DE19928428A1

DE19928428A1 - Hochfrequenzempfangsanordnung für ein Magnetresonanzgerät

Info

Publication number: DE19928428A1
Application number: DE19928428A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Kreischer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: US6452374B1; JP2001046356A; DE19928428C2

Abstract

Eine Hochfrequenzempfangsanordnung für ein Magnetresonanzgerät umfaßt mehrere unabhängige Antennen (2, 2.1 bis 2.N) und Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M). Die Anzahl der Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M) ist geringer als die Anzahl der unabhängigen Antennen (2, 2.1 bis 2.N). Zwischen den Vorverstärkern (6, 6.1 bis 6.M) und den Antennen (2, 2.1 bis 2.N) ist eine Schaltmatrix (4A, 4B) angeordnet zum wahlweisen signalmäßigen Verbinden der Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M) mit den Antennen (2, 2.1 bis 2.N).

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzempfangsanordnung für ein Magnetresonanzgerät mit mehreren unabhängigen Antennen und Vorverstärkern.

Bei einer Bildgebung mit magnetischer Resonanz ist es oft vorteilhaft, das hochfrequente Magnetresonanzsignal von meh reren Empfangsantennen gleichzeitig zu detektieren. Dabei er höht sich die erzielbare Bildqualität im allgemeinen mit der Anzahl der zur Verfügung stehenden unabhängigen Empfangsan tennen.

Nun gibt es für neuere Anwendungen, wie beispielsweise für die periphere Angiographie, Multielement-Antennenanordnungen, bei denen die Anzahl der Einzelantennen, die am Patienten an gebracht ist, größer ist als die Anzahl der unabhängigen Hochfrequenzempfängerkanäle. Bei derartigen Multielement- Antennenanordnungen übersteigt der mögliche Abbildungsbe reich (Field of View) aller am Patienten angelegten Antennen den maximal von der Homogenität des Hauptmagneten vorgegebe nen Bildgebungsbereich. Die Aufnahmen werden zeitlich nach einander in mehreren, evtl. zusammenhängenden Regionen ge macht. Dabei kann je nach Anwendung auch der Patiententisch verschoben werden. Der Vorteil einer derartigen Multielement- Antennenanordnung liegt dabei darin, daß die Aufnahmen in schneller Abfolge erfolgen können, ohne die Antennen am Pati enten oder den Patienten auf der Liege neu positionieren zu müssen.

Eine Hochfrequenzempfangsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 4,825,162 bekannt. Dort ist ein Array von mehreren unabhängigen Lokalantennen beschrieben, die jeweils mit einem rauscharmen Vorverstärker verbunden sind. Zur Ent kopplung der Lokalantennen voneinander ist zum einen ein teilweiser Überlapp von benachbart angeordneten Lokalantennen vorgesehen, zum anderen sind die Eingangsimpedanz der Vorver stärker und zur Leitungsanpassung benötigte Anpaßglieder so dimensioniert, daß die an den Antennenanschluß transformierte Eingangsimpedanz des Vorverstärkers dort hochohmig ist. Durch diese sogenannte elektronische Entkopplung wird verhindert, daß in der Antenne aufgrund einer induzierten Spannung ein Strom fließen kann. Das magnetische Feld dieses Stroms würde sonst in einer benachbarten Antenne Signale induzieren. Auch bei der Bildgebung nicht benutzte Antennen können so - obwohl aufgrund der geometrischen Anordnung noch induktive Kopplun gen bestehen - keine Signale und auch kein zusätzliches Pati entenrauschen von benachbarten Antennen in aktive Antennen einkoppeln.

Wegen der oben schon erwähnten elektronischen Entkopplung sind die Einzelantennen fest mit einem zugeordneten rauschar men Vorverstärker verschaltet.

Aus der DE-PS 197 09 244 ist eine Schaltmatrix bekannt, die hochfrequente Signale, wie beispielsweise MR-Signale, phasen richtig zusammenschalten kann. So ist es möglich, die Emp fangssignale mehrerer Antennen zu addieren und dann einem einzigen Hochfrequenzempfangskanal zuzuführen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochfre quenzempfangsanordnung für ein Magnetresonanzgerät, bei dem die Anzahl der unabhängigen Antennen größer ist als die An zahl der Signalverarbeitungskanäle, aufwandsärmer aufzubauen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anzahl der Vorver stärker geringer ist als die Anzahl der unabhängigen Antennen und daß zwischen den Vorverstärkern und den Antennen eine Schaltmatrix angeordnet ist zum wahlweisen signalmäßigen Ver binden der Vorverstärker mit den Antennen. Damit kann die An zahl der Vorverstärker an die Anzahl der vorhandenen Signal verarbeitungskanäle angepaßt werden. Bei Multielement-Anten nenanordnungen mit einer wesentlich höheren Anzahl von Ein zelantennen als vorhandene Signalverarbeitungskanäle kann der nicht unbeträchtliche Aufwand für die Vorverstärker erheblich reduziert werden.

Die nicht mit den Vorverstärkern verbundenen Antennen können zur Entkopplung von den aktiven Antennen bespielsweise aktiv verstimmt werden. Bei einer besonders vorteilhaften Ausge staltung sind jedoch mit der Schaltmatrix Nachbildungen einer Eingangsimpedanz der Vorverstärker verbunden, welche Nachbil dungen mittels der Schaltmatrix mit den Antennen signalmäßig verbindbar sind. Damit können die Vorteile der Vorverstärke rentkopplung genutzt werden, eine aktive Verstimmung der nicht auszulesenden Spulen mit dem entsprechenden Steuerauf wand kann damit entfallen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Schaltmatrix ausgebildet ist, jede Antenne mit jedem Vorverstärker signalmäßig zu verbinden. Die dadurch ge gebene weitgehende Freiheit in der Verbindung der Antennen mit den Vorverstärker kann dazu genutzt werden, die Anzahl der Vorverstärker noch weiter zu reduzieren.

In der Schaltmatrix sind als Hochfrequenzschalter Hochfre quenz-Analogschalter, beispielsweise in GaAs-Feldeffekt transistor-Technik, einsetzbar. Dabei ist durch sorgfältiges Design darauf zu achten, daß keine unerwünschte Schwingnei gung entsteht. Ein unkritischeres Design ist bei einer weite ren vorteilhaften Ausgestaltung dann möglich, wenn die Schaltmatrix als Schaltelemente-Hochfrequenz Schaltdioden, beispielsweise PIN-Dioden, umfaßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von drei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung einer ersten Ausführung einer Hochfrequenzempfangsanordnung, bei der zwei Antennen jeweils mit einem Vorverstärker über eine Schaltma trix signalmäßig verbunden werden können,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung einer zweiten Ausführung einer Hochfrequenzempfangsanordnung, bei der eine Vielzahl von Antennen mit einer wesentlich kleineren Anzahl von Vorverstärkern mit einer Schaltmatrix verbunden sind, und

Fig. 3 eine Prinzipschaltung eines Hochfrequenzkanals von der Antenne bis zum Vorverstärker mit möglichen Ein fügestellen der Schaltmatrix.

Fig. 1 zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Hochfrequenz empfangsanordnung mit zwei unabhängigen Antennen 2, die über eine Schaltmatrix 4A jeweils wahlweise mit einem Vorverstär ker 6 elektrisch verbindbar sind. Die Schaltmatrix 4A umfaßt eine Brückenschaltung von vier Hochfrequenz-Schaltdioden 8. Als Hochfrequenz-Schaltdioden 8 sind PIN-Dioden einsetzbar. Alternativ können auch Hochfrequenz-Analogschalter in GaAs- Technik verwendet werden. Die Verbindungspunkte der Hochfre quenz-Schaltdioden 8 bilden die Eckpunkte der Brückenschal tung. Die beiden Antennen 2 sind an zwei gegenüberliegenden Eckpunkten angeschlossen. An einem weiteren Eckpunkt ist der Vorverstärker 6 angeschlossen. Schließlich ist an dem noch verbleibenden Eckpunkt eine Nachbildung 10 einer Eingangsim pedanz des Vorverstärkers 6 angeschlossen. Zur Ansteuerung werden den Hochfrequenz-Schaltdioden 8 über Drosseln 12 Steu erspannungen U_switch zugeführt. Bei einer positiven Steuerspan nung U_switch wird die linke obere und die rechte untere Hoch frequenz-Schaltdiode 8 leitend. Damit wird die linke Antenne 2 mit dem Vorverstärker 6 und die rechte Antenne 2 mit der Nachbildung 10 verbunden. Andererseits werden bei einer nega tiven Steuerspannung U_switch die rechte obere und die linke un tere Schaltdiode 8 leitend, wodurch die rechte Antenne 2 mit dem Vorverstärker 6 und die linke Antenne 2 mit der Nachbil dung 10 elektrisch verbunden ist.

Diese Grundschaltung ist dann einsetzbar, wenn die Anzahl der Vorverstärker 6 halb so groß ist wie die Anzahl der unabhän gigen Antennen 2. Jeweils zwei Antennen 2 teilen sich einen Vorverstärker 2.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung der Hochfrequenzemp fangsanordnung, die geeignet ist, N Antennen 2.1 bis 2.N an M Vorverstärker 6.1 bis 6.M wahlweise hochfrequenzmäßig anzu schalten. Dabei ist die Anzahl N der Antennen 2.1 bis 2.N we sentlich größer als die Anzahl M der Vorverstärker 6.1 bis 6.M. Insbesondere ist muß N nicht doppelt so groß sein wie M, wie beispielsweise bei der Ausführung nach Fig. 1. Eine Schaltmatrix 4B ist nach Art eines Kreuzschienenverteilers aufgebaut und umfaßt zunächst N.M Hochfrequenz-Schaltdioden 8, worüber jeweils jede Antenne 2.1 bis 2.N mit jedem Vorver stärker 6.1 bis 6.M bei entsprechender Ansteuerung verbunden werden kann. Zusätzlich sind noch weitere N Schaltdioden 8 vorgesehen, um die Nachbildungen 10.1 bis 10.N der Vorver stärkereingangsimpedanz mit den Antennen 2.1 bis 2.N zu ver binden.

Die Steuergleichspannungen U_1.1 bis U_N.M sowie U_B1 bis U_BN für die Hochfrequenzschaltdioden 8 werden von einer Steuereinheit 16 erzeugt und den Hochfrequenz-Schaltdioden 8 über Drosseln 12 zugeführt. Die Steuereinheit 16 umfaßt eine Steuerlogik, die verhindert, daß unerwünschte Schaltzustände auftreten. Insbesondere stellt die Steuerlogik sicher, daß an jede An tenne 2.1 bis 2.N genau ein Vorverstärker 6.1 bis 6.M oder genau eine Nachbildung 10.1 bis 10.N elektrisch angeschlossen wird. Zum Abblocken der Steuergleichspannungen ist in Reihe mit den Hochfrequenz-Schaltdioden 8 noch jeweils ein Konden sator 14 geschaltet, der verhindert, daß von den Steuer gleichspannungen U_1.1 bis U_N.M verursachte Steuergleichströme zur Hochfrequenzseite abfließen können.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Knoten der Schaltma trix 4A oder 4B sowie die Verbindungen der Matrix zu den Vor verstärkern 6 und Antennen 2 können direkt sein oder auch als λ/2-Leitungen oder mit Vielfachen dieser Leitungslängen aus geführt werden, ohne die obengenannten Bedingungen der elek tronischen Entkopplung der einzelnen Antennen 2 bzw. 2.1 bis 2.N und die Anpassung der Antennen 2 bzw. 2.1 bis 2.N an die Eingangsimpedanz der Vorverstärker 6 bzw. 6.1 bis 6.M zu ver letzen. Es empfiehlt sich im Falle der λ/2-Leitungen, sehr verlustarme Leitungen einzusetzen.

Reale Betriebsimpedanzen der Hochfrequenz-Schaltdioden 8 und Leitungsverluste beschränken die sinnvolle Komplexität der Matrix 4B, d. h. die Anzahl N der in der Matrix 4B anschließ baren Antennen 2.1 bis 2.N. In vielen Anwendungen kann es sinnvoll sein, die Anzahl der mit einer Schaltmatrix 4B um schaltbaren Antennen 2.1 bis 2.N so zu beschränken, daß alle Antennen 2.1 bis 2.N mit einer kurzen Anschlußleitung an die Schaltmatrix 4B angeschlossen werden können. Dies hängt auch von der geometrischen Ausführung der Multielement-Antennen anordnung für eine bestimmte Anwendung ab. Ebenso ist es vor teilhaft, die geometrische Ausdehnung der Schaltmatrix 4A oder 4B im Vergleich zur Wellenlänge der verwendeten Hochfre quenz klein zu halten. Diese Bedingung ist aber aufgrund der Einfachheit der Schaltung insgesamt leicht zu erfüllen.

Fig. 3 zeigt schließlich in einer Prinzipschaltung mögliche Einfügungsstellen für die Schaltmatrix 4A oder 4B in der Hochfrequenz-Signalkette von der Spule 2 bis zum Vorverstär ker 6. Die Hochfrequenz-Signalkette umfaßt ein mit der Anten ne 2 verbundenes Anpaßglied 18. Damit wird der sich im Emp fangsfall einstellende Resonanzwiderstand Z_loop der belasteten Antenne auf 50 Ω (Z_coil) transformiert. Das Empfangssignal wird dann ohne Veränderung der Quellimpedanz über eine 50-Ω-Leitung 20 zum Vorverstärker 6 geführt. Dabei wird die elek tronische Entkopplung der Empfangsspule dadurch hergestellt, daß die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers Z_preamp über die 50-Ω-Leitung 20 und das Anpaßglied 18 in eine hochohmige re elle Impedanz Z_dec transformiert.

Die Schaltmatrix 4A oder 4B kann nun, ohne die Vorverstärke rentkopplung und die Anpassung an die Leitung 20 zu stören, an verschiedenen Stellen eingefügt werden. Eine erste Einfü gestelle 22 ist zwischen der Antenne 2 und dem Anpaßglied 18 gegeben. Dies hätte den Vorteil, daß alle nachfolgenden Glie der in der Kette, wie das Anpaßglied 18, die Leitung 20 und der Vorverstärker 6, in der Anzahl schon reduziert sind. Eine zweite Einfügestelle 24 ist am Eingang der Signalleitung 20 gegeben.

Die Schaltdiode 8 in jedem aktiven Signalpfad verschlechtert mit ihrem Durchlaßwiderstand (On-Widerstand) das Signal- Rausch-Verhältnis. Ebenso verschlechtern alle ausgeschalteten Schaltdioden 8, die mit ihrem Sperrwiderstand (Off-Wider stand) parallel zum aktiven Signalpfad liegen, das Signal- /Rausch-Verhältnis. Um das gesamte Signal-Rausch-Verhältnis in der Empfangskette nicht wesentlich zu verschlechtern, ist es erforderlich, daß die Hochfrequenzschaltdioden 8 einen ho hen Sperrwiderstand und einen möglichst niedrigen Durchlaßwi derstand besitzen. Der Einfluß dieser Widerstände (On- bzw. Off-Widerstand) ist dabei abhängig vom Niveau der Quellimpe danz an der jeweiligen Einfügestelle. Das Niveau der Quellim pedanz liegt an der Einfügestelle 22 bei typisch 1 bis 10 Ω oder an den Einfügestellen 24 und 26 bei typisch 50 Ω.

Claims

1. Hochfrequenzempfangsanordnung für ein Magnetresonanzgerät mit mehreren unabhängigen Antennen (2, 2.1 bis 2.N) und Vor verstärkern (6, 6.1 bis 6.M), dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Vor verstärker (6, 6.1 bis 6.M) geringer ist als die Anzahl der unabhängigen Antennen (2, 2.1 bis 2.N) und daß zwischen den Vorverstärkern (6, 6.1 bis 6.M) und den Antennen (2, 2.1 bis 2.N) eine Schaltmatrix (4A, 4B) angeordnet ist zum wahlweisen signalmäßigen Verbinden der Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M) mit den Antennen (2, 2.1 bis 2.N).

2. Hochfrequenzempfangsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schaltmatrix (4A, 4B) Nachbildungen (10, 10.1 bis 10.N) einer Eingangsimpedanz der Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M) verbunden sind, welche Nachbildungen (10, 10.1 bis 10.N) mit tels der Schaltmatrix () mit den Antennen (2, 2.1 bis 2.N) signalmäßig verbindbar sind.

3. Hochfrequenzempfangsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß min destens zwei Antennen (2) und mindestens ein Vorverstärker (6) mit der Schaltmatrix (4A) verbunden sind.

4. Hochfrequenzempfangsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Nachbildungen (10, 10.1 bis 10.N) zusammen mit der Anzahl der minimal mit den Vorverstärkern (6, 6.1 bis 6.M) verbindbaren Antennen gleich der Anzahl der Antennen (2, 2.1 bis 2.N) ist.

5. Hochfrequenzempfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmatrix (4B) ausgebildet ist, jede Antenne (2, 2.1 bis 2.N) mit jedem Vorverstärker (6, 6.1 bis 6.M) zu verbinden.

6. Hochfrequenzempfangsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmatrix (4A, 4B) als Schaltelemente (8) Hoch frequenz-Schaltdioden umfaßt.