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Die
Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät, mit einem Magnetsystem zum
Erzeugen eines stationären
Magnetfeldes, einem Spulensystem zum Erzeugen von Gradientenfeldern
und zumindest einer HF-Spule, die auf eine zuvor bestimmte Frequenz
abgestimmt ist und über
eine Verbindungsschaltung mit einer Sende- und/oder Empfangseinrichtung
für HF-Signale
verbunden ist, welche Verbindungsschaltung ein Koaxialkabel enthält, das
einen zentralen Leiter und einen Leitermantel aufweist, der den
zentralen Leiter koaxial umgibt, wobei das genannte Koaxialkabel über zumindest
einen Teil seiner Länge
von einem röhrenförmigen Leiter
mit ersten und zweiten Enden umgeben ist, wobei sich zwischen dem
Leitermantel und dem röhrenförmigen Leiter
ein Dielektrikum befindet und der genannte röhrenförmige Leiter eine elektrische
Länge hat,
die gleich einem Viertel der Wellenlänge im Dielektrikum von elektromagnetischer
Strahlung mit der zuvor bestimmten Frequenz ist, wobei das erste
Ende des röhrenförmigen Leiters
direkt mit dem Leitermantel elektrisch verbunden ist.
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Ein
Gerät dieser
Art ist beispielsweise aus der englischsprachigen Zusammenfassung
von JP-A-62-207 912 bekannt. Der röhrenförmige Leiter hat zum Ziel,
Ströme
zu unterdrücken,
die entlang der Außenfläche des
Leitermantels des Koaxialkabels fließen (Mantelströme). Wenn
die elektrische Länge
des röhrenförmigen Leiters
gleich 1/4λ ist,
wobei λ die
genannte Wellenlänge
darstellt, bildet der röhrenförmige Leiter
zusammen mit dem Leitermantel eine kurzgeschlossene 1/4λ Übertragungsleitung, die
eine hohe Impedanz aufweist. Die physikalische Länge des röhrenförmigen Leiters ist gleich 1/4λ, multipliziert
mit einem Reduktionsfaktor k. Der Reduktionsfaktor k ist gleich
1/√εr,
wobei εr die relative Dielektrizitätskonstante
des Dielektrikums ist. Die physikalische Länge des röhrenförmigen Leiters bestimmt die
minimale Länge
des Koaxialkabels und damit auch den minimalen Abstand zwischen
der HF-Sende- und/oder Empfangseinrichtung und der HF-Spule. Manchmal
ist es wünschenswert,
die Möglichkeit
zu haben, einen kleineren Abstand zwischen der HF-Spule und der
HF-Sende- und/oder Empfangseinrichtung zu wählen.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Magnetresonanzgerät der eingangs
erwähnten Art
zu schaffen, in dem die physikalische Länge des röhrenförmigen Leiters wesentlich verringert
werden kann, ohne dass seine elektrische Länge kleiner als 1/4λ wird. Um
dies zu erreichen, ist das erfindungsgemäße Gerät dadurch gekennzeichnet, dass
das zweite Ende des röhrenförmigen Leiters über einen Kondensator
mit dem Leitermantel des Koaxialkabels verbunden ist. Es hat sich
gezeigt, dass die physikalische Länge des röhrenförmigen Leiters in Abhängigkeit
von der Kapazität
des Kondensators verringert werden kann.
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Eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Geräts ist dadurch
gekennzeichnet, dass es, in Längsrichtung
des Koaxialkabels gesehen, eine Aufeinanderfolge von zumindest zwei
röhrenförmigen Leitern
gibt, von denen jeder ein erstes Ende hat, das direkt mit dem Leitermantel
elektrisch verbunden ist, und ein zweites Ende, das über einen
Kondensator mit dem Leitermantel verbunden ist. Durch das Hintereinanderschalten
von zwei oder mehr röhrenförmigen Leitern
wird die Unterdrückung
der Mantelströme verbessert.
Dank der kürzeren
physikalischen Länge jedes
röhrenförmigen Leiters
können
mehr dieser Leiter vorgesehen werden, ohne dass so die Länge des
Koaxialkabels in unzulässiger
Weise vergrößert wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Länge von
zumindest zwei der röhrenförmigen Leiter
unterschiedlich ist. Infolge dieser Maßnahme unterdrücken die röhrenförmigen Leiter
Mantelströme
unterschiedlicher Frequenz, sodass die Mantelströme über ein breites Frequenzband
oder für
unterschiedliche, zuvor gewählte
Frequenzen unterdrückt
werden können.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzgerätes,
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2 Details einer Ausführungsform
der Verbindungsschaltung des Geräts
von 1 und
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3 ein Detail einer weiteren
Ausführungsform.
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Das
Magnetresonanzgerät,
das in 1 schematisch
dargestellt wird, enthält
ein erstes Magnetsystem 1 zum Erzeugen eines stationären Magnetfeldes
H, ein zweites Magnetsystem 3 zum Erzeugen magnetischer
Gradientenfelder und erste und zweite Stromversorgungsquellen 5 und 7 für das erste
Magnetsystem 1 bzw. das zweite Magnetsystem 3. Eine
HF-Spule 9 dient zum Erzeugen eines hochfrequenten magnetischen
Wechselfeldes; hierzu ist es mit einer HF-Quelle 11 verbunden.
Zur Detektion von durch das HF-Sendefeld
in einem zu untersuchenden Objekt (nicht abgebildet) erzeugten Spinresonanzsignalen
kann auch die HF-Spule 9 genutzt werden; hierzu ist diese
Spule mit einem Signalverstärker 13 verbunden.
Die Verbindung zwischen der HF-Quelle 11 bzw. dem Signalverstärker 13 einerseits
und der HF-Spule 9 andererseits wird über eine Verbindungsschaltung 14 hergestellt,
die im Folgenden näher
beschrieben werden soll. Der Ausgang des Signalverstärkers 13 ist
mit einer Detektorschaltung 15 verbunden, die mit einer
zentralen Steuerungseinrichtung 17 verbunden ist. Die zentrale
Steuerungseinrichtung 17 steuert auch einen Modulator 19 für die HF-Quelle 11,
die zweite Stromversorgungsquelle 7 und einen Monitor 21 zur
Bildwiedergabe. Ein HF-Oszillator 23 steuert den Modulator 19 ebenso
wie den die Messsignale verarbeitenden Detektor 15. Für eine eventuelle
Kühlung
der Magnetspulen des ersten Magnetsystems 1 gibt es eine Kühlvorrichtung 25 mit
Kühlleitungen 27.
Die HF-Spule 9, die in den Magnetsystemen 1 und 3 angeordnet
ist, umgibt einen Messraum 29, der bei einem Gerät für medizinisch-diagnostische
Messungen groß genug
ist, um den zu untersuchenden Patienten oder einen Teil des zu untersuchenden
Patienten, beispielsweise den Kopf oder den Hals, zu umgeben. So
können
in dem Messraum 29 ein stationäres Magnetfeld H, Gradientenfelder
zur Auswahl von Objektschichten und ein räumlich uniformes HF-Wechselfeld
erzeugt werden. Die HF-Spule 9 kann die Funktionen einer
Sendespule und einer Messspule kombinieren und ist in diesem Fall über die
zentrale Steuerungseinrichtung 17 abwechselnd mit der HF-Quelle 11 und
dem Signalverstärker 13 verbunden.
Es können
auch unterschiedliche Spulen für
die beiden Funktionen verwendet werden, beispielsweise Oberflächenspulen,
die dann als Messspulen wirken. In diesem Fall ist sowohl für die HF-Sendespule
als auch für
die HF-Messspule eine Verbindungsschaltung 14 vorgesehen.
Im Weiteren soll die HF-Spule 9 allgemein nur als Messspule
bezeichnet werden. Für
die Verwendung der Spule als Sendespule gelten die gleichen Erwägungen entsprechend
dem Reziprozitätstheorem.
Auf Wunsch kann die Spule 9 von einem Faraday-Käfig umgeben sein, der HF-Felder
abschirmt.
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2 zeigt einige Details einer
ersten Ausführungsform
der Verbindungsschaltung 14. Die Anschlüsse der HF-Spule 9 sind über jeweilige
Verstärker 33 und 35 mit
dem positiven bzw. dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 37 verbunden. Außerdem sind
die Anschlüsse
der HF-Spule über eine
Reihenschaltung aus zwei gleichen Kondensatoren 39 miteinander
verbunden. Die Kapazität
der Kondensatoren 39 ist so gewählt, dass die HF-Spule auf
eine zuvor gewählte
Frequenz f0 abgestimmt wird. Der Verbindungspunkt
der Kondensatoren 39 ist geerdet. Das symmetrische Ausgangssignal
der HF-Spule 9 wird somit in ein asymmetrisches Signal umgewandelt
und außerdem
werden Gleichtaktströme
in gewissem Maße
unterdrückt.
Das asymmetrische Signal ist geeignet, um über ein Koaxialkabel 41 einem
Anschluss 43 zugeführt
zu werden, der mit dem Signalverstärker 13 direkt oder über weitere
Signalverarbeitungsschaltungen (nicht abgebildet) verbunden sein
kann.
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Wie üblich enthält das Koaxialkabel 41 einen zentralen
Leiter 45, der von einem Leitermantel 47 umgeben
ist. Zwischen dem zentralen Leiter 45 und dem Leitermantel 47 gibt
es ein nicht spezifiziertes Isoliermaterial. Das Koaxialkabel 41 wird über einen Teil 1 seiner
Länge von
einem röhrenförmigen Leiter 49 umgeben,
wobei dieser Leiter ein erstes Ende 51 und ein zweites
Ende 53 hat. Zwischen dem Leitermantel 47 und
dem röhrenförmigen Leiter 49 liegt
ein Dielektrikum 50. Das Dielektrikum kann beispielsweise
Luft oder ein anderes elektrisch isolierendes Material sein. Der
Durchmesser des Koaxialkabels 41 wird mit dem Bezugszeichen
d angedeutet und der Durchmesser des röhrenförmigen Leiters 49 mit
dem Bezugszeichen D. Das erste Ende 51 des röhrenförmigen Leiters 49 ist
mit dem Leitermantel 47 des Koaxialkabels 41 mit
Hilfe eines Anschlussdrahtes 55 direkt elektrisch verbunden.
Das zweite Ende 53 des röhrenförmigen Leiters 49 ist
mit dem Leitermantel 47 des Koaxialkabels 41 über einen
Kondensator 57 verbunden. Der röhrenförmige Leiter 49 bildet
somit eine kurzgeschlossene Übertragungsleitung
mit einer elektrischen Länge
von 1/4λ,
wobei in dem Dielektrikum 50 λ die Wellenlänge von elektromagnetischer
Strahlung der Frequenz f0 ist, auf die die HF-Spule 9 abgestimmt
ist. Eine solche Übertragungsleitung
bildet eine hohe Impedanz für
Mantelströme
mit der Frequenz f0. Die Beziehung zwischen der
physikalischen Länge 1 des
röhrenförmigen Leiters 49 und
der Kapazität
C des Kondensators 57 kann wie folgt berechnet werden.
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Die
charakteristische Impedanz Z0 der Übertragungsleitung
ist gegeben durch:
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Hierin
ist:
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- μ0=4π·10–7 H/m
- ε0= 8,85·10–12 F/m
- εr = die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 50.
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Die
Resonanzbedingung, bei der die Übertragungsleitung
eine sehr hohe (unendliche) Impedanz hat, ist:
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Hierin
ist λ die
Wellenlänge
der elektromagnetischen Strahlung in dem Dielektrikum 50. Sie wird gegeben
durch die Formel:
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Hierin
ist k der genannte Reduktionsfaktor (k = 1/√εr) und
c die Lichtgeschwindigkeit (= 3·108 m/s).
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Aus
(2) folgt, dass ohne den Kondensator 57 (C = ∞) gilt:
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Für jeden
endlichen Wert von C kann 1 mit Hilfe von (2) berechnet werden.
Es wird deutlich sein, dass immer:
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Dies
zeigt, dass die physikalische Länge 1 des
röhrenförmigen Leiters 49 wesentlich
kleiner sein kann als die elektrische Länge, wenn die Kapazität des Kondensators 57 geeignet
gewählt
wird. Daher kann eine erhebliche Raumersparnis erhalten werden.
Bei der dargestellten Ausführungsform
ist das erste Ende 51 des röhrenförmigen Leiters 49 von
der HF-Spule 9 abgewandt. Auf Wunsch kann der röhrenförmige Leiter 49 auch
so auf dem Koaxialkabel 41 angeordnet werden, dass sein
erstes Ende 51 der HF-Spule 9 zugewandt ist.
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3 ist eine schematische Darstellung
eines Teils eines Koaxialkabels 141, das mit einer Reihe
aufeinander folgender röhrenförmiger Leiter
versehen ist, von denen drei durch die Bezugszeichen 149a, 149b und 149c angedeutet
werden. Das erste Ende jedes dieser röhrenförmigen Leiter ist über einen
Verbindungsdraht 155a, 155b bzw. 155c direkt mit
dem Leitermantel des Koaxialkabels 141 elektrisch verbunden,
und sein zweites Ende ist mit diesem über einen Kondensator verbunden,
von denen zwei in der Figur durch die Bezugszeichen 157a und 157b angedeutet
werden. Die röhrenförmigen Leiter 149a, 149b,...
haben physikalische Längen 1a , 1b ,
..., die gleich oder unterschiedlich sein können. Die Kapazitäten der
Kondensatoren 157a, 157b, ... können auch
gleich oder unterschiedlich sein. Wenn sowohl die Längen als
auch die Kapazitäten
gleich sind, haben alle röhrenförmigen Leiter 149a, 149b,
... auch die gleiche elektrische Länge. In diesem Fall werden sie
beim Unterdrücken
von Mantelströmen
der gleichen Frequenz zusammenarbeiten. Wenn die Werte der Kondensatoren 157a, 157b,
... und/oder die Längen 1a , 1b ,
... sich unterscheiden, werden auch die elektrischen Längen der
röhrenförmigen Leiters 149a, 149b,
... unterschiedlich sein und sie werden Mantelströme unterschiedlicher
Frequenzen unterdrücken.
Diese Frequenzen können
geeignet gewählte
diskrete Frequenzen oder auch ein zusammenhängendes Frequenzband sein.
