WO2018224065A1 - Vorrichtung zur abschirmung elektronischer bauteile von hochfrequenten elektromagnetischen feldern - Google Patents

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WO2018224065A1
WO2018224065A1 PCT/DE2018/000109 DE2018000109W WO2018224065A1 WO 2018224065 A1 WO2018224065 A1 WO 2018224065A1 DE 2018000109 W DE2018000109 W DE 2018000109W WO 2018224065 A1 WO2018224065 A1 WO 2018224065A1
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shielding
shielding device
slots
shielding surfaces
pet
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PCT/DE2018/000109
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Inventor
Arne Berneking
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
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    • G—PHYSICS
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
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    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/4808—Multimodal MR, e.g. MR combined with positron emission tomography [PET], MR combined with ultrasound or MR combined with computed tomography [CT]
    • G01R33/481—MR combined with positron emission tomography [PET] or single photon emission computed tomography [SPECT]

Definitions

  • the invention relates to a device for shielding electronic components of high-frequency electromagnetic fields.
  • One of the biggest challenges in designing MR-PET hybrid scanners is to prevent interferences and mutual influences of components of both imaging modalities.
  • PET components interact with the sensitive magnetic fields of MRI, on the other hand, the strong magnetic fields influence the PET electronics and thus the PET data acquisition.
  • the influence of the static MRT field 8 0 can be prevented by using non-magnetic components.
  • other methods are needed.
  • RF coils are tuned to the Larmor frequency and generate a magnetic field Si in the MHz range with an amplitude in the ⁇ range perpendicular to the 6 0 -Oreint mich to excite spins. Due to the high frequency, the generation of an electric field component can not be prevented. The power reaches the kW range and disturbs the PET electronics.
  • RF coils are capable of detecting very small signals from excited spins, with a received signal in the ⁇ range. This is why MRI coils are very noise-sensitive and can detect even the smallest signals if they are in the range of the Larmor frequency of the MRI scanner.
  • a recent work by Berneking and Trinchero shows a concept where eddy currents are interrupted by slots and capacitors having a high impedance in the kHz range to suppress eddy currents of gradients flowing through the slots and a low impedance in the MHz range, This guarantees a high shielding factor in the range of the Larmor frequency [2].
  • a concept, published in [3], divides the shield into several layers to make the shield thinner and reduce gradient-induced turbulence.
  • High-frequency fields are fields in a range of 1 MHz to 10 GHz.
  • the shielding device With the shielding device according to the invention, it is now possible to provide a high shielding effect for electromagnetic fields, in particular high-frequency electromagnetic fields. see fields, especially in the frequency range of the Larmor frequency of an MRI scanner to provide.
  • the shielding device according to the invention comprises at least two shielding surfaces which are arranged parallel to one another, wherein capacitances are formed between the shielding surfaces, which have a high impedance in the kHz range and a low impedance in the MHz range, wherein the shielding surfaces each have at least one slot and the Layer thickness of the shielding surfaces is a fraction of 10 times the skin depth.
  • the impedance is a function of the distance a of the shielding surfaces and the overlapping fields.
  • I length of a cassette in the case of an example with a cassette
  • c capacitance of the capacitor, which is formed by two shielding surfaces.
  • the shielding surfaces should be made of an electrically conductive, preferably highly conductive, material.
  • an electrically conductive, preferably highly conductive, material come, such as copper, silver, carbon or aluminum in question. If aluminum or materials with low density but nevertheless high conductivity are used, this has the advantage that less gamma radiation is attenuated.
  • Parallel means in the context of the invention that common technical, such as structural deviations from the parallelism may be included, provided that they move within the practical error limits.
  • a dielectric may be an insulator or a substance of low electrical conductivity, for example a gas, in particular a solid, such as plastic or glass.
  • the choice of dielectric material has an influence on the capacitance of the shielding surfaces. ⁇ ⁇ can be arbitrary.
  • the parallel shielding surfaces can be realized in various ways.
  • these may be laid around a housing of a device, for example a PET cassette, as inner lining and outer covering, so that the housing, for example made of plastic, forms a dielectric between the individual shielding surfaces.
  • the shielding surfaces can also be fixed by spacers parallel to each other.
  • the spacers should be made of a solid dielectric material, such as plastic.
  • the shielding surfaces can be stretched in a frame that fixes them in parallel alignment with each other.
  • a gas for example air, can be the dielectric.
  • a plurality of shielding surfaces can be arranged parallel to one another.
  • two or more shielding surfaces may be incorporated into a housing wall so that they do not come into contact with air. This has the advantage that corrosion is prevented.
  • the parallel shielding surfaces need not be arranged planar, but may be bent while maintaining the parallelism, so that they run equidistant, depending on the practical requirements of the technical environment. A bend also includes the corner of a housing.
  • Decisive for the layer thickness of a shield according to the prior art is the skin depth.
  • skin depth refers to the penetration depth of an electrical eddy current introduced into a surface. For conventional shields, the thickness of the shield is about 10 times the skin depth.
  • the thickness of a shielding surface is a fraction of the 10-fold skin depth and the sum of the thickness of the shielding surfaces is 10 times the skin depth.
  • the shielding surfaces can have the same or different thickness.
  • the thickness depends on the skin depth and thus on the material and the Larmor frequency.
  • the distance a between the shielding surfaces should be between 0.1 mm and 5 cm.
  • the shielding surfaces have at least one slot.
  • a shielding surface may have a plurality of slots, for example up to 10.
  • the slits are as narrow as possible and have a width in a range of preferably 0.1 to 1 mm.
  • the length of the slots is for example 5 cm to 50 cm.
  • the slots may have a distance of 3 cm to 8 cm within a shielding surface.
  • the slots of a shielding surface are arranged parallel to one another.
  • the combination of the parallel course of the shielding surfaces and the slots has the consequence that form capacitances between the shielding surfaces.
  • the capacitances are formed between the subareas of two shielding surfaces, which are delimited by the slots.
  • the capacitances have a high impedance in the kHz range and a low impedance in the MHz range.
  • the high impedance in the kHz range is preferably between 1 kü -100 ⁇ in the range of Larmor frequency.
  • the low impedance is between 10 '3 ⁇ and 1 ⁇ in the Larmor frequency range.
  • the slots of parallel shielding surfaces are offset, that is not overlapping, arranged.
  • equidistant slots of a shielding surface can be shifted by half of their distances to one another if the shielding surfaces have the same spacing for the slots.
  • the slots can be arranged equidistantly.
  • the shielding device according to the invention will be explained below by way of example with reference to a figure. It shows:
  • Fig. 1 a shielding device according to the invention.
  • the shielding device shown in Figure 1 has two shielding surfaces 1, 1a, which are arranged at a distance a parallel to each other.
  • the shielding surfaces 1, 1 a each have a plurality of slots 2, 2a, 2b ... 3, 3a, 3b ....
  • the slots 2, 2a, 2b ... 3, 3a, 3b ... are moved equidistantly by a distance d to each other, so that they are arranged on a gap.
  • the shielding device includes at least two shielding surfaces, which are mounted on the inside and outside of the housing, for example.
  • the normally required thickness which as a rule can be, for example, 10 times the skin depth of the respective Larmor frequency in the respective material, is divided between the shielding surfaces as in [4].
  • slots are integrated into all surfaces. The surfaces are then brought as close as possible to each other, for example by suitable selection of the housing thickness (usually plastic) and the slots are chosen so that form capacitances between the surfaces, which have a high impedance in the kHz range and a low impedance in MHz Area near the Larmor frequency. An example is shown in FIG. 1.
  • the determination of capacitive areas will no longer be critical as long as the spacing of the areas is far enough apart that a kHz wave can not couple. Due to the high number of layers, it is more difficult to couple in for MHz waves, regardless of the capacitive area.
  • Highly conductive materials such as copper, silver or aluminum should be used as the material. If aluminum or materials with low density but nevertheless high conductivity are used, this has the advantage that less gamma radiation is attenuated. Likewise, the dielectric material between the conductive layers changes the capacitive effect and should have as low a density as possible.
  • the concept has the advantage over [2] that no capacitors need to be soldered on, which additionally attenuate gamma radiation if necessary.
  • the slots must be integrated to achieve a high shield effectiveness of at least 50 dB.
  • either electromagnetic simulation programs must be used for precise tuning or measured with prototypes.
  • the capacity adjustment depends on the desired Larmor frequency to be shielded, the geometry of the housing, the choice of connectors, cables and other entries in the housing and the materials used. Resonance effects must be excluded. Since the production of non-magnetic metal layers with intervening dielectric can be complex, it is generally advisable to develop a screen with two layers, since these can be attached very well to the inside and outside of the housing. However, the housing must have a corresponding frequency-dependent density for this purpose.
  • the invention is suitable for gradient transparent shielding in the MHz range of the Larmor frequency of electronics that can interact with MRI RF coils.
  • PET cassettes or PET electronics can be shielded with the shielding method.
  • exemplary information on the housing shape and slot shape can be made.
  • cassettes which form the PET ring and contain the PET detectors and associated electronics, are constructed in the form of cuboids. It is customary that they deviate slightly from the cuboid shape and the ring inside a the center of the ring facing smaller area than the side facing away from the center.
  • the cassette can adapt to the cylindrical shape of the PET ring.
  • the longest side of a cassette usually runs along the z-axis of the cylinder. It depends on how much electronics is integrated.
  • the housing is constructed in the form of a hollow cylinder.
  • the advantage over individual cassettes in cuboid shape is that no induced gradient currents occur on the surfaces between the cassettes, since these shielding surfaces are no longer present in a hollow cylinder.
  • the disadvantage is that you always have to open the entire case during maintenance or hardware modifications, so disassemble or open the entire PET ring must.
  • the individual cassettes can each be serviced individually, opened and their components exchanged or modified. This may also be possible without removing the entire, very heavy and unwieldy PET ring from the MRI scanner.
  • the geometry of the shielding should be simulated with electromagnetic simulation tools to test at which frequencies resonant effects occur.
  • a software for this is, for example, CST Microwave Studio and is known in the art. If a resonance effect is close to the Larmor frequency of the MRI scanner, the geometry should be be changed. It should be noted that the resonance frequency can not only be changed by geometry changes of the cuboid shape or cylinder shape. In this invention, it is possible to eliminate the resonance frequencies from the Larmor frequency by introducing additional slots or changes in the layer spacings.
  • the slots are integrated on all surfaces oriented parallel to the B 0 field of the MRI.
  • the slots run parallel to the B 0 field of the MRI.
  • the slots must run uninterrupted on the surfaces so that their length results from the length of the shielding housing along the z-direction.
  • the number of slots should be kept as small as possible in order to keep the housing as tight as possible.
  • at least one slot on each side of the cassette must be parallel to the B 0 field of the MRI.
  • at least one slot should be located on all inner and outer sides or layers parallel to the B 0 field of the MRI.
  • the number of slots should be adjusted to the size of the shielding surfaces.
  • the shielding housing should be simulated with appropriate electromagnetic simulation software - also to avoid resonance phenomena near the Larmor frequency. As an approximation, it can be said from experience that there should be one slot on each shield side and layer approximately every 5 cm.
  • the slits should have a height of 0.1 -1 mm.
  • the areas of the shield housings perpendicular to the B 0 field of the MRI should be electrically separated from the other areas in the kHz range.
  • This is also possible in the form of overlapping slots or slots with bridging capacitors adapted to the corresponding frequency, so that the capacitors in the kHz range have a high impedance (> 1 k ⁇ ) and a low impedance close to the Larmor frequency / MHz Range ( ⁇ 1 ⁇ ).

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung elektronischer Bauteile von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern. Erfindungsgemäß wird eine Abschirmvorrichtung mit Abschirmflächen, zur Verfügung gestellt, die mindestens zwei Abschirmflächen (1, 1a) beinhaltet, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich Kapazitäten zwischen den Abschirmflächen (1, 1a) bilden, die eine hohe Impedanz im kHz-Bereich und eine niedrige Impedanz im MHz-Bereich haben, wobei die Abschirmflächen (1, 1a) jeweils mindestens einen Schlitz (2, 2a, 3, 3a) aufweisen.

Description

B e s c h r e i b u n g
Vorrichtung zur Abschirmung elektronischer Bauteile von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abschirmung elektronischer Bauteile von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern.
Eine der größten Herausforderungen im Entwerfen von MR-PET Hybridscannern ist es, Interferenzen und gegenseitige Einflüsse von Komponenten beider Bildgebungsmodalitäten zu unterbinden. Auf der einen Seite interagieren PET Komponenten mit den sensitiven Magnetfeldern des MRT, auf der anderen Seite beeinflussen die starken Magnetfelder die PET Elektronik und damit die PET Datenakquisition. Das Beeinflussen des statischen MRT Feldes 80 kann durch Verwendung von nicht-magnetischen Komponenten unterbunden werden. Um Interaktionen mit den Gradientenfeldern der Gradientenspulen und Hochfrequenzfeldern der Sende- und Empfangsspulen zu unterbinden, benötigt man andere Methoden.
RF Spulen werden auf die Larmorfrequenz abgestimmt und generieren ein magnetisches Feld Si im MHz Bereich mit einer Amplitude im μΤ Bereich senkrecht zur 60-Oreintierung, um Spins anzuregen. Durch die hohe Frequenz kann die Erzeugung einer elektrischen Feldkomponente nicht verhindert werden. Die Leistung erreicht dabei den kW Bereich und stört die PET Elektronik. Darüber hinaus sind RF Spulen in der Lage sehr kleine Signale von angeregten Spins zu detektieren, wobei ein Empfangssignal im μν Bereich liegen kann. Deswegen sind MRT Spulen sehr rauschsensitiv und können selbst kleinste Signale detektieren, wenn diese im Bereich der Larmorfrequenz des MRT Scanners liegen. Da sich in modernen MR-PET Scannern eine Vielzahl an elektronischen Elementen befinden, unter anderem FPGA, ASIC und verschiedenen Signalleitungen im MHz Bereich, und selbst die Digitalisierung der PET Daten im MRT Scanner stattfinden kann, können abgesendete Signale der PET Elektronik das Empfangssignal der RF Spule stören oder komplett überlagern, so dass eine Detektieren unmöglich ist. Aus gleichem Grund wird ein MRT- Untersuchungsraum mit einem Faraday-Käfig abgeschirmt. Als Konsequenz werden Abschirmungen der PET Elektronik mit hohem Schirmungsfaktor benötigt. Gleiches gilt, wenn man andere Elektronik als PET Elektronik im geschirmten
Untersuchungsraum installiert. Als Beispiele für eine solche Elektronik können Monitoring- Geräte, Geräte zur Messung der Atem - oder Pulsfrequenz oder Bildschirme für die funktio- nale Bildgebung genannt werden. Dadurch wird immer eine zusätzliche Abschirmung der Elektronik im Untersuchungsraum innerhalb des Faraday-Käfigs nötig.
Gewöhnlicherweise befindet sich deswegen ein Abschirmungsschild gegen elektromag- netische Felder um die PET Elektronik. Die Abschirmungsstärke hängt hierbei von der elektrischen Leitfähigkeit ab. Je höher die Leitfähigkeit, umso höher der Abschirmfaktor. Deswegen werden in der Regel Metalle als Schirmungsmaterial verwendet. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Schirm nicht mit den Gradientenfeldern interagiert. Schaltet man die Gradientenspulen ein und aus, was während jeder MRT Untersuchung geschieht, wer- den auf den Schirmflächen Wirbelströme induziert. Die induzierten Wirbelströme generieren selbst ein magnetisches Feld, was die Gradientenfelder superponiert und damit die Phasen- und Frequenzkodierung und somit letztendlich die Ortsauflösung der MRT Bilder stört. Dies ist besonders kritisch für MRT Sequenzen wie EPI, EPIK oder Diffusionsbildgebung wo Gradientenspulen schnellstmöglich und häufig hintereinander mit hoher Gradientenamplitude geschaltet werden.
In der MR-PET Scannerentwicklung wird aus Kostengründen versucht, ein möglichst kompaktes Design zu erreichen. Je kleiner der Scannerröhrendurchmesser ist, umso geringer ist der Magnetpreis. Außerdem ist es von Vorteil, die PET Kassetten so nahe wie möglich ans Untersuchungsobjekt zu bringen, um die PET-Ringsensitivität zu erhöhen und gleichzeitig Detektoren einzusparen. Dadurch befinden sich PET Kassetten mit Elektronik und Schirmung immer näher am Untersuchungsobjekt. Somit wirken sich Gradientenfeldverände- rungen auf die Gradientenfelder im Untersuchungsobjekt aus, und es kommt zu Bildstörungen und -Artefakten.
Das Problem von Wirbelströmen an Flächen nahe dem Untersuchungsobjekt ist ein bekann- tes Problem. RF Spulen die über einen Schirm verfügen werden deswegen mit geschlitzten oder unterbrochenen RF-Schirmen abgeschirmt. Hierbei bildet der RF Schirm einen Zylinder, wie er in der Schrift EP 1746432 B1 offenbart ist. Für einen Zylinderförmigen PET Ring wurde eine Unterbrechung durch Schlitze von B. Pichler, et al., in "Performance test of an LSO-APD detector in a 7-T MRI Scanner for simultaneous PET/MRI", J. Nucl Med, vol. 47, no. 4, pp. 639-647, Apr. 2006 berichtet [1].
Eine aktuelle Arbeit von Berneking und Trinchero zeigt ein Konzept, wo Wirbelströme durch Schlitze unterbrochen werden und Kondensatoren, die eine hohe Impedanz im kHz- Bereich vorweisen, um Wirbelströme von Gradienten am Fließen über die Schlitze zu unterbinden und eine niedrige Impedanz im MHz- Bereich, damit eine hoher Abschirmfaktor im Bereich der Larmorfrequenz garantiert wird [2]. Ein Konzept, veröffentlicht in [3], unterteilt das Schild in mehrere Schichten, damit das Schild dünner ist und gradienteninduzierte Wirbeiströme damit verringert werden.
Werden RF-Schirme von Spulen verwendet, wird eine Vielzahl von Unterbrechungsmethoden für induzierte Wirbelströme von Gradientenfeldern verwendet. Die Schirme haben je- doch eine Zylinderform und sind nicht geschlossen, da die Effektivität der Schildstärke nicht so hoch sein muss, wie beim Abschirmen von Elektronik. Beim Abschirmen von PET Kassetten oder Gehäusen für Elektronik müssen zusätzliche Schirmungsflächen angebracht werden. Wirbelströme auf diesen zusätzlichen Flächen haben Einflüsse auf die Bildqualität wie in [2] gezeigt wurde. Deswegen werden ebenfalls Schlitze auf den Flächen benötigt. Dies wurde durch Schlitze mit Kondensatoren als Brücken in [2] gelöst. Allerdings haben Kondensatoren den Nachteil, dass es zur Abschwächung der Gammaquanten kommt.
Grundsätzlich beeinflussen elektromagnetische Felder verschiedene Elektroniken, die in verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt werden. Das hat zur Folge, dass elektronische Bauteile nicht erwartungsgemäß oder genau genug arbeiten. Es besteht daher der Bedarf, elektronische Bauteile vor dem Einfluss elektromagnetischer Felder, insbesondere hochfrequenter elektromagnetischer Felder, zu schützen. Hochfrequente Felder im Sinne der Erfindung sind Felder ein einem Bereich von 1 MHz bis 10 GHz.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Abschirmvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen eine hohe Abschirmwirkung für elektromagnetische Felder, insbesondere hochfre- quente elektromagnetische Felder, insbesondere im Frequenzbereich der Larmorfrequenz eines MRT Scanners, bewirkt werden kann. Interferenzen und gegenseitige Beeinflussungen von elektronischen Bauteilen sollen unterbunden werden.
Für den Fall der Anwendung in der MRT soll dabei keine Beeinflussung der Gradientenfelder des MRT stattfinden. Eine Störung des Empfangssignals der RF-Spule soll verhindert wer- den. Dabei sollen Wirbelströme auf den Abschirmflächen verhindert werden. Das gilt insbesondere für klein dimensionierte MR-PET-Geräte. Es soll eine Abschirmvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die neben der Anwendung in der MRT auch zum Schutz anderer elektronischen Bauteile eingesetzt werden können. Die Abschwächung von Gammaquanten soll vermindert werden. Ausgehend vom Oberbegriff es Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
Mit der erfindungsgemäßen Abschirmvorrichtung ist es nunmehr möglich, eine hohe Abschirmwirkung für elektromagnetische Felder, insbesondere hochfrequente elektromagneti- sehe Felder, insbesondere im Frequenzbereich der Larmorfrequenz eines MRT Scanners, zur Verfügung zu stellen.
Für den Fall der Anwendung in der MRT findet dabei keine Beeinflussung der Gradientenfelder des MRT statt. Eine Störung des Empfangssignals der RF-Spule wird verhindert. Wirbel- ströme auf den Abschirmflächen werden verhindert. Interferenzen und gegenseitige Beeinflussung von elektronischen Bauteilen werden verhindert. Dies gilt insbesondere für MR- PET-Kombinationsgeräte kompakter bzw. kleindimensionierter Bauart. Es wird eine Abschirmvorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung gestellt, die neben der Anwendung in der MRT auch zum Schutz anderer elektronischer Bauteile eingesetzt werden kann.
Gammaquanten werden weniger abgeschwächt als bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung in seiner allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend auszulegen ist. Die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung beinhaltet mindestens zwei Abschirmflächen, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich Kapazitäten zwischen den Abschirmflächen bilden, die eine hohe Impedanz im kHz-Bereich und eine niedrige Impedanz im MHz- Bereich haben, wobei die Abschirmflächen jeweils mindestens einen Schlitz aufweisen und die Schichtdicke der Abschirmflächen jeweils einen Bruchteil der 10-fachen Skintiefe beträgt.
Die Impedanz ist eine Funktion des Abstands a der Abschirmflächen und der überlappenden Felder.
Es gilt der Zusammenhang: c = (d x I / a) ε0εΓ (Formel 1 ) mit:
d = Abstand zwischen zwei Spalten benachbarter Abschirmflächen
I = Länge einer Kassette im Fall eines Beispiels mit einer Kassette
c = Kapazität des Kondensators, der durch zwei Abschirmflächen gebildet wird.
ε0 = elektrische Feldkonstante
εΓ= relative Permittivität
1/(oo c) = zc mit z = Impedanz
ω = 2π f wobei
f = Frequenz
Die Abschirmflächen sollen aus einem elektrisch leitenden, vorzugsweise hochleitenden, Material sein. Hierfür kommen Metalle, wie Kupfer, Silber, Carbon oder Aluminium in Frage. Werden Aluminium oder Materialien mit geringer Dichte aber trotzdem hoher Leitfähigkeit verwendet, hat dies den Vorteil, dass weniger Gammastrahlung gedämpft wird.
Es können 2, 3 oder mehrere, beispielsweise 4, 5, 6 ....10 20 Abschirmflächen parallel zueinander angeordnet sein. Parallel bedeutet im Sinne der Erfindung, dass übliche technische, wie beispielsweise baulich bedingte Abweichungen von der Parallelität umfasst sein können, sofern sie sich innerhalb der praktischen Fehlergrenzen bewegen.
Zwischen den einzelnen Abschirmflächen befindet sich ein Dielektrikum. Ein Dielektrikum kann ein Isolator oder ein Stoff geringer elektrischer Leitfähigkeit sein, beispielsweise ein Gas, insbesondere ein Feststoff, wie beispielsweise Kunststoff oder Glas. Die Auswahl des dielektrischen Materials hat Einfluss auf die Kapazität der Abschirmflächen. εΓ kann beliebig sein.
Baulich können die parallelen Abschirmflächen auf verschiedene Art verwirklicht sein. Im Fall von zwei parallelen Abschirmflächen können diese beispielsweise als Innenauskleidung und Außenumkleidung um ein Gehäuse eines Gerätes, beispielsweise einer PET-Kassette, gelegt sein, so dass das Gehäuse, beispielsweise aus Kunststoff, ein Dielektrikum zwischen den einzelnen Abschirmflächen bildet.
Die Abschirmflächen können auch durch Abstandshalter parallel zueinander fixiert werden. Die Abstandhalter sollen aus einem festen dielektrischen Material, wie Kunststoff sein.
Weiter können die Abschirmflächen in einen Rahmen gespannt sein, der sie in paralleler Ausrichtung zueinander fixiert.
In den beiden letzten Fällen, kann dann ein Gas, beispielsweise Luft, das Dielektrikum sein.
Genauso können mehrere Abschirmflächen parallel zueinander angeordnet sein. Beispiels- weise können zwei oder mehrere Abschirmflächen in eine Gehäusewand eingearbeitet sein, so dass sie nicht mit Luft in Berührung kommen. Das hat den Vorteil, dass Korrosion verhindert wird. Die parallelen Abschirmflächen müssen dabei nicht planar angeordnet sein, sondern können unter Beibehaltung der Parallelität gebogen sein, so dass sie äquidistant verlaufen, je nach praktischen Anforderungen des technischen Umfeldes. Von einer Biegung ist auch die Ecke eines Gehäuses umfasst. Maßgeblich für die Schichtdicke einer Abschirmung nach dem Stand der Technik ist die Skintiefe. Unter dem Begriff der Skintiefe bezeichnet man die Eindringtiefe eines in eine Fläche eingetragenen elektrischen Wirbelstroms. Bei konventionellen Abschirmungen beträgt die Dicke der Abschirmung ca. das10-fache der Skintiefe.
Erfindungsgemäß beträgt die Dicke einer Abschirmfläche einen Bruchteil der 10-fachen Skintiefe und die Summe der Dicke der Abschirmflächen ergibt dabei die 10-fache Skintiefe.
Die Abschirmflächen können sowohl gleiche oder unterschiedliche Dicke aufweisen.
Die Dicke hängt von der Skintiefe und damit vom Material und der Larmorfrequenz ab.
Der Abstand a zwischen den Abschirmflächen soll zwischen 0,1 mm und 5 cm betragen.
Erfindungsgemäß besitzen die Abschirmflächen mindestens einen Schlitz. Eine Abschirm- fläche kann mehrere Schlitze aufweisen, beispielsweise bis zu 10.
Die Schlitze sind möglichst schmal und haben eine Breite in einem Bereich von vorzugsweise 0,1 - 1 mm.
Die Länge der Schlitze beträgt beispielsweise 5 cm bis 50 cm.
Die Schlitze können innerhalb einer Abschirmfläche einen Abstand von 3 cm bis 8 cm haben. Vorzugsweise sind die Schlitze einer Abschirmfläche parallel zueinander angeordnet.
Die Kombination des parallelen Verlaufs der Abschirmflächen und der Schlitze hat zur Folge, dass sich zwischen den Abschirmflächen Kapazitäten ausbilden. Die Kapazitäten bilden sich dabei zwischen den Teilbereichen zweier Abschirmflächen aus, welche durch die Schlitze begrenzt sind. Die Kapazitäten weisen erfindungsgemäß eine hohe Impedanz im kHz- Bereich und eine niedrige Impedanz im MHz-Bereich auf.
Die hohe Impedanz im kHz-Bereich liegt dabei vorzugsweise, zwischen 1 kü -100 ΜΩ im Bereich der Larmorfrequenz.
Die niedrige Impedanz liegt dabei zwischen 10'3 Ω und 1 Ω im Bereich der Larmorfrequenz. Vorzugsweise sind die Schlitze von parallelen Abschirmflächen dabei versetzt, also sich nicht überdeckend, angeordnet.
Das hat zur Folge, dass hohe Frequenzen nicht einkoppeln können.
Dabei können äquidistante Schlitze einer Abschirmfläche um die Hälfte Ihrer Abstände zuei- nander verschoben sein, wenn die Abschirmflächen gleiche Abstände für die Schlitze aufweisen.
Die Schlitze können dabei äquidistant angeordnet sein.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung beispielhaft an einer Figur erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Abschirmvorrichtung.
Die in Figur 1 dargestellte Abschirmvorrichtung besitzt zwei Abschirmflächen 1 , 1a, die in einem Abstand a parallel zueinander angeordnet sind. Die Abschirmflächen 1 , 1 a besitzen jeweils mehrere Schlitze 2, 2a, 2b ...3, 3a, 3b... . Die Schlitze 2, 2a, 2b ...3, 3a, 3b... sind um eine Distanz d zueinander äquidistant verschoben, so dass sie auf Lücke angeordnet sind.
Beispiel:
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels erläutert, ohne dass dies ein- schränkend auszulegen ist.
In einer Ausführungsform beinhaltet die Abschirmvorrichtung mindestens zwei Abschirmflächen, welche zum Beispiel auf Gehäuseinnen- und -außenseite angebracht sind. Dabei wird die normalerweise benötigte Dicke, welche in der Regel zum Beispiel ein 10-faches der Skintiefe der jeweiligen Larmorfrequenz im jeweiligen Material sein kann, auf die Abschirm- flächen wie bei [4] aufgeteilt. Zusätzlich werden allerdings Schlitze in alle Flächen integriert. Die Flächen werden dann, z.B. durch geeignete Auswahl der Gehäusedicke (in der Regel Plastik), möglichst nah zueinander gebracht und die Schlitze so gewählt, dass sich Kapazitäten zwischen den Flächen bilden, die eine hohe Impedanz im kHz Bereich haben und eine niedrige Impedanz im MHz Bereich nahe der Larmorfrequenz. Ein Beispiel befindet sich in Figur 1. Hierbei werden Wirbelströme von Gradientenspulen, die im kHz Bereich oder mit niedrigeren Frequenzen geschaltet werden, durch die möglichst schmalen Schlitze (0,1- 1 mm) unterbrochen. Durch die überlappenden Flächen entstehen Kondensatoren, so dass eine Kopplung von elektromagnetischen Wellen stattfinden kann und somit eine hohe Schirmungsstärke im MHz Bereich entsteht. Die genaue Kapazitätsgröße und damit die gewünschte Impedanz ergeben sich durch Wahl von a und d. Es sollte insbesondere bei Verwendung von zwei Schichten darauf geachtet werden, keine Schlitze an den Ecken zu ver- wenden. Es können auch mehr als zwei Schichten verwendet werden, um bei gleicher Gesamtdicke aller Schichten, dünnere Schichten zu erhalten. Dabei wird jede angrenzende Schicht entsprechend kapazitiv angekoppelt. Unabhängig von der Geometrie sollten möglichst alle Flächen des Schirms so gestaltet werden. Notwendige Öffnungen für Stecker, Kabel oder Kühlungsrohre sollten in dem Design und Bestimmung der Kondensatorgröße berücksichtigt werden.
Bei der Figur 1 handelt es sich um einen 2D Schnitt. Genauso können Flächen in der Schnittebene abgeschirmt werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Flächen parallel zum Bo-Feld des Gehäuses die Schlitzrichtung entlang des ß0-Feldes aufweisen. Zusätzlich sollten die Flächen senkrecht zum S0-Feld von den Flächen parallel zum ß0-Feld durch Schlitze getrennt werden, aber kapazitiv gekoppelt sein.
Ab einer gewissen Anzahl von Schichten wird die Bestimmung von kapazitiven Flächen nicht mehr entscheidend sein, solange der Abstand der Flächen weit genug voneinander entfernt ist, dass eine kHz Welle nicht ankoppeln kann. Durch die hohe Anzahl an Schichten wird es für MHz Wellen schwieriger einzukoppeln, unabhängig von der kapazitiven Fläche.
Als Material sollten hochleitende Materialien wie Kupfer, Silber oder Aluminium verwendet werden. Werden Aluminium oder Materialien mit geringer Dichte aber trotzdem hoher Leitfähigkeit verwendet, hat dies den Vorteil, dass weniger Gammastrahlung gedämpft wird. Genauso verändert das dielektrische Material zwischen den leitenden Schichten die kapazitive Wirkung und sollte eine möglichst geringe Dichte vorweisen.
Das Konzept hat gegenüber [2] den Vorteil, dass keine Kondensatoren aufgelötet werden müssen, die ggf. Gammastrahlung zusätzlich dämpfen.
Im Gegensatz zu einem RF Schirm für RF Spulen müssen die Schlitze so integriert werden, dass eine hohe Effektivität des Schildes von mindestens 50 dB erreicht wird. Um dieses spezielle Schirmungskonzept auf die passenden Gegebenheiten abstimmen zu können, müssen entweder elektromagnetische Simulationsprogramme zum genauen tunen verwendet oder mit Prototypen gemessen werden. Die Einstellung der Kapazitäten hängt von der gewünschten zu schirmenden Larmorfrequenz, der Geometrie des Gehäuses, Wahl von Steckern, Kabeln und anderen Einführungen in das Gehäuse sowie den verwendeten Materialien ab. Es müssen Resonanzeffekte ausgeschlossen werden. Da die Herstellung nicht magnetischer Metallschichten mit zwischenliegenden Dielektrikum komplex sein können, empfiehlt es sich in der Regel einen Schirm mit zwei Lagen zu entwickeln, da man diese sehr gut auf Innen- und Außenseite des Gehäuses anbringen kann. Allerdings muss das Gehäuse dafür eine entsprechende von der Frequenz abhängige Dichte haben.
Die Erfindung ist für die gradiententransparente Abschirmung im MHz Bereich der Larmor- frequenz von Elektronik, die mit dem MRT RF Spulen interagieren kann, geeignet. Insbesondere PET Kassetten oder PET Elektronik können mit der Abschirmmethode geschirmt werden. Zur baulichen Ausgestaltung können beispielhafte Angaben zur Gehäuseform und Schlitzform gemacht werden.
Angabe zur Gehäuseform:
Üblicherweise werden nach dem Stand der Technik sogenannte Kassetten, welche den PET-Ring bilden und die PET-Detektoren und zugehörige Elektronik beinhalten, in Form von Quadern aufgebaut. Dabei ist es üblich, dass diese leicht von der Quaderform abweichen und zur Ringinnenseite eine dem Mittelpunkt des Ringes zugewandte kleinere Fläche haben, als die vom Mittelpunkt abgewandte Seite. So kann die Kassette sich der Zylinderform des PET-Ringes anpassen. Die längste Seite einer Kassette verläuft in der Regel entlang der z-Achse des Zylinders. Dies hängt davon ab, wie viel Elektronik integriert wird.
Eine weitere Möglichkeit ist es, alle PET Detektoren und deren Elektronik in ein einziges Gehäuse zu verbauen. Dabei wird das Gehäuse in Form eines Hohlzylinders aufgebaut. Der Vorteil gegenüber einzelnen Kassetten in Quaderform ist, dass keine induzierten Gradientenströme an den Flächen zwischen den Kassetten auftreten, da diese Abschirmungsflächen in einem Hohlzylinder nicht mehr vorhanden sind. Der Nachteil ist, dass man immer das gesamte Gehäuse bei Wartungen oder Hardwaremodifikationen öffnen, also den gesamten PET-Ring auseinanderbauen bzw. öffnen, muss. Bei der Kassettenbauweise können die einzelnen Kassetten jeweils individuell gewartet, geöffnet und deren Komponenten ausgetauscht oder modifiziert werden. Dies kann auch möglich sein ohne den gesamten, sehr schweren und unhandlichen PET Ring aus dem MRT Scanner zu entfernen.
Bei der Gehäusewahl ist darauf zu achten, dass keine Resonanzkörper entstehen. Die Geometrie der Abschirmung sollte mit elektromagnetischen Simulationstools simuliert werden, um zu testen, bei welchen Frequenzen Resonanzeffekte auftauchen. Eine Software dafür ist beispielsweise CST Microwave Studio und ist dem Fachmann bekannt. Liegt ein Resonanzeffekt in der Nähe der Larmorfrequenz des MRT Scanners, sollte die Geometrie geändert werden. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Resonanzfrequenz nicht nur durch Geometrieänderungen der Quaderform oder Zylinderform geändert werden kann. Bei dieser Erfindung ist es möglich, durch Einbringung zusätzlicher Schlitze oder Veränderungen der Schichtabstände die Resonanzfrequenzen von der Larmorfrequenz wegzutunen.
Angabe zur Schlitzform:
Die Schlitze werden auf allen Flächen, die parallel zum B0-Feld des MRT orientiert sind, integriert. Die Schlitze verlaufen parallel zum B0-Feld des MRT. Die Schlitze müssen auf den Flächen ununterbrochen verlaufen, so dass sich ihre Länge aus der Länge des Abschir- mungsgehäuses entlang der z-Richtung ergibt.
Die Anzahl der Schlitze sollte möglichst gering gehalten werden, um das Gehäuse so RF- dicht wie möglich zu halten. Bei einer Quaderform mit Kassettenaufbau muss sich mindestens ein Schlitz auf jeder Kassettenseite parallel zum B0-Feld des MRT befinden. Bei einer Hohlzylinderanordnung sollte sich mindestens ein Schlitz auf allen Innen- und Außenseiten bzw. -schichten parallel zum B0-Feld des MRT befinden. Praktisch sollte die Anzahl der Schlitze der Größe der Abschirmungsflächen angepasst werden. Hierzu sollte das Abschirmungsgehäuse mit entsprechender elektromagnetischer Simulationssoftware simuliert werden - auch um Resonanzphänomene nahe der Larmorfrequenz zu vermeiden. Als Näherung kann aus Erfahrungswerten gesagt werden, dass sich ca. alle 5 cm ein Schlitz auf jeder Abschirmungsseite und -Schicht befinden sollte. Die Schlitze sollten eine Höhe von 0,1 -1 mm haben.
Es sei erwähnt, dass die Flächen der Abschirmungsgehäuse senkrecht zum B0-Feld des MRT von den anderen Flächen im kHz Bereich elektrisch getrennt werden sollten. Dies ist ebenfalls in Form von überlappenden Schlitzen oder Schlitzen mit überbrückenden Konden- satoren, die der entsprechenden Frequenz angepasst werden, möglich, sodass die Kondensatoren im kHz-Bereich eine hohe Impedanz (>1 kQ) haben und eine niedrige Impedanz nahe der Larmorfrequenz / MHz-Bereich (<1 Ω).
Literaturquellen:
[1 ]: B. Pichler, et al., "Performance test of an LSO-APD detector in a 7-T MRI Scanner for simultaneous PET/MRI," J. Nucl Med, vol. 47, no. 4, pp. 639-647, Apr. 2006, Veröffentlichung befindet sich in Datei 1.pdf
[2]: A. Berneking, R. Trinchero, Member, IEEE, YongHyun Ha, Felix Finster, Piergiorgio Cerello, Chistoph Lerche, Nadim Jon Shah, "Design and Characterization of a Gradient Transparent RF Copper Shield for PET Detector Modules in Hybrid MR-PET Imaging", IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, Vol. 64, NO. 5 MAY 2017
[3]: D. Thun, F. Kiessling, V. Schulz, Medical Physics 38, 3995, (201 1 )

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Abschirmvorrichtung mit Abschirmflächen,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie mindestens zwei Abschirmflächen (1 , 1 a) beinhaltet, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich Kapazitäten zwischen den Abschirmflächen (1 , 1 a) bilden, die eine hohe Impedanz im kHz-Bereich und eine niedrige Impedanz im MHz-Bereich haben, wobei die Abschirmflächen (1 , 1 a) jeweils mindestens einen Schlitz (2, 2a, 3, 3a) aufweisen.
2. Abschirmvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schichtdicke der Abschirmflächen(1 , 1 a) jeweils einen Bruchteil der 10-fachen Skintiefe beträgt.
3. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschirmflächen (1 , 1 a) aus einem elektrisch leitendem Material bestehen.
4. Abschirmvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschirmflächen (1 , 1 a) aus Kupfer, Silber, Carbon oder Aluminium bestehen.
5. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass 2 bis 20 Abschirmflächen (1 , 1 a) parallel zueinander angeordnet sind.
6. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich zwischen den Abschirmflächen (1 , 1 a) ein Dielektrikum befindet.
7. Abschirmvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Dielektrikum eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Gas, einem Feststoff, Kunststoff oder Glas ist.
8. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abschirmflächen (1 , 1a) als Innenauskleidung und/oder Außenumkleidung des Gehäuses eines Geräts ausgebildet sind.
9. Abschirmvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gerät eine PET-Kassette ist.
10. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand zwischen den Abschirmflächen (1 , 1a) zwischen 0, 1 mm und 5 cm beträgt.
11. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Abschirmfläche (1 , 1a) bis zu 10 Schlitze (2, 2a, 3, 3a) aufweist.
12. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schlitze (2, 2a, 3, 3a) eine Breite von 0,1 mm bis 1 mm aufweisen.
13. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die hohe Impedanz im kHz-Bereich zwischen 1kQ und 100 ΜΩ liegt.
14. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die niedrige Impedanz im Bereich der Larmorfrequenz zwischen 10"3 Ω und 1 Ω liegt.
15. Abschirmvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schlitze (2, 2a, 3, 3a) zweier Abschirmflächen (1 , 1 a) zueinander versetzt angeordnet sind, so dass sie nicht überdeckend angeordnet sind.
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