DE10118195C1 - Verwendung eines Schaltelements zum Schalten in einem Kernspintomographie-Gerät und Kernspintomographie-Gerät - Google Patents

Abstract

Zum Schalten in einem elektrischen Leitungssystem eines bildgebenden Kernspintomographie-Geräts (1) wird ein elektrostatisches Relais (R1; R2, R3, R4; R6) verwendet. Vorzugsweise wird das Ralais (R1; R2, R3, R4) zum Verstimmen einer Hochfrequenz-Empfangsspule (13) während einer Hochfrequenz-Sendephase des Kernspintomographie-Geräts (1) verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Schaltelements zum Schalten in einem elektrischen Leitungssystem eines bild­ gebenden Kernspintomographie-Geräts. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Kernspintomogra­ phie-Gerät mit einer Hochfrequenz-Spule, insbesondere mit einer Hochfrequenz-Empfangsspule, und mit einem Schaltelement zur Beeinflussung der Spulenaktivität. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Kernspintomogra­ phie-Gerät mit mehreren Hochfrequenz-Sendespulen und/oder mit mehreren Hochfrequenz-Empfangsspulen mit mindestens einem Schaltelement zum Multiplexing von Steuersignalen bzw. zum Demultiplexing von Empfangssignalen.

In einem Kernspintomographie-Gerät werden bei Vorhandensein eines homogenen, zeitlich konstanten magnetischen Grundfelds Hochfrequenzimpulse in den Untersuchungsbereich eines zu un­ tersuchenden Objekts oder eines Patienten eingestrahlt. Wäh­ rend dieser Sendephase wird eine Hochfrequenz-Sendespule von einem Leistungsverstärker gespeist. Die Hochfrequenz-Sende­ spule sendet mit der für das Grundfeld typischen Larmor-Fre­ quenz der Wasserstoffkerne. Infolge der Einstrahlung des Hochfrequenzimpulses entsteht zu einem späteren Zeitpunkt, wenn die Hochfrequenz-Sendespule bereits abgeschaltet ist, ein Echosignal, das von einer als Antenne wirkenden Hochfre­ quenz-Empfangsspule empfangbar ist. Aus mehreren, bei sukzes­ siver Variation eines angelegten magnetischen Gradientenfel­ des entstandenen Hochfrequenzechosignalen wird eine sogenann­ te Rohdatenmatrix angelegt, aus der durch Fourier-Transfor­ mation ein Abbild des zu untersuchenden Bereichs im Patienten bzw. Objekt generiert wird.

Bei der Hochfrequenz-Sendespule und der Hochfrequenz-Emp­ fangsspule kann es sich um ein und dieselbe Hochfrequenz- Spule handeln. In diesem Fall muss beim Wechsel zwischen der Sendephase und der Empfangsphase die Versorgungsleitung der Hochfrequenz-Spule zwischen dem Leistungsverstärker und einem der Verstärkung eingehender Echosignale dienenden Vorverstär­ ker hin- und hergeschaltet werden.

Es können auch mehrere Hochfrequenz-Empfangsspulen vorhanden sein, beispielsweise eine fest installierte Empfangsspule, eine als Volumenspule ausgebildete Lokalspule und/oder eine als Oberflächenspule ausgebildete Lokalspule. Für diese Emp­ fangsspulen kann ein einziger elektronischer Empfangskanal vorhanden sein, so dass ein Demultiplexing der von den unter­ schiedlichen Empfangsspulen generierten Empfangssignale nötig ist.

Aus DE 44 12 446 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erstellung eines NMR-Tomographiebildes bekannt, bei denen Multiplexerschaltungen verwendet werden, um die Signale meh­ rerer Oberflächenspulen abwechselnd einem einzigen AD-Wandler oder abwechselnd einem einzigen phasenempfindlichen Detektor zuzuführen.

Bei einer gesondert von der Hochfrequenz-Sendespule vorhande­ nen Hochfrequenz-Empfangsspule ist es nötig, die Hochfre­ quenz-Empfangsspule während der Sendephase zu verstimmen, da die Hochfrequenz-Empfangsspule während der Empfangsphase ebenfalls auf die Larmor-Frequenz abgestimmt ist, so dass die Hochfrequenz-Empfangsspule andernfalls mit hoher Effizienz Leistung aus dem eingestrahlten Hochfrequenzfeld aufnehmen würde. Dies muss zum Schutz des Patienten vermieden werden. Eine bekannte Hochfrequenz-Empfangsspule weist daher eine so­ genannte Verstimmschaltung auf. In diese ist eine PIN-Diode integriert, die im durchgeschalteten Zustand die Verstimm­ schaltung aktiviert, so dass die Hochfrequenz-Empfangsspule deaktiviert, d. h. verstimmt, ist. Die Hochfrequenz-Empfangs­ spule kann dann nicht mehr empfangen.

Die PIN-Diode wirkt in der Verstimmschaltung als schnelles aktives Schaltelement. Diese kann aber nur dann als guter Schalter mit geringem ON-Widerstand wirken, falls sie in ei­ nen hierzu vorhandenen resonanten Schwingkreis der genannten Verstimmschaltung integriert ist. Im durchgeschalteten Zu­ stand der PIN-Diode wirkt der Schwingkreis der Verstimmschal­ tung, der auf die Resonanzfrequenz des Kernspintomographen (Larmor-Frequenz) abgestimmt ist, als Sperrkreis, der den Strom in der als Antenne wirkenden Hochfrequenz-Empfangsspule in der Sendephase minimiert.

Eine Hochfrequenzempfangseinheit für ein Magnetresonanzgerät mit einer Verstimmeinrichtung, die einen geschalteten Paral­ lelresonanzkreis aufweist, ist aus DE 197 27 524 C1 bekannt. In diesem Dokument ist auch die Verwendung einer PIN-Diode als Hochfrequenzschaltdiode offenbart.

Die aus der genannten Notwendigkeit heraus vorhandene reso­ nante Verstimmschaltung hat den Nachteil, dass die gesamte von der Hochfrequenz-Empfangsspule induzierte Spannung von bis zu 500 V an der Verstimmschaltung abfällt, so dass in de­ ren Sperrkreis während der Sendephase ein sehr hoher Strom fließt, der - schon wegen des damit verbundenen Magnetfelds - Störungen bei der Bilderfassung im Kernspintomographie-Gerät zur Folge hat.

Zum Schalten in einem Magnetresonanzgerät, insbesondere in einem Anregungs- oder Empfangsschwingkreis, ist in DE 199 26 742 A1 ein stromgespeister Schalter beschrieben, der eine strominduzierte Erwärmung in einem Formgedächtniselement zum Schalten ausnutzt und von daher in seiner Schaltfolge be­ grenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schaltelement zur Verwendung in einem Kernspintomographie-Gerät anzugeben, welches im Bereich hochfrequenter Felder einsetzbar ist, welches den bei der Kernspintomographie geforderten Schalt­ zeiten genügte und mit welchem insbesondere die genannten Nachteile vermeidbar oder verminderbar sind. Zu diesem Zweck soll auch ein Kernspintomographie-Gerät angegeben werden.

Die auf ein geeignetes Schaltelement gerichtete Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zum Schalten in ei­ nem elektrischen Leitungssystem eines bildgebenden Kernspin­ tomographie-Geräts ein elektrostatisches Relais verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein elekt­ rostatisches Relais ganz besonders zum Einsatz bei Vorhanden­ sein eines starken Magnetfeldes (konstantes magnetisches Grundfeld) geeignet ist. Ein elektrostatisches Relais arbei­ tet weitgehend stromlos, so dass eine maßgebliche Wechselwir­ kung mit dem magnetischen Grundfeld nicht auftritt. Ein elekrostatisches Relais ist ohne Verwendung einer Spule aufbaubar, deren Magnetfeld von dem Grundfeld beeinflusst werden würde.

Im Gegensatz zu einer Diode oder einer Röhre, die als rein elektronische Schaltelemente fungieren, ist das Relais ein elektromechanischer Schalter, welcher elektrisch betätigbar ist, bei dem aber der eigentliche Unterbrechungsvorgang me­ chanisch stattfindet. Das Relais führt zu einer vollständigen galvanischen Trennung. Ein Relais ist mit einem besonders geringen ON-Widerstand und mit hoher Spannungsfestigkeit im Hochfrequenzbereich ausführbar. Mit dem elektrostatischen Relais sind außerdem sehr kurze Schaltzeiten erreichbar. Ein Schaltelement, das sowohl bei hohen Frequenzen spannungsfest als auch hinreichend schnell wäre, ist zwar auch die PIN- Diode, jedoch ist diese für viele Zwecke nur unter Inkaufnah­ me der eingangs genannten Nachteile einsetzbar.

Ein elektrostatisches Relais ist mit besonderen Vorzügen zum Einsatz im homogenen Grundfeld eines Kernspintomographie- Geräts oder eines Magnetresonanzgeräts einsetzbar, und vor­ zugsweise im Bereich dieses Grundfelds angeordnet.

Nach einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemä­ ßen Verwendung wird als Relais ein mikromechanisches Relais verwendet, das vorzugsweise wenigstens teilweise durch eine Materialabtragungstechnik, beispielsweise durch Ätzen, aus einem Substrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat, herge­ stellt ist. Ein solches mikromechanisches Relais kann bei­ spielsweise eine Bauhöhe im Bereich von 0,5 mm bis etwa 1 mm aufweisen, welche im Bereich der Dicke typischer Silizium- Waver liegt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass ein mikro­ mechanisches elektrostatisches Relais besonders schnelle Schaltvorgänge ausführen kann, da die zu bewegenden Massen und die somit auftretenden Trägheitskräfte klein sind. Auch die Wegstrecke, über welche die Masse bewegt werden muss, ist klein.

Ein mikromechanisches elektrostatisches Relais, welches für die erfindungsgemäße Verwendung geeignet ist, ist für Tele­ fonanlagen beispielsweise aus DE 32 07 920 A1 bekannt. Das erfindungsgemäß verwendete elektrostatische Relais weist ins­ besondere ein Trägerbauteil aus einem elektrisch isolierend wirkenden Material auf, das einen Trägerkörper und einen eine bauliche Einheit mit dem Trägerkörper bildenden, zumindest einen elektrischen Kontakt aufweisenden und gelenkig am Trä­ gerkörper befestigten Anker umfasst. Auf die übrige Offenba­ rung der DE 32 07 920 A1, insbesondere auf die Patentansprü­ che 1 bis 14, wird ausdrücklich Bezug genommen.

Ein verbessertes mikromechanisches elektrostatisches Relais, das vorzugsweise im Rahmen der Erfindung Verwendung findet, ist aus DE 42 05 029 C1 bekannt. Es weist mindestens einen Anker auf, welcher einseitig mit einem Träger elastisch schwenkbar verbunden ist, welcher mit seinem freien Ende min­ destens ein Kontaktstück trägt und welcher zumindest eine erste elektrisch leitende Schicht aufweist. Ferner weist das Relais mindestens eine Gegenplatte auf, welche zumindest eine zweite elektrisch leitende Schicht und zumindest ein mit dem Kontaktstück des Ankers zusammenwirkendes Gegenkontaktstück aufweist. Die beiden einander gegenüber liegenden Schichten sind gegeneinander isoliert und mit entgegengesetzter Polari­ tät an Spannung anlegbar. Bei Anlegen einer Spannung an die als Elektroden wirkenden Schichten wird der Anker bewegt, so dass das freie Ende des Ankers mit dem Kontaktstück in Kon­ takt mit dem Gegenkontaktstück kommt, wobei die gewünschte elektrische Verbindung hergestellt wird. Auf die übrige Of­ fenbarung der DE 42 05 029 C1, insbesondere auf die Patentan­ sprüche 1 bis 13, wird ausdrücklich Bezug genommen.

Der Trägerkörper oder das Substrat sind bei dem elektrostati­ schen Relais vorzugsweise aus Silizium gefertigt, das trotz seiner halbleitenden Eigenschaften einen hinreichend großen Isolationswiderstand aufweist und demzufolge bei dem Relais als elektrisch isolierend wirkendes Material eingesetzt ist.

Das Silizium besitzt außerordentlich gute mechanische Eigen­ schaften und ist durch an sich bekannte Materialabtragungs­ verfahren gut mikrostrukturierbar.

Weiterentwickelte mikromechanische elektrostatische Relais sind aus DE 44 37 259 C1, DE 198 54 450 A1, DE 198 07 214 A1 sowie aus DE 198 23 690 C1 bekannt. Diese fortentwickelten Relais sind ebenfalls zum Einsatz in einem hohen Magnetfeld eines Kernspintomographie-Geräts geeignet.

Das in dem Leitungssystem des Kernspintomographie-Geräts ver­ wendete elektrostatische Relais ist einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform zufolge ohne ferromagnetische Materialien aufgebaut, das heißt, seine magnetische Permeabi­ lität ist besonders gering. Anstelle des verwendeten Silizi­ ums kann das Substrat oder der Tragkörper und/oder ein gehäusebildendes Gegenstück aus einer Keramik oder aus Glas, insbesondere aus Pyrex-Glas, gefertigt sein. Die die elektro­ statische Anziehung hervorrufenden Schichtelektroden sind vorzugsweise aus Gold oder einer Goldlegierung hergestellt. Der nicht ferromagnetische Aufbau des elektrostatischen Re­ lais hat bei Einsatz in einem Kernspintomographen den beson­ deren Vorteil, dass eine Störung des homogenen magnetischen Grundfelds und eine Störung des als homogen angenommenen hochfrequenten Sendefeldes vermieden ist, wodurch entspre­ chende Bildartefakte weitestgehend unterbunden sind.

Nach einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird das elekt­ rostatische Relais derart verwendet, dass durch das Schalten eine Hochfrequenz-Spule des Kernspintomographie-Geräts akti­ viert oder deaktiviert wird.

Vorzugsweise ist die derart aktivierte bzw. deaktivierte Hochfrequenz-Spule eine Hochfrequenz-Empfangsspule, die ins­ besondere durch das Schalten deaktiviert wird, bevor ein Hochfrequenzimpuls in ein abzubildendes Objekt gesendet wird.

Das elektrostatische Relais kann beispielsweise in einer zu der Hochfrequenz-Spule führenden elektrischen Hochfrequenz­ leitung als Unterbrecher, als Multiplexer oder als Demulti­ plexer oder als Teil solcher eingesetzt sein.

Das von dem elektrostatischen Relais bewirkte Schalten wird vorzugsweise zum Demultiplexing der Empfangssignale mehrerer Hochfrequenz-Empfangsspulen verwendet. Ebenfalls bevorzugt wird dieses Schalten zum Multiplexing der Steuersignale für mehrere Hochfrequenz-Sendespulen eingesetzt.

Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Hochfrequenz-Spule durch das Schalten verstimmt. Bei dieser Verwendung wird eine Verstimmschaltung realisiert, bei der das elektrostatische Relais als aktives Schaltelement dient.

Die Erfindung geht dabei zunächst von der Erkenntnis aus, dass eine herkömmlich verwendete Verstimmschaltung, wie sie eingangs beschrieben wurde, eine Reihe von Nachteilen auf­ weist. Diese sind im Einzelnen:

• a) Die Bauteile der Verstimmschaltung müssen sehr spannungs­ fest sein gegenüber der anliegenden induzierten Spannung.
• b) Die Bauteile müssen außerdem aufgrund des hohen Kreis­ stromes leistungsfest sein.
• c) Der induzierte Strom führt zu einer unerwünschten lokalen Störung des idealerweise als homogen angenommenen Hoch­ frequenzsendefeldes.
• d) In ungünstigen Fällen kann das eingestrahlte Hochfre­ quenzsendefeld mit dem Feld, welches durch den im Sperr­ kreis induzierten Strom angeregt wird, an bestimmten Punkten im Raum positiv interferieren. Die daraus resul­ tierenden lokalen Felderhöhungen könnten innerhalb des zu untersuchenden Patienten liegen, so dass die Gefahr einer zu hohen Einkopplung von Wirbelströmen und dadurch die Gefahr eines Überschreitens des lokal zulässigen spezifi­ schen Absorptionsverhältnisses SAR (Specific Absorption Ratio) bestünde.
• e) Da die Verstimmschaltung exakt auf die Larmor-Frequenz des Kernspintomographen abgestimmt ist, besteht die Ge­ fahr der Verkoppelung der Verstimmschaltung mit anderen resonanten Strukturen, welche der Hochfrequenz-Empfangs­ spule zugeordnet sind (z. B. mit weiteren Verstimmschal­ tungen, Mantelwellensperren), oder die Gefahr der Ver­ kopplung mit anderen Hochfrequenz-Empfangsspulen, die nicht verstimmt sind.
• f) Bei einem Bauteildefekt an der PIN-Diode und bei gleich­ zeitigem Versagen anderer Sicherheitsvorkehrungen könnte es dazu kommen, dass die Hochfrequenz-Empfangsspule nicht verstimmt wird, und dass dies nicht erkannt wird. Für diesen Fall müssen als ultimativer Patientenschutz Schmelzsicherungen in die Hochfrequenz-Empfangsspulen eingebaut werden, die aber aufgrund ihres endlichen elek­ trischen Widerstandes die Bildqualität unerwünscht beein­ trächtigen.
• g) Die Verstimmschaltung mit PIN-Diode benötigt viel Raum, insbesondere weil die darin verwendete Induktivität (Spu­ le) über ausreichende Güte sowie Strom- und Spannungsfes­ tigkeit verfügen muss.

Weiterhin basiert die Erfindung auf der Überlegung, dass e­ lektromagnetische Relais zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe nicht befriedigend schnell und somit kaum geeignet sind.

Die Erfindung geht im Zusammenhang mit der Verstimmschaltung vielmehr von der Überlegung aus, dass ein zum Verstimmen der Hochfrequenz-Empfangsspule geeignetes Schaltelement durch folgende Eigenschaften spezifiziert sein sollte:

• a) Es muss zum Einsatz in dem starken magnetischen Grundfeld des Kernspintomographie-Geräts geeignet sein.
• b) Es muss ausreichend schnell schalten können, damit die zur Bilderzeugung bei der Kernspintomographie erforderli­ chen hohen Repetitionsraten möglich sind.
• c) Das Schaltelement muss im Bereich hoher Frequenzen bis zu ca. 500 V und mehr spannungsfest sein.
• d) Der Widerstand im durchgeschalteten Zustand (ON-Wider­ stand) sollte sehr klein, insbesondere viel kleiner als 1 Ω, sein, damit das Signal-Rauschverhältnis (S/N) der Hochfrequenz-Empfangsspule nicht negativ beeinflusst wird.
• e) Das Schaltelement soll eine hohe Lebensdauer mit mindes­ tens 10⁸ erhaltbaren Schaltzyklen garantieren.

Diese Spezifikationen sind allesamt mittels eines elektrosta­ tischen Relais oder eines elektrostatischen Schalters sehr gut erfüllbar.

Vorzugsweise wird zum Aktivieren oder zum Deaktivieren der Hochfrequenz-Spule eine Leiterschleife elektrisch geschlossen bzw. unterbrochen.

Das Verstimmen der Hochfrequenz-Empfangsspule mittels des elektrostatischen Relais hat mehrere wesentliche Vorteile:

• a) Da im verstimmten Fall in der Verstimmschaltung kein oder kein wesentlicher Strom fließt, muss das Relais nicht notwendigerweise leistungsfest ausgeführt sein oder leis­ tungsfest integriert sein, sondern es muss lediglich spannungsfest sein. Dadurch ist die Herstellbarkeit einer Verstimmschaltung erleichtert.
• b) Da in der Verstimmschaltung im verstimmten Zustand kein wesentlicher Strom fließt, findet keine für den Patienten unangenehme oder technisch nachteilige Erwärmung statt.
• c) Da im verstimmten Fall kein Strom fließt, gibt es außer­ dem keine lokalen Verzerrungen im Hochfrequenzsendefeld, welche zu Bildartefakten und zu einer Gefährdung des Pa­ tienten führen könnten.
• d) Die Verstimmschaltung ist nicht resonant ausgeführt, so dass die Gefahr der Verkopplung mit anderen Resonanzkrei­ sen im Kernspintomographie-Gerät entfällt.
• e) Bei einer mikromechanischen Ausführung des elektrostati­ schen Relais ergibt sich außerdem infolge der kleineren Abmessungen der Vorteil, dass der Platzbedarf für die Verstimmschaltung vermindert ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, falls die Hochfrequenz-Empfangsspule eine sogenannte lokale Empfangsantenne ist, die vom medizini­ schen Personal an dem zu untersuchenden Bereich des Pati­ enten angebracht werden muss. Wegen des verminderten Platzbedarfs lässt sich eine solche Spule ergonomischer aufbauen.

Die auf ein Kernspintomographie-Gerät bezogene Aufgabe wird bezogen auf das eingangs erstgenannte Kernspintomographie- Gerät gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Schaltele­ ment als elektrostatisches Relais ausgebildet ist.

Dabei ist das Relais vorzugsweise ein mikromechanisches Re­ lais, das insbesondere wenigstens teilweise durch eine Mate­ rialabtragungstechnik, beispielsweise durch Ätzen, aus einem Substrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat, hergestellt ist.

Die für die erfindungsgemäße Verwendung genannten Vorteile gelten für das Kernspintomographie-Gerät analog. Gleiches gilt für die besonderen, weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des elektrostatischen Relais, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung genannt wurden.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Re­ lais der Hochfrequenz-Spule derart zugeordnet, dass bei un­ terbrochenem Relais die Hochfrequenz-Spule deaktiviert oder verstimmt ist.

Die Hochfrequenz-Spule kann eine Hochfrequenz-Sendespule sein. Vorzugsweise ist die Hochfrequenz-Spule eine Hochfre­ quenz-Empfangsspule.

Das Relais kann in einer zu der Hochfrequenz-Spule führenden elektrischen Hochfrequenz-Leitung angebracht sein.

Bei Integration des Relais in die genannte Hochfrequenz-Lei­ tung kann das Relais dazu verwendet werden, die bislang ver­ wendeten resonanten Mantelwellensperren zu ersetzen. Anstelle einer Mantelwellensperre werden zwei elektrostatische Relais eingesetzt, die ein koaxiales Hochfrequenzkabel während der Sendephase vollständig auftrennen.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Relais derart innerhalb einer Leiterschleife der Hochfrequenz-Spule angeordnet, dass bei geöffnetem Relais, d. h. bei geöffneten Relais-Kontakten, die Leiterschleife unterbrochen ist.

Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit ist es zweckmäßig, min­ destens ein weiteres elektrostatisches Relais innerhalb der Leiterschleife anzubringen, wobei die beiden elektrostati­ schen Relais in Serie geschalten sind.

Zur Verringerung des Durchgangswiderstandes sind mit Vorteil mehrere parallel geschaltete elektrostatische Relais vorhan­ den.

Bei einem elektrostatischen Relais werden die die elektrosta­ tische Anziehungskraft hervorrufenden Schichtelektroden mit einer Gleichspannung beaufschlagt. Hierzu ist dem elektrosta­ tischen Relais eine Gleichspannungsquelle zugeordnet.

Vorzugsweise ist eine Ansteuereinheit zur Erzeugung eines Schaltvorgangs im Relais vorhanden, wobei der Ansteuereinheit die Gleichspannungsquelle zugeordnet ist, mit deren Gleich­ spannung das Relais bei Ansteuerung durch die Ansteuereinheit beaufschlagbar ist.

Mit ganz besonderem Vorteil ist eine Überwachungseinheit zur Messung eines durch Kontaktstücke des Relais fließenden elek­ trischen Stroms vorhanden. Beispielsweise beaufschlagt die Überwachungseinheit das Relais mit einem Gleichstrom. Durch Messung dieses Stroms kann in vorteilhafter Weise erkannt werden, ob das Relais während der Sendephase öffnet und somit die Hochfrequenz-Empfangsspule verstimmt.

Vorzugsweise erzeugt die Überwachungseinheit ein Fehlersig­ nal, falls der Strom einen Schwellwert überschreitet. Bei Verwendung des elektrostatischen Relais zum Verstimmen der Hochfrequenz-Empfangsspule wird das Fehlersignal nur dann erzeugt, falls der Messzyklus im Kernspintomographie-Gerät gerade eine Hochfrequenzsendephase durchläuft. Das Fehlersig­ nal gibt an, ob der Schalter während der Sendephase öffnet. Falls dies nicht der Fall ist, kann die Messung abgebrochen werden. Ein solches Fehlersignal ist in vorteilhafter Weise sehr zuverlässig erzeugbar, so dass auf die bislang zum Pati­ entenschutz verwendeten Schmelzsicherungen als Hochfrequenz- Strombegrenzer verzichtet werden kann. Die verlustbehafteten Schmelzsicherungen verschlechtern das Signal-Rausch-Verhält­ nis im Empfangssignal. Ein Verzicht auf die Schmelzsicherungen führt somit zu einer Verbesserung des Signal-Rausch-Ver­ hältnisses.

Parallel zu dem verwendeten elektrostatischen Relais ist vor­ zugsweise eine Drosselspule geschaltet. Dadurch ist eine Restkapazität des mikromechanischen Relais kompensierbar und das Verhalten des Relais bei geöffneten Relaiskontakten somit verbessert.

Zur Verringerung der Schaltzeit ist es außerdem von Vorteil, das elektrostatische Relais mit einer dynamisch geregelten Gleichspannung anzusteuern. Hierbei wird zur Einleitung des Schaltvorgangs eine erhöhte Gleichspannung angelegt, die an­ schließend während einer Haltephase, in der der Schalter ge­ schlossen bleibt, auf einen geringeren Wert reduziert wird.

Die auf ein Kernspintomographie-Gerät gerichtete Aufgabe wird bezüglich des eingangs genannten zweiten Geräts gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass das Schaltelement als elektro­ statisches Relais ausgebildet ist.

Für dieses Kernspintomographie-Gerät gelten die relaisbezoge­ nen vorteilhaften Ausgestaltungen sowie diesbezügliche Vor­ teile analog.

Vier Ausführungsbeispiele eines Kernspintomographie-Geräts nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Kernspintomographie-Gerät nach der Erfindung in einer schematischen Gesamtansicht,

Fig. 2 eine Hochfrequenz-Empfangsspule für ein Kernspinto­ mographie-Gerät gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 3 eine Hochfrequenz-Empfangsspule eines Kernspintomo­ graphie-Geräts nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Hochfrequenz-Empfangsspule eines weiteren Kern­ spintomographie-Geräts nach der Erfindung,

Fig. 5 ein Kernspintomographie-Gerät nach der Erfindung mit einer Hochfrequenz-Spule, welche sowohl dem Senden als auch dem Empfangen dient,

Fig. 6 die Ansteuerung zweier Hochfrequenz-Empfangsspulen eines Kernspintomographie-Geräts nach der Erfindung,

Fig. 7 den prinzipiellen schematischen Aufbau eines elekt­ rostatischen Relais gemäß der Verwendung nach der Erfindung, und

Fig. 8 den Zeitverlauf einer bevorzugten Ansteuerung des elektrostatischen Relais.

Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeich­ netes Kernspintomographie-Gerät, mittels welchem ein Bereich eines Patienten 3 bildgebend untersucht werden soll. Der Pa­ tient 3 ist in einem Zustand vor Beginn der Untersuchung dar­ gestellt, in welchem er auf einer von einem Support 7 getra­ genen, horizontal verschiebbaren Liege 5 aufgelegt ist.

Das Kernspintomographie-Gerät 1 weist eine Grundfeld-Spule 9 zur Erzeugung eines horizontalen, zeitlich und räumlich in einer Öffnung 11 weitgehend konstanten magnetischen Grundfel­ des B₀ auf. Zur Untersuchung wird der Patient 3 horizontal verschoben und in die Öffnung 11 eingeführt. In der Öffnung 11 ist eine Hochfrequenz-Spule 13 angeordnet, welche nur schematisch angedeutet ist. Die Hochfrequenz-Spule 13 ist über Koaxialkabel mit einem Vorverstärker 15 verbunden, der seinerseits mit einem Vorverstärker 17 und einem nachgeschal­ teten Analog-Digital-Wandler 19 in Verbindung steht. Die von dem Analog-Digital-Wandler 19 erzeugten digitalen Werte wer­ den zur Bildung einer Rohdatenmatrix herangezogen, welche Grundlage für eine bildrekonstruierende Fourier-Transforma­ tion sind.

In Fig. 2 ist die Hochfrequenz-Spule 13 in einer Weise dar­ gestellt, wie sie gemäß dem Stand der Technik angesteuert wurde. Ein Anpasskondensator C_S dient der Impedanzanpassung der Hochfrequenz-Spule 13 an die vom Vorverstärker kommende Hochfrequenz-Leitung. Mittels zweier Stimmkondensatoren C_P-, C_P+ ist die Resonanzfrequenz der Hochfrequenz-Spule 13 auf die "Frequenz des Kernspintomographen", d. h. auf die verwen­ dete Larmor-Frequenz, einstellbar. Die Hochfrequenz-Spule 13 gemäß Fig. 3 wird als Empfangsantenne verwendet. Sie emp­ fängt ein Hochfrequenzfeld, dessen magnetische Komponente senkrecht zur Zeichenebene, d. h., senkrecht zum Grundfeld B₀, orientiert ist.

In einen Empfangsantennenkreis oder in eine Leiterschleife 21 der Hochfrequenz-Spule 13 ist eine Verstimmschaltung 23 in­ tegriert. Die Verstimmschaltung 23 weist einen in der Leiter­ schleife 21 angeordneten Verkürzungskondensator C_K auf, zu dem parallel eine in Reihe mit einer Verstimminduktivität L_V (Spule) geschaltete PIN-Diode PIN geschalten ist. Zur Beschi­ ckung der PIN-Diode PIN mit einem Gleichstrom von ca. 100-200 mA ist eine (geschaltete) Gleichstromquelle DC1 vorhanden, deren Gleichstrom, gesteuert von einer Ansteuereinheit A1, über zwei Drosselspulen D1 an die PIN-Diode PIN anlegbar ist.

Die PIN-Diode PIN wirkt als hochfrequenztauglicher Schalter. In der Empfangsphase des Kernspintomographie-Geräts 1 ist die PIN-Diode PIN durch Anlegen einer hohen Sperrspannung von ca. -30 V gesperrt und die Hochfrequenz-Spule 13 dadurch im ge­ stimmten Zustand. In einer Sendephase des Kernspintomogra­ phie-Geräts 1 wird die PIN-Diode PIN mit einem Gleichstrom beschickt und wirkt dadurch wie ein geschlossener Schalter. In diesem durchgeschalteten Zustand ist mittels der PIN-Diode PIN die Verstimmspule oder Verstimminduktivität L_V parallel zu dem Verkürzungskondensator C_K geschaltet. Der sich daraus ergebende Parallelschwingkreis 25 wird auf die Larmor-Fre­ quenz des Kernspintomographie-Geräts 1 abgestimmt und wirkt dann als Sperrkreis. Mittels dieses Sperrkreises wird der Strom in der als Antenne wirkenden Hochfrequenz-Spule 13 in der Sendephase minimiert.

Zum Patientenschutz bei einem Versagen der PIN-Diode PIN wäh­ rend der Sendephase ist in die Leiterschleife 21 eine Schmelzsicherung S1 integriert.

Fig. 3 zeigt die Hochfrequenz-Spule des Kernspintomographie- Geräts 1 gemäß Fig. 1 mit einer Verstimmschaltung 23 nach der Erfindung. Es wird nachfolgend nur auf Unterschiede be­ züglich der Ausführung gemäß Fig. 2 eingegangen. Ein elekt­ rostatisches Relais R1 ist als Teil der Verstimmschaltung 23 direkt in die Leiterschleife 21 eingebaut. Das Relais R1 ist mit der Gleichspannung einer Gleichspannungsquelle DC2 beaufschlagbar. Zum gesteuerten Beaufschlagen der Gleichspan­ nung, das heißt zum Erzeugen eines Schaltvorgangs, ist eine Ansteuereinheit A2 vorhanden, welche über Drosselspulen D2 mit dem Relais R1 in Verbindung steht. Durch das Beaufschla­ gen des Relais R1 mit der besagten Gleichspannung ist ein Schaltvorgang im Relais R1 erzeugbar und somit ein Wechsel der Hochfrequenz-Spule 13 zwischen einem verstimmten Zustand und einem unverstimmten Zustand erreichbar.

Ein Verkürzungskondensator ist nicht erforderlich. Dadurch ist vorteilhaft eine Verkürzung der Spuleninduktivität ver­ mieden, wie sie besonders bei niedrigen Frequenzen unter 40 MHz auftreten könnte.

Zur Kompensation einer Restkapazität des Relais R1 ist diesem eine Drosselspule D3 parallel geschaltet.

Die Verstimmschaltung 23 weist eine Überwachungseinheit S auf, welche einen durch Kontaktstücke 45, 49 (siehe Fig. 7) fließenden Gleichstrom misst. Durch diesen Strom I kann erkannt werden, ob das Relais R1 oder der Schalter während des Sendezyklus öffnet. Falls dies nicht der Fall ist, wird ein Fehlersignal F ausgegeben und die Messung abgebrochen. Die Überwachungseinheit S dient dem Patientenschutz.

Das Relais hat folgende Eigenschaften:
Nennspannung: < 24 V
Ansprechspannung: < 15 V
Rückfallspannung: ca. 10 V
Kontaktwiderstand: < 1 Ω
Ansteuerleistung: < 7 µW bei 100 Hz
Spannungsfestigkeit: < 500 V
Schaltzeit: ca. 200 µsec
Abmessungen: 4 × 3 × 1,5 mm³

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Hochfrequenz-Spule 13 des Kernspintomographie-Geräts 1 darge­ stellt, das weitgehend mit dem Beispiel der Fig. 3 identisch ist. Es sind jedoch zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit je­ weils zwei elektrostatische Relais R1, R2 bzw. R3, R4 in Se­ rie angebracht. Zur Verringerung des Durchgangswiderstandes sind die beiden Relaispaare R1, R2 und R3, R4 parallel ver­ schaltet. Im übrigen geschieht die Ansteuerung der Relais R1, R2, R3, R4 sowie deren Überwachung entsprechend dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 3.

Fig. 5 stellt eine Anwendung des elektrostatischen Relais R5 dar, bei dem dieses nicht in eine Leiterschleife 21, sondern in eine Hochfrequenz-Leitung 29 integriert ist. Es bewirkt dabei ein Umschalten der Hochfrequenz-Spule 13, die in diesem Beispiel sowohl dem Senden als auch dem Empfangen dient, zwi­ schen einem Empfangskanal 15, 17, 19 und einem Sendekanal, umfassend einen Leistungsverstärker 31 und einen Digital- Analog-Wandler 33.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Verwendung des elektrostati­ schen Relais R6 sind zwei Hochfrequenz-Empfangsspulen 35, 37 vorhanden. Beispielsweise ist eine der Hochfrequenz-Empfangs­ spulen eine Lokalspule und eine andere eine stationäre Spule. Zum Demultiplexen der Empfangssignale der beiden Hochfre­ quenz-Empfangsspulen 35, 37 auf den Empfangskanal 15, 17, 19 wird ein elektrostatisches, mikromechanisches Relais R6 ver­ wendet.

Fig. 7 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines mikromechani­ schen elektrostatischen Relais R1, R2, R3, R4, R5, R6, wie es bei dem Kernspintomographie-Gerät 1 nach der Erfindung zum Einsatz kommt. Es umfasst einen Trägerkörper oder ein Sub­ strat 41 aus Bor-dotiertem Silizium mit einer Höhe von ca. 0,5 mm. Durch Ätzen ist in dem Substrat 41 ein Hohlraum 42 gebildet, so dass ein dünner, flacher Anker 43 hervorsteht. Der Anker 43 weist endseitig ein Kontaktstück 45 auf.

An einem beispielsweise aus Glas bestehenden Gegenstück 47 ist ein Kontaktgegenstück 49 angebracht. Der Anker 43 ist durch das Substrat 41 und das Gegenstück 47 eingehaust. An der Unterseite des Ankers 43 ist eine erste Goldelektrode 51 und an der Oberseite des Gegenstücks 47 eine zweite Gold­ elektrode 53 angebracht. Die zweite Goldelektrode 53 ist mit einer dünnen Isolierschicht 55 überzogen. Bei Anlegen einer Gleichspannung - mittels nicht explizit dargestellter Zulei­ tungen - an die Elektroden 51, 53 wird in Folge der unter­ schiedlichen Polarität und des erzeugten elektrostatischen Feldes der Anker 43 mit seinem Kontaktstück 45 nach unten gezogen, bis das Kontaktstück 45 mit dem Kontaktgegenstück 49 in Kontakt kommt und einen gewünschten Schaltvorgang ausführt (durchgeschalteter Zustand).

In Fig. 8 ist eine dynamisch geregelte Ansteuerung eines elektrostatischen Relais dargestellt, bei der dieses eine besonders geringe Schaltzeit aufweist. Dargestellt ist der Verlauf der Gleichspannung U über die Zeit t. In der Phase OP ist das Relais offen. Zum Erreichen des Zustandes "geschlos­ sen" durchläuft die Spannung U eine Schaltphase SP mit erhöh­ tem Spannungswert, bevor in der Phase CL eine geringere Hal­ tespannung zum Geschlossenhalten des Relais angelegt wird.

Claims (22)

1. Verwendung eines elektrostatischen Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) zum Schalten in einem elektrischen Leitungssystem eines bildgebenden Kernspintomographie-Geräts (1).

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei als Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) ein mikromechanisches Relais verwendet wird, das vorzugsweise wenigstens teilweise durch eine Materialabtra­ gungstechnik, beispielsweise durch Ätzen, aus einem Substrat (41), insbesondere aus einem Silizium-Substrat, hergestellt ist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei durch das Schal­ ten eine Hochfrequenz-Spule (13) des Kernspintomographie- Geräts (1) aktiviert oder deaktiviert wird.

4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei die Hochfrequenz-Spule (13) eine Hochfrequenz-Empfangsspule ist.

5. Verwendung nach Anspruch 4, wobei die Hochfrequenz-Emp­ fangsspule durch das Schalten deaktiviert wird, bevor ein Hochfrequenzimpuls in ein abzubildendes Objekt gesendet wird.

6. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Hochfrequenz-Spule (13) durch das Schalten verstimmt wird.

7. Verwendung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei zum Aktivieren oder zum Deaktivieren der Hochfrequenz-Spule (13) eine Leiterschleife (21) elektrisch geschlossen bzw. unter­ brochen wird.

8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schalten zum Demultiplexing der Empfangssignale mehrerer Hochfrequenz-Empfangsspulen (35, 37) verwendet wird.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Schalten zum Multiplexing der Steuersignale für mehrere Hoch­ frequenz-Sendespulen verwendet wird.

10. Kernspintomographie-Gerät (1) mit einer Hochfrequenz- Spule (13), insbesondere mit einer Hochfrequenz-Empfangs­ spule, und mit einem Schaltelement zur Beeinflussung der Spu­ lenaktivität, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als elektrostatisches Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) ausgebildet ist.

11. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) ein mikromechanisches Relais ist, das vorzugsweise wenigstens teilweise durch eine Materialabtragungstechnik, beispielsweise durch Ätzen, aus einem Substrat (41), insbesondere aus einem Silizium- Substrat, hergestellt ist.

12. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (R1) der Hochfrequenz-Spule (13) derart zugeordnet ist, dass bei unterbrochenem Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) die Hochfrequenz-Spule (13) deaktiviert oder verstimmt ist.

13. Kernspintomographie-Gerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (R5; R6) in einer zu der Hochfrequenz-Spule (13) führenden elektrischen Hochfrequenz-Leitung (29) angebracht ist.

14. Kernspintomographie-Gerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (R1) derart innerhalb einer Leiterschleife (21) der Hochfrequenz-Spule (13) angeordnet ist, dass bei geöffne­ tem Relais (R1) die Leiterschleife (21) unterbrochen ist.

15. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiteres elektrostatisches Relais (R2) inner­ halb der Leiterschleife (21) angebracht ist, wobei die beiden elektrostatischen Relais (R1, R2) in Serie geschalten sind.

16. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere parallel geschaltene elektrostatische Relais (R1, R2, R3, R4) vorhanden sind.

17. Kernspintomographie-Gerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch eine Ansteuereinheit (A2) zur Erzeugung eines Schaltvorgangs im Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6), wobei der Ansteuereinheit (A2) eine Gleichspannungsquelle (DC2) zugeordnet ist, mit deren Gleichspannung das Relais (R1; R2, R3, R4; R5; R6) bei Ansteuerung durch die Ansteuereinheit (A2) beaufschlagbar ist.

18. Kernspintomographie-Gerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit (S) zur Messung eines durch Kontakt­ stücke (45, 49) des Relais (R1) fließenden elektrischen Stroms (I).

19. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (S) ein Fehlersignal (F) erzeugt, falls der Strom (I) - insbesondere während einer Hochfre­ quenz-Sendephase - einen Schwellwert überschreitet.

20. Kernspintomographie-Gerät (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, gekennzeichnet durch eine parallel zu dem Relais (R1) geschaltene Drosselspule (D3).

21. Kernspintomographie-Gerät (1) mit mehreren Hochfrequenz- Sendespulen und/oder mit mehreren Hochfrequenz-Empfangs­ spulen (35, 37) und mit mindestens einem Schaltelement zum Multiplexing von Steuersignalen bzw. zum Demultiplexing von Empfangssignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als elektrostatisches Relais (R6) ausgebil­ det ist.

22. Kernspintomographie-Gerät (1) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais (R6) ein mikromechanisches Relais ist, das vor­ zugsweise wenigstens teilweise durch eine Materialabtragungs­ technik, beispielsweise durch Ätzen, aus einem Substrat (41), insbesondere aus einem Silizium-Substrat, hergestellt ist.