Die Erfindung betrifft die Magnetresonanz-Bildgebung (MRI: magnet resonance imaging) und insbesondere eine Vorrichtung für eine kabellose Verbindung zum Übertragen von Daten aus zahlreichen Empfangsspulen für die Magnetresonanztomographie. Zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen eines Magnetresonanztomographen (MRT: magnet resonance tomograph) werden speziell geeignete Antennenvorrichtungen genutzt. Diese bestehen beispielsweise aus zahlreichen einzelnen Resonatorsegmenten, die im Umfang des zylindrischen Untersuchungsvolumens gleichmäßig verteilt angebracht sind und durch eine Steuereinrichtung separat angesteuert werden können. Bei einfachen Vorrichtungen dienen diese Antennenvorrichtungen zeitlich unmittelbar nacheinander einerseits als Nahfeld-Sendeantenne zur Initiierung der Spinanregung der Protonen im jeweils zu untersuchenden Objekt und andererseits als Nahfeld-Empfangsantenne zum Empfang der hochfrequenten Echosignale. Mit Hilfe der von Leistungsgeneratoren gespeisten Resonatorsegmente wird zur Bildaufnahme ein kurzzeitig gepulstes, lokales, möglichst homogenes, hochfrequentes Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Kernspins in den zu untersuchenden Objekten im Inneren des Untersuchungsvolumens erzeugt.The invention relates to magnetic resonance imaging (MRI) and in particular to a device for a wireless connection for transmitting data from numerous receiving coils for magnetic resonance tomography. For generating a homogeneous high-frequency magnetic field (B1 field) for initiating the spin excitation in the examination volume of a magnetic resonance tomograph (MRT: magneto-tomograph) specially suitable antenna devices are used. These consist for example of numerous individual resonator segments, which are mounted evenly distributed in the scope of the cylindrical examination volume and can be controlled separately by a control device. In simple devices, these antenna devices are used one after the other in temporal succession as a near-field transmitting antenna for initiating the spin excitation of the protons in the object to be examined and as a near-field receiving antenna for receiving the high-frequency echo signals. With the aid of the resonator segments fed by power generators, a momentarily pulsed, local, as homogeneous as possible, high-frequency magnetic field (B1 field) for the deflection of the nuclear spins in the objects to be examined is generated in the interior of the examination volume.
Für eine verbesserte Bildqualität mit höherer lokalen Auflösung werden zum Empfang der Kernspinsignale zunehmend größere Zahlen räumlich kleinerer Empfangsspulen oder Empfangselemente verwendet, die ausschließlich als Empfängerspulen oder Empfangselemente verwendet werden. Durch die unmittelbare Nähe der Empfangsspulen zum zu untersuchenden Gewebe als Quelle der Echosignalsequenzen und durch die individuelle Anpassung der Abmessungen der Empfangsspulen an den unmittelbar zu untersuchenden Gewebebereich kann das Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebungsprozedur und damit die Bildqualität ganz signifikant verbessert werden. Diese Empfängerspulen, die sogenannten Oberflächenspulen, dienen somit gezielt als spezialisierte Antennen zum Empfangen der lokalen Echosignalsequenzen. In den Pulspausen werden damit die hochfrequenten elektromagnetischen Signale der wieder in die Ausgangslage zurückkehrenden Spins empfangen und der rechnerbasierten Auswerteeinrichtung des Magnetresonanztomographen zur Bildgenerierung zugeführt. Durch die unmittelbare Nähe zum zu untersuchenden Objekt und durch die Verwendung von zum Empfang der Echosignalsequenzen bei der Larmorfrequenz spezialisierter ganzer Spulenfelder (arrays) einer hohen Anzahl von derzeit bis zu etwa 128 separaten Spulen, wird das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) der empfangenen Signale und damit die Bildqualität signifikant verbessert. Darüber hinaus werden Empfangsarrays nicht nur zur SNR-Verbesserung eingesetzt, sondern vor allem auch zur parallelen Bildgebung. Durch dieses Verfahren wird eine Beschleunigung der Bildgebung erzielt. Diese skaliert maximal linear mit der Anzahl der Empfangsspulen.For improved image quality with higher local resolution, increasingly larger numbers of spatially smaller receiving coils or receiving elements are used to receive the nuclear spin signals, which are used exclusively as receiver coils or receiving elements. The signal-to-noise ratio of the imaging procedure and therefore the image quality can be significantly improved by the immediate proximity of the receiver coils to the tissue to be examined as the source of the echo signal sequences and by the individual adaptation of the dimensions of the receiver coils to the tissue region to be examined directly. These receiver coils, the so-called surface coils, thus serve purposefully as specialized antennas for receiving the local echo signal sequences. In the pulse pauses so that the high-frequency electromagnetic signals of returning back to the starting position spins are received and supplied to the computer-based evaluation of the magnetic resonance tomograph for image generation. Due to the close proximity to the object to be examined and the use of whole arrays of arrays specialized for receiving the echo signal sequences at the Larmor frequency of a large number of currently up to about 128 separate coils, the signal-to-noise ratio (SNR, signal to Noise Ratio) of the received signals and thus the image quality significantly improved. In addition, receive arrays are not only used for SNR enhancement, but also for parallel imaging. By this method, an acceleration of the imaging is achieved. This scales as linearly as possible with the number of receiver coils.
Für zukünftige neuere MRI-Systeme ist mit einer weiteren Erhöhung der Spulenzahl zu rechnen. Mit zunehmender Anzahl von Empfängerspulen wird jedoch eine zuverlässige elektrische Verbindung durch ein Bündel von Koaxialkabeln zwischen diesen Spulen auf dem Patienten im Untersuchungsvolumen und den außerhalb des Magnetresonanztomographen stationierten Empfängereinheiten zunehmend problematisch.For future newer MRI systems, a further increase in the number of reels can be expected. However, as the number of receiver coils increases, reliable electrical connection through a bundle of coaxial cables between these coils on the patient in the examination volume and the receiver units stationed outside the magnetic resonance tomograph becomes increasingly problematic.
Die Verstimmung der Empfängerspulen durch die verschiedenen Kabelstränge, das Gewicht und das Volumen der Kabelbündel, die das Untersuchungsvolumen einengen, die Zuverlässigkeit der hohen Anzahl von Steckkontakten und ganz allgemein die Handhabbarkeit des MRI-Systems führt mit zunehmender Anzahl von Empfängerspulen zu immer mehr Schwierigkeiten.The detuning of the receiver coils by the various cable strands, the weight and the volume of the bundles of cables that narrow the examination volume, the reliability of the high number of plug contacts and in general the manageability of the MRI system with increasing number of receiver coils to more and more difficulties.
Daher besteht schon seit geraumer Zeit der Wunsch, die von den Empfängerspulen aufgefangenen Signale möglichst drahtlos an die Empfängereinheiten zur weiteren Auswertung zu übertragen und auf die bisher dazu notwendigen Kabelbäume vollständig zu verzichten.Therefore, there has been a desire for some time to transmit the signals collected by the receiver coils as wireless as possible to the receiver units for further evaluation and to completely dispense with the hitherto necessary cable harnesses.
Zu diesem Zweck wurde bereits nach funktechnischen oder optischen Alternativen gesucht. Lösungen, die anstelle von Koaxialleitungen äquivalente faseroptische Verbindungen verwendeten, beseitigten zwar Probleme des Übersprechens, der elektromagnetischen Verstimmung der Empfangsspulen und der Interferenz, es entstanden jedoch Probleme durch die Wandlung der Signale in optische Daten und durch die Übertragung dieser Daten durch ganze Faserbündel, die letztlich auch nicht viel dünner als die Koaxialleiterbündel waren. Daher entstand die Problemlösung, sämtliche optische Daten ohne Faserbündel direkt durch die Luft, zu übertragen. Eine solche Problemlösung ist in der DE 10 2006 056 453 A1 gegeben. Diese Offenlegungsschrift beschreibt die „Optische Verbindung zum Übertragen von Daten aus mehreren Empfängerspulen in einem Magnetresonanz-Bildgebungssystem durch Luft”. Dort wird eine optische Datenverbindung mit einer in der Beschreibung aufgeführten Datenrate mit bis zu 4096 MB/S zum optischen Übertragen von Daten aus mehreren Empfangsspulen im freien Raum in einem MRI-System vorgestellt. Im Wesentlichen werden die Daten in den einzelnen Empfängerspulen elektronisch aufbereitet, mit einem Multiplexer in einen seriellen Datenstrom verwandelt und mit Hilfe einer optischen direkten Sichtverbindung durch die Luft aus dem Untersuchungsvolumen zu einer außerhalb des Magnetresonanztomographen stationierten Empfangseinheit übertragen. Neben notwendigen Vorverstärkern für jede einzelne Empfangsspule sind in den Ausführungsbeispielen weiterhin für jede einzelne Empfangsspule Analog-Digital-Wandler notwendig. Diese werden entweder direkt bei der Larmorfrequenz von ca. 65 MHz für Hauptfeldflussdichten von etwa 1,5 T betrieben und haben einen entsprechenden hohen Bedarf an Betriebsenergie oder es wird die Signalfrequenz mit Hilfe von Mischerschaltungen herabgesetzt, sodass stromsparende Analog-Digital-Wandler mit hinreichender Genauigkeit verwendet werden können. Dann muss allerdings die zusätzliche Betriebsenergie für die Mischer und die Lokaloszillatoren beachtet werden. Auf die Frage, wie denn diese Betriebsenergie zu jeder einzelnen, für jede Empfängerspule erforderlichen elektronische Baugruppe bereit gestellt werden kann, gibt die Patentanmeldung keine Hinweise.For this purpose, radio or optical alternatives have already been searched for. Although solutions using equivalent fiber optic links instead of coaxial lines eliminated crosstalk problems, receiver coil electromagnetic interference, and interference, problems have arisen from the conversion of the signals to optical data and the transmission of that data through whole fiber bundles, ultimately also not much thinner than the coaxial bundles were. Therefore, the solution to the problem was to transmit all optical data without fiber bundles directly through the air. Such a problem solution is in the DE 10 2006 056 453 A1 given. This publication describes the "optical connection for transmitting data from multiple receiver coils in a magnetic resonance imaging system through air". There, an optical data link with a data rate of up to 4096 MB / s, listed in the description, for the optical transmission of data from several receiving coils in free space in an MRI system is presented. Essentially, the data in the individual receiver coils are processed electronically, transformed with a multiplexer into a serial data stream and with the help of an optical direct Visual connection transmitted through the air from the examination volume to a station outside the magnetic resonance tomograph receiver unit. In addition to necessary preamplifiers for each individual receiving coil, analog-to-digital converters are furthermore necessary for each individual receiving coil in the exemplary embodiments. These are either operated directly at the Larmor frequency of about 65 MHz for main field flux densities of about 1.5 T and have a corresponding high demand for operating power or the signal frequency is reduced by means of mixer circuits, so that power-saving analog-to-digital converters with sufficient accuracy can be used. Then, however, the additional operating energy for the mixers and the local oscillators must be taken into account. On the question of how this operating energy can be provided for each individual, required for each receiver coil electronic module, the patent application gives no indication.
Eine herkömmliche Lösung wäre die Versorgung der jeweiligen elektronischen Baugruppen für die beispielsweise 128 oder mehr Empfangsspulen mit Hilfe von Koaxialleitungen, die zu einem Bündel zusammenfasst werden, was dann aber doch wieder zusätzliche Drahtverbindungen erforderlich machen würde.A conventional solution would be the supply of the respective electronic assemblies for example, the 128 or more receiving coils using coaxial cables, which are combined into a bundle, but then this would require additional wire connections again.
Wegen des relativ hohen schaltungstechnischen Aufwandes zur Signalaufbereitung für jede einzelne Empfangsspule, der damit verbundenen Reduzierung der Betriebssicherheit und wegen der zusätzlichen, für die Versorgung der elektronischen Baugruppen mit der zum Betrieb erforderlichen elektrischen Energie und der dazu notwendigen Kabelstränge, ist diese Problemlösung nicht besser geeignet.Because of the relatively high circuit complexity for signal processing for each individual receiving coil, the associated reduction in reliability and because of the additional, required for the supply of electronic components with the required electrical energy and the necessary cable strands, this problem solution is not better suited.
Nachteilig an dieser Erfindung ist weiterhin, dass hier für die Signalaufbereitung für jede einzelne Empfangsspule Analog-Digital-Wandler mit relativ hohem Energiebedarf, welcher in hohem Maße von der Grundfrequenz der zu verarbeitenden analogen Signale abhängt und mit zunehmender Signalfrequenz überproportional ansteigt, notwendig sind, die ebenfalls nicht problemlos ohne Versorgungsdrähte oder Netzteilkabel mit einer entsprechend leistungsfähigen Betriebsspannungsquelle versorgt werden können.A disadvantage of this invention is further that here for the signal processing for each receiver coil analog-to-digital converter with relatively high energy requirements, which depends to a large extent on the fundamental frequency of the analog signals to be processed and increases disproportionately with increasing signal frequency, are necessary also can not be easily supplied without supply wires or power supply cable with a correspondingly powerful operating voltage source.
Alternative Lösungen des Problems der drahtlosen Übertragung dieser Spulensignale finden sich im Bereich der elektromagnetischen Funktechnik. Doch auch da müssen die jeweils verwendeten elektronischen Schaltungen zur Aufbereitung der Signale mit Betriebsenergie versorgt werden, was vorzugsweise drahtlos erfolgen sollte.Alternative solutions to the problem of wireless transmission of these coil signals can be found in the field of electromagnetic radio technology. But even there, the electronic circuits used in each case for processing the signals must be supplied with operating power, which should preferably be done wirelessly.
Offensichtlich keinerlei Probleme technischer Art hinsichtlich der drahtlosen Übertragung von Betriebsenergie gibt es in der WO 2009/081378 A1 . In der dort veröffentlichten Erfindung wird mit der Bezeichnung „Wireless Transmit and Receive MRI Coils” ein MRI-System vorgestellt, welches nicht nur die Empfangsspulen und deren elektronischen Bausteine zur Übertragung der Echosignalsequenz-Daten drahtlos ankoppelt und mit Betriebsenergie versorgt, sondern auch gleich noch die Senderspulen und deren Endverstärker zur Erzeugung des B1-Feldes, sowie weitere elektronische Baugruppen völlig drahtlos ankoppelt und mit Betriebsenergie versorgt. Dazu sind im Falle der Verwendung einer Kopfspulenanordnung beispielsweise Impulsleistungen von beachtlichen 2000 W als Spitzenwert erforderlich.Obviously, there are no problems of a technical nature with regard to the wireless transmission of operating energy in the WO 2009/081378 A1 , In the invention published there, an MRI system is presented with the name "Wireless Transmit and Receive MRI Coils", which not only wirelessly couples the receiver coils and their electronic components for the transmission of the echo signal sequence data and supplies them with operating energy, but also the same Transmitter coils and their power amplifier for generating the B1 field, as well as other electronic modules fully wirelessly coupled and supplied with operating power. For this purpose, in the case of using a head coil arrangement, for example, pulse powers of considerable 2000 W are required as the peak value.
Durch ein kontinuierliches Nachladen mit Hilfe magnetischer Wechselfelder, elektrischer Wechselfelder oder hochfrequenter elektromagnetischer Wechselfelder und mit Hilfe von ausgeklügelt zusammenwirkenden elektronischen Bausteinen wie Spitzenleistungsspeichern (Peak Power Storage), Nachladevorrichtungen (Trickle Charge), Spulen Netzteil (Coil Powersupply) und Nachladesystem (Recharge System) werden solche beeindruckenden Übertragungsleistungen erzielt.Continuous recharging using alternating magnetic fields, alternating electric fields or high frequency electromagnetic alternating fields and using sophisticated electronic components such as Peak Power Storage, Trickle Charge, Coil Power Supply and Recharge System achieved such impressive transmission performance.
Allerdings erscheint diese respektable Erfindung im Hinblick auf das Teilproblem der drahtlosen Übertragen von Daten aus zahlreichen Empfangsspulen für die reine Datenübertragung zu aufwändig. Außerdem ist hier eine Separation zwischen Sende- und Empfangsspulen nicht vorgesehen, was bei einer zu geringen Anzahl von Empfangsspulen zu einer reduzierten lokalen Auflösung führen könnte. Weil Sende- und Empfangsspulen hier identisch sind, müssen diese mit höherem Aufwand ausgerichtet werden und können nicht ohne weiteres als Array anschmiegsamer Oberflächenspulen gestaltet werden.However, this respectable invention seems too expensive in terms of the sub-problem of wireless transmission of data from numerous receiving coils for pure data transmission. In addition, a separation between transmitting and receiving coils is not provided here, which could lead to a reduced local resolution at too low a number of receiving coils. Because transmit and receive coils are identical here, they must be aligned with greater effort and can not be readily designed as an array of conformal surface coils.
Nachteilig könnte weiterhin sein, dass wegen der drahtlosen Speisung der Endstufenverstärker zum drahtlosen Nachladen der Energiespeicher kontinuierlich hohe Speisefeldstärken auch in den Impulspausen ständig präsent sein müssen. Die genannten Impulsleistungen lassen sich auf erforderliche kontinuierliche Effektivwerte im Wertebereich von etwa mindestens 30 W abschätzen. Soll diese Leistung durch ein permanentes Speisefeld beispielsweise durch elektromagnetische Wechselfelder kontinuierlich aufgebracht werden, so müsste bei Abwesenheit jeglicher Versorgungskabel diese Feldenergie direkt am Patienten dauerhaft präsent sein. Diese kontinuierliche Speiseleistung zusätzlich zur temporären B1–Feld-Impulsleistung kann zusätzlich als ein Nachteil dieser Erfindung gesehen werden.Another disadvantage could be that because of the wireless power amplifier power amplifier for wireless recharge the energy storage continuously high Speisefeldstärken must be constantly present even in the pulse pauses. The stated pulse powers can be estimated to the required continuous RMS values in the value range of approximately at least 30 W. If this power is to be applied continuously by a permanent feed field, for example by electromagnetic alternating fields, then in the absence of any supply cable, this field energy would have to be permanently present directly on the patient. In addition, this continuous feed power in addition to the temporary B1 field pulse power can be seen as a disadvantage of this invention.
Insgesamt jedoch ist diese respektable Erfindung für die hier gestellte Aufgabe, die sich auf die drahtlose Übertragung lediglich der empfangenen Signale konzentriert, zu aufwändig, für den gewünschten Zweck zu kompliziert, dadurch zu teuer und zu störungsanfällig und deshalb auch nicht besser geeignet.Overall, however, this respectable invention for the task set here, which is based on the wireless transmission of only the received signals concentrated too expensive, too complicated for the desired purpose, thus too expensive and prone to failure and therefore not better suited.
Problemlösungen zur drahtlosen Übertragung ausschließlich der Oberflächenspulen-Signale sind derzeit noch Forschungsgegenstand.Problem solutions for the wireless transmission of only the surface coil signals are currently the subject of research.
In dem kurzen Zeitraum, während die zur Auslenkung der präzedierenden Kernspins erforderlichen Sendespulen für das B1-Feld durch eine hochfrequenten Impulsleistung bei der jeweiligen Larmorfrequenz erregt werden, müssen die resonanten Empfangsspulen verstimmt werden, weil sonst in Ihnen durch den Resonanzeffekt zu hohe Stromstärken fließen würden. Diese würden zu unerwünschten lokalen Feldverzerrungen des B1-Feldes, zu unzulässig hoher Absorption von magnetischer Feldenergie und zu unzulässig hohen Werten der elektrischen Spannungen an den empfindlichen Schaltkreisen der Empfangsverstärker führen.In the short period of time during which the B1 field response coils necessary to excite the precessing nuclear spins are excited by a high frequency pulse power at the respective Larmor frequency, the resonant receiver coils must be detuned, otherwise the resonance effect would result in excessive current levels flowing through them. These would lead to unwanted local field distortions of the B1 field, to inadmissibly high absorption of magnetic field energy and to impermissibly high values of the electrical voltages at the sensitive circuits of the receiving amplifiers.
Um eine aufwändige, zusätzliche Steuereinrichtung zum zeitsynchronen temporären Verstimmen der Resonanzfrequenz der einzelnen Empfängerspulen zu vermeiden, sind bereits raffinierte Verstimmungsschaltungen erfunden worden, die sich selbständig aus dem gepulsten B1-Feld speisen und synchronisieren. In der US 6850067 B1 wird die Problematik unter dem Titel „Transmit Mode Coil Detuning for MRI Systems” erläutert und sehr elegant gelöst. Dort werden zahlreiche, mit Hilfe von Schaltdioden und zusätzlichen Reaktanzen betriebene, fremdgesteuerte und automatische gesteuerte und sogar automatisch aus dem B1-Feld gespeiste Verstimmungsschaltungen beschrieben. Hinsichtlich der Schaltungstechnik zur Verstimmung der Oberflächenspulen wird dieses lehrreiche Patent als der Stand der Technik angesehen, auf den weiter aufgebaut werden kann.In order to avoid a complex, additional control device for the time-synchronous temporary detuning of the resonant frequency of the individual receiver coils, sophisticated detuning circuits have already been invented, which feed and synchronize independently from the pulsed B1 field. In the US 6850067 B1 The problem is explained under the title "Transmit Mode Coil Detuning for MRI Systems" and solved very elegantly. There are numerous, operated by means of switching diodes and additional reactances, externally controlled and automatically controlled and even automatically fed from the B1 field detuning circuits. With regard to the circuit technology for detuning the surface coils, this instructive patent is regarded as the state of the art on which further construction can be made.
Während das Problem der automatischen Verstimmung der Empfängerspulen durch das genannte Patent weitestgehend gelöst ist, bleibt die drahtlose Übertragung der empfangenen Signale problematisch. Zahlreiche Problemlösungen wurden dazu im Jahr 2009 auf dem siebzehnten Treffen der „International Society for Magnetic Resonance in Medicine” vorgestellt und im Tagungsbericht (ISMRM Annual Meeting Proceedings) dokumentiert. Unter dem Titel „Cutting the Cord – Wireless Coils for MRI” beschreiben Heid et al. in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 100 eine drahtlose Verbindung zwischen den Patientenspulen bzw. den Oberflächenspulen und den Empfangssystemen. Dabei werden jeder Patientenspule ein separater parametrischer Verstärker, Aufwärtskonverter und Mikrowellenantenne zugeordnet. Auf dem Zylindermantel angebrachte Antennen empfangen die Mikrowellensignale. Dort befinden sich auch die Mischer, um die empfangenen Mikrowellensignale wieder in das Basisband herunter zu mischen und zu verarbeiten. Ein Leistungsoszillator speist sowohl die Emfangsmischer auf dem Zylindermantel als auch, durch seine über die Antennen gleichzeitig auch abgestrahlte hochfrequente Mikrowellenleistung die parametrischen Verstärker und die Aufwärtskonverter. Diese werden im jeweils betrachteten Untersuchungsvolumen durch seine eingestrahlte Hochfrequenzleistung aktiviert. Empfängerspulen die außerhalb des Untersuchungsvolumens angeordnet sind, können kein Strahlungsfeld empfangen und bleiben so lange passiv, bis auch sie zusammen mit dem Patientenschlitten in den Bereich der vom Lokaloszillator abgestrahlten Feldenergie gelangen. Dieses vorgestellte Verfahren ist sicherlich eine von vielen Lösungen des Problems.While the problem of automatic detuning of the receiver coils is largely solved by the said patent, the wireless transmission of the received signals remains problematic. Numerous solutions were presented at the seventeenth meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine in 2009 and documented in the ISMRM Annual Meeting Proceedings. Under the title "Cutting the Cord - Wireless Coils for MRI" is described by Heid et al. in proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 100 a wireless connection between the patient coils or the surface coils and the receiving systems. Each patient coil is assigned a separate parametric amplifier, up-converter and microwave antenna. Antennas mounted on the cylinder jacket receive the microwave signals. There are also the mixer to mix down the received microwave signals back into the baseband and process. A power oscillator feeds the receiver mixers on the cylinder jacket as well as the parametric amplifiers and the upconverters via its high-frequency microwave power, which is simultaneously radiated via the antennas. These are activated in the examination volume considered by its radiated high-frequency power. Receiver coils which are arranged outside the examination volume can not receive a radiation field and remain passive until they, together with the patient slide, also reach the area of the field energy radiated by the local oscillator. This presented method is certainly one of many solutions to the problem.
Wegen der zahlreichen notwendigen Mikrowellenverstärker, Mischer und Antennen ist der technische Aufwand jedoch noch sehr hoch, selbst dann, wenn nur parametrische Verstärker einfachster Bauart verwendet werden, wie sie unter dem Titel „Wireless Local Coil Signal Transmission Using A Parametric Upconverter” von Martius et al. in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 2934 beschrieben wird. Besonders aufwändig ist die sich noch im Experimentalstadium befindliche Vorrichtung alleine schon dadurch, dass der parametrische Verstärker und Aufwärtskonverter, wie im Konferenzbeitrag beschrieben wird, sowohl eine separate Antenne für die Einspeisung des Oszillatorsignals, als auch eine separate Antenne für die Abstrahlung des in den Mikrowellenbereich herauf gemischten Nutzsignals verwenden muss. Dadurch ist der Raumbedarf für die zahlreichen Antennen doch sehr hoch. Die in den Bildern gezeigten Versuchsanordnungen wirken derzeit noch sehr aufwändig und voluminös. Diese Vorrichtung ist daher auch nicht besser geeignet, um die von den Empfangsspulen detektierten Echosignalsequenzen drahtlos zu den jeweiligen MRI-Empfangsvorrichtungen zu übertragen.However, because of the many necessary microwave amplifiers, mixers and antennas, the technical complexity is still very high, even if only parametric amplifiers of the simplest type are used, as described under the title "Wireless Local Coil Signal Transmission Using A Parametric Upconverter" by Martius et al. in proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 2934 is described. The device which is still at an experimental stage is particularly complex in that the parametric amplifier and up-converter, as described in the conference article, both have a separate antenna for feeding the oscillator signal and a separate antenna for emitting the microwave into the microwave range must use mixed signal. As a result, the space required for the numerous antennas is very high. The experimental arrangements shown in the pictures are currently still very elaborate and voluminous. This device is therefore also not better suited to wirelessly transmit the echo signal sequences detected by the receiving coils to the respective MRI receiving devices.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine wenig aufwändige aber zuverlässige kabellose Verbindung zum Übertragen von Daten aus zahlreichen Empfangsspulen für Magnetresonanztomographen zur Verfügung zu stellen. Dabei sollen zur Reduzierung des für die Datenübertragung erforderlichen Aufwandes auf zusätzliche schaltungstechnische Maßnahmen wie die Digitalisierung der Signale vor der Übertragung oder eine Mischung der Signale in einen anderen Frequenzbereich gänzlich verzichtet werden.The protection specified in claim 1 invention addresses the problem of providing a little expensive but reliable wireless connection for transmitting data from numerous receiving coils for magnetic resonance imaging available. In this case, to reduce the time required for the data transfer effort on additional circuitry measures such as the digitization of the signals before transmission or a mixture of the signals in another frequency range are completely dispensed with.
Dieses Problem wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This problem is solved by the features listed in the protection claim 1.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass keine Verfälschung der Originalsignale durch Interferenzen, Mischprodukte, Verzerrungen oder fehlerhafte Analog-Digital-Wandlung erfolgen kann. Durch den nur minimalen erforderlichen schaltungstechnischen Aufwand pro Oberflächenspuleneinheit ist die Wahrscheinlichkeit eines elektronischen Defektes sehr gering. Dadurch ist dieses Verfahren sehr zuverlässig und robust. Die drahtlose Speisung der Vorverstärker in den Empfangsspulen macht den Umgang mit dem Spulenarray zu einem einfach zu handhabenden Vorgang bei dem auf jegliche Form der Verkabelung verzichtet werden kann. Es gibt somit keine schwierig zu handhabende halbstarre Kabelbäume oder störanfällige und verschleißbehaftete Steckkontakte. The advantages achieved by the invention are in particular that no falsification of the original signals due to interference, mixing products, distortions or incorrect analog-to-digital conversion can take place. Due to the minimal circuit complexity required per surface coil unit, the probability of an electronic defect is very low. This makes this method very reliable and robust. The wireless feeding of the preamplifiers in the receiver coils makes handling the coil array an easy-to-use process that eliminates any form of cabling. There are therefore no difficult to handle semi-rigid harnesses or failure prone and wear-prone plug contacts.
Zur Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die im Folgenden näher beschrieben werden. Es zeigtTo explain the invention drawings are given, which are described in more detail below. It shows
1 schematisch den typischen Aufbau einer drahtlosen Übertragungsstrecke für die Daten einer jeweiligen Empfangsspule im Magnetresonanztomographen mit kapazitiv belasteten symmetrischen Dipolen auf der Sender- und Empfängerseite, 1 schematically the typical structure of a wireless transmission path for the data of a respective receiving coil in the magnetic resonance tomograph with capacitively loaded symmetrical dipoles on the transmitter and receiver side,
2 schematisch den typischen Aufbau einer drahtlosen Übertragungsstrecke für die Daten einer jeweiligen Empfangsspule im Magnetresonanztomographen mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol auf der Sender- und einem kapazitiv belasteten Monopol auf der Empfängerseite, 2 schematically the typical structure of a wireless transmission path for the data of a respective receiving coil in the magnetic resonance tomograph with a capacitively loaded symmetric dipole on the transmitter and a capacitive loaded monopole on the receiver side,
3 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Empfangsmoduls mit einem kapazitiv belasteten Monopol, 3 2 schematically shows the cross section of an exemplary receiving module with a capacitively loaded monopole;
4 schematisch und beispielhaft eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Empfangsmoduls zur Demonstration des geringen schaltungstechnischen Aufwandes, 4 schematically and by way of example a complete functional circuit of a possible receiving module for demonstrating the low circuit complexity,
5 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Empfangsmoduls mit einem kapazitiv belasteten Monopol und einer integrierten Sendespule zur alternativen Speisung der lokalen Oberflächenspulenverstärker, 5 1 schematically shows the cross section of an exemplary receiving module with a capacitively loaded monopole and an integrated transmitting coil for the alternative supply of the local surface coil amplifiers,
6 schematisch die Aufsicht auf ausschnittsweise sechs zu einem Array zusammengefasste Empfangsmodule mit kreisrunden Dachkapazitäten, 6 schematically, the plan view of partial cut-to-form reception modules with circular roof capacities,
7 schematisch die Aufsicht auf ausschnittsweise sechs zu einem Array zusammengefasste Empfangsmodule mit quadratischen Dachkapazitäten, 7 schematically, the plan view of a section of six integrated into an array receiving modules with square roof capacities,
8 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der mittig angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen, 8th 2 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded balanced dipole and the centrally arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences,
9 schematisch die Aufsicht auf ein beispielhaftes Sendemoduls in kreissymmetrischer Ausgestaltung mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der konzentrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen, 9 1 is a schematic plan view of an exemplary transmitter module in a circularly symmetrical configuration with a capacitively loaded symmetrical dipole and the concentrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences;
10 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen, 10 2 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded balanced dipole and the asymmetrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences,
11 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen mit zusätzlicher Speisespule, 11 1 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded balanced dipole and the asymmetrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences with additional feed coil,
12 schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten unsymmetrischen Dipol und der unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen mit zusätzlicher Speisespule, 12 2 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded unbalanced dipole and the asymmetrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences with additional feed coil,
13 schematisch und beispielhaft eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Sendemoduls mit symmetrischem Dipol und Speisung aus der B1-Pulsenergie zur Demonstration des geringen schaltungstechnischen Aufwandes, 13 schematically and by way of example a complete functional circuit of a possible transmission module with symmetrical dipole and power supply from the B1 pulse energy to demonstrate the low circuit complexity,
14 schematisch und beispielhaft eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Sendemoduls mit unsymmetrischem Dipol und Speisung durch einen Zusatzresonanzkreis zur Demonstration des geringen schaltungstechnischen Aufwandes. 14 schematically and exemplarily a complete functional circuit of a possible transmission module with unbalanced dipole and power supply through an additional resonant circuit to demonstrate the low circuitry complexity.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in 1 schematisch der typische Aufbau einer drahtlosen Übertragungsstrecke für die Daten einer jeweiligen Empfangsspule im Magnetresonanztomographen mit kapazitiv belasteten symmetrischen Dipolen auf der Sender- und Empfängerseite gezeigt. Die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen ist der wichtigste Bestandteil der Empfangsanordnung. Sie ist im wesentlichen eine Draht- oder planare Leiterbahnschleife mit einem Schleifendurchmesser von typischerweise etwa 10 cm für MRT-Anlagen mit einer magnetischen Flussdichte des B0-Hauptfeldes von 1,5 Tesla, was einer Wasserstoff-Larmorfrequenz von etwa 65 MHz entspricht. Die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen kann kreisförmig, quadratisch oder beliebig sinnvoll eckig geformt sein. Als induktiver Bestandteil eines bei der Larmorfrequenz betriebenen Resonanzkreises empfängt sie die Echosignalsequenzen, die bei der Relaxation auftreten, also die bei der Rückkehr in den Ausgangszustand der durch den hochfrequenten B1-Feldimpuls ausgelenkten Kernspins auftretenden Hochfrequenzsignale. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebungsprozedur wird diese lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen möglichst nahe an das zu untersuchende Gewebe herangeführt und es wird eine Vielzahl solcher Spulen verwendet, um große Gewebebereiche abzudecken und damit alle Echosignalsequenzen möglichst dämpfungsarm zu empfangen. Die von der lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen aufgenommenen Signale werden in einem rauscharmen ersten Vorverstärker (2) elektronisch verstärkt. Dieser Vorverstärker (2) besitzt zusätzliche kapazitive Bauelemente, um mit der lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen einen Resonanzkreis zu bilden. Er besitzt zusätzliche nichtlineare Bauelemente, um die Eingangssignalpegel zu begrenzen und um den Resonanzkreis zum Zeitpunkt eines aktiven B1-Impulses selbsttätig zu verstimmen, damit das B1-Feld möglichst wenig verfälscht und möglichst nur gering bedämpft wird. Weiterhin besitzt der rauscharme erste Vorverstärker (2) reaktive Bauelemente zur Anpassung der Vorverstärker-Sendeantenne (3). Der rauscharme erste Vorverstärker (2) entnimmt der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen die Signale aus dem Gewebe, verstärkt sie und führt die verstärkten Signale der Vorverstärker-Sendeantenne (3) direkt zu. Es findet keinerlei Digitalisierung oder Frequenzumsetzung statt. Die Signale der jeweiligen Echosignalsequenzen werden lediglich in ihrem Pegel signifikant angehoben.To explain the invention is in 1 schematically shows the typical structure of a wireless transmission path for the data of a respective receiving coil in the magnetic resonance tomograph with capacitively loaded symmetrical dipoles on the transmitter and receiver side. The local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences is the most important part of the receiving arrangement. It is essentially a wire or planar trace loop with a loop diameter of typically about 10 cm for MRI systems with a magnetic flux density of the B0 main field of 1.5 Tesla, which corresponds to a hydrogen Larmor frequency of about 65 MHz. The local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences can be circular, square or arbitrarily meaning square shaped. As an inductive component of a resonant circuit operated at the Larmor frequency, it receives the echo signal sequences which occur during the relaxation, that is to say the high-frequency signals which occur when returning to the initial state of the nuclear spins deflected by the high-frequency B1 field pulse. To improve the signal-to-noise ratio of the imaging procedure, this local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences as close as possible to the tissue to be examined and it is used a variety of such coils to cover large tissue areas and thus to receive all echo signal sequences as low as possible. That of the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences recorded signals are in a low-noise first preamplifier ( 2 ) electronically amplified. This preamp ( 2 ) has additional capacitive components to connect to the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences to form a resonant circuit. It has additional non-linear components to limit the input signal levels and to detune the resonant circuit automatically at the time of an active B1 pulse so that the B1 field is as little as possible falsified and as little as possible attenuated. Furthermore, the low-noise first preamplifier ( 2 ) reactive components for adapting the preamplifier transmitting antenna ( 3 ). The low noise first preamp ( 2 ) removes the local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences, the signals from the tissue, amplifies them and carries the amplified signals of the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) direct to. There is no digitization or frequency conversion. The signals of the respective echo signal sequences are only significantly raised in their level.
Dies geschieht für jede einzelne lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen. Bei einem Spulenfeld von beispielsweise 128 lokalen Empfangsspulen (1) für die Echosignalsequenzen gibt es also 128 rauscharme erste Vorverstärker (2) und 128 Vorverstärker-Sendeantennen (3).This happens for each individual local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences. For a coil field of, for example, 128 local receiver coils ( 1 ) for the echo signal sequences, there are thus 128 low-noise first preamplifiers ( 2 ) and 128 pre-amplifier transmit antennas ( 3 ).
Dabei muss unbedingt beachtet werden, dass die verstärkten Signale nicht vom Ausgang wieder in den Eingang zurück gekoppelt werden. Dies wäre eine unerwünschte Rückkopplung und hätte eine unkontrollierte Schwingung zur Folge. Das ganze Verfahren wäre dadurch unbrauchbar. Hier helfen die physikalischen Gesetze weiter.It is important to remember that the amplified signals are not coupled back to the input from the output. This would be an unwanted feedback and would result in an uncontrolled oscillation. The whole process would be useless. Here the physical laws help further.
Bei einer Larmorfrequenz von etwa 65 MHz hat die zugeordnete elektromagnetische Welle eine Freiraumwellenlänge von etwa 4,62 m. Dies bedeutet, dass bei einem typischen, drahtlos zu überbrückenden Arbeitsabstand im Bereich von etwa 0,10 m bis 0,30 m sogenannte Nahfeldverhältnisse herrschen. Dadurch lassen sich die elektrisch dominanten Feldanteile von den magnetisch dominanten Feldanteilen in unmittelbarer Nähe zur Quelle noch sehr gut trennen. Dieser Effekt wird hier ausgenutzt. Während die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen als großflächiger Bestandteil eines Empfangsresonanzkreises bei der Larmorfrequenz magnetisch dominant wirkt, besitzt die zum Abstrahlen der verstärkten Signalleistung verwendete Vorverstärker-Sendeantennen (3) im Nahfeld lediglich elektrisch dominante Feldkomponenten. Einer Verkopplung dieser beiden Feldkomponenten findet im unmittelbaren Nahfeld nicht statt. Es ist also möglich, mit einer magnetisch dominanten Empfangsantenne ein Signal zu empfangen, dieses in unmittelbarer Nähe des Empfangsortes zu verstärken und dann dieses verstärkte Signal wieder in unmittelbarer Nähe des Empfangsortes mit Hilfe einer elektrisch dominanten Sendeantenne auszusenden.At a Larmor frequency of about 65 MHz, the associated electromagnetic wave has a free space wavelength of about 4.62 m. This means that so-called near field conditions prevail in a typical, wirelessly bridged working distance in the range of about 0.10 m to 0.30 m. As a result, the electrically dominant field components can still be very well separated from the magnetically dominant field components in the immediate vicinity of the source. This effect is exploited here. While the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences as a large-scale component of a receiving resonant circuit at the Larmor frequency magnetically dominant, has the preamplifier transmitting antennas used for emitting the amplified signal power ( 3 ) in the near field only electrically dominant field components. A coupling of these two field components does not take place in the immediate near field. It is thus possible to receive a signal with a magnetically dominant receiving antenna, amplify it in the immediate vicinity of the receiving location and then send out this amplified signal again in the immediate vicinity of the receiving location with the aid of an electrically dominant transmitting antenna.
Bedauerlicherweise liegen in der Praxis jedoch selten ideale Verhältnisse vor, so dass Kompromisse eingegangen werden müssen, um ein hohes Maß an Betriebssicherheit zu gewährleisten. Solange die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen nur mit den magnetischen Feldkomponenten der Signale aus dem Gewebe wechselwirkt und solange die Vorverstärker-Sendeantennen (3) lediglich elektrische Feldkomponenten in Form einer elektrischen Flussdichte produziert, kann der Grad der Verstärkung des rauscharmen ersten Vorverstärkers (2) sehr hoch eingestellt werden. Es gibt jedoch in der Praxis unerwünschte, bei der Handhabung mit den jeweiligen Vorrichtungen auf Dauer nur schwer zu vermeidende parasitäre Kopplungseffekte, die den Verstärkungsfaktor des rauscharmen ersten Vorverstärker (2) zwangsweise auf ein durch Kompromisse bestimmtes Maß beschränken.Regrettably, in practice, however, ideal conditions are seldom found so compromises have to be made to ensure a high level of operational safety. As long as the local receiver coil ( 1 ) interacts with the echo signal sequences only with the magnetic field components of the signals from the tissue and as long as the preamplifier transmitting antennas ( 3 ) produces only electrical field components in the form of an electrical flux density, the degree of amplification of the low-noise first preamplifier ( 2 ) are set very high. However, there are in practice undesirable parasitic coupling effects, which are difficult to avoid in the long term during handling with the respective devices, which reduce the amplification factor of the low-noise first preamplifier (FIG. 2 ) necessarily restrict it to compromise.
Werden beispielsweise zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Vorverstärker-Sendeantennen (3) zusätzliche Induktivitäten zur elektrischen Verlängerung der Strahlerlänge oder zum Anpassen der Impedanzverhältnisse verwendet, so kann das parasitäre magnetische Streufeld dieser elektronischen Bauteile mit der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen koppeln. Da im Bereich supraleitender Hauptfeldmagneten keine ferromagnetischen Materialien erlaubt sind, kommt eine magnetische Schirmung nicht in Frage. Es bleibt nur, die parasitären magnetischen Streufelder auf mikroskopisch kleine Bereiche zu beschränken und dafür zu sorgen, dass die Streufelder so ausgerichtet sind, dass die jeweiligen Felder sich nicht störend auswirken können. Durch die Verwendung von Induktivitäten in Form von SMD-Bauteilen und deren, hinsichtlich der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen, ortogonaler Ausrichtung, können Verkopplungen der magnetischen Felder sehr gering gehalten werden, solange niemand beispielsweise im Rahmen einer ungewollten Krafteinwirkung (Unfall) die jeweiligen Vorrichtungen verbiegt und damit die ursprüngliche Ausrichtung verändert. Im Zweifelsfall muss auf optionale Induktivitäten verzichtet werden.For example, to increase the efficiency of the preamplifier transmit antennas ( 3 ) additional inductances for electrically extending the radiator length or for adjusting the impedance ratios, so the parasitic stray magnetic field of these electronic components with the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences. Since no ferromagnetic materials are allowed in the area of superconducting main field magnets, magnetic shielding is out of the question. It remains only to limit the stray parasitic magnetic fields to microscopic areas and to ensure that the stray fields are aligned so that the respective fields can not interfere. Through the use of inductors in the form of SMD components and their, with regard to the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, orthogonal alignment, couplings of the magnetic fields can be kept very low as long as nobody, for example, bends the respective devices as part of an unintentional force (accident) and thus alters the original orientation. In case of doubt, it is not necessary to use optional inductors.
Eine weitere, besonders zu beachtende Möglichkeit der Verkopplung besteht durch den parasitären kapazitiven Anteil des Drahtes der Leiterschleife der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen. Wird der Draht sehr dünn gewählt, ist die parasitäre Kapazität des Drahtes gering, aber die Verluste des Resonanzkreises führen zu einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Wird der Draht relativ dick gewählt, verringern sich die Verluste, aber die parasitären Streukapazitäten nehmen zu. Noch stärker ist die parasitäre kapazitive Kopplung, wenn die Leiterschleife der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen als planare Spule in Form einer gedruckten Schaltung realisiert wird.Another possibility of coupling, which should be particularly observed, is the parasitic capacitive component of the wire of the conductor loop of the local receiving coil (FIG. 1 ) for the echo signal sequences. If the wire is chosen to be very thin, the parasitic capacitance of the wire is low, but the losses of the resonant circuit lead to a deterioration of the signal-to-noise ratio. If the wire is chosen to be relatively thick, the losses are reduced, but the parasitic stray capacitances increase. Even more is the parasitic capacitive coupling when the conductor loop of the local receiving coil ( 1 ) is realized for the echo signal sequences as a planar coil in the form of a printed circuit.
Es ist also bei der Konstruktion der Vorrichtung, hinsichtlich der parasitären Verkopplung von Ausgang und Eingang, unbedingt das geringste mögliche Maß der Verkopplung anzustreben. Der Grad der Verkopplung, beispielsweise der Dachkapazität der Antenne mit der parasitären Streukapazität der lokalen Empfangsspule, bestimmt maßgeblich den Betrag der Verstärkung, den der rauscharme erste Vorverstärker (2) maximal aufweisen darf, ohne dass Instabilitäten durch Rückkopplungseffekte auftreten. Die zum Betrieb der jeweiligen rauscharmen ersten Vorverstärker (2) erforderliche Energie wird entweder direkt aus dem im Betrieb der MRT-Anlage ohnehin zyklisch erzeugten hochfrequenten B1-Feldimpuls oder aber aus einem zusätzlichen hochfrequenten Speisefeld bezogen. Das besondere an dieser Erfindung ist die Verwendung von speziellen Vorverstärker-Sendeantennen (3). Es handelt sich dabei um mechanisch sehr stark verkürzte Dipole mit einer relativ großen Dachkapazität. Werden solche stark verkürzten Dipole mit einer relativ großen Dachkapazität auch für die Empfangsverstärkerantennen (5) verwendet, so findet eine intensive elektromagnetische Wechselwirkung (4) im Nahfeld beider Antennen primär aufgrund einer kapazitiven Streufeldkopplung zwischen einerseits den jeweiligen Dachkapazitäten der Vorverstärker-Sendeantennen (3) und andererseits den jeweiligen Dachkapazitäten der Empfangsverstärkerantennen (5) statt.It is therefore in the construction of the device, with regard to the parasitic coupling of output and input, to strive for the lowest possible degree of coupling necessarily. The degree of coupling, for example the roofing capacity of the antenna with the parasitic stray capacitance of the local receiving coil, decisively determines the amount of amplification which the low-noise first preamplifier (FIG. 2 ) may be maximum without instabilities due to feedback effects. The devices for operating the respective low-noise first preamplifier ( 2 ) required energy is either directly from the operation of the MRI system cyclically generated high-frequency B1 field pulse or from an additional high-frequency supply field. The special feature of this invention is the use of special preamplifier transmit antennas ( 3 ). These are mechanically very much shortened dipoles with a relatively large roof capacity. Are such strongly shortened dipoles with a relatively large roof capacity also for the receiving amplifier antennas ( 5 ), an intense electromagnetic interaction ( 4 ) in the near field of both antennas primarily due to a capacitive stray field coupling between on the one hand the respective roof capacitances of the preamplifier transmitting antennas ( 3 ) and on the other hand the respective roof capacities of the receiving amplifier antennas ( 5 ) instead of.
Eine Verkopplung zwischen den jeweiligen lokalen Empfangsspulen (1) für die Echosignalsequenzen und den jeweiligen Dachkapazitäten der Vorverstärker-Sendeantennen (3) findet dagegen nicht statt, da die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen in erster Linie mit den magnetischen Feldkomponenten und die Vorverstärker-Sendeantennen (3) in erster Linie mit den elektrischen Feldkomponenten in Wechselwirkung tritt. Trotzdem ist eine große Sorgfalt erforderlich, damit keine unerwünschten Rückkopplungen zwischen dem Ausgang und dem Eingang des rauscharmen ersten Vorverstärkers (2) auftritt. So ist bei einer Realisierung der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen beispielsweise in planarer Leitungstechnik unbedingt darauf zu achten, dass die parasitären Streukapazitäten einer solchen Spulenbauform nicht mit den Dachkapazitäten der Vorverstärker-Sendeantennen (3) wechselwirken. Werden zusätzliche Bauelemente wie Spulen zur elektrischen Anpassung der Vorverstärker-Sendeantennen (3) verwendet, dann darf das Streufeld dieser Spule keinesfalls mit der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen Wechselwirken. Je nach Bauform genügt schon eine gezielte Anordnung der Induktivitäten um beispielsweise eine orthogonale Ausrichtung der Feldlinien zu bewirken und dadurch eine unerwünschte Rückkopplung zu vermeiden. Je sorgfältiger bei der Konstruktion vorgegangen wird, umso geringer sind die Rückwirkungen der verstärkten Signale auf den Eingang. Je geringer diese Rückwirkungen sind, umso höher ist der Grad der Verstärkung, der problemlos realisiert werden kann. In der Praxis muss ein gewisser Kompromiss eingegangen werden, um im Vorfeld auch für Störfälle wie Verformungen durch unsachgemäße Handhabungen der Oberflächenspulen und damit eine erhöhte Rückkopplungsgefahr gerüstet zu sein. Eine erste Anhebung der Signalleistung um etwa 20 dB ist so durchaus noch mit ausreichender Betriebssicherheit möglich.A coupling between the respective local receiver coils ( 1 ) for the echo signal sequences and the respective roof capacities of the preamplifier transmission antennas ( 3 ) does not take place, since the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences primarily with the magnetic field components and the preamplifier transmission antennas ( 3 ) interacts primarily with the electric field components. Nevertheless, great care is required to avoid unwanted feedback between the output and the input of the low-noise first preamplifier (FIG. 2 ) occurs. So is in a realization of the local receiving coil ( 1 For the echo signal sequences, for example in planar line technology, it is imperative to ensure that the parasitic stray capacitances of such a coil design do not coincide with the roof capacitances of the preamplifier transmission antennas. 3 ) interact. Are additional components such as coils for electrical adjustment of the preamplifier transmitting antennas ( 3 ), then the stray field of this coil must not be connected to the local receiver coil ( 1 ) interact for the echo signal sequences. Depending on the design, a targeted arrangement of the inductances is sufficient to effect, for example, an orthogonal alignment of the field lines and thereby avoid unwanted feedback. The more careful the design, the less the repercussions of the amplified signals on the input. The lower these repercussions, the higher the degree of amplification that can be easily realized. In practice, a certain compromise must be made in order to be prepared in advance for incidents such as deformations due to improper handling of the surface coils and thus an increased risk of feedback. A first increase in the signal power by about 20 dB is thus still possible with sufficient reliability.
Die so verstärkten Echosequenzsignale gelangen also durch die elektromagnetische Wechselwirkung (4) im Nahfeld beider Antennen aufgrund einer kapazitiven Streufeldkopplung nach einer ersten Vorverstärkung von den jeweiligen Dachkapazitäten der Vorverstärker-Sendeantennen (3), mit einer Streckendämpfung, die vom Abstand der jeweiligen Dachkapazitäten abhängt, zu den jeweiligen Dachkapazitäten der Empfangsverstärkerantennen (5) und werden dort einem zweiten Empfangsverstärker (6) zugeführt. Hier werden die betreffenden Signale erneut verstärkt und gelangen schließlich als, hinsichtlich des Signalpegels aufbereitete Signale (7) zur Empfangs- und Auswerteeinheit des MRI-Systems.The thus amplified echo sequence signals thus pass through the electromagnetic interaction ( 4 ) in the near field of both antennas due to a capacitive stray field coupling after a first preamplification of the respective roof capacitances of the preamplifier transmitting antennas ( 3 ), with a path loss, which depends on the distance of the respective roof capacities, to the respective roof capacities of the receiving amplifier antennas ( 5 ) and there are a second receiving amplifier ( 6 ). Here, the signals in question are amplified again and finally arrive as signals which have been processed with regard to the signal level ( 7 ) to the receiving and evaluation unit of the MRI system.
Die jeweiligen zweiten Empfangsverstärker (6) sind stationär und werden mit Hilfe von Drähten mit den jeweiligen Netzgeräten direkt verbunden. Es gibt somit keine kritische Energiebilanz zu beachten, wie es beispielsweise bei den fremdgespeisten rauscharmen ersten Vorverstärkers (2) der Fall ist. Der Wirkungsgrad der Verstärker spielt daher keine wichtige Rolle. Auch Probleme mit der Rückkopplung sind nicht besonders nennenswert, da die aufbereiteten Signale (7) über nicht abstrahlende koaxiale Leitungen der Empfangs- und Auswerteeinheit des MRI-Systems zugeführt werden. Es kann an dieser Stelle also ein sehr hoher Verstärkungsgrad realisiert werden, ohne mit großen Problemen rechnen zu müssen.The respective second reception amplifiers ( 6 ) are stationary and are directly connected by wires to the respective power supply units. There is thus no critical energy balance to be observed, as is the case, for example, with the externally fed low-noise first preamplifier ( 2 ) the case is. The efficiency of the amplifier therefore does not play an important role. Also problems with the feedback are not particularly significant, since the processed signals ( 7 ) via non-radiating coaxial cables of the receiving and evaluating unit of the MRI Systems are supplied. It can be realized at this point so a very high degree of gain without having to expect big problems.
Eine favorisierte, alternative Lösung ist in 2 skizziert. Diese zeigt schematisch den typischen Aufbau einer gleichartigen drahtlosen Übertragungsstrecke für die Daten einer jeweiligen Empfangsspule im Magnetresonanztomographen mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol auf der Sender- und einem kapazitiv belasteten Monopol auf der Empfängerseite. Als elektrisch wirksames Gegengewicht für den Monopol wird nun eine metallisch leitende Ebene (8) verwendet. Dadurch verringert sich die Bauhöhe des gesamten zweiten Empfangsverstärkers, welche wesentlich von der geometrischen Länge der Empfangsverstärkerantenne (5) abhängt, um etwa die Hälfte. Als metallisch leitende Ebene (8) könnte beispielsweise die Schirmung der Zylindermantelinnenfläche des Untersuchungsvolumens oder eine andere, ohnehin vorhandene ausreichend große metallisch leitende Fläche dienen.A favored, alternative solution is in 2 outlined. This shows schematically the typical structure of a similar wireless transmission path for the data of a respective receiving coil in the magnetic resonance tomography with a capacitively loaded symmetric dipole on the transmitter and a capacitive monopole loaded on the receiver side. As an electrically effective counterweight for the monopole, a metallically conductive plane ( 8th ) used. This reduces the overall height of the entire second receiving amplifier, which is substantially of the geometric length of the receiving amplifier antenna ( 5 ) depends on about half. As a metallically conductive level ( 8th ) could serve, for example, the shielding of the cylinder jacket inner surface of the examination volume or another, already existing sufficiently large metallically conductive surface.
Solchermaßen verkürzt zeigt die 3 schematisch den beispielhaften inneren Aufbau im Querschnitt eines beispielhaften Empfangsmoduls mit einem kapazitiv belasteten Monopol. Auf der metallisch leitenden Ebene (8), beispielsweise der Zylindermantelinnenfläche des Untersuchungsvolumens, ist das gesamte Empfangsmodul montiert. Als wesentliche elektronische Bausteine finden sich dort eine Empfangsverstärkerantenne (5), die als kapazitiv belasteter Monopol gestaltet ist. Sie befindet sich derart im Gehäuse des Empfangsmoduls (10), dass die Dachkapazität mit ihrer größten Fläche zur Vorverstärker-Sendeantenne (3) hin gerichtet ist. Während das Gehäuse des Empfangsmoduls (10) aus einem nicht leitenden Material besteht, welches das Empfangsmodul insgesamt umschließt, besteht die Dachkapazität der Empfangsverstärkerantenne (5) aus einem metallisch leitendem Material und bildet zusammen mit der entsprechend zugeordneten Dachkapazität der Vorverstärker-Sendeantenne (3) sozusagen einen Plattenkondensator mit sehr großem Plattenabstand. An die Dachkapazität der Empfangsverstärkerantenne (5) angeschlossen ist eine optionale Verlängerungsspule (9) und diese ist wiederum mit dem Eingang des zweiten Empfangsverstärkers (6) verbunden. Die Verlängerungsspule (9) ist optional, d. h. sie verbessert zwar die elektrischen Eigenschaften, sie kann jedoch auch fortgelassen werden, wenn dies zweckdienlich ist, um dadurch beispielsweise unerwünschte Rückkopplungen zu vermeiden. Die verstärkten und aufbereiteten Signale (7) werden über eine koaxiale Leitung (11) zur weiteren Bearbeitung der Empfangseinheit des MRI-Systems zugeführt.Shortened so shows the 3 schematically the exemplary internal structure in cross section of an exemplary receiving module with a capacitive monopole. On the metallically conductive plane ( 8th ), For example, the cylinder jacket inner surface of the examination volume, the entire receiving module is mounted. As essential electronic components there is a receiving amplifier antenna ( 5 ), which is designed as a capacitive monopoly. It is located in the housing of the receiving module ( 10 ) that the roof capacity with its largest area to the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) is directed. While the housing of the receiving module ( 10 ) consists of a non-conductive material, which encloses the receiving module as a whole, there is the roof capacity of the receiving amplifier antenna ( 5 ) of a metallically conductive material and together with the correspondingly assigned roof capacity of the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) so to speak a plate capacitor with very large plate spacing. To the roof capacity of the receiving amplifier antenna ( 5 ) is an optional extension coil ( 9 ) and this in turn is connected to the input of the second receive amplifier ( 6 ) connected. The extension coil ( 9 ) is optional, that is, it does improve the electrical properties, but it may be omitted, as appropriate, thereby avoiding unwanted feedback, for example. The amplified and processed signals ( 7 ) are transmitted via a coaxial line ( 11 ) for further processing of the receiving unit of the MRI system.
Um den schaltungstechnischen Gesamtaufwand für ein solches Empfangsmodul abschätzen zu können, werden die wesentlichen Schaltungsbausteine anhand einer einfachen, aber funktionstüchtigen Empfängerschaltung, diskutiert. Die 4 zeigt schematisch und beispielhaft eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Empfangsmoduls zur Demonstration des geringen schaltungstechnisch erforderlichen Aufwandes. Das wegen der elektromagnetischen Wechselwirkung (4) im Nahfeld beider Antennen von der Dachkapazität der, als mechanisch verkürzter Dipol gestalteten, Empfangsverstärkerantenne (5) aufgenommene Signal, gelangt zunächst zur optionalen Verlängerungsspule (9) und von dort auf eine resonante Anpassschaltung, die in Form eines sogenannten Pi-Filters mit Hilfe eines ersten Kondensators (12), einer Pi-Filter Spule (13) und eines zweiten Kondensators (14), gestaltet ist.In order to be able to estimate the overall circuit complexity for such a receiving module, the essential circuit components are discussed on the basis of a simple but functional receiver circuit. The 4 shows schematically and by way of example a complete functional circuit of a possible receiving module for demonstrating the low circuitry required effort. That because of the electromagnetic interaction ( 4 ) in the near field of both antennas of the roof capacity of, designed as a mechanically shortened dipole, receiving amplifier antenna ( 5 ) first reaches the optional extension coil ( 9 ) and from there to a resonant matching circuit, in the form of a so-called pi-filter with the aid of a first capacitor ( 12 ), a pi-filter coil ( 13 ) and a second capacitor ( 14 ), is designed.
Die am zweiten Kondensator (14) anliegende Spannung wird durch ein Paar schneller Schaltdioden (18) und (19) in bekannter Weise auf den Wert des Betrages der jeweiligen Flussspannungen begrenzt.The second capacitor ( 14 ) voltage is supplied by a pair of fast switching diodes ( 18 ) and ( 19 ) is limited in a known manner to the value of the amount of the respective forward voltages.
Sowohl die optionale Verlängerungsspule (9) als auch die Pi-Filter Spule (13) befinden sich permanent im Feldraum des Untersuchungsvolumens. Sie müssen daher beide unbedingt so ausgerichtet sein, dass keine Verkopplung zum dort impulsartig aufgebauten magnetischen B1-Feld auftreten kann, um die parasitäre Wechselwirkung zum B1-Feld möglichst gering zu halten. Da es sich in der Regel bei dem zu untersuchenden Gewebe um lebende Personen handelt, die sich abrupt bewegen und damit die Feldstruktur stören können, wodurch die Entkopplung der ausgerichteten Bauteile womöglich reduziert wird, ist die Begrenzung der am zweiten Kondensator (14) anliegenden Spannung durch ein Paar schneller Schaltdioden (18) und (19) zum Schutze der nachfolgenden elektronischen Bausteine erforderlich.Both the optional extension coil ( 9 ) as well as the pi-filter coil ( 13 ) are permanently in the field space of the examination volume. Therefore, they must both be aligned in such a way that coupling to the magnetic B1 field constructed in a pulse-like manner can not occur in order to minimize the parasitic interaction with the B1 field. Since the tissue to be examined is usually a living person, which can move abruptly and thus disturb the field structure, whereby the decoupling of the aligned components is possibly reduced, the limitation on the second capacitor ( 14 ) voltage through a pair of fast switching diodes ( 18 ) and ( 19 ) to protect the following electronic components required.
Als weiterer Gesichtspunkt ergibt sich durch diese einfache Schaltung eine signifikante Reduktion der Wechselwirkung des Empfangsmoduls mit dem B1-Feld für den Fall einer Störung der Feldstruktur im Untersuchungsvolumen durch den sich bewegenden Patienten.As a further aspect, this simple circuit results in a significant reduction of the interaction of the receiving module with the B1 field in the event of a disturbance of the field structure in the examination volume by the moving patient.
Die Empfangsverstärkerantenne (5) mit ihrer Dachkapazität und ihrer optionalen Verlängerungsspule (9) bildet zusammen mit der Pi-Filter Anpassschaltung, bestehend aus einem ersten Kondensators (12), einer Pi-Filter Spule (13) und einem zweiten Kondensators (14), ein komplexes resonantes elektrisches System, dessen Resonanzfrequenz im Empfangsfall mit der Larmorfrequenz identisch ist. Auf diese Weise wird ja gerade die hohe Eingangsempfindlichkeit für die Echosignale sicher gestellt.The receive amplifier antenna ( 5 ) with their roof capacity and optional extension coil ( 9 ) together with the pi-filter matching circuit, consisting of a first capacitor ( 12 ), a pi-filter coil ( 13 ) and a second capacitor ( 14 ), a complex resonant electrical system whose resonance frequency is identical to the Larmor frequency in the case of reception. In this way the high input sensitivity for the echo signals is ensured.
Andererseits wird der B1-Feld Impuls zur Auslenkung der Kernspins mit hoher Leistung ebenfalls bei der Larmorfrequenz ausgesendet. Die Erzeugung eines homogenen B1-Feldes ist von großer Wichtigkeit für die mit dem MRI-System erzielte Bildqualität und darf möglichst nicht gestört werden.On the other hand, the B1 field becomes momentum to excite the high power nuclear spins also sent out at the Larmor frequency. The generation of a homogeneous B1 field is of great importance for the image quality achieved with the MRI system and should as far as possible not be disturbed.
Wird nun also im Fehlerfall eine zu hohe Wechselwirkung zwischen dem B1-Impuls und dem Empfangsmodul verursacht, so führt ein geringfügiger Teil der fehlerhaft eingespeisten hochfrequenten B1-Impulsleistung zum Durchschalten des antiparallel geschalteten Paares schneller Schaltdioden (18) und (19), bewirkt dadurch schaltungstechnisch quasi einen temporären Kurzschluss des zweiten Kondensators (14), wodurch sich die Resonanzfrequenz des komplexen resonanten elektrischen Systems aus Pi-Filter und Empfangsantenne zu tieferen Frequenzen als der Larmorfrequenz hin verschiebt. Durch die so bewirkte Änderung der Resonanzfrequenz, wird das elektromagnetische B1-Feld von diesem Empfangsmodul temporär nicht empfangen, damit nicht lokal absorbiert und stört somit auch nicht die Homogenität der Feldstruktur.If an excessive interaction between the B1 pulse and the receiving module is thus caused in the event of a fault, then a small part of the incorrectly supplied high-frequency B1 pulse power leads to the through connection of the antiparallel-connected pair of fast switching diodes (FIG. 18 ) and ( 19 ), thereby structurally causes a temporary short circuit of the second capacitor ( 14 ), whereby the resonant frequency of the complex resonant electrical system of Pi filter and receiving antenna shifts to lower frequencies than the Larmorfrequenz out. As a result of the change in the resonance frequency effected in this way, the electromagnetic B1 field is temporarily not received by this receiving module, so that it is not locally absorbed and thus does not disturb the homogeneity of the field structure.
Dies ist eine automatische und reproduzierbare schaltungstechnische Maßnahme zur Begrenzung der ungewünschten Auswirkungen im Störfall, die zusätzlich auch noch die empfindliche Empfängerschaltung schützt. Über einen Einkoppelkondensator (15) werden die Signale einem ersten Transistor (22) an der Basis zugeführt, der mit einem zweiten Transistor (23) eine Darlington-Schaltung bildet. Die beiden Widerstände (16) und (17) dienen der Einstellung des Arbeitspunktes des gleichstromgekoppelten Verstärkers. Die jeweiligen Emitterwiderstände (20) und (21) begrenzen die individuellen Emitterströme. Am Kollektor des zweiten Transistors (23) wird das verstärkte und aufbereitete Signale (7) über einen Auskoppelkondensator (26) einer koaxiale Leitung (11) zur weiteren Bearbeitung der Empfangseinheit des MRI-Systems zugeführt.This is an automatic and reproducible circuit measure to limit the unwanted effects in case of failure, which additionally protects even the sensitive receiver circuit. Via a coupling capacitor ( 15 ), the signals are applied to a first transistor ( 22 ) at the base, which is connected to a second transistor ( 23 ) forms a Darlington circuit. The two resistors ( 16 ) and ( 17 ) serve to adjust the operating point of the DC-coupled amplifier. The respective emitter resistors ( 20 ) and ( 21 ) limit the individual emitter currents. At the collector of the second transistor ( 23 ), the amplified and processed signals ( 7 ) via a decoupling capacitor ( 26 ) a coaxial line ( 11 ) for further processing of the receiving unit of the MRI system.
Die Gleichspannungs-Versorgungsleistung zum Betrieb der Verstärkereinheit wird von außerhalb über den Innenleiter der koaxialen Leitung (11) zugeführt. Über eine Drosselspule (28), die als Frequenzweiche für Gleichstrom dient und einer Diode (27), die als Verpolungsschutz dient, wird ein Glättungskondensator (25) mit der erforderlichen Versorgungsspannung aufgeladen. Ein Arbeitswiderstand (24) bewirkt den Betrieb des Verstärkers im optimalen Arbeitspunkt.The DC supply power for operating the amplifier unit is transmitted from outside via the inner conductor of the coaxial line ( 11 ). Via a choke coil ( 28 ), which serves as a crossover for direct current and a diode ( 27 ), which serves as reverse polarity protection, is a smoothing capacitor ( 25 ) charged with the required supply voltage. A working resistor ( 24 ) causes the operation of the amplifier at the optimum operating point.
Um die notwendige Betriebsenergie für den rauscharmen ersten Vorverstärker (2) drahtlos bereit zu stellen, bietet es sich an, diese mit Hilfe einer Speisespule (29) zu übertragen. Die 5 zeigt schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Empfangsmoduls mit einem kapazitiv belasteten Monopol und einer integrierten Sendespule zur alternativen Speisung der lokalen Oberflächenspulenverstärker. Dazu müssen lediglich in den ohnehin vorhandenen und montierten Gehäusen der Empfangsmodule (10) jeweils noch zusätzliche Speisespulen (29) integriert werden, welche zweckmäßigerweise ebenfalls im Rahmen einer resonanten Wechselwirkung mit entsprechenden Resonanzkreisen in den jeweiligen rauscharmen ersten Vorverstärkern (2) integriert sind. Die hochfrequente Speiseleistung wird der Speisespule (29) mit Hilfe einer koaxialen Einspeisung (30) zugeführt. Die Betriebsfrequenz zur Übertragung der erforderlichen Speiseleistung muss selbstverständlich signifikant von allen für die Bildgebung der MRI-Anlage benutzten Frequenzen und insbesondere von der Larmorfrequenz erheblich abweichen um jegliche störende Wechselwirkung auszuschließen.To provide the necessary operating power for the low-noise first preamplifier ( 2 ) wirelessly, it is advisable to use a feed coil ( 29 ) transferred to. The 5 schematically shows the cross section of an exemplary receiving module with a capacitive monopole loaded and an integrated transmitter coil for alternative powering the local surface coil amplifier. For this purpose, only in the already existing and mounted housings of the receiving modules ( 10 ) each additional feed coils ( 29 ), which expediently likewise in the context of a resonant interaction with corresponding resonant circuits in the respective low-noise first preamplifiers ( 2 ) are integrated. The high-frequency power supply is the feed coil ( 29 ) by means of a coaxial feed ( 30 ). Of course, the operating frequency for transmitting the required power must differ significantly from all frequencies used for imaging the MRI system, and especially from the Larmor frequency, to eliminate any interfering interaction.
Für eine möglichst großflächige drahtlose Ankopplung der einzelnen rauscharmen ersten Vorverstärker (2) mit den äußeren zweiten Empfangsverstärkern (6) ist die Anordnung zahlreicher Empfangsmodule auf der Innenseite der Zylindermantelfläche des Untersuchungsvolumens sinnvoll. Dadurch ergeben sich großflächige Felder (arrays) bestückt mit Empfangsmodulen. Die 6 zeigt schematisch die Aufsicht auf hier beispielhaft ausschnittsweise sechs zu einem Array zusammengefasste Empfangsmodule mit kreisrunden Dachkapazitäten als äußerlich erkennbare Bestandteile der Empfangsverstärkerantennen (5) im jeweiligen Gehäuse des Empfangsmoduls (10). Diese lassen sich in der angedeuteten Weise entsprechend der jeweiligen Erfordernisse nahezu beliebig aneinander reihen. Die 7 zeigt schematisch die Aufsicht auf ausschnittsweise sechs zu einem Array zusammengefasste Empfangsmodule mit alternativen quadratischen Dachkapazitäten. Weitere Formen der Flächen, insbesondere das Octogon, sind für die Ausgestaltung der Dachkapazitäten sinnvoll, können im Rahmen der hier aufgeführten Anwendungsbeispiele jedoch nicht vollständig aufgeführt werden.For the widest possible wireless coupling of the individual low-noise first preamplifier ( 2 ) with the outer second receive amplifiers ( 6 ), the arrangement of numerous receiving modules on the inside of the cylindrical surface of the examination volume makes sense. This results in large-area arrays populated with receiving modules. The 6 schematically shows the plan view here by way of example partial, six combined into an array receiving modules with circular roof capacities as externally visible components of the receiving amplifier antennas ( 5 ) in the respective housing of the receiving module ( 10 ). These can be lined up in the manner indicated according to the respective requirements almost arbitrarily. The 7 schematically shows the top view of a fragmentary six combined into an array receiving modules with alternative square roof capacities. Other forms of surfaces, especially the Octogon, are useful for the design of the roof capacities, but can not be fully listed in the context of the application examples listed here.
Besondere Sorgfalt erfordert das aus der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen, dem rauscharmen ersten Vorverstärker (2) und der Vorverstärker-Sendeantenne (3) gebildete Sendemodul.Special care requires that from the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, the low-noise first preamplifier ( 2 ) and the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) formed transmission module.
Die 8 zeigt schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und einer örtlich mittig angeordneten lokalen Empfangsspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen. Anhand der 8 lässt sich die prinzipielle Problematik und der erforderliche Aufbau erläutern Für die praxistaugliche Version des Sendemoduls muss dieses anschließend noch sinnvoll modifiziert werden. Das Sendemodul befindet sich beispielsweise im Zentrum der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen. Der rauscharme erste Vorverstärker (2) ist mit seinem Eingang mit der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen verbunden und speist mit seinem Ausgang die Vorverstärker-Sendeantenne (3), die hier als symmetrischer Dipol mit Dachkapazitäten an den jeweiligen Enden ausgebildet ist, um so das verstärkte Signal der Kernspin-Echosignalsequenzen zu den entfernt angebrachten Empfangsmodulen drahtlos zu übertragen. Optionale Verlängerungsspulen für die Sendeantennen (41) sorgen in bekannter Weise für eine mechanisch kurze Leiterlänge der Vorverstärker-Sendeantenne (3). Das gesamte Sendemodul befindet sich bis auf die lokalen Empfangsspule (1) und den zugehörigen Zuleitungen im Sendemodulgehäuse (40). Für eine beispielhafte runde Ausführungsform zeigt die 9 schematisch die Aufsicht auf ein Sendemodul in kreissymmetrischer Ausgestaltung mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der konzentrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen. Anders geformte Ausführungsformen sind denkbar und sinnvoll. Sowohl quadratische, rechteckige oder Ausführungen in Form eines Octogon gehören zu den sinnvollen Gestaltungsmöglichkeiten mit jeweils spezifischen Vorteilen, können an dieser Stelle aber nicht vollständig diskutiert werden. Für die als Beispiel gewählte kreissymmetrische Ausgestaltung fällt zunächst die relativ großflächige lokale Empfangsspule (1) als in der Größe dominierendes Bauteil des Sendemoduls in das Blickfeld des Betrachters. Gut zu erkennen sind die beiden Zuleitungsdrähte, die zum zentral und mittig positionierten Sendemodulgehäuse (40) führen. Die Zuleitungsdrähte sind mit dem rauscharmen ersten Vorverstärker (2) verbunden, der dann schließlich die Vorverstärker-Sendeantenne (3) speist, deren Dachkapazität hier ebenfalls kreisrund ist.The 8th schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded symmetric dipole and a locally centrally located local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences. Based on 8th can explain the basic problem and the required structure For the practical version of the transmitter module this must then be modified meaningful. The transmitter module is located, for example, in the center of the local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences. The low noise first preamp ( 2 ) is with his Input with the local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences and supplies with its output the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) formed here as a balanced dipole with roof capacitances at respective ends so as to wirelessly transmit the amplified signal of the nuclear spin echo signal sequences to the remote receiving modules. Optional extension coils for the transmitting antennas ( 41 ) provide in a known manner for a mechanically short conductor length of the preamplifier transmitting antenna ( 3 ). The entire transmitter module is located except for the local receiver coil ( 1 ) and the associated supply lines in the transmitter module housing ( 40 ). For an exemplary round embodiment, FIG 9 schematically shows the top view of a transmitter module in circular symmetrical configuration with a capacitively loaded balanced dipole and the concentrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences. Differently shaped embodiments are conceivable and useful. Both square, rectangular or octogon-type designs belong to the meaningful design options, each with its own specific advantages, but can not be fully discussed here. For the circularly symmetrical configuration chosen as an example, initially the relatively large-area local receiver coil ( 1 ) as the dominant in size component of the transmitter module in the field of view of the observer. Well visible are the two supply wires to the central and centrally positioned transmitter module housing ( 40 ) to lead. The lead wires are connected to the low-noise first preamplifier ( 2 ), which will eventually connect the preamplifier transmit antenna ( 3 ) whose roof capacity is also circular.
Um die lokalen Empfangsspule (1) noch näher an das Gewebe heran zu führen und um dem Sendemodul eine höhere mechanische Stabilität zu verleihen, bleibt die lokalen Empfangsspule (1) zwar nach wie vor zentrisch um das Sendemodulgehäuse (40) angeordnet. Die lokalen Empfangsspule (1) befindet sich nun jedoch nicht mehr mittig, sondern unsymmetrisch bodenseitig zur Höhe des Sendemodulgehäuses (40). Die 10 zeigt schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfangsspule (1) für die Kernspin-Echosignalsequenzen. Durch diese Maßnahme verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis der Bildgebungsprozedur, weil nun die lokale Empfängerspule (1) näher zum Gewebe hin positioniert ist. Anstelle der geringen Bodenfläche des Sendemodulgehäuses (40) liegt nun die lokale Empfängerspule (1) mit ihrem signifikant größeren Durchmesser großflächig auf dem Gewebe auf, wodurch die mechanische Stabilität deutlich verbessert wird. Um eine Fremdspeisung des Sendemoduls und den in ihm integrierten rauscharmen ersten Vorverstärker (2) mit Hilfe eines zusätzlichen Speisefeldes mit einer Betriebsfrequenz, die deutlich von der Larmorfrequenz abweicht, zu ermöglichen, muss im Sendemodulgehäuses (40) noch eine Speiseenergieempfangsspule (42) integriert werden. Sie bildet das Pendant zur Speisespule (29), die im Gehäuse des Empfangsmoduls (10) zum Einsatz kommt. Die 11 zeigt schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten symmetrischen Dipol und der in der Höhe unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfangsspule (1) für die Kernspin-Echosignalsequenzen mit zusätzlicher integrierter Speiseenergieempfangsspule (42).To the local receiving coil ( 1 ) to bring closer to the tissue and to give the transmitter module a higher mechanical stability, the local receiving coil ( 1 ) while still centered around the transmitter module housing ( 40 ) arranged. The local receiver coil ( 1 ) is now no longer centered, but asymmetric bottom side to the height of the transmitter module housing ( 40 ). The 10 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded balanced dipole and the asymmetrically arranged local receiver coil ( 1 ) for the nuclear spin echo signal sequences. By this measure, the signal-to-noise ratio of the imaging procedure improves because now the local receiver coil ( 1 ) is positioned closer to the tissue. Instead of the small bottom surface of the transmitter module housing ( 40 ) is now the local receiver coil ( 1 ) with their significantly larger diameter over a large area on the tissue, whereby the mechanical stability is significantly improved. To a foreign feed of the transmitter module and the integrated low-noise first preamplifier ( 2 ) with the aid of an additional feed field with an operating frequency that deviates significantly from the Larmor frequency, must be in the transmitter module housing ( 40 ) nor a feed energy receiving coil ( 42 ) to get integrated. It forms the counterpart to the feed coil ( 29 ) housed in the housing of the receiving module ( 10 ) is used. The 11 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded balanced dipole and the asymmetrically arranged in height local receiver coil ( 1 ) for the nuclear spin echo signal sequences with additional integrated feed energy receiving coil ( 42 ).
Neben den Spulen als Wechselwirkungselemente zur Fremdspeisung sind grundsätzlich auch weitere Möglichkeiten denkbar. So können beispielsweise auch die ohnehin bereits vorhandenen Dachkapazitäten dazu verwendet werden, die jeweils notwendige Betriebsenergie für die Sendemodule durch äußere Felder einzuspeisen. Die hier vorgestellten Möglichkeiten sollen nur als Ausführungsbeispiele dienen. Welche Form der Fremdspeisung am besten geeignet ist, hängt von vielen Faktoren ab. Für das hier vorgestellte Verfahren ist die genaue Art und Weise der Realisierung der Fremdspeisung von eher untergeordneter Bedeutung. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, gleichzeitig Signaldaten und Speiseenergie über elektrische Streufelder zu transportieren. Es muss jedoch sicher gestellt sein, dass sich die gleichzeitig auftretenden Felder nicht gegenseitig behindern. Dazu sollte beispielsweise die Frequenz der Speisefelder unbedingt signifikant von der Signalfrequenz abweichen.In addition to the coils as interaction elements for external supply, in principle, other possibilities are conceivable. Thus, for example, the already existing roof capacities can be used to feed the respectively required operating energy for the transmission modules by external fields. The options presented here are intended to serve only as exemplary embodiments. Which form of external feed is most suitable depends on many factors. For the method presented here, the exact way of realizing the external feed is of subordinate importance. In principle, however, it is possible to simultaneously transport signal data and feed energy via electrical stray fields. However, it must be ensured that the fields occurring at the same time do not interfere with each other. For this purpose, for example, the frequency of the feed fields should necessarily deviate significantly from the signal frequency.
Eine weitere, sehr interessante Möglichkeit die Speiseenergie für das Sendemodul aus einem zusätzlich präsenten Speisefeld zu beziehen besteht darin, die lokale Empfangsspule (1) mehrfach auszunutzen und diese mit mehreren Resonanzfrequenzen zu betreiben. Dies ist deshalb ein sehr interessantes Konzept, weil die lokalen Empfangsspule (1) eine relativ große Fläche aufspannt und damit erheblich besser an ein Speisefeld ankoppeln kann, als eine Spule mit einem geringeren Spulendurchmesser. Es kann gezeigt werden und es ist dem Fachmann bekannt, dass durch einfache schaltungstechnische Maßnahmen wie zum Beispiel eine Spulenanzapfung und die Verwendung zusätzlicher Kondensatoren aus einem einfachen Resonanzkreis mit nur einer einzigen Resonanzfrequenz leicht ein sogenannter Reaktanzkreis mit zwei oder mehr Resonanzfrequenzen aufgebaut werden kann. Wendet man diese Vorgehensweise an, dann kann die lokale Empfangsspule (1) nach einer Anzapfung an geeigneter Stelle als Bestandteil eines Reaktanzkreises mit wenigsten zwei voneinander unterschiedlichen Resonanzfrequenzen betrieben werden. Wird dann eine dieser Resonanzfrequenzen auf die Larmorfrequenz abgestimmt und die andere Resonanzfrequenz auf die Frequenz eines zusätzlich eingestrahlten Speisefeldes, so kann das Sendemodul mit hohem Wirkungsgrad dem Speisefeld seine zum Betrieb erforderliche Energie entziehen und gleichzeitig die Magnetresonanz-Signale störungsfrei empfangen.Another very interesting possibility to obtain the feed energy for the transmitter module from an additionally present feed panel is to connect the local receiver coil ( 1 ) exploit multiple times and operate them with multiple resonance frequencies. This is a very interesting concept because the local receiver coil ( 1 ) spans a relatively large area and thus can attach much better to a feed field than a coil with a smaller coil diameter. It can be shown and it is known in the art that by simple circuitry measures such as a Spulenanzapfung and the use of additional capacitors from a simple resonant circuit with only a single resonant frequency easily a so-called reactance circuit can be constructed with two or more resonance frequencies. Applying this procedure, then the local receiving coil ( 1 ) are operated after a tap at a suitable location as part of a reactance circuit with at least two mutually different resonance frequencies. If then one of these resonant frequencies is tuned to the Larmor frequency and the other resonant frequency to the frequency of an additionally irradiated feed panel, the transmitter module can withstand the energy required for the operation of the feed field and at the same time receive the magnetic resonance signals without interference.
Als ein weiterer Schritt zur Verbesserung und zur Verkleinerung des Sendemoduls kann nun noch die Vorverstärker-Sendeantenne (3) modifiziert werden. Anstelle eines symmetrischen Dipols kann auch hier, ähnlich wie bei dem Empfangsmodul, ein kapazitiv belasteter unsymmetrischer Dipol verwendet werden. Die 12 zeigt schematisch den Querschnitt eines beispielhaften Sendemoduls mit einem kapazitiv belasteten unsymmetrischen Dipol und der unsymmetrisch angeordneten lokalen Empfängerspule für die Kernspin-Echosignalsequenzen mit zusätzlicher Speisespule. Durch diese Maßnahme wird die erforderliche Bauhöhe des Sendemodulgehäuses (40) noch weiter reduziert. Durch das Entfernen einer Dipolhälfte muss das nun fehlende Antennengegengewicht näherungsweise nachgebildet werden. Dies geschieht durch eine großflächige Metallisierung (43) des Bodens des Sendemodulgehäuses (40). Auf diese Weise kann ein guter Kompromiss zwischen den Vorteilen einer verringerten Bauhöhe des Sendemodulgehäuses (40) und den Nachteilen durch eine Verschlechterung der Antennenabstrahlung gefunden werden. Um mögliche Wirbelstromverluste zu vermeiden, die womöglich die zu empfangenden Echosignal-Sequenzen bedämpfen könnten, genügt es beispielsweise, die großflächige Metallisierung (43) des Bodens des Sendemodulgehäuses (40) nicht aus massivem Material, sondern als gitterförmig unterbrochenem oder geschlitztem Folienmaterial zu realisieren. Wichtig ist lediglich, dass zur Verbesserung des Abstrahlungsverhaltens der Vorverstärker-Sendeantenne (3) ein elektrisch wirksames Gegengewicht zum Monopol aufgebaut wird. Eine nennenswerte Stromstärke tritt in der großflächige Metallisierung (43) nicht auf. Deshalb können die entsprechenden Metallisierungen zur Realisierung des Gegengewichtes sehr dünn und hinreichend zerklüftet sein, um jegliche Form von möglichen Wirbelstromverlusten zu unterbinden.As a further step for improving and reducing the transmission module, the preamplifier transmission antenna ( 3 ) are modified. Instead of a symmetrical dipole, similarly to the receiving module, a capacitively loaded unbalanced dipole can also be used. The 12 schematically shows the cross section of an exemplary transmitter module with a capacitively loaded unbalanced dipole and the asymmetrically arranged local receiver coil for the nuclear spin echo signal sequences with additional feed coil. By this measure, the required height of the transmitter module housing ( 40 ) even further reduced. By removing a dipole half, the now missing antenna counterweight must be approximated. This is done by a large-scale metallization ( 43 ) of the bottom of the transmitter module housing ( 40 ). In this way, a good compromise between the advantages of a reduced overall height of the transmitter module housing ( 40 ) and the disadvantages are found by a deterioration of the antenna radiation. In order to avoid possible eddy current losses, which could possibly dampen the echo signal sequences to be received, it is sufficient, for example, to use the large-area metallization ( 43 ) of the bottom of the transmitter module housing ( 40 ) not made of solid material, but as a grid-shaped interrupted or slotted foil material to realize. It is only important that in order to improve the radiation behavior of the preamplifier transmitting antenna ( 3 ) an electrically effective counterweight to the monopoly is built. A significant current strength occurs in the large-area metallization ( 43 not). Therefore, the corresponding metallizations to realize the counterweight can be very thin and sufficiently rugged to prevent any form of potential eddy current losses.
Zur Diskussion von möglichen Schaltungsrealisierungen werden nachfolgend zwei prinzipiell funktionsfähige Schaltungen mit den wesentlichen elektronischen Bausteinen diskutiert. Es zeigt 13 schematisch und beispielhaft eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Sendemoduls mit symmetrischem Dipol und Speisung aus der B1-Pulsenergie zur Demonstration des geringen schaltungstechnischen Aufwandes. Die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen bildet zusammen mit den beiden Serienkondensatoren (59) und dem Resonanzkreiskondensator (58) einen im Empfangsfall, also bei Absenz des Kernspin auslenkenden leistungsstarken B1-Impulses, auf die Larmorfrequenz abgestimmten Resonanzkreis, der die vom Gewebe ausgehenden Echosignalsequenzen empfängt und dem rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) an den jeweiligen Eingängen zuführt. Da die Signalspannungen sehr gering sind, bleiben die beiden antiparallel geschalteten schnellen Schaltdioden (56) und (57) im Empfangsfall wegen ihrer Flussspannungsschwelle ohne einen Einfluss auf die im Vergleich dazu sehr geringen Signalspannungen. Das verstärkte Signal gelangt von den jeweiligen Ausgängen des rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) über die beiden Auskoppelkondensatoren (54) auf ein symmetrisches Doppel-Pi-Filter, welches aus den Induktivitäten (52) und den Abstimmkondensatoren (53) und (51) besteht und wird dann jeweils über Verlängerungsinduktivitäten (41) der als symmetrischer Dipol mit Dachkapazitäten gestalteten Vorverstärker-Sendeantenne (3) zugeführt und von dort wie gewünscht abgestrahlt. Im Falle der Präsenz eines zur Auslenkung der Kernspins gepulsten B1-Feldes wird die in der lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen durch dieses Feld induzierte Spannung so groß, dass die beiden schnellen Schaltdioden (56) und (57) leitend werden. Dadurch wird der Resonanzkreiskondensator (58) quasi elektrisch kurzgeschlossen, wodurch sich wiederum der Resonanzkreis, gebildet aus der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen, den beiden Serienkondensatoren (59) und dem Resonanzkreiskondensator (58), hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz verstimmt. Es kann deshalb kein nennenswerter Stromfluss durch den Spulendraht der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen stattfinden, der seinerseits eine Feldverzerrung oder eine unzulässig hohe lokale Absorption des B1-Feldes verursachen könnte. Zusätzlich wirken die durchgeschalteten schnellen Schaltdioden (56) und (57) spannungsbegrenzend und schützen somit den empfindlichen rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) vor der Zerstörung. Für die zum Betrieb des rauscharmen ersten Vorverstärkers (2) und hier insbesondere zum Betrieb des rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) erforderliche Betriebsenergie kann ein geringer Teil der in der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen parasitär induzierten Spannung ausgenutzt werden. Bei einer gesamten Pulsleistung mit einem Spitzenwert von 2000 Watt in einer Entfernung von weniger als einem halben Meter wird auch an der Spule eines verstimmten Resonanzkreises noch eine genügend hohe Spannung induziert, um damit rauscharme Vorverstärker zu betreiben. Durch die Verwendung der ohnehin bereits vorhandenen der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen als Induktionsspule zum Empfang eines Teils der Hochfrequenzleistung des gepulsten B1-Feldes, den Gleichrichterdioden (62) und den Vorwiderständen (63) wird so die Hochfrequenzenergie des B1-Pulses genutzt, um nach der Gleichrichtung dieser empfangenen Wechselspannung den Ladekondensator (60) auf den gewünschten Wert der zum Betrieb erforderlichen Speisespannung aufzuladen. Der Ladekondensator muss einen hinreichend großen Kapazitätswert besitzen, um in den Pausenzeiten zwischen den zyklischen B1-Pulsen noch genügend Betriebsenergie zur Verfügung stellen zu können. Mit Hilfe einer Zenerdiode (61) und den Vorwiderständen (63) wird die Speisespannung begrenzt.To discuss possible circuit implementations, two basically functional circuits with the essential electronic components will be discussed below. It shows 13 schematically and by way of example a complete functional circuit of a possible transmission module with symmetrical dipole and power from the B1 pulse energy to demonstrate the low circuit complexity. The local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences forms together with the two series capacitors ( 59 ) and the resonant circuit capacitor ( 58 ) a in the case of reception, so in absence of the nuclear spin deflecting high-power B1 pulse, tuned to the Larmor frequency resonant circuit which receives the echo signal sequences emanating from the tissue and the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) at the respective inputs. Since the signal voltages are very low, the two antiparallel fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) in the case of reception because of their Flussspannungsschwelle without affecting the in comparison very low signal voltages. The amplified signal comes from the respective outputs of the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) via the two decoupling capacitors ( 54 ) to a symmetrical double-Pi filter, which consists of the inductors ( 52 ) and the tuning capacitors ( 53 ) and ( 51 ) and is then in each case via extension inductances ( 41 ) the preamplifier transmit antenna designed as a symmetrical dipole with roof capacitances ( 3 ) and emitted from there as desired. In the case of the presence of a pulsed B1 field for the deflection of the nuclear spin, the signal in the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences induced by this field voltage so large that the two fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) become conductive. This will cause the resonant circuit capacitor ( 58 ) quasi electrically short-circuited, whereby in turn the resonant circuit formed from the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, the two series capacitors ( 59 ) and the resonant circuit capacitor ( 58 ), detuned with respect to its resonant frequency. It can therefore no significant current flow through the coil wire of the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, which in turn could cause field distortion or inadmissibly high local absorption of the B1 field. In addition, the through-connected fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) voltage limiting and thus protect the sensitive low-noise integrated amplifier module ( 55 ) before the destruction. For the operation of the low-noise first preamplifier ( 2 ) and in particular for the operation of the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) required operating energy can be a small part of the local receiver coil ( 1 ) are exploited for the echo signal sequences parasitically induced voltage. At a total pulse power with a peak of 2000 watts at a distance of less than half a meter, a sufficiently high voltage is also induced at the coil of a detuned resonant circuit in order to operate with low-noise preamplifiers. By using the already existing of the local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences as an induction coil for receiving a part of the high-frequency power of the pulsed B1 field, the rectifier diodes ( 62 ) and the series resistors ( 63 ), the high-frequency energy of the B1 pulse is used in order to rectify this received signal AC voltage the charging capacitor ( 60 ) to the desired value of the supply voltage required for operation. The charging capacitor must have a sufficiently large capacitance value in order to be able to provide sufficient operating energy during the pause times between the cyclic B1 pulses. With the help of a zener diode ( 61 ) and the series resistors ( 63 ) the supply voltage is limited.
Bei einer großen Anzahl von Sendemodulen ist jedoch die so parasitär dem B1-Feld entnommene Feldenergie insgesamt möglicherweise nicht mehr zu vernachlässigen. Außerdem ist der technische Aufwand zur Aufbereitung eines homogenen B1-Feldes zu hoch, um einen unnötig hohen Anteil davon zur Fernspeisung zu verwenden. Deshalb werden für den rauscharmen ersten Vorverstärker (2) solche Sendemodule favorisiert, die ihre Betriebsenergie aus einem separaten speziellen Speisefeld beziehen. Dazu ist lediglich eine kleine Modifikation der Schaltung notwendig. Die 14 zeigt schematisch und beispielhaft, zur Demonstration des geringen schaltungstechnischen Aufwandes, eine vollständige funktionsfähige Schaltung eines möglichen Sendemoduls mit unsymmetrischem Dipol und Fremdspeisung durch einen Zusatzresonanzkreis. Die lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen bildet auch in dieser Schaltung zusammen mit den beiden Serienkondensatoren (59) und dem Resonanzkreiskondensator (58) einen im Empfangsfall, also bei Absenz des Kernspin auslenkenden leistungsstarken B1-Impulses, auf die Larmorfrequenz abgestimmten Resonanzkreis, der die vom Gewebe ausgehenden Echosignalsequenzen empfängt und dem rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) an den jeweiligen Eingängen zuführt. Da die Signalspannungen sehr gering sind, bleiben die beiden antiparallel geschalteten schnellen Schaltdioden (56) und (57) im Empfangsfall wegen ihrer Flussspannungsschwelle ohne einen Einfluss auf die im Vergleich dazu sehr geringen Signalspannungen. Das verstärkte Signal gelangt dann vom Ausgang des rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) über den Auskoppelkondensator (54) auf ein Pi-Filter, welches aus der Induktivität (52) und den Abstimmkondensatoren (53) und (51) besteht und wird dann über eine Verlängerungsinduktivität (41) der als unsymmetrischer Dipol mit Dachkapazitäten gestalteten Vorverstärker-Sendeantenne (3) zugeführt und von dort wie gewünscht abgestrahlt. Im Falle der Präsenz eines zur Auslenkung der Kernspins gepulsten B1-Feldes wird die in der lokale Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen durch dieses Feld induzierte Spannung so groß, dass die beiden schnellen Schaltdioden (56) und (57) leitend werden. Dadurch wird der Resonanzkreiskondensator (58) quasi elektrisch kurzgeschlossen, wodurch sich wiederum der Resonanzkreis, gebildet aus der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen, den beiden Serienkondensatoren (59) und dem Resonanzkreiskondensator (58), hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz verstimmt. Es kann deshalb kein nennenswerter Stromfluss durch den Spulendraht der lokalen Empfangsspule (1) für die Echosignalsequenzen stattfinden, der seinerseits eine Feldverzerrung oder eine unzulässig hohe lokale Absorption des B1-Feldes verursachen könnte. Zusätzlich wirken die durchgeschalteten schnellen Schaltdioden (56) und (57) spannungsbegrenzend und schützen somit den empfindlichen rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) vor der Zerstörung. Die zum Betrieb des rauscharmen ersten Vorverstärkers (2) und hier insbesondere zum Betrieb des rauscharmen integrierten Verstärkerbaustein (55) erforderliche Betriebsenergie wird einem speziellen Speisekreis entnommen, der für die Fremdspeisung der ursprünglichen zuvor beschriebenen Schaltung hinzugefügt wird. Der Speisekreis besteht aus der Speisekreisspule (65) und dem Speisekreiskondensator (64). Beide bilden zusammen einen Resonanzkreis, der auf die Frequenz des Speisefeldes abgestimmt ist. Eine Gleichrichterdiode (62) richtet die vom Speisekreis aufgenommene hochfrequente Wechselspannung gleich und lädt den Ladekondensator (60) auf den gewünschten Wert der zum Betrieb erforderlichen Speisespannung auf. Mit Hilfe einer Zenerdiode (61) wird die Speisespannung begrenzt.With a large number of transmitter modules, however, the field energy taken parasitically from the B1 field may no longer be negligible overall. In addition, the technical effort to prepare a homogeneous B1 field is too high to use an unnecessarily high proportion of it for remote feeding. Therefore, for the low-noise first preamp ( 2 ) favors such transmit modules that derive their operating power from a separate dedicated feed box. For this purpose, only a small modification of the circuit is necessary. The 14 shows schematically and by way of example, to demonstrate the low circuit complexity, a complete functional circuit of a possible transmission module with unbalanced dipole and external supply by an additional resonant circuit. The local receiver coil ( 1 ) for the echo signal sequences also forms in this circuit together with the two series capacitors ( 59 ) and the resonant circuit capacitor ( 58 ) a in the case of reception, so in absence of the nuclear spin deflecting high-power B1 pulse, tuned to the Larmor frequency resonant circuit which receives the echo signal sequences emanating from the tissue and the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) at the respective inputs. Since the signal voltages are very low, the two antiparallel fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) in the case of reception because of their Flussspannungsschwelle without affecting the in comparison very low signal voltages. The amplified signal then passes from the output of the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) via the decoupling capacitor ( 54 ) to a Pi-filter, which from the inductance ( 52 ) and the tuning capacitors ( 53 ) and ( 51 ) and then via an extension inductance ( 41 ) the preamplifier transmit antenna designed as asymmetrical dipole with roof capacitances ( 3 ) and emitted from there as desired. In the case of the presence of a pulsed B1 field for the deflection of the nuclear spin, the signal in the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences induced by this field voltage so large that the two fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) become conductive. This will cause the resonant circuit capacitor ( 58 ) quasi electrically short-circuited, whereby in turn the resonant circuit formed from the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, the two series capacitors ( 59 ) and the resonant circuit capacitor ( 58 ), detuned with respect to its resonant frequency. It can therefore no significant current flow through the coil wire of the local receiving coil ( 1 ) for the echo signal sequences, which in turn could cause field distortion or inadmissibly high local absorption of the B1 field. In addition, the through-connected fast switching diodes ( 56 ) and ( 57 ) voltage limiting and thus protect the sensitive low-noise integrated amplifier module ( 55 ) before the destruction. For operating the low-noise first preamplifier ( 2 ) and in particular for the operation of the low-noise integrated amplifier module ( 55 ) required operating power is taken from a special supply circuit, which is added to the external supply of the original circuit previously described. The supply circuit consists of the supply circuit coil ( 65 ) and the supply capacitor ( 64 ). Both together form a resonant circuit that is tuned to the frequency of the feed field. A rectifier diode ( 62 ) rectifies the high-frequency alternating voltage picked up by the supply circuit and charges the charging capacitor ( 60 ) to the desired value of the supply voltage required for operation. With the help of a zener diode ( 61 ) the supply voltage is limited.
Alle hier gezeigten Schaltungen dienen lediglich der Demonstration von Ausführungsbeispielen. Insbesondere sind viele der verwendeten Induktivitäten prinzipiell optional. Sie verbessern in der Regel zwar das elektrische Verhalten der Schaltung, können jedoch auch fortgelassen werden, wenn dies insgesamt Vorteile ergibt. So können beispielsweise die Verlängerungsspulen für die Antennen des Sendemoduls fortgelassen werden, wenn dadurch der Grad der Verkopplung zwischen Ausgang und Eingang reduziert wird. Oder es kann auf Induktivitäten als Anpasselemente verzichtet werden, wenn die Nachteile einer Fehlanpassung durch die Vorteile einer erhöhten Betriebssicherheit kompensiert werden. Entsprechend dem kontinuierlich fortschreitenden Stand der Technik und der Verfügbarkeit besser geeigneter Bauelemente müssen die jeweiligen Schaltungen sinnvoll aktualisiert und optimiert werden.All circuits shown here serve only to demonstrate embodiments. In particular, many of the inductors used are in principle optional. Although they usually improve the electrical behavior of the circuit, they can also be omitted if this results in overall benefits. For example, the extension coils for the antennas of the transmitter module can be omitted if this reduces the degree of coupling between the output and the input. Or it can be dispensed with inductors as matching elements, if the disadvantages of a mismatch are compensated by the advantages of increased reliability. According to the continuously advancing state of the art and the availability of better suitable components, the respective circuits must be meaningfully updated and optimized.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 102006056453 A1 [0006] DE 102006056453 A1 [0006]
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WO 2009/081378 A1 [0011] WO 2009/081378 A1 [0011]
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US 6850067 B1 [0018] US 6850067 B1 [0018]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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„Cutting the Cord – Wireless Coils for MRI” beschreiben Heid et al. in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 100 [0019] "Cutting the Cord - Wireless Coils for MRI" is described by Heid et al. in proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 100 [0019]
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„Wireless Local Coil Signal Transmission Using A Parametric Upconverter” von Martius et al. in Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 2934 [0020] "Wireless Local Coil Signal Transmission Using A Parametric Upconverter" by Martius et al. in proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 17 (2009) pp. 2934 [0020]
