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Die
Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einem auf einem Bezugspotential
liegenden Hochfrequenzschirm, einer Verstimmschaltung und einer
ersten elektrischen Leitung, welche mit der Verstimmschaltung verbunden
ist.
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Moderne
Magnetresonanzgeräte
(MR-Geräte)
arbeiten in der Regel mit mehreren verschiedenen Antennen (im Folgenden
auch Spulen genannt) zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen (HF-Pulsen) zur
Kernresonanzanregung und/oder zum Empfang der induzierten Magnetresonanzsignale. Üblicherweise
besitzt ein MR-Gerät eine größere, in
der Regel fest im Gerät
eingebaute so genannte Ganzkörperspule,
auch Body Coil (BC) genannt, sowie mehrere kleine Lokalspulen (Local
Coil, LC), auch Oberflächenspulen
genannt. Die Lokalspulen dienen im Gegensatz zu der Ganzkörperspule
zur detaillierten Abbildung von Körperteilen bzw. Organen eines
Patienten, die sich verhältnismäßig nah
an der Körperoberfläche befinden.
Zu diesem Zweck werden die Lokalspulen direkt an der Stelle des
Patienten appliziert, an der sich der zu untersuchende Bereich befindet.
Bei einem Einsatz einer solchen Lokalspule wird in vielen Fällen mit
der im MR-Gerät
fest eingebauten Ganzkörperspule
(als Sendespule) gesendet und mit der Lokalspule (als Empfangsspule)
werden die induzierten MR-Signale empfangen. Damit die Spulen nicht
miteinander Wechselwirken, ist es notwendig, die Empfangsspule in
der Sendephase und die Sendespule in der Empfangsphase zu verstimmen.
Beim Verstimmen wird die Eigenresonanzfrequenz der jeweiligen Antenne
derart verstellt, dass sie nicht mehr im Bereich der Arbeits-MR-Frequenz
liegt. Eine auf diese Art verstimmte Antenne verhält sich
im Idealfall neutral, d.h. sie ist für die von der anderen Spule
ausgesandten HF-Pulse bzw. für
die induzierten MR-Signale transparent. Sofern permanent zwischen
zwei verschiedenen Antennen hin- und hergeschaltet wird, nennt man
diese vorüber gehende
Verstimmung in der Sendephase bzw. der Empfangsphase eine "dynamische Verstimmung". Darüber hinaus
kann aber eine Spule auch dauerhaft verstimmt werden, sofern nur
mit einer anderen Spule gearbeitet werden soll. Eine solche "statische Verstimmung" ist insbesondere
in den Fällen
nötig,
wenn eine sendefähige Lokalspule
verwendet wird, die sowohl die Sende- als auch die Empfangsfunktion übernimmt.
Da die im MR-Gerät
fest eingebaute größere Ganzkörperspule während der
bildgebenden Messung physikalisch nicht entfernt werden kann, wird
sie durch die Verstimmung elektrisch deaktiviert.
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Als
Ganzkörperspule
werden vielfach Magnetresonanzantennen verwendet, die eine so genannte
Birdcage-Struktur aufweisen. Eine solche Antenne weist eine Mehrzahl
von auf einer zylinderartigen Oberfläche angeordneten, parallel
laufenden Antennen-Längsstäben auf,
die endseitig jeweils durch einen Antennen-Endring hochfrequenzmäßig untereinander
verbunden sind. Die Antennen-Längsstäbe und Antennen-Endringe
können
prinzipiell in beliebiger Form ausgebildet sein. In vielen Fällen handelt
es sich um Leiterbahnen, welche auf einer flexiblen Leiterbahnfolie
aufgebracht sind, die zylinderförmig
um den Messraum, in dem sich das Untersuchungsobjekt während der
Untersuchung befindet, gewickelt sind. Bei einer Ganzkörperspule
verläuft
die Birdcage-Struktur um den Patientenaufnahmeraum, in welchem der
Patient während
der Messung gelagert wird. Bei Lokalspulen in Form einer Birdcage-Struktur
dient der Messraum zur Aufnahme des Kopfes oder anderer Extremitäten eines
Patienten, um genau diesen Bereich zu untersuchen.
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Zur
Verstimmung solcher MR-Antennen mit einer Birdcage-Struktur gibt
es prinzipiell verschiedene Möglichkeiten.
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Sofern
die Feldstärke
des Grundmagnetfelds (im Folgenden auch B0-Feld genannt) der Magnetresonanzanlage
unterhalb von zwei Tesla liegt, ist eine Verstimmung sehr gut über die
Hochfrequenzspeiseleitung möglich.
Dabei wird zum Verstimmen der Antenne mittels eines geeigneten Schaltelements,
beispielsweise einer PIN-Diode oder eines Relais, ein Kurzschluss
am spulenfernen Ende der Speiseleitung erzeugt. Dieser Kurzschluss
wird über
die Speiseleitung zum Speisepunkt, d.h. dem Anschlusspunkt, an dem
die Speiseleitung an der Antenne angeschlossen ist, übertragen.
Die dadurch erreichte Verstimmung reicht aus, um die Verkopplung
mit der jeweils anderen aktiven Antenne zu unterdrücken. Der
Vorteil einer solchen spulenfernen Verstimmung liegt darin, dass
eine Zuleitung des für
die Schaltelemente notwendigen Gleichstroms sich leicht realisieren
lässt,
da aufgrund der großen
Entfernung keine Wechselwirkung des Schalt-Gleichstroms mit den hohen
statischen und hochfrequenten Feldern in der unmittelbaren Umgebung
der Antenne zu erwarten ist.
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Bei
höheren
B0-Feldstärken
hat sich die spulenferne Verstimmung jedoch nicht bewährt. In
diesen Fällen
ist es notwendig, die Verstimmelemente unmittelbar in die Struktur
der Antenne einzubauen. Bei der Verstimmung einer Antenne mit einer
Birdcage-Struktur kann dies entweder dadurch geschehen, dass die
Antennen-Endringe oder die Antennen-Längsstäbe oder beide verstimmt werden.
Bei einer solchen Verstimmung wird im Allgemeinen mittels eines
geeigneten Hochfrequenz-Schaltelements eine resonante Induktivität unterbrochen
oder eine resonante Kapazität überbrückt, d.h.
kurzgeschlossen. Als HF-Schaltelemente werden heutzutage in der
Regel Schaltdioden, beispielsweise PIN-Dioden, verwendet, da diese
in der Lage sind, hochfrequenzmäßig sowohl
hohe Ströme
als auch hohe Spannungen auszuhalten, und zudem mit der ausreichenden Geschwindigkeit
geschaltet werden können.
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Eine
Endring-Verstimmung bei einer Birdcage-Struktur ist insofern vorteilhaft,
weil von außen ein
leichter Zugriff auf die Verstimmelemente, d. h. die HF-Schaltelemente,
möglich
ist, so dass entsprechend problemlos die erforderlichen Gleichstromzuleitungen
verlegt werden können.
Aus hochfrequenzmäßiger Sicht
ist eine solche Endring-Verstimmung in einer Birdcage-Struktur aber
nicht die optimale Lösung.
Aus der Praxis sind daher bereits Antennen mit Birdcage-Strukturen
bekannt, bei denen die Hochfrequenz-Schaltelemente innerhalb der
Längsstäbe, d.h.
der Längsinduktivitäten, angeordnet
sind, mit denen die betreffenden Längsstäbe unterbrochen werden können und
somit die gesamte Stabstruktur verstimmt werden kann. Dabei wird
jedes HF-Schaltelement von außen,
d.h. von außerhalb
der Birdcage-Struktur, individuell mit den notwendigen Gleichstromsignalen
gespeist. Der große
Nachteil hierbei besteht darin, dass diese Zuleitungen durch die
resonante Struktur verlegt werden müssen, ohne dass die Antenne
in ihrer Hochfrequenzfunktion gestört wird. Daher muss jede einzelne
Gleichstromzuleitung einzeln verdrosselt und entkoppelt werden, wobei
spezielle, sehr aufwändig
gefertigte Leitungen verwendet werden. Abgesehen von der Tatsache, dass
die Platzverhältnisse
im Inneren der resonanten Struktur beengt sind und nur schwer zugängliche Bauteile
für die
Drosselung und Entkoppelung aufnehmen können, ist dieser Aufbau aufgrund
seines hohen Fertigungsaufwands sehr kostspielig.
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Aus
der
DE 44 22 069 C1 ist
eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Hochfrequenz-Schaltdiode
bekannt, bei der eine Diode elektrisch antiparallel zu der Hochfrequenz-Schaltdiode angeordnet
ist. Dadurch ist aus einem von der Hochfrequenz-Schaltdiode zu schaltenden
Hochfrequenzstrom ein Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode
erzeugbar. Elektrisch in Reihe zu der Diode ist ein kapazitives
Element angeordnet. Das kapazitive Element ist mit einem über einen Steuereingang
elektrisch steuerbaren Schalter überbrückt. Eine
Steuereinheit ist mit dem Steuereingang verbunden. Die Steuereinheit
gibt ein Einschaltsignal an den steuerbaren Schalter wodurch die
Diode das Steuersignal zum Einschalten der Hochfrequenz-Schaltdiode
erzeugen kann.
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Aus
der
DE 44 14 371 A1 ist
ein Magnetresonanzgerät
bekannt, bei dem zwischen einer Hochfrequenzantenne und einem Gradientenspulensystem des
Magnetresonanzgeräts
ein Hochfrequenzschirm angeordnet ist, der so ausgebildet ist, dass
er für die vom
Gradientenspulensystem erzeugten elektromagnetischen Felder im Niederfrequenzbereich
durchlässig
und für
die von der Hochfrequenzantenne erzeugten Felder im Hochfrequenzbereich
undurchlässig
ist. Dabei umfasst der Hochfrequenzschirm eine erste und dazu eine
gegenüberliegend
angeordnete zweite elektrisch leitfähige Schichtanordnung, die durch
ein Dielektrikum voneinander getrennt sind, wobei die Schichtanordnungen
nebeneinander angeordnete Leiterbahnen umfassen, die voneinander durch
elektrisch isolierende Schlitze getrennt sind, die Schlitze in der
ersten Schichtanordnung gegenüber
deren in der zweiten versetzt angeordnet sind und in mindestens
einer Schichtanordnung benachbarte Leiterbahnen über hochfrequente Ströme leitende,
speziell angeordnete Brücken,
umfassend beispielsweise Kondensatoren, miteinander verbunden sind.
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Aus
DE 102 28 827 A1 ist
eine Hochfrequenzstruktur mit einem Krafterzeuger bekannt. Der Krafterzeuger
kann eine vorgebbare Form der Hochfrequenzstruktur einstellen. Dazu
werden beispielsweise in einer Ausführungsform Aktoren über eine Elektrodenstruktur
angesteuert, die beispielsweise als Kupferbahn ausgebildet und gleichzeitig
als Antennenleiter zum Senden von Hochfrequenzsignalen und zum Empfangen
von Magnetresonanzsignalen genutzt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Magnetresonanzgerät mit einer
elektrischen Einheit, beispielsweise einer Verstimmschaltung des
Magnetresonanzgeräts,
anzugeben, welche auf einfache Weise elektrisch versorgt wird, ohne
einen größeren störenden Einfluss
auf das Magnetfeld im Magnetresonanzgerät auszuüben.
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Diese
Aufgabe wird bezogen auf das eingangs erwähnte Magnetresonanzgerät dadurch
gelöst,
dass die erste elektrische Leitung als Bandleiter ausgebildet und
auf dem Hochfrequenzschirm angebracht ist. Dies hat den Vorteil,
dass keine weiteren Maßnahmen
erforderlich sind, um die Einkopplung von HF- Störungen
auf die Gleichstromversorgung zu unterdrücken bzw. um Störungen der
Gleichstromversorgung auf das Magnetfeld zu reduzieren. Der Bandleiter
kann beispielsweise zur Gleichstromzuführung einer Verstimmschaltung
der MR-Geräts
verwendet werden. Da er sehr nahe am Hochfrequenzschirm, welcher
meist auf Masse liegt, liegt, können nur
sehr wenige Magnetfeldlinien zwischen dem Schirm und dem Leiter
durchdringen, so dass kaum Störungen
induziert werden können.
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Üblicherweise
weist der Bandleiter einen Isolationsmantel auf, der zwischen einem
Leiter des Bandleiters und dem Hochfrequenzschirm liegt und beide
voneinander isoliert.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Magnetresonanzgeräts
liegt zwischen einem Leiter des Bandleiters und dem Hochfrequenzschirm
nur ein Isolationsmantel des Bandleiters.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bilden der Bandleiter
und der Hochfrequenzschirm eine Art Kondensator zur Hochfrequenzerdung
der elektrischen Leitung. Durch den geringen Abstand und die vergleichsweise
große
Fläche zwischen
Bandleiter und Hochfrequenzschirm ist die kapazitive Kopplung bei
der Magnetresonanzbetriebsfrequenz so groß, dass dies einer HF-Erdung der
Zuführung
entspricht.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Hochfrequenzschirm
im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet und der Bandleiter ist
parallel zur Zylinderachse auf der Innenwand des Hohlzylinders angebracht.
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In
einer Weiterbildung umfasst die elektrische Leitung einen im Wesentlichen
der Form des Hochfrequenzschirms folgenden Verteilungsring, der insbesondere
mit azimutal verteilten Teilverstimmschaltungen der Verstimmschaltung
verbunden ist. Ein Vorteil eines derartigen auf dem Hochfrequenzschirm
aufgebrachten Verteilungsrings liegt darin, dass ein eventuell vorhandener
Feldabstrahlbereich einer Hochfrequenzantenne nicht durch einen
in diesem Bereich angebrachten Verteilungsring gestört wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist eine zweite elektrische Leitung in Form eines Bandleiters, welcher
in umgekehrter Richtung stromdurchflossen ist und parallel zum ersten
Bandleiter auf dem Hochfrequenzschirm aufgebracht. Diese Art der Stromversorgung
führt zu
einer Feldkompensation der fließenden
Gleichströme,
so dass keine Beeinflussung des Mag netfeldes erfolgt. Die beiden
Leitungen können
nebeneinander oder auch aufeinander verlegt werden, wodurch eine
besser Kompensation der durch die Ströme erzeugten magnetischen Felder
erfolgt.
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Die
Versorgung von mehreren (Teil-)Verstimmschaltungen eines Birdcage-Resonators
führt zu
einer optimalen Verstimmwirkung, da mehrere Stäbe aufgetrennt durch mindestens
eine elektrische Leitung angesteuert werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt die Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 4. Es zeigen
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Magnetresonanzgerät
mit einem Bandleiter als elektrische Leitung,
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
ein Magnetresonanzgerät
mit zwei Bandleitern,
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3 einen
Querschnitt durch ein Magnetresonanzgerät mit einer konventionellen
Antennenanordnung und
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4 einen
Längsschnitt
durch ein Magnetresonanzgerät
mit einer in eine Gradientenspule integrierte Hochfrequenzantenne.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch ein Magnetresonanzgerät 1 mit
einem Grundfeldmagneten 3, einer Gradientenspule 5,
einem Antennenleiter 7 und einem Hochfrequenzschirm 9.
Auf dem Hochfrequenzschirm 9 ist ein Bandleiter 11 geklebt,
der einer oder mehreren in den Antennenleiter 7 integrierten Verstimmschaltungen 13A, 13B als
elektrische Zuleitung dient.
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Die
Verstimmschaltungen 13A, 13B weisen eine oder
mehrere PIN-Dioden
auf, die während
beispielsweise des Sendens mit einem Gleichstrom bestromt und damit
niederohmig geschaltet werden. Beim Empfangen oder auch beim Senden
mit Lokalspulen werden die Dioden in Sperrrichtung betrieben, d.h.
es wird eine Sperrspannung angelegt, die die PIN-Diode hochohmig
schaltet. Stellvertretend wurde eine PIN-Diode in die Verstimmschaltungen 13A, 13B schematisch
aufgenommen.
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Die
mit PIN-Dioden arbeitende Verstimmschaltungen 13A, 13B benötigen demnach
eine Gleichstrom-/Gleichspannungszufuhr, die erfindungsgemäß über den
flachen Bandleiter 11 erfolgt, der z.B. direkt auf den
Hochfrequenzschirm 9 aufgeklebt ist.
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Der
Bandleiter 11 verläuft
in axialer Richtung des zylinderförmig ausgebildeten HF-Schirms 9.
Der Bandleiter 11 ist mit einer Gleichstrom-Gleichspannungsquelle 14 verbunden.
Der Bandleiter 11 ist z.B. durch einen Isolationsmantel
vom geerdeten Hochfrequenzschirm 9 elektrisch isoliert.
Durch den geringen Abstand zwischen einem Leiter des Bandleiters 11 und
dem Hochfrequenzschirm 9 und durch die vergleichsweise
große
Fläche
zwischen Bandleiter 11 und Hochfrequenzschirm 9 entsteht
eine große kapazitive
Kopplung bei der Magnetresonanzbetriebsfrequenz. Dies entspricht
einer Hochfrequenzerdung des Bandleiters 11. Der Bandleiter 11 liegt sehr
nahe am Hochfrequenzschirm 9, so dass nur sehr wenige Magnetfeldlinien
zwischen dem Hochfrequenzschirm 9 und dem Bandleiter 11 durchdringen
können.
Entsprechend können
kaum Störungen im
Bandleiter 11 induziert werden.
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Die
Verteilung des Stroms auf die Verstimmschaltungen 13A, 13B der
einzelnen Antennenleiter 7, 7' erfolgt durch einen Verteilungsring 15,
der vorzugsweise ebenfalls von einem flachen Bandleiter gebildet
wird und auf dem Hochfrequenzschirm aufgeklebt ist. Diese Anordnung
hat den Vorteil, dass keine weiteren Maßnahmen erforderlich sind,
um die Einkopplung von Hochfrequenzstörungen auf die Gleichstromversorgung
der Verstimmschaltungen 13A, 13B zu unterdrücken.
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Die
Ausführungsform
in 1 zeigt eine weitere Besonderheit, die darin liegt,
dass der Hochfrequenzschirm 9 geerdet und ebenfalls mit
den Verstimmschaltungen 13A, 13B verbunden ist.
Die Gleichstromversorgung der Verstimmschaltungen 13A, 13B setzt
sich somit aus dem Bandleiter 11, der mit der Gleichstrom/Gleichspannungsquelle 14 verbunden
ist, und aus dem geerdeten Hochfrequenzschirm zusammen.
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2 zeigt
eine zweite ähnliche
Ausführungsform
eines Magnetresonanzgeräts 1A,
bei dem eine Gleichstrom/Gleichspannungsquelle 17 über zwei
Bandleiter 11A und 11A' mit mehreren azimutal verteilte
Verstimmschaltungen 13C, ... 13F elektrisch verbunden
ist. Jeder axial verlaufende Bandleiter 11A, 11A' setzt sich
als Verteilungsring 15A bzw. 15A' fort, so dass die Verstimmschaltungen 13C,
... 13F mit der gleichen Gleichspannung bzw. dem gleichen
Gleichstrom versorgt werden können.
Diese Art der Zuführung
kompensiert die Felder der Gleichströme durch die Bandleiter 11A, 11A' und Verteilungsringe 15A, 15A', so dass keine
Beeinflussung des statischen Magnetfelds erfolgt.
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In 2 ist
zusätzlich
der Aufbau und die Verteilung der Gleichstromzuführung auf die (Teil-)Verstimmschaltungen 13C,
... 13F dargestellt. Die beiden Bandleiter 11A, 11A' verlaufen axial
im zylindrisch aufgebauten Magnetresonanzgerät entlang des Hochfrequenzschirms 9A,
der zweigeteilt ist. Eine mittige ringförmige Aussparung 16 erlaubt ein
Durchtreten von Magnetfeldlinien, die durch die Antennenleiter 7A, 7A' ... erzeugt
werden. Die Anordnung der Bandleiter 11A, 11A' und der Verteilungsringe 15A, 15A' auf dem Hochfrequenzschirm 9A führt zu keiner
Einschränkung
der Aussparung 16 im Hochfrequenzschirm 9A und
damit zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung des Magnetfelds.
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Die
verwendeten Bandleiter sind beispielsweise einen Zentimeter breit
und einen halben Millimeter dick. Die Länge entspricht in etwa einer
Hälfte des
Hochfrequenzschirms und liegt beispielsweise in der Größenordnung
eines halben Meters. Die Aussparung 16 liegt in der Größenordnung
von 10 cm.
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3 verdeutlicht
einen möglichen
Aufbau eines MR-Geräts
mit einer konventionellen Antennenanordnung und einer Gleichstrom/Gleichspannungszufuhr
gemäß der Erfindung.
In diesem Querschnitt besteht ein Magnetresonanzgerät 1B radial von
außen
nach innen aus dem Grundfeldmagneten 3B der Gradientenspule 5B,
dem Hochfrequenzschirm 9B und mehreren Antennenleitern 7B, 7B', .... Schematisch
ist die Verbindung für
zwei Gleichstromzuführungen
zu den Antennenleitern 7B, 7B' skizziert. Im Fall des Antennenleiters 7B liegen
zwei Bandleiter 11B der Gleichstromzuführung nebeneinander auf dem
Hochfrequenzschirm 9B und im Fall des Antennenleiters 7B' liegen zwei
Bandleiter 11B' der
Gleichstromzuführung
aufeinander. Beide Möglichkeiten
führen
zu einer guten Feldkompensation der Gleichströme. Bevorzugt werden die Anordnungen
innerhalb eines Magnetresonanzgeräts einheitlich verwendet werden.
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4 zeigt
am Beispiel einer Gradientenspule 31, in die eine Hochfrequenzantenne 33 integriert
ist, eine erfindungsgemäße Gleichstromzuführung. In
die Hochfrequenzantenne 33 ist eine schematisiert dargestellte
Verstimmschaltung, bestehend aus Kondensatoren 35, 37 und
einer dazwischen geschalteten PIN-Diode 39, integriert.
Die Diode 39 wird durch zwei Bandleiter-DC-Zuführungen 11C, 11C' angesteuert.
Eine Besonderheit der Anordnung in 4 liegt
darin, dass die Hochfrequenzantenne 33 und der Hochfrequenzschirm
elektrisch leitend verbunden sind, quasi eine elektrische Komponente
bilden. Um die Resonanzstruktur der Antenne 33 zu verstimmen,
wird die Diode 39 mit einer Sperrspannung, z.B -30 V, belegt.
Im Sende- oder Empfangsfall wird die Diode mit einem Strom, z.B.
300mA, versorgt. Zwei Drosselspulen 45, 47 dienen
der Hochfrequenzentkopplung des Gleichstrompfads. Zusammen mit den
Kondensatoren 35, 37 bewirken sie eine Trennung
des Gleichstrompfads vom Hochfrequenzpfad, und ihr ohmscher Widerstand
bewirkt im Fall von mehreren Verstimmschaltungen eine entsprechende
Stromaufteilung.
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Für die Verstimmung
einer Birdcage-ähnlichen
Antenne für
ein zirkular polarisiertes HF-Feld sind mindestens zwei Verstimmschaltungen
für zwei Antennenleiter
nötigt,
die um vorzugsweise 90° azimutal
zueinadner angeordnet sind. Vorzugsweise werden alle Antennenleiter
verstimmt. Die gemeinsame Ansteuerung erfolgt beispielsweise mithilfe
eines oder mehrerer Verteilungsringe entsprechend den 1 bzw. 2.