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Die
Erfindung betrifft ein Verstimmschaltungseinheit für Antennen
in einem Magnetresonanzgerät.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter anderem zum
Gewinnen von Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät (MR-Gerät) einem
statischen Grundmagnetfeld B0, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt
wird, schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder überlagert.
Zum Auslösen
von MR-Signalen umfasst das MR-Gerät ferner beispielsweise eine
Ganzkörper-Hochfrequenzantenne
(HF-Antenne), die HF-Signale, das so genannte B1-Feld, in das Untersuchungsobjekt
einstrahlt. Mithilfe dieser Antenne oder weiterer Lokalantennen
können
die ausgelösten
Magnetresonanzsignale aufgenommen werden und zu einem Magnetresonanzbild
verarbeitet werden.
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In
der MR-Tomographie werden üblicherweise
Antennen-Arrays verwendet. Ein Antennen-Array weist dabei mehrere
einzelne Spulenelemente auf. Ein Beispiel für ein Antennen-Array ist eine
Wirbelsäulenoberflächeneinheit,
auch Spine-Array genannt. Bei einem derartigen Antennen-Array mit
beispielsweise acht Reihen a drei Spulenelemente decken beispielsweise
vier Reihen (zwölf
Spulenelemente) das maximale Aufnahmevolumen (Field of View, FOV)
ab.
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Werden
Spulenelemente nicht benötigt,
werden sie mithilfe von Verstimmschaltungen in ihrer Resonanzfrequenz
verstimmt. Beispielsweise werden Empfangsantennen während des
Sendevorgangs und Sendeantennen während des Empfangsvorgangs
inaktiv geschaltet. Die Ansteuerung einer derartigen Verstimmschaltung
belegt meist eine Steuersignalleitung im Stecker der Antenneneinheit.
Bei konventionellen Verstimmschaltungen wird üblicherweise vom MR-Gerät im verstimmten
Zustand (inaktiver Zustand) ein gewisses Durchlassstrom durch eine
PIN-Diode zur Verfügung
gestellt. Im aktiven Fall, d.h. ohne Verstimmung, wird eine gewisse Sperrspannung
an der PIN-Diode angelegt.
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Aus
JP 08-187 235 A sowie aus der
EP 1 122 550 A1 ist die Verstimmung von mehreren
Antennen mit Hilfe von in Serie geschalteteten Dioden bekannt.
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Neben
dem Senden mithilfe der oben erwähnten
Ganzkörperantenne
kann auch mithilfe eines lokalen Antennen-Arrays ein B1-Magnetfeld räumlich gut
lokalisiert eingestrahlt werden.
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Ein
Problem bei der Verwendung von mehreren Spulenelementen in einer
Antennen-Array liegt darin, dass die Anzahl der zur Verstimmung
bereitstehenden Steuersignalleitungen begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute extern
ansteuerbare Verstimmschaltungseinheit anzugeben, die es erlaubt, mehrere
Spulenelemente gemeinsam anzusteuern.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Verstimmschaltungseinheit nach Anspruch 1. Die Verstimmschaltungseinheit
für Antennen
eines Magnetresonanzgeräts
weist mit mindestens zwei identischen Verstimmmodulen, die in einer Kaskadenschaltung
angeordnet und mit einem Steuersignal einer Steuersignalquelle gleichzeitig
ansteuerbar sind, und mit Mitteln zum Abschluss eines letzten der
Verstimmmodule in der Kaskadenschaltung auf. Die Verstimmmodule
sind jeweils mit einer der Antennen verbindbar, wobei die Antennen
z.B. Spulenelemente einer Lokalantenneneinheit, die über ein Kabel
mit einem Magnetresonanzgerät
verbindbar sind, oder fest eingebaute und verbundene Antenneneinheiten
sein können.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Verstimmschaltungseinheit
in Modulen aufgebaut ist, die identisch sind und somit flexibel
in der Kaskadenschaltung angeordnet werden können. So ermöglicht die
Erfindung die Verwendung ei ner beliebigen Anzahl von Verstimmmodulen
in der Kaskadenschaltung, wobei die Verstimmmodule vorzugsweise
mit einem identischen, zumindest im Wesentlichen nicht veränderten
Steuersignal angesteuert werden.
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In
einer Weiterbildung weist jedes der Verstimmmodule einen HF-Schalter
auf, wobei die HF-Schalter in einem ersten Betriebszustand der Verstimmschaltungseinheit
seriell und in einem zweiten Betriebszustand parallel geschaltet
sind. Vorzugsweise wird als HF-Schalter eine PIN-Diode verwendet.
PIN-Dioden haben
den Vorteil, dass sie sehr schnelle Hochfrequenzschalter mit Mikrosekundenschaltzeiten
darstellen. Sie weisen bei einem Gleichstrom einen für Hochfrequenzsignale
leitenden Zustand und bei einer Sperrgleichspannung einen für Hochfrequenzsignale
sperrenden Zustand auf. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die
Steuersignalquelle eine Gleichspannung-/Gleichstromquelle ist.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Verstimmschaltungseinheit
weist jedes der Verstimmmodule einen ersten und einen zweiten Antennenanschluss
zur Verbindung mit jeweils einer der Antennen, einen Kaskadenausgang
und einen Steuersignalausgang auf, wobei die Antennenanschlüsse über die
PIN-Diode elektrisch verbunden sind, wobei der zweite Antennenanschluss
einerseits über
eine zur PIN-Diode entgegengerichtete erste Diode mit dem Steuersignalausgang
elektrisch verbunden ist und andererseits über ein Schaltelement, insbesondere
einen Transistor, mit dem Kaskadenausgang elektrisch verbunden ist
und wobei das Schaltelement zur Ansteuerung über das Steuersignal ausgebildet
ist. Vorzugsweise ist das Schaltelement ein DC-Schaltelement, das
z.B. über
die Gleichspannung-/Gleichstromquelle zur Ansteuerung der PIN-Dioden
ansteuerbar ist.
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Diese
Weiterbildung weist als Vorteil auf, dass das Verstimmmodul eine
minimale Anzahl von Anschlüssen
aufweist und dadurch wenig Platz auf einer die Verstimmmodule verbindenden
Flachbaugruppe aufgrund einer kompakten und einfachen Verschaltungsmöglichkeit
einnimmt. Die geringe Anzahl von An schlüssen wird durch eine Mehrfachbelegung
der Anschlüsse
möglich,
wobei z.B. einer der Antenennanschlüsse zusätzlich als Kaskadeneingang
und überdies,
im Fall des ersten Verstimmmoduls in der Kaskade, als Steuersignaleingang
verwendet wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist, das letzte Verstimmmodul
der Kaskadenschaltung ausgenommen, der Kaskadenausgang eines jeden
der Verstimmmodule über
eine Kaskadenverbindung jeweils mit dem ersten Antennenanschluss
eines in der Kaskadenschaltung folgenden Verstimmmoduls elektrisch
verbunden. Dies ist ein Beispiel für eine vorteilhafte Mehrfachbelegung
eines Anschlusses in der Kaskadenschaltung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist als Mittel zum Abschluss
beim letzten Verstimmmodul der zweite Antennenanschluss mit dem
Steuersignalausgang elektrisch verbunden. Dies hat den Vorteil,
dass die identischen modularen Verstimmmodule verwendet werden können und
nur das letzte der Verstimmmodule diese externe Verbindung als externe
Beschaltung aufweist.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Antennenanschluss
eines ersten der Verstimmmodule in der Kaskadenschaltung mit einem
ersten Anschluss der Steuersignalquelle verbindbar und der Steuersignalausgang
eines jeden der Verstimmmodule ist mit einem zweiten Anschluss der
Steuersignalquelle oder mit Erdpotential elektrisch verbindbar.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist bei jedem der Verstimmmodule der erste Antennenanschluss über eine
zweite Diode mit dem Kaskadenausgang elektrisch verbunden, wobei
die zweite Diode als Reihenschaltung mit der PIN-Diode betrachtet in
der gleichen Richtung der PIN-Diode geschaltet ist, und das Schaltelement
ist zur Ansteuerung über
das Steuersignal mit dem ersten Antennenanschluss verbunden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
weist jedes der Verstimmmodule einen Steuersignaleingang auf, der über eine
zweite Diode mit dem ersten Antennenanschluss elektrisch verbunden ist,
wobei die zweite Diode als Reihenschaltung mit der PIN-Diode betrachtet
entgegengesetzt zur Richtung der PIN-Diode geschaltet ist, und das
Schaltelement ist zur Ansteuerung über das Steuersignal mit dem
Steuersignaleingang verbunden.
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In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
sind die Steuersignaleingänge
eines jeden der Verstimmmodule miteinander elektrisch verbunden und
der Steuersignaleingang des ersten Verstimmmoduls ist mit dem ersten
Antennenanschluss des ersten Verstimmmoduls elektrisch verbunden.
Zusätzlich
zum letzten der Verstimmmodule in der Kaskadenschaltung wird somit
auch das erste der Verstimmmodule von außen beschaltet.
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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 zwei Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 4. Es zeigen:
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1 eine
beispielhafte Verstimmschaltungseinheit, die mehrere identische
Verstimmmodule mit jeweils vier Anschlüssen aufweist und bei der eine
als HF-Schalter fungierende PIN-Diode in jedem Verstimmmodul sperrt,
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2 die
Verstimmschaltungseinheit aus 1, wobei
die PIN-Dioden bestromt sind,
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3 eine
Verstimmschaltungseinheit mit Verstimmmodulen, die fünf Anschlüsse aufweisen, wobei
wie in 1 die PIN-Dioden eines jeden der Verstimmmodule
mit einer Sperrspannung versorgt sind, und
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4 die
Verstimmschaltungseinheit aus 3, wobei
die PIN-Dioden bestromt sind.
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Die
folgenden dargestellten beispielhaften Verstimmschaltungseinheiten
nach der Erfindung entsprechen allgemein Vervielfacher-Schaltungen von
PIN-Diodensteuersignalen. Da jede der PIN-Dioden zugleich Teil eines
Hochfrequenzpfades einer Antenne und eines Gleichstrompfades zur
Ansteuerung ist, erfolgt eine in den Figuren nicht angegebene Entkopplung
der beiden Pfade über
Kondensatoren und Induktivitäten.
Vorzugsweise werden die verschiedenen identischen Verstimmmodule
der Verstimmschaltungseinheit auf einer Trägerflachbaugruppe angebracht
und über
diese miteinander verschaltet bzw. mit den Antennen und der Steuersignalquelle
verbunden.
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Im
Fall der eingangs erwähnten
Wirbelsäulenspuleneinheit
umfasst eine Verstimmschaltungseinheit beispielsweise drei Verstimmmodule,
die jeweils mit einem der drei Spulenelemente der acht Reihen verbunden
sind.
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In 1 wird
beispielhaft eine Verstimmschaltungseinheit 1 mit mehreren
(vier eingezeichneten) identischen Verstimmmodulen 3A,
...3D schematisch dargestellt. Die Verstimmschaltungseinheit 1 ist
mit einem ersten und einem zweiten Eingang 5A, 5B einer
Steuersignalquelle verbunden. Im dargestellten Fall liegt der erste
Anschluss 5A auf negativer Spannung, beispielsweise –30V, und
der zweite Anschluss 5B ist geerdet.
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Jedes
der Verstimmmodule 3A, ...3D ist mit einer schematisch
dargestellten Antenne 7A, ... verbunden. D.h., jede der
Antennen 7A, ... ist mit einem ersten und einem zweiten
Antennenanschluss 11A, ...13A, ... eines der Verstimmmodule 3A,
...3D verbunden. Die Antennen 7A, ... können mithilfe
der Verstimmmodule 3A, ...3D, die zwei Betriebszustände aufweisen,
in den Resonanzfrequenzen der dazugehörigen Antennenschwingkreises
gestimmt oder verstimmt werden.
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Zur
Verstimmung werden z.B. in die Antennenschwingkreise integrierte
Kondensatoren 9A, ... verwendet. Z.B. bildet einer der
Kondensatoren 9A, ... mit zusätzlichen (nicht eingezeichneten)
Induktivitäten
einen Sperrresonanzkreis mit der Resonanzfrequenz der dazugehörigen Antenne 7A,
.... Mithilfe des entsprechenden Verstimmmoduls 3A, ...3D kann der
Sperrresonanzkreis mit der Resonanzfrequenz der jeweiligen Antenne
aktiviert und deaktiviert werden, wobei ein aktivierter Sperrresonanzkreis
einen hochohmigen Punkt im Antennenschwingkreis darstellt. Alternativ
kann die Verstimmung durch ein Verschieben der Resonanzfrequenz
bewirkt werden. So kann z.B. einer der Kondensatoren 9A,
..., der die Resonanzfrequenz des dazugehörigen Antennenschwingkreises
bestimmt, mithilfe des entsprechenden Verstimmmoduls 3A,
...3D überbrückt wird.
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Der
erste Anschluss 5A der Steuersignaleinheit ist mit dem
ersten Antennenanschluss 11A des ersten Verstimmmoduls 3A elektrisch
verbunden und der zweite Anschluss 5B der Steuereinheit
ist mit den Steuersignalausgängen 15A,
...15D der Verstimmmodule 3A, ...3D elektrisch
verbunden. Beim letzten Verstimmmodul ist zusätzlich eine elektrische Verbindung
zwischen dem zweiten Antennenanschluss 13D und dem Signalausgang 15D vorgenommen.
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Im
Folgenden wird die Schaltung der identischen Verstimmmodulde 3A,
...3D am Beispiel des ersten Verstimmmoduls 3A beschrieben.
Der erste und der zweite Antennenanschluss 11A, 13A sind über eine
PIN-Diode 17A verbunden. Die PIN-Diode 17A dient
als Hochfrequenzschalter, die bei einem Gleichstrom einen für Hochfrequenzsignale
leitenden Zustand und bei einer Sperrgleichspannung einen für Hochfrequenzsignale
sperrenden Zustand aufweisen. Dies führt zu den zwei Betriebszuständen des Verstimmmoduls 3A.
In 1 liegt an der Diode 17A eine Sperrspannung
an, so dass z.B. der zugehörige Sperrresonanzkreis
unterbrochen (deaktiviert) ist und die Antenne 7A entsprechend
nicht verstimmt wird. Der zweite Antennenanschluss 13A ist
mit dem Signalausgang 15A über eine zur PIN-Diode 17A entgegengerichtete
erste Diode 19A elektrisch verbunden. Der erste Antenneneingang 11A ist
mit dem Kaskadenausgang 21A über eine zweite Diode 23A elektrisch
verbunden, wobei die zweite Diode 23A als Reihenschaltung
mit der PIN-Diode 17A betrachtet in der gleichen Richtung
der PIN-Diode 17A geschaltet ist.
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Der
zweite Antennenanschluss 13A ist über ein Schaltelement 25A,
beispielsweise einem Transistor, mit dem Kaskadenausgang 21A verbunden. Das
Schaltelement 25A ist zur Ansteuerung über das Steuersignal mit dem
ersten Antennenanschluss 11A verbunden. In 1 ist
aufgrund der negativen Spannung am ersten Anschluss 5A der
Steuereinheit der Schalter 25A geöffnet.
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In
der in 1 angegebenen Situation sind die erste und zweite
Diode 19A, ..., 23A, ... der Verstimmmodule 3A,
...3D leitend geschalten, so dass die PIN-Dioden 17A,
... aufgrund der angelegten negativen Spannung parallel geschaltet
und alle PIN-Dioden 17A, ... der gleichen Sperrspannung ausgesetzt
sind. Entsprechend sind alle Verstimmmodule 3A, ...3D damit
Antennen 7A, ... im gleichen Betriebszustand, beispielsweise
auf Empfang.
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2 zeigt
einen zweiten Betriebszustand für
die Verstimmschaltungseinheit 1 der 1, bei dem
die PIN-Dioden 17A, ... zu einer Verstimmung der Antennen 7A,
... führen,
indem sie z.B. den Sperrresonanzkreis aktiviert. In diesem Betriebszustand
bestromt die Signalquelle die Verstimmschaltungseinheit 1.
Beispielsweise fließt
ein Gleichstrom von 100mA vom ersten Anschluss 5A durch
die Verstimmschaltungseinheit 1 zum zweiten Anschluss 5B.
Die Umpolung des Anschlusses 5A bewirkt, dass nun die Schaltelemente 25A,
... der Verstimmmodule 3A, ...3D jeweils eine
elektrische Verbindung zwischen den zweiten Antennenanschlüssen 13A,
... und den Kaskadenanschlüssen 21A,
... schließen. Die
Umpolung bewirkt des Weiteren, dass die Dioden 19A, ...23A,
... sperren, so dass nun die PIN-Dioden 17A, ... der Verstimmmodule 3A,
...3D einer Reihenschaltung (Kaskadenschaltung) bestromt
werden. Beim Bestromen in diesem Betriebszustand sind die PIN-Dioden 17A,
... entsprechend seriell geschaltet und durch jede PIN-Diode 17A,
... fließt
derselbe Strom.
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Die 3 und 4 zeigen
als weiteres Beispiel eine Verstimmschaltungseinheit 101 in
einem ersten Betriebszustand entsprechend 1 (3) und
einem zweiten Betriebszustand entsprechend 2 (4).
Die Funktionsweise in den beiden Betriebszuständen wird wie in den 1 und 2 mithilfe
von Pfeilen verdeutlicht.
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Die
Verstimmschaltungseinheit 101 umfasst ebenfalls mehrere
Verstimmmodule 103A, .... Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
in den 1 und 2 werden in jedem Verstimmmodul 103A,
... jeweils die zweite Diode 123A, ... zur elektrischen
Verbindung des ersten Antennenanschlusses 111A, ... und
einem Steuersignaleingang 127A, ... verwendet. Insofern
besteht in den Verstimmmodulen 103A, ... keine elektrische
Verbindung mehr zwischen dem ersten Antenneneingang 111A,
... und dem Kaskadenausgang 121A, .... Der Steuersignaleingang 127A,
... ist ein fünfter
Anschluss der Verstimmmodule 103A, .... Die Steuersignaleingänge 127A,
... sind jeweils mit dem ersten Ausgang 105A der Steuereinheit
elektrisch verbunden. Zusätzlich
ist für
das erste Verstimmmodul 103A eine elektrische Verbindung zwischen
dem Steuersignaleingang 127A und dem ersten Antennenanschluss 111A hergestellt,
um die zweite Diode 123A kurzzuschließen. Die zweite Diode 123A,
... in den Verstimmmodulen 103A, ... ist als Reihenschaltung
mit der PIN-Diode 117A, ... betrachtet entgegengesetzt
zur Richtung der PIN-Diode 117A, ... in die Schaltung eingebaut.
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In
jedem Verstimmmodul 103A, ... ist das Schaltelement 125A,
... zur Ansteuerung über
das Steuersignal mit dem Steuersignaleingang 127A, ... verbunden.
Als Schaltelement 125A, ... kann beispielsweise wieder
ein Transistor verwendet werden.
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Im
Betriebszustand der Verstimmschaltungseinheit 101 der 3 liegt
am ersten Anschluss 105A der Steuereinheit wieder eine
negative Spannung von beispielsweise –30V an. Der zweite Anschluss 105B ist
geerdet. Die Dioden 119A, ... und 123A, ... sind
somit leitend geschaltet. Die Schaltelemente 125A sind
geöffnet,
d.h., es ist keine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Antennenanschlusses 113A,
... und dem Kaskadenausgang 121A, ... gegeben. Entsprechend
sind die PIN-Dioden 117A, ... parallel geschaltet und es
liegt an ihnen jeweils eine Sperrspannung an. Dadurch wird die Antenne
nicht verstimmt, sondern ist empfangsbereit, da beispielsweise die
Sperrresonanzkreise deaktiviert sind oder die Kondensatoren 109A,
... in den Antenneneinheiten 107A, ... nicht kurzgeschlossen sind.
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4 zeigt
einen anderen Betriebszustand der Verstimmschaltungseinheit 101,
in dem die Antennen 107A, ... verstimmt werden. Dazu werden
die PIN-Dioden 117A, ... bestromt, d.h. die Kondensatoren 109A,
... werden durch die PIN-Diode hochfrequenzmäßig kurzgeschlossen. In diesem
Betriebszustand wird von der Steuersignalquelle ein Strom von z.B.
100mA vom ersten zum zweiten Anschluss 105A, 105B zur
Verfügung
gestellt.
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Aufgrund
der im Vergleich zur 3 umgekehrten Polung sperren
zum einen die Dioden 119A, ...123A, ... und zum
anderen schließen
die Schaltelemente 125A, ... die elektrischen Verbindungen
zwischen den zweiten Antennenanschlüssen 113A, ... und
den Kaskadenausgängen 121A,
.... Dadurch werden die FIN-Dioden 117A, ... seriell in
einer Kaskadenschaltung betrieben, wobei durch die PIN-Dioden 117A,
... der gleiche Strom fließt
und sie einen für Hochfrequenzsignale
leitenden Zustand einnehmen.
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Die
Dioden 19A, ...23A, ...119A, ... und 123A,
... sind vorzugsweise passive Dioden, die bei Strom bzw. Spannung
durchschalten. Die Schaltelemente sind vorzugsweise Transistoren,
die bei Bestromung durchschalten (Betriebszustände in den 2 und 4)
und bei negativen Spannungen (Betriebszustände in den 1 und 3)
aufmachen.
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Mithilfe
der dargestellten Verstimmschaltungseinheiten 1,101 kann
eine beliebige Anzahl von Antennen, d.h. z.B. Spulenele mente oder
Antenneneinheiten, mit identischen Verstimmmodulen 3A,
..., 103A, ... angesteuert werden. Dabei ist zur Ansteuerung
nur ein Steuersignal nötig.
Dies hat zum Vorteil, dass z.B. in der Ansteuerung mehrerer Antennen
eines Antennen-Arrays, welches durch einen Stecker mit dem Magnetresonanzgerät verbunden
wird, jeweils nur eine Steuersignalleitung im Stecker beansprucht
wird. Die eingangs erwähnte
Wirbelsäulenspuleneinheit
bedarf somit nur acht Steuersignalleitungen, um die jeweils acht
Dreierpaare von Spulenelementen zu verstimmen.
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Besonders
vorteilhaft sind die Verstimmschaltungseinheiten aufgrund ihrer
identischen Verstimmmodule 3A, ..., 103A, ...,
die beliebig kaskadiert werden können,
wobei nur das letzte der Verstimmmodule 3D, 103D in
der Kaskade und unter Umständen
auch das erste der Verstimmmodule 103A in der Kaskade von
Außen
zusätzlich
beschaltet werden muss.