DE19928452A1

DE19928452A1 - Antennensystem zum Empfang von Magnetresonanzsignalen

Info

Publication number: DE19928452A1
Application number: DE19928452A
Authority: DE
Inventors: Markus Vester; Ludwig Kreischer; Jianmmin Wang; Wolfgang Renz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2000-12-28
Also published as: US6351124B1

Abstract

Ein Antennensystem zum Empfang von Magnetresonanzsignalen umfaßt mindestens zwei resonante Einzelantennen (2). Die Einzelantennen (2) sind über eine Kombinationsschaltung (4) mit einem Vorverstärker (6) verbunden. Die Kombinationsschaltung (4) ist so ausgebildet, daß am Vorverstärker (6) Signalbeiträge, die von den Einzelantennen (2) abgebbar sind, einen Phasenunterschied von 0 DEG oder 180 DEG aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zum Empfang von Magnetresonanzsignalen mit mindestens zwei resonanten Einzelantennen.

Ein Antennensystem der eingangs genannten Art ist aus der US 5 471 142 bekannt. Das Antennensystem umfaßt mehrere reso nante Einzelantennen. Jede Einzelantenne ist über eine Anpaß schaltung mit einem Vorverstärker verbunden. Der Signalpfad Einzelantenne, Anpaßschaltung und Vorverstärker ist so dimen sioniert, daß die Vorverstärker-Eingangsimpedanz die Einzel antenne bedämpft. Von Vorteil ist, daß die Signalbeiträge der Einzelantennen zum Summensignal unterschiedlich gewichtet werden können. Dies wird jedoch durch einen hohen Elektronik aufwand erkauft.

In der US 4 721 913 ist ein Antennensystem beschrieben, das zwei nebeneinander in einer Ebene angeordnete Leiterschleifen umfaßt, die elektrisch direkt parallel geschaltet sind und mit einem gemeinsamen Resonanzkondensator einen einzigen Schwingkreis bilden. Jedoch induzieren magnetische Sende felder, die senkrecht zu der Ebene ausgerichtete sind, in dieser Anordnung Ströme, die ihrerseits das Sendefeld verzerren. Zudem können die Signalbeiträge von den beiden Leiterschleifen im Summensignal nicht variiert werden.

Auch das in US 4 816 765 beschriebene Antennensystem mit zwei in Reihe geschalteten Leiterschleifen (Butterfly-Antenne) besitzt nur einen einzigen Resonanzkondensator, so daß die beiden Leiterschleifen einen Schwingkreis bilden. Ebenso wie bei dem im vorstehenden Absatz beschriebenen Antennensystem können die Signalbeiträge von der beiden Leiterschleifen im Summensignal nicht variiert werden.

In dem Artikel von D. I. Hoult: "Fast Recovery with a Conventional Probe", erschienen in Journal of Magnetic Resonance, Vol. 57, 1984, pp. 394-403, ist eine Schaltung für eine im Empfangsfall wünschenswerte rauschfreie Antennen bedämpfung beschrieben. Dabei wird eine Eingangsimpendanz eines angeschlossenen Vorverstärkers entsprechend an den Signalanschluß der Antenne transformiert, daß sie dort bedämpfend wirkt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antennen system anzugeben, womit Signale von mehreren Einzelantennen kombiniert werden können, um Empfindlichkeitsverteilungen (magnetische Feldstrukturen) zu bilden, die mit einer Einzel antenne allein nicht erzielbar sind. Gleichzeitig soll eine Bedämpfung der Einzelantennen durch die Vorverstärker- Eingangsimpedanz möglich sein.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Einzelantennen über eine Kombinationsschaltung mit einem Vorverstärker verbunden sind und daß die Kombinationsschaltung so ausgebildet ist, daß am Vorverstärker Signalbeiträge, die von den Einzel antennen abgebbar sind, einen Phasenunterschied von 0° oder 180° aufweisen. Diese passive Zusammenschaltung der Einzel antennen vor dem Vorverstärker erlaubt es, die an sich bekannte Vorverstärkerentkopplung der Einzelantennen zu realisieren. Der Elektronikaufwand bleibt gering, trotzdem lassen sich die Signalbeiträge der Einzelantennen unter schiedlich gewichtet zusammenführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

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

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Antennensystems mit getrennten Anpaßschaltungen und einem 180°-Hybrid als Kombinationsschaltung,

Fig. 2 Entwicklung eines Prinzipschaltbilds zur Vereinfachung eines kurzgeschlossenen 180°-Hybrids zu einer Verzweigung in den Fig. 2A bis 2D,

Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Parallelschaltung als spezielle Ausführung einer einem Tor kurz geschlossener Kombinationsschaltung,

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild eines Antennensystems mit einer aktiver Entkoppelungsschaltung für ein Sendefeld,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines Antennensystems mit einer einzigen aktiven Sendefeld-Entkopplungs schaltung für beide Einzelantennen und

Fig. 6 ein Block-Schaltbild eines Antennensystems mit einer symmetrischen Beschaltung der Einzelantennen und einer Balun-Schaltung nach einer Anpaß schaltung.

Das in Fig. 1 dargestellte Prinzipschaltbild eines Antennen systems zeigt zwei resonante Einzelantennen 2, die über eine Kombinationsschaltung 4 mit einem Vorverstärker 6 verbunden sind. Die Kombinationsschaltung 4 ist so ausgebildet, daß am Vorverstärker 6 Signalbeiträge, die von den Einzelantennen 2 abgebbar sind, einen Phasenunterschied von 0° oder 180° aufweisen. Die resonanten Einzelantennen 2 umfassen eine Leiterschleife 8 und einen Resonanzkondensator 10, über den ein von der Einzelantenne 2 empfangenes Signal abgreifbar ist. Anpaßschaltungen 12 passen die Impedanz der Antennen 2 an eine Impedanz nachfolgender Übertragungsglieder an. Die Kombinationsschaltung ist als 180°-Hybrid mit zwei Eingangs toren 14 und 16 und zwei Ausgangstoren 18 und 20 realisiert. Am Tor 18 ist über eine Phasenschieberschaltung 22 (PhiVV) der Vorverstärker 6 angeschlossen, während am Tor 20 eine Nachbildung 24 der Eingangs impedanz des Vorverstärkers 6 angeschlossen ist.

Eine im Empfangsfall wünschenswerte rauschfreie Bedämpfung der Einzelantennnen 2 wird durch die an sich bekannte und eingangs schon erwähnte Vorverstärkerentkopplung über die Vorverstärker-Eingangsimpedanz zusammen mit dem Phasenschieber 22 (PhiVV) vor dem Vorverstärker 6 realisiert. Die am Tor 20 des Hybrids 4 angeschlossene Reaktanz 24 besitzt einen Reflexionsfaktorphasenwinkel, der gleich dem Reflexionsfaktorphasenwinkel am Tor 18 (Vorverstärkereingang über Phasenschieber 22) ist. Falls beispielsweise der Reflexionsfaktorwinkel am Tor 18 arc(r3) = 0° oder 180° ist, muß also auch die Reaktanz 24 an r4 ein Leerlauf bzw. Kurzschluß sein. Beide Reflexionsfaktoren am Ausgang werden über das Hybrid 4 zusammengefaßt und erscheinen an den Eingängen eines 180°-Hybrides als:

r1 = r2 = (r3+r4) / 2, mit |r1| = |r2| nahe bei 1.

Diese werden über die Anpaßschaltungen 12 so transformiert, daß beide Einzelantennen 2 stark bedämpft werden. Damit ergibt sich als Vorteil, daß nur ein Vorverstärker 6 vorhanden ist, wobei trotzdem die aktive Bedämpfung durch die Vorverstärker-Eingansimpedan: möglich ist. Zudem können die Anpaßschaltungen 12 für die beiden Einzelantennen 2 etwas unterschiedlich dimensioniert werden. Durch diese unter schiedliche Dimensionierung wird eine verschiedene Gewichtung der Signale der Einzelantennen 2 erzielt, eine gemeinsame Feldrichtung kann beispielsweise gekippt werden, z. B. +-20°. Im Prinzip können so auch durch Gewebewirbelströme verur sachte unsymmetrische Abschattungen kompensiert werden.

Zu bemerken ist an dieser Stelle noch, daß bei einem 90°- Hybrid (Combiner für Zirfularpolarisation), der nicht Gegenstand der Erfindung ist, r1 = (r3 - r4) / 2 und r2 = (r4-r3) / 2 = - r1 wären. Demnach wären r1 und r2 entgegengesetzt, womit diese, hier beschriebene Möglichkeit der Vorverstärkerentkopplung nicht möglich wäre.

Fig. 2A zeigt eine Realisierung eines 180°-Hybrids mit zwei Übertragern 26 und 28. Es ergeben sich vier massebezogene Tore 14, 16, 18 und 20 mit gleicher Impedanz Zo, z. B. 50 Ohm.

Fig. 2B zeigt eine Realisierung eines 180°-Hybrids mit nur einem Übertrager 30 und Verschiedenen Bezugsimpedanzen: Zo/2 an Tor 18 und 2Zo am massefreien Tor 20. Fig. 2C zeigt die Realisierung nach Fig. 2B, aber mit einem am Tor 20 angeschlossenen Kurzschluß. In der in Fig. 2D dargestellten Prinzipschaltung ist der Übertrager 30 nach Fig. 2C kurzgeschlossen und kann deshalb entfallen.

Damit ergibt sich mit arc(r4) = arc(r3) = 180° eine besonders vorteilhafte Ausführung, bei der Kombinationsschaltung 4 nur aus einer Verzweigung mit zwei Antennenzweigen 29 und einem Vorverstärkerzweig 31 besteht, wie in Fig. 3 als Prinzipschaltbild dargestellt ist. Von Vorteil ist der minimale Aufwand und daß keine Zusatzverluste durch die Kombinationsschaltung 4 vorhanden sind. Da so aber arc(r1) - arc(r2) = 180°, also r1 = r2 = ca. -1 (niedrige Impedanz) festgelegt wird, sind im allgemeinen vor dieser Realisierung der Kombinationsschaltung 4 noch zwei Phasenschieber 32 (Phi1) erforderlich, um eine maximale Bedämpfung durch die Vorverstärkerimpedanz zu erzielen. Ein Phasenschieber 33 (Phi2) schließt die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 6 niederohmig and den Vorverstärkerzweig 31 der Verzweigung an.

Werden die Einzelantennnen 2 von einem Sendefeld durchsetzt, müssen sie beim Senden durch geeignete Maßnahmen (Schalter) geöffnet werden: Eine Möglichkeit dazu ist in Fig. 4 durch Ergänzung der Schaltung nach Fig. 3 gezeigt. Zwischen den Anpaßschaltungen 12 und den Einzelantennen sind Phasen schieber 34 (Phi0) eingefügt. Diodenschalter 36, beispielsweise in Form von PIN-Dioden, sind an der Verbindungssteile von Phasenschieber 34 und Anpaßschaltung 12 angeschlossen. Die Phasenschieber 34 (Phi0) sollen eine Öffnung der Einzelantennen 2 bei ausgangsseitigem Kurzschluß bewirken.

Da der einfache Verzweigungs-Combiner 4 nach Fig. 3 ebenfalls einen niedrigen Eingangswiderstand haben soll, bietet es sich an, diesen direkt nach den PIN-Dioden 36 anzubringen. Die beiden PIN-Dioden können dann zu einem einzigen Diodenschalter 36 zusammengefaßt werden, wie in dem. in Fig. 5 gezeigten Prinzipschaltbild dargestellt ist. Die Anpaßschaltung 12 ist dann nach dem Verzweigungspunkt der Kombinationsschaltung 4 angeordnet. Ein Phasenschieber 37 (Phi3) wird so eingestellt, daß vor der Anpaßschaltung 12 die erforderliche niedrige Impedanz gesehen wird. Der Phasenschieber 37 (Phi3) dreht die Phase des Summensignals entsprechend wie die beiden Phasenschieber 32 (Phi1) und 33 (Phi2) in der Schaltung nach Fig. 4.

Eine veränderliche Gewichtung der Signale der beiden Einzel antennen 2 in dem Antennensystem ist bei dieser Variante nicht mehr ohne weiteres durch unterschiedlich dimensionierte Anpaßschaltungen 12 möglich. Ein ähnlicher Effekt kann hier aber durch unterschiedliche geometrische Grössen der Einzel antennen 2 realisiert werden. Durch die getrennten Phasen schieber 34 (Phi0) vor der PIN-Diode 36 bleiben Entkoppelung und Durchsichtigkeit für ein homogenes vertikales Sendefeld auch dann erhalten.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird für den Phasen schieber 34 (Phi0) eine Reiheninduktivität oder Senderent kopplungsspule 38 eingesetzt. Dies ist ein aus dem Artikel von J. Tanttu: "Floating Surface Coil", veröffentlicht im Konferenzband XIV ICMBE and VII ICMP, Espoo, Finland 1985, p. 831, bekanntes Prinzip für die Sendefeld-Entkopplung. Die Senderentkopplungsspulen 38 sind hier symmetrisch mit der halben Antenneninduktivität L/2 auf die beiden Antennen anschlüsse aufgeteilt. Nach dem symmetrischen Anpaßnetzwerk 12 ist eine Balun-Schaltung 40 vorgesehen. Im übrigen entspricht die Schaltung der in Fig. 5 dargestellten Ausführung. Dieses Antennensystem besitzt eine Empfind lichkeit B1 wie die bekannte Butterfly-Struktur.

Claims

1. Antennensystem zum Empfang von Magnetresonanzsignalen mit mindestens zwei resonanten Einzelantennen (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (2) über eine Kombinationsschaltung (4) mit einem Vorverstärker (6) verbunden sind und daß die Kombinationsschaltung (4) so ausgebildet ist, daß am Vorverstärker (6) Signalbeiträge, die von den Einzelantennen (2) abgebbar sind, einen Phasenunterschied von 0° oder 180° aufweisen.

2. Antennnensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (6) in seinem Eingang eine erste Phasenschieberschaltung (22) umfaßt.

3. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (4) ein 180°-Hybrid umfaßt.

4. Antennensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ausgang (20) des 180°-Hybrids eine Reaktanz (24) angeschlossen ist, die einen Reflexionsfaktorwinkel aufweist, der gleich einem Refexionsfaktorwinkel ist, der vom Vorverstärker (6) gegebenenfalls mit der ersten Phasenschieberschaltung (22) bewirkt wird.

5. Antennensvstem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Einzelantenne (2) und der Kombinationsschaltung (4) eine Anpaßschaltung (12) eingefügt ist.

6. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (4) eine elektrische Verzweigung umfaßt, daß die Verzweigung von einer Verzweigungsstelle ausgehende Antennenzweige (29) und einen Vorverstärkerzweig (31) umfaßt, daß in jeden Antennenzweig (29) eine zweite Phasenschieberschaltung (32) eingefügt ist und daß der Vorverstärkerzweig (31) von der Verzweigung aus gesehen eine sehr niedrige Impedanz aufweist.

7. Antennensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeder Anpaßschaltung (12) und Einzelantenne (2) eine dritte Phasenschieberschaltung (34) eingefügt ist und daß je ein Hochfrequenzschalter (36) an einer elektrischen Verbindung zwischen der dritten Phasenschieberschaltung (34) und der Anpaßschaltung (12) angeschlossen ist zum aktiven Verstimmen der jeweiligen Einzelantenne (2).

8. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (4) eine elektrische Verzweigung umfaßt, daß die Verzweigung von einer Verzweigungsstelle ausgehende Antennenzweige (29) und einen Vorverstärkerzweig (31) umfaßt, daß in jeden Antennenzweig (29) eine dritte Phasenschieberschaltung (34) eingefügt ist, die die Verzweigung mit den resonanten Einzelantennen (2) verbindet, daß der Vorverstärkerzweig (31) von der Verzweigung aus gesehen eine sehr niedrige Impedanz aufweist, und daß an der Verzweigung ein Hochfrequenzschalter (36) zur aktiven Verstimmung beider Einzelantennen (2) angeschlossen ist.

9. Antennensvstem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärkerzweig über eine Anpaßschaltung (12) und eine vierte Phasenschieberschaltung (37) mit dem Vorverstärker (6) verbunden ist.

10. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung eine elektrische Verzweigung umfaßt, daß die Verzweigung von einer Verzweigungsstelle ausgehende Antennenzweige (29) und einen Vorverstärkerzweig (31) umfaßt, daß die Antennenzweige (29) über Senderentkopplungsspulen (38) mit den resonanten Einzelantennnen (2) verbunden sind, daß der Verstärkerzweig (31) über eine Anpaßschaltung (12) mit einer Balun-Schaltung () verbunden ist und daß die Balun- Schaltung () über eine sechste Phasenschieberschaltung (37) mit dem Vorverstärker (6) verbunden ist.