DE3815567A1 - Automatische impedanzeinstelleinheit fuer ein magnetresonanz-abbildungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine automatische Impedanzeinstelleinheit zum Einstellen der Impedanz eines Sondenkopfes zum Aussenden und Empfangen eines Hochfrequenz- oder HF- Signals zur Anpassung desselben an einen Wellenwiderstand einer Speiseleitung (feeder line) in einem Magnetresonanz- Abbildungssystem.

Ein Sondenkopf dient bei einem Magnetresonanz-Abbildungssystem oder MRI-System als Antenne zum Aussenden eines HF- Signals für das Anregen einer Magnetresonanz-(HF-)Erscheinung und zum Empfangen eines HF-Signals, d. h. eines durch die Magnetresonanz- oder MR-Erscheinung erzeugten MR-Signals. Der Sondenkopf kann dabei von einer sowohl für Aussenden als auch Empfangen eines HF-Signals verwendeten Art oder von einer nur für Empfang eines HF-Signals eingesetzten Art sein. Der Sondenkopf weist eine aus Sattelspulen bestehende HF-Spule auf.

Fig. 1 zeigt ein Äquivalentschaltbild eines Sondenkopfes. Dieser ist mit einem Kabel eines Wellenwiderstands Zc (meist Zc=50 Ω) verbunden. Ein Sondenkopf für sowohl Aussenden als auch Empfangen ist gewöhnlich in einer bestimmten Stellung festgelegt. Ein Empfangstyp-Sondenkopf wird dagegen entsprechend Diagnosearten in einer Vielzahl von Stellungen angeordnet. Der durch dieses Äquivalentschaltbild dargestellte Sondenkopf ist durch variable oder regelbare Kondensatoren C _1V , C _2A und C _2B (wobei die Kapazität des variablen Kondensators C _1V gleich C₁ ist und die Kapazitäten der variablen Kondensatoren C _2A und C _2B gleich C₂ sind), die an eine Hochfrequenz- bzw. HF- Spule angeschlossen sind, sowie die Äquivalentinduktivität L der HF-Spule und einen Äquivalentparallelwiderstand R der HF-Spule gebildet. Mit Zi ist dabei die Eingangsimpedanz des Sondenkopfes bezeichnet.

Bei Verwendung dieses Sondenkopfes muß die Eingangsimpedanz Zi so eingestellt (angepaßt) werden, daß sie dem Wellenwiderstand Zc eines Kabels gleich ist.

Diese Bedingung besteht aus den beiden folgenden Gründen:

1. Im Fall von Zi≠Zc tritt ein Übertragungsverlust eines MR-Signals in einer Speiseleitung (feeder line) auf, und der Rauschabstand (Signal/Rauschenverhältnis) verschlechtert sich.

2. Ein in einem MRI-System verwendeter rauscharmer Verstärker stärker ist normalerweise so ausgelegt, daß seine Eingangsimpedanz einem normalerweise verwendeten Kabel entspricht. Im Fall von Zi≠Zc, d. h. wenn der Verstärker mit einer Signalquelle einer von Zc verschiedenen Signalquellenimpedanz verbunden ist, kann eine rauscharme Komponente nicht sichergestellt werden, weil die Störschutzzahlanpassung verschlechtert ist.

Wenn im Äquivalentschaltbild von Fig. 1 sowohl der Widerstandswert R als auch die Impedanz Zi reelle Zahlen sind, lassen sich die Beziehungen zwischen den Kapazitäten C₁ und C₂ und der Impedanz Zi jeweils wie folgt ausdrücken:

(mit l=2π f; f [Hz] gleich einer Resonanzfrequenz eines MR-Signals).

Aus Gleichungen (1) und (2) geht folgendes hervor: Wenn die Impedanz Zi (die als Wirkwiderstand gegeben ist) zunimmt, verringert sich die Kapazität C₂, während sich die Kapazität C₁ vergrößert. Genauer gesagt: wenn der Wider­ stand(swert) R und die Induktivität L konstant sind, kann die Kapazität C₂ verringert werden (und die Kapazität C₁ vergrößert sich entsprechend geringfügig), so daß die Impedanz Zi als Wirkwiderstand (pure resistance) vergrößert werden kann.

Anhand der Gleichungen (1) und (2) kann die Impedanz Z _X eines in Fig. 1 durch gestrichelte Linien umrahmten Schaltungsteils wie folgt berechnet werden:

Sodann gilt:

In Gleichung (3) stellt der erste Ausdruck, d. h. Zi, eine Wirkwiderstandskomponente dar, während der zweite Ausdruck, d. h. j , eine induktive Reaktanz bzw. einen Blindwiderstand darstellt.

Die Impedanz Z _Y eines durch zwei Kondensatoren C _2A und C _2B gebildeten Schaltungsteils läßt sich wie folgt dar­ stellen:

Wie aus den Gleichungen (3) und (4) hervorgeht, wird die Impedanz Zi durch die Impedanz Z _X , durch die Kapazität C₁, den Widerstand R und die Induktivität L geformt, sowie die durch die beiden Kapazitäten C₂ geformte Impedanz Z _Y gebildet. Zur Ableitung der Impedanz Zi als Wirkwiderstand kann ein imaginärer Teil (Blindwiderstandskomponente) in Gleichung (3) durch einen imaginären Teil (kapazitive Reaktanzkomponente) in Gleichung (4) zu Null unterdrückt werden.

Um auf beschriebene Weise der Bedingung Zi=Zc zu genügen, erfolgt im Fall von Zi<Zc die Einstellung wie folgt: Die Kapazität C₂ wird verringert, und die Kapazität C₁ wird vergrößert, um den bei Verringerung der Kapazität C₂ entstehenden imaginären Teil aufzuheben, so daß sich die Impedanz Zi erhöht. Im Fall von Zi<Zc geschieht die Einstellung wie folgt: Die Kapazität C₂ wird erhöht, und die Kapazität C₁ wird verringert, so daß sich die Impedanz Zi verkleinert.

Der Sondenkopf selbst muß einen hohen Q-Wert (Gütefaktor) aufweisen. Für den Fall, daß sich ein Untersuchungsobjekt (ein menschlicher Körper) während der Abbildung dem Sondenkopf stärker annähert, ist das Äquivalentschaltbild als primäre Annäherung des Sondenkopfes während der tatsächlichen Abbildung (Bildaufnahme) in Fig. 2 veranschaulicht. Kapazitäten Cs und Cs′ sind dabei Streukapazitäten zwischen einem Objekt und einer Spule, während ein Widerstand Rp ein Äquivalentwiderstand des (Untersuchungs-)Objekts ist. Da sich hierbei diese Kapazitäten Cs und Cs′ sowie der Widerstand Rp addieren, ist die Impedanz nicht Zi, sondern Zi′. Die Anordnung nach Fig. 2 kann auf die in Fig. 3 gezeigte Weise äquivalent transformiert werden, und die Anordnung nach Fig. 3 kann auf die in Fig. 4 gezeigte Weise weiter vereinfacht werden. Die Kapazität Cs′′ und der Widerstand Rp′ gemäß Fig. 3 sind jeweils eine Äquivalentkapazität bzw. ein Äquivalentwiderstand, wenn eine aus Kapazitäten Cs und Cs′ sowie dem Widerstand Rp bestehende Schaltung paralleltransformiert wird. In Fig. 4 gilt:

R′ ≒ Rp′R/(Rp′ + R)
C₁′ = Cs′′ + C₁

Im Äquivalentschaltwiderstand von Fig. 4 sind die Beziehungen zwischen den Kapazitäten C₂ der variablen Kondensatoren C _2A und C _2B der Kapazität C₁′ des variablen Kondensators C _1V und der Impedanz Zc durch die folgenden Gleichungen, basierend auf der Bedingung Zi′=Zc, im wesentlichen auf dieselbe Weise wie in Gleichungen (1) und (2) darstellbar:

Wenn daher die Kapazitäten C₁′ und C₂ auf dieselbe Weise wie in Fig. 1 eingestellt werden, läßt sich die Bedingung Zi=Zc erfüllen.

Bei einem bisherigen Gerät erfolgt diese Einstellung wie folgt: Es wird ein Oszillator mit einer Ausgangsimpedanz Zc (Wirkwiderstand) bereitgestellt. Zwischen den Oszillator und den Sondenkopf wird ein Richtkoppler eingeschaltet. Eine vom Sondenkopf ausgegebene Reflexionsleistung des Oszillators wird abgeleitet und über bzw. durch den Richtkoppler (directional coupler) überwacht, und die Kapazitäten C₁′ und C₂ werden so variiert, daß eine eine Reflexionsleistung=0 ergebende Bedingung nach der Ver­ such-Irrtum-Methode bzw. durch Probieren ermittelt wird.

Auf diese Weise müssen bei der bisherigen Einstellmethode zwei variable Kondensatoren C₁′ und C₂ gleichzeitig von Hand eingestellt oder justiert werden, was sich als umständlich erweist. Dabei hängt die Einstellung weitgehend von Können oder Erfahrung ab, was zu einer mangelhaften Arbeitsleistung führt.

Anstelle der manuellen Operation ist eine automatische Einstellmethode unter Verwendung eines Mikroprozessors o. dgl. vorgeschlagen (worden). Der größte Teil der Einstellung erfolgt jedoch in Abhängigkeit von der Entscheidungsfunktion des Mikroprozessors, was ebenfalls zu einer mangelhaften Einstellungsleistung führt.

Im Hinblick auf die oben geschilderten Gegebenheiten liegt damit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine automatische Impedanzeinstelleinheit für ein MRI-System zu schaffen, die eine wirksame und wirtschaftliche Einstellung mit einfacher Hardware erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Eine erfindungsgemäße automatische Impedanzeinstelleinheit für ein MRI-System umfaßt einen Detektor für die getrennte Erfassung von reellen und imaginären Teilen einer Impedanz eines Sondenkopfes und eine Steuereinheit, um dem Sondenkopf ein Steuersignal für die optimale Einstellung von Spannungen entsprechend den durch den Detektor gewonnenen Signalen der reellen und imaginären Teile zu liefern.

Bei der erfindungsgemäßen automatischen Impedanzeinstelleinheit für ein MRI-System (Magnetresonanz-Abbildungssystem) werden reelle und imaginäre Teile der Impedanz des Sondenkopfes getrennt erfaßt, und die Steuerung erfolgt in der Weise, daß diese Detektions- oder Meßsignale zu Null gemacht werden, so daß die Impedanz des Sondenkopfes gleich einem Wellenwiderstand eingestellt wird. Die Einstellung kann daher einfach und automatisch und ohne die Notwendigkeit für eine manuelle Operation erfolgen, so daß eine wirksame und wirtschaftliche Einstellung erreicht wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Äquivalentschaltbild eines Sondenkopfes,

Fig. 2 ein Äquivalentschaltbild eines Sondenkopfes unter Berücksichtigung eines Untersuchungsobjekts,

Fig. 3 ein Äquivalentschaltbild der Anordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Äquivalentschaltbild der Anordnung nach Fig. 3,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Grundanordnung eines Impedanzdetektors bei einer erfindungsgemäßen automatischen Impedanzeinstelleinheit für ein MRI-System,

Fig. 6 bis 10 Schaltbilder zur Erläuterung des Prinzips des Impedanzdetektors nach Fig. 5,

Fig. 11 ein Blockschaltbild der Anordnung einer automatischen Impedanzeinstelleinheit für ein MRI-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 ein detailliertes Blockschaltbild der Anordnung bzw. des Aufbaus einer Steuereinheit bei der Einstelleinheit nach Fig. 11 und

Fig. 13 ein detailliertes Schaltbild eines Sondenkopfes bei der Einstelleinheit nach Fig. 11.

Nachdem die Fig. 1 bis 4 eingangs bereits erläutert worden sind, ist im folgenden das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beschrieben.

Gemäß einem Artikel "A Complex Impedance Meter" (Carl G. Lodstroem, Dow-Key Microwave Corporation) in RF expo east (10.-12. November 1986, Boston Massachusetts) ist eine Reihenschaltung aus vier λ/8-Kabeln 71, 72, 73 und 74 zwischen einen Oszillator 1 einer Ausgangsimpedanz Zc und eine Last 2 einer Impedanz Z _L so geschaltet, daß reelle und imaginäre Teile der Impedanz der Last 2 einfach und getrennt in den Formen entsprechend Spannungen erfaßt werden können (vgl. Fig. 5).

Insbesondere ist (gemäß Fig. 5) ein Dämpfungsglied 5 für die genaue Einstellung einer Impedanz auf Zc (=50 Ω zwischen den Oszillator 1 und das erste λ/8-Kabel 71 geschaltet. Gemäß Fig. 5 ist eine Reihenschaltung aus einer Diode D 4, einem variablen bzw. regelbaren Widerstand R₁ und einer Diode D₂ zwischen den Knotenpunkt zwischen Dämpfungsglied 5 und erstem λ/8-Kabel 71 sowie den Knotenpunkt zwischen zweiten und dritten λ/8-Kabeln 72 bzw. 73 geschaltet. Eine Reihenschaltung aus einer Diode D₁, einem regelbaren Widerstand R₂ und einer Diode D₃ ist zwischen den Knotenpunkt zwischen ersten und zweiten λ/8-Kabeln 71 bzw. 72 sowie den Knotenpunkt zwischen dritten und vierten λ/8-Kabeln 73 bzw. 74 geschaltet (vgl. Fig. 5). Ein Gleichspannung- Voltmeter 3 (einer hohen Eingangsimpedanz) entsprechend dem reellen Teil ist mit einer Schleiferklemme des regelbaren Widerstands R₁ verbunden. Ein Gleichspannung-Voltmeter 4 (einer hohen Eingangsimpedanz) entsprechend einem imaginären Teil ist an die Schleiferklemme des regelbaren Widerstands R₂ angeschlossen. Die regelbaren Widerstände oder Regelwiderstände R₁ und R₂ sind durch sog. Trimmpotentiometer gebildet. Die Kabel 71 bis 74 besitzen jeweils eine Kabellänge, die genau mit einer Wellenlänge λ/8 eines Ausgangssignals vom Oszillator 1 übereinstimmt.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 sei angenommen, daß die Last 2 von Z _L =Zc angeschlossen ist und die Regelwiderstände R₁ und R₂ im voraus so eingestellt bzw. abgeglichen sind, daß die Voltmeter 3 und 4 jeweils 0 [V] anzeigen; damit ist ein Anfangszustand eingestellt. Wenn in diesem Zustand der reelle Teil der Lastimpedanz Z _L kleiner ist als die Impedanz Zc, zeigt das Voltmeter 3 für den reellen Teil eine positive Spannung an, während es im anderen Fall eine negative Spannung anzeigt. Wenn der imaginäre Teil der Lastimpedanz Z _L induktiv ist, zeigt das Voltmeter 4 für den imaginären Teil eine positive Spannung an, während es dann, wenn dieser Teil kapazitiv ist, eine negative Spannung anzeigt. Durch Beobachtung der Anzeigen der Voltmeter 3 und 4 für reellen bzw. imaginären Teil kann somit eine Abweichung bzw. ein Versatz der Größe der Lastimpedanz Z _L gegenüber dem Wellenwiderstand Zc bestimmt werden.

Der oben erwähnte Detektor ist nachstehend im einzelnen erläutert. Bei Betrachtung insbesondere einer Schaltung gemäß Fig. 6 ergibt sich eine Spannung V₀ am Punkt P wie folgt:

V₀ (d) = V _L cosβ (1 - d) + j(Zc/I _L )sinβ (1 - d)

da hierbei b=2π/λ und Z _L =V _L /I _L , bestimmt sich V₀ (d) nach folgender Gleichung:

V₀ (d) = V _L [cos{2π (1 - d)/λ} + j(Zc/Z _L )sin{2π (1 - d)/λ}] (5)

Das Prinzipschaltbild des Detektors, d. h. eines komplexen Impedanzmeters mit λ/8-Kabeln, ist in Fig. 7 veranschau­ licht.

Spannungen an Punkten P₁, P₂, P₃ und P₄ in Fig. 7 sind jeweils mit V₁, V₂, V₃ bzw. V₄ bezeichnet. Es sei angenommen, daß eine Signalquellenimpedanz mit dem Wellenwiderstand (charakteristische Impedanz) Zc eines λ/8-Kabels übereinstimmt.

Da die Positionen der Punkte P₁, P₂, P₃ und P₄ jeweils ganzzahligen Vielfachen von λ/8 entsprechen, gilt

1 - d = λ/8, 2λ/8, 3λ/8, 4λ/8 und β = 2π/λ;

sodann gilt:

β (1 - d) = ( π/4), ( π/2), (3π/4) und f.

Wenn diese Ergebnisse in Gleichung (5) eingesetzt werden, bestimmen sich V₁, V₂, V₃ und V₄ jeweils zu:

V₁= V _L {cos(π/4) + j(Z _L /Zc)sin (π/4)}
= (V _L /Zc)(Zc + jZ _L ) V₂= V _L {cos(π/2) + j(Z _L /Zc)sin (π/2)}
= (V _L /Zc)(jZ _L ) V₃= (V _L /Zc)(-Zc + jZ _L ) V₄= V _L

Wenn die Punkte P₁ und P₃ (oder P₂ und P₄) gemäß Fig. 7 mit i bzw. j bezeichnet werden, läßt sich Fig. 7 auf die in Fig. 8 gezeigte Weise ausdrücken. Fig. 8 läßt sich durch Äquivalentschaltbilder gemäß Fig. 9 und 10 darstel­ len.

Dabei gilt:

R₁ I₁ + R₂(I₁ - I₂) = E₁ - E₂

R₂(I₂ - I₁) + R₀ I₂ = E₂ (6)

Anhand von Gleichung (6) ergibt sich:

R₁ I₁ + R₀ I₂ = E₁ (7)
(R₁ + R₂)I₁ - R₂ I₂ = E₁ - E₂ (6′)

Gleichungen (7) und (6′) werden für den Strom I₂ wie folgt aufgelöst:

I₂= (R₂ E₁ + R₁ E₂)/(R₁ R₂ + R₀ R₁ + R₂ R₀) E₀= R₀ I₂
= R₀(R₂ E₁ + R₁ E₂)/{R₁ R₂ + R₀(R₁ + R₂)}

Theoretisch läßt sich R₁=R₂ gewinnen; demzufolge bestimmt sich die Spannung E₀ zu:

E₀ = {(E₁ + E₂)R₀}/(R₁ + 2R₀)

Unter der Voraussetzung von R₁ (=R₂)«R₀ bestimmt sich die Spannung E₀ wie folgt:

E₀ = (E₁ + E₂)/2 = ( | Vi | - | Vj | )/2

Da die Spannungen Vi und Vj durch Dioden Di und Dj gleichgerichtet und dann durch Kapazitäten Ci und Cj geglättet werden, nehmen sie maximale Größen an, d. h. Amplitudenspannungen E₁ und E₂.

Wenn eine unbekannte Impedanz durch Z _L =R _X +jN _X dargestellt wird:

• (i) eine Spannung Vim entsprechend einem imaginären Teil bestimmt sich wie folgt: Durch Substitution erhält man: Auf diese Weise kann eine eine negative oder positive Größe von N _X reflektierende Spannung erzeugt werden.
• (ii) Eine Spannung Vre entsprechend einem reellen Teil bestimmt sich zu: Unter der Voraussetzung, daß Z _L =R _X (N _X =0) gilt, erhält man:Vre = ( | V _L | /2Zc)(R _X - Zc) (9)Auf oben beschriebene Weise kann eine Spannung Vim, die den imaginären Teil N _X der unbekannten Lastimpedanz Z _L =R _X +jN _X reflektiert, erhalten oder abge­ leitet werden. Die Lastimpedanz Z _L wird zur Lieferung der Spannung Vim=0 eingestellt. Im Fall von N _X =0 kann insbesondere eine Spannung Vre erhalten werden, die eine Differenz zwischen dem reellen Teil R _X und dem Wellenwiderstand Zc wiedergibt.

Im folgenden ist eine für ein MRI-System vorgesehene automatische Impedanzeinstelleinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die auf dem oben beschriebenen Prinzip basiert, im einzelnen erläutert.

Fig. 11 veranschaulicht in einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäße automatische Impedanzeinstelleinheit (impedance adjuster) für ein MRI-System. Dabei ist ein Detektor 7 zwischen den Oszillator 1 der Ausgangsimpedanz Zc und den Sondenkopf 6 geschaltet, während eine Steuereinheit 8 zwischen den Detektor 7 und den Sondenkopf 6 geschaltet ist. Der Detektor 7 ist auf dieselbe Weise, wie in Fig. 5 angegeben, durch λ/8-Kabel gebildet, so daß Spannungen für den reellen Teil und den imaginären Teil, welche die Impedanz Zi des Sondenkopfes 6 repräsentieren, getrennt abgegriffen oder erfaßt werden können. Die Steuereinheit 8 besitzt den in Fig. 12 dargestellten, noch zu beschreibenden Aufbau. Entsprechend den durch den Detektor 7 erfaßten Spannungen Vre und Vim für reellen Teil bzw. imaginären Teil liefert die Steuereinheit 8 Steuersignale zur Einstellung der Spannungen auf Null zu variablen oder regelbaren Kondensatoren C _1V , C _2A und C _2B des Sondenkopfes 6.

Die Arbeitsweise der Steuereinheit 8 ist im folgenden im einzelnen erläutert.

Wenn eine positive Spannung für den reellen Teil durch den Detektor 7 erfaßt wird, kann Zi<Zc nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip (basierend auf Gleichung (1)) diskriminiert werden. Daher wird ein Steuersignal zum Ver­ kleinern der Kapazitäten C₂ des Sondenkopfes 6 zu den regelbaren Kondensatoren C _2A und C _2B geliefert. Damit wird die Impedanz Zi erhöht. Wenn die Impedanz Zi erhöht ist und die dem reellen Teil entsprechende Spannung Vre zu 0 [V] wird, wird die Zufuhr des Steuersignals zu den regelbaren Kondensatoren C _2A und C _2B beendet.

Wenn die dem reellen Teil ensprechende negative Spannung durch den Detektor 7 erfaßt wird, kann im Gegensatz zum oben beschriebenen Fall bestimmt werden, daß Zi<Zc gilt. Demzufolge wird ein Steuersignal zur Erhöhung der Kapazität C₂ zu den regelbaren Kondensatoren C _2A und C _2B geliefert, womit die Impedanz Zi verringert wird. Mittels dieser Steueroperation kann die dem reellen Teil entsprechende Spannung Vre zu 0 [V] gemacht werden.

Wenn durch den Detektor 7 die dem imaginären Teil entsprechende positive Spannung Vim erfaßt wird, kann nach dem oben beschriebenen Prinzip bestimmt werden, daß die Impedanz kapazitiv ist. Demzufolge wird dem regelbaren Widerstand C _1V ein Steuersignal zur Verkleinerung der Kapazität C₁ zugeführt. Da hierbei der imaginäre Teil so geändert werden kann, daß er induktiv ist, kann er aufgehoben oder gestrichen werden. Wenn die dem imaginären Teil entsprechende Spannung Vim zu 0 [V] wird, wird die Zufuhr des Steuersignals zum regelbaren Kondensator C _1V beendet.

Wenn durch den Detektor 7 die dem imaginären Teil entsprechende negative Spannung Vim erfaßt wird, kann im Gegensatz zum obigen Fall diskriminiert werden, daß der imaginäre Teil induktiv ist. Aus diesem Grund wird dem regelbaren Kondensator C _1V ein Steuersignal zur Vergrößerung der Kapazität C₁ zugeführt. Der imaginäre Teil wird damit so geändert, daß er kapazitiv ist, so daß die dem imaginären Teil entsprechende Spannung Vim auf 0 [V] eingestellt werden kann.

In Abhängigkeit von den durch den Detektor 7 erfaßten, dem reellen Teil und dem imaginären Teil entsprechenden Spannungen Vre bzw. Vim liefert die Steuereinheit 8 Steuersignale, d. h. negative Rückkopplungs- oder Gegenkopplungssignale, für die Einstellung der Spannungen auf Null zu den regelbaren Kondensatoren C _2A , C _2B und C _1V des Sondenkopfes 6. Die Impedanz kann daher so eingestellt werden, daß sie letzlich der Bedingung Zi=Zc genügt.

Wenn jedoch Gegenkopplungssignale identischer Ansprechcharakteristika (response properties) für die Kapazitäten C₂ und C₁ geliefert werden, kann die Impedanz Zi schwingen, ohne zu Zc zu konvergieren. Aus diesem Grund wird eine Ansprechzeit der Gegenkopplung für den reellen Teil oder den imaginären Teil kürzer gesetzt als die für den jeweiligen anderen Teil. Sodann kann ein Teil eine Zielgröße früher erreichen als der andere (zu Zc [Ω] oder j · 0 [Ω] werden), so daß keine Schwingung auftritt. Demzufolge kann die Impedanz Zi zu Zc konvergieren. In der Praxis wird bei Verwendung des Detektors 7 gemäß Fig. 5 die Ansprechzeit der Gegenkopplung für den imaginären Teil vorzugsweise kürzer eingestellt als diejenige der Gegenkopplung für den reellen Teil.

Wenn einer der dem reellen Teil und dem imaginären Teil entsprechenden Spannungen Vre bzw. Vim zu 0 [V] wird, können diese Spannungen einer Integration unterworfen werden, so daß der Steuer- oder Regelzustand der Kapazität C₂ oder C₁ aufrechterhalten werden kann. Insbesondere wird eine dieser Spannungen integriert, und der regelbare Kondensator C _2A , C _2B oder C _1V wird so geregelt, daß er eine 1 : 1- Entsprechung zur integrierten Größe aufweist. Der Regelzustand kann dabei aufrechterhalten werden, auch wenn eine der Meßspannungen zu 0 [V] wird.

Wenn die gesamte Anpassung erreicht ist, werden die Spannungen für sowohl den reellen Teil als auch den imaginären Teil zu 0 [V]. In diesem Fall wird die Einstellregelung der Kapazitäten C₂ und C₁ beendet.

Fig. 12 veranschaulicht in einem detaillierten Blockschaltbild die Anordnung bzw. den Aufbau der Steuereinheit 8. Diese Steuereinheit 8 umfaßt einen Steuerteil 8 A für reellen Teil und einen Steuerteil 8 B für imaginären Teil. Diese Steuerteile 8 A und 8 B umfassen jeweils eine Pufferstufe 9, eine Inversions/Verstärkungsstufe 10 und eine Inversions/ Integrationsstufe 11. Das Ausgangssignal von jeder Inver­ sions/Integrationsstufe 11 wird einer Impedanzanpassung unterzogen (is impedance-matched) und dann durch einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler in eine digitale Größe umgewandelt und gehalten. Die digitale Größe wird sodann durch einen Digital/Analog- bzw. D/A-Wandler in eine analoge Größe umgewandelt und hierauf als Steuer- oder Regelspannung für Kapazitäten C₁ und C₂ ausgegeben. Die Inver­ sions/Integrationsstufe 11 des Steuerteils 8 A für reellen Teil liefert eine Steuer- oder Regelspannung für die Kapazität C₂. Die Inversions/Integrationsstufe 11 des Steuerteils 8 B für den imaginären Teil gibt eine Steuer- oder Regelspannung für die Kapazität C₁ aus. Zur Erzielung unterschiedlicher Ansprechzeiten in den Teilen für reellen und imaginären Teil muß die Beziehung zwischen der Zeitkonstante CrRr des Teils für reellen Teil und der Zeitkonstante CiRi des Steuerteils für imaginären Teil auf CiRi»CrRr (oder CrRr»CiRi) aufrechterhalten werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß ein Kabel mit einer Länge entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen von λ/2 (oder eine diesem äquivalente Schaltung) zwischen den Detektor 7 und den Sondenkopf 6 geschaltet sein kann.

Fig. 13 veranschaulicht im einzelnen die Anordnung bzw. den Aufbau des Sondenkopfes 6, bei dem Kapazitäten C₂ und C₁ durch Dioden variabler Kapazität bestimmt werden. Die Dioden variabler Kapazität mit den Kapazitäten C₁ bzw. C₂ nehmen jeweils Steuerspannungen von den Steuerteilen 8 A und 8 B für reellen Teil bzw. imaginären Teil gemäß Fig. 12 ab. Je höher eine Gegenvorspannung wird, um so niedriger wird die Kapazität der (betreffenden) Diode mit variabler Kapazität. In Fig. 13 sind zusätzlich zu den Kapazitäten C₁ und C₂ Kapazitäten C _DC , C _BAL und C _B angegeben.

Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist nachstehend erläutert.

Die Initialisierung erfolgt in der Weise, daß die dem reellen Teil und dem imaginären Teil entsprechenden Spannungen Vre bzw. Vim des Detektors 7 zu 0 [V] werden, während eine Bezugslast Z _L einer Impedanz Zc angeschlossen ist. Der Sondenkopf 6 wird anstelle der Last Z _L angeschlossen, und es erfolgt eine automatische Impedanzeinstellung oder -anpassung nach Maßgabe der dem reellen Teil und dem imaginären Teil entsprechenden Spannungen Vre bzw. Vim.

Wenn die dem imaginären Teil entsprechende Spannung Vim eine positive Spannung ist, wird die Kapazität C₁ des Sondenkopfes 6 durch die Steuereinheit 8 der Gegenkopplung unterworfen, um verringert zu werden, so daß die Spannung auf 0 [V] eingestellt werden kann. Wenn die dem imaginären Teil entsprechende Spannung Vim eine negative Spannung ist, wird die Kapazität C₁ der Gegenkopplung zur Erhöhung unterworfen, so daß die Spannung auf 0 [V] eingestellt werden kann.

Wenn die dem reellen Teil entsprechende Spannung Vre eine positive Spannung ist, wird die Kapazität C₂ des Sondenkopfes 6 durch die Steuereinheit 8 einer Gegenkopplung unter­ worfen, um verkleinert zu werden, so daß die Spannung auf 0 [V] eingestellt werden kann. Wenn die dem reellen Teil entsprechende Spannung Vre eine negative Spannung ist, wird die Kapazität C₂ zu ihrer Vergrößerung oder Erhöhung der Gegenkopplung unterworfen, so daß die Spannung auf 0 [V] eingestellt werden kann.

Auch wenn daher die dem reellen Teil und dem imaginären Teil entsprechenden Spannungen Vre bzw. Vim positive oder negative Spannung sind, können sie automatisch auf 0 [V] eingestellt werden. Die Impedanz kann damit automatisch eingestellt werden, um der Bedingung Zi=Zc zu genügen.

Da bei der beschriebenen Ausführungsform die Impedanz Zi eines Sondenkopfes ohne Notwendigkeit für manuelle Operation automatisch so eingestellt werden kann, daß sie dem Wellenwiderstand Zc gleich ist, läßt sich die Einstellung oder Anpassung wirksam und wirtschaftlich durchführen. Da die Einstelleinheit einfach aufgebaut ist, läßt sie sich kostensparend herstellen. Dementsprechend kann mittels automatischer Impedanzeinstellung die Diagnosezeit für den Patienten verkürzt werden.

Als variable oder regelbare Kondensatoren C _1V , C _2A und C _2B im Sondenkopf 6 können mittels mechanischer Operation variable Kondensatoren, wie Vakuumkondensatoren, verwendet werden. Die Antriebsgeschwindigkeit eines Stelltriebs durch einen Motor kann proportional zu einer erfaßten Spannung oder Meßspannung geregelt werden. Bei dieser Anordnung kann eine Integrationsstufe weggelassen werden. Dies ist deshalb der Fall, weil der Drehwinkel des Stelltriebs einer integralen Größe der Geschwindigkeit proportional ist, und der Stelltrieb dann, wenn die Meßspannung 0 [V] erreicht, unter Aufrechterhaltung des betreffenden Drehwinkels automatisch abgeschaltet wird. In diesem Fall müssen offensichtlich die Vorzeichen so eingestellt oder vorgegeben werden, daß die Meßspannung und die Drehrichtung der Gegenkopplungsbeziehung entsprechen.

Für einen Sende/Empfangs-Sondenkopf wird vorzugsweise ein mechanisch variabler Kondensator, z. B. ein Vakuumkondensator, verwendet, weil dabei eine hohe Stromleistung im Spiel ist. Für einen Empfangs-Sondenkopf kann eine Diode variabler Kapazität verwendet werden, weil nur eine geringe Stromleistung angewandt wird.

Claims (12)

1. Automatische Impedanzeinstelleinheit zum Einstellen (oder Anpassen) der Impedanz eines Sondenkopfes (6) in einem Magnetresonanz-Abbildungs- oder MRI-System, so daß sie einem (einer) Wellenwiderstand (charakteristischen Impedanz) gleich ist, gekennzeichnet durch
ein am Sondenkopf (6) vorgesehenes Impedanzeinstellelement (C _1V , C _2A , C _2B ) zur Ermöglichung einer variablen Einstellung von reellen und imaginären Teilen einer Impedanz des Sondenkopfes (6),
eine eine vorbestimmte Ausgangsimpedanz aufweisende Oszillatoreinheit (1) zur Lieferung eines Signals zum Sondenkopf,
eine zwischen Sondenkopf (6) und Oszillatoreinheit (1) geschaltete Detektoreinheit (7) zur Lieferung von Detektions- oder Meßsignalen, die jeweils den reellen bzw. imaginären Teilen der Impedanz des Sondenkopfes entsprechen, auf der Grundlage des zum Sondenkopf (6) gelieferten Ausgangssignals von der Oszillatoreinheit und
eine auf die den rellen und imaginären Teilen entsprechenden, von der Detektoreinheit (7) gelieferten Signale ansprechende Steuereinheit (8), um zum Impedanzeinstellelement (C _1V , C _2A , C _2B ) des Sondenkopfes (6) ein Steuersignal für die Einstellung der reellen und imaginären Teile der Impedanz des Sondenkopfes (6) in der Weise, daß sie einer vorbestimmten Impedanz entsprechen (bzw. entspricht), zu liefern.

2. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzeinstellelement (C _1V , C _2A , C _2B ) variable oder regelbare Kondensatoreinheiten aufweist.

3. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzeinstellelement eine erste variable oder regelbare Kondensatoreinheit (C _1V ), die im wesentlichen parallel zu einer Induktivität (L) einer Spule des Sondenkopfes (6) angeordnet ist, und zwei zweite variable oder regelbare Kondensatoreinheiten (C _2A , C _2B ), die im wesentlichen in Reihe mit zwei Enden der Induktivität (L) angeordnet sind, aufweist.

4. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _1V , C _2A , C _2B ) Dioden mit variabler oder regelbarer Kapazität umfassen.

5. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _1V , C _2A , C _2B ) mechanisch variable Kondensatoreinheiten umfassen.

6. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (8) Mittel zum Gegenkoppeln eines Steuersignals nach Maßgabe eines dem reellen Teil entsprechenden Signals zu den zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _2A , C _2B ) und zum Gegenkoppeln eines Steuersignals nach Maßgabe des dem imaginären Teil entsprechenden Signals zur ersten variablen Kondensatoreinheit (C _1V ) aufweist.

7. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinheit (7) eine Reihenschaltung aus ersten bis vierten g/8-Kabeln (71, 72, 73, 74), die zwischen die Oszillatoreinheit (1) und den Sondenkopf (6) geschaltet sind, einen jeweils über Dioden (D₂, D₄) vorbestimmter Polaritäten an die beiden Enden einer Reihenschaltung aus den ersten und zweiten λ/8-Kabeln (71, 72) angeschlossenen ersten variablen oder regelbaren Widerstand (R₁) und einen zweiten variablen oder regelbaren Widerstand (R₂) aufweist, der jeweils über Dioden (D₃, D₁) vorbestimmter Polaritäten an die beiden Enden einer Reihenschaltung aus den zweiten und dritten λ/8-Kabeln (72, 73) angeschlossen ist, und Ausgangsspannungen entsprechend den reellen und imaginären Teilen der Impedanz von Schleiferklemmen der ersten und zweiten variablen Widerstände (R₁ bzw. R₂) abnehmbar sind.

8. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzeinstellelement (C _1V , C _2A , C _2B ) variable oder regelbare Kondensatoreinheiten umfaßt.

9. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzeinstellelement eine erste variable oder regelbare Kondensatoreinheit (C _1V ), die im wesentlichen parallel zu einer Induktivität (L) einer Spule des Sondenkopfes (6) angeordnet ist, und zwei zweite variable oder regelbare Kondensatoreinheiten (C _2A , C _2B ), die im wesentlichen in Reihe mit zwei Enden der Induktivität (L) angeordnet sind, aufweist.

10. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _1V , C _2A , C _2B ) Dioden mit variabler oder regelbarer Kapazität umfassen.

11. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _1V , C _2A , C _2B ) mechanisch variable Kondensatoreinheiten umfassen.

12. Impedanzeinstelleinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (8) Mittel zum Gegenkoppeln eines Steuersignals nach Maßgabe eines dem reellen Teil entsprechenden Signals zu den zweiten variablen Kondensatoreinheiten (C _2A , C _2B ) und zum Gegenkoppeln eines Steuersignals nach Maßgabe des dem imaginären Teil entsprechenden Signals zur ersten variablen Kondensatoreinheit (C _1V ) aufweist.