Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Hochfrequenztreiberschaltung für den Einsatz in einem
Magnetresonanzgerät, und insbesondere auf eine
Hochfrequenztreiberschaltung, die eine vorgeschriebene Amplitude des
spininduzierenden, magnetischen Hochfrequenzdrehfelds
unabhängig von der Lastimpedanz aufrechterhalten kann.
Grundlagentechnik:
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Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer konventionellen
Hochfrequenz-(HF-)Treiberschaltung eines Magnetresonanz-(MR-)-
Geräts. Der Eingabeanschluß IN der HF-Treiberschaltung 51
wird mit einem HF-Pulssignal, das eine vorbestimmte
Hüllkurve besitzt, versorgt. Das HF-Pulssignal wird durch
einen Verteiler 2 geleitet und in einen Verstärker 3 mit
variabler Verstärkung eingespeist. Der Verstärker 3 mit
variabler Verstärkung arbeitet mit einem
Leistungsverstärker 4 zusammen, um das HF-Pulssignal zu verstärken,
damit eine Treiber- bzw. Ansteuerspannung mit
vorbestimmtem Spannungspegel erzeugt wird, welche in ein
Quadraturhybridelement 5 eingespeist wird. Das
Quadraturhybridelement 5 produziert eine 0º-Komponenten-Ansteuerspannung
und eine 90º-Komponenten-Ansteuerspannung von der
Eingabetreiber- bzw. -ansteuerspannung und liefert die
resultierenden Ansteuerspannungen an einen 0º-Anschluß und
einen
90º-Anschluß einer HF-Spule 6. Indem durch die Zwei-
Komponenten-Ansteuerspannungen angeregt wird, erzeugt die
HF-Spule 6 in ihrem Innenraum ein magnetisches
HF-Drehfeld.
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Eine Spannungsüberwachungseinrichtung 52 überwacht die
Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 4 und speist
das Ergebnis in eine Hüllkurvenextraktionsschaltung 53,
die die Hüllkurve der überwachten Vorrichtungsspannung
extrahiert. Eine andere Hüllkurvenextraktionsschaltung
11, die an den Verteiler 2 angeschlossen ist, extrahiert
die Hüllkurve des durch den Verteiler 2 gelieferten HF-
Pulssignals.
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Ein Komparator 12 vergleicht die Hüllkurven des
HF-Pulssignals und der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers
4 und steuert die Verstärkung des Verstärkers 3 mit
variabler Verstärkung gemäß dem Vergleichsergebnis, so daß
die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers 4 den
vorgeschriebenen Wert unabhängig von der Lastbedingung der
Spule besitzt (die Impedanz des Patienten, der im
Innenraum der HF-Spule 6 liegt).
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Die eben genannte konventionelle HF-Treiberschaltung 51
steuert nur die Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers
4 auf einen vorbestimmten Pegel, sie steuert aber nicht
das Gleichgewicht der an den 0º-Anschluß und den 90º-
Anschluß der HF-Spule 6 angelegten Spannungen. Wenn daher
die HF-Spule 6 das Impedanzgleichgewicht infolge
unterschiedlicher Impedanzen des 0º-Anschlusses und des 90º-
Anschlusses verliert, ändert sich das
Quadraturgleichgewicht, d.h. die Bedingung der Erzeugung des magnetischen
HF-Drehfelds, was zu einem sich ändernden Kippwinkel für
die Spininduktion führt.
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Eine automatische Amplitudenpegelkorrektur der Anregungs-
HF-Feldstärke dieser Art ist aus US-A-4 694 254 bekannt.
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Eine automatische Abstimmschaltung für ein
Quadraturantennensystem eines MRI-Systems ist aus US-A-4 763 074
bekannt. Sie hält eine substantielle Gleichheit der
Resonanzfrequenzen der Kanäle des Antennensystems aufrecht.
Darüber hinaus hält sie eine gewünschte Phasenbeziehung
des einen Kanals gegenüber dem anderen aufrecht.
Offenbarung der Erfindung:
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Dementsprechend ist es eine Aufgabe der folgenden
Erfindung, eine HF-Treiberschaltung eines MR-Geräts
bereitzustellen, die die Ansteuerspannung der HF-Spule steuern
bzw. regeln kann, einschließlich der Korrektur des
Quadraturgleichgewichts.
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Der Erfindung liegt eine HF-Treiberschaltung zum
quadratischen Ansteuern einer HF-Spule eines MR-Geräts
zugrunde, wobei die Schaltung die Merkmale gemäß Patentanspruch
1 umfaßt. Der Erfindung liegt weiterhin eine
HF-Treiberschaltung zum quadratischen Ansteuern einer HF-Spule
eines MR-Geräts zugrunde, die die Merkmale gemäß Anspruch 2
besitzt.
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Die erfindungsgemäße HF-Treiberschaltung des MR-Geräts
dient zum Überwachen der Spannungen am 0º-Anschluß und
90º-Anschluß der HF-Spule, zum Erzeugen einer
Rückkopplungsspannung, die der Komponente, die entlang der
Felddrehrichtung verläuft und mit dem Spinsystem koppelt bzw.
gekoppelt ist, des in der HF-Spule ausgebildeten
magnetischen Drehfelds entspricht, und zum Regeln der an die HF-
Spule angelegten Ansteuerspannung auf der Basis der
Rückkopplungsspannung. Deshalb wird, auch wenn die HF-Spule
das Impedanzgleichgewicht des 0º-Anschlusses und des 90º-
Anschlusses verliert, das Ungleichgewicht automatisch
korrigiert, und das HF-Magnetfeld, das zur Spininduktion
beiträgt, kann stabilisiert werden.
Kurze Erläuterung der Zeichnungen:
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der
HF-Treiberschaltung basierend auf einer
Ausführungsform dieser Erfindung;
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Fig. 2 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines
magnetischen Drehfelds;
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Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der
HF-Treiberschaltung basierend auf einer anderen
Ausführungsform dieser Erfindung;
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Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung des
Betriebs des in Fig. 3 gezeigten
Quadraturhybridelements; und
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Fig. 5 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung
eines Beispiels einer konventionellen HF-
Treiberschaltung des MR-Geräts.
Beste Ausführungsweise der Erfindung:
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden
mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Es
kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Erfindung
nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.
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Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der HF-Treiberschaltung des
MR-Geräts basierend auf einer Ausführungsform dieser
Erfindung.
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Die HF-Treiberschaltung 1 besitzt einen Eingangsanschluß
IN, der mit einem HF-Pulssignal mit bestimmter Hüllkurve
versorgt wird. Das HF-Pulssignal wird durch einen
Verteiler 2 geleitet und in einen Verstärker 3 mit variabler
Verstärkung eingespeist. Der Verstärker 3 mit variabler
Verstärkung arbeitet zusammen mit einem
Leistungsverstärker 4, um das HF-Pulssignal zu verstärken, damit eine
Ansteuerspannung mit vorbestimmtem Spannungspegel
produziert wird, welche in ein Quadraturhybridelement 5
eingespeist wird. Das Quadraturhybridelement 5 produziert eine
0º-Komponenten-Ansteuerspannung und eine
90º-Komponenten-Ansteuerspannung
von der Eingangsansteuerspannung, und
legt die resultierenden Ansteuerspannungen an einen 0º-
Anschluß und einen 90º-Anschluß einer HF-Spule 6. Die
Anordnung bis zu diesem Punkt ist identisch mit der in
Fig. 5 gezeigten konventionellen Anordnung.
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Ein Spannungsüberwachungselement 7A überwacht die
Spannung am 90º-Anschluß und speist das Ergebnis in eine
Hüllkurvenextraktionsschaltung 8, und ein anderes
Spannungsüberwachungselement 7B überwacht die Spannung am 0º-
Anschluß und speist das Ergebnis in eine andere
Hüllkurvenextraktionsschaltung 9. Die
Hüllkurvenextraktionsschaltungen 8 und 9 extrahieren die Hüllkurven der
Spannungen am 0º-Anschluß und 90º-Anschluß der HF-Spule 6 und
führen sie zu einem Addierer 10. Der Addierer 10 addiert
die Spannungshüllkurven des 0º-Anschlusses und des 90º-
Anschlusses der HF-Spule 6 auf und speist das Ergebnis in
einen Komparator 12. Eine andere an den Verteiler 2
angeschlossene Hüllkurvenextraktionsschaltung 11 extrahiert
die Hüllkurve des vom Verteiler 2 bereitgestellten HF-
Pulssignals und speist sie in den Komparator 12.
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Der Komparator 12 vergleicht die Hüllkurven des
HF-Pulssignals und der Ausgangsspannung des Leistungsverstärkers
4 und steuert die Verstärkung des Verstärkers 3 mit
variabler Verstärkung gemäß dem Vergleichsresultat, so daß
die Summe der am 0º-Anschluß und 90º-Anschluß der HF-
Spule 6 ermittelten Hüllkurven einen vorbestimmten Wert
unabhängig von der Lastbedingung der Spule besitzt (die
Impedanz des Patienten im Test).
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Nachfolgend wird das Betriebsprinzip der vorhin genannten
HF-Treiberschaltung des MR-Geräts mit Bezug auf Fig. 2
erläutert.
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Die HF-Spule 6, bei der am 0º-Anschluß eine Spannung
a cos(cot) und am 90º-Anschluß eine Spannung b cos(ωt
- π/2) angelegt ist, produziert ein magnetisches
HF-Drehfeld, das sich wie folgt darstellen läßt:
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η a cos(ωt) + η b cos(ωt-π/2)
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= η [{(a+b)/2}exp[-jωt]]
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+η [{(a-b)/2}exp[jωt]] ...(1)
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wobei η der Amplitudenfaktor des erzeugten Magnetfelds
pro Spannungseinheit ist, und a und b Variablen sind, die
sich in Abhängigkeit von der Anderung der Impedanz des im
Test befindlichen Patienten ändern.
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Das Magnetfeld besteht aus einem magnetischen
Vorwärtsdrehfeld, ausgedrückt durch den ersten Term auf der
rechten Seite der Formel und einem magnetischen
Rückwärtsdrehfeld, ausgedrückt durch den zweiten Term. Im
gewöhnlichen MR-Gerät koppelt das magnetische Vorwärtsdrehfeld
mit dem Spinsystem.
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Wenn das Quadraturgleichgewicht immer perfekt ist, so daß
in diesem Fall die Variablen a und b gleich sind und das
magnetische Rückwärtsdrehfeld nicht auftritt, arbeitet
die in Fig. 5 gezeigte konventionelle Regelschaltung
hinreichend.
Sobald jedoch das Quadraturgleichgewicht
infolge der Änderung der Impedanz des Patienten verloren wird,
so daß in diesem Fall die Variablen a und b ungleich sind
und das magnetische Rückwärtsdrehfeld auftritt, erzeugt
die Regelschaltung von Fig. 5 einen Kippwinkelfehler
infolge der herabgesetzten Wirksamkeit der Quadratur.
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Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemäße
HF-Treiberschaltung 1 nach Fig. 1 entworfen, um die Hüllkurven A
und B von den Spannungen am 0º-Anschluß und 90º-Anschluß
der HF-Spule 6 zu extrahieren, die Summe (A + B) als
Rückkopplungsspannung in den Komparator 12 einzuspeisen
und die Verstärkung des Verstärkers 3 mit variabler
Verstärkung so zu regeln, daß die summierte Hüllkurve (A +
B) mit der Hüllkurve des Eingangs-HF-Pulssignals
übereinstimmt, auch wenn das Quadraturgleichgewicht verloren
ist. Folglich wird die Amplitude des spininduzierenden,
magnetischen HF-Drehfelds in geeigneter Weise unabhängig
vom Patienten im Test beibehalten, und der Kippwinkel
kann auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden.
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Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der HF-Treiberschaltung
basierend auf einer anderen Ausführungsform dieser
Erfindung. Die HF-Treiberschaltung 21 unterscheidet sich von
der Schaltung 1 von Fig. 1 im Einsatz eines zusätzlichen
Quadraturhybridelements 22 und einer anderen
Hüllkurvenextraktionsschaltung 23 anstelle der
Hüllkurvenextraktionsschaltungen 8 und 9 und des Addierers 10.
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In Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung b cos(ωt -
π/2) an den 90º-Anschluß und einer Spannung a cos(ωt)
an den 0º-Anschluß der HF-Spule 6 produziert das
Quadraturhybridelement 22 die folgenden in Fig. 4 gezeigten
Ausgangssignale:
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a + b/ [2] cos (ωt-π) ...(2)
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a - b/ [2] cos (ωt3π/2) ... (3)
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Dementsprechend wird eine Rückkopplungsspannung, die zu
a+b proportional ist, von der Hüllkurve der durch die
obige Formel (2) ausgedrückten Ausgangsspannung erhalten.
Folglich ist es auf der Basis der HF-Treiberschaltung 21
möglich, die Amplitude des spininduzierenden,
magnetischen HF-Drehfelds unabhängig vom Patienten im Test in
geeigneter Weise aufrechtzuerhalten.
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Die das Quadraturhybridelement 22 verwendende
HF-Treiberschaltung 21 ist vorteilhaft, um mit der herabgesetzten
Quadraturwirksamkeit infolge des Versatzes der
Orthogonalität zwischen den Spannungen am 0º-Anschluß und 90º-
Anschluß der HF-Spule 6 fertig zu werden.
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Als abgeänderte Ausführungsform kann das
Quadraturhybridelement 22 von Fig. 3 durch einen Phasenschieber und ein
0º-Hybridelement ersetzt werden.
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Entsprechend der erfindungsgemäßen HF-Treiberschaltung
des MR-Geräts ist es möglich, in geeigneter Weise die
Amplitude des spininduzierenden, magnetischen
HF-Drehfelds bei einschließlicher Korrektur des
Quadraturgleichgewichts aufrechtzuerhalten.