ITSV20010039A1 - Circuito didisaccoppiamento di bobine di trasmissione nelle macchine per il rilevamento d'immagini di risonanza - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'Invenzione Industriale dal titolo:

"Circuito attivo di disaccoppiamento di bobine di trasmissione nelle macchine per il rilevamento d'immagini in risonanza magnetica nucleare

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L'invenzione ha per oggetto un circuito attivo di disaccoppiamento di bobine di trasmissione dalle bobine di ricezione nelle macchine per ill rilevamento di immagini in risonanza magne nucleare, comprei dente almeno un diodo PIN inserito in serie al conduttore di almeno una bobina di trasmissione ed avente almeno un'entrata per una corrente di polarizzazione, essendo previsti mezzi di generazione e di alimentazione di una corrente di polarizzazione tale da determinare la condizione di conduzione del diodo PIN e quindi la condizione difunzionamento della bobina di trasmissione degli impulsi di eccitazione in modo sincronizzato con l'istante di inizio degli impulsi di eccitazione e la condizione di non conduzione del detto diodo PIN cioè il disaccoppiamento della bobina di trasmissione dalla bobina di ricezione nell'istante di cessazione degli impusli di eccitazione.

Attualmente sono noti sistemi di questo tipo che consentono il disaccoppiamento attivo, cioè in base all'alimentazione di un segnale di comando, delle bobine di trasmissione. Il segnale di comando è costituito da una corrente di polarizzazione opportunamente dimensionata che viene fornita al diodo PIN per causarne il passaggio nella condizione di conduzione durante la fase di trasmissione, oppure eliminata per causarne il passaggio nella condizione di non conduzione e quindi causare la condizione di interruzione delle bobine di trasmissione in cui le stesse sono disaccoppiate dalle bobine di ricezione durante la fase di ricezione dei segnali di eco per quanto riguarda fenomeni di mutua interferenza per induzione.

Il disaccoppiamento delle bobine di trasmissione viene eseguito per evitare che in fase di ricezione le stesse causino disturbi di ricezione dei segnali di eco captati dalle bobine di ricezione dovuti ad interferenze di mutua induzione fra le dette bobine di trasmissione e le dette bobine di ricezione.

L'interruzione delle bobine di trasmissione impedisce che durante la fase di ricezione vengano indotte correnti nelle bobine di trasmissione, le quali correnti possano generare influenze sulle bobine di ricezione.

Esistono fondamentalmente attualmente due tipi di circuiti di disaccoppiamento che sono definti di tipo passivo e di tipo attivo.

Nei circuiti di disaccoppiamento di tipo passivo, nei conduttori delle bobine di trasmissione e’ prevista almeno una coppia di diodi al silicio che determina automaticamente l'interruzione e quindi il disaccoppiamento della o delle bobine di trasmissione da quelle di ricezione in assenza dei segnale a radiofrequenza di eccitazione della bobina. Questa tipologia di circuiti di disaccoppiamento presenta tuttavia determinati inconvenienti. In primo luogo, essendo gli impulsi di eccitazione costituiti da correnti oscillanti, quando il livello di detto impulso scende al di sotto di una certa soglia, il diodo passa nella condizione di apertura e quindi di interruzione e disaccoppiamento delia bobina di trasmissione stessa. La condizione di conduzione viene quindi ripristinata quando il livello del segnale sale nuovamente al di sopra della soglia di conduzione dei diodi. Questo comportamento introduce delle distorsioni negli impulsi di eccitazione delle bobine di trasmissione che si ripercuotono sulla qualità d'immagine a causa delle anomalie nell'eccitazione delle bobine di trasmissione e delle conseguenti deformazioni del segnale RF generato dalle bobine. Viene quindi pregiudicata la qualità di selezione delle sezioni di immagine cosiddette slices. La situazione viene generalmente ulteriormente peggiorata dal fatto che le bobine di trasmissione sono costituite da più sezioni collegate in serie fra loro ed a ciascuna delle quali sezioni è associata in serie un diode.una coppia di diodi Ciascuno di qusti diodi taglia l'impulso di eccitazione sulla base pel valore della propria soglia di conduzione.

Da quanto sopra risulta chiaro che concettualmente il circuito di disaccoppiamento passivo è un circuito che opera in base ad un concetto di soglia, mentre in realtà per il disaccoppiamento delle bobine di trasmissione si necessita in realtà di un circuito di disaccoppiamento che operi in base al tempo e cioè passi nella condizione di conduzione di non interruzione delle bobine di trasmissione nell'istante di inizio dell'impulso di eccitazione sulla linea di alimentazione ed in condizione di disaccoppiamento cioè d'interruzione delle bobine di trasmissione all'istante di cessazione dell'impulso di eccitazione senza introdurre deformazioni di segnale. I circuiti di disaccoppiamento passivi, quindi costituiscono delle approssimazioni delle funzioni richieste dal circuito di disaccoppiamento sulla basò di forzature di caratteristiche dei diodi al silicio.

I circuiti di disaccoppiamento di tipo attivo utilizzano anch'essi diodi che tuttavia sono del tipo cosiddetto PIN, e cioè diodi le cui caratteristiche di conduzione sono comandabili da un opportuna corrente di polarizzazione.

Nonostante questi diodi PIN siano concettualmente adatti alle funzioni richieste, in quanto la condizione di conduzione viene attivata mediante l'alimentazione della opportuna corrente di polarizzazione essi presentano tuttavia un inconveniente. Infatti, essendo gli impulsi di eccitazione delle bobine costituiti da correnti oscillanti, durante il semiperiodo negativo dei detti impulsi, la quantità di carica di polarizzazione del diodo dovuta alla corrente di polarizzazione applicata allo stesso è soggetta ad una riduzione che può determinare la caduta della condizione di polarizzazione al di sotto del livello necessario per mantenere il diodo PIN nella condizione di conduzione. Questo inconveniente è legato al periodo dell'impulso di eccitazione delle bobine di trasmissione. Con riferimento alle macchine per il rilevamento di immagini in risonanza magnetica nucleare che presentano dispositivi di disaccoppiamento delle bobine di trasmissione dalle bobine di ricezione, si deve considerare che esistono sostanzialmente due categorie: macchine cosiddette ad alto campo e macchine cosiddette a basso campo.

Nelle macchine ad alto campo, i semiperiodi negativi degli impulsi di eccitazione sono di breve durata e pertanto il problema di cui sono affetti i circuiti di disaccoppiamento attivi, operanti in base ai suddetti diodi PIN, non si presentano o la loro incidenza è minore. Nelle macchine a basso campo, invece, la durata dei semiperiodi negativ degli impulsi di eccitazione delle bobine di trasmissione è necessariamente maggiore per cui il suddetto comportamento dei diodi PIN diviene un problema di notevole importanza. Infatti per poter sostenere il diodo PIN in condizione di conduzione per semiperiodi negativi di impulsi di eccitazione delle bobine di trasmissione di notevole durata sarebbe necessario applicare correnti di polarizzazione molto elevate e superiori a quelle consentite per il diodo PIN. Quando la durata del semiperiodo negativo dell'impulso di eccitazione è tale per cui la corrente di polarizzazione applicata non è sufficiente a mantenere la condizione di conduzione, il diodo PIN, passa progressivamente in condizione di apertura. Alla progressiva riduzione di carica di polarizzazione corrisponde un aumento della resistenza interna e in presenza di intensità elevate della corrente di eccitazione delle bobine di trasmissione durante i periodi negativi, sale progressivamente il calore di Joule generato nel diodo che può raggiungere e, di fatto, in alcuni casi raggiunge valori tali da causare la distruzione del diodo stesso e/o la fusione dello stagno di brasatura del diodo alla pista di conduzione del circuito stampato.

Il documento US 5,621,323 descrive un circuito di disaccoppiamento per bobine di ricezione che comprende due diodi e più precisamente un diodo PIN veloce ed a bassa potenza ed un diodo convenzionale lento e ad alta potenza inseriti in antiparallelo nel circuito delle bobine di ricezione.

Il circuito di disaccoppiamento così costituito è un circuito passivo, nel senso che non sono previste in alcun modo correnti di comando della condizione di polarizzazione del diodo PIN, anzi tale circuito viene suggerito proprio per evitare l'utilizzo di circuiti attivi di disaccoppiamento. In questo documento l'utilizzo del disaccoppiamento attivo è esplicitamente sconsigliato per le bobine di ricezione.. Dal punto di vitsa funzionale inoltre la soluzione proposta nel detto documento, oltre a non essere applicata a bobine di trasmissione, ma alle bobine di ricezione in cui si generano correnti indotte di entità notevolmente minore di quelle delle bobine di trasmissione, il problema, alla base della soluzione tecnica proposta, è completamente diverso da quello oggetto della presente invenzione e non consiste in alcun modo nel far fronte ad un incremento della corrente di polarizzazione richiesto per mantenere il diodo PIN in condizione di conduzione.

L'invenzione si basa quindi sul problema di realizzare un circuito di disaccoppiamento attivo delle bobine di trasmissione dalle bobine di ricezione mediante interruzione delle dette bobine di trasmissione che consenta di limitare la corrente di polarizzazione e di mantenere la condizione di conduzione del circuito di disaccoppiamento anche per lunghe durate dei semiperìodi negativi degli impulsi di eccitazione, evitando gli inconvenienti dei noti circuiti sopra elencati.

L'invenzione risolve il problema di cui sopra con un circuito di disaccoppiamento del tipo descritto all'inzio, in cui è previsto almeno un ulterior

Il circuito di disaccoppiamento può prevedere più diodi PIN in se rie fra loro e/o in serie a tratti del conduttore della bobina di trasmissione e ciascuno dei quali presenta una entrata per una corrente di polarizzazione collegata ad un generatore di detta corrente di polarizzazione, essendo per ciascuno di detti diodi PIN previsto un diodo al silicio collegato in antiparallelo allo stesso.

Secondo quanto sopra esposto, il circuito di disaccoppiamento secondo la presente invenzione presenta quindi almeno una coppia di diodi collegati in antiparallelo fra loro ed in serie al conduttore della bobina di trasmissione , essendo uno dei due diodi un diodo PIN e l'altro un diodo al silicio oppure due, tre o più dette coppie di diodi collegate in serie fra loro e/o al conduttore della bobina di trasmissione degli impulsi di eccitazione.

In particolare in combinazione con una bobina di trasmissione compredente un certo numero di spire che sono separate elettricamente fra loro in diverse sezioni, collegate in serie fra loro ed alla linea di alimentazione dell'impulso di eccitazione, a monte di ciascuna sezione di bobina è prevista almeno una o più coppie antiparallele di diodi PIN e diodi al silicio.

Il diodo al silicio in antiparallelo al diodo PIN consente di limitare la corrente di polarizzazione evitando gli inconvenienti su descritti in quanto, quando durante il semiperiodo negativo degli impulsi di eccitazione, la carica di polarizzazione del diodo PIN dovesse venire ridotta, la funzione del diodo PIN viene sostanzialmente assunta dal diodo al silicio. Infatti in questa condizione, l'intensità dell'impuslo di eccitazione è abbastanza elevata, sicuramente al di sopra della soglia di conduzione del diodo al silicio e consente di ottenere impulsi di eccitazione privi di rilevanti distorsioni.

Ulteriori perfezionamenti sono oggetto delle sottorivendicazioni Le caratteristiche dell'invenzione ed i vantaggi da esse derivanti risulteranno meglio dalla seguente descrizione alcuni esempi esecut vi non limitativi illustrati nei disegni allegati, in cui:

La fig. 1 illustra schematicamente un primo esempio sempilficato di una combinazione di un circuito di disaccoppiamento secondo l'invenzione con un a bobina di trasmissione.

La fig. 2 illustra un secondo esempio esecutivo in cui il circuito di disaccoppiamento presenta una bobina di trasmissione suddivisa in diverse sezioni di bobina fra loro elettricamente separate a ciascuna delle quali è associata una coppia di diodi di cui un diodo Pin ed un diodo al silicio collegati in antiparallelo fra loro.

La fig. 3 illustra due grafici comparativi fra effetti del circuito di disaccoppiamento passivo tradizionale (linea tratteggiata) e retta ideale (linea continua) del campo magnetico misurato nel centro della bobina di trasmissione, in funzione della potenza dell'impulso di eccitazione misurata sulla base della ampiezza indicata in volts.

La fig. 4 illustra l'andamento delle divergenze fra campo magnetico ideale della bobina di trasmissione (linea continua) e campo magnetico effettivo (linea tratteggiata) ottenuto con un circuito di disaccoppiamento secondo l'invenzione, in funzione della potenza dellimpulso di eccitazione misurata sulla base dell'ampiezza indicata in volts-.

Con riferimento alla figura 1 una bobina di trasmissione 1 di una macchina di rilevamento di immagini in risonanza magnetica nucleare é collegata mediante condensatori di accordo C1 , C2 ad una linea 2 di alimentazione di un impulso di eccitazione generato dalla macchina per il rilevamento d'immagini in risonanza magnetica nucleare in modo di per se noto. In serie alla detta bobina 1 di generazione dell'impulso di eccitazione è previsto un circuito attivo di disaccoppiamento indicato globalmente con 3 e che è costituito da due diodi di cui un diodo PIN D1 ed un diodo al silicio D2 che sono collegati in antiparallelo fra loro.

Una linea di alimentazione 4 di una corrente di polarizzazione collega un generatore della detta corrente di polarizzazione (non illustrato in dettaglio) con la coppia di diodi D1 , D2 ed in particolare con il diodo PIN D1. Per evitare mutue interferenze tra l'impulso di eccitazione e l’impulso di polarizzazione, nella linea di alimentazione della corrente di polarizzazione 4 è prevista una trappola RF 5 (indicata solamente schematicamente poiché generalmente nota ed ampiamente utilizzata nei noti circuiti di disaccoppiamento attivi; vedi ad esempio la descrizione dello stato dell'arte e del dispositivo oggetto del brevetto USA 4,763,076).

Lo schema illustrato comprende inoltre (anche se non esplicitamente illustrato) un circuito di sincronizzazione del generatore degli impulsi di eccitazione della bobina di trasmissione con il generatore détte. corrente di polarizzazione, in modo tale da determinare il passaggio in conduzione del circuito di disaccoppiamento 3 nell'istante di applicazione degli impulsi di eccitazione alla bobina di trasmissione 1 ed il passaggio nella condizione di non conduzione del circuito di disaccoppiamento 3 nell'istante di cessazione degli impulsi di eccitazione della bobina di trasmissione.

La fig. 2 illustra una forma esecutiva maggiormente corrispondente alla costruzione reale di una bobina di trasmissione per le macchine di rilevamento d'immagini in risonanza magnetica nucleare. In questo esempio, la bobina di trasmissione è costituita da un conduttore suddiviso in singole sezioni corrispondenti ad una o più spire indicate con 1 e 1' e che sono disposte in serie fra loro. In serie fra ciascuna sezione di bobina di trasmissione 1, 1' è previsto un circuito di disaccoppiamento 3, 3' dedicato alla successiva sezione 1, 1'. A monte di ciascuna sezione di bobina di trasmissione 1, 1' è inoltre previsto un condensatore di accordo C1, C2, C3, C4 ed una trappola RF 5' che è collegata in parallelo al detto condensatore di accordo. analogamente alla condizione illustrata nell'esempio semplificato della figura 1..

In pratica l'esempio della figura 2 è elettricamente equivalente a quello della figura 1 essendo adattato alla presenza di più sezioni della bobina di trasmissione 1.

Una ulteriore trappola 5" deve essere prevista in combinazione con il condensatore di accordo C3,C4 a valle delle sezioni 1 ,1 di bobina di trasmissione.

Nonostante la figura 2 illustri solamente due sezioni è ovvio per il tecnico del ramo derivare da questa lo schema della realizzazione di circuiti con bobine di trasmissione che prevedono tre o più sezioni inserendo in serie ulteriori sezioni di bobina di trasmissione con a monte la coppia 3 di diodi D1 e D2 in antiparallelo fra loro, il condensatore di accordo e la trappola RF.

La figura 3 illustra in posizione affiancata due grafici nei quali è riportato il valore del campo nella zona centrale della bobina di trasmissione in funzione dell'ampiezza espressa in Volts dell'impulso di eccitazione.

Nel grafico di sinistra il circuito di disaccoppiamento è di tipo passivo, cioè la condizione di conduzione e non conduzione del circuito di disaccoppiamento viene determinata dal segnale RF di eccitazione stesso, mentre nel grafico di destra il circuito di disaccoppiamento è realizzato secondo la presente invenzione.

In ambedue i grafici è illustrato l'andamento ideale del campo nella zona centrale della bobina di trasmissione in funzione dell'ampiezza espressa in volts dell'impulso di eccitazione.

Dai due grafici risulta chiaramente l'effetto di taglio del circuito passivo di disaccoppiamento per basse ampiezze di segnale, cioè per piccoli segnali di eccitazione. Infatti mano mano che l'ampiezza degli impulsi di eccitazione decresce, l'intensità del campo magnetico misurata ed indicata dai punti diminuisce rispetto a quella ideale. Per bassissime ampiezze degli impulsi di eccitazione il campo all'interno della bobina di trasmissione diviene nullo a causa del taglio effettuato dalle caratteristiche del diodo. Mano mano che l'ampiezza dell'impulso di eccitazione cresce il campo generato nella bobina di trasmissione si avvicina a quello ideale rappresentato dalla retta ideale.

Con un circuito di disaccoppiamento attivo secondo l'invenzione, il campo magnetico effettivamente misurato viene a coincidere sostanzialmente con quello ideale rappresentato dalla retta anche per bassisime potenze, cioè ampiezze dell'impulso di eccitazione. Per alte potenze od ampiezze, il campo magnetico misurato nella bobina di trasmissione resta sempre sostanzialmente corrispondente a quello ideale rappresentato dalla retta o diverge entro limiti di tolleranza accettabili da quello ideale.

In presenza di un solo diodo PIN quale elemento di disaccoppiamento, per le alte potenze dell'impulso di eccitazione e per il semiperiodo negativo dello stesso, in realtà si dovrebbe riscontrare una riduzione dell'intensità del campo magnetico dovuto al progressivo consumo della carica di polarizzazione da parte della corrente negativa nel semiperiodo negativo. Tale differenza dovrebbe crescere con l'allungamento del periodo dell'impulso di eccitazione e la compensazione di questo effetto richiedrebbe un aumento della corrente di polarizzazione fino a livelli tali da causare la distruzione del diodo Pin se si volesse evitare il passaggio nella condizione di non conduzione dovuta appunto alla riduzione della carica di polarizzazione durante il semiperiodo negativo dell'impulso di eccitazione.

La figura 5 illustra nell'ambito della stesso grafico la distorsione, cioè la differenza del campo magnetico nella bobina di eccitazione in funzione dell'ampiezza dell'impulso di eccitazione rispetto a quello ideale per un circuito di disaccoppiamento passivo (linea tratteggiata) per un circuito di disaccoppiamento secondo l'invenzione (linea continua).

La retta ideale darebbe luogo ad una retta orizzontale passante per zero.

Risulta evidente come il circuito di disaccoppiamento secondo l'invenzione introduce minori distorsioni rispetto all'andamento ideale del campo e che sono contenute nell'ambito di tolleranze accettabili e ciò sia alle alte che alle bassisime ampiezze, evitando così sia gli inconvenienti dei circuiti passivi alle basse ampiezze o potenze degli impulsi di eccitazione sia gli inconvenienti dei circuiti attivi tradizionali alle alte potenze o ampiezze degli impulsi di eccitazione.

La linea tratteggiata illustra chiaramente il taglio eseguito dai circuiti di disaccoppiamento passivi alle basse potenze od ampiezze del segnale di eccitazione.

Il circuito attivo tradizionale non è illustrato ma tuttavia il comportamento è prevedibile in funzione di quanto esposto in precedenza e cioè aumentando progressivamente la resistenza del diodo PIN in funzione della riduzione della carica di polarizzazione e dovendo mantenere la corrente di polarizzazione entro limiti accettabili per evitare la distruzione del diodo, in particolare per periodi relativamenti lunghe degli impulsi di eccitazione si avrebbe un aumento della distorsione alle alte potenze dovuto ad un calo di intensità del campo magnetico. In caso di aumento della corrente di eccitazione per mantenere piena la condizione di conduzione si avrebbe ad un certo momento la distruzione del diodo e quindi un comportamento che potrebbe essere sia la piena conduzione ed il mancato disaccoppiamento alla fine dell'impuslo di eccitazione sia anche l'interruzione del circuito.

Naturalmente l'invenzione non è limitata a quanto descritto ed illustrato, ma può essere ampiamente variata soprattutto costruttivamente senza abbandonare il principio informatore sopra esposto ed a seguito rivendicato.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1 . Circuito attivo di disaccoppiamento di bobine di trasmissione nelle macchine per il rilevamento di immagini in risonanza magnetica nucleare, comprendente almeno un diodo PIN (D1) inserito in serie ai conduttori di almeno una bobina di trasmissione (1) ed avente almeno un'entrata per una corrente di polarizzazione (4), essendo previsti mezzi di generazione e di alimentazione di una corrente di polarizzazione tale da determinare la condizione di conduzione del diodo PIN (D1) e quindi la condizione di funzionamento della bobina di trasmissione degli impulsi di eccitazione in modo sincronizzato con l'istante di inizio degli impulsi di eccitazione e la condizione di non conduzione del detto diodo PIN cioè il disaccoppiamento della bobina di trasmissione dalla bobina di ricezione nell'istante di cessazione degli impusli di eccitazione, caratterizzato dal fatto che detto circuito presenta almeno un ulteriore diodo (D2) che è un diodo al silicio collegato in antiparallelo al diodo PIN (D1).
2. 2. Circuito secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prevede più diodi PIN (D1 , 3, 3') in serie fra loro e ciascuno dei quali presenta una entrata per una corrente di polarizzazione (4) collegata ad un generatore di detta corrente di polarizzazione, essendo per ciascuno di detti diodi PIN (D1 , 3, 3') previsto un diodo al silicio (D2) collegato in antiparallelo allo stesso.
3. 3. Circuito secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che presenta almeno una coppia (3, 3') di diodi (D1 , D2) collegati in antiparallelo fra loro ed in serie ai conduttori della bobina di trasmissione (1) , essendo uno dei due diodi un diodo PIN (D1) e l'altro un diodo al silicio (D2) oppure due, tre o più dette coppie (3, 3') di diodi (D1 , D2) collegate in serie fra loro ed in serie ai conduttori della bobina di trasmissione (1).
4. 4. Circuito secondo una o più delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che è previsto in combinazione con una bobina di trasmissione compredente un certo numero di spire che sono separate elettricamente fra loro in diverse sezioni (1 , 1') collegate in serie fra loro essendo a monte di ciascuna sezione di bobina (1 , 1') prevista almeno una o più coppie (3, 3') antiparallele di diodi PIN (D1) e diodi al silicio (D2).