DE10125233C1

DE10125233C1 - Empfangsvorrichtung für eine Kernspintomographieanlage

Info

Publication number: DE10125233C1
Application number: DE10125233A
Authority: DE
Inventors: Jianmin Wang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: US20020196021A1; US6937016B2

Abstract

Eine Empfangsvorrichtung (1) zur Detektion einer vom Untersuchungsobjekt einer Kernspintomographieanlage emittierten elektromagnetischen Hochfrequenzwelle weist zwei Empfangsspulen (3, 5) und diesen nachgeordnete Verstärker (35, 37) auf. Die gegeneinander phasenverzögerten Empfangssignale der Empfangsspulen (3, 5) sind über eine gemeinsame Signalleitung (19) abgeführt. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass einer der Verstärker oder beide Verstärker (35, 37) zum Ausgleich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfangssignalen hergerichtet ist bzw. sind. Ein gesonderter Kombiner kann dadurch in vorteilhafter Weise entfallen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Empfangsvorrichtung zur Detektion einer vom Untersuchungsobjekt einer Kernspintomo graphieanlage emittierten elektromagnetischen Hochfrequenz welle, mit einer ersten Empfangsspule, mit einem der ersten Empfangsspule zugeordneten ersten Verstärker, mit einer zwei ten Empfangsspule, deren Empfangssignal bezüglich dem Emp fangssignal der ersten Empfangsspule phasenverschoben ist, insbesondere um einen Phasenwinkel von 90°, mit einem der zweiten Empfangsspule zugeordneten zweiten Verstärker, und mit einer gemeinsamen Signalleitung, über die die Ausgangs signale der beiden Verstärker abgeführt sind.

Eine solche Empfangsvorrichtung ist bekannt aus DE 41 08 997 C2. Eine Antennenanordnung für ein Kernspintomo graphiegerät mit mindestens drei linear polarisierten Lo kalspulen, die zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation über ein Kombinationsnetzwerk zusammengeschlossen sind, ist beschrieben in DE 42 32 827 A1.

Zum Empfang des zirkular polarisierten Hochfrequenzsignals werden in einer Kernspintomographieanlage zwei orthogonale Polarisationskomponenten gesondert empfangen. Beispielsweise wird in einem Vertikalfeld-Gerät eine erste Polarisationskom ponente parallel zur Patientenachse und eine zweite Polarisa tionskomponente senkrecht zur Patientenachse empfangen. Zum Empfang der parallel zur Patientenachse orientierten ersten Polarisationskomponente kann eine Schleifen- oder Loopspule vorhanden sein, die den gesamten Patientenkörper oder eine zu untersuchende Gliedmaße umschließt. Zum Empfang der zweiten Polarisationskomponente ist beispielsweise eine Butterfly- Spule oder Sattelspule vorhanden. Mittels der gesondert vor handenen Empfangsspulen oder Empfangsantennen sind beide Feldkomponenten des zirkular polarisierten Magnetfeldanteils des elektromagnetischen Hochfrequenzsignals detektierbar.

Die Empfangssignale der gesondert vorhandenen Empfangsanten nen werden in den Empfangsantennen zugeordneten gesonderten Vorverstärkern verstärkt. Die Empfangssignale werden über ei nen sogenannten 90°-Koppler (90°-Kombiner), der die Phasen verschiebung zwischen den beiden Polarisationskomponenten be rücksichtigt, einer gemeinsamen Signalleitung zugeführt, wie dies z. B. in DE 41 08 997 C2, DE 43 20 531 A1 und DE 40 38 106 C2 offenbart ist. Über die gemeinsame Signalleitung wer den die auf diese Weise kombinierten Hochfrequenzsignale der Bildauswertung, Bildrekonstruktion und Bilddarstellung zuge führt. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisa tionskomponenten beträgt typischerweise 90°. Es sind jedoch, je nach Aufbau der Kernspintomographieanlage, auch Werte dar unter und darüber möglich.

Der Kombiner besteht aus einer kapazitiven Impedanz und aus einer induktiven Impedanz. Der Kombiner muss mit seiner Aus gangsimpedanz an die Impedanz der gemeinsamen Signalleitung angepasst werden. Die zum Kombiner führenden Leitungen sowie der Kombiner selbst müssen aufwendig abgeschirmt sein. Der bekannte Kombiner hat außerdem den Nachteil, dass er zur Schaltungsrealisierung ein gewisses Raumvolumen benötigt, was insbesondere bei der Herstellung nicht stationärer, d. h. tragbarer Spulenanordnungen, beispielsweise bei der Herstel lung von Oberflächenspulen, zu unergonomisch vulominösen An ordnungen führt, weil der Kombiner auf der Spulenanordnung untergebracht werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfangsvor richtung für eine Kernspintomographieanlage anzugeben, bei der die genannten Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Emp fangsvorrichtung gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass ei ner der Verstärker oder beide Verstärker zum Ausgleich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfangssignalen her gerichtet ist bzw. sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Funk tion des bisher verwendeten Kombiners quasi in die Verstärker oder Vorverstärker hineinverlagerbar ist, und der Kombiner somit teilweise oder ganz entfallen kann.

Daraus ergibt sich als Vorteil, dass die Empfangsvorrichtung einfacher, kleiner, kostengünstiger, weniger störanfällig und platzsparender aufbaubar ist. Außerdem sind weniger Einstell arbeiten zur Impedanzanpassung nötig, so dass auch die Her stellung vereinfacht ist und die Prüfkosten vermindert sind. Die (Vor-)Verstärker weisen beispielsweise jeweils ein geson dertes oder ein gemeinsames Abschirmgehäuse auf, in welches die Funktion des bisher verwendeten Kombiners hineinverlagert ist.

Dabei sind vorzugsweise die Ausgangsimpedanzen der beiden Verstärker zum Ausgleich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfangssignalen hergerichtet.

Insbesondere ist eine ausgangsseitig vorhandene Spule oder ein ausgangsseitig vorhandener Kondensator dazu hergerichtet.

Zur Verarbeitung der unter Umständen unterschiedlich starken Empfangssignale kann es erforderlich sein, diese verschieden stark zu wichten. Hierzu können beispielsweise die Verstär kungen der zugeordneten Verstärker durch Beschaltung zugehö riger aktiver Bauelemente unterschiedlich eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist insbesondere eine Wich tung durch entsprechende Einstellung der Ausgangsimpedanzen, insbesondere der ausgangsseitig vorhandenen Spule und/oder des ausgangsseitig vorhandenen Kondensators, vorgenommen. Über die Ausgangsimpedanz läßt sich nämlich nicht nur ein Phasenwinkel, sondern auch ein Betrag, einstellen. Der Fall gleich großer Wichtung durch die Ausgangsimpedanzen, also der Fall gleich großer Beträge, wird nachfolgend als "symmetri scher Fall" bezeichnet.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgangsimpedanzen der beiden Verstärker zur Erzeugung einan der entgegengesetzter Phasenwinkel ausgebildet, insbesondere zur Erzeugung von Phasenwinkeln der Größe -45° bzw. +45°. Bei dieser Ausführungsform tragen die Verstärker also in be tragsmäßig gleich großer, aber entgegengesetzt gerichteter Weise zur Erzeugung der gewünschten Phasenverschiebung bei. Dies gilt vorzugsweise im "symmetrischen Fall". Im anderen Fall können die Phasenwinkel unter Umständen auch gleiches Vorzeichen haben, wobei die Differenz aber an die auszuglei chende Phasenverschiebung zwischen den Empfangssignalen ange paßt ist.

Zur Vermeidung von Reflexionen am Ausgang der beiden Verstär ker ist es zweckmäßig, dass die Ausgangsimpedanzen der beiden Verstärker zusätzlich zur Anpassung an die Impedanz der ge meinsamen Signalleitung hergerichtet sind. In der Schreibwei se mit komplexer Notation bedeutet dies, dass die Ausgangs impedanzen der beiden Verstärker komplexe Werte aufweisen, welche sowohl die Erzeugung einer Phasenverschiebung als auch die Anpassung an die Signalleitung bewerkstelligen.

Vorzugsweise sind die Ausgangsimpedanzen der beiden Verstär ker - in komplexer Schreibweise - konjugiert komplex zueinan der, insbesondere im symmetrischen Fall.

Beispielsweise weist die Ausgangsimpedanz eines der beiden Verstärker - in komplexer Schreibweise - den Wert X + i.X und die Ausgangsimpedanz des anderen Verstärkers den Wert X - i.X auf, wobei X die gewünschte Impedanz der gemeinsa men Signalleitung bezeichnet und vorzugsweise einen Wert von 50 Ω aufweist. Dies gilt vorzugsweise im symmetrischen Fall.

Wie bereits erwähnt, ist es bei der Empfangsvorrichtung nach der Erfindung von Vorteil, dass ein gesonderter Kombiner ebenso wie ein Glied zur Impedanzanpassung der Vorverstärker an die gemeinsame Signalleitung entfallen kann. Vorzugsweise sind daher die Ausgangsleitungen der beiden Verstärker direkt oder ohne Zwischenschaltung phasenverzögernder Glieder, ins besondere ohne längere, merkliche Phasenverschiebungen her vorrufende Signalwege oder Leitungen, mit der gemeinsamen Signalleitung verbunden.

Zweckmäßig ist es im Hinblick auf die Störanfälligkeit und Abschirmung, dass die beiden Verstärker als Baugruppeneinheit ausgebildet und insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse oder Abschirmgehäuse angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer Empfangsvorrichtung nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 4 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Empfangsvorrichtung nach dem Stand der Tech nik,

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für den Ausgang eines Verstär kers,

Fig. 3 eine Empfangsvorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild für den Ausgang eines Verstär kers.

Zur besseren Verständlichkeit wird nachfolgend von einer Pha senverschiebung von exakt 90° zwischen den empfangenen Pola risationskomponenten ausgegangen. Die Überlegungen sind auch auf Fälle mit davon abweichender Phasenverschiebung übertrag bar.

Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit 1 bezeichnete Empfangsvor richtung einer Kernspintomographieanlage, deren übrige Be standteile nicht explizit dargestellt sind. Die Empfangsvor richtung 1 umfasst eine erste Empfangsspule 3, die als But terfly-Element ausgebildet ist. Außerdem ist eine als Loop- Element ausgebildete zweite Empfangsspule 5 vorhanden. In die Spulenelemente 3, 5 sind Anpassungsnetzwerke 7 bzw. 9 inte griert, welche der Rauschanpassung dienen. Das Anpassungs netzwerk 7 der ersten Empfangsspule 3 ist über eine Leitung 11 mit einem ersten Vorverstärker oder einem ersten Verstär ker 15 verbunden. In gleicher Weise steht das Anpassungsnetz werk 9 der zweiten Empfangsspule 5 über eine Leitung 13 mit einem zweiten Vorverstärker oder einem zweiten Verstärker 17 in Verbindung.

Die Ausgangssignale der beiden - jeweils mit einem gesonder ten Gehäuse abgeschirmten - Verstärker 15, 17 sind bei der bekannten Empfangsvorrichtung 1 der Fig. 1 über geschirmte Koaxial-Leitungen 21 bzw. 23 einem 90°-Kombiner 25 zugeführt, der gesondert abgeschirmt werden muss. Ausgangsseitig steht der 90°-Kombiner 25 mit einer als abgeschirmtes Koaxialkabel ausgeführten gemeinsamen Signalleitung 19 in Verbindung, über welche die Signale gemeinsam der Bildauswertung etc. zuge führt werden.

Der Schaltungsaufbau der beiden Verstärker 15, 17 ist nur schematisch und nicht im einzelnen dargestellt. Er umfasst jeweils insbesondere einen Feldeffekt-Transistor und aus gangsseitig einen Transistor. Zur Anpassung der Ausgangsimpe danz Z_2,0 bzw. Z_1,0 des ersten Verstärkers 15 bzw. des zweiten Verstärkers 17 an eine ohmsche Leitungsimpedanz von R_o = 50 Ω der Leitung 21 bzw. 23 enthalten die Verstärker 15 bzw. 17 parallel geschaltete Kondensatoren oder Kapazitäten C_2,0 bzw. C_1,0 und seriell geschaltete Spulen oder Induktivitäten L_2,0 bzw. L_1,0.

Nach der bekannten bisherigen Vorgehensweise wird mittels der Kondensatoren C_1,0, C_2,0 und Spulen L_1,0, L_2,0 die Ausgangsimpe danz Z_2,0 bzw. Z_1,0 der Verstärker 15, 17 auf einen Wert von R_o = 50 Ω angepasst. Dabei ist der Ausgangswiderstand R des Transistors zu berücksichtigen. Es ergibt sich folgende An passbedingung:

Die vorstehende Anpassbedingung ist für den ersten Verstärker 15 wiedergegeben und gilt für den zweiten Verstärker 17 mit den Werten C_1,0, L_1,0 analog. ω = 2.π.f bezeichnet die Kreisfrequenz, f die Resonanzfrequenz des Kernspintomographen (z. B. 63,6 MHz für ein 1,5-Tesla-System). Das Zustandekommen der Anpassbedingung ist im Ersatzschaltbild der Fig. 2 im Detail veranschaulicht. Darin ist der Ausgang des Transistors durch einen Ausgangswiderstand R (≈2 kΩ) symbolisiert, den die zur Anpassung vorgesehenen Kondensatoren C_1,0 bzw. C_2,0 und Spulen L_1,0 bzw. L_2,0 nachgeschaltet sind, mittels derer eine Anpassung auf 50 Ω vorgenommen wird.

Aus der Anpassbedingung der Gl. 1 ergeben sich folgende Be messungsvorschriften für den Kondensator C_2,0:

bzw. für die Spule L_2,0:

L_2,0 = R₀.R.C_2,0 = 781,4 nH [Gl. 3]

Der in Fig. 1 dargestellte Kombiner 25 ist mit einem Prin zipschaltbild wiedergegeben. Der Kombiner 25 besteht aus ei ner kapazitiven Impedanz Z_C und aus einer induktiven Impedanz Z_L. Das Ausgangssignal V_out setzt sich gemäß der folgenden Gleichung zusammen aus den von den Verstärkern 15, 17 stam menden Eingangssignalen V_in1 bzw. V_in2:

Um einen 90°-Kombiner zu realisieren, müssen - bei eingangs seitigen Quellimpedanzen Z_1,0 = Z_2,0 = 50 Ω - die Impedanzen Z_C = -i.50 Ω und Z_L = +i.50 Ω sein. Das Ausgangssignal ist dann gegeben durch:

Um einen genauen Phasenunterschied zu erzielen, werden die Verstärkerausgänge in der Regel auf 50 Ω eingestellt. Für die beiden Impedanzen Z_C und Z_L sind Trimmkondensatoren T₁, T₂ vorgesehen, mit denen auch der Kombiner 25 genau einstellbar ist.

Die Empfangsvorrichtung 1 nach der Erfindung in Fig. 3 weist einen ersten Vorverstärker oder ersten Verstärker 35 und ei nen zweiten Vorverstärker oder zweiten Verstärker 37 auf, die ausgangsseitig anders bemessen sind als die Verstärker 15, 17 der Fig. 1.

Da die beiden Verstärker 35, 37 der Fig. 3 zum Erzielen der gewünschten Phasenverschiebung gegeneinander abgestimmt sind, kann die Kombination der beiden Verstärker 35, 37 als Doppel verstärkereinheit 39 aufgefasst werden und/oder - durch ent sprechende bauliche Maßnahmen - als Baugruppeneinheit, z. B. auf gemeinsamer Platine, aufgebaut sein. Die Doppelverstär kereinheit 39 weist vorzugsweise ein gemeinsames Abschirmge häuse auf, im Beispiel mit zwei Eingängen und mit einem Aus gang.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten bekannten Vorge hensweise werden bei der Empfangsvorrichtung 1 nach der Er findung, die in Fig. 3 näher erläutert ist, der Kombiner 25 und insbesondere die Impedanzen Z_C und Z_L als gesonderte Bau elemente überflüssig, weil ihre Funktion quasi in die Ver stärker 35, 37 integriert ist. Dies geschieht, indem die Aus gangsimpedanzen Z₁ bzw. Z₂ der beiden Verstärker 35 bzw. 37 - im Gegensatz zu den Verstärkern 15, 17 der Fig. 1 - auf ei nen Wert von 50 Ω - i 50 Ω bzw. 50 Ω + i 50 Ω eingestellt sind. Zur Erläuterung sei wieder auf das entsprechende Er satzschaltbild, siehe Fig. 4, verwiesen. Die Anpassbedingung für den symmetrischen Fall lautet demzufolge, beispielsweise für den ersten Verstärker 35:

Daraus ergeben sich für die ausgangsseitig in den Verstärkern 15, 17 vorhandenen Kondensatoren C₁, C₂ und Spulen L₁, L₂ fol gende Bemessungsvorschriften, hier nur für den ersten Ver stärker 15 wiedergegeben:

C₂ = C_2,0 [Gl. 7]

Man erkennt, dass durch eine Erhöhung auf 906,5 nH bzw. Er niedrigung (auf 656,3 nH) der Werte der Induktivitäten L₂, L₁ gegenüber den entsprechenden Werten L_2,0, L_1,0 des in Fig. 1 dargestellten Falls eine Phasenverschiebung bereits in den Verstärkern 35 bzw. 37 realisierbar ist. Dadurch ist es mög lich, durch einfaches Verbinden der Ausgänge der Verstärker 35, 37 über Ausgangsleitungen 41, 43 und über ein einfaches T-Glied oder eine T-förmige Leitung 45 mit der gemeinsamen Signalleitung 19 die gewünschte Wirkung eines Kombiners zu erzielen. Gleichzeitig sind die Verstärker 35, 37 an die Leitungsimpedanz Z₀ der gemeinsamen Signalleitung 19 ange paßt. Die Ausgangsleitungen 41, 43 können auf der Schaltungs platine der Verstärker 35, 37 realisiert sein und sind zweck mäßigerweise nur wenige mm lang (in Fig. 3 zur Verdeutlichung länger dargestellt).

Die Verstärker 35, 37 mit "quasi integriertem Kombiner" haben den Vorteil, dass ein gesonderter Kombiner nicht benötigt, wird und somit Materialkosten und Prüfkosten eingespart wer den können. Ein eine oder beide Spulen 3, 5 und einen bzw. beide Verstärker 35 bzw. 37 umfassendes Spulenmodul kann dadurch kleiner aufgebaut werden. Insbesondere ist damit in besonders einfacher Weise eine Arrayspule aufbaubar.

Claims

1. Empfangsvorrichtung (1) zur Detektion einer vom Untersu chungsobjekt einer Kernspintomographieanlage emittierten elektromagnetischen Hochfrequenzwelle,
mit einer ersten Empfangsspule (3),
mit einem der ersten Empfangsspule (3) zugeordneten ersten Verstärker (35),
mit einer zweiten Empfangsspule (5), deren Empfangssignal be züglich dem Empfangssignal der ersten Empfangsspule (3) pha senverschoben ist, insbesondere um einen Phasenwinkel von 90°,
mit einem der zweiten Empfangsspule (5) zugeordneten zweiten Verstärker (37), und
mit einer gemeinsamen Signalleitung (19), über die die Aus gangssignale der beiden Verstärker (35, 37) abgeführt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
einer der Verstärker oder beide Verstärker (35, 37) zum Aus gleich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfangs signalen hergerichtet ist bzw. sind.

2. Empfangsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanzen (Z₁, Z₂) der beiden Verstärker (35, 37) zum Ausgleich der Phasenverschiebung zwischen den beiden Empfangssignalen hergerichtet sind.

3. Empfangsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanzen (Z₁, Z₂) der beiden Verstärker (35, 37) zur Erzeugung einander entgegengesetzter Phasenwinkel ausge bildet sind, insbesondere zur Erzeugung von Phasenwinkeln der Größe -45° bzw. +45°.

4. Empfangsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanzen (Z₁, Z₂) der beiden Verstärker (35, 37) zusätzlich zur Anpassung an die Impedanz der gemeinsamen Signalleitung (19) hergerichtet sind.

5. Empfangsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanzen (Z₁, Z₂) der beiden Verstärker (35, 37) - in komplexer Schreibweise - konjugiert komplex zueinan der sind.

6. Empfangsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsimpedanz (Z₁) eines der beiden Verstärker (35) - in komplexer Schreibweise - den Wert X + i.X und die Aus gangsimpedanz (Z₂) des anderen Verstärkers (37) den Wert X - i.X aufweist, wobei X die gewünschte Impedanz (Z₀) der ge meinsamen Signalleitung (19) bezeichnet und vorzugsweise ei nen Wert von 50 Ω aufweist.

7. Empfangsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleitungen (41, 43) der beiden Verstärker (35, 37) direkt oder ohne Zwischenschaltung phasenverzögernder Glieder mit der gemeinsamen Signalleitung (19) verbunden sind.

8. Empfangsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verstärker (35, 37) als Baugruppeneinheit (39) ausgebildet sind.

9. Empfangsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verstärker (35, 37) in einem gemeinsamen Gehäuse, insbesondere in einem gemeinsamen Abschirmgehäuse, angeordnet sind.