschreitet der Abstand zwischen jeweils benachbarten Sensoren 71 nicht einen Maximalabstand, der beispielsweise kleiner als ein Viertel, ein Achtel oder ein Zehntel der Wellenlänge des Anregungssignals ist. Die Sensoren 71 erfassen dabei Feldkomponenten tangential zur einhüllenden Kurve. Aufgrund der elektromagnetischen Feldgleichungen ist es damit möglich, die Quelle der Felder im Inneren der Hülle durch bekannte virtuelle Quellen auf der Oberfläche der Hülle zu ersetzen. Mit den Sensoren 71 können so sowohl die Felder der Sendeantenne als auch der Sendeentstörantennen 60 außerhalb der Hülle aus Sensoren 71 vorhergesagt werden. Dieses Verfahren der virtuellen Quellen auf der umschließenden Oberfläche wird auch als Huygens-Box bezeichnet. Es lassen sich so auch Übertragungsfunktionen für ein bekanntes Anregungssignal an der Sendeantenne oder einer Sendeentstörantenne 60 und einem beliebigen Punkt außerhalb der Hülle aus Sensoren 71 bestimmen.
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Die Sendeentstörantenne 60 bzw. die Sendeentstörantennen 60 sind wiederum vorzugsweise in der Nähe der Sendeantenne im Patiententunnels 16, beispielsweise an, oder bei mehreren Sendeentstörantennen 71, um die Öffnung herum angeordnet. Die Sendeentstörantenne 71 liegt so auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Welle zwischen der Sendeantenne und dem Sensor 71. Entsprechendes gilt auch für mehrere Sendeentstörantennen 60.
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2 zeigt schematisch eine mögliche Ausführungsform der Sendeentstöreinrichtung 70 im Detail.
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In 2 ist zur besseren Übersicht nur ein Sensor 60 symbolisch dargestellt, die Sendeentstöreinrichtung 70 weist jedoch eine Mehrzahl an Sensoren 60 auf, wie z.B. nachfolgend in 3 oder 5 angegeben ist.
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Der Sensor 60 weist zunächst eine Antenne auf, die das elektrisches und/oder magnetische hochfrequente Wechselfeld des von der Sendeantenne ausgesendeten Pulses in einen Strom und/oder Spannung in einem Leiter wandelt. Vorzugsweise erfasst der Sensor 60 dabei Komponenten des elektromagnetischen Feldes tangential zur einschließenden Hülle, wie sie zu 5 erläutert ist. Beispielsweise kann die Antenne eine Induktionsschleife sein bzw. zwei senkrecht aufeinander stehende Schleifen zum Erfassen zweier tangentialer Komponenten aufweisen. Das so erzeugte elektrische Signal wird üblicherweise durch einen rauscharmen Vorverstärker (LNA) noch in dem Sensor verstärkt, bevor es über eine Signalverbindung zur weiteren Verarbeitung in der Sendeentstöreinrichtung 70 weitergeleitet wird.
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In der 2 ist dabei eine analoge Signalverarbeitung als beispielhafte Ausführungsform dargestellt.
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Grundsätzlich ist es das Konzept, dass ein sich in die Umgebung als elektromagnetische Welle ausbreitendes Anregungssignal durch destruktive Interferenz reduziert wird und so die Emission des Magnetresonanztomographen 1 in die Umgebung unter einem regulativen Grenzwert gehalten wird.
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Gemäß der Erfindung dient der Sensor 71 dabei als Messgerät für die Stärke der sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle der Sendeantenne und der Sendeentstörantennen 60, beispielsweise um mittels Testpulsen die Übertragungsfunktionen zu ermitteln. Die Sendeentstöreinrichtung 70 muss dann auf einem anderen Weg, z.B. wie dargestellt über eine Signalleitung von der Hochfrequenzeinheit 22 oder der Steuerung 23 eine Information über das Anregungssignal erhalten, die geeignet ist, ein Signal für eine destruktive Interferenz zu erzeugen. Dies könnte zum Beispiel das Signal sein, das in der Hochfrequenzeinheit 22 einer Endstufe zum Erzeugen des Anregungssignals zugeführt wird oder ein gedämpftes Ausgangssignal der Endstufe. Es können aber auch eine digitalisierte Form des Anregungssignals oder Parameter bzw. Signale sein, aus denen das Anregungssignal erzeugt wird und die diesen ausreichend für die Erzeugung eines Differenzsignals definieren.
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Es ist aber auch denkbar, die Information über das Anregungssignal durch einen Stromsensor, hier einem Richtkoppler am Fußpunkt der Sendeantenne, hier der Körperspule 14, zu erfassen. Der Richtkoppler erzeugt ein Signal, das zu dem Strom, der in die Sendeantenne hineinfließt, proportional ist und damit auch zu dem von der Sendeantenne erzeugten magnetischen Wechselfeld. Es ist dabei auch denkbar, zwei Richtkoppler einzusetzen, die jeweils den hineinfließenden Strom und einen reflektierten Strom erfassen, um durch Differenzbildung den Strom durch die Sendeantenne noch genauer zu erfassen. Das zum Strom proportionale Signal wird an die Sendeentstöreinrichtung 70 weitergeleitet.
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Ein skaliertes Anregungssignal wird dann beispielsweise von dem Phasensteller 73 mit einer Phasenverschiebung beaufschlagt und anschließend von dem Hochfrequenzverstärker 74 verstärkt, bevor er über die Sendeentstörantenne 60 abgestrahlt wird. Die Sendeentstörsteuerung 72 stellt dabei die Parameter, hier beispielsweise Phasenverschiebung und Verstärkung, in Abhängigkeit von dem Signal des Sensors 71 ein. Dies kann wie bereits erläutert, mittels der Übertragungsfunktionen erfolgen.
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Die Sendeentstörantennen 60 sind wiederum in der Nähe der Sendeantenne im Patiententunnels 16, beispielsweise um die Öffnung herum angeordnet. Denkbar wäre aber auch ein größerer Abstand, um eine Rückwirkung der Sendeentstörantennen 71 auf die Anregung der Kernspins zu reduzieren. Es ist aber auch denkbar, sie Sendeentstörantennen 60 in dem Inneren des Patiententunnels 16 anzuordnen.
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Eine weitere denkbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sendeentstöreinrichtung ist in 3 dargestellt.
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In der 3 sind mehrere Sensoren 71 und auch mehrere Sendeentstörantennen 60 dargestellt. Diese sind möglichst über unterschiedliche Raumrichtungen in Bezug auf die Sendeantenne, hier die Körperspule 14 verteilt, wie es bereits zu 5 dargelegt wurde. Zur Versorgung dieser Mehrzahl an Sendeentstörantennen 60 mit unterschiedlichen Signalen, wie es zur Unterdrückung der Störaussendung in unterschiedliche Richtungen erforderlich ist, weist der steuerbare Hochfrequenzverstärker 74 eine Mehrzahl an unabhängigen Verstärkerkanälen zur Verstärkung der einzelnen Signale auf.
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In der Ausführungsform in 3 weist die Sendeentstörsteuerung 72 eine Signalverarbeitungsresource auf, beispielsweise einen Digitalen Signalprozessor DSP oder ein FPGA. Die Sensoren 71 digitalisieren in dieser beispielhaften Ausführungsform die Signale bereits und reichen diese an die Sendeentstörsteuerung 72 weiter. Wie bereits beschrieben, können dabei die Phasenverschiebungen und Dämpfungs-/Verstärkungsfaktoren beispielsweise mittels der Übertragungsfunktionen ermittelt werden. Die Phasenverschiebung und Verstärkung/Dämpfung kann dann durch entsprechende digitale Rechenoperation ausgeführt werden.
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Denkbar ist es aber auch, dass diese Schritte in einer analogen Signalverarbeitung erfolgen, wobei die Mischung beispielsweise durch eine Crossbar-Matrix mit einstellbaren Kopplungen und Phasenverschiebung an Kreuzungspunkten erfolgt.
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Darüber hinaus sind in der 4 die Hochfrequenzverstärker 74 in unmittelbarer Nähe der Sendeentstörantennen 60 angeordnet und als Stromquellen ausgelegt mit gegen null gehendem Innenwiderstand, sodass die Sendeentstörantennen 60 bei gleichem Sendeentstörsignal ein weitgehend von der Antennenimpedanz unabhängiges magnetisches Wechselfeld erzeugen, auch wenn sich beispielsweise mit der Frequenz die Impedanz ändert.
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4 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb der erfindungsgemäßen Sendeentstöreinrichtung 70 in einem erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1.
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In einem Schritt S50 empfängt die Sendeentstöreinrichtung 70 eine Information über das Anregungssignal. Im einfachsten Fall kann dies das Anregungssignal selbst sein oder ein dazu proportionales Signal, beispielsweise um einen Faktor 20 dB, 40 dB, 60 dB oder mehr gedämpft. Bei vorbestimmten Anregungssignalen für bekannte Sequenzen, z.B. einen Sinc-Puls, kann es aber auch hinreichend sein, wenn als Information Skalierungsfaktor, Mittenfrequenz, Phasenbeziehung und/oder Dauer gegeben sind. Denkbar sind z.B. auch das Basisband-Signal des Anregungssignals und die Mischfrequenz.
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In einem Schritt S60 bestimmt die Sendeentstörsteuerung ein Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von der Information derart, dass bei einem Aussenden des Sendeentstörsignals über die Sendeentstörantenne eine Feldstärke des Anregungssignals an einem vorbestimmten Ort reduziert wird.
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Denkbar ist beispielsweise eine Berechnung anhand der Maxwellschen Feldgleichung und einer bekannten Geometrie, bei der aus dem bekannten Anregungssignal die Abschwächung und Phasenverschiebung des Anregungssignals beim Sensor ermittelt wird, ebenso eine Abschwächung und Phasenverschiebung. Mittels der Information über das Anregungssignal kann dann ein entsprechendes Sendeentstörsignal mit der inversen Phasenverschiebung und entsprechender Verstärkung bestimmt werden, sodass eine negative Interferenz mit einer Abschwächung größer als 6 dB, 12 dB oder mehr erzielt wird. Anschließend wird in einem Schritt S70 das Sendeentstörsignal über die Sendeentstörantenne 60 ausgesendet.
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Wie bereits dargestellt, ermöglicht es die Anordnung der Sensoren 71 auf einer Hülle um die Sendeantenne und die Erfassung der Felder durch die Sensoren 71, im Sinne einer Huygens-Box die Feldquelle im Inneren der Hülle durch eine virtuelle Quelle auf der Hülle zu ersetzen und so Veränderungen beispielsweise durch den Patienten mit zu erfassen und zu berücksichtigen.
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Es ist aber auch denkbar, dass anstelle der Berechnung in einem Schritt S10 Aussenden ein Testpuls mit dem Sender über die Sendeantenne ausgesendet wird und anschließend in einem Schritt S20 eine durch den Testpuls hervorgerufenen Feldstärke durch die Sensoren 71 erfasst wird. Die Sensoren 71 können beispielsweise die elektrische oder die magnetische Komponente erfassen. Vorzugsweise erfassen die Sensoren 71 wie bereits zu 5 erläutert dabei Komponenten der Felder, die tangential zur virtuellen Hülle ausgerichtet sind, auf der die Sensoren 71 angeordnet sind.
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Schließlich wird in einem Schritt S30 mittels der bekannten Eigenschaften des Testpulses und der mittels der Sensors 71 erfassten Eigenschaften eine Übertragungsfunktion zwischen Sendeantenne einem vorbestimmten Punkt im Fernfeld außerhalb der Hülle aus Sensoren 71 durch die Sendeentstöreinrichtung 70 bestimmt. Vorzugsweise werden zumindest Verzögerung, d.h. die Phasenverschiebung und die Dämpfung ermittelt. Dies kann wie bereits erläutert mittels der sogenannten Huygens-Box erfolgen.
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Schließlich wird in einem Schritt S60 das Sendeentstörsignal in Abhängigkeit von der Übertragungsfunktion ermittelt. Dies kann, wie bereits zur Berechnung dargelegt, mit der durch den Testpuls bestimmten Übertragungsfunktion durch eine entsprechende inverse Phasenverschiebung und Verstärkung, bzw. allgemeiner durch die inverse Übertragungsfunktion erreicht werden.
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Das Bestimmen der Übertragungsfunktion bzw. Übertragungsfunktionen durch einen Testpuls erlauben es, auch Bedingungen zu erfassen, die der Berechnung nicht zugänglich sind, da beispielsweise die Eigenschaften des Patienten nur teilweise bekannt sind.
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Denkbar ist es auch, dass auf gleiche Weise eine Übertragungsfunktion zwischen einer oder mehreren Sendeentstörantennen 60 und einem und einem vorbestimmten Ort im Fernfeld bestimmt wird. Es sind dann verschiedene Variationen des Verfahrens denkbar. Beispielsweise kann das Sendeentstörsignal unmittelbar aus den Übertragungsfunktionen und der Information über das Anregungssignal bestimmt werden. Dabei ist es möglich, dass die Übertragungsfunktion bzw. Übertragungsfunktionen einmal bei der Installation des Magnetresonanzsystems 1 bestimmt werden. Vorzugsweise erfolgt das Bestimmen aber zumindest jeweils vor einer Bilderfassung, um die Veränderung durch den Patienten zu berücksichtigen.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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